CN117945894A - 一种三氟乙酸酐的制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及氟化学合成技术的领域，尤其是涉及一种三氟乙酸酐的制备方法，其包括S1.氯化亚砜预处理；S2.回流反应；S3.产品分；S4.残液处理；最终得到目标产物三氟乙酸酐。本申请具有成本低廉、原料易于回收、合成路线简单，而且可以实现连续化生产，效率高适合工业化生产的效果。

Description

一种三氟乙酸酐的制备方法

技术领域

本申请涉及氟化学合成技术的领域，尤其是涉及一种三氟乙酸酐的制备方法。

背景技术

三氟乙酸酐具有较为活泼的反应活性，可以作为分析试剂、溶剂、催化剂、乙酰化试剂等使用，尤其是三氟乙酸具有较强的脱水性而被广泛用作脱水剂，特别在染料、感光材料、液晶显示材料、航天科技、农药、医药、聚合材料等方面，具有较为广阔的应用前景。

目前国内外己有多种合成三氟乙酸酐的方法。一是通过三氟乙酰氯和三氟乙酸钠的反应制备TFAA的方法因成本问题而受限制(JP45038523，JP19701205)。由于三氟乙酰氯沸点较低(沸点：-27℃)，工业上其制备、储存和使用及其不便。二是通过三氧化硫作为脱水剂使三氟乙酸(TPA)脱水制得三氟乙酸酐的方法(WO2014195929，WO2018197539，EP2810931)。由于其方法原始，规模较小，生产成本高，对所用设备及工艺条件要求极高，操作上难以掌握，导致产品的品质和收率不高，难以保证产品质量的稳定，且存在安全隐患。三是通过使用2，2-二氯乙酸酐作为脱水剂使三氟乙酸脱水而得(EP168293，EP19680115)。但因2，2-二氯乙酸酐昂贵难得,且反应的收率也不高，没有太多的工业应用价值。

公开号为CN101108797A的中国发明专利公开了一种三氟乙酸酐生产工艺，以三氟乙酸和五氧化二磷为原料，两者用料比(重量)为1∶1.5～1∶0.65，其中五氧化二磷两次加入。整个操作过程在全密封状态下进行，收成品结束后的高沸物质(后馏份)和尾气经处理后循环利用，冷凝及冷却用水为深井水，副产品磷酸全部回收。

该工艺规模化生产也有较大的弊端，首先是五氧化二磷接触到三氟乙酸先生成黏稠的副产物焦磷酸并不断蓄积，而后者又包裹着未反应的原料五氧化二磷，导致反应液凝固或者起粘球状，使搅拌变得非常困难，常常出现反应釜搅拌器“抱死”现象。其次是副产物的处理繁琐。该种工艺中在蒸馏完三氟乙酸酐后反应釜中的残留物还含有大量未反应完的三氟乙酸、五氧化二磷及副产物焦磷酸和磷酸，很难实现原料的回收以及实现连续化，生产效率下降。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种操作简单、生产安全成本低、原料易于回收，合成路线简单，后处理简单，而且可以实现连续化生产，效率高适合工业化生产的三氟乙酸酐的制备方法，

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种三氟乙酸酐的制备方法，包括如下步骤：

S1.氯化亚砜预处理：向氯化亚砜中加入干燥剂，放置干燥10-12小时，常压蒸馏，收集76-78℃馏分得到预处理后的氯化亚砜，加入分子筛保存；

S2.回流反应：向反应釜内加入三氟乙酸，冷却至0-5℃，向反应釜内滴加步骤S1中得到的预处理后的氯化亚砜，滴加完毕后将反应釜缓慢加热至40-55℃，回流反应5-10小时，得到三氟乙酸酐以及原料的混合液；

S3.产品分离：将步骤S2中得到的混合液进行常压蒸馏，收集39-50℃的粗馏分，常压蒸馏残液留于反应釜中进行保存，将粗馏分引入精馏釜中进行精馏，收集39-40.5℃的馏分，得到三氟乙酸酐，精馏残液留于精馏釜内进行保存；

S4.残液处理：将步骤S3中得到的常压蒸馏残液以及精馏残液混合后，补加三氟乙酸以及氯化亚砜，继续进行步骤S2的回流反应以及步骤S3的产品分离，将多次处理后得到的产物混合得到目标产物三氟乙酸酐。

