JP2012144473A

JP2012144473A - ｇｅｍ−ジフルオロアルカンの製造方法

Info

Publication number: JP2012144473A
Application number: JP2011003604A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Sugimoto; 達也杉本
Original assignee: Nippon Zeon Co Ltd
Current assignee: Zeon Corp
Priority date: 2011-01-12
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2012-08-02

Abstract

【課題】ｇｅｍ−ジフルオロアルカンの製造方法を提供する。
【解決手段】アルキンとフッ化水素を接触させて、ｇｅｍ−ジフルオロアルカンを製造する工程において、反応器にフッ化水素を供給した後にアルキンを供給する段階で、アルキンを供給すると同時に、液化炭酸ガス又は液体窒素を供給する操作を加えることで、アルキンの重合を抑制し、高収率でｇｅｍ−ジフルオロアルカンを製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体装置の製造用エッチングガスや化学気相成長法（ＣＶＤ）用ガス等のプラズマ反応用ガス；含フッ素医薬中間体；ハイドロフルオロカーボン系溶剤；などとして有用なｇｅｍ−ジフルオロアルカンの製造方法に関する。高純度化されたｇｅｍ−ジフルオロアルカンは、特に、プラズマ反応用ガスに好適である。

ｇｅｍ−ジフルオロアルカンの製造方法としては幾つかの製造方法が開示されている。
特許文献１においては、環式モノテルペン類、メルカプタン類、及びフェノール類からなる群より選択される１種又は２種以上の化合物の存在下にアルキンとフッ化水素を反応させて、ｇｅｍ−ジフルオロアルカンを製造する方法が開示されている。
特許文献２には、不純物として重合性オレフィンを含む粗アルキンに、沸点が−３０〜３０℃の範囲にあるフッ素化アルカンを添加することで、重合性オレフィンを除去した後、フッ化水素を反応させてｇｅｍ−ジフルオロアルカン類を得る方法が開示されている。
また、特許文献３においては、フッ化水素とアルキンとの反応を、ｎ−ペンタンやシクロペンタン等の非極性炭化水素溶媒中で行うことでｇｅｍ−ジフルオロアルカン類を得る方法が提案されている。
特許文献４においては、アルキンにフッ化水素を付加させる反応が開示されているが、収率は最高でも７６％である。

特開平５−２２１８９２号公報特開平５−２５５１４３号公報特開平６−１００４７５号公報米国特許第２２８７９３４号公報

上記特許文献１においては、環式テルペン類やメルカプタン類のような添加剤を用いることにより、高収率でｇｅｍ−ジフルオロアルカン類を製造することができる。しかし、添加剤がフッ化水素、及びアルキンに対して均一に分散されず、局所的に濃度の偏りを生ずるとアルキンの重合を誘発する恐れがあり、結果として、安定した収率を確保することが難しくなる。従って、工業的生産において、この方法には、安定生産確保の観点で問題がある。また、メルカプタン類を使用する場合には、蒸留を行うとは言え、硫黄等の分解物が混入する恐れがあり、半導体材料向けのガスの製造という観点では、品質面の問題もある。
ところで、アルキンにフッ化水素が付加する場合、約８３．７ｋＪ／ｍｏｌの発熱が起こり、この発熱に起因してアルキンの重合等を引き起こす。一旦、重合が起こってしまうと収率低下はもちろん、反応器に重合物が堆積するため、反応器からの内容物の排出が困難を極め、安全上の問題も発生する。
特許文献２や３の方法では原料であるアルキンに混在する重合性オレフィンの重合を抑制するために、フッ素化アルカンや非極性炭化水素溶媒を用いている。しかしながら、これらの方法では、重合を抑制するために用いたフッ素化アルカンや非極性炭化水素溶媒の除去が必要となる。残留物であるフッ素化アルカンや非極性炭化水素溶媒の沸点は、目的物であるｇｅｍ−ジフルオロアルカン類と近いため、工業生産において、これらの方法を採用しようとすると高理論段数の蒸留塔という大がかりな設備が必要となる。
従って、本発明は、後に除去工程を要する添加物を用いることなく、簡便に反応中の重合を抑制し、安全にｇｅｍ−ジフルオロアルカンを得ることを目的とするものである。

