JP2013103890A - (e)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンの製造方法 - Google Patents

(e)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンの製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】
本発明では、フッ化水素を含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(OF−1233E)について、蒸留困難な新たな成分を生じることのないフッ化水素の除去方法を提供し、効率的なOF−1233Eの製造方法を併せて提供する。
【解決手段】
少なくともフッ化水素と2−クロロ−1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパンを含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物を弱塩基と接触させる工程を含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物の精製方法、および、その方法で得られた(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物を蒸留に付す工程を含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンの製造方法。
【選択図】 なし

Description

本発明は、(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(トランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン。以下、「OF−1233E」ということがある。)組成物に含まれるフッ化水素を除去する方法に関し、また、その方法を用いた(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンの製造方法に関する。
OF−1233Eは、洗浄剤、冷媒、ヒートポンプ用の熱媒体、高温作動流体などとして有用である。OF−1233Eは、1,1,1,3,3−ペンタクロロプロパン(HCC−240)をフッ化水素でフッ素化して、異性体OF−1233Z(トランス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン。以下、「OF−1233Z」ということがある。)の他、副生成物または中間体である3−クロロ−1,1,1,3−テトラフルオロプロパン(以下、「HCFC−244fa」ということがある。)、2−クロロ−1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン(以下、「HCFC−235da」ということがある。)などの有機物、塩化水素および未反応のフッ化水素を含む反応生成物の一成分として得られる(特許文献1)。
この反応生成物から塩化水素、フッ化水素を除去する方法として、水(特許文献1)に、水酸化カリウム水溶液(特許文献2)による洗浄が記載されている。
特開平11−269105 特表2007−501843
前記反応生成物(OF−1233E組成物)から精製OF−1233Eを得るには、一般的に蒸留によるのが簡便であるが、組成物に含まれる未反応のフッ化水素は蒸留装置を損傷させる虞があるため、予めフッ化ナトリウムなどの固体への吸着、水洗浄または塩基性溶液での洗浄などにより除去される。
フッ化ナトリウムへの吸着は、処理量が大きくなると使用後のフッ化ナトリウムの再生または廃棄が困難であり、水洗浄は、操作として容易であるが、装置腐食の恐れがある上に、洗浄効率が低く操作を繰り返さなければならず非効率である。
塩基水溶液での洗浄は、特許文献2などに記載されているが、塩基としては水酸化カリウムが使われている。
本発明では、フッ化水素を含むOF−1233Eについて、蒸留困難な新たな成分を生じることのないフッ化水素の除去方法を提供し、効率的なOF−1233Eの製造方法を併せて提供する。
水酸化ナトリウムを用いて洗浄すると、OF−1233E組成物に含まれるOF−1233E、HCFC−244fa、HCFC−235daなどが分解して新たな成分を生じることがある。そのうち、HCFC−235daが脱フッ化水素して生じるCHClFの組成式で表される化合物(以下、「OF−1244」ということがある。)は、蒸留の挙動がOF−1233Eと近似するので、蒸留分離が非常に困難である。
