CN114105766B - 一种氟代酰氟的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氟代酰氟的制备方法,包括如式Ⅰ所示的卤代烯烃、氧气和氟化氢在催化剂的作用下反应,生成如式Ⅱ所示的氟代酰氟,该催化剂为3‑二氟甲基‑1H‑甲基吡唑‑4‑甲酸铬。本发明的氟代酰氟的制备方法原料来源广泛,工艺简洁,催化活性好,反应安全可靠,自动化程度高,适用工业化生产。

Description

一种氟代酰氟的制备方法
技术领域
本发明涉及一种氟代酰氟的制备方法,属于精细化工技术领域。
背景技术
酰卤(Acyl Halide)是指羧酸中的羟基被卤素取代的产物,常见的有酰氯、酰氟、酰溴。酰卤不存在于自然界,只能通过化学合成制得,目前化学领域里的酰卤主要是通过羧酸与酰化剂反应制得,反应方程式如下:
在该反应式中:X可以为F、Cl、Br、I等;R可为脂肪烃,脂肪烯烃,芳香烃,芳烯烃,卤代脂肪烃,卤代芳烃等。
常见的酰化剂为卤化磷、卤化亚砜、草酰卤、三苯基膦卤化物等。这些酰化剂用于制备酰卤的缺点显著:(1)羧酸成本较高,如二氟乙酸和3-二氟甲基-1-甲基吡唑-4-羧酸的吨位市场价格都高于20万元;(2)酰化剂本身具刺激性,对接触者的劳动防护要求高;(3)酰卤制备过程伴有大量废气,环保管控难度大;(4)对生产装置耐腐蚀能力要求高,生产装置投入大。
自上世纪90年代,开始有卤代烯烃在催化剂存在下经氧气氧化制备酰卤的研究报道,其中比较典型的有:
(1)欧洲专利文献EP623578报道了三氯乙烯在胺催化剂四甲基哌啶的存在下可被氧化为二氯乙酰氯,该专利明显的缺点是有副产物卤代环氧丙烷的生成,原子利用率低。
(2)中国专利文献CN1131140和CN101445445均报道了三氯乙烯在催化剂偶氮二异丁酯和引发剂三乙胺存在下,于0.1MPa~0.8MPa、40℃~180℃的环境条件下与氧气反应可制得二氯乙酰氯,收率为20%~85%,该专利方法的反应稳定性较差,收率也不稳定。
(3)德国专利文献DE19620018报道了三氯乙烯在50℃~200℃下可被氧气氧化为二氯乙酰氯,该专利的实现需要波长大于280nm的光照和高温,并且需要铬基催化剂,虽然收率良好,但是对生产装置的要求太高。
(4)2007年,Ou,Hsin-Hung等人报道了三氯乙烯在掺铂二氧化碳的催化作用下可被光照反应为二氯乙酰氯和光气,光气有剧毒,由于光气极其活泼的化学特性,如果光气不能和二氯乙酰氯彻底分离,则会对下游产品的制备不利,故该专利所述工艺技术工业化生产难度较大。
(5)中国专利文献CN101195563和CN107573242A报道了三氯乙烯在五氧化二钒或二氧化锰、三苯基膦、氯化铵的催化下,与干燥空气在100-110℃下反应即可得到纯度为99%的二氯乙酰氯。该专利制备的催化剂复杂,未阐明催化剂回收方法,重金属废催化剂处置成本高。
(6)中国专利文献CN102471207B公开了一种制备卤代乙酰氟及其衍生物的方法。通过光氧化卤代乙烯化合物制备卤代乙酰卤,再通过与氢氟酸反应得到卤代乙酰氟。该生产工艺中氧化反应和氟化反应分开进行,反应物氢氟酸为液体,分离步骤繁琐。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简洁,氧化和氟化同时进行的氟代酰氟的制备方法。
本发明为解决上述技术问题提出的一种技术方案是:一种氟代酰氟的制备方法,包括如式Ⅰ所示的卤代烯烃、氧气和氟化氢在催化剂的作用下反应生成如式Ⅱ所示的氟代酰氟,反应式如下:
其中,X2为氢原子、氯原子或溴原子,X1和X3为氯原子或溴原子,R1为氢原子、氯原子、溴原子、C1~C8的烷基、具有氯取代基的C1~C8的烷基或具有溴取代基的C1~C8的烷基;
当X2为氢原子时, X2’为氢原子;当X2为氯原子或溴原子时, X2’为氟原子;
当R1为氢原子时,R2为氢原子;当R1为C1~C8的烷基时,R2为C1~C8的烷基;当R1为氯原子、溴原子时,R2为氟原子;当R1为具有氯取代基的C1~C8的烷基或具有溴取代基的C1~C8的烷基时,R2为氯取代基或溴取代基被氟取代基替代的C1~C8的烷基;
上述催化剂是3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬,催化剂具有如式Ⅲ所示的结构,
上述催化剂是以分子筛、硅胶或硅藻土为载体,与3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬水溶液通过浸渍法制得的负载型催化剂。