かくして本発明によれば、炭素数３〜５から選ばれるアルキンとフッ化水素を接触させて、ｇｅｍ−ジフルオロアルカンを製造する工程において、反応器にフッ化水素を供給した後にアルキンと同時に、液化炭酸ガス又は液体窒素を供給することを特徴とするｇｅｍ−ジフルオロアルカンの製造方法が提供される。

本発明の製造方法に採用される製造装置の一例。

本発明に用いられるアルキンは、分子内または、分子末端に炭素―炭素三重結合を有する炭素数３〜５の炭化水素であり、反応に不活性な置換基を有していても良い炭化水素である。かかる炭素―炭素三重結合を有する炭化水素の具体例としては、プロピン、１−ブチン、２−ブチン、３−メチル−１−ブチン、１−ペンチン、２−ペンチンなどが例示され、これらの中でも、１−ブチン、２−ブチンを好適に用いることができる。

本発明では、冷却した金属性反応器内にフッ化水素を供給し、そこに、原料となる上記アルキンをマスフローコントローラーや、ポンプを介して反応器内に供給する。その際、原料アルキンを供給するラインとは別に、反応器にノズルを付したラインを用意し、原料アルキンと液化炭酸ガス又は液体窒素とを同時にフッ化水素の入った反応容器内に供給する。
また、反応器内は通常攪拌羽により攪拌される。反応器上部には冷却管、及び保圧弁が設置され、反応器内に導入された液化炭酸ガス又は液体窒素の影響によるフッ化水素や原料アルキンの気化、あるいはミスト化による気相への飛散を防止する。保圧弁からは気化した炭酸ガス又は窒素を系外に逃がし、反応器内の過激な圧力上昇を防止する。

反応器は−４０〜０℃の温度範囲で、ドライアイス／メタノールのような冷媒浴中で、あるいは循環冷凍器のような装置で冷却される。所定の温度に冷却された反応器内に、ボンベからフッ化水素を所定量供給する。フッ素化水素は原料であるアルキン１モルに対し、通常２〜１０モル、好ましくは２〜５モルの範囲で適宜使用される。使用するフッ化水素が少ないとアルキンの転化率が低く、低収率になり、量が多すぎると、重合を誘発し易くなったり、後工程のアルカリ中和処理で大量のアルカリが必要となる。

攪拌羽は攪拌機により攪拌され、その状態で、原料となるアルキンをプロピン、１−ブチンのような気体状化合物の場合はマスフローコントローラーで、２−ブチン、２−ペンチンのような液体状化合物の場合はポンプにより、所定量が反応器内に送り込まれる。アルキンの共有方法は特に限定されないが、反応制御が容易であることから、連続的に供給する方法が好ましく採用される。この場合、供給速度は一定であっても、変化させても良い。アルキンの供給速度は、容器の単位容積及び単位時間当たり、通常６００〜３０００モル／ｍ^３／ｈであり、より好ましくは１２００〜２４００モル／ｍ^３／ｈである。供給速度が速すぎると、フッ化水素との反応が急激に起こり、急速に重合を引き起こしたり、内容物の突沸を引き起こしたりするため、危険である。また、供給速度が遅すぎると反応時間が長くなり、反応が完結するまでに多大な時間を要する。

原料アルキンが反応器内へ供給され始める時、別のラインから液化炭酸ガス又は液体窒素が反応器内のノズルを介して反応機内へ供給される。液化炭酸ガス又は液体窒素の共有方法は特に限定されないが、反応制御が容易であることから、連続的に供給する方法が好ましく採用される。この場合、供給速度は一定であっても、変化させても良い。フッ化水素とアルキンが反応する時に発生する熱を、液化炭酸ガス又は液体窒素が除熱する。使用する液化炭酸ガス又は液体窒素の量（両者を併用する場合は、合計量）は、原料アルキンに対し、通常２〜１０モル当量、より好ましくは３〜５モル当量である。
液化炭酸ガスや液体窒素の量が少ないと、発熱時の除熱効果が小さくなり、重合を引き起こす可能性があり、また、使用量が多すぎると液相自体が過冷却状態になるため、反応の進行が遅くなり、結果として反応が完結するまでに多大な時間を要することになるため、いずれも好ましくない。
また、液化炭酸ガス又は液体窒素を供給するラインの数は１つ以上であれば良いが、効率良く除熱を行うためには、２ヶ所、３ヶ所と複数箇所に設けても良い。

