CN113544110A - 使用金属三氟乙酸盐产生三氟碘甲烷的方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种用于产生三氟碘甲烷的方法。该方法包括提供金属三氟乙酸盐、一氯化碘和溶剂，以及在该溶剂的存在下使该金属三氟乙酸盐和该一氯化碘反应以产生三氟碘甲烷。
Description
技术领域
本公开涉及用于产生三氟碘甲烷(CF3I)的方法。具体地讲，本公开涉及由金属三氟乙酸盐产生三氟碘甲烷的方法。
背景技术
三氟碘甲烷(CF3I)是商业应用中作为例如制冷剂或灭火剂的有用化合物。三氟碘甲烷是具有低全球变暖潜势和低臭氧损耗潜势的环境可接受的化合物。三氟碘甲烷可替代对环境更有害的物质。
由金属三氟乙酸盐和元素碘制备三氟碘甲烷的方法是已知的。例如，CN102992943B公开了三氟乙酸钠和元素碘反应产生三氟碘甲烷、二氧化碳和金属碘化物。在化学计量上，元素碘中一半的碘转化成金属碘化物副产物，而不是期望的三氟碘甲烷。
碘是用于由金属三氟乙酸盐制备三氟碘甲烷的方法中最昂贵的反应物之一。因此，需要开发一种在由金属三氟乙酸盐产生三氟碘甲烷中更有效地使用碘的方法。
发明内容
本公开提供了通过使金属三氟乙酸盐与一氯化碘反应来产生三氟碘甲烷的方法。
在一个实施方案中，本发明提供了一种用于产生三氟碘甲烷的方法。该方法包括提供金属三氟乙酸盐、一氯化碘和溶剂，以及在该溶剂的存在下使该金属三氟乙酸盐和该一氯化碘反应以产生三氟碘甲烷。
在另一个实施方案中，本发明提供了一种用于产生三氟碘甲烷的方法。该方法包括将金属三氟乙酸盐、一氯化碘和溶剂混合；以及加热该金属三氟乙酸盐、该一氯化碘和该溶剂以使该金属三氟乙酸盐与该一氯化碘反应以产生三氟碘甲烷和金属氯化物。
通过参考结合附图对实施方案的以下描述，本公开的上述和其他特征以及实现它们的方式将变得更加明显并且将更好地理解。
具体实施方式
本公开提供了由金属三氟乙酸盐(CF3COOM)和一氯化碘(ICI)反应物根据以下公式1通过脱羧碘化制备三氟碘甲烷(CF3I)的液相方法：
公式1：CF3COOM+ICI→CF3I+CO2+MCl
其中M可以是碱金属，诸如锂、钾、钠、铷或铯；碱土金属，诸如钙或镁；或过渡金属，诸如铁、锌或铜。因此，金属三氟乙酸盐可包括三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷、三氟乙酸铯、三氟乙酸钙、三氟乙酸镁、三氟乙酸铁、三氟乙酸锌、三氟乙酸铜或它们的组合。如公式1所示，对于一氯化碘中的碘几乎完全转化为三氟碘甲烷，工艺化学中没有固有的化学限制。
除了改善碘利用之外，一氯化碘的使用还在三氟碘甲烷的产生中提供了其他优点。由于氯原子和碘原子之间的电负性和尺寸差异，一氯化碘具有高极性，这使得氯-碘键高度极化，其中碘原子具有部分正特性，并且氯原子具有部分负特性。碘原子的正特性使得一氯化碘成为正碘源。即，碘可以带正电的离子形式获得。基于公式1的反应，正碘对于形成三氟碘甲烷是必需的。相对于碘-碘键，氯-碘键的高极性性质增加了其反应性。因此，当与元素碘相比时，一氯化碘更具反应性。仅作为正碘的碘的可用性可改善三氟碘甲烷的收率。另外，一氯化碘还具有比元素碘(113.7℃)更低的熔点(27℃)，这使得其相对更易于加工并且可导致显著的节能。与使用元素碘的方法中产生的反应产物相比，该反应中产生的金属氯化物的腐蚀性可显著更低并且更安全。
金属三氟乙酸盐和一氯化碘是无水的。优选的是，反应中的水尽可能少，因为反应中的任何水均可有利于第二反应途径，从而导致形成不期望的副产物，诸如三氟甲烷(CF3H)。另外，一氯化碘与水反应形成氯化氢、碘化氢和氧气。除了形成不期望的副产物之外，基于以下公式2的反应，水的存在还将导致一氯化碘的分解，从而减少可用于反应的量，其中直接影响是生产率降低：
公式2：ICl+H2O→HCl+HI+1/2O2。
该反应在溶剂中进行。可用于在液相中进行反应的溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲亚砜、离子液体、极性非质子溶剂或它们的组合。离子液体的示例包括咪唑盐和硫酸氢己内酰铵。具有高沸点的极性非质子溶剂的示例包括环丁砜、N,N-二甲基乙酰胺和二甲基砜。
溶剂基本上不含水。基本上不含水意味着溶剂中的水量小于约500份每百万份(ppm)、约300ppm、约200ppm、约100ppm、约50ppm、约30ppm、约20ppm或约10ppm，或小于任何两个前述值之间限定的任何值。上述ppm值是按溶剂和任何水的重量计的。优选地，溶剂中的水量小于约100ppm。更优选地，溶剂中的水量小于约50ppm。最优选地，溶剂中的水量小于约10ppm。
