DE68917597T2 - Katalytisches hydrofluorierungsverfahren. - Google Patents
Katalytisches hydrofluorierungsverfahren.Info
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Description
- Verfahren zur Herstellung fluorierter Alkane durch Zusammenbringen von Alkenen, vorzugsweise halogenierten Alkenen oder halogenierten Alkanen, mit Fluorwasserstoff in Gegenwart von Niobpentachlorid (NbCl&sub5;) oder Niobpentabromid (NbBr&sub5;).
- A.E. Feiring, Journal of Fluorine Chemistry, 13, 7-18 (1979) beschreibt die Verwendung von Tantalpentafluorid und Niobpentafluorid als Katalysator zur Addition von Fluorwasserstoff an Tetra- und Trichlorethen und verwandte Verbindungen. Der Katalysator ist auch für Fluor-Chlor-Austauschreaktionen verwendbar. Unter den Bedingungen der Batchexperimente [HF/CCl&sub2;=CCl&sub2; = 2,5, Temp. = 150 ºC, Reaktionszeit = sechs Stunden] zeigten jedoch Katalysatoren, wie BF&sub3;, TaCl&sub5;, Ta&sub2;O&sub5;, COF&sub3;, V&sub2;O&sub5;, ZrCl&sub4;, NbCl&sub5;, HgO und WCl&sub6;, keine katalytische Aktivität für die Addition von HF an Tetrachlorethylen.
- Die Verwendung von Tantalpentafluorid und Niobpentafluorid als Katalysator zur Additipn von Fluorwasserstoff an ungesättigte Verbindungen ist in der U.S.-4 258 225 beschrieben und beansprucht worden.
- Die U.S.-4 374 289 beschreibt die Addition von HF an CHCl=CCl&sub2; unter Verwendung von NbCl&sub5; als Katalysator, um CH&sub2;ClCCl&sub2;F herzustellen. Die Reaktionsbedingungen lauten: HF/CHCl=CCl&sub2; = 1,5 bis 3,5, Temp. 50 ºC bis 150 ºC, Reaktionszeit = 15 Minuten bis 5 Stunden, NbCl&sub5; = 0,05 bis 0,2 mol/mol CHCl=CCl&sub2; und Druck = 175 bis 250 psig (11,9 - 17 bar). Die Reaktion wird unter moderaten Temperaturbedingungen durchgeführt, um eine Überfluorierung zu vermeiden.
- Die Erfindung stellt Bedingungen bereit, unter denen NbCl&sub5; oder NbBr&sub5; als milder Hydrofluorierungskatalysator funktioniert und in der Lage ist, sogar weniger reaktive Moleküle wie CCl&sub2;=CCl&sub2; zu fluorieren.
- Die Erfindung stellt ein Verfahren dar, zur Herstellung fluorierter Alkane durch Zusammenbringen bei einer Temperatur von etwa 0 ºC bis etwa 185 ºC unter im wesentlichen wasserfreien Bedingungen von 1 Moläquivalent eines Ausgangsmaterials, ausgewählt aus Alkenen, vorzugsweise halogenierten Alkenen, oder halogenierten Alkanen der folgenden Formeln:
- R¹R²C=CR³R&sup4; und R&sup5;R&sup6;R&sup7;R&sup8;C
- worin R¹, R², R³, R&sup4; und R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8; jeweils ausgewählt werden aus der Gruppe, dargestellt durch CxZ2x+1, worin Z H, F, Br oder Cl bedeutet und worin x = 0 bis 10, vorzugsweise mit der Maßgabe, daß in wenigstens einem von R¹, R², R³ und R&sup4; und in wenigstens einem von R&sup5;, R&sup6;, R&sup7; und R&sup8; Z F, Br oder Cl bedeutet und wenigstens eines der Paare R&sup5; und R&sup6;, R&sup7; und R&sup8;, R&sup5; und R&sup7; und R&sup6; und R&sup8; zusammengenommen -(CH&sub2;)n- bedeutet, worin "n" eine ganze Zahl von 2 bis 7 bedeutet, mit der Maßgabe, daß, wenn R&sup5; und R&sup7; und/oder R&sup6; und R&sup8; in der trans-Form vorkommen, "n" 6 oder 7 sein muß, und wenn nur zwei der Gruppen R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8; unter Bildung einer cyclischen Struktur kombiniert werden, die restlichen beiden Gruppen CxZ2x+1 sein können, worin Z für H, F , Br oder Cl steht und x = 0 bis 10, mit HF in Gegenwart von wenigstens einem Katalysator, ausgewählt aus Niobpentachlorid und Niobpentabromid, um ein fluoriertes Alkan herzustellen.
