CN1183078C - 氟化羟基化合物的纯化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种在工业上可实施的条件下纯化式1表示的氟化羟基化合物的高收率的安全的方法，即，使含有2，2，3，3-四氟丙醇等Rf-CR1R2-OH(式1，Rf为1-20个碳原子的多氟烷基，R1，R2为氢原子或1-3个碳原子的烷基)表示的氟化羟基化合物(式1)和具有未共享电子对的化合物的混合物在阳离子交换树脂催化剂等固体酸催化剂存在下加热蒸馏，或者加入水等质子源进行蒸馏。

Description

氟化羟基化合物的纯化方法
技术领域
本发明涉及氟化羟基化合物的纯化方法。
背景技术
氟化羟基化合物可用作水和油的拒斥剂、表面活性剂以及照片显色材料等的中间体(日本公开专利昭54-154707)。另外，由于氟化羟基化合物对于聚碳酸酯等的塑料基板有不溶性，因此可用作光学上记录材料染料等的溶剂(日本公开专利平4-8585，日本公开专利平5-258346)。
以前，氟化羟基化合物的纯化用蒸馏来进行。然而，在氟化羟基化合物的生产过程中，在混入了含有未共享电子对的化合物(以下称为未共享电子对化合物)的情况下，该未共享电子对化合物与氟化羟基化合物相互作用，因而存在靠通常的蒸馏方法不能分离的问题。例如，在未共享电子对化合物是叔丁醇等脂肪族醇的情况下，虽然氟化羟基化合物和脂肪族醇的沸点之间存在差别，但是仍存在用通常的蒸馏不能分离的问题。
另外，EP968989A提出了一种方法，使甲醇和四氟乙烯或六氟丙烯在聚合引发剂存在下反应，获得含有氟化醇的反应产物，然后加热，使未反应的聚合引发剂分解，然后进行蒸馏。然而，在该方法中，需要对反应产物进行加热，而且有未反应的聚合引发剂不能回收的问题。
另外，EP992476A提出了一种纯化方法，该方法是对含有2000ppm以下的水的氟化醇进行蒸馏，通过共沸或类共沸除去水，获得作为残余物的氟化醇。然而，在该方法中，氟化醇不含未共享电子对化合物，而氟化醇作为残余物获得，因此有蒸馏残余物残留在氟化醇中的问题。
发明公开
本发明是为了解决上述问题。下述的发明提供了一种纯化氟化羟基化合物的方法，该方法能在工业上实施，可用收率高的简单操作来实施。
即，本发明提供了氟化羟基化合物的纯化方法，该方法的特征在于，使含有下式1表示的氟化羟基化合物和有未共享电子对的化合物的混合物在固体酸催化剂的存在下进行加热蒸馏，或加入质子源进行蒸馏，从该混合物中分离出有未共享电子对的化合物，
                         Rf-CR1R2-OH    式1
式中的记号具有如下含义：
Rf：含1-20个碳原子的多氟烷基；
R1、R2：各自独立为氢原子或含1-3个碳原子的烷基。
实施发明的最佳方式
氟化羟基化合物(式1)中的Rf是含有1-20个碳原子的多氟烷基。所谓多氟烷基是烷基中的2个以上氢原子被氟原子置换后的基团。多氟烷基可以是直链结构，也可以是支链结构。多氟烷基中的碳原子数宜为1-4个。在多氟烷基与-CR1R2-OH直接相连的碳原子上宜有1-3个、更佳为含1-2个氟原子。作为多氟烷基的例子见氟化羟基化合物(式1)的举例中记载的基团。
R1和R2各自独立为氢原子或1-3个碳原子的烷基。1-3个碳原子的烷基例如有甲基、乙基、正丙基、异丙基。
