DE2627986C2 - Verfahren zur Herstellung von Perfluoralkoxypropionsäurefluoriden - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von Perfluoralkoxypropionsäurefluoriden

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Description

15 /
RF—C (H)
20 in der RF für Fluor oder einen perfluorierten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 7, vorzugsweise 1 bis 2 Kohlenstoffatomen steht, bzw. Oligomerisierung von Hexafluorpropenepoxid in einem aprotisch-polaren Lösungsmittel bei Temperaturen von -5O0C bis +200C, dadurch gekennzeichnet, daß man die Umsetzung in Gegenwart von Verbindungen der allgemeinen Formel
25 Ri F R3
R2 F R4
als Katalysator durchführt, wobei R1, R2, R3 und R4 Alkylreste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeuten und wobei auch zwei an dasselbe N-Atom gebundene Reste einen fünf- oder sechsgliedrigen Ring bilden können,
der durch Glieder der Gruppe —O—, N—(C1 -^ C4)-Alkyloder>N—CF2H einmal unterbrochen sein 35 kann.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Katalysator der allgemeinen Formel (III) einsetzt, der in situ aus einem Harnstoff der allgemeinen Formel
R1 R3
40 \ /
N-C-N (IV)
R2 X R4
45 in welcher X = O oder S sein kann und R1, R2, R3 und R4 die im Anspruch 1 angegebene Bedeutung haben,
durch Einleiten von Hexafluorpropenepoxid hergestellt worden ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man als Katalysator der allgemeinen Formel III Bis-dimethylaminodifluormethan einsetzt.
Die Herstellung von Perfluoralkoxypropionsäurefluoriden durch Addition von Hexafluorpropenepoxid an
Perfluorcarbonsäu.efluoride, insbesondere von Oligomeren des Hexafluorpropenepoxids (HFPO) in Gegen- Il
55 wart von Katalysatoren ist an sich bekannt. Nach der DE-OS 15 20 527 sind hierfür Alkalifluoride, wie Caesium- i$
fluorid, besonders geeignet. Man erhält nach diesem Verfahren lineare Polyäther mit einer breiten Molekularge-
wichtsverteilung. S|
In der canadischen Patentschrift 7 07 361 ist die Dimerisierung und Trimerisierung von HFPO bei +10 bis + ||
17°C unter Normaldruck mit Caesiumfiuorid als Katalysator beschrieben. Hier erfordern jedoch die verhältnis- ||
60 mäßig hohen Reaktionstemperaturen ein sehr langsames Eindosieren des umzusetzenden Epoxids. Ij
Nach der DE-OS 15 20 527 kann man ferner HFPO nahezu selektiv dimerisieren, wenn man es in Gegenwart ^
von Dimethylanilin bei Temperaturen von -15 bis -50C hält oder wenn man es nach der belgischen Patent- '-' schrift 7 51 076 in Acetonitril mit Silbernitrat als Katalysator behandelt. Im allgemeinen entstehen jedoch bei der HFPO-Polymerisation Produkte mit hohem Molekulargewicht und/oder hohem Verteilungsgrad. Trimere, 65 Tetramere, Pentamere können daher nur durch destillative Abtrennung erhalten werden, wobei die auftretenden höhermolekularen Anteile einen Zwangsanfall bilden, der im allgemeinen unerwünscht ist.
Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung von Perfluoralkoxypropionsäurefluoriden der allgemeinen Formel
CF3 \ CF3 ο
RF—04—CF-CF2- O 4- CF- C (Τ)
F
in welcher RF einen Perfluoralkylrest mit 1 bis 8, vorzugsweise mit 2 bis 3 Kohlenstoffatomen, und n = 0,1 oder 2 bedeutet, durch katalytische Addition von Hexafluorpropenepoxid an Perfluorcarbonsäurefluoride der allgemeinen Formel
Rf-C (Π)
F
in der RF für Fäuor oder einen perfluorierten Kohlenwasserstoffrest mit 1 bis 7, vorzugsweise 1 bis 2 Kohlenwasserstoffatomen steht, bzw. Oligomerisierung von Hexafluorpropenepoxid in einem aprotisch-polaren Lösungsmittel bei Temperaturen von -5O0C bis +200C, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man die Umsetzung in Gegenwart von Verbindungen der aligemeinen Formel
R, F R3
N—C—N (ffl)
R2 F R4
als Katalysator durchführt, wobei R1, R2, R3 und R4 Alkylreste mit 1 bis 4 Kohlenstoffatomen bedeuten und wobei auch zwei an dasselbe N-Atom gebundene Reste einen fünf- oder sechsgliedrigen Ring bilden können,
in der durch Glieder der Gruppe —O—, N—(C1 - C4)-Alkyl oder N — CF2H einmal unterbrochen sein
Besonders vorteilhaft ist es, wenn man als Perfluorcarbonsäurefluorid (II) Perfluorpropionsäurefluorid verwendet. Diese Verbindung entsteht unter den vorstehend genannten Reaktionsbedingungen aus HFPO in situ.
