Способ получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана

Изобретение относится к области химической технологии получения полифторхлоралканов, а именно 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана-CF₂ClCFClCFClCF₂Cl, используемый для получения перфторбутадиена. Способ осуществляют посредством реакции 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана с цинком. Процесс проводят путем дозировки в смесь исходных реагентов органического кислородсодержащего комплексообразователя, в количестве от 0,5 до 2 эквивалентов от вводимого в реакцию 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана. Температура реакции равна от 0 до 45⁰С. Реакцию проводят как в отсутствие растворителя, так и в среде углеводородов или их галопроизводных, или смеси таких растворителей. Технический результат - увеличение выхода и упрощение технологии получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана. 4 з.п.ф-лы.

 

Область техники

Изобретение относится к области химической технологии получения полифторхлоралканов, а именно 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана - CF₂ClCFClCFClCF₂Cl. Указанное соединение используется для получения перфторбутадиена, который находит широкое применение в различных областях техники.

Уровень техники

Известен способ получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана путем димеризации 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана при УФ облучении в присутствии ртути (R.N.Haszeldine // J.Chem.Soc., 1952, р.4423-31). Исходный 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтан получают реакцией иодхлорирования трифторхлорэтилена с выходом 17,1-68,1% (B.Ameduri, B.Boutevm, G.K.Kostov, P.Petrova // J.Fluorme Chem., 1995, v.74, p.261-7).

Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного способов, заключаются в использовании в качестве исходного соединения 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана.

Причина, препятствующая получению в известном способе требуемого технического результата, заключается в необходимости использования в больших количествах такого токсичного вещества, как ртуть. Кроме того, длительное время реакции (48 часов) и неполная конверсия исходного соединения существенно ограничивают технологические возможности известного метода.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана взаимодействием 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана с цинком в среде смеси хлористого метилена и уксусного ангидрида с выходом 51% (A.L.Henne, W.Postemeck // J.Am.Chem.Soc., 1955, v.77, N 4, p.2334). Процесс проводится путем смешения реагентов в среде хлористого метилена и уксусного ангидрида и последующего охлаждения реакционной смеси для поддержания спокойного течения экзотермической реакции (Синтезы фторорганических соединений под ред. И.Л.Кнунянца, М., Химия, 1973, стр.17).

Признаки, являющиеся общими для известного и заявленного способов, заключаются в использовании в качестве исходных соединений 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана и цинка.

Причина, препятствующая получению в известном способе требуемого технического результата, заключается в низком выходе целевого продукта за счет протекания побочных реакций дегалогенирования, олигомеризации и изомеризации (К.С.Еареn, C.Tamborski // J.Fluorine Chem., 1987, v.35, p.421-4.). Образование в известном способе трудноразделимой смеси изомерных перфторхлорэтанов существенно усложняет дальнейшее использование целевого 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана, в частности для получения перфторбутадиена.

Другая причина, препятствующая получению в известном способе требуемого технического результата, заключается в трудности управления экзотермическим процессом взаимодействия 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана с цинком - реакция начинается при перемешивании смеси реагентов в среде хлористого метилена и уксусного ангидрида при комнатной температуре, в дальнейшем необходимо хорошее охлаждение реакционной смеси для исключения ее неуправляемого течения (Синтезы фторорганических соединений под ред. И.Л.Кнунянца, М., Химия, 1973, стр.17). Данный фактор затрудняет реализацию известного способа в больших масштабах и делает невозможным его использование в производстве.

Сущность изобретения

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в увеличении выхода и упрощении технологии получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана путем преодоления недостатков известных методов.

Технический результат, способствующий решению указанной выше задачи, заключается в проведении реакции 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана с цинком путем дозировки в смесь исходных реагентов комплексообразователя, способствующего протеканию реакции.

Технический результат, способствующий решению указанной выше задачи, достигается за счет того, что комплексообразователь, в качестве которого используются кислородсодержащие соединения, дозируется в смесь не взаимодействующих друг с другом исходных реагентов, активирует поверхность цинка и инициирует начало реакции за счет образования устойчивых комплексов с соединениями цинка. Это позволяет управлять дальнейшим процессом путем изменения скорости добавления комплексообразователя.

