JP2014532046A - 2,3,3,3−テトラフルオロプロペンの製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明は、式CX3CHClCH2Xのハロプロパンと式CX3CCl=CH2/CClX2CCl=CH2及びCX2=CClCH2X(式中、Xは独立してフッ素原子又は塩素原子である)のハロプロペンから2,3,3,3−テトラフルオロプロペンを製造する方法に関する。本発明は、具体的には、式CX3CHClCH2Xの少なくとも一つのハロプロパン及び/又は式CClX2CCl=CH2及びCX2=CClCH2X(式中、Xは独立してフッ素原子又は塩素原子である)の少なくとも一つのハロプロペンと混合されていてもよい2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンが、2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンに対する酸素のモル比が1より大きく2.5以下で、反応する全化合物に対するHFのモル比が5〜40である条件下で、320〜420℃の温度、フッ素化触媒の存在下、気相中で、HFと反応する少なくとも一つの工程(FCO)を含む、方法に関する。

Description

本発明は、触媒の存在下で気相中でフッ素化を行う少なくとも一つの工程を含む、2,3,3,3−テトラフルオロプロペンの製造方法に関する。
2,3,3,3−テトラフルオロプロペン(HFO−1234yf)は、地球温暖化係数が低いため、自動車用エアコンのHFC−134aに置き換わる可能性のある候補に考えられている。
2,3,3,3−テトラフルオロプロペンは、1,2,3,3,3−ペンタフルオロプロペン(HFO−1225ye)から得ることができ、水素化触媒の存在下でHFO−1225yeと水素を反応させることにより1,1,1,2,3−ペンタフルオロプロパン(HFC−245eb)を生成し、次に、このように生成されたHFC−245ebに、水酸化カリウムの存在下で脱フッ化水素化の工程を行う(Knunyants等、Journal of Academy of Sciences of the USSR、1312〜1317ページ、1960年8月)。
2,3,3,3−テトラフルオロプロペンはまた、触媒の存在下で2−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペン(HCFO−1233xf)とHFと反応させて1,1,1,2−テトラフルオロ−2−クロロプロパン(HCFC−244bb)をまず生成し、次に第2の触媒上でHCFC−244bbとHFを反応させることで得ることもできる(WO2007/079431)。
2,3,3,3−テトラフルオロプロペンはまた、ペンタクロロプロパン又はテトラクロロプロペンから、中間体として2−クロロ−3,3,3−トリフルオロプロペンを経て得ることもできる。
文献WO2010/123154には、フッ素化されていてもよい式CrO(1.5<m<3)の酸化クロム触媒を用いて、酸素の存在下で、HCFO−1233xfとHFを反応させることにより、HFO−1234yfを製造する方法が記載されている。前記文献では、HFO−1234yfについての優れた選択性を得るために、反応温度を330〜380℃、圧力を0.08MPa〜0.2MPa、HCFO−1233xfに対する酸素のモル比を0.1〜1、HCFO−1233xfに対するHFのモル比を4〜30にする必要があることを示している。
文献WO2010/123154では、非常に短い反応時間(最大45時間)でのHFO−1234yfの選択性のみに注目している。したがって、その転換率は、反応45時間後で実施例3において6.2%しかない。
WO2007/079431 WO2010/123154
Knunyants等、Journal of Academy of Sciences of the USSR、1312〜1317ページ、1960年8月
しかしながら、方法が産業的に実行可能であるためには、選択性だけでなく転換率も高い必要がある。さらに、性能レベルは、時間に対して実質的に一定でなければならない。