そこで、洗浄に使用する塩基について検討したところ、特定の有機塩基または無機塩基を用いてOF−1233E組成物を洗浄した場合、OF−1224が生成しないことから通常の蒸留で精製できる有機物組成で且つフッ化水素を含まないOF−1233E組成物とすることができ、本発明に至った。
[発明1]
少なくともフッ化水素と2−クロロ−1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパンを含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物を弱塩基と接触させる工程を含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物の精製方法。
[発明2]
弱塩基が、7〜11のpKaを有する塩基である発明1の(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物の精製方法。
[発明3]
弱塩基が、アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩、第一リン酸塩、第二リン酸塩もしくは炭素数1〜6のカルボン酸塩、または炭素数3〜15の第三アミンから選ばれた弱塩基である発明1の(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物の精製方法。
[発明4]
弱塩基が、ナトリウムまたはカリウムの炭酸水素塩、ナトリウムまたはカリウムの炭酸塩、ナトリウムまたはカリウムの酢酸塩またはトリエチルアミンから選ばれた弱塩基である発明1の(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物の精製方法。
[発明5]
発明1〜4の何れかの精製方法で得られた(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物を蒸留に付す工程を含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンの製造方法。
本発明の方法は、OF−1233E組成物からフッ化水素を効率的に除去できる塩基性物質との接触方法でありながら、OF−1233Eと蒸留挙動の近似するOF−1224を発生しないため、単純な蒸留で精製できるという効果を奏する。また、この方法を用いることで、高純度のOF−1233Eを容易に製造することができるという効果を奏する。
本発明で弱塩基と接触させるHCFC−235daを含むOF−1233E組成物は、どの様な経緯で得られた組成物であってもよい。1,1,1,3,3−ペンタクロロプロパン(FCC−240fa)とフッ化水素を反応させる工程で得られる反応生成物であってもよく、それを公知の精製処理に付して得られた組成物であってもよい。精製処理としては、水または液体による洗浄、乾燥、固体吸着剤への選択吸着、通常の蒸留、抽出蒸留などが挙げられる。さらに、溶媒、洗浄剤、冷媒、熱媒などの用途のため混合調製した混合物であってもよい。
OF−1233Eは、1,1,1,3,3−ペンタクロロプロパン(HCC−240fa)をアルミナまたはアルミナのフッ素化物などの触媒存在下気相でフッ化水素と反応させることでOF−1233Zと共に得られる。そのほかにも、この反応で得られたOF−1233Eには、有機成分として多種のフッ素化炭化水素(「フッ素化炭化水素」は水素原子を含んでもよく、フッ素以外のハロゲン原子を含んでもよい。)が含まれ、通常、概ね5質量%以下のHCFC−235daが含まれる。また、有機成分のほかに、酸成分として塩化水素およびフッ化水素を含む。本発明のフッ化水素除去は、この様なフッ素化反応により発生した粗生成物であってもよいが、各種の予備精製を施して得られたOF−1233E組成物であってよい。また、一旦本発明の方法で処理したOF−1233E組成物であってもよい。
予備精製を施したOF−1233E組成物の例としては、粗生成物から有機成分およびフッ化水素と沸点差の大きい塩化水素を蒸留により分離して得られる組成物、粗生成物を少なくとも水と接触させて塩化水素を除去して得られる組成物(この場合において、フッ化水素の一部は水洗除去されるが、一定の量のフッ化水素は残留する。)、少なくともフッ化水素を含むOF−1233E組成物を蒸留して有機成分の組成を変化させた組成物などが挙げられる。
これらの予備精製を施して弱塩基と接触する際に、OF−1233E組成物100質量部に対してフッ化水素を0.0001〜10質量部を含むようにする。また、フッ化水素は0.001〜5質量部が好ましく、0.01〜2質量部であるのがさらに好ましい。0.0001質量部未満では、本発明の弱塩基との接触をする必要性に乏しく、10質量部を超えても処理可能であるが、前記予備精製などにより予め低減しておくのが効率的であり、避けるのが好ましい。