作为氟化羟基化合物(式1)的具体例子，例如有以下化合物。
CF3CH2OH、CF3CF2CH2OH、CF3(CF2)2CH2OH、CF3(CF2)3CH2OH、HCF2CH2OH、H(CF2)2CH2OH、H(CF2)3CH2OH、H(CF2)4CH2OH、CHF2CF2CH(CH3)OH、CHF2CF2C(CH3)2OH、CF3CHFCF2CH2OH、CF3CHFCF2CH(CH3)OH、CF3CHFCF2C(CH3)2OH。
作为未共享电子对化合物，例如有氟化羟基化合物(式1)以外的醇化合物、胺化合物或硫醇化合物，较佳的是氟化羟基化合物(式1)以外的醇化合物。该醇化合物(式1)宜为脂肪族醇化合物，特别佳的是含有饱和烃基的醇化合物，尤其佳的是具有饱和烃基的脂肪族叔醇化合物。醇化合物的具体例子例如是甲醇、乙醇、异丙醇、丙醇、叔丁醇、仲丁醇以及正丁醇。较佳的是甲醇和叔丁醇，尤其佳的是叔丁醇。
在氟化羟基化合物(式1)中，多氟烷基和羟基相互靠近，因此有化合物酸性度强的性质。因此可以认为，如有未共享电子对化合物共存，则该未共享电子对与氟化羟基化合物(式1)形成氢键，从而形成高沸点的复合物，该复合物与未共享电子对化合物形成平衡状态直至蒸馏后期仍残留在蒸馏釜中，从而不能很好地蒸馏分离。因此，当该氟化羟基化合物用于其它用途时，有引起不利影响的问题。根据本发明，能有效地除去该未共享电子对化合物。
在本说明书中，混合物是含有氟化羟基化合物(式1)和未共享电子对化合物的混合物。未共享电子对化合物的用量相对于氟化羟基化合物(式1)而言宜为0.01-25％重量(％质量)，更佳的为0.05-3％重量(％质量)。
该混合物宜为含有醇化合物(式3)以及全氟烯烃化合物(式2)与醇化合物(式3)在自由基引发剂存在下加热生成的化合物(式1a)的反应粗产物。
Rf1CF＝CF2   式2
CHR1R2OH     式3
Rf1CHFCF2CR1R2OH  式1a
式中的记号用如下含义表示。
Rf1：氟原子或1-18个碳原子的多氟烷基。
R1、R2：与上述含义相同。
在这里，化合物(式1a)宜为选自2，2，3，3-四氟丙醇、2，2，3，3-四氟-1-甲基丙醇、2，2，3，3-四氟-1，1-二甲基丙醇、2，2，3，4，4，4-六氟丁醇、2，2，3，4，4，4-六氟-1-甲基丁醇、以及2，2，3，4，4，4-六氟-1，1-二甲基丁醇的至少一种的化合物。
作为自由基引发剂，例如有偶氮化合物、过氧化醚化合物。从半衰期时间和反应温度来看，过氧化醚化合物是较佳的，通用的二烷基过氧化醚化合物是特别佳的。
反应粗产物指未经过色谱或蒸馏的反应产物。再者，当反应粗产物中有固体成分时，宜进行过滤等操作除去固体成分。本发明的纯化方法是一种很好的方法，该方法无需在蒸馏前加热反应粗产物，实际上可以就这样(即在其含有未反应的自由基引发剂的状态下)进行蒸馏，从而得到高纯度的氟化羟基化合物。
在本发明中是通过在固体酸催化剂存在下对混合物进行加热蒸馏，或者在混合物中加入质子源进行蒸馏来进行纯化的。
在第一种方法中，固体酸催化剂例如是SiO2·Al2O3、SiO2·MgO2、SiO2·ZrO2、Al2O3·B2O3、Al2O3、沸石、杂多酸、金属磷酸盐、金属硫酸盐、固体磷酸催化剂(H3PO4/硅藻土)、阳离子交换树脂催化剂、载于氧化物上的SbF5、载于锆上的硫酸盐或层状硅酸盐等。