本发明的浸渍法以纯化水为溶剂,纯化水用量为恰好溶清3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬为宜,通常为3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬重量的6倍~8倍。
上述负载型催化剂是将六水合三氯化铬与3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-羧酸在水溶液中反应生成的产物,溶于水中,加入载体,经过乙腈、甲醇、乙醇、异丙醇或正丁醇抽提,干燥制成粉末状固体,然后造粒制成球径为5mm~6mm的球状,在温度为105℃~150℃的条件下活化3h~8h。
本发明的3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬在制备成负载型催化剂之前,需要去除氯离子,去除方法以水洗、水重结晶、水打浆等办法为佳,严格控制催化剂中的氯离子含量小于5ppm。
上述载体可以为硅胶、ZSM型分子筛、Y型分子筛、硅藻土中的任意一种。优选地,上述载体是ZSM-5型分子筛,该载体可改善3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬的机械强度,使得其耐磨、耐压、抗冲强度等性能显著提高。
上述ZSM-5型分子筛的硅铝摩尔比为15至20。
上述氟化氢是氟化氢气体,合成氟代酰氟的反应温度为150℃~200℃,合成氟代酰氟的压力为-1MPa~0.1MPa,合成氟代酰氟的反应中没有水分。
本发明为解决上述技术问题提出的另一种技术方案是:一种催化剂,具有如式Ⅲ所示的结构:
本发明为解决上述技术问题提出的又一种技术方案是:一种催化剂的制备方法,包括以下步骤:
A.将3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-羧酸溶解在纯水中,加入六水合三氯化铬,反应温度为80℃~90℃,搅拌反应2h~4h,降温至25℃以下,离心分离,得到湿品,
B.将湿品用水洗、水重结晶、或水打浆的方法去除氯离子;
C.将步骤B的产物溶解在纯水中,加入所述产物2.5倍~3.5倍重量的载体浸渍,浸渍温度为25℃~100℃,搅拌成糊状,然后用乙腈、甲醇、乙醇、异丙醇或正丁醇抽提,干燥制成粉末状固体;
D.将粉末状固体造粒制成球径为5mm~6mm的球状;
E.将球状固体在温度为105℃~150℃的条件下活化3h~8h,得到负载型3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬催化剂成品。
上述步骤A中纯水的用量是3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-羧酸重量的6倍~8倍。上述步骤B是将湿品用湿品重量1.5倍~2倍的纯化水进行重结晶得到晶体;上述步骤C中的浸渍温度为60℃~70℃,浸渍压力为常压,抽提溶剂为甲醇。
本发明具有积极的效果:
(1)本发明的氟代酰氟的制备方法采用了3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬催化剂,同时具备氟化反应和氧化反应的催化性能,并且催化活性好,以氯代烯烃或溴代烯烃为原料,当双键位于分子结构末端,且末端有两个取代氯原子或溴原子,氧化时,其中一个取代原子会发生重排,迁移至相邻的碳原子上,从而仅通过一步反应就可制得氟代酰氟,工艺流程短,自动化程度高,具备连续化、密闭化优点,可在较低温度和较低压力下,原料来源广泛,反应安全可靠,适于大规模工业化生产。
(2)本发明的氟代酰氟的制备方法可以用三氯乙烯为原料,制备二氟乙酰氟,由于反应物和产物都是气体,制得的二氟乙酰氟即使混有氯化氢、氟化氢等气体,也可以直接用作为原料合成3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-羧酸,而3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-羧酸是催化剂的生产原料,如此循环利用可以有效降低生产成本。
