DE2614333A1 - Verfahren zum katalytischen umsetzen von hexafluorpropylenepoxid mit ketonen oder saeurefluoriden - Google Patents
Verfahren zum katalytischen umsetzen von hexafluorpropylenepoxid mit ketonen oder saeurefluoridenInfo
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Description
Dr. Ir.g.'.V^.-.rAoiiz
Dr. Dif-U-r V-. U-.oti
Dr. HanorA. Brauns 2# April lg?6
Dr. Dif-U-r V-. U-.oti
Dr. HanorA. Brauns 2# April lg?6
B München 86, P.eüzenaüersü·. 28
E.I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY 10th and Market Streets, Yfilmington, Delaware 19 898, V.St.A.
Verfahren zum katalytischen Umsetzen von Hexafluorpropylenepoxid mit Ketonen oder Säurefluoriden
Die Erfindung betrifft die katalytische Herstellung von Fluorkohlenstoff
äthern, die gleichzeitig Säurefluoride sind.
Die US-PS 3 250 808 beschreibt die katalytische Herstellung von Fluorkohlenstoffäthern durch Umsetzung von Hexafluorpropylenepoxid
mit Fluoralkansäurefluoriden und Fluoralkanonen. Zu den in dieser Patentschrift offenbarten Verbindungen gehören
diejenigen der allgemeinen Formel
: CFOCFCOF
R" »
in der R' und R" verschiedene fluorhaltige Gruppen bedeuten.
Ein geeigneter Katalysator für die Umsetzung gemäss der US-PS
3 250 808 ist Aktivkohle oder energiereiche ionisierende Teilchenstrahlung. Weitere, in der Patentschrift genannte Katalysatoren
sind Fluoride von einwertigen Metallen, insbesondere
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Alkalifluoride, quartäre Ammoniumfluoride und Alkaliperfluoralkoholate.
Die Erfindung betrifft die katalytisch^ Umwandlung von Hexafluorpropylenepoxid
mit einem Keton oder einem Saurefluorid
unter Verwendung eines Sulfoniumhalogenides oder einer Komplexverbindung
desselben als Katalysator.
Als Umsetzungsprodukt von Hexafluorpropylenepoxid und dem Keton oder dem Säurefluorid erhält man einen eine Säurefluoridgruppe
enthaltenden Äther der allgemeinen Formel
.CFOCFCOF
in der R„ und R, unabhängig voneinander Fluor, Fluoralkylgrup-
CL D
pen oder sulfonylsubstituierte Fluoralkylgruppen mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen, Fluoralkoxygruppen oder sulfonylsubstituierte
Fluoraikoxygruppen mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen oder
Fluoralkoxyalkylgruppen oder sulfonylsubstituierte Fluoralkoxyalkylgruppen mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen und 1 bis 6
Sauerstoffatomen bedeuten. Die Ketone und Säurefluoride haben die allgemeine Formel
Ra - C - R,
a D »
a D »
in der R& und R^ die obigen Bedeutungen haben.
Es wurde gefunden, dass man bei der Herstellung der gewünschten Verbindungen ausgezeichnete Ergebnisse erhält, wenn man
als Katalysator ein Sulfoniumhalogenid oder eine Komplexverbindung desselben verwendet. Ein Beispiel für eine geeignete
Klasse von Sulfoniumhalogeniden sind solche der allgemeinen Formel R1R2R-^S X~, in der R1, R2 und R, unabhängig voneinander
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Alkylgruppen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen, Dialkylaminogruppen mit Alkylgruppen von je 1 bis 5 Kohlenstoffatomen oder
Dialkylaminogruppen bedeuten, die ein Stickstoffatom als Teil eines gesättigten Ringes mit 5 bis 7 Ringkohlenstoffatomen
aufweisen, der du^ch eine Alkylgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen
substituiert sein kann, während X Fluor, Chlor, Brom oder Jod bedeutet.
Die Umsetzung von Hexafluorpropylenepoxid mit einem Keton oder
einem Säurefluorid wird gemäss der US-PS 3 250 808 mit dem Unterschied durchgeführt, dass ein anderer Katalysator verwendet
wird. Der erfindungsgemäss verwendete Katalysator ist ein-Sulfoniumhalogenid
oder eine Komplexverbindung desselben. Obwohl man als Ausgangskatalysator bei der Reaktion ein anderes
Sulfoniumhalogenid als das Fluorid oder eine Komplexverbindung
eines solchen Halogenides verwenden kann, erfolgt während der Reaktion wahrscheinlich eine Umwandlung zu dem Sulfoniumfluorid
bzw. der Komplexverbindung desselben. Daher kann sich die Halogenidform,' in der der Katalysator zu Anfang vorliegt,
mit fortschreitender Umsetzung ändern.
