CN109020812B - 一种连续非催化反应制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法 - Google Patents

一种连续非催化反应制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种两级串联连续非催化反应制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，在单程操作时，使用两级喷淋塔串联工艺，在单程操作完成后，进行一级吸收塔和二级吸收塔的切换，继续进行反应。本发明提供的方法具有反应产物中醇或水含量低、产品易于实现分离提纯、可连续化反应、反应效率高、收率高、无需使用催化剂及缚酸剂和三废量较少等优点。

Description

一种连续非催化反应制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法
技术领域
本发明涉及一种制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法。
背景技术
二氟氯乙酸烷基酯，例如二氟氯乙酸甲酯(CClF2COOCH3，简称CDFAMe)和二氟氯乙酸乙酯(CClF2COOC2H5，简称CDFAEt)，由于含有CClF2-基团，不仅能够用于加氢脱氯制备二氟乙酸酯及其衍生物，还可以作为二氟甲基和二氟亚甲基的合成砌块用于多种化合物的合成。二氟氯乙酸(CClF2COOH，简称CDFA)，可用于合成二氟乙酸、芳基二氟甲基醚和二氟亚环丙基化合物等，还可以用于合成治疗疟疾和癌症等药物的中间体等。
二氟氯乙酸酯可通过二氟氯乙酰氯(CClF2COCl，简称CDFAC)与醇进行酯化反应制得，或二氟氯乙酸与醇脱水反应制得，二氟氯乙酸可直接通过二氟氯乙酰氯水解制得。例如中国专利CN105859540报道了二氟氯乙酸的生产工艺，二氟四氯乙烷(R112a)和三氧化硫先在催化剂作用下制得二氟氯乙酰氯和硫酰氯，二氟氯乙酰氯再经水解制得二氟氯乙酸。此方法采用间歇工艺，不利于实现连续规模化生产。
对于二氟氯乙酰氯的制备，一般有两种方法：第一种是以R112a(CClF2CCl3)为原料、发烟硫酸为氧化剂，在汞基催化剂作用下，经催化氧化制备二氟氯乙酰氯；另一种是光引发作用下，R122(CClF2CHCl2)与氧气发生光氧化反应制备二氟氯乙酰氯。
因此，仍有希望对二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的生产作进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续非催化法制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，具有反应产物中醇或水含量低、产品易于实现分离提纯、可连续化反应、反应效率高、收率高、无需使用催化剂及缚酸剂和三废量较少等特点。
本发明提供的方法涉及的反应如下：
酯化反应：CClF2COCl+ROH→CClF2COOR+HCl(其中R为烷基)；
水解反应：CClF2COCl+H2O→CClF2COOH+HCl。
本发明提供如下技术方案：
一种制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，所述方法为两级串联连续非催化反应，包括以下步骤：
(1)使喷淋塔A为一级喷淋塔，物流1原料CClF2COCl以气相自喷淋塔A底部加入喷淋塔A，物流2原料醇或水以液相自喷淋塔A顶部喷淋向下进入喷淋塔A，物流3未反应的原料CClF2COCl引出喷淋塔A，所述物流1原料CClF2COCl的进料速度与物流2原料醇或水的初始喷淋速度的摩尔比为1:1～1.6；
(2)使喷淋塔B为二级喷淋塔，使物流3未反应的原料CClF2COCl以气相自喷淋塔B底部进入喷淋塔B，物流5以原料醇或水液相自喷淋塔B顶部喷淋向下进入喷淋塔B；
(3)待加入一级喷淋塔A中的物流1原料CClF2COCl反应完全后，将一级喷淋塔A和二级喷淋塔B进行切换，使二级喷淋塔B作为一级喷淋塔、一级喷淋塔A作为二级喷淋塔；得到的产物CClF2COOR或CClF2COOH以物流4一次性引出喷淋塔A，并一次性引入原料醇或水物流11；
