JP2004209431A - フッ素化触媒およびフルオロ化合物の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高い選択性と原料転化率を持ち、特に担体を必要としないクロム系のフッ素化触媒、及びこの触媒を用いるハロゲン化合物のフッ素化方法を提供する。
【解決手段】クロム含有塩と炭素を含む混合焼成物からなるフッ素化触媒。
クロム含有塩と炭素を含む混合焼成物をフッ素化処理してなるフッ素化触媒。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、新規なフッ素化触媒、及びこの触媒を用いるハロゲン化物のフッ素化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
クロロフルオロカーボン類（いわゆるフロン）の代替物として用いられているヒドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）類などの含フッ素化合物を製造するうえで、フッ化水素（ＨＦ）による触媒フッ素化は基も重要なものの一つである。
【０００３】
このフッ素化のための触媒として、クロム塩が有効であるとされ、酸化クロム（Ｃｒ_２Ｏ_３）をフッ化水素で処理したものはフッ素化触媒として活性があることが知られている（特許文献１）。さらにクロム塩以外の金属塩を添加することによってその活性の向上を図った触媒が種々開発されている。例えば、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、鉄、ニッケル、コバルトを添加した触媒（特許文献２）、亜鉛を添加した触媒（特許文献３）などが提案されている。
【０００４】
しかしながら、これまでに提案されている触媒は、必ずしもその選択性や原料転化率が十分なものとはいえず更なる触媒活性の向上が強く要請されていた。
そのため、これらの触媒を多孔質のアルミナなど支持体に担持した担持触媒も提案されているが（特許文献４）、活性物質が少量の場合には触媒活性の低下を招き、また触媒寿命が短いなどの問題点を包含するものであった。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３２５８５００号明細書
【特許文献２】特開平２−１７２９３３号公報
【特許文献３】米国特許第５２８１６８号明細書
【特許文献４】特開平１０−１８０１０４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、担体を用いなくても高い選択性と原料転化率を与える新規なクロム系フッ素化触媒、及びこの触媒を用いた効率的なフルオロ化合物の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は前記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、クロム含有塩に炭素を混合し、このものを焼成、フッ素化することにより得られるクロム／炭素混合焼成物系触媒が、特に担体を必要とすることなく、ハロゲン化合物を高い選択性と原料転化率で対応するフルオロ化合物に変換できることを知見し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明によれば以下の発明が提供される。
（１）クロム含有塩と炭素を含む混合焼成物からなるフッ素化触媒。
（２）上記（１）に記載の混合焼成物をフッ素化処理してなるフッ素化触媒。
（３）炭素の含有量がクロム含有塩に対して１〜６重量％であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載のフッ素化触媒。
（４）クロム含有塩がクロムと共にコバルト、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、鉄、ニッケル及び亜鉛から選ばれた少なくとも一種の金属を含有する塩であることを特徴とする上記（１）乃至（３）何れかに記載のフッ素化触媒。
（５）クロム含有塩が沈殿法によって得られたものであることを特徴とする上記（１）乃至（４）何れかに記載のフッ素化触媒。
（６）クロム含有塩が共沈法によって得られたものであることを特徴とする上記（１）乃至（５）何れかに記載のフッ素化触媒。
（７）上記（１）乃至（６）何れかに記載のフッ素化触媒の存在下、ハロゲン化合物とフッ化水素を反応させることを特徴とするフルオロ化合物の製造方法
（８）ハロゲン化合物がハロゲン化炭化水素であることを特徴とする上記（７）に記載のフルオロ化合物の製造方法。
（９）ハロゲン炭化水素がジクロロメタンである上記（８）に記載のフルオロ化合物の製造方法。