反応温度は、通常−７０℃〜室温であり、より好ましくは−３０℃〜０℃である。反応時間は原料の種類、使用量、反応温度などにより相違するが、通常は０．５時間〜１０時間、好ましくは１〜５時間である。

反応は、通常密閉式反応器で行われ、反応時の圧力は１ＭＰａ以下である。
本反応では、液化炭酸ガス又は液体窒素を反応器内に送り込むため、除熱に使用された液化炭酸ガス又は液体窒素が気化して、反応器内の圧力が徐々に高くなる。よって、これら気化した炭酸ガス又は窒素を系外に排出する必要があるため、冷却管の先に設置された保圧弁より排出される。保圧弁の設定は、通常０．３〜１ＭＰａであり、より好ましくは０．５〜０．９ＭＰａである。冷却管はフッ化水素や原料のアルキンが気化した場合に液化させるためのものであり、これらが液凝縮するような温度に設定された冷媒を循環させる。冷媒の温度は、通常−５０〜０℃であり、好ましくは−３０〜−１０℃である。

原料供給終了後は反応を完結させるため、反応器を室温まで上昇させて、さらに１〜２時間程度攪拌を継続する等の方法が採られる。

反応終了後は、反応器内の内容物を、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物の水溶液を入れた別の容器内に送り込み、未反応のフッ化水素を中和する。フッ化水素を中和除去後の反応生成物を、乾燥し、単蒸留、又は低理論段数の蒸留塔を用いた蒸留により、ｇｅｍ−ジフルオロアルカンを単離精製することができる。ｇｅｍ−ジフルオロアルカン中に混在する炭酸ガスや窒素は蒸留時に抜けるため、精製が容易である。

以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によってその範囲を限定されるものではない。なお、特に断りがない限り、「部」及び「％」は、それぞれ「重量部」及び「重量％」を表す。

以下において採用した分析条件は下記の通りである。
・ガスクロマトグラフィー分析（ＧＣ分析）
装置：ＧＣ−２０１０（島津製作所社製）
カラム：ジーエルサイエンス社製ＴＣ−１、長さ６０ｍ、内径０．２５ｍｍ、膜厚１．０μｍ
カラム温度：５０℃、１０分間保持後、２０℃／分で昇温し、２５０℃になったら１０分間保持。
インジェクション温度：２００℃
キャリヤーガス：窒素ガス
スプリット比：１００／１
検出器：ＦＩＤ

［実施例１］
ステンレス製の冷却管、攪拌羽を供えたステンレス製オートクレーブに、原料供給のための容器、マスフローコントローラー（製品名「ＳＥＣ−８０００」、エステック社製）、及び、液化炭酸ガス供給用の電磁弁（製品名「ＣＲＧ−１５ユニット」、島津製作所社製）、液化炭酸ガスボンベ（サイホン管付き）を取り付けた。オートクレーブをドライアイス／エタノール浴に浸し、温度を−３０℃に保ち、冷却管には−３０℃の冷媒を循環させた。フッ化水素ボンベからフッ化水素２８０部を供給し、オートクレーブ内に液化させた。攪拌機を回し始め、原料容器から、マスフローコントローラーを介して、１−ブチン（東京化成工業社製）３４０部を９００部／ｍ^３／ｈの速度で約３．９時間かけて供給した。また、原料供給と同時に、液化炭酸ガスを約１３２０部／ｍ^３／ｈの速度で供給を開始し、原料供給が終わるまで継続した。その間、オートクレーブ内の温度は最高で６℃の上昇であった。また、保圧弁は０．７ＭＰａに設定し、適宜、炭酸ガスを抜き出した。原料供給が終了した後、攪拌を１時間継続し、オートクレーブを室温まで上昇させてさらに１時間攪拌を継続した。
別途、２９０部の水酸化カリウムを水１０００部に溶解させた水溶液を、攪拌羽を供えたガラス反応器内に入れ、０℃に冷却した。このアルカリ水溶液中に、オートクレーブ内の内容物を窒素で加圧しながら送り込み、未反応のフッ化水素を中和した。静置後、上層の有機層を分離し、モレキュラーシーブス３Ａで乾燥させた。モレキュラーシーブス３Ａを濾過後、濾液を単蒸留したところ、目的物である２，２−ジフルオロブタンを５４５部（収率９２％）得た。