使用する弱塩基としては、当業者に公知の任意の弱塩基が挙げられる。弱塩基は、無機または有機の弱塩基であることができる。これらは、概ねpKaが7〜11のものが好ましい。無機弱塩基としては、アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩、第一リン酸塩または第二リン酸塩などが挙げられる。また、有機弱塩基としては、炭素数1〜6のカルボン酸塩、または炭素数3〜15の第三アミンが挙げられる。
アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウムであり、リチウム、ナトリウム、カリウムが好ましく、ナトリウム、カリウムがより好ましい。
弱塩基として、アルカリ金属の塩として具体的には、炭酸リチウム、炭酸水素リチウム、リン酸リチウム、第一リン酸リチウム、第二リン酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、リン酸ナトリウム、第一リン酸ナトリウム、第二リン酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸水素カリウム、リン酸カリウム、第一リン酸カリウム、第二リン酸カリウムなどが挙げられる。
炭素数1〜6のカルボン酸としては、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸が挙げられ、ギ酸または酢酸が好ましい。カルボン酸塩としては、酢酸リチウム、ギ酸ナトリウム、酢酸ナトリウム、ギ酸カリウム、酢酸カリウムなどが挙げられる。
炭素数3〜15の第三アミンとしては、具体的には、鎖状のアミンとしては、トリメチルアミン、トリエチルアミン、トリ−n−プロピルアミン、アミン、トリ−イソプロピルアミン、トリ−n−ブチルアミン、トリ−イソブチルアミン、トリ−sec−ブチルアミン、トリ−tert−ブチルアミン、トリ−n−アミルアミン、トリ−イソアミルアミン、トリ−sec−アミルアミン、トリ−tert−アミルアミン、N,N,N′,N′−テトラメチルエチレンジアミン、N,N,N′,N′−テトラメチルプロパン−1,3−ジアミン、テトラメチルグアニジンなどの鎖状の対称第三アミン、N−メチルジエチルアミン、N−メチルジ−n−プロピルアミン、N−メチルジイソプロピルアミン、N−メチルジ−n−ブチルアミン、N−メチルジイソブチルアミン、N−メチルジ−tert−ブチルアミン、N,N−ジイソプロピルブチルアミン、N,N-ジメチル-n-オクチルアミン、N,N−ジメチルノニルアミン、N,N-ジメチルデシルアミン、N,N−ジメチルウンデシルアミン、N,N-ジメチルドデシルアミン、N−メチルジヘキシルアミンなどの非対称第三アミンなどが挙げられる。環式のアミンとしては、テトラメチルグアニジン、N,N′−ジメチルピペラジン、1,8−ジアザビシクロ[5.4.0]−7−ウンデセン(DBU)、1,4−ジアザビシクロ[2.2.2]オクタン(DABCO)、ビス(2−ジメチルアミノエチル)エーテルなどが挙げられる。
弱塩基として特に好ましいものとして、ナトリウムまたはカリウムの炭酸水素塩、ナトリウムまたはカリウムの炭酸塩、ナトリウムまたはカリウムの酢酸塩またはトリエチルアミンを挙げることができる。
弱塩基の使用量は、1塩基酸に換算して、OF−1233E組成物に含まれるフッ化水素1モルに対し、1〜10モルを使用し、1〜5モルが好ましく、1〜2モルがより好ましい。1モル未満では量論的に不足するので好ましくなく、10モルを超えるのは無駄であり処理液の廃棄が困難になる。
弱塩基のうち、無機物またはカルボン酸塩の場合、水または有機溶媒などの溶媒と共に使用するのが好ましい。有機溶媒としては、メタノール、エタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類などの水溶性の溶媒を使用することができる。溶媒としては水が最も好ましい。溶媒は、弱塩基を溶解できればよく、その濃度は飽和溶解度までで使用できる。具体的には、0.01〜50質量%の溶液とし、0.1〜30質量%が好ましく、0.5〜10質量%がより好ましい。0.01質量%未満では、処理装置の大型化を招き、50質量%を超えるとフッ化水素と反応して生成した塩(例えば、フッ化ナトリウム)が析出して操作が困難になることがあり好ましくない。
弱塩基が第三アミンの場合、水または有機溶媒などの溶媒と共に使用してもよいが、水以外は使用しないことが好ましい。有機溶媒としては、メタノール、エタノールなどのアルコール類、アセトンなどのケトン類などの水溶性の溶媒が使用できる。
