JP2023507342A - ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するための統合されたプロセス - Google Patents
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Abstract
ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するためのプロセスは、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を提供することであって、溶液が、約０℃～約７０℃の溶液温度に維持される、提供することと、溶液を、８０℃～約１７０℃の反応温度で反応媒体の存在下で反応させて、ビス（フルオロスルホニル）イミド、フルオロ硫酸アンモニウム、及び反応媒体を含む生成物流を生成することと、生成物流からフルオロ硫酸アンモニウムを分離して、中間生成物流を生成することと、中間生成物流を濃縮生成物流と第１のリサイクル流とに分離することであって、濃縮生成物流が、第１のリサイクル流よりも高い濃度のビス（フルオロスルホニル）イミドを含む、分離することと、を含む。【選択図】図１
Description
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２０年１２月１０日に出願された米国特許出願第１７／１１７，２８４号に対する優先権、及び２０１９年１２月１７日に出願された米国仮出願第６２／９４９，１０５号に対する優先権を主張するものであり、これらの開示内容は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２０年１２月１０日に出願された米国特許出願第１７／１１７，２８４号に対する優先権、及び２０１９年１２月１７日に出願された米国仮出願第６２／９４９，１０５号に対する優先権を主張するものであり、これらの開示内容は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
（発明の分野）
本開示は、ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するためのプロセスに関する。具体的には、本開示は、ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するための統合されたプロセスに関する。
本開示は、ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するためのプロセスに関する。具体的には、本開示は、ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するための統合されたプロセスに関する。
ビス（フルオロスルホニル）イミド（ＨＦＳＩ）は、リチウムイオン電池に使用されるリチウムビス（フルオロスルホニル）イミド（ＬｉＦＳＩ）の生成において重要な原料である。ＨＦＳＩは、いくつかの方法によって調製することができる。例えば、ＨＦＳＩは、式１に示される、尿素とフルオロスルホン酸との反応によって調製することができる：
式１ ５ＨＳＯ３Ｆ＋２ＣＯ（ＮＨ２）２→ＨＮ（ＳＯ２Ｆ）２＋２ＣＯ２＋３ＮＨ４ＳＯ３Ｆ。
式１ ５ＨＳＯ３Ｆ＋２ＣＯ（ＮＨ２）２→ＨＮ（ＳＯ２Ｆ）２＋２ＣＯ２＋３ＮＨ４ＳＯ３Ｆ。
Ｈｏｎｄａらの米国特許第８，３３７，７９７号は、尿素及びフルオロスルホン酸からＨＦＳＩを生成するための２段階バッチプロセスを開示している。第１のステップでは、尿素とフルオロスルホン酸との間の式１の反応を防止するのに十分に低い温度で、尿素をフルオロスルホン酸に溶解する。第２のステップでは、尿素／フルオロスルホン酸溶液を、式１の反応が進むのに十分に加熱された反応媒体を含む別々の反応容器にゆっくりと加える。制御して加えることにより、式１の発熱反応によって発生する熱を制御することを可能にする。米国特許第８，３３７，７９７号は、加熱された反応媒体がフルオロスルホン酸又はＨＦＳＩになり得ることを開示しているが、フルオロスルホン酸とＨＦＳＩとの混合物を使用することが好ましく、ＨＦＳＩは、特に開始時に、尿素／フルオロスルホン酸溶液が最初に加熱された反応媒体に添加されるときに、反応を更に制御するのに役立つ。しかしながら、米国特許第８，３３７，７９７号に開示されているバッチプロセスは、効率的な商業規模でＨＦＳＩを生成するのに好適ではない。
やはりＨｏｎｄａらの国際公開第２０１１／１１１７８０号は、オーバーフロー出口などを介して、反応容器から反応液を連続的に除去し、スラリー状態（アンモニウム塩副生成物を含む）で反応液を連続的に排出するための回収プロセスを更に開示する。開示されたプロセスは、生成バッチで行われ、生成物ＨＦＳＩは、次の生成バッチの反応の前に反応容器に再び加えられる。