(4)使喷淋塔B作为一级喷淋塔，物流7原料CClF2COCl以气相自喷淋塔B底部进入喷淋塔B，物流8原料醇或水以液相自喷淋塔B顶部喷淋向下进入喷淋塔B，物流9未反应的原料CClF2COCl引出喷淋塔B，所述物流7原料CClF2COCl的进料速度与物流8原料醇或水的初始喷淋速度的摩尔比为1:1～1.6；(5)使喷淋塔A为二级喷淋塔，使物流9未反应的原料CClF2COCl以气相自喷淋塔A底部进入喷淋塔A，物流11原料醇或水以液相自喷淋塔A顶部喷淋向下进入喷淋塔A；
(5)待加入一级喷淋塔B中的物流8原料CClF2COCl反应完全后，将一级喷淋塔B和二级喷淋塔A进行切换，使二级喷淋塔A作为一级喷淋塔、一级喷淋塔B作为二级喷淋塔；；
(6)收集物流4和物流10，即得产品CClF2COOR或CClF2COOH。
本发明提供的方法使用两级串联多步连续非催化反应工艺。在单程操作时，使用两级喷淋塔串联工艺，即使用两个喷淋塔串联进行反应，以使原料CClF2COCl反应完全。附图1和2分别为喷淋塔A为一级吸收塔和喷淋塔B为一级吸收塔的操作状态示意图。
当喷淋塔A为一级吸收塔时，操作状态见附图1。随着反应时间的延长，一级吸收塔中醇或水物流中的CClF2COOR或CClF2COOH和HCl的浓度逐渐升高，反应速率逐步降低。为解决反应速率越来越越慢的问题，需要在一级喷淋塔A中的原料CClF2COCl物流1反应完全后，将一级喷淋塔A和二级喷淋塔B进行切换，使二级喷淋塔B作为一级喷淋塔、一级喷淋塔A作为二级喷淋塔，操作状态见附图2。
当喷淋塔B为一级吸收塔时，待加入一级喷淋塔B中的原料CClF2COCl物流7反应完全后，将一级喷淋塔B和二级喷淋塔A进行切换，使二级喷淋塔A作为一级喷淋塔、一级喷淋塔B作为二级喷淋塔。
可以根据需要重复进行一级吸收塔和二级吸收塔的切换，依此切换进行连续酯化或水解反应，即重复步骤(1)至(6)一次、两次或两次以上，从而连续反应制备CClF2COOR或CClF2COOH产品。
当重复步骤(1)至(6)一次、两次或两次以上时，能够使得产物CClF2COOR或CClF2COOH的合计收率超过95％。
当本发明使用的原料为CClF2COCl和ROH时，即附图1和2中的物流2和物流8为ROH，可以制得CClF2COOR。
所述原料ROH为，优选的是，ROH为烷基醇。
进一步优选的是，所述ROH为甲醇或乙醇。
所述CClF2COOR，优选的是，CClF2COOR为二氟氯乙酸烷基酯。
进一步优选的是，所述CClF2COOR为CClF2COOCH3或CClF2COOCH2CH3。
当本发明使用的原料为CClF2COCl和H2O时，即附图1和2中的物流2和物流8为H2O，可以制得CClF2COOH。
本发明使用的喷淋塔，优选装有填料，即所述喷淋塔A和喷淋塔B内装有填料。所述填料的材质需要具备良好的耐腐蚀性。优选的是，所述填料的材质选自陶瓷或玻璃。优选的是，所述填料的形状为圆形环状填料。
本发明使用的喷淋塔，其材质也优选为具备良好的耐腐蚀性的材料。优选的是，所述喷淋塔A和喷淋塔B的材质选自搪瓷或内衬聚四氟乙烯的316L不锈钢。
本发明使用的喷淋塔，为使反应更加顺利地进行，喷淋塔的高径比为6～10:1。
本发明使用的喷淋塔和填料，为使反应更加顺利地进行，就每一个喷淋塔而言，喷淋塔和填料的体积比为1.2～2:1。
所述填料，其尺寸若过大，不利于气液充分接触。当所述填料的为圆形环状填料时，优选的是，所述喷淋塔和填料的直径比为8～12:1。
本发明提供的方法，一级喷淋塔和二级喷淋塔的塔内温度满足使反应顺利进行即可。为使反应更加顺利的进行，优选的是，所述一级喷淋塔的塔内温度比二级喷淋塔的塔内温度高5～10℃。进一步优选的是，所述一级喷淋塔的塔内温度为0～20℃，二级喷淋塔的塔内温度为-5～15℃。
本发明提供的方法，一级喷淋塔和二级喷淋塔的塔内压力满足使反应顺利进行即可。为使反应更加顺利的进行，优选的是，一级喷淋塔和二级喷淋塔的塔内压力独立地选自0～0.5MPa。进一步优选的是，所述一级喷淋塔的塔内压力为0～0.2MPa，二级喷淋塔的塔内压力为0～0.2MPa。
本发明提供的方法，一级喷淋塔和二级喷淋塔中原料的进料速度摩尔比满足使反应顺利进行即可。为提高反应效率，优选的是，原料CClF2COCl的进料速度与原料醇或水的初始喷淋速度的摩尔比为1:1～1.6。
