JPH0641164A - 高純度モノアルキルホスフィンの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明の目的は、高純度モノアルキルホスフ
ィンを高収率で得るための製造方法を提供することにあ
る。 【構成】 本発明に係る高純度モノアルキルホスフィン
の製造方法は、ホスフィンとアルケンとを反応させるこ
とからなるモノアルキルホスフィンの製造方法におい
て、下記に示す一般式Ｒ−ＳＯ₃Ｈ(１)(ただし、式中、
Ｒは炭素数１〜４のアルキル基を表す)で示される無水
アルカンスルホン酸の１種または２種以上の混合物を触
媒とし、生成するモノアルキルホスフィンよりも高沸点
の有機溶媒の存在下で反応を行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、高純度モノアルキルホ
スフィンの製造方法に関し、更に詳しくはホスフィンと
アルケンとを反応させてモノアルキルホスフィンを製造
する方法において、無水のアルカンスルホン酸を触媒と
し、生成するモノアルキルホスフィンよりも高沸点の有
機溶媒の存在下で反応を行うことを特徴とする製造方法
に関する。高純度のモノアルキルホスフィンは、ＭＯＣ
ＶＤ(Metalorganic ChemicalVapour Deposition)法等に
よるエピタキシャル成長の原料として有用なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】化合物半導体は、発光ダイオード、太陽
電池、半導体レーザ等の用途に用いられ、特に半導体レ
ーザは次世代の電子デバイスとして光通信、光ティス
ク、光計測、光コンピューティング等に期待されてい
る。

【０００３】化合物半導体におけるV族元素のリン原料
としては、水素化物であるホスフィンが現在多量に使用
されている。しかし、ホスフィンの毒性が高いことによ
る安全性の問題から、排ガスの処理に必要な設備投資が
多額になっていることや、特殊材料ガスに関する法規制
の強化から、高圧ガスでなく、しかも毒性の低いV族の
リン原料が求められている。

【０００４】この要求に対して、近年、毒性の低減した
モノアルキルホスフィンがホスフィン代替品として注目
されている。モノアルキルホスフィンの製造方法として
は、ホスフィンとアルケンの酸触媒による反応が一般的
に知られている［J.Org.Chem.,24, 356〜359(1959)］。
この方法は、酸触媒としてアルカンスルホン酸の水溶液
を使用することから、反応終了後、有機層中に残存する
多量の水分を除去する必要がある。水分の除去は、蒸留
の他に、吸着や反応型の除去剤を使用することが多く、
これによる金属不純物の混入が生じ、半導体用途では、
しばしば問題となる。しかも、反応を水系で行った場
合、二級、三級のホスフィン化合物が副生し易く、これ
らの副生物を除去するのは困難であり、また、副反応に
よる収率低下は避けられない。

【０００５】また、ホスフィン以外の出発原料を用いる
方法、例えば二塩化亜ホスホニルのリチウムアルミニウ
ムハイドライドによる還元方法［Z.anorg.allg.Chem.44
3,42(1978)］や塩化ホスホニルのリチウムアルミニウム
ハイドライドによる還元方法(欧州特許第373486号)等が
知られている。これらは、還元に用いる金属系の触媒を
使用することによる金属不純物の混入等があり、高純度
のモノアルキルホスフィンを得ることは極めて困難であ
り、また、製造工程が長いことによる収率の低下や工業
的規模での実施に不利である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、高純度モノアルキルホスフィンを高収率で得るため
の製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記事実
に鑑み、水分や金属不純物を含まない高純度で、かつ高
収率に高純度モノアルキルホスフィンを得る製造方法を
鋭意研究した結果、ホスフィンとアルケンとを反応させ
ることからなるモノアルキルホスフィンの製造方法にお
いて、無水のアルカンスルホン酸を触媒とし、生成する
モノアルキルホスフィンよりも高沸点の有機溶媒の存在
下で反応することにより、高純度、高収率でモノアルキ
ルホスフィンを得られることを知見し、本発明を完成し
た。

【０００８】即ち、本発明は、ホスフィンとアルケンと
を反応させることからなるモノアルキルホスフィンの製
造方法において、下記に示す一般式

【化２】Ｒ−ＳＯ₃Ｈ (１) (ただし、式中、Ｒは炭素数１〜４のアルキル基を表す)
で示される無水アルカンスルホン酸の１種または２種以
上の混合物を触媒とし、生成するモノアルキルホスフィ
ンよりも高沸点の有機溶媒の存在下で反応を行うことを
特徴とする高純度モノアルキルホスフィンの製造方法に
係る。

