JP2013159562A - (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】好ましくない有機物を含む(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(OF−1233E)から、該有機物を効率的に低減し、高純度な(E)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを得る方法を提供する。
【解決手段】HCFC−142異性体、HCFC−244fa、HFC−245fa、OF−1234E、OF−1234Z及びOF−1233Zから選ばれる少なくとも一つの有機物とOF−1233Eとを含む組成物と、固体吸着剤とを接触させることを特徴とするOF−1233Eの精製方法。
【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」、「1233E」ということがある。)の製造方法に関する。
フルオロオレフィンである1233Eは作動流体、発泡剤、溶剤、医農薬中間体として有用な化合物である。1233Eの製造方法として、気相で1,1,1,3,3−ペンタクロロプロパン(HCC−240fa)をフッ化水素と反応させて1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを得る方法(特許文献1)や、HCC−240faを無触媒でフッ化水素と反応させて1,1,1−トリフルオロ−3−クロロ−2−プロペン(1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン)を得る方法(特許文献2)が記載されている。特許文献3では、HCC−240faを反応容器中、ルイス酸触媒又はルイス酸触媒の混合物の存在下、150℃より低い温度で、液相で反応させること、反応容器中で生成した塩化水素及び1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを連続的に取り出すこと、及び前工程で得られた1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを単離する方法が記載されている。
また、1233Eは通常シス体との混合物として得られるため、特許文献4ではシス体(1233Z)をトランス体(1233E)へ変換する方法が開示されており、特許文献5では1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン(HFC−245fa)と塩化水素を触媒上で接触させることで1233Eを得る方法が開示されている。
一方、ゼオライト、アルミナ等の固体吸着剤はフッ素化炭化水素や、フッ素化不飽和炭化水素に含まれるフッ化水素やアルコールを低減できることが知られている(特許文献6、特許文献7)。
特開平9−183740号公報 特開平11−180908号公報 WO05/014512A1 米国特許出願公開第2010/0152504号 特開2010−064990号公報 特開2002−047218号公報 特開2000−229894号公報
1233Eを作動流体、発泡剤、溶剤、医農薬中間体として用いる場合、高純度品が要求される。1233Eは二重結合を含むので、従来のCFC(クロロフルオロカーボン)、HCFC(ヒドロクロロフルオロカーボン)、HFC(ヒドロフルオロカーボン)と比較して、大気寿命が短く、地球温暖化、オゾン層破壊等の環境への影響が少ない化合物である。よって、多重結合を有さないHFC類の混入は好ましくない。特に塩素原子とフッ素原子の両方を含む飽和化合物であるHCFC類は、地球温暖化だけでなくオゾン層破壊の原因物質であるので、特に好ましくない不純物である。また、1233E以外のオレフィン類は反応性が高いので、好ましくない。
