-
GEBIET DER
ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von α,ω-Dijodperfluoralkanen aus
der Reaktion von Tetrafluorethylen und 1,2-Dijodperfluorethan mit
einer periodischen Entnahme des Nebenproduktes Perfluorcyclobutan.
-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Es
ist bekannt, dass α,ω-Dijodperfluoralkane,
dargestellt durch die Formel I-(CF2CF2)n-I, in welcher
n eine ganze Zahl von 2 bis 6 darstellt, nützlich sind als Reagenzien
für die
Synthese von verschiedenen Fluorchemikalien und Fluorpolymeren.
Zum Beispiel offenbaren Carlson et al. (U.S. Patent No. 5,214,106)
Fluorelastomere mit endständigen
Jodgruppen, die durch eine Polymerisation in Gegenwart von einem
oder von mehreren dieser α,ω-Dijodperfluoralkane
gebildet worden sind.
-
Im
Allgemeinen erfordert die Herstellung von α,ω-Dijodperfluoralkanen aus Jod
und aus Tetrafluorethylen (TFE) oder aus 1,2-Dijodperfluorethan
und TFE eine hohe Reaktionstemperatur (> 240°C)
und einen hohen TFE Druck (> 3,1
MPa) für
eine vernünftige
Umwandlung und einen vernünftigen
Ertrag (das heisst weniger als 40 Molprozent an nicht reagiertem 1,2-Dijodperfluorethan
verbleiben in der Produktmischung).
-
Bedford
und Baum (J. Org. Chem. 1980, 45, 347-348) offenbaren ein Verfahren
im Laboratoriumsmaßstab
zur Herstellung von α,ω-Dijodperfluoralkanen
durch eine Telomerisation von Jod und Tetrafluorethylen. Der Ertrag
und die Umwandlung sind jedoch ganz schlecht.
-
Suzuki
et al. (JP 61-31084) offenbaren die Herstellung von 1,4-Dijodperfluorbutan
(und Dijodperfluoralkanen von einer höheren Ordnung) durch die thermische
Zerlegung von 1,2-Dijodperfluorethan mit
der vorherigen Zugabe von Jod und einem Inertgas in den Reaktor.
Die Umwandlung ist jedoch noch ziemlich niedrig und das daraus resultierende
Produkt muss von einer großen
Menge von Jod getrennt werden.
-
Tortelli
et al. (Journal of Fluorine Chemistry, 47, 199-217 (1990) beschreiben
eine Telomerisation von i) TFE mit Jod und ii) Hexafluorpropen mit
einem α,ω-Dijodperfluoralkan,
um lineare bzw. verzweigte α,ω-Dijodperfluoralkane
bei einem hohen Druck herzustellen.
-
GB 1301617 offenbart ein
Verfahren zum Herstellen von α,ω-Dijodperfluoralkanen
durch eine mit Hilfe von freien Radikalen katalysierte Reaktion von
Dijodtetrafluorethan mit TFE. Eine Rückführung von nicht reagiertem
TFE wird nicht beschrieben.
-
GB 1218528 offenbart ein
Telomerisationsverfahren eines sekundären Perfluorallcyljodids mit TFE,
um ein fluoriertes Alkyljodidtelomer von einer höheren Ordnung zu bilden, wobei
dieses Verfahren bei hohen Temperaturen betrieben wird.
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, α,ω-Dijodperfluoralkane unter
relativ milden Umständen
in einem Verfahren herzustellen, welches sich durch relativ hohe
Umwandlungen auszeichnet und in welchem minimale Mengen an Jod von
den hergestellten Dijodperfluoralkanen getrennt werden müssen.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
Anmelder haben ein unter einer relativ niedrigen Temperatur und
unter einem relativ niedrigen Druck ablaufendes Verfahren für die Herstellung von
Dijodperfluoralkanen mit annehmbaren Umwandlungsraten entwickelt.