金属三氟乙酸盐易于以商业数量获得。例如，三氟乙酸钠和一氯化碘可购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Corp.,St.Louis,MO)。溶剂也可易于以商业数量获得。例如，环丁砜也可购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Corp.,St.Louis,MO)。
例如，这些反应物可以如下金属三氟乙酸盐与一氯化碘的摩尔比提供用于反应：低至约0.1、约0.2、约0.3、约0.4、约0.5、约0.6、约0.7、约0.8、约0.9、约0.95、约0.99或约1，或高达约1.01、约1.05、约1.1、约1.2、约1.3、约1.4、约1.5、约1.6、约1.8、约2.0，或在任何两个前述值之间限定的任何范围内，诸如约0.1至约2.0、约0.5至约1.5、约0.6至约1.4、约0.7至约1.3、约0.8至约1.2、约0.9至约1.1、约0.95至约1.05、约0.99至约1.01、约1至约2、约0.8至约1.5或约0.95至约1.2。优选地，金属三氟乙酸盐与一氯化碘的摩尔比可为约0.8至约1.5。更优选地，金属三氟乙酸盐与一氯化碘的摩尔比可为约1至约1.2。更优选地，金属三氟乙酸盐与一氯化碘的摩尔比可为约1。
例如，该反应可在如下温度下进行：低至约100℃、约110℃、约120℃、约130℃、约140℃、约150℃、约160℃或约170℃的温度，或高至约180℃、约190℃、约200℃、约210℃、约220℃、约230℃、约240或约250℃的温度，或在任何两个前述值之间限定的任何范围内，诸如约100℃至约250℃、约110℃至约240℃、约120℃至约230℃、约130℃至约220℃、约140℃至约210℃、约150℃至约200℃、约160℃至约190℃、约170℃至约180℃、约120℃至约130℃、约110℃至约180℃或约120℃至约250℃。优选地，将反应物加热至约110℃至约250℃的温度。更优选地，将反应物加热至约120℃至约180℃的温度。最优选地，将反应物加热至约175℃的温度。
压力不是关键性的。便利的操作压力可在约10kPa至约4,000kPa的范围内，并且优选地为约环境压力，或约100kPa至约250kPa的范围内。
该反应可在存在或不存在催化剂的情况下进行。该催化剂可以是金属催化剂，诸如碘化铜(I)、氯化亚铁或碘化锌(II)。该催化剂可以是相转移催化剂。该相转移催化剂可选自季铵盐和季鏻盐。季铵盐的非限制性示例是四甲基氯化铵(TMAC)，而季鏻盐的非限制性示例是四苯基溴化鏻(TPPB)。
该反应在液相反应器中进行。该液相反应器可以是半成批或连续搅拌槽反应器(CSTR)。该反应可以批量方法或连续方法进行。
可冷凝并收集该反应的挥发性产物，包括三氟碘甲烷，从而将三氟碘甲烷与非挥发性金属氯化物副产物分离。
该反应的挥发性有机产物的组成可通过气相色谱(GC)和气相色谱-质谱(GC-MS)分析来测量。可将通过GC分析提供的挥发性有机化合物中的每一者的曲线图面积合并，以提供挥发性有机化合物中的每一者的总挥发性有机化合物的GC面积百分比(GC面积％)作为反应中产生的挥发性有机化合物的相对浓度的量度。
尽管已经相对于示例性设计描述了本发明，但是可以在本公开的实质和范围内进一步修改本发明。此外，本申请旨在涵盖本发明所属领域的已知或惯常实践内的与本公开的此类偏离。
如本文所用，短语“在任意两个前述值之间限定的任意范围内”字面上是指任意范围可选自在此类短语之前列出的任意两个值，而无论这些值是在列表的较低部分中还是在列表的较高部分中。例如，一对值可选自两个较低值、两个较高值、或者较低值和较高值。
实施例
实施例1
由金属三氟乙酸盐和元素碘制备CF3I的对比
在该实施例中，展示了由三氟乙酸钠(CF3COONa)和元素碘制备三氟碘甲烷以用于比较目的。将20g量的三氟乙酸钠和38g量的元素碘加入到得自美国伊利诺伊州莫林市的Parr仪器公司(Parr Instrument Company,Moline,IL)的300mL反应器中。该反应器配备有冷凝器。将该反应器加压测试至300psig，然后排空。将60mL量的环丁砜加入到该反应器中，以形成三氟乙酸钠与元素碘的摩尔比为约0.98:1的反应混合物。反应物和溶剂购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Corp.,St.Louis,MO)，并且无需进一步纯化即可使用。
