Результат интеллектуальной деятельности: Способ синтеза октафтор-2-бутена

Изобретение относится к области синтеза перфторированных олефинов, а именно к синтезу октафтор-2-бутена, используемого в качестве исходного соединения для синтеза фторорганических продуктов, мономера и сомономера в производстве термопластичных фторопластов специального назначения, а также как агента сухого плазменного травления в производстве полупроводниковых изделий.

Уровень техники

Известен способ синтеза октафтор-2-бутена изомеризацией октафтор-1-бутена в присутствии каталитических количеств фторида калия или цезия в безводном диглиме (Журнал органической химии, 1987, вып. 23, стр. 1856÷1866).

Причиной, препятствующей получению в известном способе требуемого технического результата, является малая доступность октафтор-1-бутена, который синтезируют декарбоксилированием натриевой соли перфторвалериановой кислоты, получаемой электрохимическим фторированием ω-гидрооктафторпентанола.

Известен способ синтеза октафтор-2-бутена изомеризацией октафторметил-циклопропана в присутствии пентафторида сурьмы (Известия академии наук СССР, серия химическая, 1990, вып. 8, стр. 1844÷1851).

Причинами, препятствующими получению в известном способе требуемого технического результата, являются:

- малая доступность октафторметилциклопропана, который получают электрохимическим фторированием;

- высокая энергоемкость процесса;

- высокая стоимость изготовления промышленного электролизера;

- использование пентафторида сурьмы и безводного фтористого водорода, которые являются коррозионно-активными и высокотоксичными соединениями, повышающими общую опасность процесса.

Известен способ синтеза октафтор-2-бутена пиролизом 1,2,2,2-тетрафтор-1-хлорэтана (хладон 124) при температуре 700÷715°С или 1,1,2,2,2-пентафторэтана (хладон 125) при температуре 800÷840°С в трубе, заполненной оксидом алюминия, с выходом не более 40% (WO2001007384 A1).

Причинами, препятствующими получению в известном способе требуемого технического результата, являются:

- высокая энергоемкость процесса;

- получение целевого продукта с низким выходом и невысокого качества;

- выделение целевого продукта в чистом виде, требующее дополнительных операций очистки и затрат на утилизацию или переработку большого количества побочных продуктов.

Известен способ синтеза фторолефинов фтордехлорированием соответствующих полифторхлоролефинов смесью пентахлорида сурьмы и безводного фтористого водорода при повышенной температуре (ЕР 0913380 В1). Выход и степень конверсии при получении конкретно октафтор-2-бутена авторы патента не указывают.

Причинами, препятствующими получению в известном способе требуемого технического результата, являются:

- необходимость проведения реакции при повышенном давлении, предусматривающая использование автоклавного оборудования, рассчитанного на работу под высоким давлением;

- использование пентахлорида сурьмы и безводного фтористого водорода, которые являются коррозионно-активными и высокотоксичными соединениями, повышающими общую опасность процесса.

Известен способ синтеза октафтор-2-бутена димеризацией 1,1-дихлортетрафторэтана (CFC 114а) под действием меди или галогенида меди(I) и органического основания, в частности, этилендиамина или 2,2'-бипиридила, в полярном апротонном растворителе в присутствии каталитического количества хлорида олова(II) (CN 110396037А). Процесс проводят при умеренном нагревании и аутогенном давлении. Продукт выделяют отгонкой из реакционной массы.

Причинами, препятствующими получению в известном способе требуемого технического результата, являются:

- необходимость проведения реакции при аутогенном давлении, предусматривающая использование автоклавного оборудования;

- использование эквимолярного количества галогенида меди, приводящее к увеличению затрат на регенерацию дорогостоящего катализатора;

- низкая конверсия целевого продукта, требующая проведения дополнительных операций по очистке и регенерации исходного CFC 114а.

