JP6078073B2 - 1−クロロ−2,2−ジフルオロエタンを製造するための1,1,2−トリクロロエタン及び/又は1,2−ジクロロエテンの触媒的気相フッ素化 - Google Patents

1−クロロ−2,2−ジフルオロエタンを製造するための1,1,2−トリクロロエタン及び/又は1,2−ジクロロエテンの触媒的気相フッ素化 Download PDF

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Description

本発明は、1−クロロ−2,2−ジフルオロエタン(即ち、1,1−ジフルオロ−2−クロロエタン、又は、142)を製造するための、フッ化水素(HF)を使用する1,1,2−トリクロロエタン(140、又は、TCE)及び/又は1,2−ジクロロエテン(1130、又は、DCE)の触媒的気相(gas phase)(vapor phase)フッ素化、並びに、その気相フッ素化において使用される触媒に関する。
1−クロロ−2,2−ジフルオロエタンは、発泡剤として有用であることが知られており、及び、農薬又は医薬の調製における出発物質として使用することができる(cf. PCT/EP2011/059691)。気相中でフッ化炭化水素類を調製するための幾つかの方法が知られている(cf. WO 01/74483、及び、その中で言及されている先行技術)。
FR 2783820A1には、例えば、142を調製する方法が記載されている。この調製方法においては、気相又は液相中で、HFを用いて1,1,1−トリクロロエタン(T112)をフッ素化する。その気相反応は、固体クロム触媒を使用して、又は、炭素、Al若しくはAlFに担持させたクロム触媒を使用して、又は、オキシフッ素化アルミニウム支持体に担持させたクロム触媒を使用して、120℃〜400℃の温度で実施する。T142を得るための気相中におけるT112とHFの反応は、T112の変換率100%で、78%のT142を生成させる。この反応に使用される触媒は、58.6%のフッ素、25.9%のアルミニウム、6.4%のニッケル、6.0%のクロム及び3.1%の酸素で構成されているといわれている。当該触媒の密度パラメーターは、0.85g/mLとされており、BET表面積は、23m/gであった。
EP 1008575A1(これは、US 2002/0183569A1及びUS 6,063,969Bに相当する)には、142を調製するための、HFを用いる140の触媒的気相フッ素化が記載されている。その触媒は、担持されていてもよいか又は担持されていなくてもよい。酸化クロム(Cr)のフッ素化塩を使用するのが好ましい。その中に記載されている実施例においては、担持されていないCrを使用し、その触媒床上にHFと空気の混合物を、380℃で18時間、同時に給送することによって、該担持されていないCrをフッ素化塩に変換している。その特許文献の中に記載されている実施例による触媒的気相フッ素化は、以下のパラメーター〔HF:140のモル比 7.8:1、反応温度 220℃、圧力 150psi(約10bar)、及び、接触時間 34秒〕を用いて実施されて、142に対する選択性70.2%で140の100%変換をもたらした。
EP 1008574A1には、触媒の存在下で142を調製するための、1,2−ジクロロエテン(1130)の触媒的気相フッ素化が記載されている。その触媒は、好ましくは、担持されているか又は担持されていないアンチモン(特に、SbCl)のフッ素化塩である。その実施例1においては(EP 1008575A1と同様に)、その触媒床上にHFと空気の混合物を、380℃で18時間、同時に給送することによって、担持されていないCrはフッ素化塩に変換された。次いで、該実施例1による触媒的気相フッ素化は、以下のパラメーター〔HF:1130のモル比 6.5:1、反応温度 220℃、圧力 150psi(約10bar)、接触時間 34秒〕を用いて実施されて、142に対する選択性84.2%で1130の88.3%変換をもたらした。
