CN106061929A - 用于制造氢氯氟烯烃的方法 - Google Patents

Abstract

本披露提供了一种用于通过以下方式制造反式1‑氯‑3,3,3三氟丙烯(反式1233zd)的方法：将1230za和/或240fa氟化为1233zd的顺式/反式混合物、分离该反式异构体、接着在氟化步骤中将顺式1233zd异构化为反式1233zd。该氟化步骤是在气相或液相中进行的。该异构化是在气相中使用高表面积的负载或非负载的非均相Cr催化剂进行的。

Description

用于制造氢氯氟烯烃的方法

发明领域

本发明涉及一种用于制造氢氯氟烯烃的方法。

发明背景

用于臭氧层保护的蒙特利尔议定书命令逐步淘汰氯氟烃(CFC)的使用。对臭氧层更“友好”的材料，例如氢氟烷(HFC)(例如134a)替代了氯氟烃。后者的化合物已证明是温室气体，引起了全球变暖并且可受关于气候变化的京都议定书所管辖。需要环境上可接受、即具有可以忽略的臭氧消耗潜势(ODP)以及可接受的低的全球变暖潜势(GWP)的替代材料。本发明描述了用于制造氢氯氟烯烃，反式1233zd(E-1233zd，1-氯-3,3,3-三氟丙烯)的方法，该氢氯氟烯烃作为低ODP并且低GWP的发泡剂(用于热固性以及热塑性泡沫)、溶剂、热传递流体(例如在热泵中)以及制冷剂(例如用于冷却器的低压制冷剂)是有用的。

US专利公开文件US 2008/0051610和US 2008/0103342披露了以下的方法，该方法包括顺式1234ze至反式1234ze的催化异构化步骤。US 7,420,094披露了使用基于Cr的催化剂将1234ze异构化成1234yf。US 8,217,208披露了一种将1-氯-3,3,3-三氟丙烯的一种异构体异构化为另一种异构体的方法，该方法包括使进料流与加热的表面接触的步骤。US2008/0051611披露了通过蒸馏来从包括顺式1234ze和反式1234ze的混合物中回收反式1234ze。

发明概述

本发明涉及一种用于制造这种氢氯氟烯烃，反式1-氯-3,3,3-三氟丙烯(E-1233zd)的方法。该方法包括从顺式1233zd(Z-1233zd)至反式1233zd(E-1233zd)的异构化步骤。

附图简要概述

图1是根据本发明的液相过程的示意图。

图2是根据本发明的气相过程的示意图。

发明的详细说明

本发明提供了一种用于制造反式1-氯-3,3,3-三氟丙烯(E-1233zd)的方法。该方法的第一步骤包括通过烯烃对起始氯代烷烃的加成形成一种氯代烷烃并且使该氯代烷烃反应以形成1,1,3,3-四氯丙烯(1230za，CCl₂＝CH-CHCl₂)和/或1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)。此步骤之后是一个氟化步骤，该氟化步骤包括将1,1,3,3-四氯丙烯(1230za，CCl₂＝CH-CHCl₂)和/或1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)氟化成顺式1233zd(Z-1233zd)与反式1233zd(E-1233zd)的混合物。此步骤之后是一个分离步骤，该分离步骤包括将该第一步骤中形成的混合物分离以从该混合物中分离出顺式1233zd(Z-1233zd)。此步骤之后是一个异构化步骤，该异构化步骤包括将顺式1233zd(Z-1233zd)异构化成反式1233zd(E-1233zd)。

1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)或1,1,3,3-四氯丙烯(1230za)原料是总体上使用加成反应接着是如氯化或脱卤化氢的步骤制造的氯化的化合物。

通过烯烃对一种起始氯代烷烃的加成生产氯代烷烃如240fa、250fb、240db、和230da在本领域中是众所周知的。例如，240fa总体上是使用一种催化剂和一种助催化剂通过四氯化碳对氯乙烯的加成制造的。该助催化剂典型地是一种能够与该催化剂形成络合物以使该催化剂进入溶液内的有机配体。该方法可以分批地或者优选地以一种连续方式进行。可以关闭该产生系统以提供未反应的进料卤代烷烃和卤代烯烃的完全的再循环。