そこで、本出願人は、産業的に実施することができ、先行技術の欠点を示さない、2,3,3,3−テトラフルオロプロペンの製造方法を開発した。より具体的には、本発明は、式CXCHClCHX及びCXCFXCHのハロプロパンと式CXCCl=CH、CClXCCl=CH及びCX=CClCHX(式中、Xは独立してフッ素原子又は塩素原子である)のハロプロペンから、2,3,3,3−テトラフルオロプロペンを製造する方法を提供する。本発明の方法は、式CXCHClCHX及びCXCFXCHの少なくとも一つのハロプロパン及び/又は式CClXCCl=CH及びCX=CClCHX(式中、Xは独立してフッ素原子又は塩素原子である)の少なくとも一つのハロプロペンと混合されていてもよい2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンが、2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンに対する酸素のモル比が1より大きく2.5以下で、反応する全化合物に対するHFのモル比が5〜40である条件下で、320〜420℃の温度、フッ素化触媒の存在下、気相中で、HFと反応する少なくとも一つの工程(FCO)を含む。
用語「有機化合物」とは、少なくとも炭素、塩素、任意で、水素及びフッ素から選択される元素の少なくとも1つを含む化合物を意味するものとする。
有機化合物は出発物質及び中間体を含む。
一実施態様によれば、出発物質は、2,3−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロプロパン(HCFC−243db)、1,1,1,2,3−ペンタクロロプロパン(HCC−240db)、2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペン(HCFO−1233xf)及び/又は1,1,2,3−テトラクロロロペン(HCO−1230xa)から選択される。
一実施態様によれば、2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンは、本発明の(FCO)工程でHFと反応する有機化合物の20重量%超に相当する。
本発明の一つの好ましい実施態様によれば、HFO−1234yfは、ペンタクロロプロパン、有利には1,1,1,2,3−ペンタクロロプロパンから得られ、その方法は、ペンタクロロプロパン及び/又は2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンが、酸素及びフッ素化触媒の存在下で気相中でHFと反応する(FCO)工程を含む。
いずれの実施態様も、(FCO)工程において反応する2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンに対する酸素のモル比は、好ましくは1.25〜2.5である。(FCO)工程において反応する全有機化合物に対するHFのモル比は、好ましくは10〜40である。(FCO)工程のフッ素化反応温度は、好ましくは340〜400℃である。
(FCO)工程は、通常、0.5〜20バール、好ましくは1〜7バールの圧力で行われる。
使用する触媒はバルク触媒又は担持触媒である。触媒は、金属、特に遷移金属、又はそれらの金属の酸化物誘導体、ハロゲン化物誘導体又はオキシハロゲン化物誘導体をベースとしてもよい。触媒は、例えばFeCl、酸化フッ化クロム、NiCl、CrF及びそれらの混合物である。
他の可能な触媒は、マグネシウム誘導体などのマグネシウム、特に、酸化フッ化物などのオキシハロゲン化マグネシウムもしくはMgFなどのハロゲン化物をベースとする炭素担持触媒もしくは触媒、又はアルミナ、活性アルミナ又はアルミニウム誘導体などのアルミニウム、特に、酸化フッ化物などのオキシハロゲン化アルミニウムもしくはAlFなどのハロゲン化物をベースとする炭素担持触媒もしくは触媒である。
触媒はまた、Co、Zn、Mn、Mg、V、Mo、Te、Nb、Sb、Ta、P、Ni、Zr、Ti、Sn、Cu、Pd、Cd、Bi又はそれらの混合物から選択される共触媒を含んでもよい。触媒がクロムベースである場合、Ni、Mg及びZnが共触媒として有利に選択される。
共触媒/触媒の原子比率は好ましくは0.01〜5である。
クロムベースの触媒が特に好ましい。
有利には、触媒に、空気、酸素又は塩素などの酸化剤の流れの存在下で活性化処理を行う。
有利には、触媒にはさらに、フッ化水素酸を含む流れを用いた活性化工程を施す。
一実施態様によれば、触媒の活性化は、酸化剤で処理してからHFで処理するという2つの工程で行うことができる。
別の実施態様によれば、触媒の活性化は、HFで処理してから酸化剤で処理するという2つの工程で行うことができる。