CClF2COCl在填料区的停留时间需同时兼顾产能和产品收率，停留时间满足使反应顺利进行即可。为提高反应效率，优选的是，CClF2COCl在填料区的停留时间为0.5～20min。
本发明提供的方法，在喷淋塔中CClF2COCl与醇或水进行充分的逆向接触反应，反应不需要现有技术中必须要用到的催化剂和缚酸剂，不仅能够减少三废的产生量，而且能够实现可连续化反应，且反应效率高、收率高，并且制备的反应产物中醇或水含量低、产品易于实现分离提纯。
附图说明
图1为喷淋塔A作为一级吸收塔的操作状态示意图，其中：
A为一级喷淋塔，1为原料CClF2COCl物流，2为原料醇或水物流，3为含有未反应的CClF2COCl的物流，4为产物CClF2COOR或CClF2COOH物流，5为醇或水物流，6为尾气。
图2为喷淋塔B作为一级吸收塔的操作状态示意图，其中：
B为二级喷淋塔，7为原料CClF2COCl物流，8为醇或水物流，9为未反应的CClF2COCl物流，10为产物CClF2COOR或CClF2COOH物流，11为醇或水物流，12为尾气。
具体实施方式
下面结合具体实施例来对本发明进行进一步说明，但并不将本发明局限于这些具体实施方式。本领域技术人员应该认识到，本发明涵盖了权利要求书范围内所可能包括的所有备选方案、改进方案和等效方案。
实施例1
如图1所示，使用两级串联连接的200L搪瓷材质的夹套式喷淋塔A和B，喷淋塔A和B分别装填125L陶瓷填料，喷淋塔A和B液体储存区(100L)各引入720mol(33170g，42L)乙醇，其中喷淋塔A为一级喷淋塔、喷淋塔B为二级喷淋塔。以1.5mol/min(254g/min)的速度向喷淋塔A中加入原料CClF2COCl物流1，1h共加入90mol(15246g)CClF2COCl，以初始2mol/min(92g/min)的速度向喷淋塔A中以喷淋的方式加入物流2乙醇。在喷淋塔A中，塔内温度控制在20℃左右，塔内压力控制在常压左右，使CClF2COCl和乙醇在填料区逆向接触反应，CClF2COCl在填料区内的停留时间为3.7min左右。喷淋塔A中，塔顶得到含有未反应的CClF2COCl的物流3，物流3进入喷淋塔B，以初始1mol/min(46g/min)的速度向喷淋塔B中以喷淋的方式加入物流5乙醇，塔内温度控制在15℃左右，塔内压力控制在常压左右，使CClF2COCl和乙醇在填料区逆向接触反应。喷淋塔A中，塔顶得到物流6尾气。连续向喷淋塔A中连续加入CClF2COCl 8.3h后，即合计向喷淋塔A中加入750mol(127050g)CClF2COCl，停止向喷淋塔A中加入CClF2COCl，塔底得到含有产物二氟氯乙酸乙酯的物流4。同时CClF2COCl切换至喷淋塔B继续反应，一次性引出喷淋塔A中充分反应的物流4，之后喷淋塔A液体储存区一次性引入720mol乙醇。
根据实施例1喷淋塔A和B累计产物色谱计算结果：二氟氯乙酰氯转化率98.1％，二氟氯乙酸乙酯选择性99.7％，二氟氯乙酸乙酯计算收率为97.8％，收集实施例1产物中乙醇质量含量为1.8％。
实施例2
在实施例1完成的基础上，将实施例1中完成反应的喷淋塔B切换成一级喷淋塔、喷淋塔A切换成二级喷淋塔，继续进行反应，如图2所示。
以1.5mol/min(254g/min)的速度向喷淋塔B中加入原料CClF2COCl物流7，1h共加入90mol(15246g)CClF2COCl，以初始2mol/min(92g/min)的速度向喷淋塔B中以喷淋的方式加入物流8乙醇。在喷淋塔B中，塔内温度控制在20℃左右，塔内压力控制在常压左右，使CClF2COCl和乙醇在填料区逆向接触反应，CClF2COCl在填料区内的停留时间为3.7min左右。喷淋塔B中，塔顶得到含有未反应的CClF2COCl的物流9，物流9进入喷淋塔A，以初始1mol/min(46g/min)的速度向喷淋塔A中以喷淋的方式加入物流11乙醇，塔内温度控制在15℃左右，塔内压力控制在常压左右，使CClF2COCl和乙醇在填料区逆向接触反应。喷淋塔A中，塔顶得到物流12尾气。连续向喷淋塔B中连续加入CClF2COCl 8h后，即合计向喷淋塔B中加入720mol(121968g)CClF2COCl，停止向喷淋塔B中加入CClF2COCl，塔底得到含有产物二氟氯乙酸乙酯的物流10。同时CClF2COCl切换至喷淋塔A继续反应，一次性引出喷淋塔B中充分反应的物流10，之后喷淋塔B液体储存区一次性引入720mol乙醇。