EP 1008574A1の実施例2においては、その触媒床上に、18時間、HFと窒素の混合物を同時に給送してフッ素化塩を生成させることによって、活性炭担持SbCl触媒は50℃で活性化された。次いで、該実施例2による触媒的気相フッ素化は、以下のパラメーター〔HF:1130のモル比 6.5:1、反応温度 120℃、圧力 120psi(約8bar)、接触時間 34秒〕を用いて実施されて、142に対する選択性94.9%で1130の95%変換をもたらした。
本発明者らは、1−クロロ−2,2−ジフルオロエタンを大規模で調製するための効率的な方法を探求したとき、EP 1008574A1又はEP 1008575A1に記載されている触媒を使用することは満足できる結果をもたらさないということを見いだした。特に、公開されている変換率及び142の調製に対する選択性は、記載されているフッ素化系を用いて再現することができなかった(cf. 本明細書中の実施例B1及び実施例B2)。
国際特許出願第PCT/EP2011/059691号 国際特許出願公開第WO 01/74483号 仏国特許出願公開第FR 2783820A1号 欧州特許出願公開第EP 1008575A1号(これは、米国特許出願公開第US 2002/0183569A1号及び米国特許第US 6,063,969B号に相当する) 欧州特許出願公開第EP 1008574A1号 欧州特許出願公開第EP 1008574A1号
かくして、良好な生産量(体積基準)を達成することが可能で且つフッ素化プロセス後の精製操作の必要性を最小にするような142を調製するための選択的な調製方法を見いだすこと、及び、142を調製するのに適する触媒を見いだすことが求められた。
本発明者らは、1,1,2−トリクロロエタン(140)から出発する1−クロロ−2,2−ジフルオロエタン(142)の調製方法、並びに、出発生成物140の高い変換率を達成することが可能で且つ特に主要な中間体(即ち、1,2−ジクロロエテン(1130))の高い変換率も達成することが可能な、特定の触媒を見いだした。該触媒の中間体1130と生成物142に対するこの複合的な選択性は、本発明による調製方法を連続モードで実施するのに特に有利であり、及び、142の高くて効率的な生産量を確保するのに特に有利である。本発明による調製方法を実施することにより、及び、本発明による触媒を使用することにより、著しく不充分な又は著しく過剰なフッ素化は起こらない。
従って、本発明は、1−クロロ−2,2−ジフルオロエタン(142)を調製する方法に関し、ここで、該調製方法は、本発明による触媒のうちの1種類を使用して1,1,2−トリクロロエタンを触媒的気相フッ素化に付すことを含んでおり、その際、該触媒は、使用に先立ってフッ素化しておく。
本発明による調製方法の一実施形態では、本明細書中に記載されている条件下において140又は1130をHFでフッ素化して、1−クロロ−2,2−ジフルオロエタン(142)を生成させる。
本発明による調製方法の別の実施形態では、本明細書中に記載されている条件下において反応器内で140と1130をHFで同時にフッ素化し、その際、140及び1130の該反応器内への給送は、別々の給送ラインで実施する。
本発明は、さらに、クロミア−アルミナにFeClとMgClを同時にデポジットさせることによって調製される触媒、又は、活性炭にCr(NOとNi(NOを同時にデポジットさせることによって調製される触媒、又は、アルミナにZnClをドープすることによって調製される触媒にも関する。実施例において例証されているように、先に記載した塩を含水塩として使用することができることは理解される。かくして、先に記載した塩について言及されている場合、その言及は、それらの含水塩を包含している。
本発明による調製方法は、好ましくは、連続モードで(連続的に)実施する。本発明者らは、本発明による触媒の活性が数日間(例えば、400時間を超えて)持続するということを見いだした。このことは、連続的な調製方法において使用する適する触媒に関して重要な特徴である。反応の間に、触媒は、その反応の副生物、汚れ又は炭素含有小分子(これは、出発物質、所望の生成物又は副生物の分解に起因する)によって効果を失い得る。