- Vorzugsweise betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung fluorierter Alkane durch Zusammenbringen bei einer Temperatur von etwa 0 ºC bis etwa 185 ºC unter im wesentlichen wasserfreien Bedingungen von 1 Moläquivalent eines Ausgangsmaterials, ausgewählt aus Alkenen, vorzugsweise halogenierten Alkenen, oder halogenierten Alkanen der folgenden Formeln:
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- worin R¹, R², R³, R&sup4;, R&sup5;, R&sup6;, R&sup7; für H, F, Cl, Br oder CZ&sub3; stehen, worin Z ausgewählt wird aus wenigstens einem aus der Gruppe, bestehend aus H, F, Cl oder Br, und worin R&sup8; für Br oder Cl steht, mit der Maßgabe, daß, wenn R¹ für H steht, nur zwei von R², R³ und R&sup4; Cl sein können, vorzugsweise mit der Maßgabe, daß wenigstens eines von R¹, R², R³ und R&sup4; und wenigstens eines von R&sup5;, R&sup6;, R&sup7; und R&sup8; F, Cl oder Br bedeutet oder in Äquivalenz zu HF enthält, wobei das Molverhältnis von HF zu Alken 4 bis 30 beträgt und das Molverhältnis von HF zu halogeniertem Alkan 1 bis 30 beträgt, in Gegenwart von 0,001 bis etwa 5 Moläquivalenten, vorzugsweise 0,001 bis 0,250 Moläquivalenten, wenigstens eines Katalysators, ausgewählt aus NbCl&sub5; und NbBr&sub5;.
- Das resultierende erfindungsgemäß hergestellte fluorierte Alkan besitzt ein oder mehrere Fluoratome mehr gegenüber der Anzahl an Fluoratomen, die in dem Alken oder Alkan, die als Ausgangsmaterial verwendet wurden, ursprünglich vorhanden war.
- Die erfindungsgemäßen Alken- oder Alkan-Ausgangsmaterialien reagieren unter den erfindungsgemäß verwendeten Bedingungen von Temperatur und Druck allein im wesentlichen nicht mit Fluorwasserstoff und erfordern die Gegenwart eines zugesetzten Katalysators, insbesondere NbCl&sub5; oder NbBr&sub5;. Das bevorzugte Alken der Formel R¹R²C=CR³R&sup4; ist dasjenige, worin R¹, R², R³ und R&sup4; Cl bedeuten, d.h. Tetrachlorethylen Cl&sub2;C=CCl&sub2;.
- Die bevorzugten halogenierten Alkane der Formel R&sup5;R&sup6;R&sup7;R&sup8;C sind diejenigen, worin R&sup7; für CHCl&sub2;, CH&sub2;Cl, CH&sub3;, Cl oder H steht, wenn R&sup5;, R&sup6; und R&sup8; Cl bedeuten, und worin R&sup5; und R&sup6; H bedeuten, wenn R&sup7; und R&sup8; Cl bedeuten. Die besonders bevorzugten halogenierten Alkane sind CCl&sub3;CHCl&sub2;, CCl&sub3;CH&sub2;Cl, CCl&sub3;CH&sub3;, CCl&sub4;, CHCl&sub3; und CH&sub2;Cl&sub2;.
- Die Reaktion kann in der flüssigen Phase oder in der Dampfphase unter Eigendrücken oder unter konstantem Druck, die von atmosphärisch bis überatmosphärisch reichen, durchgeführt werden. Sowohl Flüssigphasen- als auch Dampfphasen-Verfahren umfassen diskontinuierliche, halbkontinuierliche oder kontinuierliche Betriebsarten.