沸石宜为质子型的，具体的是A型沸石、ZSM-5型沸石、丝光沸石、X型沸石或Y型沸石等。
杂多酸的具体例子是H3PW12O40、H3PMo12O40、Cs2.5H0.5PW12O40等。
金属磷酸盐例如是BPO4、Ca3(PO4)2、Zr(HPO4)2、AlPO4、Cd3(PO4)2、CePO4、Zn3(PO4)2、Ca10(PO4)6(OH)2等。而且，该磷酸盐可载于二氧化硅上。
金属硫酸盐例如是硫酸镁、硫酸钙、硫酸锌、硫酸铝、硫酸铜、硫酸亚铁等。另外，该金属硫酸盐可载于二氧化硅、氧化锆上。
从反应性角度看，阳离子交换树脂催化剂宜为具有超强酸值的阳离子交换树脂催化剂，例如是具有磺酸基团的含氟树脂催化剂、含有羧基的含氟树脂催化剂等。阳离子交换树脂催化剂可市售购得，例如是Nafion(E.I.DuPont公司商品名)、SAC-13(E.I.DuPont公司商品名)、NR-40(E.I.DuPont公司商品名)等。
作为分层硅酸盐，例如是澎润土、蒙脱石、红柱石或高岭土。
这些固体酸催化剂的形状宜为粉状、粒状或蜂窝状。从容易分离的角度来看，粒状是特别好的。另外，作为固体酸催化剂，活性高、再生容易的阳离子交换树脂或沸石是较佳的，沸石是特别佳的。
在方法1中，在固体酸催化剂存在下加热混合物。该固体酸催化剂能使未共享电子对化合物发生化学变化。在未共享电子对化合物为脂肪族醇化合物的情况下，它分解变成烯烃，或它与氟化羟基化合物(式1)脱水缩合变成醚化合物。烯烃或醚化合物通常是容易与氟化羟基化合物(式1)蒸馏分离的化合物。
在方法1中，固体酸催化剂可一次加入混合物中，也可分次加入混合物中。从操作上来看，宜一次加入。另外，可加入固体酸催化剂后进行蒸馏，也可在加入固体酸催化剂的同时进行蒸馏。
固体酸催化剂的用量宜为氟化羟基化合物(式1)的0.5-100％重量(％质量)，较佳的为1.0-50％重量(％质量)。加热温度宜为60-150℃，加热时间宜为0.5-10小时。加热时的压力宜为0.01-0.5MPa。
方法1中的蒸馏条件可采用纯化该氟化羟基化合物的常用蒸馏条件。通常，蒸馏塔顶温度为40-200℃，压力为0.01-0.5MPa(表压)。
在方法2中，在混合物中添加质子源。认为该质子源通过阻碍氟化羟基化合物与未共享电子对化合物之间形成氢键来使得蒸馏分离变得容易。
作为质子源，例如有水、氟化氢、氯化氢或溴化氢，其中水是较佳的。水具有阻碍复合物形成的能力强、与其它化合物的分离容易、以及防止反应器腐蚀的优点。质子源的量宜为氟化羟基化合物(式1)的0.01-30％重量(％质量)，尤其佳的是0.1-10％重量(％质量)，特别佳的是1-10％重量(％质量)。如果水的用量太少，那么其阻碍复合物形成的效果就小，氟化羟基化合物的分离纯化效果恐怕会很差。
质子源可一次性加入混合物中，或者逐步加入混合物中。从减少加入量的角度来看，逐步加入是较佳的。
另外，在方法中，在用水作为质子源的场合下，混合物的性质在酸性侧，所有容易进行蒸馏分离。
在方法2中，蒸馏温度宜为50-250℃，为了在工业上实施，宜为50-200℃。另外，在用水作为质子源的时候，蒸馏温度宜为50-250℃，从工业上实施的角度考虑，特别宜为50-130℃。在蒸馏中，蒸馏除去低沸点馏分后，宜分离出氟化羟基化合物(式1)作为主馏分。质子源的添加阻碍了复合物的形成，使氟化羟基化合物(式1)和未共享电子对化合物的馏分的分离变得容易，从而能获得高纯度的氟化羟基化合物(式1)。