(3)本发明的氟代酰氟的制备方法采用3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬作为催化剂,虽然3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬有明显的催化活性,但难以制成高分散的状态,需选取合适的载体作为沉积3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬的骨架,载体以其适宜的孔结构来增大3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬的活性表面,可减少昂贵的3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬的用量,从而节约催化剂制备成本。
附图说明
图1是实施例1产物二氟乙酰氟与甲醇反应得到的二氟乙酸甲酯的色谱图。
图2是实施例2产物九氟戊酰氟与甲醇反应得到的九氟戊酸甲酯的色谱图。
图3是实施例3产物三氟乙酰氟与甲醇反应得到的三氟乙酸甲酯的色谱图。
图4是实施例4的生产氟代酰氟的反应装置结构图。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明进行具体的描述,有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明进行进一步说明,不能理解为对本发明保护范围的限制,该领域的技术人员可以根据上述本发明内容对本发明作出一些非本质的改进和调整。除非另行定义,文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。卤素原子,如:溴原子、碘原子、氟原子和氯原子。C1~C8的烷基是指碳链长度为1~8的烷基,如:甲基、乙基、丙基、异丙基、丁基、异丁基、仲丁基、叔丁基、戊基、己基、庚基、辛基等。具有取代基的C1~C8的烷基是指烷基的氢原子的1个以上被取代基取代而成的基团。
本发明所用化学试剂如无特殊说明均为外购试剂,浓度为化学纯。
实施例1
本实施例的二氟乙酰氟的制备方法的具体步骤是:
首先将预混器用导热油加热至110℃~115℃,将装填有负载型3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬催化剂的反应器伴热升温至180℃~190℃,用氮气从原料进料口或氟化氢进料口进行吹扫,确保整个反应装置内无水分。
接着开启预混器搅拌,开始往预混器通入氟化氢气体(流量:5m³/h),至反应器顶部的产品出口有氟化氢逸出后,将三氯乙烯和干燥氧气同时通入预混器(三氯乙烯流量:1.5m³/h,氧气流量1.8m³/h),反应器背压0.1MPa于180℃~190℃进行反应,可稳定得到二氟乙酰氟、氯化氢和氟化氢的混合气体。反应式如下:
本实施中的负载型3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬催化剂的制备方法为:
将纯化水(5000.00kg,277.78kmol)和3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-羧酸(600.00kg,3.41kmol)依次投入10000L搪玻璃反应釜,升温至80℃~90℃,此时料液呈白色悬浊液,仍有少量3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-羧酸未溶清,趁热离心分离,滤饼回收套用,滤液泵入另一只10000L搪玻璃反应釜,控制温度不低于80℃加入六水合三氯化铬(880.00kg,3.30kmol),控温80℃~90℃继续搅拌2h后降温至60℃后开始减压(-0.095MPa)浓缩至原体积的1/3,降温至25℃下离心分离,滤饼为催化剂3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬,呈黄绿色颗粒状晶体(湿品重量为821.92kg),滤液可以循环套用。
将得到的湿品在3000L搪玻璃反应釜用1.5倍纯化水重结晶,得到560.13kg浅绿色针状晶体,重结晶母液可以循环套用至催化剂制备工序,不得套用于重结晶工序(会造成氯离子不合格)。
将得到的重结晶品在3000L搪玻璃反应釜用6倍纯化水于60℃~70℃溶清,加入3倍ZSM-5型分子筛,搅拌成糊状,用分散泵转料至工业索氏提取器用适量甲醇抽提。
抽提毕,再用分散泵转料至喷雾干燥机在105℃下常压干燥,得到1792.55g浅绿色粉末状固体干品,为粉末状负载型3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬催化剂。