OF−1233E組成物を弱塩基と接触させる方法は、特に限定されない。OF−1233E組成物と弱塩基は液−液で接触させるのが簡便であり好ましいが、第三アミンがトリメチルアミンなどの沸点の低い第三アミンの場合は加圧下または低温状態で接触させることができる。接触方法としては、反応(処理)容器中にOF−1233E組成物と弱塩基を仕込み、攪拌する方法が挙げられる。攪拌方法としては、スクリュー型のほか公知の攪拌効率を高めた攪拌羽根を用いる方法、内部または外部のポンプによる液流攪拌、また、液流中にラインミキサーを設け、あるいは吐出部をスパージャーとするなどの攪拌方法を取ることができる。処理容器は、ガラス、ステンレス鋼、フッ素樹脂などの材料またはこれらの材質でライニングされた材料で作成するのが好ましい。
処理温度は、−5〜+50℃であり、0〜+30℃が好ましい。−5℃未満では処理に時間がかかり、水溶液が凍結することがあり好ましくない。また、+50℃を超えると反応容器内の圧力が上昇し耐圧容器が必要となり、または、OF−1233E組成物に含まれる成分が反応に関与することがあり好ましくない。処理圧力は、大気圧でよいが、反応温度が19℃を超える場合、または装置を密閉する場合は自圧下で行うことができる。したがって、通常0.1〜5MPaで行う。
処理に要する時間は、OF−1233E組成物と弱塩基の比率、攪拌効率、処理温度等の処理条件に依存するが、1分〜100時間であり、30分〜50時間が好ましい。
処理をした後の処理組成物(容器内容物)の有機物の組成は、処理前と実質的な変化はない。弱塩基として無機塩基またはカルボン酸塩を使用し水溶液で使用した場合、処理後の容器内容物は二層に分離しているので、分液して有機層を取り出す。
一方、弱塩基として第三アミンを使用した場合、処理後の容器内容物には、処理前のOF−1233E組成物中の各成分とフリーの第三アミン、さらに第三アミンとフッ化水素との塩(「第三アミン/フッ化水素塩」ということがある。)が含まれる。この容器内容物から、OF−1233Eを取得する方法は限定されず、蒸留によることもできるが、第三アミンの種類によっては第三アミン/フッ化水素塩が分解してフッ化水素が再生することがある。そこで、例えば次の様な方法を取ることができる。
第三アミン/フッ化水素塩を含むOF−1233E組成物に水を添加して攪拌し、有機層と水層とに分離取得する。フリーのトリエチルアミンなどの第三アミン、第三アミン/フッ化水素塩などは水層に移行し、有機層は、処理前のOF−1233E組成物と同じ組成物の有機物とトリエチルアミンが少量含まれる。
第三アミン/フッ化水素塩を含む水層に無機塩基などの強塩基を添加することで第三アミンを遊離させ水層から分離することができる。無機塩基としては、特に限定されないが、アルカリ金属の水酸化物が好ましい。アルカリ金属としては、ナトリウム、カリウム、リチウムなどなどが挙げられる。無機塩基としては、具体的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化リチウムが挙げられ、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムが好ましく、水酸化カリウムが特に好ましい。
この様にして回収した第三アミンは、そのままで、または、乾燥した後、あるいはまた、蒸留精製した後に弱塩基での処理に使用することができる。
何れの方法で処理した有機層であっても、この有機層にはフッ化水素を含まないため、水洗浄、乾燥、蒸留などの通常の有機反応生成物の精製方法を適用できる。また、弱塩基での処理では、水酸化ナトリウムなどの強塩基での処理と異なり、OF−1224などのようなOF−1233Eとの分離困難な成分が生成しないので、簡単な蒸留により高純度のOF−1233Eを得ることができる。
有機層は蒸留の前または後に乾燥させることができる。乾燥は、合成ゼオライト、シリカゲル、無水塩化カルシウム、五酸化リンなどの固体乾燥剤を用いるのが簡便で好ましい。合成ゼオライトとしては、3A、4A、5A、13Xなどが使用できる。
以下、具体的に実施例を示してより詳細に説明するが、実施態様はこれに限定されない。有機物の組成は、別途注釈のない限り、FID検出器によるガスクロマトグラフィにより測定し、記録された「面積%」を「%」と表示した。
[予備洗浄]
予備洗浄として、フッ化水素(HF)を伴う粗(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(OF−1233E)を水で洗浄した。この粗OF−1233EのHF量を滴定法で求めたところ、3.0質量%であった。外気との間にソーダライム管を備え、吹き込み管と、攪拌羽、温度計を備えたPFA樹脂コート500mLオートクレーブに水100gを仕込み、氷浴で冷却しながら、粗OF−1233E:200gを内温が15℃を超えないように窒素圧で吹き込み管から送入した。送入後一時間攪拌してから、PFA製分液ロートで分液して、下層の有機物180g、上層の水相105gを回収した。水相をイオンクロマトグラフィで分析したところ水相に5.7gのHF(粗OF−1233Eに伴われたHFの95%)が含まれていた。またこの水相をpH試験紙で測定したところpHは2であった。有機層に純水を加えてHFを抽出し、イオンクロマトグラフィで分析したところ、有機物は0.17質量%のHFを含んでいた。