しかしながら、特許文献1〜5に記載の反応を用いた場合、1233Eは異性体である(Z)−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(シス−1−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン。以下、「OF−1233Z」、「1233Z」ということがある。)や、過度にフッ素化された1,1,1,3,3−ペンタフルオロプロパン(以下、「HFC−245fa」、「245fa」ということがある。)、1−クロロ−1,3,3,3−テトラフルオロプロパン(以下、「HCFC−244fa」、「244fa」ということがある。)、C2H3ClF2の分子式で表される飽和化合物(以下、「HCFC−142異性体」、「142」と呼ぶ事がある。)、(E)−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(以下、「OF−1234E」、「1234E」ということがある。)、(Z)−1,3,3,3−テトラフルオロプロペン(以下、「OF−1234Z」、「1234Z」ということがある。)等の有機物との反応混合物として得られる。142異性体の例として、CHFCHCL(35℃)、CHCClF(−9℃)、CHFCHClF、CHClCHClFが挙げられる。
前記反応混合物から高純度の1233Eを得るには、一般的に蒸留によるのが簡便であるが、これらの1233E以外の有機物は1233Eと沸点が近似しているため、蒸留収率を低下させる(スキーム1参照)。特に、245faと1233Eとは共沸することが知られており(特許文献8参照)、蒸留分離は効率的では無い。
WO00/029361A1
Figure 2013159562
そこで、本発明は、高純度な1233Eを得る方法を提供する。すなわち、好ましくない不純物である、142、244fa、245fa、1234E、1234Z、1233Z等の有機物を含む粗1233Eから、好ましくない不要な有機物を効率的に低減することを課題とする。以下、好ましくない不純物である142、244fa、245fa、1234E、1234Z、1233Zを当該不純物と呼ぶことがある。
前記課題に鑑み、本発明者らが鋭意検討したところ、固体吸着剤と不純物を含有する1233Eを接触させると、分離困難な142、244fa、245fa、1234E、1234Z、1233Z等を効率的に低減できることを見出した。特に固体吸着剤の中でもシリカアルミナ系化合物が効果的であり、ゼオライトやアロフェン等がより効果的であり、中でもX型ゼオライトが特異的に有効であることを見出した。
[発明1]
HCFC−142異性体、HCFC−244fa、HFC−245fa、OF−1234E、OF−1234Z、OF−1233Zからなる群より選ばれる少なくとも一つの有機物とOF−1233Eとを含む組成物と、固体吸着剤とを接触させることを特徴とするOF−1233Eの精製方法。
[発明2]
HFC−245fa及びOF−1233Eを含む組成物と、固体吸着剤を接触させることを特徴とする発明1に記載の方法。
[発明3]
固体吸着剤がゼオライトであることを特徴とする発明1又は発明2に記載の方法。
[発明4]
固体吸着剤がX型ゼオライトであることを特徴とする発明1又は発明2に記載の方法。
[発明5]
請求項1〜4のいずれかの精製方法に用いるための、HCFC−142異性体、HCFC−244fa、HFC−245fa、OF−1234E、OF−1234Z及びOF−1233Zからなる群より選ばれる少なくとも一つの有機物とOF−1233Eとを含む組成物と、固体吸着剤との固液不均一混合物。
本発明において「不要な有機物の低減」とは、142、244fa、245fa、1234E、1234Z、1233Zからなる群より選ばれる少なくとも一つの有機物の含有量が、固体吸着剤との接触の前後で、100ppm以上減少していることであり、或いは、接触前の含有量が既に100ppm以下である場合、その有機物が後述するガスクロマトグラフィ測定において、10ppm以下であることである。すなわち、10ppm以下の場合、物性、環境安全性等に実質的に影響を与えないからである。これら有機物の減少量が多いほど好ましく、また低減された有機物の種類が多いほど好ましい。中でも、オゾン層破壊と地球温暖化の両方に影響を及ぼす142と244fa、及び、1233Eと共沸する245faが減少することは好ましいといえる。
本発明の方法によると、簡便な操作で粗1233E中の不要な有機物を低減でき、高純度化できる。さらに、蒸留精製した1233Eをさらに高純度化することも可能となった。