ある調製方法における変換の程度及び触媒の選択性がW/F値(即ち、触媒重量/原料の流速(mol))を決定する滞留時間(接触時間)に依存するということは知られている。140を142とするフッ素化における好ましいW/F値は100〜300の範囲内(好ましくは、200〜250の範囲内)にあり、及び、1130を142とするフッ素化における好ましいW/F値は250〜500の範囲内(好ましくは、300〜450の範囲内、最も好ましくは、300〜400の範囲内)にあるということが見いだされた。 本発明の反応における接触時間は、約10秒から約200秒まで、好ましくは、約50秒から130秒まで、さまざまであり得る。長い接触時間は、多くの場合、著しい量及び数の副生物の形成をもたらし、そして、短い接触時間は、より低い変換率、従って、あまり効果的ではない反応をもたらし得る。
本発明による触媒は、球体、板状小片又は押出物などのいかなる形状においても、使用することができる。該触媒の形状は、多くの場合、支持体の形状に左右される。押出物は、多くの場合、既知方法で調製することが可能な小さな寸法のペレット(例えば、約2.5mmの寸法を有するペレット)である。触媒の形状は、その活性には影響しない。
該触媒は、本発明による調製方法で使用する前に、前処理し、そして、使用前に活性化させる。
前処理するために、該触媒を反応器の中に装入する。120℃の温度で開始し、約400℃までゆっくりと昇温させながら、該触媒床上に窒素ガスを通す。その反応器を該温度に、1〜50時間(好ましくは、5〜30時間、さらに好ましくは、24時間)、維持する。接触時間は、さまざまであり得る。好ましくは、該接触時間は、約1〜約100秒の範囲内にあり、好ましくは、約10〜約40秒の範囲内にある。
前処理後、反応器内の温度を約150℃の温度まで低下させる。次いで、活性化剤を単独で、又は、活性化剤を不活性ガス担体(例えば、空気又は窒素)と一緒に、その触媒床上に給送する。触媒の活性化におけるこの第1段階のあいだに、発熱反応が起こり得、そして、水が生成し得る。当該活性化剤及び/又は不活性ガス担体の流量を調節することによって、該触媒床の温度を400℃を超えないように制御する。水の生成が止まり且つ発熱反応が終了したとき(これは、約20〜30時間後に起こり得る)、該触媒床の温度をゆっくりと約375℃とする。ここで、当該反応への不活性ガス担体の給送を止めることが可能であり、そして、該触媒の活性化(これは、基本的に、活性化剤(好ましくは、HF)を用いた触媒のフッ素化である)を、約375℃で約15〜約40時間(好ましくは、約20〜約30時間)、継続する。当該活性化の含水量が特定の閾値(好ましくは、1%(v/v))を下回ったとき、その活性化を完了させる。この段階において、該触媒は、活性化され、本発明による調製方法において使用する準備が整っている。
次いで、触媒の床温度を約180〜300℃の範囲内の温度(好ましくは、約200℃)まで低下させ、反応出口バルブを閉じることによって当該システムを加圧して約3〜4bar(これは、3〜4kgである)の圧力とする。
上記活性化剤は、当該触媒をフッ素化することが可能な作用剤である。該活性化剤は、好ましくは、HFである。HFを使用する場合、そのHFは、気体又は液体として、システムに給送することができる。液体として給送する場合、当該反応の構成が蒸発器を含んでいることが不可欠である。上記活性化段階の第1部分において、HFは、好ましくは、HFと不活性ガス担体(特に、空気又は窒素)のほぼ等体積混合物として、触媒床の上に給送する。空気又は窒素の中のHFの濃度は、約1〜20モル%HFの範囲内でさまざまであり得る。
本発明によるフッ素化反応は、HF、140及び/又は1130を蒸発器に中に導入することによって開始させることができるが、その際、HF、140及び/又は1130の給送量を調節して、所望のモル比及び接触時間(秒)を得る。140とHFは、好ましくは、2つの独立したラインで導入する。1130は、140と一緒に導入することが可能であるか、又は、別の独立したラインによって導入することが可能である。得られた気体混合物を、次いで、必要とされる反応温度及び圧力で反応器の中に入れる。