另外，方法2中的蒸馏条件可采用该氟化羟基化合物常用的纯化蒸馏条件，通常，塔顶温度宜为40-200℃，压力宜为0.05-0.5MPa(表压)。在该方法中，因氟化羟基化合物可作为蒸馏组分获得，故有纯度高、蒸馏残余物不会混入的优点。
在方法2中，宜在蒸馏后加入除酸剂。作为除酸剂，例如是有机碱化合物或无机碱化合物。具体地说，例如有甲醇钠溶液、乙醇钠溶液、氢氧化钠溶液以及氢氧化钾溶液等。除酸剂的用量宜为氟化羟基化合物(式1)的0.01-30％重量(％质量)，特别佳的为0.1-10％重量(％质量)。
另外，在方法1和方法2中，反应体系中可加入或不加入溶剂。从分离效率和体积效率来看，宜不加入溶剂。
用了本发明的纯化方法，能使目前难以分离的未共享电子对化合物能容易地被分离。蒸馏后得到的氟化羟基化合物(式1)在通常的情况下是未共享电子对化合物含量在0.01％重量(％质量)以下的高纯度氟化羟基化合物(式1)，该化合物可以无问题地用于各种用途。
实施例
下面将具体描述本发明。然而，本发明却不局限于这些描述。
[参考例1]
在1升哈斯特洛伊耐蚀镍基合金C制反应釜中加入408克甲醇，在气相部加入四氟乙烯，内温调至125℃。通过计量泵在16小时内供入8.2克过氧化二叔丁基溶于72克甲醇的溶液。通过自动阀将压力恒定在总压0.8MPa(表压，下同)，连续供给四氟乙烯，以补充因反应而减少的量。四氟乙烯的供给量合计为230克。冷却到40℃后，用气相色谱(GC)分析反应液，发现生成了2，2，3，3-四氟丙醇和叔丁醇的混合物(重量比为98.5∶1.5)。
[参考例2]
改变甲醇、四氟乙烯、过氧化二叔丁基的量，进行与参考例1相同的反应，获得了含有616.4克甲醇、233.4克2，2，3，3-四氟丙醇、8.5克叔丁醇和5.3克过氧化二叔丁基的混合物。
[实施例1]用固体酸催化剂纯化的例子
在含有5.0克叔丁醇、45.0克2，2，3，3-四氟丙醇的混合物中加入131克Nafion SAC，在常压、120℃下加热回流。经过3小时后，在0.026MPa、1/1的回流比下进行蒸馏，在70℃的塔顶温度下获得42克2，2，3，3-四氟丙醇主馏分42克。用GC分析主馏分中的2，2，3，3-四氟丙醇，发现纯度为99.7％(色谱的面积％，下同)。
[实施例2]通过添加质子源来纯化的例子
在含有12.6千克叔丁醇和828千克2，2，3，3-四氟丙醇的混合物中加入4.3％重量(％质量)的水，然后在0.10MPa、回流比为10/1下进行蒸馏，在釜温度为70-90℃、塔顶温度为65-82℃下蒸出21.1千克水和叔丁醇的共沸馏分。此后，加入作为除酸剂的5.6％重量(％质量)的28％甲醇钠/甲醇溶液，蒸出含水的前馏分，然后在0.026MPa、回流比为1/1、塔顶温度为70℃下，获得612千克2，2，3，3-四氟丙醇主馏分。用GC分析主馏分中的2，2，3，3-四氟丙醇，发现纯度在99％以上，叔丁醇低于检出临限。
[实施例3]用固体酸催化剂进行精制的实施例