循環方式の一実施形態の模式図。
本発明の方法を適用する142、244fa、245fa、1234E、1234Z及び1233Zからなる群より選ばれる少なくとも一つの有機物とOF−1233Eとを含む組成物(「粗1233E」ということもある。)は、どの様な経緯で得られた組成物であってもよい。また、組成比は特に限定されない。
HCC−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や、1233Zの異性化反応によって得られる反応混合物であってもよく、あるいは、245faと塩化水素を触媒上で接触させて得られるものであっても良い。
また、前記反応混合物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、通常の蒸留、抽出蒸留などが挙げられる。或いは、溶媒、洗浄剤、溶剤、冷媒、熱媒、作動流体、発泡剤等の用途に1233Eを用いた後に回収された、142、244fa、245fa、1234E、1234Z、1233Zが混入した粗1233Eにも適応可能である。即ち、使用済み1233Eのリサイクルにも有用である。
この場合、通常、1233Eの組成が80〜99.99%、当該不純物およびその他の不純物のトータルが0.01%から20である。当該不純物のトータルは少なければ少ないほど好ましいが、通常0.01%から10%が好ましい。
さらに、当業者の所望により当該不純物やその他の成分を添加した1233Eにも適応可能である。この場合、任意の組成であるが、1233E濃度が70%以上、当該不純物のトータルが、10%以下が望ましい。
粗1233Eに含まれるそれぞれの有機物の含有量には特に限定は無く、例えば、1233Eが20%程度で、142、244fa、245fa、1234E、1234Z及び1233Zの総量が0.1%程度であっても、残りの79.9%が蒸留で分離できる溶媒や高沸成分であれば、本発明の精製方法に適用でき、その場合は不純物を固体吸着剤で低減した後に蒸留操作を行うことで高純度の1233Eを得ることが出来る。
1233Eと245faは35:65で共沸することが知られている(特許文献8)。また、非常によく似た構造である1234E、1234Z、1233Zは、1233Eと沸点も近く蒸留分離困難である(実施例10参照)。これらの化合物を多く含む粗1233Eを蒸留した場合、歩留まりが低下する。逆に、段数の少ない蒸留にて、これらの化合物を完全に分離することは実質的に不可能であるので、主留分を本発明によって、さらに高純度化することは効率的である。また、市販されている1233Eを本発明によって、さらに高純度化させることも可能である。
本発明において固体吸着剤としては、ゼオライト、粘土、アルミナ、シリカ、シリカアルミナ、活性炭、或いはこれらの複合剤や混合物を使用することができ、中でも細孔を有するシリカアルミナ系吸着剤であるゼオライトの使用が好ましい。
アルミナはその種類に特に制限はなく、無定形アルミナ、結晶性アルミナ、アルミナ水和物等を使用することができる。これらのうち、結晶性の低いアルミナが好ましく、具体例としては、触媒用(商品名:N612N、日揮科学(株)製)等が挙げられる。シリカはその種類に特に制限はなく、無定形シリカ、結晶性シリカ、シリカ水和物等を用いることができる。具体的には、シリカゲル、珪藻土等を使用することができる。より具体的には、CARiACT、Q−15(以上、富士デビソン(株)製)等が挙げられる。また、シリカアルミナ系の鉱物であるアロフェンも有効である。
活性炭の種類についても特に制限はなく、植物質系、石灰質系、石油系の活性炭を使用することができる。特に、木材、木炭、椰子殻炭を原料とする植物質系、瀝青炭、亜炭などを原料とする石灰質活性炭が好適に使用される。
国際ゼオライト学会ではゼオライトを「開かれた3次元ネットワークを形成する組成ABn(n≒2)の化合物で、Aが4本、Bが2本の結合をもち、骨格密度が20.5以下の物質」と定義されている。
国際鉱物学連合では「カチオンに4つの酸素が配位する四面体が連結した骨格構造で特徴づけられる結晶物質である。その構造は、孔路や空孔から構成される外に開かれた、すなわちゲスト分子を通すことができる大きさの細孔を有する。孔路や空孔は、通常分子や交換性カチオンによって占められている。四面体の頂点酸素の1つをOH基、F基で占有することにより、骨格の連続が不連続になることもある。」の条件を満たすものであるとゼオライトを定義している。