将得到的粉末状固体在一定的条件下进行造粒,可制得球径为5mm~6mm的球状负载型3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬催化剂。
将得到的球状负载型3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬催化剂在115℃~125℃下活化5h,自然冷却后即得本发明涉及的同时具备氟化和氧化催化活性的负载型催化剂。
由于二氟乙酰氟的检测较为困难,通过本实施例的制备方法制得的二氟乙酰氟与适量的甲醇反应,得到二氟乙酸甲酯,经气相色谱法测定,纯度为99.48%,二氟乙酸甲酯的色谱图如图1所示。二氟乙酸甲酯的色谱分析结果如表1所示。
表1 色谱分析结果表
当二氟乙酰氟纯度下降时,考虑停止反应,更换催化剂。
实施例2
本实施例的九氟戊酰氟的制备方法的具体步骤是:
首先将预混器用导热油加热至160℃~165℃,将装填有负载型络合物催化剂的反应器伴热升温至170℃~175℃,用氮气从原料进料口或氟化氢进料口进行吹扫,确保整个反应装置内无水分。
接着开启预混器搅拌,开始往预混器通入氟化氢气体(流量:5m³/h),至反应器顶部的产品出口有氟化氢逸出后,将1,1,2,3,3,4,4,5,5,5-十氯戊-1-烯和干燥氧气同时通入预混器(1,1,2,3,3,4,4,5,5,5-十氯戊-1-烯流量:1.3m³/h,氧气流量1.8m³/h),反应器背压0.2MPa于170℃~175℃进行反应,可稳定得到九氟戊酰氟、氯化氢和氟化氢的混合气体。反应式如下:
由于九氟戊酰氟的检测较为困难,通过本实施例的制备方法制得的九氟戊酰氟与适量的甲醇反应,得到九氟戊酸甲酯,经气相色谱法测定,纯度为99.98%,九氟戊酸甲酯的色谱图如图2所示。九氟戊酸甲酯的色谱分析结果如表2所示。
表2 色谱分析结果表
当九氟戊酰氟纯度下降时,考虑停止反应,更换催化剂。
实施例3
本实施例的三氟乙酰氟的制备方法的具体步骤是:
首先将预混器用导热油加热至120℃~125℃,将装填有负载型络合物催化剂的反应器伴热升温至150℃~155℃,用氮气从原料进料口或氟化氢进料口进行吹扫,确保整个反应装置内无水分。
接着开启预混器搅拌,开始往预混器通入氟化氢气体(流量:5m³/h),至反应器顶部的产品出口有氟化氢逸出后将四氯乙烯和干燥氧气同时通入预混器(四氯乙烯:1.7m³/h,氧气流量1.7m³/h),反应器背压0.1MPa于150℃~155℃进行反应,可稳定得到三氟乙酰氟、氯化氢和氟化氢的混合气体。反应式如下:
由于三氟乙酰氟的检测较为困难,通过本实施例的制备方法制得的三氟乙酰氟与适量的甲醇反应,得到三氟乙酸甲酯,经气相色谱法测定,纯度为99.89%,三氟乙酸甲酯的色谱图如图3所示。九氟戊酸甲酯的色谱分析结果如表3所示。
表3 色谱分析结果表
当三氟乙酰氟纯度下降时,考虑停止反应,更换催化剂。
实施例4
见图4,本实施例的氟代酰氟的反应装置,是适用于本发明的氟代酰氟的制备方法的专用装置,包括预混器1和填料塔2。预混器1上安装有搅拌机构3和加热组件,预混器1的底部通过输料管11与填料塔2的底部相连通,填料塔2的顶部设有出料管21,填料塔2的中段设有催化剂装填层24,搅拌机构3包括伸至预混器1底部的搅拌轴31和固定连接在搅拌轴31底端的搅拌叶片32,搅拌叶片32位于预混器1内的底部,预混器1上设有底端延伸至预混器1底部的进气管12和进料管13,进气管12的底端靠近搅拌叶片32的外缘处,进气管12的底端靠近搅拌轴31的底部。预混器1的顶部设有进料口17。进气管12和进料管13从进料口17处伸入预混器1内且密封固定在进料口17处。搅拌叶片32包括从搅拌轴31水平向外延伸的基座321、从基座321竖直向上延伸的多个立杆322和连接相邻立杆322与搅拌轴31的斜撑323,多个立杆322均匀分布且位于基座321外缘的立杆322贴近预混器1内壁设置。预混器1的顶部还设有气液分离器14。气液分离器14竖直设置,气液分离器14的底部与预混器1的顶部相连,气液分离器14的顶部有紧急泄放口141。加热组件是设于预混器1外壁中下部分的导热油夹套15,导热油夹套16的顶部两侧分别设有导热油进口161和导热油出口162。输料管11与预混器1底部的连接处设有釜底阀15,釜底阀15是下展式釜底阀。催化剂装填层24至少有两层,各层催化剂装填层24沿填料塔2的上下方向间隔设置,各层催化剂装填层24的上方均设有空腔241,填料塔2的外壁上开设有与每个空腔241的位置相对应的人孔242。填料塔2的顶部设有水平设置的过滤层27,填料塔2上设有伸入过滤层27与最上层催化剂装填层24之间的第一气体取样管23,填料塔2上还设有伸入填料塔2底部的第二气体取样管25,第一气体取样管23伸入填料塔2的末端向下弯曲延伸至靠近相应的催化剂装填层24,第二气体取样管25伸入填料塔2的末端设有斜向下的开口。