通过采用上述技术方案，三氟乙酸先对氯化亚砜进行第一次亲核加成消除反应生成中间体三氟乙酸酰氯，多余的三氟乙酸对中间体三氟乙酸酰氯进行第二次亲核加成消除反应生成目标产物三氟乙酸酐，通过向三氟乙酸中滴加氯化亚砜的方式，使得反应釜内的三氟乙酸的浓度远高于氯化亚砜的浓度，使得中间体三氟乙酸酰氯会被多余的三氟乙酸快速反应生成三氟乙酸酐，从而加快反应速率。

现有技术中使用三氟乙酸和五氧化二磷为原料，由于五氧化二磷为固体，同时三氟乙酸在反应生成三氟乙酸酐的过程中会放出大量的热，使得三氟乙酸和五氧化二磷混合为较为粘稠的混合液，使得搅拌桨对混合液的搅拌效果下降，混合不均匀甚至产生搅拌桨“抱死”现象，原料混合不均匀使得最终产物的收率以及纯度均有一定程度的下降，本技术方案中原路三氟乙酸以及氯化亚砜均为液体，混合更加均匀，使得本技术方案的收率以及纯度相比现有技术更高。

先经过常压蒸馏的方式得到粗成品后经过精馏的方式得到成品，这样可以减少杂质的富集，减轻提纯难度，使整个过程实现连续化。

本发明中，所述步骤S1中的干燥剂为分子筛、氧化钙、氧化钡、无水硫酸镁、无水硫酸钠中的一种或几种组合。

通过采用上述技术方案，目标产物三氟乙酸酐在接触到水后容易分解生产三氟乙酸，通过向原料三氟乙酸内加入干燥剂，除去三氟乙酸中的水，使得目标产物三氟乙酸酐的水含量大幅下降，减少了三氟乙酸酐的分解。

本发明中，所述步骤S2中三氟乙酸与氯化亚砜的摩尔比为1:1-1:5。

通过采用上述技术方案，三氟乙酸在生成三氟乙酸酐的过程中会产生副产物水，三氟乙酸在接触到水后会电离产生氢离子，较多的氢离子容易对设备造成腐蚀，通过加入较多的氯化亚砜来吸收反应过程中的副产物水，起到保护设备的作用

本发明中，所述步骤S2中滴加氯化亚砜的速度为0.1-4L/min。

通过采用上述技术方案，控制氯化亚砜在较低的流速下，使得中间体三氟乙酸酰氯在生成后可以被较多的三氟乙酸反应生成三氟乙酸酐，减少了该反应在中间反应的停留时间，加快了反应速率。

本发明中，所述步骤S2中滴加二氯亚砜的速度为0.1-0.2L/min滴加10分钟后，提升至0.4-0.6L/min，滴加10分钟后，提升至0.8-1.0L/min，滴加10分钟后提升至1.2-1.6L/min，滴加10分钟后，提升至1.6-2.0L/min，直至滴加完毕。

通过采用上述技术方案，三氟乙酸生成三氟乙酸酐的反应为放热反应，短时间内较多的热量积累在反应釜内容易发生爆沸，最开始滴加氯化亚砜的速度较慢，使得反应较为平缓，放热较小，使得本体系的升温速度较为平缓，减少爆沸的情况发生，当反应釜的温度升到设定温度时，加快氯化亚砜的流速，加快本反应的反应速率。

本发明中，所述步骤S2中反应釜的加热温度梯度为先加温至15-20℃，间隔30-60min，再加热至30-40℃，再间隔30-60min，最后加热至40-55℃。

通过采用上述技术方案，缓慢升高反应釜的温度可以减少爆沸的情况发生。

本发明中，步骤S4中补加的三氟乙酸与氯化亚砜的摩尔比为1:1-1:5。

通过采用上述技术方案，较多的氯化亚砜可以吸收反应生成的副产物水，从而减少三氟乙酸的电离，起到保护设备的作用。

本发明中，所述步骤S4中补加三氟乙酸的方式为向常压蒸馏残液以及精馏残液的混合液中加入三氟乙酸，补加氯化亚砜的方式为向常压蒸馏残液、精馏残液以及三氟乙酸的混合液中滴加氯化亚砜，氯化亚砜的滴加速度为0.1-0.2L/min滴加10分钟后，提升至0.4-0.6L/min，滴加10分钟后，提升至0.8-1.0L/min，滴加10分钟后提升至1.2-1.6L/min，滴加10分钟后，提升至1.6-2.0L/min，直至滴加完毕。