Die für die Reaktion verwendeten Katalysatoren der allgemeinen Formel (III) entstehen in situ durch Umsetzung von HFPO mit einem Harnstoff der allgemeinen Formel
Ri R3
N-C-N (IV)
/ Il \
R2 X R4
in welcher X = O oder S sein kann und R1, R2, R3 und R4 die vorstehende Bedeutung haben. Dieser Katalysator kann entweder direkt in der Reaktionsmischung hergestellt oder in einem gesonderten Verfahrensschritt vorher hergestellt werden.
Als Reste R1 bis R4 im Harnstoff (IV) sind Alkylreste mit ein oder zwei Kohlenstoffatomen oder, sofern zwei Reste in einem Ring verbunden sind, der Pyrrolidin-, Piperidin-, N-Methyl-piperazin-, N-Formyl-piperazin- oder der Morpholin-Rcst bevorzugt. Besonders bevorzugt als Katalysator für die erfindungsgemäße Reaktion ist Bisdimethylamino-difluormethan.
Die Verbindungen der Formel (III) erhält man durch Umsetzung der entsprechenden Harnstoffe der allgemeinen Formel (IV), gegebenenfalls in einem aprotisch-polaren Lösungsmittel, mit HFPO bei den obengenannten Reaktionstemperaturen, wobei die Carbonylgruppe in die -CF2-Gruppe und HFPO in Perfluorbrenztraubensäurefluorid übergeht. Diese Reaktion erfolgt formal nach folgender Reaktionsgleichung:
R1 R3 O
N —C—N + HFPO —> DJ + CF3-C(O)-C (V)
R2 X R4 F
Das hierbei entstandene Perfluorbrenztraubensäurefluorid bildet mit einem bzw. zwei weiteren Molekülen HFPO Perfluor-2-oxo-3,6-dimethyl-l,4-dioxan (VI) bzw. Perfluor-ar-(3,6-dimethyl-l,4-dioxanyl-2-oxy)-propionsäurefluorid (VII).
Der so erhaltene Katalysator III kann durch fraktionierte Destillation abgetrennt werden; seine Verwendung kann jedoch auch ohne seine Isolierung erfolgen. Die Cyclisierung des gebildeten Perfluorbrenztraubensäurefluorids V mit weiterem HFPO erfolgt so schnell, daß V nach beendeter Reaktion höchstens noch in untergeordneten Mengen vorhanden ist. Verwendet man die den Katalysator enthaltende Reaktionslösung für die
weitere Umsetzung von HFPO, so geht auch die Verbindung Vl (Dioxan) praktisch vollständig in das Perfluorpropionsäurefluorid (VII) über, dessen Anwesenheit im allgemeinen beim Einsatz der erfindungsgemäß erhaltenen Produkte nicht stört. Andernfalls kann man den Katalysator der allgemeinen Formel (III) auch, z. B. nach der Vorschrift der J. Am. Chem. Soc. 84 (1962), 4275 aus einer Verbindung der Formel (IV) und COF2 herstellen S und in reiner Form einsetzen.
Der Katalysator wird im allgemeinen in Mengen von 0,01 bis 0,5 Mol, vorzugsweise 0,05 bis 0,3 Mol, pro 100 ml Lösungsmittel eingesetzt. Größere Mengen sind an sich möglich, erbringen jedoch keinen Vorteil.
Setzt man zur Herstellung des Katalysators in situ den entsprechenden Harnstoff der allgemeinen Formel (IV)
ein, so wählt man die gleichen oder zweckmäßig etwas höhermolekulare Mengen an IV, also bis zu zweifach
ίο molare, vorzugsweise 1,2- bis 1,5-fach molare Mengen, bezogen auf die gewünschte Katalysator-Konzentration.
Die für die Oligomerisierung erforderlichen Reaktionstemperaturen liegen vorzugsweise bei -40 bis +50C, insbesondere bei -30 bis -100C.