Das als Reaktionsteilnehmer verwendete Keton oder Säurefluorid
hat die allgemeine Formel
R a - c - Rb
in der R& und R^ unabhängig voneinander Fluor, Fluoralkylgruppen
oder sulfonylsubstituierte Fluoralkylgruppen mit 1 bis 14
Kohlenstoffatomen, Fluoralkoxygruppen oder sulfonylsubstituierte Fluoralkoxygruppen mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen oder
Fluoralkoxyalkylgruppen oder sulfonylsubstituierte Fluoralkoxyalkylgruppen
mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen und 1 bis 6 Sauerstoffatomen bedeuten.
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26H333 t
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Die katalytische Umsetzung von Hexafluorpropylenepoxid mit dem Keton oder Säurefluorid führt zur Bildung der Verbindung der
allgemeinen Formel
TCFOCFOF
.Rb
in der R und R^ die obigen Bedeutungen haben.
in der R und R^ die obigen Bedeutungen haben.
Eine bevorzugte Gruppe von Katalysatoren sind Sulfoniumhalogenide der allgemeinen Formel R^RpR^S X~, in der R^, R2
und Κ-? unabhängig voneinander Alkylgruppen mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen,
Dialkylaminogruppen mit je 1 bis 5 Kohlenstoffatomen in der Alkylgruppe oder Dialkylaminogruppen bedeuten,
die Stickstoff als Teil eines gesättigten Ringes mit 5 bis 7 Ringkohlenstoffatomen aufweisen, der durch eine Alkylgruppe
mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen substituiert sein kann, während X Fluor, Chlor, Brom oder Jod bedeutet. Bevorzugte Komplexverbindungen
der Sulfoniumhalogenide sind diejenigen der allgemeinen Formel R1R2R5S+X--SiFR^RcRg, in der R1, R2, R, und X
die obigen Bedeutungen .haben und R^, R^ und Rg unabhängig
voneinander Alkylgruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeuten.
Die Umsetzung des Hexafluorpropylenepoxids mit dem Keton oder Säurefluorid kann in flüssiger Phase in Gegenwart eines organischen
polaren Lösungsmittels durchgeführt werden, dessen Polarität ausreicht, um das Hexafluorpropylenepoxid in Lösung
zu bringen. Das Lösungsmittel verhält sich bei der Reaktion indifferent und soll unter den angewandten Bedingungen von
Temperatur und Druck flüssig sein. Geeignete Lösungsmittel sind aliphatische Polyäther mit 4 bis 16 Kohlenstoffatomen und
Kohlenwasserstoffnitrile mit 2 bis TO Kohlenstoffatomen, wie
- 4 _
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Diäthylenglykoldimethyläther, Dioxan, Propionitril, Benzonitril und Acetonitril. Andere Lösungsmittel, die keine Nitrile
oder Polyäther sind, sind Dimethylsulfoxid, N-Methylpyrrolidon,
Nitroäthan und Tetrahydrofuran.
Die allgemeinen Reaktionsbedingungen, wie Temperatur und Druck, sind nicht besonders ausschlaggebend und können innerhalb
weiter Grenzen variieren. Eine Reaktionstemperatur von ~80 bis +200° C ist zufriedenstellend; vorzugsweise arbeitet
man im Temperaturbereich von -30 bis +100 C. Auch der Druck ist für die Herstellung des gewünschten Reaktionsproduktes
nicht ausschlaggebend und kann im Bereich von unterhalb des Atmosphärendrucks bis zu mehreren hundert at liegen. Temperatur
und Druck werden so gewählt, dass Verluste an Hexafluorpropylenepoxid, z.B. durch Verdampfen, vermieden werden.
Auch die Konzentration an Sulfoniumhalogenid oder Komplexverbindung
ist für die Umsetzung des Hexafluorpropylenepoxids nicht kritisch. Im allgemeinen beträgt die Katalysatorkonzentration
mindestens 0,01 Gewichtsprozent des Hexafluorpropylenepoxids. Katalysatorkonzentrationen von mehr als 10 % wären
unwirts chaftlich.
Das Verfahren gemäss der Erfindung zur Umsetzung von Hexafluorpropylenepoxid
mit einem Keton oder Säurefluorid wird nach der Lehre der US-PS 3 250 808 durchgeführt; es werden
die gleichen Reaktionsbedingungen, z.B. Katalysatorkonzentrationen, Lösungsmittel, Temperaturen und Drücke, angewandt,
mit dem Unterschied, dass der Katalysator im vorliegenden Falle nicht ein Fluorid eines einwertigen Metalls ist.
