CN102060695A - 烷氧基全氟碳酸酯的制备方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种通过四氟乙烯选择性合成烷氧基全氟碳酸酯R¹O-CF₂CF₂-COOR²的方法，它包括以下步骤：a)提供一种化合物R¹O-M、化合物(R²O)₂CO和溶剂的混合物；b)加入四氟乙烯，以摩尔计其加入量使R¹O-M保持对四氟乙烯过量1％-15％，反应温度在-35℃～-5℃，压力-0.1MPa～0.2MPa；c)加入酸反应，其摩尔量不少于R¹O-M的量，反应温度在35℃～85℃，分离得到混合物产物和未反应溶剂和(R²O)₂CO；d)使用步骤c)分离的未反应溶剂和(R²O)₂CO来重复步骤a)；其中R¹和R²分别相同或者不同，各自为含有1-20个碳原子的直链烷基、含有1-20个碳原子的直链卤代烷基、含3-20个碳原子的支链或环状的烷基、含3-20个碳原子的芳香烃、含3-20个碳原子的卤代芳香烃或者含3-20个碳原子的支链或环状的卤代烷基。本发明方法的选择性大于95％，收率大于90％，并且容易实现连续或重复间歇的生产。

Description

烷氧基全氟碳酸酯的制备方法

技术领域

本发明涉及一类重要的含氟精细化学品-烷氧基全氟碳酸酯(R¹O-CF₂CF₂-COOR²)的制备方法，本发明方法具有高的选择性和收率。

背景技术

烷氧基全氟碳酸酯(分子式R¹O-CF₂CF₂-COOR²)是一类重要的含氟精细化学品和医药中间体，其分子结构含有烷氧基和碳酸酯两种官能团，很容易合成其他含氟中间体，也可以作溶剂使用。

美国专利US 2,988,537揭示了使用CX₂＝CX₂的含氟烯类化合物制备含有氟代脂族醚的碳酸酯、醛、酮类化合物。此方法利用CX₂＝CX₂的含氟烯，得到一系列的烷氧基含氟碳酸酯、醛或酮类化合物，反应副产物多，收率不高。

美国专利US 5,235,094介绍了制备含氟烷氧基碳酸酯(R¹O-CX₂CX₂-COOR²)的方法，此法反应的选择性较高，但收率不稳定，在39％-93％之间，并且不容易连续生产。

因此，仍需要开发一种高效的烷氧基全氟碳酸酯的制造方法，要求这种制备方法不仅具有反应选择性高，收率高优点，而且还具有生产安全易放大的优点。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种高效的烷氧基全氟碳酸酯的制造方法，本发明方法不仅具有反应选择性高，收率高优点，而且还具有生产安全易放大的优点。

因此，本发明提供一种制备下式(I)化合物的连续或重复间歇方法：

R¹O-CF₂CF₂-COOR²(I)

其中R¹和R²分别相同或者不同，各自为含有1-20个碳原子的直链烷基、含有1-20个碳原子的直链卤代烷基、含3-20个碳原子的支链或环状的烷基、含3-20个碳原子的芳香烃、含3-20个碳原子的卤代芳香烃或者含3-20个碳原子的支链或环状的卤代烷基；

所述方法包括以下步骤：

a)提供一种下式化合物(II)、化合物(III)和溶剂的混合物：

R¹O-M  (II)、(R²O)₂CO  (III)

其中，M为碱金属原子，R¹和R²如式(I)所限定；

b)加入四氟乙烯，以摩尔计，其加入量能使得R¹O-M保持对四氟乙烯过量1％-15％，并使反应温度保持在-35℃～-5℃、反应压力保持在-0.1MPa～0.2MPa；

c)加入酸，其摩尔量不少于R¹O-M的量，并使反应温度保持在35℃～85℃。

本发明方法的选择性大于95％，收率大于90％，并且容易实现连续或重复间歇的生产。

具体实施方式

本发明提供一种通过四氟乙烯选择性合成烷氧基全氟碳酸酯的方法，本发明方法包括提供一种式R¹O-M化合物、式(R²O)₂CO化合物和溶剂的混合物的步骤。在上述通式化合物中，M为碱金属原子，例如锂原子、钠原子、钾原子、铷原子或其两种或多种的混合原子等。