（１０）クロム含有塩を炭素と混合し、不活性雰囲気下で焼成し、必要に応じフッ素化処理することを特徴とする上記（１）乃至（６）に記載のフッ素化触媒の製造方法。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明のフッ素化触媒はクロム含有塩と炭素を含む混合焼成物からなる。
クロム含有塩としては、特に制限されるものではないが、水酸化クロム、酸化クロム、硝酸クロム、炭酸クロム等のクロム塩の１種あるいは２種以上の混合物が使用できる。
【０００９】
本発明で好ましく使用されるクロム含有塩は、少なくとも水酸化クロムを含む塩である。水酸化クロムを含む塩は、硝酸クロム、塩化クロム等のクロム塩の水溶液にアンモニア水などを加えてクロムの水酸化物を沈殿させる、いわゆる沈殿法によって得ることができる。ここで、クロム塩の種類、その水溶液の濃度、アンモニア水の濃度については、この方法で水酸化クロムの沈殿が得られるならば特に制限はないが、たとえば、塩化クロムまたは硝酸クロムの１〜２０重量％、好ましくは５〜１０重量％の水溶液に、撹拌しながら５〜３５重量％、好ましくは２０〜３０重量％のアンモニア水溶液を１分から２時間かけて滴下し、得られた沈殿を濾過して水洗浄、好ましくは脱イオン水で洗浄し、１００〜２００℃で乾燥させる方法等が採られる。
【００１０】
また、本願発明で用いるクロム含有塩には、クロムと共に共触媒成分として他の金属成分、具体的にはコバルト、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、鉄、ニッケル、亜鉛など、好ましくはコバルトを添加することができる。その方法としては共沈法、含浸法などが挙げられるが、好ましくは共沈法がよい。この場合、クロムとコバルト等金属の重量比は１０：１〜１：１、好ましくは５：１〜１：１である。
【００１１】
上記のようなクロム含有塩と炭素の混合焼成物はフッ素化に好適な触媒活性を示す。
クロム含有塩に混合される炭素は、特に制限はないが、グラファイト、活性炭が例示される。炭素の混合量は触媒成型性、活性保持性などを考慮することにより適宜定められるが、好ましくはクロム含有塩に対して１〜６重量％、より好ましくは２〜４重量％である。
【００１２】
混合焼成物触媒を形成するには、クロム含有塩と炭素の固形混合物を混練して金型などに入れ、ペレット状、顆粒状、柱状などの成型体とした後焼成すればよい。焼成条件には特に制限されるものではないが、通常、窒素などの不活性雰囲気下、３００〜６００℃、好ましくは４００〜５００℃で加熱することによって行われる。
【００１３】
本発明に係る混合焼成物をフッ素化触媒として用いるには、このものをフッ素化処理しておくことが好ましい。フッ素化処理としては、フッ化水素、フルオロカーボン類等で前処理して活性化させる方法等が挙げられるが、フッ化水素で処理することが好ましい。フッ素化水素の処理は、上記混合焼成物にフッ素水素、または窒素ガスやアルゴンガスなどの希釈ガスで希釈したフッ化水素を接触させればよい。フッ化水素処理の温度は、１０℃から５００℃、好ましくは２０℃から４００℃で行われる。フッ化水素の量に特に制限はない。
【００１４】
本発明のフッ素化触媒は、クロロカーボンなどのハロゲン化合物をフッ化水素によりフッ素化してフルオロ化合物を製造する際の触媒として好適に使用できる。
【００１５】
出発原料であるハロゲン化合物としては、クロロカーボン類、クロロフルオロカーボン類、ヒドロクロロフルオロカーボン類、クロロオレフィン類などのハロゲン化炭化水素などが挙げられる。
具体例としては、クロロメタン、ジクロロメタン、トリクロロメタン、テトラクロロメタン、クロロフルオロメタン、ジクロロフルオロメタン、クロロジフルオロメタン、クロロエタン、１，１−ジクロロエタン、１，２−ジクロロエタン、１，１，１−トリクロロエタン、１，１，２−トリクロロエタン、１，１，１，２−テトラクロロエタン、１，１，２，２−テトラクロロエタン、１−クロロ−１，１−ジフルオロエタン、１−クロロ−１，２−ジフルオロエタン、１−クロロ−２，２−ジフルオロエタン、１，１−ジクロロ−１−フルオロエタン、１，１−ジクロロ−２−フルオロエタン、１−クロロ−２，２，２−トリフルオロエタン、クロロエチレン、１，１−ジクロロエチレン、１，２−ジクロロエチレン、トリクロロエチレン、テトラクロロエチレン、１，１−ジクロロ−２，２−ジフルオロエチレン、トリフルオロクロロエチレンなどが挙げられる。
【００１６】
これらの触媒フッ素化反応に使用されるフッ化水素は出発物質であるハロゲン化合物に対して過剰量で使用するのが有利であり、通常１〜３０当量、好ましくは３〜１０当量用いるのが好ましい。また、この場合において、窒素ガスやアルゴンガスなどの希釈ガスで希釈したフッ化水素を用いることもできる。
フッ素化の反応温度は通常２００℃から４５０℃、好ましくは３００℃から４００℃である。反応の形式としては、バッチ式、フロー式のどちらでも行うことができる。