- NbCl&sub5; oder NbBr&sub5; wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und Wirksamkeit in einer Menge von 0,001 bis 5 mol, vorzugsweise 0,001 bis 0,250 mol, pro mol Ausgangsalken oder halogeniertes Alkan verwendet. Der Katalysator ist ein käuflich erhältlicher kristalliner Feststoff und kann allein oder auf einem Träger wie Kohlenstoff verwendet werden.
- Die Reaktion kann von 0 ºC bis 185 ºC durchgeführt werden. Die bevorzugte Temperatur beträgt 35 ºC bis 165 ºC.
- Wasserfreie oder im wesentlichen wasserfreie Bedingungen bedeutet, daß Wasser, das für die Reaktion nachteilig ist, soweit als möglich aus der Reaktionszone ausgeschlossen werden sollte. HF, das wasserfrei käuflich erhältlich ist, kann direkt bei der Reaktion verwendet werden. Der Ausschluß von Feuchtigkeit aus dem Reaktionsgefäß mittels geeigneter Feuchtigkeitsfallen oder anderer Mittel, ist ein Routineverfahren und ist in der Technik gut bekannt.
- 1 bis 30 Moläquivalente HF relativ zu dem halogenierten Alkan werden für die Reaktion mit halogenierten Alkanen verwendet, und 4 bis 30 Moläquivalente HF relativ zu dem Alken werden für die Reaktion mit Alkenen verwendet. Wenigstens 5 Moläquivalente HF werden insbesondere für hochchlorierte Alkene wie CCl&sub2;=CCl&sub2; bevorzugt. In der Praxis garantieren 15 bis 30 Moläquivalente HF die beste Kombination von Wirtschaftlichkeit und Fluorierungsausbeute.
- Das Reaktionsgefäß wird aus Materialien, die gegen die Wirkung von Halogenwasserstoff beständig sind, konstruiert, wie Nickellegierungen, einschließlich Monel, "Hastelloy", und "Inconel".
- Die Flüssigphasenreaktionen werden durchgeführt, indem die Reagentien in beliebiger Reihenfolge in das Reaktionsgefäß eingeführt werden. Im allgemeinen werden NbCl&sub5; oder NbBr&sub5; und das Ausgangsalken oder halogenierte Ausgangsalkan in dem Reaktionsgefäß vorgelegt, das dann gekühlt wird. Die erforderliche Menge Fluorwasserstoff wird dann in das Gefäß einkondensiert. Das Gefäß kann vor dem Einführen des Fluorwasserstoffs evakuiert und in Trockeneis oder flüssigem Stickstoff gekühlt werden, um die Addition des Fluorwasserstoffs zu erleichtern. Der Inhalt des Gefäßes wird auf die geeignete Reaktionstemperatur gebracht und durch Schütteln oder Rühren lange genug aufgerührt, um das Eintreten der Reaktion auszulösen.
- Bei Flüssigphasenreaktionen beträgt die verwendete Menge von NbCl&sub5; oder NbBr&sub5; 0,001 bis 5 mol, vorzugsweise 0,001 bis 0,250 mol, pro mol Ausgangsalken oder halogeniertes Ausgangsalkan und beträgt mehr bevorzugt 0,005 bis 1 mol und in einigen Fällen 0,005 bis 0,1 mol pro mol Ausgangsalken oder halogeniertes Ausgangsalkan. Die Menge des bei der Reaktion verwendeten HF beträgt 1 bis 30 Moläquivalente pro mol halogeniertes Alkan und 1 bis 30, vorzugsweise 4 bis 30 Moläquivalente, pro mol Alken. Die Reaktion kann von 0 ºC bis 185 ºC durchgeführt werden. Die bevorzugte Temperatur beträgt 35 ºC bis 165 ºC. Die Reaktionszeit kann 0,5 bis 18 Stunden betragen. Die bevorzugten Zeiten betragen 1 bis 8 Stunden.