用于制备本发明的1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)或1,1,3,3-四氯丙烯(1230za)原料的有用的起始氯代烷烃原料包括四氯化碳、氯仿和氯甲烷，而有用的烯烃包括乙烯、氯乙烯、1,1-二氯乙烯、1,2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯和氯氟乙烯。

起始氯代烷烃和烯烃的示例性反应包括：

·四氯化碳对乙烯的加成以提供1,1,1,3-四氯丙烷(250fb)

·四氯化碳对氯乙烯的加成以提供1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)

·二氯甲烷对三氯乙烯的加成以提供1,1,1,2,3-五氯丙烷(240db)

·四氯化碳对1,2-二氯乙烯的加成以提供1,1,1,2,3,3-六氯丙烷(230da)

在起始氯代烷烃与烯烃的反应中有用的催化剂包括亚铜化合物、铁粉、氯化铁、有机镍化合物催化剂或者有机铜催化剂。助催化剂可以选自螫合剂并且可以充当溶剂。适合的配体选自胺、酰胺、腈和有机磷酸酯溶剂。

进一步使所产生的氯代烷烃(如240fa、250fb、240db、和230da)反应，如通过氯化或脱氯化氢以生产所希望的1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)或1,1,3,3-四氯丙烯(1230za)原料。

在一个实施例中，该进一步反应是氯化步骤。更确切地说，250fb可以被氯化以产生1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)和1,1,1,2,3-五氯丙烷(240db)的混合物。此氯化可以通过光氯化完成。

在第二实施例中，该进一步反应是脱氯化氢步骤。更确切地说，240fa可以被脱氯化氢以获得1230za。该脱氯化氢步骤可以用气相或液相方法在存在或不存在催化剂下进行。

在第三实施例中，该进一步反应是脱氯步骤。更确切地说，230da可以被脱氯以获得1230za。本领域中已知的方法可以用于完成此脱氯，如使用锌粉以完成此脱氯反应。

本发明是针对一种由1,1,3,3-四氯丙烯(1230za，CCl₂＝CH-CHCl₂)和/或1,1,1,3,3-四氯丙烷(240fa)生产反式1-氯-3,3,3-三氟丙烯(E-1233zd)的方法，该方法包括以下步骤：

a)通过烯烃对起始氯代烷烃的加成形成一种氯代烷烃并且使该氯代烷烃反应以形成1,1,3,3-四氯丙烯(1230za，CCl₂＝CH-CHCl₂)和/或1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)；接着

b)将1,1,3,3-四氯丙烯(1230za，CCl₂＝CH-CHCl₂)和/或1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)在气相中氟化、或将1230za液相氟化，以获得顺式(Z)和反式(E)1-氯-3,3,3三氟丙烯(1233zd，CF₃-CH＝CHCl)的混合物；接着

c)将顺式(Z)1-氯-3,3,3-三氟丙烯(1233zd，CF₃-CH＝CHCl)和反式(E)1-氯-3,3,3-三氟丙烯(1233zd，CF₃-CH＝CHCl)分离；接着

d)将来自第二步骤的顺式1233zd(Z-1233zd)异构化以形成反式1233zd(E-1233zd)。

该方法的氟化步骤，将1230za和/或240fa气相氟化为1233zd或者将1230za液相氟化为12333zd，可以借助于本领域已知的任何方法进行。例如：在US专利号5,877,359中披露了1230za的未催化的液相氟化；在US专利号5,811,603中披露了1230za的催化的气相氟化；US专利号6,166,274披露了在催化剂(如三氟乙酸或三氟甲磺酸)的存在下将1230za氟化成1233zd。氟化催化剂，如TiCl₄、TiF₄、SnCl₄、SnF₄、SbF₅、SbCl₅、SbF_xCl_y(x+y＝5)、或离子液体在美国专利号6,881,698中进行了描述。当使用Sb类型的催化剂时，优选的是进料低水平的Cl₂以将这些Sb物种维持在活性形式。