Die Fluorkohlenstoffäther der allgemeinen Formel
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ICFOCFCOF
t
t
R'b
(in der R und R, die obigen Bedeutungen haben) eignen sich als Zwischenprodukte bei der Herstellung von Tensiden,
Schmiermitteln und Polymeren. Die Äther können z.B. an den Endgruppen verkappt und unmittelbar als Tenside verwendet werden.
Ferner können die Fluorkohlenstoffather nach bekannten
Verfahren, z.B. durch Erhitzen mit Natriumcarbonat, in vinylgruppenhaltige
Äther übergeführt werden. Diese Vinyläther können zu wertvollen Polymerisaten copolymerisiert werden.
Wenn man von sulfonylgruppenhaltigen Vinyläthern ausgeht, sind die entstehenden Polymerisate nach Umwandlung der Sulfonylgruppen
in lonenaustauschgruppen als Ionenaustauscher verwertbar.
Die Herstellung dieser Polymerisate einschliesslich von Ionenaustauschern ist an sich bekannt. .
Ein 320 ml fassendes Rohr aus rostfreiem Stahl wird mit 2,0 g [CH-f—/ N] ,S+F".S1F(CH3)^ (Komplexverbindung aus Trimethyl-
fluorsilan und Tris-4-methylpiperidinosulfoniumfluorid),
30 ml Acetonitril, 42 g Trifluoracetylfluorid und 60 g Hexafüuorpropylenepoxid
beschickt. Das Reaktionsgemisch wird 2 Stunden auf 30° C erwärmt. Die flüchtige Fraktion enthält nichtumgesetztes
Trifluoracetylfluorid und Perfluorpropionylfluorid. Die untere Fluorkohlenstoffschicht des flüssigen Produkts
wiegt 10,0 g und wird abgetrennt. Durch gaschromatographische Analyse und Infrarotanalyse wird festgestellt, dass
die Schicht hauptsächlich Perfluor-2-äthoxypropionyIfluorid
und das Dimere von Hexafluorpropylenepoxid im Verhältnis
1,43:1,0 enthält. Ein weiterer Nachweis für die Struktur wird
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durch Umsetzung des ^ «r-;-.Iuor-2-äthoxypropionylfluorids mit
Methanol zu Perfluor-2-ä:;"iJxypropionsäuremethylester geführt,
B e i s ρ i e 1 2
Ein mit Magnetrührer, Thermometer, Gaseinleitungsrohr und einem durch Trockeneis gekühlten Kühler ausgestatteter Rundkolben
wird unter Stickstoff mit ^30 ml Acetonitril, 1,4 g
[(CH3)2N]3S+F~«FSi(CH3)3 (Komplexverbindung aus Trimethylfluorsilan
und Tris-dimethylaminosulfoniumfluorid) und 32,6 g
Perfluorvalerylfluorid beschickt. Wenn man in das Reaktionsgemisch Hexafluorpropylenepoxid einleitet, findet eine exotherme
Reaktion statt. Nach Zusatz von 20,0 g Epoxid bei 30 bis 35 C kühlt man das Reaktionsgemisch und trennt die untere
Fluorkohlenstoffschicht (47,2 g) ab. Die gaschromatographische
Analyse zeigt, dass diese Schicht zu 59 % aus Perfluor-2-npentoxypropionylfluorid
sowie dem Dinieren und Trimeren von Hexafluorpropylenepoxid und nicht-umgssetztem Perfluorvalerylfluorid
besteht. Durch Destillation erhält man 16,3 g chromatographisch reines Perfluor-2-n-pentoxypropionylfluorid;
Kp 101° C [gemäss US-PS 3 250 808 Kp 101-103° C]. Die Struktur
dieser Verbindung wird -weiter durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie
und Infrarotspektroskopie sowie durch Umsetzung mit Methanol zu Perfluor-2-n-pentoxypropionsäuremethylester
(Kp 144° C) bestätigt. Die Struktur des letztgenannten Esters wird durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie und Infrarotspektroskopie
sowie durch Verseifung zu Natriumperfluor-2-npentoxypropionat
durch Erhitzen mit wässriger Natronlauge und anschliessende Pyrolyse des trockenen Salzes zu Perfluor-[npentylvinyl]-äther
(Kp 86° C) bestätigt. Die Struktur der letztgenannten Verbindung wird durch NMR-, IR- und Massenspektrometrie
sowie durch Umsetzung mit Brom zu Perfluor-npenty.1-1,2-dibrom-1,2,2-trifluoräthyläther
(Kp 152° C) bestätigt. Die Struktur der letztgenannten Verbindung wird durch kernmagnetische Resonanzspektroskopie bestätigt.