［実施例２］
ステンレス製の冷却管、攪拌羽を供えたステンレス製オートクレーブに、原料供給のための容器、定量ポンプ（製品名「ＱＧ−５０」、山善社製）、及び、液体窒素供給用の電磁弁（製品名「ＣＲＧ−１５ユニット」、島津製作所社製）、液体窒素容器（ダイヤ冷機工業社製）を取り付けた。オートクレーブをドライアイス／エタノール浴に浸し、温度を−３０℃に保ち、冷却管には−３０℃の冷媒を循環させた。フッ化水素ボンベからフッ化水素２８０部を供給し、オートクレーブ内に液化させた。攪拌機を回し始め、原料容器から定量ポンプを介して、２−ブチン（アルドリッチ社製）３４０部を１２００部／ｍ^３／ｈの速度で約２．８時間かけて供給した。また、原料供給と同時に、液体窒素を約１３２０部／ｍ^３／ｈの速度で供給を開始し、原料供給が終わるまで継続した。その間、オートクレーブ内の温度は最高で４℃の上昇であった。また、保圧弁は０．６ＭＰａに設定し、適宜、窒素を抜き出した。原料供給が終了した後、攪拌を１時間継続し、オートクレーブを室温まで上昇させてさらに１時間攪拌を継続した。
別途、２９０部の水酸化カリウムを水１０００部に溶解させた水溶液を攪拌羽を供えたガラス反応器内に入れ、０℃に冷却した。このアルカリ水溶液中に、オートクレーブ内の内容物を窒素で加圧しながら送り込み、未反応のフッ化水素を中和した。静置後、上層の有機層を分離し、モレキュラーシーブス３Ａで乾燥させた。モレキュラーシーブス３Ａを濾過後、濾液を単蒸留したところ、目的物である２，２−ジフルオロブタンを５６４部（収率９５％）得た。

［実施例３］
実施例１において１−ブチン２８０部を、１−ペンチン（東京化成工業社製）４２０部に変更したこと以外は実施例１と同様にして反応を行った。
反応終了後、実施例１と同様の操作を行い、目的物である２，２−ジフルオロペンタンが６２５部得られた（収率９２％）。

［比較例１］
実施例２において、液体窒素を供給しないこと以外は実施例２に従って反応を行った。オートクレーブ内の温度は最高で１８℃の上昇であった。別途、２９０部の水酸化カリウムを水１０００部に溶解させた水溶液を、攪拌羽を供えたガラス反応器内に入れ、０℃に冷却した。このアルカリ水溶液中に、オートクレーブ内の内容物を窒素で加圧しながら送り込み、未反応のフッ化水素を中和した。静置後、上層と下層の界面に白い固形分の析出が認められた。生成した固形分と上層の有機層を一緒に下層から分離し、モレキュラーシーブス３Ａで乾燥させた。モレキュラーシーブス３Ａ、及び白色の固形分を濾過後、濾液を単蒸留したところ、目的物である２，２−ジフルオロブタンを４２０部（収率７１％）得たにすぎなかった。そして、オートクレーブの内面、及び、インナーノズル口の部分に白い固形分の付着が確認された。このように、反応器を冷却しているだけでは除熱が不十分なため、アルキンの一部がポリマー化していることが分かる。

このようにして、アルキンをフッ化水素と接触させる際に、原料アルキンと一緒に液化炭酸ガス又は液体窒素を供給する操作を加えてやることで、反応物の発熱を抑制し、重合を抑えることができるので、収率良く、且つ、安定してｇｅｍ−ジフルオロアルカンを製造することができる。また、従来技術に述べられているようなフッ素化アルカンや非極性炭化水素を添加する必要がないので、製造工程の簡略化を図ることが可能である。

１原料容器
２マスフローコントローラー又はポンプ
３原料供給ノズル
４攪拌機
５液化炭酸ガス又は液体窒素供給ノズル
６冷却管
７保圧弁
８電磁弁
９液化炭酸ガス又は液体窒素ボンベ

Claims

炭素数３〜５から選ばれるアルキンとフッ化水素を接触させて、ｇｅｍ−ジフルオロアルカンを製造する工程において、反応器にフッ化水素を供給した後にアルキンと同時に、液化炭酸ガス又は液体窒素を供給することを特徴とするｇｅｍ−ジフルオロアルカンの製造方法。
炭素数３〜５から選ばれるアルキンが、２−ブチン又は１−ブチンであることを特徴とする請求項１に記載の製造方法。