JPH0362458B2 - - Google Patents

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JPH0362458B2
JPH0362458B2 JP56110125A JP11012581A JPH0362458B2 JP H0362458 B2 JPH0362458 B2 JP H0362458B2 JP 56110125 A JP56110125 A JP 56110125A JP 11012581 A JP11012581 A JP 11012581A JP H0362458 B2 JPH0362458 B2 JP H0362458B2
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JP
Japan
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polymer
sulfonic acid
catalyst
coating
solid
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JP56110125A
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Japanese (ja)
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JPS5814949A (en
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Jei Bauhan Ronarudo
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Varen Technology
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Varen Technology
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Publication date
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Publication of JPS5814949A publication Critical patent/JPS5814949A/en
Publication of JPH0362458B2 publication Critical patent/JPH0362458B2/ja
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/50Improvements relating to the production of bulk chemicals
    • Y02P20/52Improvements relating to the production of bulk chemicals using catalysts, e.g. selective catalysts

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  • Low-Molecular Organic Synthesis Reactions Using Catalysts (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

本発明は側鎖スルホン酸基を有するパーフルオ
ロカーボン重合体からなる固体の、担持された触
媒を調製する方法に関する。 側鎖スルホン酸基を有する固体のパーフルオロ
カーボン重合体は脂肪族または芳香族の炭化水素
のアルキル化、クメンハイドロパーオキサイドの
ような有機ハイドロパーオキサイドの分解、有機
化合物のスルホン化またはニトロ化、およびヒド
ロキシル化合物のオキシアルキル化のために有用
な触媒である。 パーフルオロカーボンスルホン酸触媒を実用化
するための重大な欠点はコストの高いことであつ
た。コストの低下と効果の改善のための手段とし
て触媒を薄膜にすることが望ましい。何故ならば
これによつて触媒作用の制御が良く行なわれ、反
応熱の管理が容易になり、また場合によつては選
択性が良くなるからである。しかしながら、望ま
しい分子量および当量を有する固体のパーフルオ
ロカーボンスルホン酸触媒は熱可塑性でない、す
なわち加熱によつて融解または軟化しないから、
取扱いが困難である。更に、当量が約900よりも
大きく、分子量が約50000〜100000の範囲である
パーフルオロカーボン重合体スルホン酸はどのよ
うな溶剤にもほとんど溶解しない。当量が約900
より小さく、分子量が50000以下の重合体は有機
溶剤すなわちエタノール、イソプロパノール、シ
クロヘキサノール、および有機溶剤と水との混合
物に可溶である。遊離基と二つの官能基を有する
化合物とによつてポリマー構造を架橋することは
低分子量重合体をほとんど不溶性となしうること
が、重合体技術の分野で知られている。またパー
フルオロカーボン重合体は分子量を減少する傾向
があり、遊離基によつて架橋しないことも知られ
ている。側鎖スルホン酸基を有するパーフルオロ
カーボン重合体は金属イオンと塩を生成し、これ
らはほとんどの溶剤にスルホン酸重合体よりも溶
け難い。しかしパーフルオロカーボン重合体のス
ルホン酸塩は有効な強酸触媒ではない。可溶性パ
ーフルオロスルホン酸重合体を溶液から担体上に
沈殿させ、次いで触媒活性を保持したままパーフ
ルオロスルホン酸重合体を不溶化する方法は知ら
れていない。溶液から当量および分子量の小さい
可溶性のパーフルオロスルホン酸樹脂を沈殿させ
て作る、マクルア(Mcclure)らの担持されたパ
ーフルオロスルホン酸触媒(米国特許第4038213
号)は用途が実際上無水系、すなわち有機溶媒な
しの炭化水素に限られる。この発明の一つの面は
パーフルオロスルホン酸からなる担持された触媒
を調製する改良法である。この実施態様は当量
1000以上、分子量約50000以上の重合体を可溶性
にするために、スルホン酸基を第四アンモニウム
またはホスホニウムの塩に変換し、第四アンモニ
ウムおよびホスホニウムの塩を含む重合体を担体
上に沈着させ、次にアンモニウムおよびホスホニ
ウムの塩をスルホン酸に変換することとからな
る。 この発明の他の面はパーフルオロスルホン酸か
らなる担持された触媒の新しく改良された調製法
である。この方法では所望の触媒をうるために、