したがって、商業的な量のＨＦＳＩを生成するような規模にされ得る、より効率的なプロセスを開発する必要がある。
本開示は、ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するための統合されたプロセスを提供する。
その一形態では、本開示は、ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するためのプロセスを提供する。このプロセスは、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を提供することであって、溶液が、約０℃～約７０℃の溶液温度に維持される、提供することと、溶液を、８０℃～約１７０℃の反応温度で反応媒体の存在下で反応させて、ビス（フルオロスルホニル）イミド、フルオロ硫酸アンモニウム、及び反応媒体を含む生成物流を生成することと、生成物流からフルオロ硫酸アンモニウムを分離して、中間生成物流を生成することと、中間生成物流を濃縮生成物流と第１のリサイクル流とに分離することであって、濃縮生成物流が、第１のリサイクル流よりも高い濃度のビス（フルオロスルホニル）イミドを含む、分離することと、を含む。
その別の形態では、本開示は、ビス（フルオロスルホニル）イミドの生成のための統合されたシステムを提供する。システムは、容器、反応器、第１の分離器、及び第２の分離器を含む。容器は、尿素入口流及び第１のフルオロスルホン酸入口流に接続するように構成されている。容器は、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を生成するように構成されている。容器は、溶液を約０℃～約７０℃の溶液温度に維持するように構成されている。反応器は、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を受容するように容器に流体的に結合されている。反応器は、第２のフルオロスルホン酸入口流を含む。反応器は、ビス（フルオロスルホニル）イミド、フルオロ硫酸アンモニウム及びフルオロスルホン酸を含む生成物流を生成するように構成されている。反応器は、８０℃～約１７０℃の反応器温度を維持するように構成されている。第１の分離器は、生成物流に流体的に結合されている。第１の分離器は、フルオロ硫酸アンモニウムを生成物流から分離して、中間生成物流を生成するように構成されている。第２の分離器は、中間生成物流に流体的に結合されている。第２の分離器は、濃縮生成物流及び第１のリサイクル流を生成するように構成されている。濃縮生成物流は、第１のリサイクル流中のビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度よりも高いビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度を含む。
添付の図面を考慮して、実施形態についての以下の記載を参照することによって、本開示の上述及び他の特徴、並びにそれらを達成する様式がより明らかになり、より良好に理解されるであろう。
本開示は、商業的な量のビス（フルオロスルホニル）イミド（ＨＦＳＩ）を生成するような規模にされ得る統合されたプロセスを提供する。いくつかの実施形態では、プロセスは、効率的かつ連続的な様式で反応媒体をリサイクルすることを含む。代替的に、又は追加的に、いくつかの実施形態では、プロセスは、リサイクルされた反応媒体を貯蔵タンクに方向付けることを含む。驚くべきことに、反応媒体中のＨＦＳＩの量を限定することにより、プロセス収率を劇的に改善することができることが見出された。
本明細書に開示されるように、ＨＦＳＩは、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液から生成される。尿素及びフルオロスルホン酸の溶液は、尿素とフルオロスルホン酸とを、式１に示すように、尿素とフルオロスルホン酸との反応を実質的に防止するのに十分低い溶液温度で、ただし商業的プロセスに適した尿素の効率的な溶解のために十分高い溶液温度で混合することによって形成される。溶液温度は、約０℃、約５℃、約１０℃、約１５℃、約２０℃、約２５℃、約３０℃、又は約３５℃のように低い、又は約４０℃、約４５℃、約５０℃、約５５℃、約６０℃、約６５℃、又は約７０℃のように高い、又は前述の値のうちのいずれか２つの間で定義される任意の範囲内、例えば、約０℃～約７０℃、約５℃～約６５℃、約１０℃～約６０℃、約１５℃～約５５℃、約２０℃～約５０℃、約２５℃～約４５℃、約３０℃～約４０℃、約３５℃～約５５℃、約４０℃～約５０℃、又は約２５℃～約６５℃などであり得る。好ましくは、溶液温度は、約２５℃～約６０℃である。より好ましくは、溶液温度は、約３０℃～約５５℃である。最も好ましくは、溶液温度は、約３０℃～約５０℃である。