Технический результат, способствующий решению указанной выше задачи, достигается за счет того, что комплексообразователь используется в количествах, составляющих от 0,5 до 2 эквивалентов от вводимого в реакцию 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана.

Технический результат, способствующий решению указанной выше задачи, достигается также за счет того, что при дозировке комплексообразователя в смесь 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана с цинком он сразу связывается образующимся иодидом цинка в комплекс и не вызывает протекание побочных реакций элиминирования и олигомеризации.

Технический результат, способствующий решению указанной выше задачи, достигается также за счет того, что простая дозировка жидкого комплексообразователя в заранее приготовленную смесь реагентов существенно упрощает технологию получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана и позволяет легко управлять процессом в любых масштабах без использования интенсивного охлаждения.

Технический результат, способствующий решению указанной выше задачи, достигается также тем, что в отсутствии комплексообразователя цинк не вступает в реакцию ни с 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтаном, ни с йодом и/или его хлоридом, последние только при дозировке комплексообразователя реагируют с цинком и не мешают дальнейшему ходу реакции образования целевого 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана. Это делает возможным проведение процесса синтеза 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана из монохлорида иода и трифторхлорэтилена и последующего процесса димеризации с образованием целевого 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана в одном реакционном сосуде без выделения и очистки самого 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана.

Технический результат достигается также тем, что процесс проводят при температуре 0-50°С, обычно 20-35°С, причем температурный режим регулируется изменением скорости дозировки комплексообразователя. Это дает возможность легко поддерживать быстрое и контролируемое течение процесса, тем самым упрощая его проведение.

Технический результат достигается также тем, что процесс ведут в присутствии растворителей - углеводородов или их галопроизводных - хлористом метилене, хлороформе, четыреххлористом углероде, 1-иод-1,2,2-трифтордихлорэтане, бензоле, о-дихлорбензоле, хладонах или их смесях. Преимущественно используется хлористый метилен или хлороформ, применяемые в качестве растворителей на стадии синтеза 1-иод-1,2,2-трифтордихлорэтана.

Новые (относительно прототипа) признаки заявленного способа заключаются в проведении реакции 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана с цинком путем дозировки комплексообразователя в инертную смесь исходных реагентов, что позволяет увеличить выход и упростить технологию получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана.

Промышленная применимость

В качестве комплексообразователя в процессе получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана в соответствии с изобретением может быть использовано любое кислородсодержащее химическое соединение, способное образовывать с галогенидами цинка, получающимися в реакции, устойчивые комплексы. Примером могут служить простые и сложные эфиры, спирты, кетоны, ангидриды карбоновых кислот, нефункциональные гетероциклические соединения и т.д. Исключением из этого ряда являются соединения, образующие с соединениями цинка твердые комплексы, нерастворимые в реакционной среде и дезактивирующие поверхность металла. В качестве конкретных примеров соединений, используемых в качестве комплексообразователей, можно привести метилацетат, этилацетат, диметилкарбонат, диэтиловый эфир, ацетон, циклогексанон, тетрагидрофуран, диоксан, диглим, метанол, этанол, пропанол, полиэтиленгликоли, ацетилацетон.

Выбор применяемого вещества определяется его физическими свойствами. Первостепенное значение имеет легкость его отделения от продуктов реакции - отгонкой, отмывкой водой или другим методом. Оптимальными с точки зрения перечисленных факторов являются низкокипящие соединения: этилацетат, диэтиловый эфир, ацетон, тетрагидрофуран. Можно использовать также смесь упомянутых соединений.

Количество комплексообразователя, необходимое для полного протекания реакции образования 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана, зависит от состава образующего с галогенидами цинка комплекса. Обычно берется эквимолярное соотношение введенного в реакцию 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана и комплексообразователя. Использование большего количества комплексообразователя не оказывает положительного действия на процесс и экономически нецелесообразно.

Кроме этого необходимо учитывать, что при использовании в процессе растворов 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана сразу после его получения взаимодействием хлортрифторэтилена с хлоридом йода некоторое количество комплексообразователя расходуется при реакции цинка с избытком йода и/или его хлорида, содержащихся в таких растворах. На практике дозировку комплексообразователя, расходующегося по мере добавления, ведут до полной конверсии 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана по результатам анализа реакционной массы методом ГЖХ, что позволяет избежать его избытка.

