CN105753637B - 反式‑1,2‑二氯‑3,3,3‑三氟丙烯的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反式‑1,2‑二氯‑3,3,3‑三氟丙烯的制备方法,包括:a、1,1,1,2,2,3‑六氯丙烷和/或1,1,1,2,3,3‑六氯丙烷在稀释气体的存在下,与催化剂作用,经气相脱氯化氢反应生成1,1,2,3,3‑五氯丙烯;b、1,1,2,3,3‑五氯丙烯在液相氟化催化剂的存在下,与氟化氢进行液相氟化反应或者在气相氟化催化剂的存在下,与氟化氢进行气相氟化反应;c、步骤b的反应产物经水洗、碱洗、干燥,再在常压条件下精馏得到反式‑1,2‑二氯‑3,3,3‑三氟丙烯。本发明具有反应选择性高,转化率高,立体选择性高的特点,主要用于制备反式‑1,2‑二氯‑3,3,3‑三氟丙烯。
Description
技术领域
本发明涉及一种氢氯氟烯烃的制备方法,尤其涉及一种反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯(tran-HCFO-1223xd)的制备方法。
背景技术
由于完全卤化的氯氟烃(CFCs)对地球臭氧层有着严重的危害,因此,含氟烃工业已转移至开发含更少或者无氯取代的安全替代品,例如氢氯氟烯烃(HCFOs)、氢氟烃(HFCs)、氢氟烯烃(HFOs)。反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯(HCFO-1223xd)作为HCFOs中的一种,可作为制备各种碳氟化合物的原料和中间体,如顺式1,1,1,4,4,4-六氟-2-丁烯(cis-HCFO-1336)、1,1,1,3,3-五氟丙烷(HFC-245fa)、2,3,3,3-四氟丙烯(HFO-1234yf),也可用作向含氟功能材料引入CF3基团结构嵌段的原料及医药中间体,也可作为清洗剂使用,此外其与HF组成的共沸物还可在电子工业中用作半导体刻蚀剂,以及从金属中除去表面氧化物等。
WO9745388公开了一种氟氯丙烷与氟氯化锑反应制备HFC-245fa的方法,HCFO-1223xd作为一种产物,含量在0.2%~13.3%范围内变动,选择性低、转化率低,且未明确立体构型。
US2009043118公开了一种1,1,1-三氟丙烯(HFO-1243zf)在气相氟化催化剂的存在下,与氟化氢(HF)、氯气(Cl2)生成可作为热传递组合物的包含HFO-1234yf、2,3-二氯-1,1,1-三氟丙烷(HCFC-243db)、2-氯-1,1,1-三氟丙烯(HCFO-1233xf)、2-氯-1,1,1,2-四氟丙烷(HCFC-244bb)及HCFO-1223xd的组合物的方法。但在该氯氟化反应中,反应原料1,1,1-三氟丙烯不易得,且生成的HCFO-1223xd含量在0%~20.2%范围内变动,选择性低,转化率低,未明确立体构型。
目前公开的制备HCFO-1223xd的方法较少,且普遍存在反应转化率低、选择性低,更重要的是产物为顺式、反式异构体混合物或未明确立体构型,尚没有关于专一性制备tran-HCFO-1223xd的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服背景技术中存在的不足,提供一种反应选择性高、转化率高、立体选择性高的反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯(tran-HCFO-1223xd)的制备方法。
本发明以1,1,1,2,2,3-六氯丙烷和/或1,1,1,2,3,3-六氯丙烷为起始原料,经气相脱氯化氢、氟化两步反应得到tran-HCFO-1223xd,反应过程如下:
为了实现本发明的目的,本发明提供的tran-HCFO-1223xd的制备方法,包括以下步骤:
a、1,1,1,2,2,3-六氯丙烷和/或1,1,1,2,3,3-六氯丙烷在稀释气体的存在下,与Mg-Al-Cr复合催化剂作用,经气相脱氯化氢反应生成1,1,2,3,3-五氯丙烯;反应条件为:反应温度150℃~280℃,稀释气体与六氯丙烷的摩尔比1~20:1,接触时间0.1秒~20秒;