【００１７】
本発明のフッ素化反応により得られるフルオロ化合物としては、たとえばフルオロメタン、ジフルオロメタン、トリフルオロメタン、テトラフルオロメタン、フルオロエタン、１，１−ジフルオロエタン、１，２−ジフルオロエタン、１，１，１−トリフルオロエタン、１，１，２−トリフルオロエタン、１，１，１，２−テトラフルオロエタン、１，１，２，２−テトラフルオロエタン、ペンタフルオロエタンを挙げることができる。
【００１８】
【実施例】
次に、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の例によって限定されるものではない。
【００１９】
（実施例１）Ｃｒ−Ｃｏ−炭素系触媒の調製
８重量％の三塩化クロム水溶液（２００ｍｌ）と１４重量％の二塩化コバルト（５０ｍｌ）水溶液を混ぜ、ここに撹拌しながら２８重量％のアンモニア水溶液（１１５ｍｌ）を１時間かけて滴下した。この間、反応容器を水冷して反応温度を約４０℃に保った。反応後、反応液のｐＨは約７であった。得られた沈殿を脱イオン水で３回洗浄し、１２０℃で一晩乾燥した。得られた固体に、これに対して４％の重量のグラファイトを混合し、直径１．５ｍｍのペレット状に成型した後、窒素雰囲気下４００℃で４時間焼成した。得られたＣｒ−Ｃｏ−炭素系触媒の比表面積をＢＥＴ法で測定したところ、１６０ｍ^２／ｇであった。
【００２０】
（実施例２）Ｃｒ−Ｃｏ−炭素系触媒を用いたジクロロメタンのフッ素化によるジフルオロエタンの合成
実施例１で調製したＣｒ−Ｃｏ−炭素系触媒１０ｍｌをインコネル製の反応管（内径１２ｍｍ、長さ３００ｍｍ）に入れ、窒素（Ｎ_２）で希釈した無水フッ酸（ＨＦ）（Ｎ_２／ＨＦ＝２００／１００（ｍｌ／ｍｉｎ））を、室温で２時間、次いで４時間かけて４００℃まで昇温させつつ流通し、さらにＨＦのみを１００ｍｌ／ｍｉｎで１０時間流通し、活性化した。
次に、ＣＨ_２Ｃｌ_２を８２ｍｌ／ｍｉｎ、ＨＦを３００ｍｌ／ｍｉｎを一方の入り口から流して３４２℃で反応させ、もう一方の出口から流出する生成物の混合ガスを水酸化ナトリウム水溶液で洗浄、モレキュラーシーブ４Ａで乾燥後、ガスクロマトグラフィーにより分析した。その結果、ジクロロメタンの転化率は８７％、生成物の選択率はジフルオロエタン８４％、クロロフルオロエタン１６％であった。
【００２１】
（比較例１）グラファイトを用いないＣｒ−Ｃｏ系触媒の調製
グラファイトを混合することなく、それ以外は実施例１と同様にしてＣｒ−Ｃｏ系触媒を調製した。得られた触媒の比表面積をＢＥＴ法で測定したところ、１５０ｍ^２／ｇであった。
【００２２】
（比較例２）グラファイトを用いないＣｒ−Ｃｏ系触媒を用いたジクロロメタンのフッ素化によるジフルオロエタンの合成
比較例１で調製した、グラファイトを用いないＣｒ−Ｃｏ系触媒を用い、実施例２と同様にして３５０℃でジクロロメタンのフッ素化反応を行った。その結果、ジクロロメタンの転化率は７４％、生成物の選択率はジフルオロエタン７７％、クロロフルオロエタン２３％であり、原料転化率もジフルオロエタン選択率も実施例２よりも低かった。
【００２３】
【発明の効果】
本発明のクロム−炭素系フッ素化触媒は、高い選択性と原料転化率を持ち、高収率でヒドロフルオロカーボン等のフルオロ化合物を製造することができる。

Claims (10)

1. クロム含有塩と炭素を含む混合焼成物からなるフッ素化触媒。
2. 請求項１に記載の混合焼成物をフッ素化処理してなるフッ素化触媒。
3. 炭素の含有量がクロム含有塩に対して１〜６重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載のフッ素化触媒。
4. クロム含有塩がクロムと共にコバルト、アルミニウム、マグネシウム、カルシウム、バリウム、ストロンチウム、鉄、ニッケル及び亜鉛から選ばれた少なくとも一種の金属を含有する塩であることを特徴とする請求項１乃至３何れかに記載のフッ素化触媒。
5. クロム含有塩が沈殿法によって得られたものであることを特徴とする請求項１乃至４何れかに記載のフッ素化触媒。
6. クロム含有塩が共沈法によって得られたものであることを特徴とする請求項１乃至５何れかに記載のフッ素化触媒。
7. 請求項１乃至６何れかに記載のフッ素化触媒の存在下、ハロゲン化合物とフッ化水素を反応させることを特徴とするフルオロ化合物の製造方法。
8. ハロゲン化合物がハロゲン化炭化水素であることを特徴とする請求項７に記載のフルオロ化合物の製造方法。
9. ハロゲン炭化水素がジクロロメタンである請求項８に記載のフルオロ化合物の製造方法。
10. クロム含有塩を炭素と混合し、不活性雰囲気下で焼成し、必要に応じフッ素化処理することを特徴とする請求項１乃至６に記載のフッ素化触媒の製造方法。