尿素及びフルオロスルホン酸の溶液中のフルオロスルホン酸対尿素のモル比は、フルオロスルホン酸が全ての尿素を溶解して、溶液を輸送することをより困難にする可能性がある溶解していない尿素を含むスラリーではなく、均質な液相溶液を作成するのに十分に高くなければならない。しかしながら、フルオロスルホン酸を加えすぎると、溶液を輸送するのに対処し、かつ後で過剰なフルオロスルホン酸をＨＦＳＩから分離するためにより大きなシステム及びエネルギーの増加を必要とすることによって、プロセスの効率が低下する。したがって、溶液中のフルオロスルホン酸対尿素のモル比は、約２．０：１、約２．１：１、約２．２：１、約２．３：１、約２．４：１、又は約２．５：１のように低い、又は約２．６：１、約２．７：１、約２．８：１、約２．９：１、又は３．０：１のように高い、又は前述の値のうちのいずれか２つの間で定義される任意の範囲内、例えば、約２．０：１～約３．０：１、約２．１：１～約２．９：１、約２．２：１～約２．８：１、約２．３：１～約２．７：１、約２．４：１～約２．６：１、約２．５：１～約２．６：１、約２．４：１～約２．７：１、約２．４：１～約２．５：１、又は約２．６：１～約２．８：１などであり得る。好ましくは、溶液中のフルオロスルホン酸対尿素のモル比は、約２．２：１～約２．８：１である。より好ましくは、溶液中のフルオロスルホン酸対尿素のモル比は、約２．３：１～約２．７：１である。最も好ましくは、溶液中のフルオロスルホン酸対尿素のモル比は、約２．４：１～約２．６：１である。
尿素及びフルオロスルホン酸の溶液を反応温度で反応媒体に添加して、フルオロスルホン酸及び尿素を反応させて、式１に示すように、ＨＦＳＩ、並びにフッ化アンモニウムを含む生成物流を生成する。生成された二酸化炭素ガスは、他の使用のために通気又は捕捉され得る。反応媒体は、フルオロスルホン酸を含む。反応媒体は、ＨＦＳＩを更に含み得る。
反応媒体は、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液を加熱し、反応を制御するのに役立つ。いくつかの実施形態において、反応媒体と、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液との重量比は、約０．１：１、約０．２：１、約０．３：１、約０．４：１、約０．５：１、約０．６：１又は約０．８：１のように低い、又は約１：１、約２：１、約４：１、約６：１、約８：１、又は約１０：１のように高い、又は前述の値のうちのいずれか２つの間で定義される任意の範囲内、例えば、約０．１：１～約１０：１、約０．２：１～約８：１、約０．３：１～約６：１、約０．４：１～約４：１、約０．６：１～約２：１、約０．８：１～約１：１、約０．４：１～約１：１、又は約０．６：１～約０．８：１などであり得る。
いくつかの実施形態では、反応媒体と、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液との重量比は、スラリーを処理する必要性を防ぐために、フルオロ硫酸アンモニウムを含む反応副生成物を完全に溶解するように十分に高い。したがって、フルオロ硫酸アンモニウムが完全に溶解されるいくつかの実施形態では、好ましくは、反応媒体と、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液との重量比は、約０．３：１～約２：１である。より好ましくは、反応媒体と、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液との重量比は、約０．４：１～約１：１である。最も好ましくは、反応媒体と、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液との重量比は、約０．６：１～約０．８：１である。
しかしながら、反応媒体の量を増加させると、反応媒体からＨＦＳＩ生成物を分離するためにより大きなシステム及び増大したエネルギー使用量を必要とする程度まで、プロセスの効率を低下させる。したがって、いくつかの実施形態では、反応媒体と、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液とのより低い重量比を使用し、未溶解のフルオロ硫酸アンモニウムを含むスラリーの形成をもたらすことが望ましい。フルオロ硫酸アンモニウムが完全に溶解しないこのような実施形態では、好ましくは、反応媒体と、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液との重量比は、約０．１：１～約０．６：１である。より好ましくは、反応媒体と、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液との重量比は、約０．１：１～約０．４：１である。最も好ましくは、反応媒体と、尿素及びフルオロスルホン酸の溶液との重量比は、約０．１：１～約０．３：１である。