该方法的分离步骤包括将第一步骤中形成的顺式1233zd和反式1233zd通过适当的分离手段(如蒸馏、液相分离或提取分离)进行分离。在第一步骤中形成的顺式1233zd和反式1233zd可能包含HF和HCl。优选地，首先将HCl在第一蒸馏柱中除去。此后，可以使用结合了共沸蒸馏的液相分离来除去HF。顺式1233zd和反式1233zd的沸点差异使得它们能够通过常规的蒸馏、典型地在大气压下被分离。

该方法的异构化步骤涉及将来自分离步骤的顺式1233zd异构化成反式1233zd。该异构化步骤可以在气相(使用一种非均相的催化剂)中或者在液相未催化的反应或者液相催化的反应(使用一种均相催化剂)中来进行。

这个异构化步骤是使用气相过程在非均相催化剂的存在下可实现的。适合的非均相催化剂是负载或非负载的高表面积Cr^(III)催化剂，该催化剂可以任选地包含低水平的一种或多种助催化剂，这些助催化剂选自钴、镍、锌或锰。对于负载催化剂，该催化剂载体可以选自在本领域已知的与高的温度和压力过程相容的材料。例如，氟化的氧化铝、HF处理过的活性炭或碳石墨是合适的催化剂载体。优选的催化剂是高表面积的非负载的氧化铬催化剂，该催化剂在使用前用HF进行活化，任选地在高于50psi的压力下。当存在时，助催化剂的水平可以从该催化剂的1wt％至10wt％、优选地从1wt％至5wt％变化。助催化剂可以通过本领域中已知的方法加入该催化剂，如从水性或有机溶剂中吸附、接着进行溶剂蒸发。

合适的非均相催化剂还可以选自：选自Sb^V、Ti^IV、Sn^IV、Mo^VI、Nb^v和Ta^v的路易斯酸负载的催化剂。载体本身选自下组，该组为：例如氟化的氧化铝、氟化的氧化铬、HF活性碳或石墨碳。负载的锑卤化物(如SbF₅)在US专利号6,528,691中进行了描述并且是优选的催化剂。还可以使用其他固体催化剂，如型聚合物、酸性分子筛、以及沸石。

对于气相过程，温度可以在20℃-500℃之间、优选地在100℃-400℃之间变化。接触时间可以从0.5至100秒变化。可以以0.01-0.1之间的体积百分比使用低水平的氧化剂(如氧气或含氧气体如空气，或氯气)以延长该催化剂的寿命。

该异构化步骤在液相过程中在未催化的反应或者催化的反应中在均相催化剂的存在下也是可实现的，该均相催化剂优选地选自元素周期表(IUPAC 1988)的第3、4、5、13、14和15族的金属化合物以及它们的混合物(以前被称为IIIA、IVa、IVb、Va、Vb和VIb的元素周期表的族)。这些金属的化合物旨在包括这些金属的氢氧化物、氧化物以及有机或无机盐、连同它们的混合物。优选的是铝、钛、钽、钼、硼、锡和锑衍生物，如AlCl₃、TiCl₄、TaCl₅、MoCl₆、BF₃、SnCl₄、和SbCl5。在根据本发明的方法中，优选的金属衍生物是盐并且这些优选地选自卤化物并且更特别地选自氯化物、氟化物和氯氟化物，如AlF₃、TiF₄、TaF₅、MoF₆、SnF₄、SbF₅、SbF_xCl_y(x+y)＝5。该催化剂必须在异构化步骤之前经受活化(通过HF或能够交换氟的任何分子)。在锑类型的催化剂的情况下，可以使用低水平的氯气作为氧化剂来将该锑催化剂维持在五价的氧化态。除了上述的路易斯酸催化剂外，衍生自锑、钛、铌和钽的离子液体也适用于液相氟化过程。在US专利号6,881,698中披露了对制备此种催化剂的说明。