Demgemäß besteht
ein Aspekt der vorliegenden Erfindung in einem Verfahren zur Herstellung
von α,ω-Dijodperfluoralkanen, welches
die darin bestehenden Schritte umfasst:
- A.
1,2-Dijodperfluorethan in einem Reaktor auf eine Temperatur zwischen
200°C und
240°C zu erwärmen;
- B. eine gewisse Menge an Tetrafluorethylen derart in den Reaktor
hinein zu geben, dass sich daraus in dem Reaktor ein Gesamtdruck
zwischen 1,7 und 3,4 MPa ergibt;
- C. die Temperatur und den Druck während einer gewissen Zeitdauer
beizubehalten, um eine Mischung aus α,ω-Dijodperfluoralkanen und Perfluorcyclobutan
herzustellen;
- D. die Mischung auf eine Temperatur unter 75°C abzukühlen und dann das gasförmige Perfluorcyclobutan
und das nicht in Reaktion getretene Tetrafluorethylen aus dem Reaktor
zu entfernen, was in dem Reaktor eine flüssige Mischung zurücklässt;
- E. die flüssige
Mischung auf eine Temperatur zwischen 160°C und 235°C zu erwärmen; und
- F. die Schritte B) – E)
mindestens einmal zu wiederholen, bis eine gewünschte Mischung aus α,ω-Dijodperfluoralkanen
entsprechend der Formel I-(CF2CF2)n-I hergestellt
ist, in welcher n eine ganze Zahl von 2 bis 6 darstellt.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN
-
Die
vorliegende Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung
von α,ω-Dijodperfluoralkanen
aus 1,2-Dijodperfluorethan und aus Tetrafluorethylen (TFE). Die
durch dieses Verfahren hergestellten α,ω-Dijodperfluoralkane entsprechen
der Formel I-(CF2CF2)n-I, in welcher n eine ganze Zahl von 2 bis 6
darstellt.
-
In
dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird 1,2-Dijodperfluorethan
zuerst in einem Reaktor bis auf eine Temperatur erwärmt, welche
ausreichend dafür
ist, dasselbe thermisch in das I-(CF2CF2)·Radikal
zu zerlegen. Diese Temperatur liegt typischerweise in dem Bereich
von 200° bis 240°C, vorzugsweise
von 210° bis
235°C und
am stärksten
bevorzugt von 220° bis
230°C.
-
Ein
molarer Mengenüberschuss
an Tetrafluorethylen wird dann dem Reaktor zugeführt, so dass der gesamte Reaktordruck
in dem Bereich von 1,7 bis 3,4 MPa liegt (vorzugsweise von 2,1 bis
3,1 MPa und am stärksten
bevorzugt von 2,6 bis 2,9 MPa). Die Temperatur und der Druck werden
in diesem Bereich während
einer gewissen Zeitdauer aufrechterhalten, typischerweise während einer
Zeitdauer von 5 bis 20 Stunden, um es der Telomerisationsreaktion
zu ermöglichen
abzulaufen, was zu α,ω-Dijodperfluoralkanen
führt.
-
Während dieser
Reaktionsperiode bildet eine gleichzeitig ablaufende, konkurrierende
Reaktion das Nebenprodukt Perfluorcyclobutan über eine Dimerisierung von
TFE. Das Perfluorcyclobutan hemmt die Bildung von den α,ω-Dijodperfluoralkanen.
Die Anmelder haben herausgefunden, dass das Entfernen des Perfluorcyclobutans
(das heisst TFE-Dimer) aus dem Reaktor im Verlauf des Reaktionszeitraumes
die Umwandlung von 1,2-Dijodperfluorethan in einem starken Maße verbessert.