反応温度は、約８０℃、約９０℃、約１００℃、約１１０℃、又は約１２０℃のように低い、又は約１３０℃、約１４０℃、約１５０℃、約１６０℃、又は１７０℃のように高い、又は前述の値のうちのいずれか２つの間で定義される任意の範囲、例えば、約８０℃～約１７０℃、約９０℃～約１６０℃、約１００℃～約１５０℃、約１１０℃～約１４０℃、約１２０℃～約１３０℃、約１３０℃～約１５０℃、又は約１１０℃～約１２０℃などであり得る。好ましくは、反応温度は、約１１０℃～約１４０℃である。より好ましくは、反応温度は、約１２０℃～約１４０℃である。最も好ましくは、反応温度は、約１２０℃～約１３０℃である。
フルオロ硫酸アンモニウムは、生成物流から分離される。フルオロ硫酸アンモニウムは、例えば、蒸発、噴霧乾燥、濾過、又はそれらの任意の組み合わせによって分離され得る。
生成物流は、濃縮生成物流及び第１のリサイクル流に分離される。濃縮生成物流は、第１のリサイクル流よりも高い濃度のＨＦＳＩを含む。いくつかの実施形態では、第１のリサイクル流は、反応媒体に再びリサイクルされる。いくつかの実施形態では、第１のリサイクル流は、代替的に、又は追加的に、後で使用するために貯蔵タンクに方向付けられ得る。分離は、例えば、蒸留によるものであり得る。
反応媒体にＨＦＳＩを添加すると、システムにおけるＨＦＳＩの収率が低下することが見出された。したがって、第１のリサイクル流中のＨＦＳＩの濃度は、約５０重量パーセント（ｗｔ％）未満、４０ｗｔ％未満、３０ｗｔ％未満、２０ｗｔ％未満、１０ｗｔ％未満、５ｗｔ％未満、３ｗｔ％未満、２ｗｔ％未満、１ｗｔ％未満、又は０．５ｗｔ％未満、又は前述の値のうちのいずれか２つの間の任意の値未満である。好ましくは、第１のリサイクル流中のＨＦＳＩの濃度は、２０ｗｔ％未満である。より好ましくは、第１のリサイクル流中のＨＦＳＩの濃度は、１０ｗｔ％未満である。最も好ましくは、第１のリサイクル流中のＨＦＳＩの濃度は、５ｗｔ％未満である。
任意選択的に、濃縮生成物流は、更なる濃縮生成物流及び第２のリサイクル流に分離され得る。更なる濃縮生成物流は、第２のリサイクル流よりも高い濃度のＨＦＳＩを含む。いくつかの実施形態では、第２のリサイクル流は、反応媒体に再びリサイクルされる。代替的に、又は追加的に、いくつかの実施形態では、第２のリサイクル流は、後で使用するために貯蔵タンクに方向付けられる。分離は、例えば、蒸留によるものであり得る。
いくつかの実施形態では、上記のプロセスは連続プロセスである。いくつかの他の実施形態では、上記のプロセスは半バッチである。半バッチとは、プロセスの有意な部分が連続的であるが、プロセス全体が連続的ではないことを意味する。例えば、いくつかの半バッチ実施形態では、生成物流は、一定期間にわたって連続的に生成及び保存され得、次いで、その後に、貯蔵された生成物流は、分離ステップを介して処理されて、生成物流からフルオロ硫酸アンモニウムを分離し、連続的に濃縮生成物流及び第１のリサイクル流を生成し、濃縮生成物流は貯蔵され、第１のリサイクル流は、後で別の生成物流の生成のための反応媒体として使用するために貯蔵される。いくつかの他の半バッチ実施形態では、中間生成物流は、一定期間にわたって連続的に生成及び貯蔵され得、次いで、その後に、貯蔵された中間生成物流は、分離ステップを介して処理されて、濃縮生成物流及び第１のリサイクル流を連続的に生成し得、濃縮生成物流が貯蔵され、第１のリサイクル流が後で別の生成物流の生成のための反応媒体として使用するために貯蔵される。
図は、いくつかの実施形態による、ＨＦＳＩを製造するための統合されたシステム１０を示すプロセスフロー図である。図に示すように、システム１０は、尿素入口流１４及び第１のフルオロスルホン酸入口流１６に接続するように構成された容器１２を含む。第１のフルオロスルホン酸入口流１６中のフルオロスルホン酸は、液体形態であり、容器１２に連続的にポンピングされ得る。あるいは、第１のフルオロスルホン酸入口流１６中のフルオロスルホン酸をバッチとして添加され得る。尿素入口流１４内の尿素は、固体形態であり、例えば、固体搬送システム（図示せず）によって容器１２に連続的に提供され得る。あるいは、入口流１４内の尿素をバッチとして容器１２に添加してもよい。
容器１２は、例えば、撹拌器などの混合装置１８と、例えば、熱伝達コイルなどの任意の冷却機構（図示せず）とを備える。容器１２では、尿素入口流１４からの尿素及び第１のフルオロスルホン酸入口流１６からのフルオロスルホン酸を混合装置１８によって混合して、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を形成する。尿素／フルオロスルホン酸溶液は、上記のような溶液温度に維持され、必要に応じて、冷却機構によって、式１の反応を実質的に防止するために冷却され得る。このようにして、容器１２は、尿素／フルオロスルホン酸溶液を生成するように構成されている。