該反応器は、通常、触媒が装入される管型反応装置であり、そこで、当該触媒は、いわゆる触媒床を形成する。
有利には、該反応温度及び圧力を、気相フッ素化の経過中、維持する。かくして、所望の最終生成物142及び中間体1130が調製され、そして、次いで、HFも含んでいるこの生成物流を、当該反応の望ましくない副生物及び未反応出発物質(例えば、HF)から分離するために、当該反応器から取り出す。本発明による調製方法において、1130及びHClは、顕著な量で生じる唯一の副生物である。
次いで、その生成物流を浄化する。このことは、約0℃〜5℃の温度の水を含んでいる冷却器の中にその生成物流を通して/誘導して、未反応のHF及び反応中に形成されたHClを除去することを意味する。その冷却器の中で形成された有機層(これは、所望の142を含んでいる)を水層から分離し、水で洗浄し、硫酸ナトリウムで脱水し、及び、ガスクロマトグラフィーを用いて分析する。
連続的な調製方法のために、1130及び140を142から分離し、次いで、当該連続的調製方法に燃料を供給するために反応器への1130及び140の給送をゲートで制御する。分離は、ガラスカラム内で蒸留によって実施することができる。蒸留を使用する場合、加圧下において反応させることは、140及び1130を分離するために及び未反応出発物質であるHF及び140を回収して再利用するために、生成物流を同様に加圧下で操作する蒸留カラムの中に直接給送するという付加的な有利点も有している。
本発明による調製方法においては、140及び/又は1130に対するHFのモル比は、約2:1〜30:1の範囲内にある。好ましくは、140及び/又は1130に対するHFのモル比は、約3:1〜約12:1の範囲内にある。
本発明による調製方法は、約200℃〜約350℃(好ましくは、約200℃〜約300℃)の範囲内にある温度で実施することが可能であり、そして、該調製方法は、常圧又は高圧下で実施することが可能である。操作圧力は、最大で25barまでであり得る。好ましくは、操作圧力は、約4〜約20barの範囲内にある。
[実施例]
実施例 − 触媒の調製
使用した全ての化学物質は、商用銘柄である。全体を通して、脱イオン水(DM水)が使用されている。特に別途記載されていない場合、室温は約28℃である。
[触媒A] − 押出物(ペレット)として使用される非晶質クロミアCr
1.04kgのCrOを12.6kgの水にゆっくりと溶解させ、蒸気ジャケット付きSS(ステンレス鋼製)容器の中で連続的に撹拌することによって、三酸化クロムの水溶液を調製する。発熱状態を充分に制御することに注意しながら、その三酸化クロム水溶液に、エチルアルコール(1.5リットル)を一定の時間間隔を空けて添加する。その反応混合物を100℃で還流させる。該三酸化クロムが全て還元される(これは、暗褐色のゲルが出現することによって示される)まで、還流を継続する。反応器を冷却し、該ゲルを濃縮するために、スラリーをレート−コーン蒸発器ユニット(rate−cone evaporator unit)に移す。その含水ケーキ(1.1kg)を排出させ、脱水し、ポットミルの中に注ぎ入れた。粉末化された触媒の一部分を押出した。その押出物を窒素雰囲気内で400℃でか焼した。その表面積は、200〜230m/gの範囲内にあると測定される。そのX線解析は、非晶質性を示している。
[触媒B] − 非晶質クロミア−アルミナ(Cr /Al
Cr(NO・9HO(820g)を3kgのDM水に溶解させた水溶液とAl(NO・9HO(3.46kg)を10kgのDM水に溶解させた水溶液を撹拌しながら別々に調製し、一緒に混合させ、その後、17kgのDM水でさらに希釈した。希アンモニア溶液(10%)を調製し、10g/分の速度で8〜10時間、上記金属イオン溶液の中に排出させた。沈澱は、pH3.3から観察され、スラリーのpHが7.8に達するまでアンモニア溶液を添加した。そのスラリーを90℃で3時間加熱し、濾過した。得られたウェットケーキを熱水(2kg)で洗浄した後、冷水(2kg)で洗浄し、70℃で部分的に乾燥させ、4mmダイを通して押出した。その触媒押出物(500g)を熱風オーブン内で90℃で1時間乾燥させ、100℃で2時間乾燥させた。最後に、その触媒押出物を窒素ブランケット下で、400℃で22時間、か焼した。その触媒の表面積は、250〜300m/gの範囲内にあることが分かった。そのX線解析は、非晶質性を示している。