触媒又は反応に応じて、この交互処理(空気処理を行ってからHFで処理し、再び空気処理を行ってからHFで処理するなどの活性化)は数回行うことができる。
酸化剤での処理温度は、10〜200時間の間、250〜500℃、好ましくは300〜400℃とすることができる。HFでの処理温度は、1〜50時間の間、100〜450℃、好ましくは200〜300℃とすることができる。
別の実施態様によれば、触媒の活性化は、HFと酸化剤の混合物で処理するという少なくとも一つの工程で行うことができる。酸化剤は、HFと酸化剤の混合物に対して2〜98モル%に相当してもよく、活性化温度は、10〜200時間の間、200〜450℃の範囲とすることができる。
触媒の活性化は、式CXCHClCHX及びCXCFXCHのハロプロパンから選択される少なくとも一つの化合物及び/又は式CXCCl=CH、CClXCCl=CH及びCX=CClCHX(式中、Xは独立してフッ素原子又は塩素原子である)の少なくとも一つのハロプロペン、HFならびに酸化剤の存在下でフッ素化反応を行うことによって継続することができる。HF/ハロプロパン及び/又はハロプロペンのモル比は2〜40とすることができる。酸化剤/ハロプロパン及び/又はハロプロペンのモル比は0.04〜2.5とすることができる。フッ素化によるこの活性化工程の時間は6〜100時間とすることができ、温度は300〜400℃とすることができる。
この活性化工程の最後に、触媒に好ましくは空気処理を行ってから、本発明の(FCO)工程を含む2,3,3,3−テトラフルオロプロペンの製造方法を実施する。
活性化工程は、大気圧で、又は最大20バールの圧力で行うことができる。
本発明の一つの好ましい実施態様によれば、ニッケル、亜鉛及びマグネシウムから選択される少なくとも一つの金属とクロムの両方を含有する混合触媒を使用する。(Ni/Zn/Mg)/Crの原子比率は、通常0.01〜5である。
有利には、触媒は、クロムとニッケルを混合した触媒であり、担持されていてもよい。
金属は、金属の形態、誘導体の形態、特に、酸化物、ハロゲン化物又はオキシハロゲン化物、これらの誘導体、特に、触媒金属の活性化により得られたハロゲン化物及びオキシハロゲン化物であってもよい。金属の活性化は必須ではないが好ましい。
担体はアルミニウムベースである。アルミナ、活性アルミナ又はアルミニウム誘導体などのいくつかの可能な担体が挙げられる。これらのアルミニウム誘導体は、特に、下記の活性化処理によって得られたハロゲン化アルミニウム又はオキシハロゲン化アルミニウムである。
触媒は、金属の活性化を受けてもよい担体上に、非活性型又は活性型のクロムならびにニッケル、マグネシウム及び/又は亜鉛を含んでもよい。
担体は、高空孔率を有するアルミナから調製することができる。第1の工程で、アルミナは、空気及びフッ化水素酸を用いたフッ素化により、フッ化アルミニウム又はフッ化アルミニウムとアルミナの混合物に転換され、アルミナのフッ化アルミニウムへの転換の程度は、基本的に、アルミナのフッ素化を行う温度(通常、200℃〜450℃、好ましくは250℃〜400℃)によって変わる。その後、担体は、クロム塩ならびにニッケル塩、マグネシウム塩及び/もしくは亜鉛塩の水溶液を用いて、又はクロム酸の水溶液、ニッケル塩、マグネシウム塩及び/もしくは亜鉛塩の水溶液、ならびにメタノール(クロム還元剤として働く)の水溶液を用いて含浸させる。使用してもよいクロム塩ならびにニッケル塩、マグネシウム塩及び/又は亜鉛塩として、担体に吸収されてもよい水の量に溶解され得る限り、塩化物、又は他の塩、例えばシュウ酸塩、ギ酸塩、酢酸塩、硝酸塩及び硫酸塩、又は重クロム酸ニッケル、重クロム酸マグネシウム及び/もしくは重クロム酸亜鉛が挙げられる。
触媒は、上記のクロム化合物ならびにニッケル化合物、マグネシウム化合物及び/又は亜鉛化合物の溶液を用いて、アルミナ(通常、活性アルミナ)を直接含浸させることにより調製することができる。この場合、触媒の金属を活性化する工程で、アルミナの少なくとも一部(例えば70%以上)がフッ化アルミニウム又は酸化フッ化アルミニウムに転換される。
触媒の調製に用いてもよい活性アルミナは公知の市販品である。活性アルミナは、通常、300〜800℃の温度でアルミナ水和物(水酸化アルミニウム)を仮焼することで調製される。アルミナ(活性アルミナ又は非活性アルミナ)は、触媒性能を損なうことなく、高含量(最大1000ppm)のナトリウムを含有することができる。