反応器２０は、容器１２から尿素／フルオロスルホン酸溶液を受容するように反応物流２２によって容器１２に流体的に結合されている。反応器２０は、反応媒体を反応器２０に提供するための反応媒体入口流２４を含む。反応媒体は、フルオロスルホン酸を含み得、その場合、反応媒体入口流２４は、第２のフルオロスルホン酸入口流である。反応器２０内の反応媒体は、上記のように反応温度に加熱され、式１の反応に従ってＨＦＳＩを含む生成物流２６を生成する。二酸化炭素は、反応器通気口２８を介して反応器２０から通気され得る。反応器２０は、例えば、熱交換器又はジャケット付き反応器（図示せず）を通って流れる流体によって、又は電気加熱コイル（図示せず）によって、反応温度を維持するように構成されている。このようにして、反応器２０は、ＨＦＳＩ、フルオロ硫酸アンモニウム、及びフルオロスルホン酸を含む生成物流２６を生成するように構成されている。
生成物流２６は、反応器２０を第１の分離器３０に流体接続している。第１の分離器３０は、フルオロ硫酸アンモニウムを生成物流２６から分離して、中間生成物流３２中で生成するように構成されている。フルオロ硫酸アンモニウムは、パージ３４によって除去される。第１の分離器３０は、例えば、蒸発器、噴霧乾燥機、フィルタ、遠心分離器、又はそれらの任意の組み合わせであることができる。
中間生成物流３２は、第１の分離器３０を第２の分離器３６に流体接続している。第２の分離器３６は、濃縮生成物流３８及び第１のリサイクル流４０を生成するように構成されている。第２の分離器３６は、例えば、蒸留カラムであり得る。濃縮生成物流３８は、第１のリサイクル流４０におけるＨＦＳＩの濃度よりも高いＨＦＳＩの濃度を含む。第１のリサイクル流４０は、反応器２０に流体的に結合されている。代替的に、又は追加的に図に示されるように、第１のリサイクル流４０は、反応媒体リサイクル貯蔵タンク４２に流体的に結合されている。第１のリサイクル流４０は、連続動作のために反応器２０に、又は半バッチ動作のために反応媒体リサイクル貯蔵タンク４２に、方向付けることができる。反応媒体リサイクル流４４は、反応媒体リサイクル貯蔵タンク４２を反応器２０に流体的に結合して、貯蔵されたリサイクルされた反応媒体を後で反応器２０に提供する。
任意選択的に、濃縮生成物流３８は、第２の分離器３６を第３の分離器４６に流体接続している。第３の分離器４６は、更なる濃縮生成物流４８及び第２のリサイクル流５０を生成するように構成されている。第３の分離器４６は、例えば、別の蒸留塔であることができる。更なる濃縮生成物流４８は、第２のリサイクル流５０におけるＨＦＳＩの濃度よりも高いＨＦＳＩの濃度を含む。第２のリサイクル流５０は、反応器２０に流体的に結合されている。代替的に、又は追加的に図に示されるように、第２のリサイクル流５０は、反応媒体リサイクル貯蔵タンク４２に流体的に結合されている。第２のリサイクル流５０は、連続動作のために反応器２０に、又は半バッチ動作のために反応媒体リサイクル貯蔵タンク４２に、方向付けることができる。
更なる濃縮生成物流４８は、更なる使用又は精製のためにＨＳＦＩ貯蔵タンク５２に流体接続され得る。あるいは、第３の分離器４６が用いられない実施形態では、濃縮生成物流３８は、ＨＳＦＩ貯蔵タンク５２に直接流体的に結合され得る。
上述のように、図のシステム１０は、連続モード又は半バッチモードで動作され得る。
本明細書で使用する場合、「前述の値のうちのいずれか２つの間で定義される任意の範囲内」という句は、それらの値が列挙のより低い部分にあるか又は列挙のより高い部分にあるかにかかわらず、任意の範囲がそのような句の前に列挙された値のうちのいずれか２つから選択され得ることを意味する。例えば、一対の値は、２つのより低い値、２つのより高い値、又はより低い値及びより高い値から選択されてもよい。本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈がそうでない旨を明確に指示しない限り、複数形を含む。
不正確の用語に関して、用語「約」及び「およそ」が互換的に使用されてもよく、記述された測定値を含む測定値を指し、また、記載された測定値に合理的に近い任意の測定値も含む。記述された測定値に合理的に近い測定値は、当業者によって理解され、容易に確認されるように、合理的に小さい量だけ記述された測定値から逸脱する。そのような偏差は、例えば、性能を最適化するために行われる測定誤差又は微調整に起因し得る。当業者がそのような合理的に小さな差異の値を容易に確認できないと判定された場合、「約」及び「およそ」という用語は、記述された値のプラスマイナス１０％を意味すると理解され得る。
前述の説明は、本開示の単なる例示に過ぎないことが理解されるべきである。本開示から逸脱することなく、当業者によって様々な代替形態及び修正形態を考案することができる。したがって、本開示は、添付の特許請求の範囲内に含まれる全てのかかる代替形態、修正形態、及び変動を包含することを意図する。
実施例１－ビス（フルオロスルホニル）イミドの収率に対する反応媒体中のビス（フルオロスルホニル）イミドの効果－硫酸アンモニウムの沈殿を含む