在本发明中，术语“卤代”是指基团中的一个或多个氢原子被选自氟、氯、溴、碘的卤原子所取代。

在上述通式化合物中，R¹和R²可相同或不同，各自为：

含有1-20个碳原子、较好1-8个碳原子、更好1-6个碳原子的直链烷基，例如甲基、乙基、丙基、丁基、己基、戊基、辛基等；

含有1-20个碳原子、较好1-8个碳原子、更好1-6个碳原子的直链卤代烷基，例如氯甲基、二氯甲基、1，1-二氯乙基、1，1，2，2-四氟丙基等；

含有3-20个碳原子、较好4-8个碳原子、更好5-6个碳原子的支链或环状的烷基，例如异丙基，环己烷基等；

含有3-20个碳原子、较好4-8个碳原子、更好5-6个碳原子的支链或环状的卤代烷基，例如1，1，1-三氟异丙基，2-氯代环己烷基等；

含3-20个碳原子、较好含5-10个碳原子、最好含6-8个碳原子的芳香烃，例如苯基、甲苯基、2，4-二甲苯基、3，5-二甲苯基等；

含3-20个碳原子、较好含5-10个碳原子、最好含6-8个碳原子的卤代芳香烃，例如2-氯苯基，2-氯-4-甲苯基等。

适用于本发明方法的式R¹O-M化合物、式(R²O)₂CO化合物都可以由市场购得。

在本发明的一个实例中，式R¹O-M化合物为碱金属的醇盐，例如甲醇钠，乙醇钠，正丙醇钠，丁醇钠等。

在本发明的一个实例中，式(R²O)₂CO化合物为碳酸二甲酯，碳酸二乙酯，碳酸二苯酯等。

在本发明方法中，以摩尔量计算，式(R²O)₂CO化合物的加入量通常与式R¹O-M化合物的量接近，在本发明的一个实例中，所述式(R²O)₂CO化合物的加入量高于式R¹O-M化合物的量，因为过量的式(R²O)₂CO化合物能增加式R¹O-M化合物的溶解性，并且多余的式(R²O)₂CO化合物可容易地回收利用。

所述式(R²O)₂CO化合物的加入量通常为式R¹O-M化合物加入量的90～300摩尔％，较好为120～240摩尔％。

适用于本发明方法的溶剂无特别的限制，可以是本领域已知的任何常规的惰性溶剂，较好的使用非酸性的醚类有机溶剂，如乙醚，四氢呋喃，甲基四氢呋喃，乙二醇二甲醚等以及其混合溶剂。在本发明的一个实施方案中，使用甲基四氢呋喃溶剂，发现它的稳定性好，对所有产物原料都有明显的惰性，并可以多次反复使用。在本发明方法中，溶剂通常是R¹O-M化合物加入量的20～500重量％，较好是50～350重量％，更好是80～200重量％。

本发明方法还包括向式R¹O-M化合物、式(R²O)₂CO化合物和溶剂的混合物中加入四氟乙烯的步骤，以摩尔计，其加入量能使得R¹O-M保持对四氟乙烯过量1％-15％。在本发明方法中，四氟乙烯的加入量对反应的选择性和收率都有较大影响，以摩尔计，如果四氟乙烯加入量过量于式R¹O-M化合物，则很快会产生大量副产物。为得到较好的选择性和收率，以摩尔计式R¹O-M化合物保持对四氟乙烯过量1％-15％，较好过量5％-12％，更好过量6-10％。

在本发明方法的反应过程中，会形成由1∶1∶1的四氟乙烯和R¹O-M、(R²O)₂CO反应生成的分子式为R¹O-CF₂CF₂-COOR²的单加成产物、由2∶1∶1的四氟乙烯和R¹O-M、(R²O)₂CO生成的分子式为R¹O-CF₂CF₂-CO-CF₂CF₂-OR²的二加成产物、以及可能的其他反应产物。因此，反应的选择性和产率对本发明方法至关重要。

在本发明方法中，在式R¹O-M化合物、式(R²O)₂CO化合物和四氟乙烯反应的反应温度对反应的选择性和收率都有重要的影响，四氟乙烯的加入时的反应温度对反应有关键性的影响，在低温下反应选择性有明显增加，优选的反应温度为-35℃～-5℃，较好在-28℃～-10℃，更好-20℃～-12℃。