Die erforderliche Lösungsmittelmeuge ist an sich nicht kritisch, da die gebildeten Oligomeren des HFPO in den verwendeten aprotisch-polaren Lösungsmitteln fast unlöslich sind und als zweite - meist schwerere Phase - ausfallen. Da aber das Lösungsmittel seinerseits in der Oligomerenphase nicht völlig unlöslich ist und bei der notwendigen intensiven Rührung z. T. in ihr dispergiert werden kann, ist es zweckmäßig, auf lOOO g eingesetztes bzw. umgesetztes HFPO etwa 50 bis 500 ml, vorzugsweise 100 bis 200 ml des aprotisch-polaren Lösungsmittels einzusetzen. Als solche kommen beispielsweise in Frage: Äther, wie Äthylenglykol-, Diäthylenglykol-, Tetraäthylenglykoldimethyläther, Diäthylenglykoldiäthyläther oder Nitrile, wie Acetonitril oder Propionitril. Sie können ohne wesentliche Beeinträchtigung der Reaktion bzw. des Oligomerisierungsgrades durch inerte unpolare Lösungsmittel wie Pentan, Hexan, Cyclohexan oder durch fluorhaltige Alkane wie Trifluortrichloräthan verdünnt werden. Diese Verdünnung kann mit bis zu zwei, vorzugsweise mit bis zu einem Volementeil erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird im allgemeinen derart durchgeführt, daß man Lösungsmittel, Peril uorcarbonsäurefluorid und Katalysator vorlegt und bei Reaktionstemperatur HFPO einleitet. Geht man von in situ hergestelltem Perfluorpropionsäurefluorid, d. h. von HFPO allein aus, so wird das erfindungsgemäße Verfahren in bevorzugter Ausführungsform derart durchgeführt, daß man Katalysator und Lösungsmittel vorlegt und das HFPO entweder gleichfalls vorlegt oder bei Reaktionstemperatur einleitet. Man kann auch Lösungsmittel und Epoxid vorlegen und den Katalysator (bzw. Tetramethylharnstoff) langsam zutropfen.
Der erzielte Additionsgrad beträgt zwischen 1 und 5, der erzielte Oligomerisierungsgrad zwischen 2 und 6, je nach Reaktionsbedingungen. Dimere erhält man bevorzugt beim Arbeiten im oberen Temperaturbereich (0 bis +200C) und hohen Epoxid-Konzentrationen, insbesondere bei vorgelegtem Epoxid unter autogenem Druck. Trimere bis Pentamere erhält man dagegen bevorzugt bei tieferen Temperaturen (-15 bis -300C) und geringeren Konzentrationen an Epoxid, insbesondere bei gasförmigem Einleiten unter etwa Atmosphärendruck.
Die Aufarbeitung erfolgt im allgemeinen destillativ, indem man zunächst nicht umgesetztes HFPO sowie anwesendes HFP abdestilliert, die Oligomerenphase abtrennt und fraktioniert destilliert. Die Lösungsmittelphase, die den Katalysator enthält, kann für weitere Reaktionen eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch folgende Beispiele erläutert.
Beispiel 1
In einem Rührkolben, versehen mit Gaseinleitungsrohr, Intensivkühlung (CO2/CH2C12), Thermometer und Kältebad werden 15 g Bisdimethylaminodifluormethan und 75 ml Tetraäthylenglykoldimethyläther vorgelegt und im Laufe von 18 Stunden bei -30 bis -25°C 500 g eines Gemisches aus HFPO und Hexafluorpropen (HFP) (im Gewichtsverhältnis 65:35) eingeleitet. Anschließend wird nochmals 18 Stunden nachgerührt. Man erhält nach Erwärmen auf Raumtemperatur und Abtrennen der schwereren Phase 450 g Roholigomerisat (HFP-haltig), welches destillativ aufgearbeitet wird. Man erhält
CF3 O
I Il
192 g C3F7-O-C3F6-O-CF-CF(HFPO)3 Sdp. 112 bis 116°C
CF3 O
I Il
100 g C3F7-(O-C3Fs)2-O-CF-CF(HFPO)4 Sdp. 158 bis 166°C
Rückstand 20 g
Beispiel 2
In einer Apparatur wie in Beispiel 1 werden zu einer Lösung aus 50 g Tetramethylharnstoff (TMH) in 100 ml Tetraäthylenglykoldimethyläther bei -30 bis -250C 1000 g eines Gemisches aus HFPO/HFP (Gewichtsverhältnis 1 ; 1) mit einer Dosiergeschwindigkeit von 15 bis 20 l/h eingeleitet und 10 Stunden bei -25°C nachgerührt. Es wird auf Raumtemperatur erwärmt und die sich abscheidende schwerere Phase destilliert. Man erhalt
34 g (HFPO)2 Sdp. 52 bis 56°C
249 g (HFPO),
156 g (HFPO)4
Rückstand 37 g
Ein ähnliches Resultat wird beim Einsatz von 25 g Tetramethylharnstoff erzielt.