本発明では、国際ゼオライト学会で定義されたゼオライトでも、国際鉱物学連合で定義されたゼオライトでも使用可能である。ゼオライトは沸騰石、もしくは沸石と呼ばれることもある。
前記ゼオライトの内、アルミノシリケートで構成されたゼオライトが好ましい。すなわち、基本骨格がSi、Al、O、Hで構成され、Li、Na、K、Ca等のアルカリ金属やアルカリ金属土類を含むものが好ましい。該ゼオライトが天然品の場合はその他の金属を含有することがあるし、合成ゼオライトの場合は、所望により上記以外の金属をドープさせることもある。
ゼオライトはその種類に特に制限はなく、フォージャサイト属、シャバサイト属、モルデナイト属などのものが挙げられる。フォージャサイト属としては、フォージャサイトなどの天然ゼオライト、3A、4A、5AなどのA型、10X、13XなどのX型、Y型などの合成ゼオライト、シャバサイト属としては、シャバサイト、グメリナイト、エリオナイト、レビナイトなどの天然ゼオライト、R型、S型、またはT型の合成ゼオライト、モルデナイト属としては、天然産または合成品のモルデナイト、クリノプチロライトなどを挙げることができる。
また、天然ゼオライト、合成ゼオライトにかかわらず、焼成処理、酸処理、塩基処理、イオン交換処理等によって変性されたものも使用可能である。イオン交換処理に適したイオンは、アルカリ金属イオン、アルカリ土類金属イオンであり、アルカリ金属イオンの例として、リチウムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオン、ルビジウムイオン、セシウムイオンが例示され、アルカリ土類金属イオンとしてベリリウムイオン、マグネシウムイオン、カルシウムイオン、ストロンチウムイオン、バリウムイオンが具体的に例示される。
合成ゼオライトにおいては、当業者の所望により、処方を変えることによって、細孔分布やSi/Al比やその他の金属の含有量を変化させることも可能である。一般に天然品よりも、合成品の方が、品質が安定している。特に、入手が容易な合成ゼオライトであるA型、X型、Y型などがより好ましい。K置換されたA型ゼオライト(MS−3A、KA、モレキュラーシーブス3Aと呼ばれることがある)、Na置換されたA型ゼオライト(MS−4A、NaA、モレキュラーシーブス4Aと呼ばれることがある)、Ca置換されたA型ゼオライト(MS−5A、CaA、モレキュラーシーブス5Aと呼ばれることがある)、Ca置換されたX型ゼオライト(MS−10X、CaX、モレキュラーシーブス10Xと呼ばれることがある)、Na置換されたX型ゼオライト(MS−13X、NaX、モレキュラーシーブス13Xと呼ばれることがある)がより好ましく。NaやCaイオンで置換されたX型ゼオライトは、全ての当該不純文物に有効であるので、特に好ましい。
本発明に使用するゼオライトは、粉末、顆粒、造粒品などの何れの形状のものでもよいが、特に充填塔形式で使用する時は、球状または棒状のものが取り扱い易く好ましい。
粗1233Eと固体吸着剤の接触方法は限定されないが、容器中の粗1233Eに固体吸着剤を投入し、攪拌または無攪拌で所定時間接触させるバッチ方式、固体吸着剤を充填した容器(以下、「吸着塔」ということもある)に粗1233Eを通過させる流通方式などが挙げられる。流通方式で循環させること(循環方式)も可能である。カラムに吸着剤をつめて流通させる方式の場合は、圧力損失が少ないビーズもしくはペレット状に成形された固体吸着剤が好ましい。循環方式としては、例えば、図1のようにタンク内の粗1233Eを、固体吸着剤を充填した吸着塔に通液し、ポンプで循環させる方法等が可能である。
固体吸着剤との接触形態として、粗1233Eが気体でも液体でも良いが、生産性の高い液体状態での接触が好ましい。
バッチ方式での吸着操作時間は、吸着温度、不純物の濃度と目標濃度、拡散状態、吸着剤の種類や状態、吸着剤と1233Eの重量比等に依存するが、通常5分〜48時間であり、30分〜6時間が好ましく、60分〜3時間がより好ましい。操作時間が短い場合、不純物が十分に低下しないことがある。一般に不純物濃度は、初期に急激に低下して、経時的に低下率が小さくなる。よって、過度に長い時間をかけても生産性が低下するだけである。