Известен способ синтеза октафтор-2-бутена фтордехлорированием 2,3-дихлоргексафтор-2-бутена фторидом калия в среде полярных апротонных растворителей при повышенной температуре (US 3567788). Авторами указывается на наличие в выделенном продукте примеси гептафторхлор-2-бутена; об относительном содержании соединений, а также об общем выходе не сообщается.

Признаки, являющиеся общими для известного и заявляемого способа, заключаются в получении целевого продукта галоидным обменом атомов галогена в исходном субстрате на атомы фтора под действием фторида калия в апротонном растворителе.

Причинами, препятствующими получению в известном способе требуемого технического результата, являются:

- необходимость проведения реакции при повышенной температуре и аутогенном давлении, предусматривающая использование автоклавного оборудования;

- наличие примеси гептафторхлор-2-бутена в целевом продукте, приводящее к необходимости отделения указанной примеси для возврата ее в рецикл, что приводит к увеличению общих затрат при проведении процесса.

Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого метода является способ получения октафтор-2-бутена фтордебромированием 1,4-дибромгексафтор-2-бутена фторидом калия в безводном формамиде при нагревании до температуры 60°С и аутогенном давлении (William Т. Miller et all, «Substitution and Addition Reaction of the Fluoroolefins. IV Reaction of Fluoride Ion with Fluoroolefins», Journal of American Chemical Society, 1960, vol. 82, p.p. 3091-3099). Авторы статьи для выделения октафтор-2-бутена предлагают проводить бромирование продуктов реакции элементарным бромом с последующим отделением 2,3-дибромоктафтор-2-бутена и его дебромированием известными способами. При этом выход октафтор-2-бутена не превышает 20%. Указанные недостатки не позволяют рассматривать известный метод для промышленного получения октафтор-2-бутена.

Признаки, являющиеся общими для известного и заявляемого способа, заключаются в получении целевого продукта галоидным обменом атомов галогена в исходном субстрате на атомы фтора под действием фторида калия.

Причинами, препятствующими получению в известном способе требуемого технического результата, являются:

- необходимость длительной выдержки при аутогенном давлении, предусматривающая использование автоклавного оборудования;

- образование большого количества нонафторбутена CF₃CFHCF₂CF₃ из-за дальнейшего гидрофторирования выделяющегося в процессе реакции октафтор-2-бутена смесью фторид калия - формамид; учитывая близкие физические свойства нонафторбутена и ок-тафтор-2-бутена, разделение их методом ректификации не представляется возможным;

- низкий выход и трудоемкость процесса очистки целевого октафтор-2-бутена от побочных продуктов.

Сущность изобретения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в упрощении технологии получения чистого октафтор-2-бутена путем исключения недостатков существующих методов.

Исходный 1,4-дибромгексафтор-2-бутен получают известным методом, а именно бромированием выпускаемого промышленностью 1,3-гексафторбутадиена элементарным бромом (Н.Е. Kaldon, M.S. Thesis, Cornell University, 1952).

Полученный 1,4-дибромгексафтор-2-бутен фтордебромируют фторидом щелочного металла, предпочтительно фторидом калия в безводном апротонном растворителе.

Технический результат достигается также тем, что реакцию фтордебромирования проводят путем дозирования 1,4-дибромгексафтор-2-бутена в реакционный сосуд, содержащий апротонный растворитель, фторид щелочного метала и катализатор межфазного переноса. Образующийся целевой продукт отбирают одновременно с дозировкой 1,4-дибромгексафтор-2-бутена. Таким образом получают октафтор-2-бутен чистотой более 98% без проведения дополнительной очистки.

Технический результат достигается также тем, что для ускорения процесса реакцию осуществляют в присутствии катализатора межфазного переноса (КМП). В качестве последнего могут быть использованы четвертичные аммониевые, гуанидиниевые, фосфо-ниевые соли или их смеси. Проведение реакции в присутствии КМП приводит к ускорению процесса и полной конверсии исходного 1,4-дибромгексафтор-2-бутена. Проведение реакции без использования КМП приводит к замедлению реакции и неполной конверсии, в результате чего, целевой октафтор-2-бутен содержит значительные количества примеси бромгептафтор-2-бутена, что приводит к необходимости проведения очистки октафтор-2-бутена и регенерации бромгептафтор-2-бутена для возвращения его в рецикл, увеличивая количество операций и общую себестоимость процесса.