好ましくは、触媒は、前の「活性化」操作を通して、調整又は活性化され、すなわち(反応条件下で)活性があり安定した成分に転換される。この処理は、「その場で(in situ)」(フッ素化反応器内で)、そうでない場合は活性化条件に耐えられるように設計された適切な装置内で行うことができる。
担体の含浸の後、触媒は、空気又は窒素の存在下で、100〜350℃、好ましくは220〜280℃の温度で乾燥する。
その後、乾燥した触媒は、酸化剤及び/又はフッ化水素酸を用いた1つ又は2つの工程で活性化される。乾燥した触媒は、したがって、式CXCHClCHX及びCXCFXCHのハロプロパンから選択される少なくとも一つの化合物及び/又は式CXCCl=CH、CClXCCl=CH及びCX=CClCHX(式中、Xは独立してフッ素原子又は塩素原子である)の少なくとも一つのハロプロペン、HFならびに酸化剤の存在下でのフッ素化反応によって活性化される。HF/有機化合物のモル比は2〜40とすることができる。酸化剤/有機化合物のモル比は0.04〜2.5とすることができる。フッ素化によるこの活性化工程の時間は6〜100時間とすることができ、温度は300〜400℃とすることができる。
本発明はまた、上記の少なくとも一つの(FCO)工程を含む、2,3−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロプロパン(HCFC−243db)、1,1,1,2,3−ペンタクロロプロパン(HCC−240db)、2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペン(HCFO−1233xf)及び/又は1,1,2,3−テトラクロロプロペン(HCO−1230xa)から2,3,3,3−テトラフルオロプロペンを製造する方法も提供する。
本発明はまた、触媒の存在下で気相中で1,1,1,2,3−ペンタクロロプロパン(HCC−240db)とHFを反応させ、2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペン(HCFO−1233xf)、HFO−1234yf、及び任意で1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパン(HFC−245cb)を含む流れを生成し、HFO−1234yfを分離した後、前記流れに(FCO)工程を行う、2,3,3,3−テトラフルオロプロペンを製造する方法も提供する。
HCC−240dbのフッ素化工程、及びHFO−1234yfの分離後に流れをフッ素化する工程は、同じ反応器で行ってもよいし、2つの別の反応器で行ってもよい。
(FCO)工程で存在する酸素は、空気由来でも酸素濃縮空気由来でもよい。
本発明の方法は、連続的に行ってもよいし、バッチ式に行ってもよい。
触媒
使用する触媒は、フッ化アルミニウムに担持されたニッケル/クロム(Ni/Cr原子比率=1)ベースであり、ニッケル塩とクロム塩の溶液を含浸することにより得られる。
活性化は下記工程を含む:
乾燥工程は、大気圧で、約20L/時で導入された窒素流下、約220℃の温度で24時間行い;
第1の活性化工程は、約350℃の温度で、窒素とフッ化水素酸の混合物下で、窒素を徐々に減少させ、3時間純粋なHF下で進行するように行い、その後64時間空気のみの流れの下で行い;
第2の活性化工程は、空気、フッ化水素酸及びHCFO−1233xf(HF/HCFO−1233xfのモル比=20、酸素/HCFO−1233xfのモル比=0.08)を用いて、接触時間を25秒として30時間350℃で行い、次に1.5L/時で導入した空気流下で64時間処理を行い、その後、様々なフッ素化反応を行う。
活性化の経時的スキーム:
Figure 2014532046
反応
フッ素化反応は以下の条件で行う:
HF/HCFO−1233xfのモル比=24
酸素/HCFO−1233xfのモル比=1.8又は0.6
接触時間=22秒
大気圧
温度350℃
これらの条件下で60時間後、HCFO−1233xfの転換率は50%であり、HFO−1234yf及びHFC−245cbについての選択性は86%である。
1690時間後、転換率は44%であり、HFO−1234yf及びHFC−245cbについての選択性は86%である。
HF/HCFO−1233xf比=0.6としてフッ素化反応を行うこと以外は上記と同様の方法を行う。
これらの条件下で60時間後、HCFO−1233xfの転換率は約32%である。
反応250時間後、転換率は28%であり、HFO−1234yf及びHFC−245cbについての選択性は88%である。