将反应物混合物加热至约175℃。该反应中未使用催化剂。随着反应的进行，产生了挥发性气体产物和副产物。将离开冷凝器的挥发性气体收集在用干冰冷却的产物收集圆筒中。
通过气相色谱(GC)测量在产物收集圆筒中收集的挥发性气体中的有机化合物的组成。将通过GC分析提供的有机化合物中的每一者的曲线图面积合并，以提供有机化合物中的每一者的总有机化合物的GC面积百分比(GC面积％)作为有机化合物的相对浓度的量度。结果示于下表中。
实施例2
由三氟乙酸金属盐和一氯化碘制备CF3I
在该实施例中，展示了三氟乙酸钠(CF3COONa)和一氯化碘(ICl)根据上述公式1制备三氟碘甲烷。将20g量的三氟乙酸钠加入到得自美国伊利诺伊州莫林市的Parr仪器公司(Parr Instrument Company,Moline,IL)的300mL反应器中。该反应器配备有冷凝器。将该反应器加压测试至300psig，然后排空。将25mg量的一氯化碘和60mL的环丁砜加入到该反应器中，以形成三氟乙酸钠与一氯化碘的摩尔比为约0.95:1的反应混合物。反应物和溶剂购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(Sigma-Aldrich Corp.,St.Louis,MO)，并且无需进一步纯化即可使用。
将反应物混合物加热至约175℃。该反应中未使用催化剂。随着反应的进行，产生了挥发性气体产物和副产物。将离开冷凝器的挥发性气体收集在用干冰冷却的产物收集圆筒中。
通过气相色谱(GC)测量在产物收集圆筒中收集的挥发性气体中的有机化合物的组成。将通过GC分析提供的有机化合物中的每一者的曲线图面积合并，以提供有机化合物中的每一者的总有机化合物的GC面积百分比(GC面积％)作为有机化合物的相对浓度的量度。结果示于下表中。
如下表所示，当与使用元素碘相比，使用一氯化碘导致对三氟碘甲烷的更高选择性，其中其他副产物的产生减少。
表
| 碘源 | CF<sub>3</sub>I(GC面积％) | 其他(GC面积％) |
| 一氯化碘(ICl) | 74.58％ | 25.42％ |
| 元素碘(I<sub>2</sub>) | 51.61％ | 48.39％ |
方面
方面1是用于制备三氟碘甲烷(CF3I)的方法，所述方法包括提供金属三氟乙酸盐、一氯化碘和溶剂；以及在所述溶剂的存在下使所述金属三氟乙酸盐与所述一氯化碘反应以产生三氟碘甲烷。
方面2是根据方面1所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐与所述一氯化碘的摩尔比为约0.1:1至约2.0:1。
方面3是根据方面1所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐与所述碘源的摩尔比为约0.8:1至约1.5:1。
方面4是根据方面1所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐与所述碘源的摩尔比为约1.1:1至约1.2:1。
方面5是根据方面1所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐与所述碘源的摩尔比为约1:1。
方面6是根据方面1至5中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷、三氟乙酸铯、三氟乙酸钙、三氟乙酸镁、三氟乙酸铁、三氟乙酸锌和三氟乙酸铜中的至少一者。
方面7是根据方面1至5中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸钾和三氟乙酸钠中的至少一者。
方面8是根据方面1至5中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐由三氟乙酸钠组成。
方面9是根据方面1至8中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述有机溶剂包含按体积计小于约500ppm的水。
方面10是根据方面1至8中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述有机溶剂包含按体积计小于约100ppm的水。
方面11是根据方面1至8中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述溶剂包含按体积计小于约50ppm的水。