Beispiel 3
15 g TetramethylthioharnstofT und 100 ml Diäthylenglykoldiäthyläther werden wie in Beispiel 2 mit 600 g HFPO-HFP-Gemisch (Gewichtsverhältnis 65:35) mit einer Dosiergeschwindigkeit von 15 l/h bei -25 bis 2O0C versetzt. Anschließend wird noch 2 Stunden bei -200C nachgerührt. Nach Erwärmen und Abgasen des unter den Reaktionsbedingungen inerten HFP wird die abgetrennte untere Phase mit 300 ml Acetonitril gewaschen und destilliert. Man erhält
50 g (HFPO)2
157 g (HFPO)3
87 g (HFPO)4
Rückstand 18 g
Beispiel 4
In einer Apparatur wie in Beispiel 1 werden 50 ml Trifluortrichloräthan, 50 ml Tetraäthylenglykoldimethyläther und 50 g TetramethylharnstofTvorgelegt und 620 g HFPO/HFP-Gemisch (Gewichtsverhältnis 70:30) bei -25 bis 300C mit einer Dosiergeschwindigkeit von 5-10 l/h zudosiert. Es wird 3 Stunden nachgerührt und die abgetrennte schwerere Phase mit 300 ml Acetonitril gewaschen und destilliert. Man erhält
Vorlauf bis 460C 45 g
173 g (HFPO)4
191 g (HFPO)5
Rückstand 19 g
Beispiel 5
Zu einer Mischung aus 30 ml Trifluortrichloräthan und 3C ml Tetraäthylenglykoldimethyläther werden wie in Beispiel 1 20 g Bis-dimethylamino-difluormethan zugegeben und bei -30 bis -25°C über die Dauer von 16 Stunden 400 g 80- bis 85%iges HFPO eingeleitet. Anschließend läßt man noch zwei Stunden nachrühren und destilliert dann die sich abscheidende schwerere Phase nach Wäsche mit 100 ml Acetonitril auf (394 g). Man erhält
21 g (HFPO)2
124 g (HFPO)3
147 g (HFPO)4
40 g höher oligomerisiertes Material
Beispiel 6
Zu einer Lösung aus 232 g Tetramethylharnstoff in 200 ml Tetraäthylenglykoldimethyläther werden in einer Apparatur wie in Beispiel 1 mit einer Dosiergeschwindigkeit von 15 bis 20 l/h 1800 g eines Gemisches aus 70% HFPO und 30% HFP bei -25 bis -200C eingeleitet. Anschließend wird 4 Stunden nachgerührt und die Temperatur auf Raumtemperatur ansteigen lassen. Die beiden entstandenen Phasen werden voneinander getrennt und die obere Phase bei einem Vakuum von 6,67 mbar bei 40 bis 500C andestilliert. Das entweichende Material (43 g) wird in einer Kältefalle aufgefangen und nochmals destilliert. Neben einem Vorlauf vom Sdp. 72 bis 1000C (15,5 g) und einem Rücklauf von 10 g erhält man 17,5 g Bis-dimethylaminodifluormethan vom Sdp. 100 bis 103°C, identifiziert durch 1H-NMR, 19F-NMR und IR-Spektrum.
Der nach dieser Vakuumdestillation verbleibende Rückstand wird nun ebenfalls destilliert. Man erhält 171g unumgesetzter. Tetrarnethylharnstoff zurück.
Die Destillation des fluororganischen Phase erbringt:
50 g (HFPO)2
480 g (HFPO)3 482 g (HFPO)4
als Rückstand verbleiben 109 g höher oligomerisiertes Material.
Beispiel 7
In einem Autoklaven werden 100 g TMH und 150 ml Diäthylenglykoldiäthyläther vorgelegt und 1700 g eines Gemisches aus HFPO und HFP (Gewichtsverhältnis 70:30) einkondensiert. Es wird 12 Stunden bei 0 bis 5°C und anschließend nochmals 12 Stunden bei Raumtemperatur gerührt. Der Autoklav wird entspannt, wobei 439 g eines Gemisches aus HFP und Perfluorpropionsäurefluorid (Gewichtsverhältnis 75:25) entweichen.
Die Destillation der abgetrennten Oligomeren ergibt
920 g (HFPO)2
126 g höher oligomerisiertes Material

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung von Perfluoralkoxypropionsäurefluoriden der allgemeinen Formel 5 ( CF5 \ CF, ο
Rf-O-^- CF-CF2-O-J^CF-C (I)
in welcher RF einen Perfluoralkylrest mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und η = O,1 oder 2 bedeutet, durch katalytische Addition von Hexafluorpropenepoxid an Perfluorcarbonsäurefluoride der allgemeinen Formel
DE2627986A 1976-06-23 1976-06-23 Verfahren zur Herstellung von Perfluoralkoxypropionsäurefluoriden Expired DE2627986C2 (de)

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