通过采用上述技术方案，最初缓慢滴加氯化亚砜使得三氟乙酸的反应较为平缓，减少热量的产生，从而减少爆沸的情况发生。

较为具体的，推荐本发明所述的方法按照以下步骤进行：

向氯化亚砜中加入干燥剂，放置干燥10-12小时，常压蒸馏，收集76-78℃馏分得到预处理后的氯化亚砜，加入分子筛保存。

将210mol三氟乙酸引入带有夹套的反应釜，将210-1050mol氯化亚砜引入高位槽，检查各接口密封良好，蒸馏塔顶及排空管道畅通。开冷冻盐水泵进行冷冻循环，反应釜降至0-5℃，滴加氯化亚砜，滴加时先慢后快，循序渐进，开始0.1-0.2L/min，10分钟后调至0.4-0.6L/min，10分钟后调至0.8-1.0L/min，10分钟后调至1.2-1.6L/min，10分钟后调至1.6-2.0L/min，直至滴加完毕。滴加完关闭管道阀门和反应釜冷冻盐水管道阀门，打开蒸汽加热阀门并打开深井水泵通入冷凝水进冷凝器循环，将反应釜温度加温至15-20℃，间隔30-60min，升温至30-40℃，再间隔30-60min，升温至40-55℃，此时开始回流反应5-10h。回流反应结束后反应釜回流管道切换至常压蒸馏管道，打开粗品接收槽收集产品，控制收料速度在1.0L/min，混合物常压蒸馏得到39-50℃的馏分，将反应釜降至室温蒸馏残液留于反应釜中。将粗品引入精馏塔釜，通过精馏柱精馏得到39-40.5℃的试剂产品，剩余残液降至室温后引入上述反应釜中。

将蒸馏残液和精馏残液反应釜混合后，补加105mol氯化亚砜以及105-525mol三氟乙酸，继续进行下一批次反应重复进行上述操作常压蒸馏得到39-50℃的馏分将粗品引入精馏塔釜，通过精馏柱精馏得到39-40.5℃的试剂产品。

本发明所述的合成方法，其有益效果主要在于，相比对比文件的合成方法，本发明的原料均为液体，在反应过程中混合更加均匀，同时减少了较为粘稠的混合液对搅拌桨产生“抱死”现象，同时反应物均为液体使得设备在完成反应后的清理以及后续再次生产更加简单，有利于连续化生产，效率更高更适合工业化生产，同时本技术方案中的原料价格相比现有技术更加便宜，另外液体原料可以使用蒸馏来进行分离，相比现有技术中的过滤以及多次洗涤回收更加方便，减少了生产成本。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

实施例1：向氯化亚砜中加入干燥剂，放置干燥112小时，常压蒸馏，收集76-78℃馏分得到预处理后的氯化亚砜，加入分子筛保存。

将420mol氯化亚砜引入高位槽，将210mol三氟乙酸引入带有夹套的反应釜，检查各接口密封良好，蒸馏塔顶及排空管道畅通。开冷冻盐水泵进行冷冻循环，反应釜降至0-5℃，滴加氯化亚砜，滴加时先慢后快，循序渐进，开始0.1L/min，10分钟后调至0.4L/min，10分钟后调至0.8/min，10分钟后调至1.2/min，10分钟后调至1.6/min，直至滴加完毕。滴加完关闭管道阀门和反应釜冷冻盐水管道阀门，打开蒸汽加热阀门并打开深井水泵通入冷凝水进冷凝器循环，将反应釜温度加温至20℃，间隔30min，升温至30℃，再间隔30min，升温至40℃，此时开始回流反应5h。回流反应结束后反应釜回流管道切换至常压蒸馏管道，打开粗品接收槽收集产品，控制收料速度在1.0L/min，混合物常压蒸馏得到39-50℃的馏分，将反应釜降至室温蒸馏残液留于反应釜中。将粗品引入精馏塔釜，通过精馏柱精馏得到39-40.5℃的试剂产品，剩余残液降至室温后引入上述反应釜中。