先ずスルホニルフルオライド基を有するパーフル
オロカーボン重合体に、中間体または先駆物質と
して、所望の触媒の形を賦与するか、または基板
上に被覆する。次に、パーフルオロスルホン酸樹
脂の薄膜と、中間体または先駆物質の薄膜と、担
体とからなる複合構造をうるために、成形した重
合体または被覆を所望の程度だけパーフルオロカ
ーボンスルホン酸触媒に変換する。中間体重合体
または先駆物質を熱可塑性樹脂として成形する場
合には成形を加熱によつて行なう。あるいは中間
体重合体または先駆物質を溶剤に溶解し、次いで
蒸発して沈着させて基板上に被覆を形成する。中
間体または先駆物質のスルホニルフルオライド膜
はパーフルオロスルホン酸触媒を担体に強固に接
着し、かつパーフルオロスルホニルフルオライド
すなわち中間体物質の表面上にある当量および分
子量の小さい通常は可溶性のパーフルオロスルホ
ン酸分子を実際上不溶性にするのに役立つ。不溶
化は恐らく重合体分子のもつれ合いと、中間体物
質または重合体分子中のスルホニル基のスルホン
酸基への一部変換によるのであろう。スルホニル
フルオライド重合体はフルオロカーボン以外のす
べての溶剤にほとんど不溶である。 主として反応のための表面積を最大にし、触媒
のコストを低下させる触媒の有効利用のために重
合体の表面上または表面近くのスルホン基の数を
最大にし、かつ溶媒和の際におきる所望の寸法変
化、流体の流れ、熱除去、空時収量反応、破砕強
度などをうるために工学的および機械的の性質を
修正する目的で、パーフルオロスルホン酸触媒を
固体担体上に担持する。望ましい担持されたパー
フルオロスルホン酸触媒は、好ましくはハロゲン
化炭素または炭化水素の重合体の固体重合体担体
上への融解沈着、好ましくは融解同時押出し、に
よつて厚み0.1〜2.0ミル(0.0025〜0.51mm)、好ま
しくは0.2〜1.0ミル(0.0051〜0.025mm)の被覆と
して沈着したパーフルオロスルホニルフルオライ
ド重合体の先駆物質の膜からなり、これは当量が
500〜1300、好ましくは900〜1200のパーフルオロ
スルホン酸重合体に対応している。そして前記沈
着したパーフルオロスルホニルフルオライド重合
体の被覆は0.01〜1.0ミル(0.00025〜0.025mm)、
好ましくは0.05〜0.5ミル(0.0013〜0.013mm)の
深さまで、対応するパーフルオロスルホン酸重合
体に変換する。 この方法における望ましい担持された触媒はマ
クルア(McClure)らの担持された触媒(米国特
許第4038213号)と次の点で顕著な相違がある。
すなわち本発明の担持された触媒は実質上不溶性
の中間体物質または先駆物質であるパーフルオロ
スルホニルフルオライド重合体に付着していて、
後者は触媒膜を担体に強固に接着し、当量および
分子量の小さい通常は可溶性のパーフルオロスル
ホン酸分子を実質上不溶性にする。パーフルオロ
スルホニルフルオライドの膜はまた実質上不透過
性の障壁の役をして、反応流体および再生流体の
基板への透過を最小にする。この発明以前には、
望ましい担持されたパーフルオロスルホン酸触媒
を製造する実際的な方法は知られていなかつた。 所望の担持されたパーフルオロカーボンスルホ
ン酸重合体触媒は、先ずスルホニルフルオライド
基あるいは第四アンモニウムまたはホスホニウム
のスルホン酸基を含んでいるパーフルオロカーボ
ンの重合体を中間体あるいは先駆物質として所望
の触媒の形に成形するか、または基板に被覆する
ことによつてえられる。次に、成形した重合体す
なわち被覆は、所望の程度だけ、パーフルオロカ
ーボンスルホン酸触媒に変換する。もし中間物質
が熱可塑性ならば成形は加熱によつて行なう。ま
たは中間体重合体を溶剤に溶解し、次に蒸発して
沈着させて基板上に被覆を形成することによる。 担持されたフルオロカーボン重合体触媒は基板
上に担持されたカルボン酸またはスルホン酸の基
を含むフルオロカーボン重合体からなる。フルオ
ロカーボン重合体はα−オレフイン(好ましくは
テトラフルオロエチレン、エチレンおよびプロピ
レンのような分子量の小さいもの)と、酸基、先
駆酸基を有するパーフルオロビニル単量体との共
重合体からなる。望ましい触媒はテトラフルオロ
エチレンとパーフルオロビニルエーテルとのパー
フルオロカーボン共重合体であつて、次の繰返し
構造を有する。 または
The present invention relates to a method for preparing solid, supported catalysts consisting of perfluorocarbon polymers having pendant sulfonic acid groups. Solid perfluorocarbon polymers with pendant sulfonic acid groups can be used for the alkylation of aliphatic or aromatic hydrocarbons, the decomposition of organic hydroperoxides such as cumene hydroperoxide, the sulfonation or nitration of organic compounds, and It is a useful catalyst for the oxyalkylation of hydroxyl compounds. A serious drawback to the practical use of perfluorocarbon sulfonic acid catalysts has been their high cost. It is desirable to form catalysts into thin films as a means of reducing cost and improving effectiveness. This is because this allows for better control of the catalytic action, easier management of the heat of reaction and, in some cases, better selectivity. However, solid perfluorocarbon sulfonic acid catalysts with desirable molecular weights and equivalent weights are not thermoplastic, i.e., do not melt or soften upon heating;