この実施例では、フルオロ硫酸アンモニウム（ＡＦＳ）が沈殿物を形成する条件下でのビス（フルオロスルホニル）イミドの収率に対する、反応媒体中のビス（フルオロスルホニル）イミド（ＨＦＳＩ）の効果。各試料１～８について、以下の表１に示すように、尿素を、撹拌しながら容器内でフルオロスルホン酸（ＦＳＡ）にゆっくりと添加して、尿素及びＦＳＡの溶液を形成した。尿素の添加中、温度を４０℃未満に維持しながら、容器を窒素流下にした。尿素を添加した後、溶液を室温に平衡化させた。
この実施例では、フルオロ硫酸アンモニウム（ＡＦＳ）が沈殿物を形成する条件下でのビス（フルオロスルホニル）イミドの収率に対する、反応媒体中のビス（フルオロスルホニル）イミド（ＨＦＳＩ）の効果。各試料１～８について、以下の表１に示すように、尿素を、撹拌しながら容器内でフルオロスルホン酸（ＦＳＡ）にゆっくりと添加して、尿素及びＦＳＡの溶液を形成した。尿素の添加中、温度を４０℃未満に維持しながら、容器を窒素流下にした。尿素を添加した後、溶液を室温に平衡化させた。
５リットルの三つ口フラスコを反応器として用意した。反応器の中心ネックにオーバーヘッドスターラーを取り付けた。別のネックは、上部に窒素流入口を有する凝縮器を含んでいた。第３のネックに、熱電対、蠕動ポンプからの供給チューブ、及びスクラバーへの出口を取り付けた。フルオロカーボンワックスを使用して、接続接地ガラス接合部を密封した。表１に示すように反応媒体を反応器に添加し、反応器を電気加熱マントルで約１３０℃の制御温度に加熱した。反応器内の反応媒体が１３０℃に平衡化されると、尿素及びＦＳＡの溶液を、蠕動ポンプを使用して容器から反応器内に約３．５時間にわたってポンピングして、尿素及びＦＳＡを反応させ、ＨＦＳＩを形成した。反応中、形成された二酸化炭素ガスを反応器から通気した。
反応の早期に、反応器の内容物は透明な液体として現れた。反応が進行するにつれて、ＡＦＳの溶解限度に達し、ＡＦＳは溶液から沈殿し始めた。反応が更に進行し、ＡＦＳ沈殿物が蓄積し続けると、反応器の内容物がスラリーになった。容器から尿素及びＦＳＡの溶液の添加が完了した後、反応器を１３０℃で更に４時間維持した後、熱をオフにし、反応器を室温まで冷却させた。
反応器を再構成し、反応器内の液体をＡＦＳ沈殿物から真空下で蒸発させ、蒸発生成物を、ドライアイス及びアセトンの浴によって冷却された容器内に収集した。液体を最初に約１１０～１２０℃で数時間、次いで約１５０～１６０℃で約２０時間蒸発させた。収集した生成物を計量し、反応器に添加された尿素の量に基づいて反応収率を計算した。結果を以下の表１に示す。表１に示すように、反応媒体中のＨＦＳＩの濃度を増加させると、ＨＦＳＩの収率が大幅に低下する。
実施例２－ビス（フルオロスルホニル）イミドの収率に対する反応媒体中のビス（フルオロスルホニル）イミドの効果－フルオロ硫酸アンモニウムの沈殿なし
この実施例では、フルオロ硫酸アンモニウム（ＡＦＳ）が沈殿物を形成しない条件下でのビス（フルオロスルホニル）イミドの収率に対する反応媒体中のビス（フルオロスルホニル）イミド（ＨＦＳＩ）の効果が実証される。各試料９～１２を、実施例１で上述したように調製し、以下の表２に示され、反応器内容物が混濁し始めたらすぐに、尿素及びＦＳＡの溶液の添加を停止したことを除く。結果を表２に示す。表２に示すように、ＡＦＳ沈殿物の量は、収率にほとんど影響しない。実施例１の結果と一致して、反応媒体中のＨＦＳＩの濃度を増加させると、ＨＦＳＩの収率が大幅に低下する。
態様
態様１は、ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するためのプロセスである。このプロセスは、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を提供することであって、溶液が、約０℃～約７０℃の溶液温度に維持される、提供することと、溶液を、８０℃～約１７０℃の反応温度で反応媒体の存在下で反応させて、ビス（フルオロスルホニル）イミド、フルオロ硫酸アンモニウム、及び反応媒体を含む生成物流を生成することと、生成物流からフルオロ硫酸アンモニウムを分離して、中間生成物流を生成することと、中間生成物流を濃縮生成物流と第１のリサイクル流とに分離することであって、濃縮生成物流が、第１のリサイクル流よりも高い濃度のビス（フルオロスルホニル）イミドを含む、分離することと、を含む。
態様２は、第１のリサイクル流を反応ステップに再びリサイクルすることを更に含む、態様１に記載のプロセスである。
態様３は、プロセスが連続プロセスである、態様２に記載のプロセスである。
態様４は、第１のリサイクル流を貯蔵タンクにリサイクルすることを更に含む、態様１に記載のプロセスである。
態様５は、プロセスが半バッチプロセスである、態様４に記載のプロセスである。
態様６は、反応媒体がフルオロスルホン酸を含む、態様１～５のいずれかに記載のプロセスである。