Daher wird während
des Reaktionszeitraumes mindestens einmal (vorzugsweise mindestens
zweimal, am stärksten
bevorzugt mindestens dreimal) die Mischung in dem Reaktor auf eine
Temperatur bis unter 75°C
abgekühlt,
so dass das nicht in Reaktion getretene 1,2-Dijodperfluorethan und
die α,ω-Dijodperfluoralkane
sich in einem flüssigen
Zustand befinden. Nicht in Reaktion getretenes TFE und gasförmige Perfluorcyclobutane
werden dann aus dem Reaktor entladen.
-
Ein
jedes Mal, nachdem die Perfluorcyclobutane entladen worden sind,
wird die in dem Reaktor zurückgelassene
verbleibende flüssige
Mischung erneut auf eine Temperatur zwischen 160° und 235°C erwärmt. Der Reaktor wird mit einem
molaren Überschuss
an TFE beladen, um so zu einem gesamten Reaktordruck in dem Bereich
zwischen 1,7 und 3,4 MPa zu führen
(vorzugsweise von 2,1 bis 3,1 MPa und am stärksten bevorzugt von 2,6 bis
2,9 MPa), und es wird der Telomerisationsreaktion ermöglicht fortzuschreiten.
-
Wahlweise
kann das Verfahren gemäß dieser
Erfindung mit der Reaktion von Jod und TFE beginnen, um 1,2-Dijodperfluorethan
herzustellen, welches dann thermisch zerfällt, um das I-(CF2CF2)·Radikal
zu bilden und das Verfahren läuft
so wie oben weiter ab.
-
BEISPIELE
-
VERGLEICHENDES
BEISPIEL A
-
Ein
Einliterreaktor wird mit Jod (500 Gramm) und Tetrafluorethylen (TFE,
80 Gramm) beladen. Der Reaktor wird auf 130°C erwärmt und es wird zusätzliches
TFE (120 Gramm) mit einer Geschwindigkeit von 1 Gramn/Minute in
den Reaktor geladen. Nachdem die Zugabe abgeschlossen ist, wird
der Reaktor auf 225°C
erwärmt.
Ein weiterer Teil an TFE (300 Gramm) wird dann mit der Geschwindigkeit
von 1 Gramm/Minute hinzugefügt.
Nachdem die TFE-Zugabe abgeschlossen ist, wird es der Reaktion ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von 12 Stunden bei 245°C in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Während
des überviegenden
Teils der Reaktionsperiode liegt der Druck in dem Bereich von 3,65-3,86
MPa. Nach der Abkühlung
und nach dem Entladen wiegt die erzielte Produktmischung 550 Gramm.
Eine Gaschromatographieanalyse liefert einen Hinweis, dass dieses
Produkt eine Zusammensetzung aufweist von C2:C4:C6:C8:C10 = 7,29:48,27:29,68:10,50:3,64 (Molprozent),
wobei die Abkürzungen
C2, C4, C6, C8 und C10 jeweils stehen für 1,2-Dijodperfluorethan; 1,4-Dijodperfluorbutan;
1,6-Dijodperfluorhexan; 1,8-Dijodperfluoroctanund 1,10-Dijodperfluordecan.
-
VERGLEICHENDES
BEISPIEL B
-
Ein
Eingallonen-Autoklav wird mit Jod (1700 Gramm) und Tetrafluorethylen
(TFE, 272 Gramm) beladen. Der Reaktor wird auf 130°C erwärmt und
es wird zusätzliches
TFE (408 Gramm) mit einer Geschwindigkeit von 4 Gramm/Minute in
den Reaktor geladen. Nachdem die Zugabe abgeschlossen ist, wird
der Reaktor auf 225°C
erwärmt.
Ein weiterer Teil an TFE (1020 Gramm) wird dann mit der Geschwindigkeit
von 4 Gramm/Minute hinzu gegeben. Nachdem die TFE Zugabe abgeschlossen
ist, wird es der Reaktion ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von 10 Stunden bei 245°C in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Während
des überwiegenden
Teils der Reaktionsperiode liegt der Druck in dem Bereich von 3,72-4,14
MPa. Nach der Abkühlung
und nach dem Entladen wiegt die erhaltene Produktmischung 1924 Gramm
(Durchschnitt von 7 Durchführungen).