Технический результат достигается также тем, что реакцию фтордебромирования проводят при температуре от 30°С до температуры кипения используемого растворителя, предпочтительно при температуре 40÷50°С. При более низкой температуре время реакции увеличивается, что приводит к снижению производительности процесса. При температуре выше рекомендуемой интенсифицируется процесс уноса паров растворителя газовым потоком образующегося продукта в сборник, что приводит к необходимости проведения операций очистки октафтор-2-бутена от растворителя для возврата его в рецикл. Кроме того, увеличивается расход электроэнергии на нагрев теплоносителя для поддержания требуемой температуры.

Новые (относительно прототипа) признаки заявленного способа заключаются в получении октафтор-2-бутена в полярном апротонном растворителе путем дозировки исходного субстрата в нагретую смесь растворителя, фторида щелочного металла и катализатора межфазного переноса с одновременной отгонкой выделяющегося продукта в охлаждаемый сборник, что позволяет существенно упростить технологию получения октафтор-2-бутена и повысить чистоту получающегося продукта, а также избежать необходимости использования специального оборудования.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Способ получения фторорганических соединений методом галоидного обмена хлор-или бромуглеводородов с фторидом щелочного металла является широко используемым методом синтеза соответствующих продуктов. В то же время применительно к газообразным и легкокипящим жидким продуктам требуется специальное оборудование, рассчитанное на работу при повышенном давлении, а также использование значительного избытка фторирующего реагента для полноты протекания реакции фтордегалоидирования, что усложняет и удорожает технологию всего процесса.

Предлагаемое изобретение позволяет избежать описанных трудностей.

Расположение атомов брома в 1,4-дибромгексафтор-2-бутене в активном аллильном положении относительно двойной связи способствует быстрому протеканию галоидного обмена в мягких условиях.

Температура проведения реакции фтордебромирования определяет скорость процесса: высокая температура способствует быстрому течению реакции, но ведет к образованию побочных продуктов восстановления и способствует уносу растворителя и полупродукта из реакционной массы; Невысокая температура значительно удлиняет время проведения реакции и уменьшает производительность процесса. Поэтому температурные рамки процесса можно ограничить температурой от 30°С и выше вплоть до температуры кипения растворителя.

Предпочтительным режимом с точки зрения поддержания быстрого и контролируемого течения реакции считается температура 45÷50°С.

Процесс фтордебромирования ведут при 1,2÷3,0-кратном избытке фторида щелочного металла относительно стехиометрического, предпочтительно при 1,5÷1,8-кратном избытке. Меньшая загрузка фторида щелочного металла приводит к снижению степени конверсии исходного продукта, уменьшению выхода целевого октафтор-2-бутена и возрастанию количества примеси бромгептафтор-2-бутена в продукте. Увеличение загрузки фторида щелочного металла не приводит к заметному ускорению процесса или повышению выхода октафтор-2-бутена, и поэтому экономически не оправдано.

Для увеличения скорости реакции фтордебромирования в реакционную массу целесообразно добавлять катализатор межфазного переноса (КМП). В качестве КМП можно вводить четвертичные аммониевые, гуанидиниевые или четвертичные соли. Возможно также совместное применение в качестве КМП нескольких вышеперечисленных продуктов. Выбор того или иного катализатора определяется лишь его доступностью.

Добавка КМП не является обязательной, однако, она значительно увеличивает скорость реакции фтордебромирования, а также обеспечивает полноту протекания процесса.