用于液相催化的过程的均相催化剂还可以选自布朗斯台德类型系列的酸，如(但不限于)硫酸H₂SO₄；磺酸类型的酸，如ClSO₃H或FSO₃H或三氟甲磺酸CF₃SO₃H或甲磺酸CH₃SO₃H。对于该液相过程，操作温度可以在约20℃-200℃之间变化，其中接触时间在约0.5-50小时之间。

本发明的方法可以在各步骤之间包括附加的分离步骤。这些分离的目的可以是：

1.从该流中完全或部分地除去任何氢酸(HF、HCl)，如果要求的话，或

2.分离出所希望的产物以将其进料到随后的步骤中，或

3.纯化产物并且除去有机杂质或副产物，或

4.干燥产物(除去H₂O)。

用来实现这些附加步骤的手段是本领域已知的并且包括但不限于：蒸馏、提取蒸馏或吸附。

本发明的方法在附图中例示，这些附图列出了根据本发明的气相和液相过程的框式流程图。这些图中的过程是以过程模块的形式列出，这些模块被设计为实现特定目的并且是根据本发明的方法而安排的。这些模块包括：

RFL-包括液相氟化反应器及精馏系统，该系统包括连接到精馏柱上的无搅拌的夹套式压力容器。该反应器还用作该精馏柱的再沸器。将HF和有机物(1230za)直接地进料到该反应器中。HF与有机物的摩尔进料比由反应的化学计量和离开该反应器的HF的量以及精馏柱的塔顶馏出物和液相清除物(purge)指示。通过反应器内容物的沸腾作用提供了混合。对于绝大部分，反应器排出物作为气体离开该反应器容器并且进入该精馏柱的底部。来自液相的少量清除物可以除去可能在该反应过程中形成的任何非挥发性物质。该精馏柱包含填料或塔盘，这些填料或塔盘被设计为提供上流式气体与下流式液体之间的良好的质量传递。在该柱顶部的冷凝器通过冷却水、冷冻水或某种类型的制冷进行冷却。该冷凝器是分凝器，其中该液体排出物被直接回流回到该柱中。蒸气排出物由HCl、HF以及多种有机组分组成。

DH-包括HCl蒸馏系统，由此纯的HCl从蒸馏柱的顶部被除去。这个柱可以在100psig与300psig之间运行。更典型地，该HCl在高于120psig下被蒸馏以允许在该HCl柱的顶部使用常规的(-40C)制冷。这个柱的底部物包含HF以及有机物与少量残余的HCl。HF与有机组分的比率典型地是接近共沸组成。

PS-包括液相分离器用以分离两个液相，一个主要由氢氯氟烃(HCFC)组成并且另一个主要由HF组成。该HF相通常是较不稠密的，这样它从该相分离器的顶部离开并且HCFC作为底部相离开。在HCFC相中存在一些HF并且在HF相中存在一些HCFC。然而，这两个相的组成与任何共沸组成相差甚远。该相分离器的操作温度可以是在-40℃与+20℃之间。然而，温度越低，相分离越好。

DA-包括共沸蒸馏柱，该柱在顶部蒸馏出HF与有机物的共沸组合物，该有机物由一种或多种HCFC(氢氯氟烃)以及HFC(氢氟烷)组成。这些有机化合物可以是饱和的或烯属的。底部物组合物或者完全是HF或者完全是有机物，取决于该柱的进料组合物是在该共沸混合物的富含HF一侧还是在富含有机物一侧。如果底部物是HF，则通常使这个流再循环回到该反应器。如果底部物流是有机物，则将其送至常规的蒸馏系统(distillation train)。