Eine Gaschromatographieanalyse liefert einen Hinweis darauf dass
das Produkt eine durchschnittliche Zusammensetzung von C2:C4:C6:C8:C10
= 7,08 49,52:29,91:10,73:2,77 (Molprozent) aufweist.
-
Die
vergleichenden Beispiele A und B liefern einen Hinweis, dass eine
hohe Reaktionstemperatur und ein hoher Druck erforderlich sind,
um eine vernünftige
I-(CF2CF2)n-I (n ≥ 2)
Oligomerbildung zu erzielen. Dazu ist noch die gesamte Produktrückführung relativ
niedrig (55-57 %).
-
VERGLEICHENDES
BEISPIEL C
-
Ein
Eingallonen-Reaktor wird mit 1,2-Dijodperfluorethan (1700 Gramm)
beladen. Der Reaktor wird abgedichtet und kalt evakuiert und dann
wird Tetrafluorethylen (TFE) so lange in den Reaktor aufgegeben,
bis der gesamte Druck in dem Reaktor etwa 0,41 MPa beträgt. Der
Reaktor wird dann auf 220°C erwärmt und
es wird zusätzliches
TFE hinzu gegeben, um den Gesamtdruck in dem Reaktor bei 1,72 MPa
aufrechtzuerhalten. Der Reaktion wird es ermöglicht, während einer Zeitdauer von 20
Stunden unter diesen Bedingungen in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Eine Gesamtmenge von 676 Gramm an TFE wird dem Reaktor zugeführt. Nach
der Abkühlung
und nach dem Entladen wiegt die erhaltene Produktmischung 1378 Gramm.
Eine Gaschromatographieanalyse liefert einen Hinweis darauf, dass dieses
Produkt eine Zusammensetzung aufweist von C2:C4:C6:C8 = 66,18:28,02:3,26:0,17
(Molprozent).
-
VERGLEICHENDES BEISPIEL
D
-
Ein
Einliterreaktor wird mit 1,2-Dijodperfluorethan (977 Gramm) beladen.
Der Reaktor wird abgedichtet und kalt evakuiert und dann auf 215°C erwärmt. Tetrafluorethylen
(TFE) wird so lange in den Reaktor aufgegeben, bis der gesamte Druck
in dem Reaktor 3,03 MPa erreicht hat. Der Reaktion wird es ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von 20 Stunden unter diesen Bedingungen in ihrem
Ablauf weiter voranzuschreiten. Die Reaktorinhalte werden dann auf 160°C abgekühlt und
es wird zusätzliches
Tetrafluorethylen hinzu gegeben, um so bis zu einem Reaktordruck
von 0,69 MPa über
dem beobachteten Druck zu führen.
Die Reaktion schreitet während
einer Zeitdauer von 5 Stunden voran, bevor sie durch Abkühlen abgeschreckt
wird. Eine Gesamtmenge von 230 Gramm an TFE wird dem Reaktor zugeführt. Die
erhaltene Produktmischung wiegt 1063 Gramm. Eine Gaschromatographieanalyse
liefert einen Hinweis darauf, dass dieses Produkt eine Zusammensetzung von
C2:C4:C6:C8 = 61,14:29,18:5,67:0,70 (Molprozent) aufweist.
-
VERGLEICHENDES
BEISPIEL E
-
Ein
Einliterreaktor wird mit 1,2-Dijodperfluorethan (977 Gramm) beladen.