方面12是根据方面1至8中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述包含按体积计小于约10ppm的水。
方面13是根据方面1至12中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述溶剂为选自离子液体和极性非质子溶剂中的至少一者。
方面14是根据方面13所述的方法，其中所述溶剂为选自咪唑盐、硫酸氢己内酰铵、环丁砜、N,N-二甲基乙酰胺和二甲基砜中的至少一者。
方面15是根据方面14所述的方法，其中所述溶剂由环丁砜组成。
方面16是根据方面1至15中任一项所述的方法，其中在催化剂的存在下使所述金属三氟乙酸盐与所述一氯化碘进一步反应。
方面17是根据方面16所述的方法，其中所述催化剂包括选自碘化铜(I)、氯化亚铁和碘化锌(II)中的至少一者。
方面18是根据方面17所述的方法，其中所述催化剂由碘化铜(I)组成。
方面19是根据方面17所述的方法，其中所述催化剂由氯化亚铁组成。
方面20是根据方面17所述的方法，其中所述催化剂由碘化锌(II)组成。
方面21是根据方面1至20中任一项所述的方法，其中在所述反应步骤中，所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂处于约100℃至约250℃的温度下。
方面22是根据方面1至20中任一项所述的方法，其中在所述反应步骤中，所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂处于约110℃至约250℃的温度下。
方面23是根据方面1至20中任一项所述的方法，其中在所述反应步骤中，所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂处于约120℃至约180℃的温度下。
方面24是根据方面1至20中任一项所述的方法，其中在所述反应步骤中，所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂处于约170℃至约180℃的温度下。
方面25是用于制备三氟碘甲烷(CF3I)的方法，所述方法包括将金属三氟乙酸盐、一氯化碘和溶剂混合；以及加热所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂以使所述金属三氟乙酸盐与所述一氯化碘反应以产生三氟碘甲烷和金属氯化物。
方面26是根据方面25所述的方法，还包括将所述三氟碘甲烷与所述金属氯化物分离。
方面27是根据方面25或26中任一项所述的方法，其中所述方法是连续方法。
方面28是根据方面25或26中任一项所述的方法，其中所述方法是批量方法。
方面29是根据方面25至28中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷、三氟乙酸铯、三氟乙酸钙、三氟乙酸镁、三氟乙酸铁、三氟乙酸锌和三氟乙酸铜中的至少一者。
方面30是根据方面25至29中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐与所述一氯化碘的摩尔比为约0.1:1至约2.0:1。
方面31是根据方面25至29中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐与所述碘源的摩尔比为约0.8:1至约1.5:1。
方面32是根据方面25至29中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐与所述碘源的摩尔比为约1.1:1至约1.2:1。
方面33是根据方面25至29中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐与所述碘源的摩尔比为约1:1。
方面34是根据方面25至33中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷、三氟乙酸铯、三氟乙酸钙、三氟乙酸镁、三氟乙酸铁、三氟乙酸锌和三氟乙酸铜中的至少一者。
方面35是根据方面25至33中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸钾和三氟乙酸钠中的至少一者。
方面36是根据方面25至33中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐由三氟乙酸钠组成。