Оптимальный температурный режим процесса получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана определяется условиями его проведения и зависит от использования в процессе растворителя и его свойств. Повышенная температура способствует быстрому течению реакции, но также провоцирует протекание побочной реакции элиминирования с образование хлортрифторэтилена и теломерных продуктов. Низкая температура позволяет достигнуть высокой селективности, однако значительно удлиняет время проведения реакции и уменьшает производительность данной стадии.

Обычно используют температуру 20-35°С, такой режим можно считать оптимальным с точки зрения поддержания быстрого и контролируемого течения реакции.

Использование растворителя для проведения процесса получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана в соответствии с изобретением не является обязательным - он может применяться для улучшения перемешивания и теплообмена в реакционной массе, при этом растворитель не должен взаимодействовать с исходными реагентами и продуктами реакции. Другим критерием при выборе растворителя является легкость его отделения от продуктов реакции и комплексообразователя. Таким образом, оптимальным является использование легкокипящего растворителя, легко отделяемого от 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана простой отгонкой. В качестве такового может быть назван дихлорметан с температурой кипения 41°С, его выбор тем более удачен, что он, с одной стороны, может быть разделен фракционной разгонкой с большинством применяемых комплексообразователей, и, с другой стороны, является оптимальной средой для синтеза исходного 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана, это позволяет существенно снизить потери 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана, неизбежные при его выделении и очистке. В качестве растворителя может быть использован исходный 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтан, в этом случае процесс проводят с его неполной конверсией. Может также использоваться смесь растворителей. Разбавление, применяемое при проведении процесса в соответствии с изобретением, диктуется технологическими параметрами и не является существенным фактором.

Другим фактором, позволяющим существенно упростить технологию и проводить процесс синтеза 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана и последующего получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана в одном аппарате, является возможность использования для последней реакции растворов, содержащих йод и/или его хлорид, которые так же как и исходный 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтан не взаимодействуют с цинком в отсутствии комплексообразователя.

Таким образом, в соответствии с изобретением процесс синтеза 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана можно осуществлять добавлением необходимого количества цинка в реакционную смесь сразу после завершения реакции иодхлорирования трифторхлорэтилена и последующей дозировкой в нее комплексообразователя. Прибавление комплексообразователя в этом случае ведут до полного расходования 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана, которое легко контролируется методом ГЖХ. Такое совмещение двух стадий получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана позволяет значительно упростить технологию его получения.

Варианты осуществления изобретения

Следующие примеры подтверждают возможность осуществления способа получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана согласно изобретению, но не исчерпывают его.

Пример №1.

Димеризация 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана в присутствии этилацетата.

В колбу, снабженную мешалкой, капельной воронкой с противодавлением, обратным холодильником и термометром, помещают 84,5 г (0,303 моль) 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана, 200 г хлористого метилена, 13,6 г (0,208 моль) цинка, и дозируют при перемешивании 17,6 г (0,200 моль) этилацетата в течение одного часа при температуре 15-30°С. Затем реакционную массу перемешивают еще 30 минут при температуре 25-30°С до полной конверсии исходного 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана. Реакционную массу фильтруют от солей и цинка, промывают водой, сушат сульфатом магния и ректифицируют. Получено 38,2 г вещества с Т_кип. 133-134°С, которое по данным спектральных анализов является 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутаном и не содержит других изомерных тетрахлоргексафторбутанов. Выход 83%.

Сравнительный пример №2

Проведение процесса димеризации без комплексообразователя. В колбу, снабженную мешалкой, обратным холодильником и термометром, помещают 55,8 г (0,2 моль) 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана, 100 хлористого метилена, 13,1 г (0,2 моль) цинка, 16,3 г (0,1 моль) однохлористого йода, реакционную массу перемешивают 24 часа при температуре 35-40°С. Анализ методом газожидкостной хроматографии показывает наличие в реакционной массе менее 1% 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана.

Пример №3.

Димеризация 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана при использовании исходного соединения в качестве растворителя.