Der Reaktor wird abgedichtet, kalt evakuiert und dann auf 215°C erwärmt. Tetrafluorethylen
(TFE) wird so lange in den Reaktor zugeführt, bis der gesamte Druck
in dem Reaktor 3,1 MPa erreicht. Der Reaktion wird es ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von 20 Stunden unter diesen Bedingungen in ihrem
Ablauf weiter voranzuschreiten. Die Reaktorinhalte werden dann auf
160°C abgekühlt und
es wird zusätzliches
Tetrafluorethylen hinzu gegeben, um so zu einem Reaktordruck von 0,34
MPa über
dem beobachteten Druck zu führen. Die
Reaktion schreitet während
einer Zeitdauer von weiteren 6 Stunden voran, bevor sie durch Abkühlen abgeschreckt
wird. Eine Gesamtmenge von 158 Gramm an TFE wird dem Reaktor zugeführt. Die
erhaltene Produktmischung wiegt 1081 Gramm. Eine Gaschromatographieanalyse
liefert einen Hinweis darauf, dass dieses Produkt eine Zusammensetzung von
C2:C4:C6:C8 = 53,38:34,17 8,41:1,32 (Molprozent) aufweist.
-
Die
vergleichenden Beispiele C-E liefern einen Hinweis darauf, dass
Umwandlungen zu dem großen
Oligomer I-(CF2CF2)n-I (n ≥ 2)
eher niedrig sind, wenn Reaktionstemperaturen und Reaktionsdrücke angewandt
werden, welche denjenigen ähnlich
sind, die in dem Verfahren gemäß dieser
Erfindung, eingesetzt werden, aber ohne eine periodische Entladung
des Nebenproduktes Perfluorcyclobutan aus dem Reaktor.
-
BEISPIEL 1
-
Ein
Einliter-Autoklav wird mit 1,2-Dijodperfluorethan (977 Gramm) beladen.
Der Reaktor wird auf 225°C
erwärmt
und es wird Tetrafluorethylen (TFE) so lange hinzu gegeben, bis
der gesamte Druck in dem Reaktor 2,76 MPa erreicht. Der Reaktion
wird es ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von 10 Stunden in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Die Reaktorinhalte werden dann auf 50°C abgekühlt und das sich oben befindliche
Gas wird entladen. Der Reaktor wird erneut auf 225°C erwärmt und
es wird wieder Tetrafluorethylen (TFE) so lange in den Reaktor zugeführt, bis
der gesamte Druck in dem Reaktor 2,76 MPa erreicht hat. Der Reaktion
wird es ermöglicht, während einer
Zeitdauer von weiteren 10 Stunden in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Die Reaktorinhalte werden dann auf 50°C abgekühlt und das sich oben befindliche
Gas wird wieder entladen. Der Reaktor wird dann erneut auf 160°C erwärmt und
es wird zusätzliches
Tetrafluorethylen so lange zugeführt,
bis der Druck 0,69 MPa über
dem beobachteten Druck liegt. Die Reaktion schreitet während einer Zeitdauer
von weiteren 2,5 Stunden voran. Eine Gesamtmenge von 773 Gramm an
TFE wird dem Reaktor zugeführt.
Die erhaltene Produktmischung wiegt 1220 Gramm. Eine Gaschromatographieanalyse (GC-Anaylse)
liefert einen Hinweis darauf, dass dieses Produkt eine Zusammensetzung
von C2:C4:C6:C8:C10 = 28,83:38,67:21,89:8,31:2,31 (Molprozent) aufweist.
-
BEISPIEL 2
-
Ein
Einliterreaktor wird mit 1,2-Dijodperfluorethan (977 Gramm) beladen.