Процесс фтордебромирования ведут при загрузке КМП 1÷10 мольных % относительно загрузки 1,4-дибромгексафтор-2-бутена, предпочтительно 2÷5 мольных %. Меньшая загрузка КМП приводит к снижению степени конверсии исходного продукта, уменьшению выхода целевого октафтор-2-бутена и возрастанию количества примеси бромгеп-тафтор-2-бутена в продукте. Увеличение загрузки КМП не приводит к заметному ускорению процесса или повышению выхода октафтор-2-бутена, и поэтому экономически не оправдано.

В качестве растворителя проведения реакции фтордебромирования используется безводный апротонный полярный растворитель. Подходящие растворители иллюстрируется, но не ограничиваются следующим списком: ацетонитрил, сульфолан, N,N-диметилацетамид, диметилсульфоксид, N-метилпирролидон, N,N-диметилформамид. Загрузка растворителя осуществляется из расчета 2÷5 кг на 1 кг загружаемого фторида щелочного металла, предпочтительно 2,5÷3 кг на 1 кг. Меньшая загрузка растворителя приводит к ухудшению массообмена за счет загустевания смеси, в результате чего снижается конверсия исходного 1,4-дибромгексафтор-2-бутена и увеличивается время процесса. Увеличение загрузки растворителя снижает эффективность использования полезного объема реакционного сосуда и не приводит к ускорению процесса или повышению выхода октафтор-2-бутена, поэтому экономически не оправдано.

Процесс получения октафтор-2-бутена в соответствии с заявляемым способом проводят путем дозирования 1,4-дибромгексафтор-2-бутена при перемешивании в реакционный сосуд, содержащий фторид щелочного металла, растворитель и КМП. Образующийся целевой продукт отгоняется из реакционной массы одновременно с дозировкой 1,4-дибромгексафтор-2-бутена и собирается в охлаждаемом сборнике. Предложенная методика позволяет легко контролировать течение реакции путем изменения скорости дозировки исходного субстрата; при этом выбирается такой режим, чтобы все дозируемое вещество успевало вступать в реакцию, а вьщеляющийся октафтор-2-бутен содержал минимальное количество примесей исходного соединения, полупродукта или растворителя. Таким образом, простая методика дает возможность получать октафтор-2-бутен чистотой более 98% без дополнительной ректификации.

Оставшийся после проведения процесса растворитель после отделения от солевого шлама может быть использован повторно без дополнительной переработки. Солевой шлам (смесь фторида и бромида щелочного металла) может быть утилизирован известными методами.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, но не ограничивающие его, иллюстрируются следующими примерами.

ПРИМЕРЫ

Исходное соединение (1,4-дибромгексафтор-2-бутен), получено известным способом (Н.Е. Kaldon, M.S. Thesis, Cornell University, 1952).

Пример 1.

В реактор из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т объемом 20 дм³, снабженный мешалкой якорного типа, обратным теплообменником, и предварительно продутый азотом, загружают 8,90 кг ацетонитрила, 3,14 кг фторида калия и 0,04 кг бромида тетра-кис(диэтиламидо)фосфония. Полученную смесь разогревают при перемешивании до 45÷50°С и при этой температуре дозируют перистальтическим насосом-дозатором 5,80 кг 1,4-дибромгексафтор-2-бутена с одновременной отгонкой получаемого октафтор-2-бутена из реакционной массы в охлаждаемый сборник. Время дозировки 8 часов. Получают 3,38 кг продукта, содержащего по данным анализа методом ГЖХ 98,11% 2-C₄F₈, 0,75% C₄F₇Br, 0,43% C₄F₇H, 0,52% ацетонитрила и 0,20% прочих примесей. Выход октафтор-2-бутена составляет 92,1% (сумма цис- и транс-изомеров).

Пример 2.

