DE2013858A1 - Herstellung von Phosphorpentafluorid - Google Patents

Herstellung von Phosphorpentafluorid

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DE2013858A1 DE19702013858 DE2013858A DE2013858A1 DE 2013858 A1 DE2013858 A1 DE 2013858A1 DE 19702013858 DE19702013858 DE 19702013858 DE 2013858 A DE2013858 A DE 2013858A DE 2013858 A1 DE2013858 A1 DE 2013858A1
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hexafluorophosphoric acid
phosphorus
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DE19702013858
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Robert Alfred Atlanta Ga Wiesboeck (V St A)
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USS Engineers and Consultants Inc
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B25/00Phosphorus; Compounds thereof
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B25/00Phosphorus; Compounds thereof
    • C01B25/10Halides or oxyhalides of phosphorus

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)

Description

  • "Herstellung von Phosphorpentafluorid" Die herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Phosphorpentafluorid beruhen auf dem Haiogenaustausch von Phosphorpentachlorid mit einem Fluorid, d.h. mit Arsentrifluorid: oder auf der Chlorofluorierung von Phosphortrifluorid: Beide Verfahren erfordern eine umständliche Fraktionierung, um die gemischten Halogenide vom Phosphorpentafiuorid abzu trennen.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Phosphorpentafluorid zu entwickeln.
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Phosphorpentafluorid, das dadurch gekennzeichnet ist, dass Phosphorylfluorid und Fluorwasserstoff umgesetzt werden, um Phosphorpentafluorid und Hexafluorphosphorsäure zu bilden, und das Phosphorpentafluorid aus der entstandenen Reaktionsproduktmischung isoliert wird0 Die Erfindung bezieht sich auch auf die Umsetzung von Hexafluorphosphorsäure mit Schwefeltrioxyd, Pyroschwefelsäure oder Fluoroschwefelsäure und auf die Isolierung des entstandenen PhosphorpentafluoridsO Nach dem Verfahren der Erfindung kann Phosphorpentafluorid mit einem hohen Reinheitsgrad hergestellt werden, ohne dass komplizierte Verfahrensschritte notwendig sind0 Alle im Produkt enthaltenen Verunreinigungen können durch einfache Verfahren leicht entfernt werden. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Verfahren ist das nach dem Verfahren der Erfindung hergestellte Phosphorpentafluorid frei von Chlor.
  • Phosphorylfluorid setzt sich mit Fluorwasserstoff nach folgender Formel um und bildet Phosphorpentafluorid: Das dabei entstehende Wasser wird sofort durch die Bildung von Hexafluorphosphorsäurehydrat verbraucht: Die entstandene Hexafluorphosphorsäure kann mit einem Wasser entfernenden Mittel, wie beispielsweise Schwefeltrioxyd oder Pyroschwefelsäure umgesetzt werden, so dass man das Phosphorpentafluorid erhalt, Hexafluorphosphorsäure ist nur bei Raumtemperatur stabil, Bei höheren Temperaturen ist die Hexafluorphosphorsäure nur als eine Lösung in einem hochpolaren Medium, wie beispielsweise Wasser, stabil. Es konnte festgestellt werden, dass Phosphorpentafluorid in wesentlichen Mengen freigemacht wird, wenn Wasser mittels Chemikalien entfernt wird.
  • Typische Reagenzien zur Entfernung von Wasser sind Schwefeltrioxyd, Pyroschwefelsäure oder Fluorschwefelsäüre.
  • Das freigemachte Phosphorpentafluorid wird in einem hohen Reinheitsgrad erhalten.
  • Phosphorylfluorid und Fluorwasserstoff werden vorzugsweise im Kalten kombiniert, auf Raumtemperatur erwärmt und anschliessend unter autogenem Druck auf etwa 70 - 80°C erhitzt. Man lässt dann das flüchtige Material entweichen und das Phosphorpentafluorid kann dadurch gewonnen werden, dass es durch Kondensation oder durch eine andere geeignete Methode isoliert wird.
  • Das POF3 kann alternativ in einen Reaktor gepumpt werden, der Fluorwasserstoff enthält und die Reaktion kann bei 10 - 100°C oder einer höheren Temperatur durchgeführt werden.
  • Das Molverhältnis der Reaktionsteilnehmer ist nicht kritisch.
  • Jedoch werden die besten Ergebnisse dann erhalten, wenn zwei bis vier und vorzugsweise drei Mol Fluonnsserstoff je Mol Phosphorylfluorid verwendet werden.
  • Annähernd die Hälfte des POF3 wird zu PF5 umgesetzt. Dieses PF5 besitzt einen hohen Reinheitsgrad. Wenn das Reaktionsprodukt aus dem Reaktor bei Temperaturen oberhalb von 20 0C entfernt wird, dann werden sehr geringe Mengen an Fluorwasserstoff und Spuren von Phosphorylfluorid mitgerissen0 Diese Verunreinigungen können durch eine faktionierte Kondensation bei -40°C leicht entfernt werden.
  • Die übrigbleibende flüssige Phase der Reaktionsmischung besteht im wesentlichen aus 60 - 65 % Hexafluorphosphorsäure. Die Ausbeute an Phosphorpentafluorid kann dadurch erhöht werden, dass die übrigbleibende Flüssigkeit mit Schwefeltrioxyd umgesetzt wird. Durch die Kombination beider Verfahrensstufen kann man eine totale Umwandlung von POF3 zu PF5 erreichen. Diese liegt im Bereich von 70 - 80 %.