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Beispiel 3
Beispiel 3
Nach dem Verfahren des Beispiels 1 werden 1,4 g
[(CH,)ON],S F--SiF(CH^), (Komplexverbindung aus Trimethylj <- j Jj
fluorsilan und Tris-dimethylaminosulfoniumfluorid), 30 ml
Acetonitril, 47 g Fluorsulfonyldifluoracetylfluorid und 80 g
Hexafluorpropylenepoxid 3 Stunden auf 50° C erhitzt. Nach dem Entfernen der flüchtigen Stoffe werden 86 g einer unteren
Fluorkohlenstoffschicht abgetrennt. Die gaschromatographische
Analyse zeigt drei Hauptbestandteile, nämlich das Dimere von Hexafluorpropylenepoxid, FSO2F2CF2OCF(Cf3)COF und
OCF(Cf3)CF2OCF(CF3)COF im Verhältnis 1,00:2,54:1,22,
Nach dem Verfahren des Beispiels 1 werden 1,6 g [(CH3)2N]3S+F~«SiF(CH3)3, 60 ml Diäthylenglykoldimethyläther,
30 ml Acetonitril, 47 g FSO2CF2COF und 80 g Hexafluorpropylenepoxid
1 Stunde auf 50° C und 2 Stunden auf 60° C erhitzt. Man erhält 115,4 g einer unteren Fluorkohlenstoffschicht. Durch
gaschromatographische* Analyse wird festgestellt, dass diese Schicht das Dimere von Hexafluorpropylenepoxid, die Verbindung
FSO2CF2CF2OCf(CF3)COF, das Trimere von Hexafluorpropylenepoxid,
die Verbindung FSO2CF2CF2OCF(CF3)CFOCf(CF3)COF und die
Verbindung FSO2CF2CF2OCF(CF3)CF2OCF(CF3)CF2OCf(CF3)COF im Verhältnis
1,00:0,39:0,17:1,90:0,19 enthält.
Nach dem Verfahren des Beispiels 1 werden 2,0 g (CH3)^5S+J"
[Trimethylsulfoniungodid], 30 ml Acetonitril und je 40 g Hexafluoraceton
und Hexafluorpropylenepoxid 3 Stunden bei 25°' C geschüttelt. Nach dem Ablassen der flüchtigen Stoffe wird die
untere, klare Fluorkohlenstoffschicht·destilliert. Man erhält 62,8 g C3F7OCF(CF3)COF; Kp 56° C. Durch gaschromatographische
Analyse wird festgestellt, dass das Produkt zu mehr als 99 % aus (CF3)2CF0CF(CF3)COF besteht.
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Claims (5)
1. Verfahren zum katalytischen Umsetzen von Hexafluorpropylenepoxid
mit einer Verbindung der allgemeinen Formel
Ra * S - Rb
in der R und R. unabhängig voneinander Fluor, Fluoralkyl-
in der R und R. unabhängig voneinander Fluor, Fluoralkyl-
el O
gruppen mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen, sulfonylsubstituierte
Fluoralkylgruppen mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen, Fluoralkoxygruppen
mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen, sulfonylsubstituierte
Fluoralkoxygruppen mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen, Fluoralkoxyalkylgruppen mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen
und 1 bis 6 Sauerstoffatomen oder sulfonylsubstituierte Fluoralkoxyalkylgruppen mit 1 bis 14 Kohlenstoffatomen
und 1 bis 6 Sauerstoffatomen bedeuten, dadurch gekennzeichnet, dass man als Katalysator ein Sulfoniumhalogenid
oder eine Komplexverbindung desselben verwendet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Katalysator ein Sulfoniumfluorid verwendet.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Katalysator der allgemeinen Formel R^RpR^S X*~
oder eine Komplexverbindung desselben verwendet, wobei R^,
R2 und R, unabhängig voneinander Alkylgruppen mit 1 bis 20
Kohlenstoffatomen, Dialkylaminogruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen je Alkylgruppe, Dialkylaminogruppen, die
Stickstoff als Teil eines gesättigten Ringes mit 5 bis 7
— Q —
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Ringkohlenstoffatomen aufweisen, oder Dialkylaminogruppen
bedeuten, die Stickstoff als Teil eines gesättigten Ringes mit 5 bis 7 Ringkohlenstoffatomen aufweisen, der durch
eine Alkylgruppe mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen substituiert ist, während X Fluor, Chlor, Brom oder Jod bedeutet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Katalysator der allgemeinen Formel R,, R-R^S X
verwendet, in der X Fluor bedeutet.
5. Verfahren nach Anspruch 31 dadurch gekennzeichnet, dass
man als Katalysator einen solchen der allgemeinen Formel R^R2R^S+X".SiFR^Rj-Rg verwendet, in der R^, R5 und Rg unabhängig
voneinander Alkylgruppen mit 1 bis 5 Kohlenstoffatomen bedeuten.
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