b、1,1,2,3,3-五氯丙烯在液相氟化催化剂的存在下,与氟化氢进行液相氟化反应或者在FeF3/AlF3/MgF2催化剂的存在下,与氟化氢进行气相氟化反应;液相氟化反应条件为:反应温度为30℃~100℃,氟化催化剂用量为1,1,2,3,3-五氯丙烯质量的3%~15%,氟化氢与1,1,2,3,3-五氯丙烯的摩尔比为5~10:1;气相氟化反应条件为:反应温度100℃~200℃,氟化氢与1,1,2,3,3-五氯丙烯的摩尔比5~20:1,接触时间3秒~20秒;
c、步骤b的反应产物经水洗、碱洗、干燥,再在常压条件下精馏得到反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯。
步骤a所述的气相脱氯化氢反应包含1,2,3,3,3-五氯丙烯向1,1,2,3,3-五氯丙烯转化的异构化反应;在Mg-Al-Cr复合催化剂的作用下,六氯丙烷不仅可发生脱氯化氢反应还发生了1,2,3,3,3-五氯丙烯向1,1,2,3,3-五氯丙烯转化的异构化反应。
步骤a所述的Mg-Al-Cr复合催化剂中Mg、Al、Cr三者的摩尔比为(1~2):(1~3):(5~8)。
步骤a所述稀释气体是氮气。稀释气体的作用是抑制结焦,同时起到转移热量的作用,合适的稀释气体还包括氦气、氩气、CO2等惰性气体,综合考虑反应效果及分离工艺,稀释气体与六氯丙烷的摩尔比1~20:1,优选5~10:1,更优选5:1。
步骤a所述的反应条件为:反应温度为180℃~240℃,稀释气体与六氯丙烷的摩尔比为5~10:1,接触时间为0.5秒~5秒。
步骤b所述的液相或气相氟化反应包含中间体1,1,2,3-四氯-3-氟丙烯向1,2,3,3-四氯-3-氟丙烯转化的异构化反应。
步骤b所述的液相氟化催化剂是SbClnF5-n,其中0≤n≤5。适合的催化剂还有其它路易斯酸、过渡金属卤化物、过渡金属氧化物,或它们的组合物,例如六价钼卤化物、五价砷卤化物、四价钛卤化物、四价锡卤化物,三价铁卤化物、三价锑卤化物、三价铬的氟化物,三氧化二铬的氟化物,卤代磺酸,或它们的组合物。
步骤b所述的液相氟化反应的反应温度为40℃~60℃。
步骤b所述的FeF3/AlF3/MgF2催化剂中Fe、Al、Mg三者的摩尔比为(2~4):(1~2):(4~7),优选2:1:7;该催化剂的制备方法包括:在搅拌及超声的条件下,将比例Fe、Al、Mg三种金属可溶性盐或醇盐的混合醇溶液与沉淀剂在一定温度下反应,经沉淀、过滤和干燥,再在100℃~250℃下,在不少于三个温度梯度的条件下进行分段焙烧得到;反应前再在氟化氢氛围下在200℃~300℃下活化处理。在该制备过程中超声条件对催化剂的制备有着重要影响。合适的催化剂还包括,但不限于铬、铝、钴、锰、镍、铁氧化物、氢氧化物、卤化物、卤氧化物和无机盐中的一种及两种以上的混合物。当然也可以是氟化的活性炭、活性炭负载SbCl5或TiCl4、氟化镁以及添加多种金属(如Zn、Co、Ni、Ge、In等)的氧化铬等。
步骤b所述的气相氟化反应的反应温度为120℃~150℃。
本发明步骤b所述的液相氟化反应的反应压力对该氟化反应影响较小,可以依据反应设备的材质、抗腐蚀及耐压程度来选择方便的操作压力,优选地,所述反应器是由耐受氟化氢以及催化剂的腐蚀作用的材料制造的,例如哈氏合金(Hastalloy),因科镍合金(Inconel),蒙乃尔合金(Monel)和内衬有含氟聚合物的容器。
本发明的优点在于:提供了一种制备反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯的方法,具有高转化率,两步反应转化率在较优条件下均可达100%;具有高选择性,可达99.4%;具有高立体选择性,反式、顺式比值可达99.7:0.3,而对比文件产物为顺式、反式异构体混合物或未明确立体构型。
附图说明
图1~3为1,1,2,3,3-五氯丙烯的GC-MS、1H-NMR谱图、13C-NMR谱图;
图4~6为反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯的1H-NMR、13C-NMR、19F-NMR谱图。
具体实施方式:
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明