在参考例2中获得的含有616.4克甲醇、233.4克2，2，3，3-四氟丙醇、8.5克叔丁醇和5.3克过氧化二叔丁基的混合物中加入60克Nafion SAC，对其进行蒸馏。在常压、回流/蒸馏比为3/1下，获得含有220.1克甲醇、4.2克过氧化二叔丁基的混合物，作为到馏出温度为64℃的低沸点初馏分1。在相同条件下，作为馏出温度100℃的低沸点初馏分2，获得含有250.1克甲醇、2.5克叔丁醇的混合物。随后变为减压蒸馏，在0.026MPa、回流/馏出比20/1下进行蒸馏，在塔顶温度70℃下得到198.5克2，2，3，3-四氟丙醇主馏分。用气相色谱分析主馏分中的2，2，3，3-四氟丙醇，其纯度为99.9％。
[比较例1]
在从含有18克叔丁醇和1182克2，2，3，3-四氟丙醇的混合物中得到前馏分后，在200乇、回流比1/1、塔顶温度70℃下获得865克2，2，3，3-四氟丙醇主馏分。用GC分析主馏分的2，2，3，3-四氟丙醇，测得其纯度为97％，有1.3％的叔丁醇。
工业实用性
根据本发明方法，对氟化羟基化合物(式1)的纯化可在工业上能实施的条件下通过简单的操作来高效地进行，从而能获得高纯度的实质上不含以前难以分离的未共享电子对化合物的氟化羟基化合物(式1)。

Claims (11)

1.一种从使含有下式1表示的氟化羟基化合物和有未共享电子对的化合物的混合物中纯化所述氟化羟基化合物的方法，其特征在于，使所述混合物在固体酸催化剂的存在下进行加热蒸馏，或加入质子源进行蒸馏，从该混合物中分离出有未共享电子对的化合物，
Rf-CR1R2-OH            式1
式中的记号具有如下含义：
Rf：含1-20个碳原子的多氟烷基；
R1、R2：各自独立为氢原子或含1-3个碳原子的烷基。
2.根据权利要求1所述的纯化方法，其中氟化羟基化合物是选自2，2，3，3-四氟丙醇、2，2，3，3-四氟-1-甲基丙醇、2，2，3，3-四氟-1，1-二甲基丙醇、2，2，3，4，4，4-六氟丁醇、2，2，3，4，4，4-六氟-1-甲基丁醇、以及2，2，3，4，4，4-六氟-1，1-二甲基丁醇的至少一种的化合物。
3.根据权利要求1或2所述的纯化方法，其中含有未共享电子对的化合物是脂肪族醇化合物。
4.根据权利要求3所述的纯化方法，其中脂肪族醇化合物是脂肪族叔醇。
5.根据权利要求1所述的纯化方法，其中该混合物是含有下式2表示的全氟烯烃与下式3表示的醇化合物在自由基引发剂存在下加热生成的下式1a表示的化合物、以及下式3表示的醇化合物的反应粗产物，
Rf1CF＝CF2          式2
CHR1R2OH            式3
Rf1CHFCF2R1R2OH     式1a
式中的记号具有如下含义：
Rf1：氟原子或1-18个碳原子的多氟烷基；
R1、R2：与上述含义相同。
6.根据权利要求5所述的纯化方法，其中混合物含有未反应的自由基引发剂。
7.根据权利要求1所述的纯化方法，其中固体酸催化剂是阳离子交换树脂催化剂。
8.根据权利要求1所述的纯化方法，其中固体酸催化剂是沸石。
9.根据权利要求1所述的纯化方法，其中质子源是水。
10.根据权利要求1所述的纯化方法，其中质子源的用量为氟化羟基化合物的0.01-30％质量。
11.根据权利要求1所述的纯化方法，其中通过蒸馏获得作为馏出成分的氟化羟基化合物。
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