В трехгорлую колбу, снабженную мешалкой, обратным холодильником и термометром, помещают 84,5 г (0,303 моль) 1-иод-1, 2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана, 3,28 г (0,050 моль) цинка и дозируют при перемешивании и температуре не выше 20°С 7,4 г (0,10 моль) диэтилового эфира. Затем реакционную массу перемешивают 24 часа при температуре 20°С и промывают водой. Органический слой отделяют, сушат сульфатом магния и отгоняют диэтиловый эфир. Выделено 70 г вещества, которое по данным ГЖХ содержит 21% 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана и 79% 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана.

Пример №4.

Димеризация 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана в присутствии пропанола-2.

В колбу, снабженную мешалкой, капельной воронкой с противодавлением, обратным холодильником и термометром, помещают 84,5 г (0,303 моль) 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана, 200 г хлористого метилена, 14,5 г (0,222 моль) цинка, и дозируют при перемешивании 18,5 г (0,303 моль) пропанола-2 в течение 1,5 часа при температуре 6-12°С. Затем реакционную массу перемешивают еще 30 минут при температуре 15-20°С до полной конверсии исходного 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана. Реакционную массу фильтруют от солей и цинка, промывают водой, сушат сульфатом магния и ректифицируют. Получают 34,2 г вещества с Т_кип. 133-134°С. Выход 74,3%.

Пример №5.

Димеризация 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана в присутствии ацетона.

В колбу, снабженную мешалкой, капельной воронкой с противодавлением, обратным холодильником и термометром, помещают 84,5 г (0,303 моль) 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана, 200 г хлороформа, 14,5 г (0,222 моль) цинка и дозируют при перемешивании 18 г (0,31 моль) ацетона в течение 1,5 часа при температуре 10-15°С. Затем реакционную массу перемешивают еще 30 минут при температуре 15-20°С до полной конверсии исходного 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана. Реакционную массу фильтруют от солей и цинка, промывают водой, сушат сульфатом магния и ректифицируют. Получают 33,1 г вещества с Т_кип. 133-134°С. Выход 71,9%.

Пример №6.

Получение исходного 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана и целевого 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана в одной колбе.

В трехгорлую колбу, снабженную термометром, газоподводящей трубкой и обратным холодильником, помещают 162 г (1,0 моль) монохлорида йода, добавляют 320 г хлористого метилена и пропускают при температуре 35°С 100 г (0,862 моль) трифторхлорэтилена с такой скоростью, чтобы обеспечить его полное поглощение (16 часов). По данным ГЖХ реакционная смесь содержит 41% 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана (225 г) и 59% хлористого метилена, что соответствует 81% конверсии монохлорида йода. Реакционную массу охлаждают на водяной бане до 25°С, добавляют 65,5 г (1,0 моль) Zn и перемешивают 30 минут. Затем при охлаждении и перемешивании дозируют в течение часа 72 г (1,0 моль) тетрагидрофурана, не допуская подъема температуры выше 35°С. После окончания дозировки тетрагидрофурана смесь перемешивают еще 30 минут при температуре 35°С до полной конверсии 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана, фильтруют непрореагировавший цинк, промывают реакционную массу водой (три раза по 100 мл) и сушат сульфатом магния. Целевой продукт выделяют ректификацией, собирая фракцию с т.кип. 132-135°С. Получают 109 г (0,360 моль) 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана, выход 72% в расчете на исходный монохлорид йода.

1. Способ получения 1,2,3,4-тетрахлоргексафторбутана, заключающийся в проведении реакции 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана с цинком, отличающийся тем, что процесс проводят путем дозировки в смесь исходных реагентов органического кислородсодержащего комплексообразователя в количестве 0,5 - 2 эквивалентов от вводимого в реакцию 1-иод-1,2,2-трифтор-1,2-дихлорэтана.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию проводят при температуре 0°С - 45°С.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что реакцию проводят как в отсутствии растворителя, так и в среде углеводородов или их галопроизводных или смеси таких растворителей.

4. Способ по пп.1-3, отличающийся тем, что для проведения процесса используют реакционную смесь после получения 1-иод-1,2,2-трифтордихлорэтана реакцией монохлорида иода с трифторхлорэтиленом.

5. Способ по пп.1-4, отличающийся тем, что процесс проводят в том же реакционном сосуде, в котором синтезировался исходный 1-иод-1,2,2-трифтордихлорэтан.