- Bei der Dampfphasenreaktion werden die Reaktanden oberhalb ihrer Siedepunkte in den Reaktor eingeführt. Die Temperatur des Reaktors muß auch ausreichen, um die Produkte der Reaktion im Dampfzustand zu halten, so daß sie in einen gekühlten Auffangbehälter hinter dem Reaktor übergehen, anstatt längere Zeit in der Katalysatorzone zu verbleiben.
- Bei Dampfphasenreaktionen ist es zweckmäßig, NbCl&sub5; oder NbBr&sub5; an ein inertes poröses Material, wie Kohlenstoff oder andere bekannte Träger, zu binden. Die Menge des Katalysators an dem inerten Träger beträgt 10 bis 50 %, wobei Mengen von etwa 25 % bevorzugt werden. Die Menge des bei der Reaktion verwendeten HF beträgt 1 bis 30 Moläquivalente pro mol halogeniertes Alkan und 4 bis 30 Moläquivalente pro mol Alken. Die Reaktion kann von 50 ºC bis 185 ºC durchgeführt werden. Die bevorzugte Temperatur beträgt 70 ºC bis 170 ºC. Die Kontaktzeit der Reagentien mit dem Katalysator kann anstelle der Reaktionszeit angegeben werden. Die kombinierten Vorgänge, wie Einspeisegeschwindigkeit, Steuerung von Reaktortemperatur und Druck und Geschwindigkeit der Entfernung des Produkts aus dem Reaktor, beeinflussen die Verweilzeit des Produkts im Reaktor. Es kann wünschenswert sein, für ein gegebenes Produkt die Verweilzeit im Reaktor zu verkürzen, um die Bildung unerwünschter Produkte zu kontrollieren. Die Kontaktzeit ist die durchschnittliche Zeit, während der sich das Reaktand-Produkt-Gemisch mit dem Katalysator in Kontakt befindet. Überwiegend sind Kontaktzeiten von 0,1 bis 25 Sekunden geeignet, wobei Kontaktzeiten im Bereich von 1 bis 10 Sekunden bevorzugt werden.
- Unter den vor stehend vorgegebenen Reaktionsbedingungen kann ein Teil von NbCl&sub5; oder NbBr&sub5; in Form von NbCl5-xFx oder NbBr5-xFx vorliegen.
- Der Druck ist nicht kritisch. Atmosphärische, überatmosphärische Drücke und Eigendrücke sind am zweckmäßigsten und deshalb bevorzugt.
- Die erfindungsgemäß hergestellten fluorierten Alkane finden Anwendung als Kältemittel, Lösungsmittel und Blähmittel.
- Der Reaktor bestand aus einem 100-ml-Hochdruckzylinder, hergestellt aus Monel oder "Inconel", der einen Magnetrührer und ein internes Thermoelement enthielt. Auf dem Reaktor waren ein Kühler und ein Rückdruckregulator, verbunden mit einem frei wählbaren On-Line-Analysesystem, montiert. Geeignete Einlaß- und Auslaßleitungen waren ebenfalls vorhanden, um die Zuführung der Reaktanden und Entnahme der Produkte zu ermöglichen.
- Der Reaktor wurde mit NbCl&sub5; in der gewünschten Menge beschickt. Der Reaktor wurde dann gekühlt und evakuiert. Das Ausgangsmaterial aus Alken oder halogeniertem Alkan und die erforderliche Menge HF wurden dann dem Reaktor zugeführt. Während er noch kalt war, wurde er sodann mit Stickstoff unter den gewünschten Druck gesetzt und anschließend nach und nach mit Wärme von außen, geliefert von einem Ölbad, unter Rühren auf die gewünschte Betriebstemperatur gebracht. Der Rückdruckregulator wurde vor dem Aufheizen des Reaktors auf den gewünschten Betriebsdruck eingestellt.
- Nach dem Ende der Reaktion wurde das Produkt mit herkömmlichen Mitteln isoliert und mittels Gaschromatographie analysiert. Alle in den Beispielen angegebenen Prozentsätze sind in Flächenprozent angegeben.