態様７は、第１のリサイクル流中のビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度が、第１のリサイクル流の５０重量％未満である、態様１～６のいずれかに記載のプロセスである。
態様８は、第１のリサイクル流中のビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度が、第１のリサイクル流の１０重量％未満である、態様７に記載のプロセスである。
態様９は、提供ステップにおいて、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液が、溶液温度で尿素とフルオロスルホン酸とを一緒に混合することによって形成される、態様１～８のいずれかに記載のプロセスである。
態様１０は、提供ステップにおいて、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液が、約２．０：１～約３．０：１のモル比でフルオロスルホン酸と尿素とを一緒に混合することによって形成される、態様１～９のいずれかに記載のプロセスである。
態様１１は、中間生成物流を濃縮生成物流と第１のリサイクル流とに分離することが、生成物流を蒸留することを含む、態様１～１０のいずれかに記載のプロセスである。
態様１２は、生成物流からフルオロ硫酸アンモニウムを分離することが、生成物流を蒸発させて中間生成物流を形成することを含む、態様１～１１のいずれかに記載のプロセスである。
態様１３は、濃縮生成物流を更なる濃縮生成物流と第２のリサイクル流とに分離することを更に含む、態様１～１２のいずれかに記載のプロセスである。更なる濃縮生成物流は、第２のリサイクル流よりも高い濃度のビス（フルオロスルホニル）イミドを含む。
態様１４は、第２のリサイクル流が反応ステップに再びリサイクルされる、態様１３に記載のプロセスである。
態様１５は、ビス（フルオロスルホニル）イミドの生成のための統合されたシステムである。システムは、容器、反応器、第１の分離器、及び第２の分離器を含む。容器は、尿素入口流及び第１のフルオロスルホン酸入口流に接続するように構成されている。容器は、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を生成するように構成されている。容器は、溶液を約０℃～約７０℃の溶液温度に維持するように構成されている。反応器は、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を受容するように容器に流体的に結合されている。反応器は、第２のフルオロスルホン酸入口流を含む。反応器は、ビス（フルオロスルホニル）イミド、フルオロ硫酸アンモニウム及びフルオロスルホン酸を含む生成物流を生成するように構成されている。反応器は、８０℃～約１７０℃の反応器温度を維持するように構成されている。第１の分離器は、生成物流に流体的に結合されている。第１の分離器は、フルオロ硫酸アンモニウムを生成物流から分離して、中間生成物流を生成するように構成されている。第２の分離器は、中間生成物流に流体的に結合されている。第２の分離器は、濃縮生成物流及び第１のリサイクル流を生成するように構成されている。濃縮生成物流は、第１のリサイクル流中のビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度よりも高いビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度を含む。
態様１６は、第１のリサイクル流が反応器に再びリサイクルされる、態様１５に記載のシステムである。
態様１７は、第１のリサイクル流が貯蔵タンクに方向付けられている、態様１５に記載のシステムである。
態様１８は、容器が混合デバイスを含む、態様１５～１７のいずれかに記載のシステムである。
態様１９は、第１の分離器が蒸発器である、態様１５～１８のいずれかに記載のシステムである。
態様２０は、第２の分離器が蒸留塔である、態様１５～１９のいずれかに記載のシステムである。
態様２１は、濃縮生成物流に流体的に結合された第３の分離器を更に含む、態様１５～２０のいずれかに記載のシステムである。第３のセパレータは、更なる濃縮生成物流及び第２のリサイクル流を生成するように構成されている。更なる濃縮生成物流は、第２のリサイクル流中のビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度よりも高い濃度のビス（フルオロスルホニル）イミドを含む。
態様２２は、第３の分離器が蒸留塔である、態様２１に記載のシステムである。
態様２３は、第１のリサイクル流中のビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度が、第１のリサイクル流の５０重量％未満である、態様１５～２２のいずれかに記載のシステムである。