在本发明方法中，四氟乙烯的加入时的反应压力对反应速率和选择性有较大影响，在高的压力下，反应速率太快，容易产生副产物。反应压力一般可低于大气压，常压或高于大气压。总体而言，优选接近大气压的压力，对反应设备要求就较低，易于工业化生产。然而，在减压下反应的选择性更高，优选的压力范围为-0.1MPa～0.2MPa，较好在-0.08MPa～0.05MPa。

在本发明方法中，反应的时间不是关键的，反应过程中的温度，压力和物质的加入量决定了反应时间，通常物料的加入速度应该是匀速的，温度和压力变化较小的，通常可将形成的反应混合物在任何合适的温度和压力保持一段时间，以便反应完全。

在本发明的一个实例中，所述反应的反应时间控制在2-12小时，较好为4-10小时，更好为5-7小时。

本发明方法还包括向上述反应得到的反应混合物中加入酸的步骤。

在本发明方法中，所加酸是有机酸或者无机酸，通常适用的有机酸的酸强度要大于或至少等于乙酸的酸强度，合适的有机酸的例子有，例如乙酸，甲酸，三氟乙酸或其混合物等。

适用的无机酸为不含水的纯酸，其例子有，例如氯化氢，硫酸，磷酸等或其混合物。

在本发明的一个实例中，使用选自乙酸，硫酸，氯化氢等的酸。

在本发明方法中，酸的加入量对收率的影响较大，以摩尔计，如果酸的加入量少于式R¹O-M化合物的量，反应收率将会下降。为得到较好的收率，以摩尔计酸对式R¹O-M化合物宜保持过量1％-15％，较好过量2％-10％。

在本发明方法中，酸的加入时的反应温度对收率有较大影响，因为反应产生大量不溶性固体，低温下会降低反应收率。在高温下反应收率有明显增加，优选的反应温度为35℃～85℃，较好为45℃～65℃。

如前面所述，反应的时间不是关键的，反应过程中的温度，压力和物质的加入量决定了反应时间，通常物料的加入速度应该是匀速的，温度和压力变化较小的，通常可将形成的反应混合物在任何合适的温度和压力保持一段时间，以便反应完全。在本发明的一个实例中，加入酸后使反应进行1-8小时，较好进行4-6小时。

适用于本发明方法的常压连续或间歇式反应器无特别的限制。但是本发明的改进更适合工业化生产，反应步骤b)在低温低压下反应，所需的反应器应由抗碱金属醇盐的腐蚀材料构建；反应步骤c)在常温常压下反应，所需的反应器应由抗酸腐蚀材料构建。在本发明的一个实例中，本发明方法把两步反应在分开的两个反应器反应，反应的压力的降低，对反应器制造的材料的要求降低，利于节约资金，工业放大。在连续生产中，使用一个反应器时，加入酸后釜内产生酸性，如果不除去，继续重复反应，会导致反应物碱金属醇盐的作用降低，收率降低，不利于连续反应。当反应步骤b)和反应步骤c)分开反应釜进行时，碱金属醇盐和酸没有交叉，可以连续使用。

本发明的投料总量对本发明方法不是关键的，它仅仅和采用的反应系统大小有关系。

在反应结束后，可用任何适当的方法将加成产物混合物中未反应的分离出来，所述方法包括溶剂分离和蒸馏。一般可采用过滤除去碱金属盐类化合物，得到产物混合物，较好方法采用加入部分水溶解碱金属盐类化合物，与有机相分离，得到产物混合物。

在本发明的一个实例中，使用加入部分水溶解碱金属盐类化合物再分离的方法得到的收率较高，因为固体化合物对产物有部分的夹带，或者采用过滤得到碱金属盐类化合物，需使用乙醚等有机溶剂洗涤，洗涤溶剂蒸馏提纯，以提高产物收率。采用加入部分水溶解碱金属盐类化合物的方法，其水的加入量为所得碱金属盐重量的0.1～10倍量较好。得到的产物混合物，提纯后剩余的未反应溶剂和(R²O)₂CO可以来重复步骤a)，但是其混合物中不能含有水和其他酸性物质。