将蒸馏残液和精馏残液反应釜混合后，补加105mol氯化亚砜以及210mol三氟乙酸，继续进行下一批次反应重复进行上述操作常压蒸馏得到39-50℃的馏分，将粗品引入精馏塔釜，通过精馏柱精馏得到39-40.5℃的试剂产品。

实施例2、3以及对比例1、2与实施例1的区别在于步骤S2中加入的氯化亚砜的量不同，如下表所示：

	三氟乙酸与氯化亚砜的摩尔比
		实施例1	1:2
实施例2	1:1
		实施例3	1:5
对比例1	1:0.5
		对比例2	1:8

实施例4以及对比例3与实施例1的区别在于步骤S2中氯化亚砜的滴加速度不同，如下表所示：

实施例5以及对比例4、5与实施例1的区别在于步骤S2中的回流时间不同，如下表所示：

对比例6与实施例1的区别在于采用传统工艺合成三氟乙酸酐，如下所示：在干燥的500ml的反应瓶中，投入(17.0g，0.12mol)的白色固体粉末五氧化二磷，和预先在100-130℃干燥活化的活性炭10.0g，加入经无水硫酸钠干燥的150ml甲苯溶剂，在机械搅拌下混合分散均匀后，慢慢滴入(34.0g，0.298mol)三氟乙酸，并且慢慢升温至回流，反应1.5h，常压下蒸馏得为39-50℃的前馏分28.6g，将所得的前馏分再通过精馏柱精馏得到39-40.5℃的试剂级产品23.2g,收率为：74.12％。然后继续升温蒸馏收集50℃以上的后馏分143.3g，收集的后馏分可以循环套用于下次反应，在反应结束后的残留物含未反应的五氧化二磷固体，滴加水或磷酸水溶液150ml，待反应釜冷却后，回收副产品磷酸水溶液。

检测方法

分别对各实施例以及各对比例中的步骤S3以及步骤S4中的蒸馏产物以及精馏产物进行称重以及取样分析，。得出各实施例以及对比例中目标产物的摩尔收率以及纯度，检测结果如下表：

结论：通过上表实施例1-3以及对比例1-2的数据可知，本技术方案在合成三氟乙酸酐的过程中，加入的三氟乙酸与氯化亚砜的摩尔比在1:1-1:5的区间内具有较高的收率，当加入的三氟乙酸与氯化亚砜的摩尔比小于1:1时，收率大幅下降，当加入的三氟乙酸与氯化亚砜的摩尔比大于1:5时，收率的增加较小，继续添加氯化亚砜的作用不大，本技术方案中三氟乙酸先对氯化亚砜进行第一次亲核加成消除反应生成中间体三氟乙酸酰氯，多余的三氟乙酸对中间体三氟乙酸酰氯进行第二次亲核加成消除反应生成目标产物三氟乙酸酐以及副产物水，当氯化亚砜的添加量较低时，难以除去副产物水，三氟乙酸酐在水以及高温的作用下容易分解为三氟乙酸，水的存在使得三氟乙酸的反应程度较低，收率下降。

结论：通过上表实施例1、实施例4以及对比例3的数据可知，随着氯化亚砜的滴加速度上升，三氟乙酸酐的收率逐渐下降，当氯化亚砜的滴加速度大于4L/min，反应体系发生爆沸，难以继续反应，由于三氟乙酸反应生成三氟乙酸酐为放热反应，氯化亚砜的滴加速度上升使得反应速度上升，热量被积累在反应釜内使得反应体系的温度上升，目标产物三氟乙酸酐在高温下容易分解为三氟乙酸，使得反应的收率下降，同时三氟乙酸酐的沸点为39.5～40.1℃，较低，使得滴加速度过快时反应釜内温度较高，导致爆沸的发生。

结论：通过上表实施例1、5以及对比例4、5的数据可知，本技术方案在生成三氟乙酸酐时，回流时间在5-10小时内具有较高的收率，当回流时间小于5小时时，未完全进行反应，三氟乙酸的转化率较低，使得目标产物三氟乙酸酐的收率下降，当反应时间大于10小时时，由于三氟乙酸反应生成三氟乙酸酐为可逆反应，使得部分三氟乙酸酐进行分解，降低了最终收率。