根据实施例1和2喷淋塔A和B累计产物色谱计算结果：二氟氯乙酰氯转化率99.0％，二氟氯乙酸乙酯选择性99.8％，二氟氯乙酸乙酯计算收率为98.8％，收集实施例1和2产物中乙醇质量含量为1.2％。
实施例3
在实施例1和2完成的基础上，将实施例2中完成反应的喷淋塔A切换成一级喷淋塔、喷淋塔B切换成二级喷淋塔，继续进行反应，如图1所示。
以1.5mol/min(254g/min)的速度向喷淋塔A中加入原料CClF2COCl物流1，1h共加入90mol(15246g)CClF2COCl，以初始2mol/min(92g/min)的速度向喷淋塔A中以喷淋的方式加入物流2乙醇。在喷淋塔A中，塔内温度控制在20℃左右，塔内压力控制在常压左右，使CClF2COCl和乙醇在填料区逆向接触反应，CClF2COCl在填料区内的停留时间为3.7min左右。喷淋塔A中，塔顶得到含有未反应的CClF2COCl的物流3，物流3进入喷淋塔B，以初始1mol/min(46g/min)的速度向喷淋塔B中以喷淋的方式加入物流5乙醇，塔内温度控制在15℃左右，塔内压力控制在常压左右，使CClF2COCl和乙醇在填料区逆向接触反应。喷淋塔A中，塔顶得到物流6尾气。连续向喷淋塔A中加入CClF2COCl和乙醇8h后，即合计向喷淋塔A中加入720mol(121968g)CClF2COCl，停止向喷淋塔A中加入CClF2COCl，塔底得到含有产物二氟氯乙酸乙酯的物流4。同时CClF2COCl切换至喷淋塔B继续反应，一次性引出喷淋塔A中充分反应的物流4，之后喷淋塔A液体储存区重新引入720mol乙醇。
根据实施例1、2和3喷淋塔A和B累计产物色谱计算结果：二氟氯乙酰氯转化率99.6％，二氟氯乙酸乙酯选择性99.7％，二氟氯乙酸乙酯计算收率为99.3％，收集实施例1、2和3产物中乙醇质量含量为0.9％。
实施例4
参照实施例1操作，使用甲醇替代乙醇吸收二氟氯乙酰氯进行酯化反应，喷淋塔A和B液体储存区(100L)各引入720mol(23069g，29L)甲醇。连续通入8.3h后，合计通入750mol(127050g)二氟氯乙酰氯，其它条件同实施例1。
根据实施例4喷淋塔A和B累计产物色谱计算结果：二氟氯乙酰氯转化率99.8％，二氟氯乙酸甲酯选择性99.9％，二氟氯乙酸甲酯计算收率为99.7％，产物中甲醇质量含量为1.2％。
实施例5
参照实施例1操作，使用水替代乙醇吸收二氟氯乙酰氯进行水解反应，喷淋塔A和B液体储存区(100L)各引入720mol(12960g，13L)水。连续通入8.3h后，合计通入750mol(127050g)二氟氯乙酰氯，其它条件同实施例1。
根据实施例4喷淋塔A和B累计产物色谱计算结果：二氟氯乙酰氯转化率99.5％，二氟氯乙酸选择性99.6％，二氟氯乙酸计算收率为99.1％，产物中水质量含量为0.7％。
实施例6
参照实施例1操作，改变喷淋塔A乙醇初始喷淋速度及相应的乙醇/二氟氯乙酰氯喷淋/进料速度比，分别以初始1.5mol/min(69g/min)，2mol/min(92g/min)和2.4mol/min(111g/min)的速度向喷淋塔A中以喷淋的方式加入物流2乙醇，其它条件同实施例1。实施效果数据见表1。
表1、不同EtOH/CDFAC进料速度比的乙醇酯化实验结果
Figure BDA0001317168120000071
实施例7
参照实施例1操作，改变喷淋塔A陶瓷填料体积及相应的二氟氯乙酰氯在填料区内的停留时间，喷淋塔A分别填装50L、100L、125L、150L、175L陶瓷填料，相应二氟氯乙酰氯在填料区内的停留时间分别为1.5min、3.0min、3.7min、4.5min和5.2min，其它条件同实施例1。实施效果数据见表2。
表2、不同CDFAC停留时间的乙醇酯化实验结果
Figure BDA0001317168120000072
实施例8
参照实施例1操作，改变喷淋塔A反应温度，反应温度分别控制在-5℃、0℃、10℃、20℃或30℃，其它条件同实施例1。实施效果数据见表3。
表3、不同反应温度的乙醇酯化实验结果
Figure BDA0001317168120000081

Claims (10)