有機層をガスクロマトグラフィで分析したところ、OF−1233E:98.273%、HCFC−235da:0.0775%、OF−1233Z:0.6728%であり、蒸留分離困難なOF−1224は0.0001%以下であった。
[比較例1]
予備洗浄した有機物15gをPFA製50mLボトルに取り、水を10g加え氷水バスで2時間攪拌した。その後、8℃に設定した冷蔵庫で18時間静定し二層分離した。水相のpHをpH試験紙で測定した。有機層は、純水を加えてHFを抽出し、イオンクロマトグラフィでフッ素イオン濃度(以後の比較例および実施例において同じ。)を測定してHF濃度に換算し(以後の比較例および実施例において同じ。)、有機組成は、ガスクロマトグラフィで分析した。結果を表1に示す。HF除去率は次の式で求めた。
Figure 2013103890
[比較例2]
水に替えて、5質量%NaOH水溶液を10g用いて比較例1と同じ実験を行った。結果を表1に示す。
[比較例3]
水に替えて、0.5質量%NaOH水溶液を10g用いて比較例1と同じ実験を行った。結果を表1に示す。
[実施例1]
水に替えて、5質量%炭酸水素ナトリウム(NaHCO)水溶液を10g用いて比較例1と同じ実験を行った。有機層は水10mLで2回洗浄してから分析した。結果を表1に示す。
[実施例2]
水に替えて、0.5質量%炭酸水素ナトリウム(NaHCO)水溶液を10g用いて比較例1と同じ実験を行った。結果を表1に示す。
[実施例3]
水に替えて、5質量%酢酸ナトリウム(CHCOONa)水溶液を10g用いて比較例1と同じ実験を行った。有機層は水10mLで2回洗浄してから分析した。結果を表1に示す。
[実施例4]
予備洗浄した有機物15gをPFA製50mLボトルに取り、トリエチルアミン(EtN)を10g加え氷水バスで2時間攪拌した。その後、8℃に設定した冷蔵庫で18時間静定し、水10g加え氷水バスで0.5時間攪拌し、二層分離した。水相のpHをpH試験紙で測定したところ10であった。有機層に純水を加えてHFを抽出し、イオンクロマトグラフィでフッ素イオン濃度を測定してHF濃度に換算し、有機組成は、ガスクロマトグラフィで分析した。トリエチルアミン以外の有機物はOF−1224:0.0001%以下、OF−1233E:98.2639%、HCFC−235da:0.0751%、OF−1233E:0.6470%であり、蒸留分離困難なOF−1224は実質的に副生しなかった。
Figure 2013103890
本発明の製造方法により得られる高純度のOF−1233Eは洗浄剤、冷媒、ヒートポンプ用の熱媒体、高温作動流体などとして有用である。

Claims (5)

  1. 少なくともフッ化水素と2−クロロ−1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパンを含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物を弱塩基と接触させる工程を含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物の精製方法。
  2. 弱塩基が、7〜11のpKaを有する塩基である請求項1に記載の(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物の精製方法。
  3. 弱塩基が、アルカリ金属の炭酸塩、炭酸水素塩、リン酸塩、第一リン酸塩、第二リン酸塩もしくは炭素数1〜6のカルボン酸塩、または炭素数3〜15の第三アミンから選ばれた弱塩基である請求項1に記載の(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物の精製方法。
  4. 弱塩基が、ナトリウムまたはカリウムの炭酸水素塩、ナトリウムまたはカリウムの炭酸塩、ナトリウムまたはカリウムの酢酸塩またはトリエチルアミンから選ばれた弱塩基である請求項1に記載の(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物の精製方法。
  5. 請求項1〜4の何れか1項に記載の精製方法で得られた(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン組成物を蒸留に付す工程を含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンの製造方法。
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