【０００９】以下、本発明を詳細に説明する。本発明に
係るモノアルキルホスフィンの製造方法における原料で
あるホスフィンは、いかなる製法に基づくものであって
もよいが、金属性、酸化性の不純物の極めて少ない高純
度品を用いることが好ましい。例えば、次亜リン酸ソー
ダの製造に際して副生する粗製ホスフィンに、脱アルシ
ンや脱低級水素化リン化合物の精製操作を施し、更に蒸
留装置で精留することにより、低沸点成分、ＣＯ₂、Ｈ₂
Ｏ、アルシン等の不純物を実質的に有しない高純度ホス
フィンが工業的に有利で好ましい。

【００１０】他の原料として使用するアルケンは、直鎖
または分岐を有する不飽和脂肪族炭化水素であるが、炭
素数２〜１６が好ましい。例えばイソブテン、２−メチ
ル−１−ブテン、２−エチル−１−ブテン、２−メチル
−１−ペンテン、２−メチル−１−ヘキセン、２,３,３
−トリメチル−１−ブテン、２,３−ジメチル−１−ヘ
キセン、２−エチル−１−ヘキセン、イソオクテン、２
−メチル−１−ヘプテン、２,２,４−トリメチル−１−
ペンテン、２,４−ジメチル−１−ヘキセン、２,４,４
−トリメチル−１−ヘキセン、２−メチル−１−ノネ
ン、トリイソブチレン、テトライソブチレン等が挙げら
れる。

【００１１】本発明において、反応溶媒は生成するモノ
アルキルホスフィンより高沸点であるものを選択するこ
とが特徴の一つとなっている。この理由は、反応終了後
モノアルキルホスフィンを蒸留または必要に応じて精留
する際に、沸点差により高純度のモノアルキルホスフィ
ンを得ることができるからである。係る反応溶媒として
は、飽和脂肪族炭化水素が適し、特に炭素数８〜１８の
飽和脂肪族炭化水素が好ましい。例えば、ｎ−オクタ
ン、イソオクタン、ｎ−ノナン、ｎ−デカン、ｎ−トリ
デカン、ｎ−テトラデカン、ｎ−ヘキサデカン、ｎ−オ
クタデカン等が挙げられるが、ｎ−パラフィンのような
混合溶媒でも良い。

【００１２】また、使用する触媒は、下記一般式

【化３】Ｒ−ＳＯ₃Ｈ (１) (ただし、式中、Ｒは炭素数１〜４のアルキル基を表す)
で示される非酸化性強酸の炭素数１〜４の低級アルカン
スルホン酸を使用するのが好ましく、例えばメタンスル
ホン酸、エタンスルホン酸、プロパンスルホン酸、ブタ
ンスルホン酸等が挙げられる。これらは、１種または２
種以上を混合しても差し支えなく、また、無水物である
ことが必要である。これらの非酸化性強酸の炭素数１〜
４の低級アルカンスルホン酸は、不安定なものが多く、
使用前に蒸留等により精製することが好ましい。

【００１３】本発明の他の特徴としては、上記反応を無
水系で行うことにある。反応を無水系で行うと、水系で
行う場合に不可避的に副生する二級または三級のアルキ
ルホスフィン化合物の生成を抑制することができる。ま
た、無水のアルカンスルホン酸触媒は、触媒自身の脱水
能力により装置内の微量の水分もキャッチすることがで
きるので水分の混入を完全に防止して無水系の反応を完
全ならしめ、モノアルキルホスフィンを高純度で得るこ
とができる。

【００１４】反応条件は、反応剤の物性、選択される溶
媒または触媒によって異なるが、オートクレーブ等によ
る高圧容器を用いて加圧下で行い、アルケンとホスフィ
ンのモル比は１：１ないし１：５、好ましくは１：１な
いし１：２.５が適当である。反応温度は、室温ないし
１００℃、好ましくは６０〜８０℃であり、反応時間は
通常１〜２４時間、好ましくは２〜１０時間である。

【００１５】原料の仕込みは、反応容器内を窒素やヘリ
ウム等の不活性ガスで充分に置換した後、アルケンの自
己重合を防止するために、反応溶媒、アルケン、ホスフ
ィンの順序で行い、所望の温度に昇温後、触媒を圧入す
るのが望ましい。

【００１６】反応終了後は、室温に冷却後過剰の未反応
ホスフィンを不活性ガスで置換し、約２４時間充分に静
置した後、触媒のアルカンスルホン酸を分離した後、残
った有機層を常圧により単蒸留し、更に必要に応じて精
密蒸留を行って精製し、金属、水分等の不純物を含まな
い高純度モノアルキルホスフィンを得ることができる。