バッチ方式における1233Eと固体吸着剤との重量比は、吸着温度、不純物の濃度と目標濃度、拡散状態、固体吸着剤の種類や状態に依存するが、常識的に、1233E/固体吸着剤が重量比で1〜30の範囲が好ましい。
吸着温度は、特に限定されないが、−50℃から30℃が好ましく、特に−20℃から10℃が好ましい。この範囲よりも高い温度領域の場合、予期せぬ分解が起こることが懸念されるだけでなく、1233Eの沸点が19℃なので、圧力が高くなることがある。また、−50℃以下に冷却する場合、特殊な冷凍装置が必要となり設備費、運転費が高くなるので、経済的に好ましくない。
バッチ式でも流通式でも吸着圧力は特に限定されない。常圧近傍の運転が簡便であるが、ポンプや窒素で加圧することも可能である。特に吸着塔を流通させるために、ポンプを用いて送液することは工業的に常套手段である。圧送するときに任意の圧力で加圧することができる。過剰に高圧に加圧すると、高価な耐圧装置が必要となるので、通常は−0.05から+1.0MPaの操業が推奨される。
流通方式の場合、操業条件は、流通回数、固体吸着剤の種類や状態、固体吸着剤の充填量、吸着塔のディメンジョン(内径、長さ)、操業温度、流通速度に依存する。吸着塔のディメンジョンとしては、長さ/内径比が3〜200、好ましくは4〜50が好ましい。比が小さい場合は不純物の低下が十分で無いことがある。また、比が極端に大きい場合は、圧力損失が大きくなり、高価な設備が必要となる。例えば、流通回数が1回の場合、1分から120分程度の滞在時間が好ましい。また、液の線速(空塔線速)は1cm/h〜10m/hr程度であり、2cm/hr〜5m/hrが好ましい。線速が1cm/hrより遅いと処理時間が長くなることにより生産性が低下するので好ましくなく、10m/hrを越えると十分に不純物が低下しないことがある。
ここで固体吸着剤の状態とは、どれだけ不純物を吸着しているかを意味している。フレッシュな状態では、吸着量、速度とも大きいが、多くの不純物を吸着した状態では、当然これらが低下する。この場合は、脱着処理を行うことによって、固体吸着剤を再生することができる。具体的には、吸着塔内の液体を除去した後、減圧することによって、再生することができる。減圧後、加熱することも可能である。加熱はオプションであるが、加熱する場合は30℃〜300℃が好ましい。また、脱着処理時にガス分を冷却捕集することによって吸着していた不純物の濃縮物を得ることができる。
当業者の所望により、保管・輸送用の容器に粗1233E及び固体吸着剤を導入し、粗1233Eと固体吸着剤との固液不均一混合物として保管、輸送することもできる。例えば、ステンレス容器を用いて、1233Eを保管、輸送、販売する場合、ここに固体吸着剤を添加することで、保管中に好ましくない不純物を低減した1233Eを提供することが可能となる。粗1233Eと固体吸着剤の重量比は、実施の様態、固体吸着剤の嵩比重に依存するため適宜検討すればよいが、通常、粗1233E/固体吸着剤の重量比が0.1〜200であることが好ましく、さらに好ましくは1〜100である。この場合は、粗1233E/固体吸着剤の重量比は5〜50が好ましく、8〜40がさらに好ましい。重量比が5よりも小さいと、過剰の固体吸着剤が必要となるだけでなく、容器に充填できる1233Eの量が少なくなるので好ましくない。重量比が50よりも大きいと十分な吸着効果が得られないことがある。
前記固液不均一混合物として保管・輸送を行う場合は低温低湿度の環境が望ましい。具体的には−50℃〜25℃であり、好ましくは−20℃から5℃である。25℃よりも高い場合は、保存期間によって、不純物や1233Eが変性することがある。−50℃よりも低い温度を維持することは経済的では無い。また、高湿度の場合、金属容器が湿気によって腐食したり、容器の開閉時に水分が容器内に入ることが懸念されるので、好ましくない。
また、流通方式においても、流通を止めて、吸着塔内に粗1233Eを留める事で、前記固液不均一混合物として保管し、粗1233Eを高純度化することも可能である。この場合の粗1233Eと固体吸着剤の重量比は、特に限定されないが、粗1233E/固体吸着剤が0.1〜3であると好ましいといえる。