Der Reaktor wird auf 225°C
erwärmt
und es wird Tetrafluorethylen (TFE) so lange hinzu gegeben, bis
der gesamte Druck in dem Reaktor 2,76 MPa erreicht. Der Reaktion
wird es ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von 6 Stunden in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Die Reaktorinhalte werden dann auf 50°C abgekühlt und das sich oben befindliche
Gas wird entladen. Der Reaktor wird dann erneut auf 225°C erwärmt und
es wird wieder Tetrafluorethylen (TFE) so lange in den Reaktor zugeführt, bis
der gesamte Druck in dem Reaktor 2,76 MPa erreicht hat. Der Reaktion
wird es ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von weiteren 6 Stunden in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Die Reaktorinhalte werden dann auf 50°C abgekühlt und das sich oben befindliche
Gas wird wieder entladen. Der Reaktor wird dann erneut auf 160°C erwärmt und es
wird zusätzliches
Tetrafluorethylen zugeführt,
um so bis zu einem Druck von 0,69 MPa über dem beobachteten Druck
zu führen.
Die Reaktion schreitet während
einer Zeitdauer von einer weiteren Stunde voran. Eine Gesamtmenge
von 609 Gramm an TFE wird dem Reaktor zugeführt. Die erhaltene Produktmischung
wiegt 1185 Gramm. Eine Gaschromatographieanalyse liefert einen Hinweis
darauf, dass dieses Produkt eine Zusammensetzung von C2:C4:C6:C8:C10
= 33,05:40,38:19,08:6,06:1,42 (Molprozent) aufweist.
-
BEISPIEL 3
-
Ein
Einliterreaktor wird mit 1,2-Dijodperfluorethan (545 Gramm) und
Jod (526 Gramm) beladen. Der Reaktor wird auf 160°C erwärmt. Tetrafluorethylen
(TFE) wird dann in den Reaktor zugeführt, um so zu einem Druck von
0,69 MPa über
dem beobachteten Druck bei dieser Temperatur zu führen. Der
Reaktion wird es ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von 3 Stunden in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Die Reaktorinhalte werden dann auf 50°C abgekühlt und das sich oben befindliche
Gas wird entladen. Der Reaktor wird dann erneut auf 225°C erwärmt und
es wird wieder Tetrafluorethylen (TFE) so lange in den Reaktor hinzugeführt, bis
der gesamte Druck in dem Reaktor 2,76 MPa erreicht hat. Der Reaktion
wird es ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von weiteren 6 Stunden in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Die Reaktorinhalte werden dann auf 50°C abgekühlt und das sich oben befindliche
Gas wird wieder entladen. Der Reaktor wird dann erneut auf 225°C erwärmt und
TFE wird wieder so lange dem Reaktor zugeführt, bis der gesamte Druck
in dem Reaktor 2,76 MPa erreicht hat. Der Reaktion wird es ermöglicht,
während
einer Zeitdauer von weiteren 6 Stunden in ihrem Ablauf weiter voranzuschreiten.
Die Reaktorinhalte werden dann auf 50°C abgekühlt und das sich oben befindliche
Gas wird entladen. Der Reaktor wird dann erneut auf 160°C erwärmt und
zusätzliches
TFE wird zugeführt,
um so zu einem Reaktordruck von 0,69 MPa über dem beobachteten Druck
zu führen.
Die Reaktion schreitet während
einer Zeitdauer von einer weiteren Stunde voran. Eine Gesamtmenge
von 1011 Gramm an TFE wird in den Reaktor zugeführt. Die erhaltene Produktmischung
wiegt 1388 Gramm. Eine Gaschromatographieanalyse liefert einen Hinweis
darauf, dass dieses Produkt eine Zusammensetzung von C2:C4:C6:C8:C10
= 38,62:41,14:15,60:3,94:0,70 (Molprozent) aufweist.
-
Die
Ergebnisse aus den Beispielen 1-3 zeigen deutlich, dass ein periodisches
Abführen
des sich oben in dem Reaktor befindlichen Gases in einem erheblichen
Maße die
Umwandlung zu dem großen
Oligomer I-(CF2CF2)n-I (n ≥ 2)
verbessert. Man hat herausgefunden, dass weniger als 40 Molprozent an
C2 in den Endproduktmischungen vorliegen, wenn das Verfahren gemäß dieser
Erfindung angewandt wird.