DS-包括通常在压力下完成的直馏。

RI-包括气相异构化反应，该反应典型地在高于400℃的温度下在绝热的填充床反应器中完成。该模块由进料蒸发器和过热器组成。它可以包括“节约装置”，由此热的排出物被进料到热交换器的一侧并且相对冷的反应器进料气体被进料到另一侧。将排放的气体在进入蒸馏柱之前进一步冷却。异构化反应可以依据异构体的平衡分配而以变化的转化率进行。这些排出的异构体可以具有非常接近的沸点。然而，它们典型地展现出接近理想的行为，因此可以通过常规的蒸馏来分离。作为该气相的替代方案，这个反应可以作为均相催化的液相反应完成。在这种配置中，该反应器将是连续搅拌的罐，其中排出物作为蒸气被除去以实现与该催化剂的分离。

RFG-包括气相氟化反应器，该反应器是将气相进料到固体催化剂上方的绝热的填充床反应器。不需要冷却，因为该反应器具有低的单程转化率以及高的HF摩尔进料比。这种绝热式放热典型地是小于100℃。进料HF和有机物在常见蒸发器中蒸发并且被过度加热至该反应器温度。该常见蒸发器允许1230za和/或240fa在比如果其作为纯的组分被蒸发时有可能的温度更低的温度下蒸发，由此使热降解最小化。这个模块也可以包括“节约装置”，由此热的排出物被进料到热交换器的一侧并且相对冷的反应器进料气体被进料到另一侧。将排放的气体在进入蒸馏柱之前进一步冷却。反应温度是在200℃与400℃之间。该压力足够高以允许HCl副产物用常规的制冷(优选地在100psig与200psig之间)进行蒸馏。

用来标识这些模块的小写字母区分了同一过程中相同类型的模块的多次出现。

图1是根据本发明使用液相氟化步骤将1230za转化成E-1233zd的方法的框式流程图。该图结合了以上描述的这些过程模块。图1披露了一种方法，其中将1230za和HF进料到反应模块RFL-1中。典型地，该反应在主要富含HF的介质中在没有催化剂下发生。HCl和1233zd/HF离开RFL-1精馏柱的顶部。RFL-1的蒸气排出物进入DH-1以便将HCl作为纯的塔顶产物除去。DH-1的底部物主要由接近共沸组成的1233zd(E和Z异构体二者)和HF组成。将其进料到模块PS-1中以便进行液相分离。将顶部的富含HF的相送至模块DA-1a，在那里HF作为底部物流被分离，用于再循环到该反应器。将顶部的1233zd与HF的共沸混合物再循环回到DH-1，以允许任何残余的HCl和轻质有机物在该共沸混合物再循环到相分离之前在此柱中被汽提出来。来自PS-1的底部物流进入模块DA-1b，该模块将缺乏HF的有机物流作为底部物流除去。出于将DA-1a共沸混合物再循环到DH-1的相同原因，将来自DA-1b的塔顶馏出物再循环到DH-1。将DA-1b的底部物送至过程模块DS-1，该模块将任何重质物质与1233zd分离。来自DS-1的塔顶馏出物是E-1233zd，所希望的反式异构体。Z-1233zd是更高沸的并且被回收用于进料到过程模块RI-1。将来自该异构化反应器的排出物再循环到DS-1，该模块进行E与Z异构体的分离。

图2是根据本发明使用气相氟化步骤将1230za或240fa转化成E-1233zd的方法的框式流程图。该图结合了以上描述的这些过程模块。在图2中，该方法类似于图1，除了例如该液相氟化反应器(RFL-1)被气相氟化反应器(RFG-1)和共沸蒸馏柱(DA-2a)所替代。