[触媒C] Cr /Al /FeCl /MgCl − 本発明による触媒
5.98gのFeCl(97%)(0.0368モル)と14.85gのMgCl7HO(0.0671モル)の混合物を40gの蒸留水に溶解させ、触媒Bとして記載されている80gの非晶質クロミナ−アルミナ(Cr/Al)押出物に添加し、室温で3〜4時間、ゆっくりと撹拌する。過剰の水を減圧下で除去し、得られた触媒を、恒量になるまで、オーブン内で12〜15時間130℃で乾燥させる。その触媒の表面積は、78m/gであることが分かった。そのX線解析は、非晶質性を示している。
[触媒D] Al /ZnCl − 本発明による触媒
5gのZnCl(0.0368モル)をDM水(40g)に溶解させた溶液に100gの市販されているγ−Al押出物を懸濁させ、2〜3時間撹拌する。過剰の水を減圧下で除去し、得られた触媒を、恒量になるまで、オーブン内で10〜12時間130℃で乾燥させる。その表面積は、191.26m/gであると測定され、そのX線回折解析は、非晶質性を示している。
[触媒E] 炭素担持Cr (20%)−Ni(5%) − 本発明による触媒
317.4g(0.793モル)のCr(NO×9HO及び50.05g(0.172モル)のNi(NO×6HO(99%)を125gの蒸留水に溶解させる。150gの市販されている活性炭押出物を添加する。その懸濁液を、室温で2〜3時間、ゆっくりと撹拌する。過剰の水を減圧下で除去し、恒量になるまで、オーブン内で24時間130℃で乾燥させる。その表面積は、372m/gであると測定され、そのX線回折解析は、非晶質性を示している。
[触媒F]炭素担持 Cr (20%)−Ni(10%) − 本発明による触媒
154.16g(0.385モル)のCr(NO×9HO及び49.55g(0.170モル)のNi(NO×6HO(99%)を100gの蒸留水に溶解させる。70gの市販されている活性炭押出物を添加する。その懸濁液を、室温で2〜3時間、ゆっくりと撹拌する。過剰の水を減圧下で除去し、恒量になるまで、オーブン内で24時間130℃で乾燥させる。その表面積は、73m/gであると測定され、そのX線回折解析は、非晶質性を示している。
表中においては、以下の略号が使用されている:T=反応温度;P=圧力;比率=HFとTCEのモル比;CT=接触時間;RT=反応時間;140又はTCE=1,1,2−トリクロロエタン;1130又はDCE=1,2−ジクロロエテン;142=1−クロロ−2,2−ジフルオロエタン。
フッ素化の一般的な方法
実験の構成は、HFと140及び/又は1130に対する独立した給送ライン、蒸発器、触媒が装入される長さ100cm直径1インチ(1”=2.54cm)のインコネル管型反応装置、圧力放出トラップ、反応器出口における調節バルブ、水を含んでいる冷却器、乾燥機並びに受け器からなる。乾燥機と受け器の間のサンプリングバルブから低揮発性生成物流のサンプルを定期的に取り出す。種々の区画内の温度は、電気加熱ブロック炉及びPID制御装置によって維持されている。
当該触媒を管型反応装置の中に装入し、400℃で24時間、窒素で前処理する。次いで、温度を150℃まで低下させ、HFのゆっくりとした流れを窒素と一緒に導入する。最初の発熱反応の後で、該触媒床の温度を375℃まで上昇させながら、窒素をゆっくりと取り除く。該フッ素化は、出口のHFの含水量が1%を下回るまで(約18〜20時間)、継続させる。次いで、該触媒の床温度を200℃とし、反応出口バルブを閉じることによって当該システムをゆっくりと加圧して約3〜4kg圧力とした。該フッ素化反応は、140及び/又は1130をHFと一緒に当該システムの中に導入することによって開始させた。HFと140及び/又は1130の給送量を調節して、所望のモル比及び接触時間とした。その生成物流を、外部氷冷却によって0〜5℃に維持しながら、水で浄化(洗浄)する。その生成物を、冷却器内で有機層として収集する。未溶解の酸を含んでいない有機蒸気は冷却器から乾燥機の中に流出し、最終的に、ドライアイス−アセトン内で冷却される受け器の中に捕捉される。冷却器内の有機層を分離し、冷水で洗浄し、硫酸ナトリウムで脱水した。有機層内の生成物流の組成は、定常状態に達した後、ガスクロマトグラフィーで決定し、それは、ピーク面積に基づく。加圧下で実施された該フッ素化実験について、下記実施例中に示した。