- Das allgemeine experimentelle Verfahren wurde unter Verwendung von 16,5 g CCl&sub2;=CCl&sub2;, 3,0 g NbCl&sub5; und 15 g wasserfreiem HF [molares Verhältnis von HF/CCl&sub2;=CCl&sub2; = 7,5/1] befolgt. Der Reaktor wurde mit Stickstoff unter einen Druck von 13,6 bar (200 psig) gesetzt, nachdem er abgekühlt war, und der Rückdruckregulator wurde auf 34 bar (500 psig) eingestellt. Der Inhalt wurde unter Rühren etwa 2 Stunden lang bei 142-148 ºC erhitzt. Die Produktanalyse zeigte 85,0 % CClF&sub2;CHCl&sub2; und 10,9 % CF&sub3;CHCl&sub2;, außerdem geringe Mengen weiterer organischer Stoffe.
- Das allgemeine experimentelle Verfahren wurde unter Verwendung von 20,25 g CHCl&sub2;CCl&sub3;, 3,0 g NbCl&sub5; und 15 g wasserfreiem HF [molares Verhältnis von HF/CHCl&sub2;CCl&sub3; = 7,5/1) befolgt. Der Reaktor wurde mit Stickstoff unter einen Druck von 13,6 bar (200 psig) gesetzt, nachdem er abgekühlt war, und der Rückdruckregulator wurde auf 34 bar (500 psig) eingestellt. Der Inhalt wurde unter Rühren 3 Stunden lang bei 142-148 ºC erhitzt. Die Produktanalyse zeigte 92,5 % CClF&sub2;CHCl&sub2; und 5,1 % CF&sub3;CHCl&sub2; und geringe Mengen weiterer organischer Stoffe.
- Das allgemeine experimentelle Verfahren wurde unter Verwendung von 30,8 g CCl&sub4;, 3,0 g NbCl&sub5; und 10 g wasserfreiem HF [molares Verhältnis von HF/CCl&sub4; = 2,5/1] befolgt. Der Reaktor wurde mit Stickstoff unter einen Druck von 13,6 bar (200 psig) gesetzt, nachdem er abgekühlt war, und der Rückdruckregulator wurde auf 27,2 bar (400 psig) eingestellt.
- Die Inhalte wurden unter Rühren etwa 45 Minuten lang bei 80-85 ºC erhitzt. Eine Abgasanalyse während dieser Zeit zeigte mehr als 98 % CF&sub2;Cl&sub2;. Der Druck wurde sorgfältig entlüftet, um das meiste CF&sub2;Cl&sub2; zu entfernen. Das im Reaktor verbleibende Produkt (24,0 g) wurde analysiert, und es wurde gefunden, daß es 1,3 % CF&sub2;Cl&sub2;, 21.2 % CFCl&sub3; und 77,5 % CCl&sub4; enthielt.
- Das allgemeine experimentelle Verfahren wurde unter Verwendung von 34,0 g CH&sub3;CCl&sub3;, 0, 3 g NbCl&sub5; und 5,0 g wasserfreiem HF [molares Verhältnis von HF/CH&sub3;CCl&sub3; = 1/1) befolgt. Der Reaktor wurde mit Stickstoff unter einen Druck von 6,8 bar (100 psig) gesetzt, nachdem er abgekühlt war, und der Rückdruckregulator wurde auf 13,6 bar (200 psig) eingestellt. Die Inhalte wurden unter Rühren etwa 30 Minuten lang auf 1536-37 ºC erwärmt. Die Produktanalyse zeigte 7,6 % CH&sub3;CClF&sub2;, 46,3 % CH&sub3;CCl&sub2;F und 43,5 % CH&sub3;CCl&sub3;, außerdem geringe Mengen weiterer organischer Stoffe.
- Beispiel 4 wurde im wesentlichen wiederholt, außer daß 0,5 g NbCl&sub5; verwendet wurden. Die Produktanalyse zeigte 12,1 % CH&sub3;CClF&sub2;, 57,3 % CH&sub3;CCl&sub2;F und 28,2 % CH&sub3;CCl&sub3;, außerdem geringe Mengen weiterer organischer Stoffe.