Claims (15)

  1. 式CXCHClCHX及びCXCFXCHのハロプロパンと式CXCCl=CH、CClXCCl=CH及びCX=CClCHX(式中、Xは独立してフッ素原子又は塩素原子である)のハロプロペンとから2,3,3,3−テトラフルオロプロペンを製造する方法において、式CXCHClCHX及びCXCFXCHの少なくとも一つのハロプロパン及び/又は式CClXCCl=CH及びCX=CClCHX(式中、Xは独立してフッ素原子又は塩素原子である)の少なくとも一つのハロプロペンと混合されていてもよい2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンが、2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンに対する酸素のモル比が1より大きく2.5以下で、反応する全化合物に対するHFのモル比が5〜40である条件下で、320〜420℃の温度、フッ素化触媒の存在下、気相中で、HFと反応する少なくとも一つの工程(FCO)を含む、方法。
  2. 2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンに対する酸素のモル比が1.25〜2.5である、請求項1に記載の方法。
  3. 反応する有機化合物に対するHFのモル比が10〜40である、請求項1又は2に記載の方法。
  4. FCO工程のフッ素化温度が340〜400℃である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
  5. FCO工程が、0.5〜20バール、好ましくは1〜7バールの圧力で実施される、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
  6. 2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペンが、FCO工程に存在する有機化合物の少なくとも20重量%を占める、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 触媒がバルク又は担持触媒である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 触媒がクロムベースである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 触媒が共触媒を含む、請求項1〜8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 共触媒がニッケル、マグネシウム及び亜鉛から選択される、請求項9に記載の方法。
  11. 触媒に、酸素及び/又はHFを含む流れを用いた少なくとも一つの活性化工程を施す、請求項1〜10のいずれか一項に記載の方法。
  12. 活性化が、式CXCHClCHX及びCXCFXCHのハロプロパンと式CXCCl=CH、CClXCCl=CH及びCX=CClCHX(式中、Xは独立してフッ素原子又は塩素原子である)のハロプロペンから選択される少なくとも一つの化合物とHFとの酸化剤の存在下でのフッ素化反応によって継続される、請求項11に記載の方法。
  13. 温度は300〜400℃であり、時間は6〜100時間である、請求項12に記載の方法。
  14. ハロプロパン又はハロプロペンが、2,3−ジクロロ−1,1,1−トリフルオロプロパン、1,1,1,2,3−ペンタクロロプロパン、2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペン及び/又は1,1,2,3−テトラクロロプロペンから選択される、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。
  15. 1,1,1,2,3−ペンタクロロプロパンが触媒の存在下で気相中でHFと反応し、2−クロロ−3,3,3−トリフルオロ−1−プロペン、2,3,3,3−テトラフルオロプロペン、及び任意で1,1,1,2,2−ペンタフルオロプロパンを含む流れを生成する少なくとも一つの反応工程と;前記流れから2,3,3,3−テトラフルオロプロペンを分離し、その後前記流れにFCO工程を行う少なくとも1つ工程とを含む、請求項1〜14のいずれか一項に記載の方法。
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