方面37是根据方面25至36中任一项所述的方法，其中所述有机溶剂包含按体积计小于约500ppm的水。
方面38是根据方面25至36中任一项所述的方法，其中所述有机溶剂包含按体积计小于约100ppm的水。
方面39是根据方面25至36中任一项所述的方法，其中所述溶剂包含按体积计小于约50ppm的水。
方面40是根据方面25至36中任一项所述的方法，其中所述溶剂包含按体积计小于约10ppm的水。
方面41是根据方面25至40中任一项所述的方法，其中所述溶剂为选自离子液体和极性非质子溶剂中的至少一者。
方面42是根据方面41所述的方法，其中所述溶剂为选自咪唑盐、硫酸氢己内酰铵、环丁砜、N,N-二甲基乙酰胺和二甲基砜中的至少一者。
方面43是根据方面42所述的方法，其中所述溶剂由环丁砜组成。
方面44是根据方面25至43中任一项所述的方法，其中在催化剂的存在下使所述金属三氟乙酸盐与所述一氯化碘反应。
方面45是根据方面44所述的方法，其中所述催化剂包括选自碘化铜(I)、氯化亚铁和碘化锌(II)中的至少一者。
方面46是根据方面45所述的方法，其中所述催化剂由碘化铜(I)组成。
方面47是根据方面45所述的方法，其中所述催化剂由氯化亚铁组成。
方面48是根据方面45所述的方法，其中所述催化剂由碘化锌(II)组成。
方面49是根据方面25至48中任一项所述的方法，其中将所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂加热至约100℃至约250℃的温度。
方面50是根据方面25至48中任一项所述的方法，其中将所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂加热至约110℃至约250℃的温度。
方面51是根据方面25至48中任一项所述的方法，其中将所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂加热至约120℃至约180℃的温度。
方面52是根据方面25至48中任一项所述的方法，其中将所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂加热至约170℃至约180℃的温度。
Claims (10)
1.一种用于产生三氟碘甲烷(CF3I)的方法，所述方法包括：
将金属三氟乙酸盐、一氯化碘和溶剂混合；以及
加热所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂以使所述金属三氟乙酸盐与所述一氯化碘反应以产生三氟碘甲烷和金属氯化物。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述三氟碘甲烷与所述金属氯化物分离。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐与所述一氯化碘的摩尔比为约0.1:1至约2.0:1。
4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的方法，其中所述溶剂包含按体积计小于约500ppm的水。
5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷、三氟乙酸铯、三氟乙酸钙、三氟乙酸镁、三氟乙酸铁、三氟乙酸锌和三氟乙酸铜中的至少一者。
6.根据权利要求1至权利要求5中任一项所述的方法，其中所述溶剂为选自离子液体和极性非质子溶剂中的至少一者。
7.根据任意权利要求6所述的方法，其中所述溶剂为选自咪唑盐、硫酸氢己内酰铵、环丁砜、N,N-二甲基乙酰胺和二甲基砜中的至少一者。
8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的方法，其中在催化剂的存在下使所述金属三氟乙酸盐与所述一氯化碘反应。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述催化剂包括选自碘化铜(I)、氯化亚铁和碘化锌(II)中的至少一者。
10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的方法，其中将所述金属三氟乙酸盐、所述一氯化碘和所述溶剂加热至约100℃至约250℃的温度。
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