  • Beim Verfahren nach der Erfindung wird von einer Hexafluorphosphorsäure ausgegangen, die wie oben beschrieben hergestellt wird oder aus irgendeiner anderen Quelle erhalten wird. Die Hexafluorphosphorsäurelösungen enthalten die Säure als eine Gleichgewichtsmischung einschliesslich Fluorwasserstoff und Mono- und Difluorophosphorsäure: Die im Handel erhältliche 65 ziege Hexafluorphosphorsäure besteht aus 25 Molprozent HPF6, 1 Molprozent HPO2F2, 1 Molprozent H2P03F, 7 Molprozent HF und 66 Molprozent EI20.
  • Versuche zum Konzentrieren der 65 eigen HPF6 führen zu einer Zersetzung und verschieben das Gleichgewicht zu Mono- und Difluorphosphorsäure und Fluorwasserstoff.
  • Es konnte jedoch festgestellt werden, dass Wasser mittels Chemikalien entfernt werden kann, ohne dass das Gleichgewicht verschoben wird. Falls eine Hexafluorphosphorsäurelösung mit Schwefeltrioxyd behandelt wird - dies geschieht vorzugsweise im Kalten - wird das Wasser des Systems chemisch durch die Bildung von Schwefelsäure gebunden.
  • Bei Erwärmung kann die Hexafluorphosphorsäure nicht hydrolysieren und wird dadurch gezwungen, sich in Phosphorpentafluorid und Fluorwasserstoff zu zersetzen: Je nachdem, welche Mengen an Schwefeltrioxyd verwendet worden sind, wird ein Teil oder der gesamte Fluorwasserstoff in Fluorsulfonsäure umgewandelt: Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn ein Minimum von 1,0 - 1,3Mol Sehwefeltrioxyd Je Mol Wasser, dabei in der Hexafluorphosphorsäure vorhanden ist, verwendet wird. Das Schwefeltrioxyd kann in einem gekühlten Reaktor kondensiert werden, der die Hexailuorphosphorsäure enthält oder es kann aus einem unter Druck stehenden Behälter bei Zimmertemperatur oder bei einer höheren Temperatur zugesetzt werden. Schwefeltrioxydlösungen in einem inerten Lösungsmittel, wie beispielsweise Tetrachloräthylen, eignen sich ebenfalls für das Verfahren nach der Erfindung.
  • Das freigemachte PF5 besitzt einen hohen Reinheitsgrad und enthält nur geringe Mengen an POF3 und HF, die durch eine fraktionierte Kondensation entfernt werden können.
  • Wird das Verfahren nach der Erfindung im industriellen Ausmass durchgeführt, dann wird die Eexafluorphosphorsäure vorzugsweise in einem Becken bei einer Temperatur von etwa 0 - 1000C und vorzugsweise bei etwa 300C gehalten und das SO3 wird unter der Oberfläche des Beckens eingeleitet. Anstelle des S03 können auch PyroschwefeSEure, Fluorsulfonsäure und ähnliche Verbindungen verwendet werden.
  • In den folgenden Beispielen werden bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung im einzelnen erläutern.
  • Beispiel 1 22,5 g einer im Handel erhältlichen 65 zeigen Hexafluorphosphorsäure wurden in einen Aluminiumzylinder gegeben, auf -1960C abgekühlt und der Zylinder wurde luftleer gepumpt.
  • 45,0 g Schwefeltrioxyd wurden in dem Zylinder kondensiert und man liess die Mischung auf Raumtemperatur kommen. Es entwickelte sich ein Druck von 3,37 kg/cm², der sich auf 5,70 kg/cm² erhöhte, wenn die Temperatur auf 60°C erhöht wurde. Das dabei gebildete Phosphorpentatluorid wurde durch Expansion in eine luftleer gepumpte bzw. evakuierte Kühlfalle gesammelt, die bei -196°C gehalten wurde. Die Ausbeute an Phosphorpentafluorid betrug 6,8 g, Beispiel II 11,0 g Schwefeltrioxyd wurden bei -i96°C in 10,5 g einer 75 zeigen Hexafluorphosphorsäure kondensiert. Dabei wurde das gleiche Verfahren wie in Beispiel I beschrieben verwendet. Bei der Erwärmung der Mischung auf 600C entwickelte 2 sich ein Druck von 4,08 kg/cm20 Nach einer Stunde wurde das flüchtige Material in eine Kühlfalle expandiert, die bei -1960C gehalten wurde. Die erhaltenen 4f2 g Phosphorpentafluorid entsprechen einer 62 %igen Umwandlung der Hexafluorphosphorsäure.
  • Beispiel III 41,0 g Fluorwasserstoff wurden in einen luftleer gepumpten Aluminiumreaktor bei -800C kondensiert und mit 65,0 g Phosphorylfluorid unter Druck gesetze, Man liess dann die Reaktionsmischung auf Raumtemperatur kommen. Es entwickelte 2 sich ein Druck von 9,i4 kg/cm2. Nach einstündigem Erwärmen auf 500C liess man das flüchtige Material in einenauf -1960C gekühlten rostfreien Stahlzylinder entweichen. Man erhielt eine Gesamtmenge von 42 g Phosphorpentafluorid.
  • Beispiel IV Ein luftleer gepumpter Aluminiumzylinder wurde mit 7,2 g Fluorwasserstoff beladen und anschließend mit 11,3 g Phosphorylfluorid bei 10°C unter Druck gesetzt. Innerhalb von' 30 Minuten entwickelte sich ein permanenter Druck von 4,36 kg/cm².
  • Nach einstündigem Erhitzen auf 60°C wurde der Zylinder auf 250C abgekühlt und das flüchtige Material wurde in eine Falle geführt, die bei -196°C gehalten wurde. Man erhielt eine Gesamtausbeute von 7,5 g Phosphorpentafluorid.
  • Beispiel V 45,5 g Hexafluorphosphorsäure, die75 HPF6 enthielt, wurden unter Rühren tropfenweise bei 20 - 300C zu 50,0 g Fluorsulfonsäure zugegeben. Das sich dabei entwickelnde Gas wurde in einen Zylinder geleitet und auf -1960C abgekühlt. Es konnten insgesamt--2i,2 g eines flüchtigen Materials gesammelt werden, die bei -780C in 19,2 g Phosphorpentafluorid und 2,0 g Fluorwasserstoff fraktioniert werden konnten.