结论：通过上表实施例1以及对比例6的数据可知，相比于传统的使用五氧化二磷对三氟乙酸进行脱水来生产三氟乙酸酐的工艺，本技术方案仅使用两种原料，而现有技术中需要额外添加活性炭，减少了原料的种类，不仅降低了生产成本，同时还减少了工艺步骤，有利于工业上的扩大生产，同时本技术方案中采用的两种原料均为液体，相比于现有技术，五氧化二磷以及活性炭均为固体，本技术方案中的原料混合更加均匀，在工业大生产上可以采用管路添加，相比于固体投料，操作更加简便，同时在完成反应后，设备的清洗更加方便，现有技术中为了分离五氧化二磷以及活性炭，需要使用磷酸来溶解五氧化二磷，不仅操作麻烦而且增加了额外的生产成本，本技术方案中可以采用蒸馏的方式来回收氯化亚砜，操作简单的同时降低了生产成本，本技术方案中，由于原料以及产物均为液体，在工业大生产中可以采用管路输送来进行连续生产，相比于现有技术中的固体投料，效率更高。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三氟乙酸酐的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1.氯化亚砜预处理：向氯化亚砜中加入干燥剂，放置干燥10-12小时，常压蒸馏，收集76-78℃馏分得到预处理后的氯化亚砜，加入分子筛保存；

S2.回流反应：向反应釜内加入三氟乙酸，冷却至0-5℃，向反应釜内滴加步骤S1中得到的预处理后的氯化亚砜，滴加完毕后将反应釜缓慢加热至40-55℃，回流反应5-10小时，得到三氟乙酸酐以及原料的混合液；

S3.产品分离：将步骤S2中得到的混合液进行常压蒸馏，收集39-50℃的粗馏分，常压蒸馏残液留于反应釜中进行保存，将粗馏分引入精馏釜中进行精馏，收集39-40.5℃的馏分，得到三氟乙酸酐，精馏残液留于精馏釜内进行保存；

S4.残液处理：将步骤S3中得到的常压蒸馏残液以及精馏残液混合后，补加三氟乙酸以及氯化亚砜，继续进行步骤S2的回流反应以及步骤S3的产品分离，将多次处理后得到的产物混合得到目标产物三氟乙酸酐。

2.根据权利要求1所述的一种三氟乙酸酐的制备方法，其特征在于：所述步骤S1中的干燥剂为分子筛、氧化钙、氧化钡、无水硫酸镁、无水硫酸钠中的一种或几种组合。

3.根据权利要求1所述的一种三氟乙酸酐的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中三氟乙酸与氯化亚砜的摩尔比为1:1-1:5。

4.根据权利要求1所述的一种三氟乙酸酐的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中滴加氯化亚砜的速度为0.1-4L/min。

5.根据权利要求1所述的一种三氟乙酸酐的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中滴加二氯亚砜的速度为0.1-0.2L/min滴加10分钟后，提升至0.4-0.6L/min，滴加10分钟后，提升至0.8-1.0L/min，滴加10分钟后提升至1.2-1.6L/min，滴加10分钟后，提升至1.6-2.0L/min，直至滴加完毕。

6.根据权利要求1所述的一种三氟乙酸酐的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中反应釜的加热温度梯度为先加温至15-20℃，间隔30-60min，再加热至30-40℃，再间隔30-60min，最后加热至40-55℃。

7.根据权利要求1所述的一种三氟乙酸酐的制备方法，其特征在于：步骤S4中补加的三氟乙酸与氯化亚砜的摩尔比为1:1-1:5。

8.根据权利要求1所述的一种三氟乙酸酐的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中补加三氟乙酸的方式为向常压蒸馏残液以及精馏残液的混合液中加入三氟乙酸，补加氯化亚砜的方式为向常压蒸馏残液、精馏残液以及三氟乙酸的混合液中滴加氯化亚砜，氯化亚砜的滴加速度为0.1-0.2L/min滴加10分钟后，提升至0.4-0.6L/min，滴加10分钟后，提升至0.8-1.0L/min，滴加10分钟后提升至1.2-1.6L/min，滴加10分钟后，提升至1.6-2.0L/min，直至滴加完毕。