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung fluorierter Alkane durch
Zusammenbringen bei einer Temperatur von etwa 0 ºC bis
etwa 185 ºC unter im wesentlichen wasserfreien
Bedingungen von einem Moläquivalent eines Ausgangsmaterials,
ausgewählt aus Alkenen oder halogenierten Alkanen der
folgenden Formeln:
R¹R²C=CR³R&sup4; und R&sup5;R&sup6;R&sup7;R&sup8;C
worin R¹, R², R³, R&sup4;, R&sup5;, R&sup6;, R&sup7; für H, F, Cl, Br oder
CZ&sub3; stehen, worin Z ausgewählt wird aus wenigstens einem
von H, F, Cl oder Br, und worin R&sup8; für Br oder Cl steht,
mit der Maßgabe, daß, wenn R¹ für H steht, nur zwei von
R², R³ und R&sup4; Cl sein können, mit HF, wobei das
Molverhältnis von HF zu Alken 4 bis 30 beträgt, und das
Molverhältnis von HF zu halogeniertem Alkan 1 bis 30
beträgt, in Gegenwart von 0,001 bis etwa 5
Moläquivalenten wenigstens eines Katalysators, ausgewählt aus NbCl&sub5;
und NbBr&sub5;.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausgangsmaterial
Cl&sub2;C=CCl&sub2; ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Ausgangsmaterial
ausgewählt wird aus CCl&sub3;CHCl&sub2;, CCl&sub3;CH&sub2;Cl, CCl&sub3;CH&sub3;, CCl&sub4;,
CHCl&sub3; und CH&sub2;Cl&sub2;.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Katalysator NbCl&sub5;
ist.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Temperatur etwa
35 ºC bis etwa 145 ºC beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Molverhältnis von
HF zu Ausgangsmaterial 15 bis 30 beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1, das in Gegenwart von 0,001 bis
0,250 Moläquivalenten wenigstens eines Katalysators,
ausgewählt aus NbCl&sub5; und NbBr&sub5;, durchgeführt wird.
8. Verfahren zur Herstellung fluorierter Alkane durch
Zusammenbringen bei einer Temperatur von etwa 0 ºC bis
etwa 185 ºC unter im wesentlichen wasserfreien
Bedingungen von einem Moläquivalent eines Ausgangsmaterials,
ausgewählt aus Alkenen oder halogenierten Alkanen der
folgenden Formeln:
R¹R²C=CR³R&sup4; und R&sup5;R&sup6;R&sup7;R&sup8;C
worin R¹, R², R³, R&sup4; und R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8; jeweils
ausgewählt werden aus der Gruppe, dargestellt durch
CxZ2x+1, worin Z für H, F, Br oder Cl steht, und worin
x = 0 bis 10, mit der Maßgabe, daß in wenigstens einem
von R¹, R², R³ und R&sup4; und wenigstens einem von R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;
und R&sup8; Z für F, Br oder Cl steht,
und daß wenigstens eines der Paare R&sup5; und R&sup6;, R&sup7; und R&sup8;,
R&sup5; und R&sup7; und R&sup6; und R&sup8; zusammengenommen -(CH&sub2;)n
bedeutet, worin "n" eine ganze Zahl von 2 bis 7 bedeutet, mit
der Maßgabe, daß, wenn R&sup5; und R&sup7; und/oder R&sup6; und R&sup8; in
trans-Form vorkommen, "n" 6 oder 7 sein muß und wenn nur
zwei der Gruppe R&sup5;, R&sup6;, R&sup7;, R&sup8; unter Bildung einer
cyclischen Struktur kombiniert werden, die restlichen
beiden Gruppen CxZ2x+1 sein können, worin Z für H, F, Br
oder Cl steht und x = 0 bis 10,
mit HF, wobei das Molverhältnis von HF zu halogeniertem
Alkan 1 bis 30 beträgt und das Molverhältnis von HF zu
Alken 4 bis 30 beträgt, in Gegenwart von 0,001 bis etwa 5
Moläquivalenten von wenigstens einem Katalysator,
ausgewählt aus Niobpentachlorid und Niobpentabromid.
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