態様２４は、第１のリサイクル流中のビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度が、第１のリサイクル流の１０重量％未満である、態様２３に記載のシステムである。
態様２５は、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液が、フルオロスルホン酸及び尿素を約２．０：１～約３．０：１のモル比で含む、態様１５～２４のいずれかに記載のシステムである。
態様２６は、システムが連続動作のために構成されている、態様１５～２５のいずれかに記載のシステムである。
態様２７は、システムが半バッチ動作のために構成されている、態様１５～２５のいずれかに記載のシステムである。
Claims (10)
- ビス（フルオロスルホニル）イミドを生成するためのプロセスであって、
フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を提供することであって、前記溶液が、約０℃～約７０℃の溶液温度に維持される、提供することと、
前記溶液を、８０℃～約１７０℃の反応温度で反応媒体の存在下で反応させて、ビス（フルオロスルホニル）イミド、フルオロ硫酸アンモニウム、及び前記反応媒体を含む生成物流を生成することと、
前記生成物流から前記フルオロ硫酸アンモニウムを分離して、中間生成物流を生成することと、
前記中間生成物流を濃縮生成物流と第１のリサイクル流とに分離することであって、前記濃縮生成物流が、前記第１のリサイクル流よりも高い濃度のビス（フルオロスルホニル）イミドを含む、分離することと、を含む、プロセス。 - 前記第１のリサイクル流を前記反応ステップへ再びリサイクルすることを更に含む、請求項１に記載のプロセス。
- 前記第１のリサイクル流を貯蔵タンクにリサイクルすることを更に含む、請求項１に記載のプロセス。
- 前記反応媒体が、フルオロスルホン酸を含む、請求項１に記載のプロセス。
- 前記第１のリサイクル流中のビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度が、前記第１のリサイクル流の５０重量％未満である、請求項１に記載のプロセス。
- 前記提供ステップにおいて、前記フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液が、前記溶液温度で前記尿素と前記フルオロスルホン酸とを一緒に混合することによって形成される、請求項１に記載のプロセス。
- 前記提供ステップにおいて、前記フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液が、約２．０：１～約３．０：１のモル比で前記フルオロスルホン酸と前記尿素とを一緒に混合することによって形成される、請求項６に記載のプロセス。
- 前記濃縮生成物流を更なる濃縮生成物流と第２のリサイクル流とに分離することであって、前記更なる濃縮生成物流が、前記第２のリサイクル流よりも高い濃度のビス（フルオロスルホニル）イミドを含む、分離することを更に含む、請求項１に記載のプロセス。
- ビス（フルオロスルホニル）イミドの生成のための統合されたシステムであって、
尿素入口流及び第１のフルオロスルホン酸入口流に接続するように構成された容器であって、前記容器が、フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を生成するように構成されており、前記容器が、約０℃～約７０℃の溶液温度で前記溶液を維持するように構成されている、容器と、
前記フルオロスルホン酸及び尿素を含む溶液を受容するように前記容器に流体的に結合された反応器であって、前記反応器が、第２のフルオロスルホン酸入口流を含み、前記反応器が、ビス（フルオロスルホニル）イミド、フルオロ硫酸アンモニウム、及びフルオロスルホン酸を含む生成物流を生成するように構成されており、前記反応器が、８０℃～約１７０℃の反応器温度を維持するように構成されている、反応器と、
前記生成物流に流体的に結合された第１の分離器であって、前記第１の分離器が、前記フルオロ硫酸アンモニウムを前記生成物流から分離して、中間生成物流を生成するように構成されている、第１の分離器と、
前記中間生成物流に流体的に結合された第２の分離器であって、前記第２の分離器が、濃縮生成物流及び第１のリサイクル流を生成するように構成されており、前記濃縮生成物流が、前記第１のリサイクル流中のビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度よりも高いビス（フルオロスルホニル）イミドの濃度を含む、第２の分離器と、を備える、統合されたシステム。 - 前記第１のリサイクル流が、前記反応器へ再びリサイクルされる、請求項９に記載のシステム。
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