本发明可用于工业合成烷氧基全氟碳酸酯。

下列实施例进一步说明本发明的目的和优点，但是这些实施例中的具体材料及其用量，以及其它条件和细节均不应视为对本发明的限制。

实施例1

在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的10L的干燥后的反应釜中加入2.5kg甲基四氢呋喃，2.0kg碳酸二甲酯和1.0kg甲醇钾，开动搅拌装置，冷却温度至-25℃，在真空下，开始通入四氟乙烯，反应是放热的，控制反应温度在-20℃，压力为-0.05MPa，四氟乙烯的通入速度由冷却系统调整，5小时共加入1.75kg四氟乙烯，在既定温度下搅拌1小时。反应所得混合物转移至另一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的10L的干燥后的反应釜，在温度40℃时加入乙酸，反应为放热，3小时共加入1.15kg，再反应1小时。反应混合物至分离釜，加入1.0kg去离子水，分层分离，所得有机相用色谱分析。该反应基于四氟乙烯摩尔量计算的产物甲氧基四氟丙酸甲酯的选择性为96％，得率为92％。

比较例1B  (相对于美国专利US 2,988,537)

在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的10L的干燥后的反应釜中加入3.2kg四氢呋喃，1.8kg碳酸二甲酯和0.8kg甲醇钠，开动搅拌装置，控制温度在25℃，在真空下，开始通入四氟乙烯，压力为0.3MPa，3小时共加入1.5kg四氟乙烯，在既定温度下搅拌1小时，然后在温度25℃时3小时加入100％纯度的硫酸1.45kg，再反应1小时。反应混合物过滤，所得有机相用色谱分析。该反应基于四氟乙烯摩尔量计算的产物的选择性为67％，得率为56％。

比较例1C(相对于美国专利US 5,235,094)

在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的10L的干燥后的反应釜中加入2.0kg四氢呋喃，3.0kg碳酸二甲酯和0.8kg甲醇钠，开动搅拌装置，控制温度在5℃，在真空下，开始通入四氟乙烯，压力为0.4MPa，2.5小时共加入1.5kg四氟乙烯，在既定温度下搅拌1小时，然后在温度5℃时3小时加入氯化氢气体0.55kg，再反应1小时。反应混合物过滤，所得有机相用色谱分析。该反应基于四氟乙烯摩尔量计算的产物的选择性为86％，得率为68％。

实施例2

在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的100L的干燥后的反应釜中加入30kg甲基四氢呋喃，22kg碳酸二甲酯和10kg甲醇钠，开动搅拌装置，冷却温度至-35℃，在真空下，开始通入四氟乙烯，反应是放热的，控制反应温度在-25℃，压力为-0.06MPa，四氟乙烯的通入速度由冷却系统调整，8小时共加入17.8kg四氟乙烯，在既定温度下搅拌2小时。反应所得混合物转移至另一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的100L的干燥后的反应釜，在温度45℃时加入乙酸，5小时共加入11.2kg，继续反应1小时。反应混合物至分离釜，加入15kg去离子水，分层分离，所得有机相用色谱分析。该反应基于四氟乙烯摩尔量计算的产物的选择性为97％，得率为94％。

实施例3

在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的100L的干燥后的反应釜中加入25kg四氢呋喃，30kg碳酸二甲酯和10kg甲醇钠，开动搅拌装置，冷却温度至-10℃，在真空下，开始通入四氟乙烯，控制反应温度在-5℃，压力为-0.07MPa，四氟乙烯的通入速度由冷却系统调整，6小时共加入17.5kg四氟乙烯，在既定温度下搅拌2小时。反应所得混合物转移至另一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的100L的干燥后的反应釜，在温度80℃时4小时加入100％硫酸，共加入18.3kg，继续反应1小时。反应混合物至分离釜，加入20kg去离子水，分层分离，所得有机相用色谱分析。该反应基于四氟乙烯摩尔量计算的产物的选择性为95％，得率为91％。

实施例4

在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的100L的干燥后的反应釜中加入25kg四氢呋喃，30kg碳酸二甲酯和10kg甲醇钠，开动搅拌装置，冷却温度至-15℃，在真空下，开始通入四氟乙烯，控制反应温度在-10℃，压力为0.2MPa，四氟乙烯的通入速度由冷却系统调整，6小时共加入18.0kg四氟乙烯，在既定温度下搅拌2小时。反应所得混合物转移至另一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的100L反应釜，在温度50℃时5小时加入100％硫酸，共加入18.3kg，继续反应1小时。反应混合物至分离釜，过滤分离，所得有机相用色谱分析。该反应基于四氟乙烯摩尔量计算的产物的选择性为88％，得率为86％。