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、別途注釈の無い限り、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。
[実施例1]バッチ式による精製
固体吸着剤として品川化成株式会社製セカードKW(主成分:アロフェン)50gを250ccの高密度ポリエチレン容器に入れて、−10℃に冷却した。そこに−10℃に冷却した粗1233Eを150g入れて、−20℃の冷凍庫で24時間静置した。その後、液部をガスクロマトグラフィー(FID)で分析した。そのプロファイルを表1に示す(表1において、「0.0000」は「検出されず」を表す)。
Figure 2013159562
[実施例2〜7]
吸着剤を変更する以外、実施例1と同様の実験を行った。実施例1から7で用いた全ての固体吸着剤は、何れかの好ましくない不純物除去の効果を示した。特にオゾン層破壊物質である142の減少が認められた。実施例5及び実施例6において用いたX型ゼオライトは、全ての好ましくない不純物に対して、著しい吸着効果が認められた。
[実施例8]流通法による精製
内径10mmφ、長さ400mmのステンレス製吸着塔に和光純薬製モレキュラーシーブス13X(実施例5と同じもの(新品))14.9gを仕込み、大型(50L)の氷浴(0℃〜3℃)で冷却した。同じ氷浴で冷却した粗1233Eを窒素で加圧して、アップフローで空塔線速183cm/hrで流通させた(3g/分)。この時の塔の内圧は0.2MPaであった。吸着塔出口の組成を表2に示した。
Figure 2013159562
[実施例9]固体吸着剤の脱着処理
実施例8終了後、吸着塔を氷浴から取り出し、窒素を流通させて液をパージした。窒素の流通を止めた後、真空ポンプで減圧した(室温)。10分後、吸着塔を90℃のウォーターバスにつけて、5時間減圧を継続して、固体吸着剤を再生した。この固体吸着剤を用いて実施例8と同様の実験を行った結果を表3に示す。脱着処理をされた固体吸着剤を粗1233Eと接触させた場合も、実施例8の新品のものと同様に好ましくない不純物除去の効果を示し、該固体吸着剤が再生利用可能なものであることが示された。
Figure 2013159562
[実施例10]
理論段数50段の蒸留塔で精製された99.9912%の1233Eを用いて、実施例5と同じ実験を行った。その結果、99.992%の超高純度1233Eが得られた(表4)。蒸留精製では除き切れなかった1234E、245fa、1234Zは、吸着処理後には検出されず、本発明の精製方法が1233Eの高純度化に非常に効果的であることが確認された。
Figure 2013159562
1 粗1233Eを充填したタンク
2 ライン
3 固体吸着剤を充填した吸着塔
4 送液ポンプ

Claims (5)

  1. HCFC−142異性体、HCFC−244fa、HFC−245fa、OF−1234E、OF−1234Z及びOF−1233Zからなる群より選ばれる少なくとも一つの有機物とOF−1233Eとを含む組成物と、固体吸着剤とを接触させることを特徴とするOF−1233Eの精製方法。
  2. HFC−245fa及びOF−1233Eを含む組成物と、固体吸着剤を接触させることを特徴とする請求項1に記載の方法。
  3. 固体吸着剤がゼオライトであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の方法。
  4. 固体吸着剤がX型ゼオライトであることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の方法。
  5. 請求項1〜4のいずれかの精製方法に用いるための、HCFC−142異性体、HCFC−244fa、HFC−245fa、OF−1234E、OF−1234Z及びOF−1233Zからなる群より選ばれる少なくとも一つの有機物とOF−1233Eとを含む組成物と、固体吸着剤との固液不均一混合物。
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