1.一种制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于所述方法为两级串联连续非催化反应，包括以下步骤：
(1)使喷淋塔A为一级喷淋塔，物流1原料CClF2COCl以气相自喷淋塔A底部加入喷淋塔A，物流2原料醇或水以液相自喷淋塔A顶部喷淋向下进入喷淋塔A，物流3未反应的原料CClF2COCl引出喷淋塔A，所述物流1原料CClF2COCl的进料速度与物流2原料醇或水的初始喷淋速度的摩尔比为1:1～1.6；
(2)使喷淋塔B为二级喷淋塔，使物流3未反应的原料CClF2COCl以气相自喷淋塔B底部进入喷淋塔B，物流5以原料醇或水液相自喷淋塔B顶部喷淋向下进入喷淋塔B；
(3)待加入一级喷淋塔A中的物流1原料CClF2COCl反应完全后，将一级喷淋塔A和二级喷淋塔B进行切换，使二级喷淋塔B作为一级喷淋塔、一级喷淋塔A作为二级喷淋塔；得到的产物CClF2COOR或CClF2COOH以物流4一次性引出喷淋塔A，并一次性引入原料醇或水物流11；
(4)使喷淋塔B作为一级喷淋塔，物流7原料CClF2COCl以气相自喷淋塔B底部进入喷淋塔B，物流8原料醇或水以液相自喷淋塔B顶部喷淋向下进入喷淋塔B，物流9未反应的原料CClF2COCl引出喷淋塔B，所述物流7原料CClF2COCl的进料速度与物流8原料醇或水的初始喷淋速度的摩尔比为1:1～1.6；
(5)使喷淋塔A为二级喷淋塔，使物流9未反应的原料CClF2COCl以气相自喷淋塔A底部进入喷淋塔A，物流11原料醇或水以液相自喷淋塔A顶部喷淋向下进入喷淋塔A；
(6)待加入一级喷淋塔B中的物流7原料CClF2COCl反应完全后，将一级喷淋塔B和二级喷淋塔A进行切换，使二级喷淋塔A作为一级喷淋塔、一级喷淋塔B作为二级喷淋塔；
(7)收集物流4和物流10，即得产品CClF2COOR或CClF2COOH。
2.按照权利要求1所述的制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于重复步骤(1)至(7)一次、两次或两次以上，直至产物CClF2COOR或CClF2COOH的合计收率超过95％。
3.按照权利要求1所述的制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于所述喷淋塔A和喷淋塔B内装有填料，所述填料的材质选自陶瓷或玻璃，所述填料为圆柱环状，喷淋塔A或喷淋塔B与填料的直径比独立地选自8～12:1。
4.按照权利要求3所述的制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于所述喷淋塔A或喷淋塔B与填料的体积比独立地选自1.2～2:1。
5.按照权利要求1所述的制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于所述喷淋塔A和喷淋塔B的材质选自搪瓷或内衬聚四氟乙烯的316L不锈钢。
6.按照权利要求1所述的制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于所述一级喷淋塔的塔内温度比二级喷淋塔的塔内温度高5～10℃，一级喷淋塔和二级喷淋塔的塔内压力独立地选自0～0.5MPa。
7.按照权利要求6所述的制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于所述一级喷淋塔的塔内温度为0～20℃，二级喷淋塔的塔内温度为-5～15℃。
8.按照权利要求6所述的制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于所述一级喷淋塔的塔内压力为0～0.2MPa，二级喷淋塔的塔内压力为0～0.2MPa。
9.按照权利要求1所述的制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于所述喷淋塔A和喷淋塔B中，CClF2COCl在填料区的停留时间为0.5～20min。
10.按照权利要求1所述的制备二氟氯乙酸酯和二氟氯乙酸的方法，其特征在于所述CClF2COOR为CClF2COOCH3或CClF2COOCH2CH3，所述醇为甲醇或乙醇。
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