氟代酰氟反应装置还包括冷凝器22,冷凝器22竖直设置且通过三角支架221固定连接在填料塔2的顶部一侧,冷凝器22的底部进气口通过回流管222伸入填料塔2内且延伸至过滤层27与最上层催化剂装填层24之间,冷凝器22的顶部出气口通过出气管211与出料管21相连。填料塔2的底部设有弧形底板28,弧形底板28的中央位置处设有延伸至填料塔2外的吹气管26,输料管11伸入填料塔2的底部,且伸入填料塔2的末端向下倾斜设置延伸至靠近弧形底板28位置处。搅拌机构3还包括固定连接在预混器1顶部上方的变频调速电机33,变频调速电机33的动力输出轴竖直向下设置且通过联轴器与搅拌轴31的顶端相连。填料塔2的外壁缠有伴热带。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种氟代酰氟的制备方法,其特征在于:如式Ⅰ所示的卤代烯烃、氧气和氟化氢在催化剂的作用下反应生成如式Ⅱ所示的氟代酰氟,反应式如下:
其中,X2为氢原子、氯原子或溴原子,X1和X3为氯原子或溴原子,R1为氢原子、氯原子、溴原子、C1~C8的烷基、具有氯取代基的C1~C8的烷基或具有溴取代基的C1~C8的烷基;
当X2为氢原子时,X2’为氢原子;当X2为氯原子或溴原子时,X2’为氟原子;
当R1为氢原子时,R2为氢原子;当R1为C1~C8的烷基时,R2为C1~C8的烷基;当R1为氯原子、溴原子时,R2为氟原子;当R1为具有氯取代基的C1~C8的烷基或具有溴取代基的C1~C8的烷基时,R2为氯取代基或溴取代基被氟取代基替代的C1~C8的烷基;
所述催化剂是负载型3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬,所述3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬具有如式Ⅲ所示的结构,
所述负载型3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬的制备方法包括以下步骤:
A.将3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-羧酸溶解在纯水中,加入六水合三氯化铬,反应温度为80℃~90℃,搅拌反应2h~4h,降温至25℃以下,离心分离,得到湿品;
B.将湿品用水洗、水重结晶、或水打浆的方法去除氯离子;
C.将步骤B的产物溶解在纯水中,加入所述产物2.5倍~3.5倍重量的载体浸渍,浸渍温度为25℃~100℃,搅拌成糊状,然后用乙腈、甲醇、乙醇、异丙醇或正丁醇抽提,干燥制成粉末状固体;
D.将粉末状固体造粒制成球径为5mm~6mm的球状;
E.将球状固体在温度为105℃~150℃的条件下活化3h~8h,得到负载型3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-甲酸铬催化剂成品。
2.根据权利要求1所述的一种氟代酰氟的制备方法,其特征在于:所述催化剂中的氯离子含量小于5ppm。
3.根据权利要求1所述的一种氟代酰氟的制备方法,其特征在于:所述载体是ZSM-5型分子筛。
4.根据权利要求3所述的一种氟代酰氟的制备方法,其特征在于:所述ZSM-5型分子筛的硅铝摩尔比为15至20。
5.根据权利要求1所述的一种氟代酰氟的制备方法,其特征在于:所述氟化氢是氟化氢气体,合成氟代酰氟的反应温度为150℃~200℃,合成氟代酰氟的压力为-1MPa~0.1MPa,合成氟代酰氟的反应中没有水分。
6.根据权利要求1所述的一种氟代酰氟的制备方法,其特征在于:所述步骤A中纯水的用量是3-二氟甲基-1H-甲基吡唑-4-羧酸重量的6倍~8倍;所述步骤B是将湿品用湿品重量1.5倍~2倍的纯化水进行重结晶得到晶体;所述步骤C中的浸渍温度为60℃~70℃,浸渍压力为常压,抽提溶剂为甲醇。
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