如图2所概述的方法包括将1230za和/或240fa以及HF进料到反应模块RFG-2中。该反应在气相中使用催化剂进行。反应器排出物主要由HCl、1233zd、未反应的1230za以及过量的HF组成。RFG-2的反应器排出物进入DA-2a中以便将HF以及未反应的F1230za作为底部物除去，将该底部物再循环到该反应器。将主要由HCl以及HF与1233zd(E和Z异构体二者)的共沸混合物组成的塔顶馏出物送至DH-2，该模块将HCl作为纯的塔顶产物除去。DH-2的底部物主要由接近共沸组成的1233zd(E和Z异构体二者)和HF组成。将其进料到模块PS-2中以便进行液相分离。将顶部富含HF的相送至模块DA-2b，在那里HF作为底部物流被分离，用于再循环到该反应器。将顶部的1233zd与HF的共沸混合物再循环回到DH-2，以允许任何残余的HCl和轻质有机物在该共沸混合物再循环到相分离之前在此柱中被汽提出来。来自PS-2的底部物流进入模块DA-2c，该模块将缺乏HF的有机物流作为底部物流除去。出于将DA-2b共沸混合物再循环到DH-2的相同原因，将来自DA-2c的塔顶馏出物再循环到DH-2。将DA-2c的底部物送至过程模块DS-2，该模块将任何重质物质与1233zd分离。来自DS-2的塔顶馏出物是E-1233zd，所希望的反式异构体。Z-1233zd是更高沸的并且被回收用于进料至过程模块RI-2。将来自该异构化反应器的排出物再循环到DS-2，该模块进行E与Z异构体的分离。

Claims (15)

1.一种用于由1,1,3,3-四氯丙烯(1230za)和/或1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)制造反式1-氯-3,3,3三氟丙烯(E-1233zd)的方法，该方法包括以下步骤：

-通过烯烃对起始氯代烷烃的加成形成一种氯代烷烃并且使该氯代烷烃进行反应以形成1,1,3,3-四氯丙烯(1230za，CCl₂＝CH-CHCl₂)和/或1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)；接着

-将1,1,3,3-四氯丙烯(1230za)和/或1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)氟化成包含顺式1233zd(Z-1233zd)和反式1233zd(E-1233zd)的混合物；接着

-将所述顺式1233zd(Z-1233zd)与所述反式1233zd(E-1233zd)分离；接着

-将所述顺式1233zd(Z-1233zd)异构化以形成反式1233zd(E-1233zd)。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述起始氯代烷烃选自下组，该组由以下各项组成：四氯化碳、氯仿和氯甲烷。

3.如权利要求1所述的方法，其中所述烯烃选自下组，该组由以下各项组成：乙烯、氯乙烯、1,1-二氯乙烯、1,2-二氯乙烯、三氯乙烯、四氯乙烯和氯氟乙烯。

4.如权利要求1所述的方法，其中所述加成是在至少一种催化剂存在下。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述至少一种催化剂选自下组，该组由以下各项组成：亚铜化合物、铁粉、氯化铁、有机镍化合物和有机铜化合物。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述进行反应包括氯化或脱氯化氢。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述起始氯代烷烃选自下组，该组由以下各项组成：1,1,1,3-四氯丙烷(250fb)、1,1,1,3,3-五氯丙烷(240fa)、1,1,1,2,3-五氯丙烷(240db)和1,1,1,2,3,3-六氯丙烷(230da)。

8.如权利要求1所述的方法，其中所述异构化过程是在气相或液相中进行的。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述异构化是在液相中使用选自下组的均相催化剂进行的，该组由以下各项组成：可溶的路易斯酸催化剂以及布朗斯台德酸催化剂。

10.如权利要求9所述的方法，其中所述可溶的路易斯酸催化剂选自Sb^V、Ti^IV、Sn^IV、Mo^VI、Nb^V、Ta^V、氧化物负载的催化剂、氟化的氧化铝、氟化的氧化铬、全氟化的活性炭、石墨碳、SiC、Sb⁵。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述氧化物负载的催化剂选自下组，该组由Al₂O₃和TiO₂组成。

12.如权利要求9所述的方法，其中所述布朗斯台德酸催化剂选自下组，该组由以下各项组成：三氟甲磺酸、甲磺酸、硫酸以及磺酸。

13.如权利要求8所述的方法，其中所述异构化是在该液相中在不存在催化剂下进行的。

14.如权利要求8所述的方法，其中所述异构化是在气相中使用高表面积的负载或非负载的非均相Cr催化剂进行的。

15.如权利要求15所述的方法，其中所述催化剂进一步包括选自下组的助催化剂，该组由以下各项组成：Co、Ni、Zn和Mn。