Claims (9)

  1. PATENTANSPRÜCHE:
    i. Verfahren zur Herstellung von Phosphorpentafluorid, dadurch gekennzeichnet, dass Phosphorylfluorid mit Fluorwasserstoff umgesetzt wird, um Phosphorpentafluorid und Hexafluorphosphorsäure zu bilden, und Phosphorpentafluorid aus der entstehenden Reaktionsproduktmischung isoliert wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsteilnehmer im Kalten kombiniert werden und auf etwa 60 - 800C erhitzt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das PhosphorgEluorid in ein Reaktionsgefäss gepumpt wird, das Fluorwasserstoff enthält und darin bei einer Temperatur von etwa 10 - 100°C umgesetzt wird.
  4. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei bis vier Mol Fluorwasserstoff je Mol Phosphorylfluorid verwendet werden.
  5. 5. Verfahren nach den Ansprüchen i bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hexafluorphosphorsäure mit Schwefeltrioxyd, Pyroschwefelsäure oder Fluoroschwefelsäure umgesetzt wird und das entstehende Phosphorpentailuorid isoliert wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwefeltrioxyd in einem inerten Lösungsmittel eingeführt wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hexafluorphosphorsäure auf etwa -i960C abgekühlt wird, das Schwefeltrioxyd kondensiert und mit ihr kombiniert wird und die Reaktionsteilnehmer erwärmt werden, um Phosphorpentafluorid zu erzeugen.
  8. 8o Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 1,0 - 1,3 Mol Schwefeltrioxyd je Mol Wasser verwendet werden, das in der Hexafluorphosphorsäure enthalten ist.
  9. 9. Verfahren nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hexafluorphosphorsäure in einem Becken bei etwa 10 - 1000C gehalten wird und das Schwefeltrioxyd in das Becken eingeleitet wird.
    lOt Verfahren zur Herstellung von Phosphorpentafluorid, dadurch gekennzeichnet, dass Hexafluorphosphorsäure, die Wasser enthält, mit einem Wasser entfernenden Mittel wie Schwefeltrioxyd, Pyroschwefelsäure oder Fluoroschwefelsäure oder Kombinationen davon umgesetztrd, die Reaktionsteilnehmer unter Druck erhitzt werden und das verflüchtigte Material gesammelt und isoliert wird.
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