【００１７】本発明は、いずれのアルキル基を有するモ
ノアルキルホスフィンでも適用できるが、イソプロピ
ル、tert−ブチル等、その中でもtert−ブチルが化合物
半導体のV族元素のリン原料として好適に用いられ、特
に好ましい。

【００１８】

【実施例】以下に実施例を記載して本発明を更に具体的
に説明する。 実施例１ 反応容器として約１リットルのステンレス製のオートク
レーブを使用し、溶媒として１００ｇのｎ−デカン(沸
点：１７４℃)と８０ｇのイソブチレン(１.４２６モ
ル)、高純度ホスフィン１３５.８ｇ(３.９９４モル)を
室温にて添加した。オートクレーブの圧力は２５気圧で
あった。反応温度を６０℃に昇温し、単蒸留により精製
したメタンスルホン酸１３７ｇ(１.４２６モル)を圧入
ポンプで約１時間かけて添加した。オートクレーブ内の
圧力は３５気圧から２８気圧まで低下した。更に、６０
℃に保ちながら１時間熟成させた。反応終了後、約３０
℃まで冷却し、未反応の過剰ホスフィンを排気し、窒素
で系内を充分に置換した。反応生成物をオートクレーブ
より抜き取り、一昼夜室温にて静置後、分液し下層のメ
タンスルホン酸を除去した。得られたｎ−デカン層を、
ガスクロマトグラフィーで分析したところ、モノ−tert
−ブチルホスフィン５７.８ｇ(イソブテン基準転換率４
５.０％)が得られ、ジ−及びトリ−tert−ブチルホスフ
ィンは検出されなかった(選択率１００％)。このｎ−デ
カン層を常圧で単蒸留し、更に常圧で精密蒸留したとこ
ろ、ガスクロマトグラフィーでの純度９９.９％のモノ
−tert−ブチルホスフィン(沸点：５４℃)３５.８ｇ(収
率２７.９％)を単離することができた。生成物を、ＦＴ
−ＩＲ、Ｈ¹−ＮＭＲ、ＧＣ−ＭＳでモノ−tert−ブチ
ルホスフィンであることを確認した。ＩＣＰでの金属分
析では、全ての金属が検出限界以下であった。ベックマ
ン微量水分計(Model 340)で水分を測定した結果、５ｐ
ｐｍ以下であった。

【００１９】実施例２ 反応溶媒として１００ｇのｎ−テトラデカン(沸点：２
５３℃)、アルケンとして８０ｇの２−メチル−１−ブ
テン(１.１４１モル)、高純度ホスフィン９７.０ｇ(２.
８５３モル)を室温にて添加した。反応容器を６０℃ま
で昇温すると、反応容器の圧力は２２気圧まで加圧され
た。触媒としてエタンスルホン酸１２５.０ｇ(１.１４
１モル)を１時間かけて圧入し、以後実施例１と同様の
操作を行った。その結果、モノ−tert−アミルホスフィ
ン(沸点：７８℃)２５.８ｇを得た。収率は２１.７％
で、ガスクロマトグラフィーによる純度は９９.９％で
あった。ＩＣＰでの金属分析では、全ての金属が検出限
界以下であった。また、ベックマン微量水分計(Model 3
40)で水分を測定した結果、５ｐｐｍ以下であった。

【００２０】

【発明の効果】本発明は、従来のホスフィンとアルケン
との反応によりモノアルキルホスフィンの製造方法を改
良するもので、高選択的かつ高純度でモノアルキルホス
フィンを工業的に有利に製造することができる。本発明
方法で得られるモノアルキルホスフィンは化合物半導体
におけるV族元素のリン原料として有効に利用すること
ができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柳井 富雄 東京都江東区亀戸９丁目15番１号 日本化 学工業株式会社研究開発本部内 (72)発明者 大崎 浩美 新潟県中頸城郡頸城村大字西福島28−１ 信越化学工業株式会社合成技術研究所内 (72)発明者 朝倉 和之 新潟県中頸城郡頸城村大字西福島28−１ 信越化学工業株式会社合成技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ホスフィンとアルケンとを反応させるこ
   とからなるモノアルキルホスフィンの製造方法におい
   て、下記に示す一般式 【化１】Ｒ−ＳＯ₃Ｈ (１) (ただし、式中、Ｒは炭素数１〜４のアルキル基を表す)
   で示される無水アルカンスルホン酸の１種または２種以
   上の混合物を触媒とし、生成するモノアルキルホスフィ
   ンよりも高沸点の有機溶媒の存在下で反応を行うことを
   特徴とする高純度モノアルキルホスフィンの製造方法。