В реактор из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т объемом 20 дм³, снабженный мешалкой якорного типа, обратным теплообменником и предварительно продутый азотом, загружают 8,90 кг ацетонитрила, 3,14 кг фторида калия и 0,04 кг бромида тетра-кис(диэтиламидо)фосфония. Полученную смесь разогревают при перемешивании до 80÷82°С и при этой температуре дозируют перистальтическим насосом-дозатором 5,80 кг 1,4-дибромгексафтор-2-бутена с одновременной отгонкой получаемого октафтор-2-бутена из реакционной массы в охлаждаемый сборник. Время дозировки 8 часов. Получают 3,53 кг продукта, содержащего по данным анализа методом ГЖХ 92,72% 2-C₄F₈, 1,86% C₄F₇Br, 0,87% C₄F₇H, 4,36%) ацетонитрила и 0,19% прочих примесей. Выход октафтор-2-бутена составляет 90,9% (сумма цис- и транс-изомеров).

Пример 3.

В реактор из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т объемом 20 дм³, снабженный мешалкой якорного типа, обратным теплообменником и предварительно продутый азотом, загружают 8,90 кг ацетонитрила, 3,14 кг фторида калия и 0,04 кг бромида тетра-кис(диэтиламидо)фосфония. Полученную смесь разогревают при перемешивании до 30÷35°С и при этой температуре дозируют перистальтическим насосом-дозатором 5,80 кг 1,4-дибромгексафтор-2-бутена с одновременной отгонкой получаемого октафтор-2-бутена из реакционной массы в охлаждаемый сборник. Время дозировки 8 часов. Получают 3,30 кг продукта, содержащего по данным анализа методом ГЖХ 98,54% 2-C₄F₈, 0,46% C₄F₇Br, 0,42% C₄F₇H, 0,38% ацетонитрила и 0,20% прочих примесей. Выход октафтор-2-бутена составляет 90,2% (сумма цис- и транс-изомеров).

Пример 4.

В реактор из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т объемом 20 дм³, снабженный мешалкой якорного типа и обратным теплообменником, и предварительно продутый азотом, загружают 8,90 кг N,N-диметилформамида, 3,20 кг фторида калия и 0,04 кг бромида тетракис(диэтиламидо)фосфония. Полученную смесь разогревают при перемешивании до 45÷50°С и при этой температуре дозируют перистальтическим насосом-дозатором 5,80 кг 1,4-дибромгексафтор-2-бутена с одновременной отгонкой получаемого октафтор-2-бутена из реакционной массы в охлаждаемый сборник. Время дозировки 8 часов. Получают 3,32 кг продукта, содержащего по данным анализа методом ГЖХ 98,66% 2-C₄F₈, 0,31% C₄F₇Br, 0,59% C₄F₇H, 0,12% N,N-диметилформамида и 0,32% прочих примесей. Выход октафтор-2-бутена 90,9% (сумма цис- и транс-изомеров).

Пример 5.

В реактор из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т объемом 20 дм³, снабженный мешалкой якорного типа, обратным теплообменником и предварительно продутый азотом, загружают 8,90 кг ацетонитрила, 5,23 кг фторида калия и 0,04 кг бромида тетра-кис(диэтиламидо)фосфония. Полученную смесь разогревают при перемешивании до 45÷50°С и при этой температуре дозируют перистальтическим насосом-дозатором 5,80 кг 1,4-дибромгексафтор-2-бутена с одновременной отгонкой получаемого октафтор-2-бутена из реакционной массы в охлаждаемый сборник. Время дозировки 8 часов. Получают 3,37 кг продукта, содержащего по данным анализа методом ГЖХ 98,53% 2-C₄F₈, 0,23% C₄F₇Br, 0,56% C₄F₇H, 0,48% ацетонитрила и 0,20% прочих примесей. Выход октафтор-2-бутена составляет 92,2% (сумма цис- и транс-изомеров).

Пример 6.