实施例5

在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的100L的干燥后的反应釜中加入25kg甲基四氢呋喃，25kg碳酸二甲酯和10kg甲醇钠，开动搅拌装置，冷却温度至-15℃，在真空下，开始通入四氟乙烯，控制反应温度在-12℃，压力为-0.03MPa，四氟乙烯的通入速度由冷却系统调整，7小时共加入17kg四氟乙烯，在既定温度下搅拌2小时，同一反应釜中，在温度35℃时6小时加入氯化氢气体6.8kg，继续反应1小时。反应混合物至分离釜，加入10kg去离子水，分层分离，所得有机相用色谱分析。该反应基于四氟乙烯摩尔量计算的产物的选择性为97％，得率为95％。

实施例6

在一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的100L的干燥后的反应釜中加入回收的40kg甲基四氢呋喃和碳酸二甲酯含量比为4∶1的混合物，10kg纯的碳酸二甲酯，10kg甲醇钠，开动搅拌装置，冷却温度至-25℃，在真空下，开始通入四氟乙烯，控制反应温度在-15℃，压力为0.05MPa，四氟乙烯的通入速度由冷却系统调整，8小时共加入17.2kg四氟乙烯，在既定温度下搅拌2小时。反应所得混合物转移至另一个带有搅拌、冷却/加热、温度控制、加料系统的100L反应釜，在温度60℃时5小时加入100％硫酸，共加入18.3kg，继续反应1小时。反应混合物至分离釜，过滤分离，所得有机相用色谱分析。该反应基于四氟乙烯摩尔量计算的产物的选择性为93％，得率为89％。

Claims (9)

1.一种制备下式(I)化合物的方法：

R¹O-CF₂CF₂-COOR²    (I)

其中R¹和R²分别相同或者不同，各自为含有1-20个碳原子的直链烷基、含有1-20个碳原子的直链卤代烷基、含3-20个碳原子的支链或环状的烷基、含3-20个碳原子的芳香烃、含3-20个碳原子的卤代芳香烃或者含3-20个碳原子的支链或环状的卤代烷基；

所述方法包括以下步骤：

a)提供一种下式化合物(II)、化合物(III)和溶剂的混合物：

R¹O-M  (II)、(R²O)₂CO  (III)

其中，M为碱金属原子，R¹和R²如式(I)所限定；

b)加入四氟乙烯，以摩尔计，其加入量能使得R¹O-M保持对四氟乙烯过量1％-15％，并使反应温度保持在-35℃～-5℃、反应压力保持在-0.1MPa～0.2MPa；

c)加入酸，其摩尔量不少于R¹O-M的量，并使反应温度保持在35℃～85℃。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于R¹和R²可相同或不同，各自为：

含有1-8个碳原子、更好1-6个碳原子的直链烷基，例如甲基、乙基、丙基、丁基、己基、戊基、辛基；

含有1-8个碳原子、更好1-6个碳原子的直链卤代烷基，例如氯甲基、二氯甲基、1，1-二氯乙基、1，1，2，2-四氟丙基；

含有4-8个碳原子、更好5-6个碳原子的支链或环状的烷基，例如异丙基，环己烷基；

含有4-8个碳原子、更好5-6个碳原子的支链或环状的卤代烷基，例如1，1，1-三氟异丙基，2-氯代环己烷基；

含有5-10个碳原子、最好含6-8个碳原子的芳香烃，例如苯基、甲苯基、2，4-二甲苯基、3，5-二甲苯基；

含有5-10个碳原子、最好含6-8个碳原子的卤代芳香烃，例如2-氯苯基，2-氯-4-甲苯基。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于以摩尔计，步骤b)中四氟乙烯加入量使得R¹O-M保持对四氟乙烯过量5％-12％。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于步骤b)的反应温度为-28℃～-10℃。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于步骤b)的压力为-0.08MPa～0.05MPa。

6.如权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于步骤c)中所加酸选自有机酸或者无机酸，所述有机酸选自乙酸，甲酸，三氟乙酸；所述无机酸选自氯化氢，硫酸，磷酸等；其摩尔量大于或等于化合物(II)的量。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于步骤c)的反应温度为45℃～65℃。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于所述式(R²O)₂CO化合物的加入量为式R¹O-M化合物加入量的90～300摩尔％，较好为120～240摩尔％。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于以摩尔计，酸对式R¹O-M化合物保持过量1％-15％，较好过量2％-10％。