[実施例]
A: 本発明による実施例
A1. 触媒C上でHFを使用する1,1,2−トリクロロエタン(140、TCE)のフッ素化
Figure 0006078073
A2. 触媒D上でHFを使用する1,1,2−トリクロロエタン(140、TCE)のフッ素化
Figure 0006078073
A3. 触媒E上でHFを使用する1,1,2−トリクロロエタン(140、TCE)のフッ素化
Figure 0006078073
A4. 触媒E上でHFを使用する1,2−ジクロロエテン(1130、DCE)のフッ素化
Figure 0006078073
A5. 2つの並列反応器を用いて触媒E上でHFを使用する1,2−ジクロロエテン(1130、DCE)のフッ素化
Figure 0006078073
A6. 触媒F上でHFを使用する1,1,2−トリクロロエタン(TCE)のフッ素化
Figure 0006078073
B: 既知触媒A又は既知触媒Bを使用する実施例
B1. 触媒A上でHFを使用する1,1,2−トリクロロエタン(140、TCE)のフッ素化(cf. EP 1008575A1)
Figure 0006078073
結果は、触媒AのようなバルクCr(クロミア)を使用することによってTCEの高い変換率と142の形成に対する高い選択性を達成することが可能であったということを示唆しているEP 1008575A1の教示とは著しく異なっている。
B2. 触媒B上でHFを使用する1,1,2−トリクロロエタン(140、TCE)のフッ素化
Figure 0006078073

Claims (8)

  1. 1,1,2−トリクロロエタンを触媒的気相フッ素化に付すことを含んでいる1−クロロ−2,2−ジフルオロエタンを調製する方法であって、使用される触媒が、クロミア−アルミナにFeCl とMgCl を同時にデポジットさせることによって調製され、使用される触媒が、400℃を超えない温度でフッ素含有活性化剤で処理することによってフッ素化されていることを特徴とする前記方法
  2. 前記触媒が活性化剤としてのHFによってフッ素化されている、請求項1に記載の方法
  3. 1,2−ジクロロエテンを触媒的気相フッ素化に付すことを含んでいる1−クロロ−2,2−ジフルオロエタンを調製する方法であって、使用される触媒が、クロミア−アルミナにFeCl とMgCl を同時にデポジットさせることによって調製され、使用される触媒が、400℃を超えない温度でフッ素含有活性化剤で処理することによってフッ素化されていることを特徴とする前記方法
  4. 前記触媒が活性化剤としてのHFによってフッ素化されている、請求項3に記載の方法。
  5. 1,1,2−トリクロロエタン及び1,2−ジクロロエテンを触媒的気相フッ素化に付すことを含んでいる1−クロロ−2,2−ジフルオロエタンを調製する方法であって、使用される触媒が、クロミア−アルミナにFeCl とMgCl を同時にデポジットさせることによって調製され、使用される触媒が、400℃を超えない温度でフッ素含有活性化剤で処理することによってフッ素化されていることを特徴とする前記方法
  6. 前記触媒が活性化剤としてのHFによってフッ素化されている、請求項5に記載の方法。
  7. 接触時間が10〜200秒の範囲内にあることを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の調製方法。
  8. 反応温度が200℃〜350℃の範囲内にあることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1項に記載の調製方法。
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