В реактор из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т объемом 20 дм³, снабженный мешалкой якорного типа, обратным теплообменником и предварительно продутый азотом, загружают 8,90 кг ацетонитрила, 2,50 кг фторида калия и 0,04 кг бромида тетра-кис(диэтиламидо)фосфония. Полученную смесь разогревают при перемешивании до 45÷50°С и при этой температуре дозируют перистальтическим насосом-дозатором 5,80 кг 1,4-дибромгексафтор-2-бутена с одновременной отгонкой получаемого октафтор-2-бутена из реакционной массы в охлаждаемый сборник. Время дозировки 8 часов. Получают 3,21 кг продукта, содержащего по данным анализа методом ГЖХ 97,72% 2-C₄F₈, 1,14% C₄F₇Br, 0,41% C₄F₇H, 0,51% ацетонитрила и 0,22% прочих примесей. Выход октафтор-2-бутена составляет 87,1% (сумма цис- и транс-изомеров).

Пример 7.

В реактор из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т объемом 20 дм³, снабженный мешалкой якорного типа, обратным теплообменником и предварительно продутый азотом, загружают 8,90 кг ацетонитрила, 1,78 кг фторида калия и 0,023 кг бромида тетра-кис(диэтиламидо)фосфония. Полученную смесь разогревают при перемешивании до 45÷50°С и при этой температуре дозируют перистальтическим насосом-дозатором 3,29 кг 1,4-дибромгексафтор-2-бутена с одновременной отгонкой получаемого октафтор-2-бутена из реакционной массы в охлаждаемый сборник. Время дозировки 8 часов. Получают 3,21 кг продукта, содержащего по данным анализа методом ГЖХ 97,72% 2-C₄F₈, 1,14% C₄F₇Br, 0,41% C₄F₇H, 0,51% ацетонитрила и 0,22% прочих примесей. Выход октафтор-2-бутена составляет 87,1% (сумма цис- и транс-изомеров).

Пример 8.

В реактор из нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т объемом 20 дм³, снабженный мешалкой якорного типа, обратным теплообменником и предварительно продутый азотом, загружают 8,90 кг ацетонитрила и 3,14 кг фторида. Полученную смесь разогревают при перемешивании до 60÷65°С и при этой температуре дозируют перистальтическим насосом-дозатором 5,80 кг 1,4-дибромгексафтор-2-бутена с одновременной отгонкой получаемого октафтор-2-бутена из реакционной массы в охлаждаемый сборник. Время дозировки 24 часа. Получают 3,13 кг продукта, содержащего по данным анализа методом ГЖХ 96,12% 2-C₄F₈, 2,88% C₄F₇Br, 0,46% C₄F₇H, 0,34% ацетонитрила и 0,20% прочих примесей. Выход октафтор-2-бутена составляет 83,5% (сумма цис- и транс-изомеров).

Цитируемая литература

1. Филякова Т.И. и др., Журнал органической химии, 1987, вып. 23, стр. 1856-1866

2. Чепик и др., Известия академии наук СССР, серия химическая, 1990, вып. 8, стр. 1844-1851

3. Патент WO2001007384, «Production of Aliphatic Fluorocarbons», Ли Спрэйг и др., заявлено 21.07.1999, опубликовано 01.02.2001. МПК С07С 17/00, С07С 17/26, С07С 17/30, С07С 19/08, С07С 21/18.

4. Патент ЕР 0913380 В1, «Process for Preparation of Fluorinated Olefin», Мицуру Cy-гавара, заявлено 02.05.1997, опубликовано 06.05.1999. МПК С07С 21/18, С07С 17/20, С07С 23/08.

5. Патент CN 110396037, «А method of preparing octafluoro-2-butylenes», By Хайфэн, заявлено 25.04.2018, опубликовано 01.11.2019. МПК С07С 17/269.

6. Патент US 3567788, «Preparation of Fluorine-Containing Compounds», Рассел Карр и др. заявлено 25.07.1967, опубликовано 02.03.1971. МПК С07С 17/20, МПК С07С 21/18, МПК С07С 23/02.

7. William Т. Miller et all, «Substitution and Addition Reaction of the . IV Reaction of Fluoride Ion with », Journal of American Chemical Society, 1960, vol. 82, p.p. 3091-3099).

8. H.E. Kaldon, M.S. Thesis, Cornell University, 1952.