分析仪器:海欣GC-930型气相色谱仪,安捷伦公司30m DB-5(50m×0.32mm)毛细管色谱柱;ITQ 700(离子阱):Thermofisher scientifi;Bruker-AV500核磁共振波谱仪(500MHz)。
色谱条件:初始柱温40℃,保持5min,以10℃/min的升温速率升至180℃,保持3min;汽化室温度220℃,分流比为50。
离子阱质谱条件:灯丝发射电流70A;质量扫描范围10-350amu;全扫描方式,扫描速度10微扫描/秒;倍增器电压1556V;传输线温度220℃,载气为氦气。
实施例1:
催化剂的制备:按一定比例,称取Al(NO3)2·9H2O、Mg(NO3)2·6H2O和Cr(NO3)2·9H2O,溶于去离子水中,在不断搅拌的条件下,滴加质量分数为10%的氨水,调节pH控制约为7-9,约5h,经洗涤后离心分离,再在120℃下烘干,再在200℃下焙烧1h,5℃/min升至320℃,焙烧2h,10℃/min升至400℃,焙烧4h,最后再经氟化氢在200℃-380℃下活化处理得到。
在内径为38mm的固定床管式反应器中,装入50ml上述Mg-Al-Cr复合催化剂,其中Mg、Al、Cr三者的摩尔比为2:1:7,对催化剂进行干燥,在200℃下,通入N2和1,1,1,2,2,3-六氯丙烷(HCC-230ab),在大气压(常压)下进行反应,两者的摩尔比为5:1,接触时间为5秒,反应产物经水洗、碱洗除去HCl后,气相色谱反应结果,见表1。
在减压条件下,将上述反应液精馏得到产品,纯度98.6%,经GC-MS、1H-NMR、13C-NMR表征鉴定为1,1,2,3,3-五氯丙烯(HCC-1220xa),如图1、图2、图3所示:
图1质谱结果及其峰归属如下:m/z 212(M+),为分子离子峰;m/z177:m/z179:m/z181:m/z183:m/z185=81:108:54:12:1[(M-Cl)+],为含四个氯的同位素峰比;m/z142:m/z144:m/z146:m/z148:=27:27:9:1[(M-Cl-Cl)+],为含有三个氯的同位素比;m/z 83(+CHCl2),丢失合理。
1H-NMR(CDCl3)δ6.973(s,1H);
13C-NMR(CDCl3)δ130.832(s,1C),122.463(s,1C),67.146(s,1C)。
实施例2~5:
实施例2~5按照实施例1中相同的制备方法制备1,1,2,3,3-五氯丙烯,所不同的是实施例1中的反应温度为200℃,而实施例2~5的反应温度依次为120℃、150℃、240℃、280℃,结果如表1所示。
表1
实施例6~8:
实施例6~8按照实施例1中相同的方法制备1,1,2,3,3-五氯丙烯,所不同的是实施例1中的催化剂中Mg、Al、Cr摩尔比为2:1:7,而实施例6~8中,三者的摩尔比依次为1:1:8,2:2:6,2:3:5,反应结果见表2。
表2
实施例9~11:
实施例9~11按照实施例1中相同的方法制备1,1,2,3,3-五氯丙烯,所不同的是实施例1中的N2和HCC-230ab的摩尔比为5:1,而实施例9~11中的两者摩尔比分别为1:1、10:1、20:1,结果如表3所示。
表3
实施例12~14:
实施例12~14按照实施例1中相同的制备方法制备1,1,2,3,3-五氯丙烯,所不同的是实施例1中的接触时间为5s,反应原料为HCC-230ab,而实施例12~14中的接触时间依次为1s、10s、20s,反应原料为1,1,1,2,3,3-六氯丙烷(HCC-230da),反应结果见表4。
表4
实施例 | 反应原料 | 接触时间(s) | HCC-230ab | HCC-1220xa |
转化率(%) | 选择性(%) | |||
12 | HCC-230da | 1 | 90.4 | 99.2 |
13 | HCC-230da | 10 | 100 | 96.1 |
14 | HCC-230da | 20 | 100 | 90.6 |
实施例15:
向500mL装有填料塔、冷凝器组合件的Monel高压反应釜加入SbCl5(20g,0.066mol),再加入无水氟化氢(186g,9.3mol),最后向其中压入原料1,1,2,3,3-五氯丙烯(200g,0.93mol),逐步升温至60℃,并在此温度下维持8h,反应压力通过定期排放HCl副产物来控制,压力不高于1200Kpa,反应结束后,将反应器完全排放至与-20℃冷阱相连的水吸收器中,相分、干燥得到无色液体,经分析结果显示,产物包括CF3CCl=CHCl(HCFO-1223xd)、CF2ClCCl=CHCl(HCFO-1222xd)、CFCl2CCl=CHCl(HCFO-1221xd)、CHFClCCl=CCl2以及未反应完的原料,总选择性99.3%,反应结果见表5。
通过将上述反应液精馏收集沸点为50℃-51℃的产品,纯度99.4%,经1H-NMR、13C-NMR、19F-NMR表征鉴定为反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙稀,如图4、图5、图6所示;而相应顺式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙稀沸点为:57℃-58℃。
1H-NMR(CDCl3)δ5.195(s,1H),5.101(s,1H),J H-F=47Hz;
13C-NMR(CDCl3)δ127.112-127.246(d,1C,JC-F=67Hz),124.724-124.811(d,1C,JC-F=43.5Hz),80.343-80.733(d,1C,JC-F=195Hz);
19F-NMR(CDCl3)δ-68.066(s,3F)。
实施例16~18:
实施例16~18按照实施例15中相同的方法制备tran-HCFO-1223xd,所不同的是实施例15中的反应温度为60℃,而实施例16~18中的反应温度依次为30℃、40℃、100℃,反应结果如表5所示。
表5
实施例19~21:
实施例19~21按照实施例15中相同的方法制备tran-HCFO-1223xd,所不同的是实施例15中的催化剂用量为20g,而实施例19~21中的催化剂用量依次为6、10、30,反应结果如表6所示。
表6
实施例22:
实施例22按照实施例15中相同的方法制备tran-HCFO-1223xd,所不同的是实施例15中的HF与HCC-1220xa的摩尔比为10:1,而实施例22中的两者摩尔比为5:1,结果显示HCC-1220xa转化率为98.0%,tran-HCFO-1223xd与cis-HCFO-1223xd的比例为99.2:0.8。
实施例23:
催化剂的制备:按一定比例,精确称取一定量的Fe(NO3)2·9H2O、Al(NO3)2·9H2O和Mg(NO3)2·6H2O,溶于无水乙醇中,在向其中加入一定量的聚乙二醇,然后在不断的搅拌及超声条件下,在40℃下,将上述混合的乙醇溶液滴加至40%的HF溶液中,约3h,沉淀、过滤、洗涤,在70℃下干燥2h,再在马弗炉中100℃下焙烧1h,5℃/min升至200℃,焙烧2h,然后10℃/min升至250℃,焙烧4h。
在内径为38mm的固定床管式反应器中,装入50ml上述FeF3/AlF3/MgF2催化剂,其中,其中Fe、Al、Mg三者的摩尔比2:1:7,对催化剂进行干燥,再在200℃-300℃下在氟化氢氛围下活化处理,再在150℃下,通入HF和1,1,2,3,3-五氯丙烯,在大气压(常压)下进行反应,两者的摩尔比为15:1,接触时间为10秒,反应产物经水洗、碱洗除去HCl和HF后,经气相色谱分析,总选择性为99.4%,反应结果见表7。
实施例24~26:
实施例24~26按照实施例23中相同的制备方法制备tran-HCFO-1223xd,所不同的是实施例23中的反应温度为150℃,而实施例24~26中的反应温度依次为100℃、120℃、200℃,结果如表7所示。
表7
实施例27~29:
实施例27~29按照实施例23中相同的方法制备tran-HCFO-1223xd,所不同的是实施例23中的催化剂中,Fe、Al、Mg三者的摩尔比为2:1:7,而实施例27~29中的催化剂中三者的摩尔依次为2:2:6、3:1:6、4:2:4,反应结果见表8。
表8
实施例30~32:
实施例30~32按照实施例23中相同的制备方法制备tran-HCFO-1223xd,所不同的是实施例23中的HF和1,1,2,3,3-五氯丙烯的摩尔比为15:1,而实施例30~32中的两者摩尔比依次为5:1、10:1、20:1,结果如表9所示。
表9
实施例33~35:
实施例33~35按照实施例23中相同的制备方法制备tran-HCFO-1223xd,所不同的是实施例23中的接触时间为10s,而实施例33~35中的接触时间依次为3s、5s、20s,反应结果如表10所示。
表10
以上所述,仅是本发明的部分实施例而已,并非对本发明做任何形式上的限制,凡是依据本发明的技术实质对上述实施例作的任何简单的修改,等同变化与修饰,均属于本发明技术方案范围内。
Claims (7)
1.一种反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
a、1,1,1,2,2,3-六氯丙烷和/或1,1,1,2,3,3-六氯丙烷在稀释气体的存在下,与Mg-Al-Cr复合催化剂作用,经气相脱氯化氢反应生成1,1,2,3,3-五氯丙烯;反应条件为:Mg-Al-Cr复合催化剂中Mg、Al、Cr摩尔比为(1~2):(1~3):(5~8),反应温度150℃~280℃,稀释气体与六氯丙烷的摩尔比1~20:1,接触时间0.1秒~20秒;
b、1,1,2,3,3-五氯丙烯在液相氟化催化剂的存在下,与氟化氢进行液相氟化反应或者在FeF3/AlF3/MgF2催化剂的存在下,与氟化氢进行气相氟化反应;液相氟化反应条件为:液相氟化催化剂是SbClnF5-n,其中0≤n≤5;反应温度为30℃~100℃,氟化催化剂用量为1,1,2,3,3-五氯丙烯质量的3%~15%,氟化氢与1,1,2,3,3-五氯丙烯的摩尔比为5~10:1;气相氟化反应条件为:反应温度100℃~200℃,氟化氢与1,1,2,3,3-五氯丙烯的摩尔比5~20:1,接触时间3秒~20秒;FeF3/AlF3/MgF2催化剂中Fe、Al、Mg三者的摩尔比为(2~4):(1~2):(4~7),该催化剂的制备方法包括:在搅拌及超声的条件下,按比例将Fe、Al、Mg三种金属可溶性盐或醇盐的混合醇溶液与沉淀剂反应,经沉淀、过滤和干燥,再在100℃~250℃下,在不少于三个温度梯度的条件下进行分段焙烧得到;反应前再在氟化氢氛围下在200℃~300℃下活化处理;
c、步骤b的反应产物经水洗、碱洗、干燥,常压条件下精馏,得到反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯。
2.根据权利要求1所述的反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯的制备方法,其特征在于,步骤a所述的气相脱氯化氢反应包含1,2,3,3,3-五氯丙烯向1,1,2,3,3-五氯丙烯转化的异构化反应。
3.根据权利要求1所述的反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯的制备方法,其特征在于,步骤a所述稀释气体是氮气。
4.根据权利要求1所述的反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯的制备方法,其特征在于,步骤a所述的气相脱氯化氢反应的反应条件为:反应温度为180℃~240℃,稀释气体与六氯丙烷的摩尔比为5~10:1,接触时间为0.5秒~5秒。
5.根据权利要求1所述的反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯的制备方法,其特征在于,步骤b所述的液相或气相氟化反应包含中间体1,1,2,3-四氯-3-氟丙烯向1,2,3,3-四氯-3-氟丙烯转化的异构化反应。
6.根据权利要求1所述的反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯的制备方法,其特征在于,步骤b所述的液相氟化反应的反应温度为40℃~60℃。
7.根据权利要求1所述的反式-1,2-二氯-3,3,3-三氟丙烯的制备方法,其特征在于,步骤b所述的气相氟化反应的反应温度为120℃~150℃。
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