Difficult to handle. Furthermore, perfluorocarbon polymeric sulfonic acids with equivalent weights greater than about 900 and molecular weights in the range of about 50,000 to 100,000 are poorly soluble in any solvent. Equivalent weight is about 900
Smaller polymers with molecular weights below 50,000 are soluble in organic solvents, ethanol, isopropanol, cyclohexanol, and mixtures of organic solvents and water. It is known in the polymer art that crosslinking polymer structures with free radicals and compounds with two functional groups can render low molecular weight polymers nearly insoluble. It is also known that perfluorocarbon polymers tend to reduce molecular weight and are not crosslinked by free radicals. Perfluorocarbon polymers with side chain sulfonic acid groups form salts with metal ions, and these are less soluble in most solvents than sulfonic acid polymers. However, sulfonate salts of perfluorocarbon polymers are not effective strong acid catalysts. There is no known method for precipitating a soluble perfluorosulfonic acid polymer from a solution onto a support and then insolubilizing the perfluorosulfonic acid polymer while retaining catalytic activity. The supported perfluorosulfonic acid catalyst of McClure et al. (U.S. Pat. No. 4,038,213
No.) is practically limited to use with anhydrous hydrocarbons, that is, without organic solvents. One aspect of this invention is an improved method for preparing supported catalysts comprising perfluorosulfonic acids. This embodiment is equivalent
1,000 or more, with a molecular weight of about 50,000 or more, converting the sulfonic acid groups to quaternary ammonium or phosphonium salts and depositing the polymer containing the quaternary ammonium and phosphonium salts on the carrier; It then consists of converting the ammonium and phosphonium salts into sulfonic acids. Another aspect of this invention is a new and improved method for preparing supported catalysts comprising perfluorosulfonic acids. In this method, in order to obtain the desired catalyst,
A perfluorocarbon polymer containing sulfonyl fluoride groups is first provided with the desired catalyst form or coated onto a substrate as an intermediate or precursor. The shaped polymer or coating is then converted to the perfluorocarbon sulfonic acid catalyst to the desired extent to obtain a composite structure consisting of a thin film of perfluorosulfonic acid resin, a thin film of an intermediate or precursor, and a support. do. When the intermediate polymer or precursor is molded as a thermoplastic resin, the molding is carried out by heating. Alternatively, the intermediate polymer or precursor is dissolved in a solvent and then evaporated and deposited to form a coating on the substrate. The sulfonyl fluoride membrane of the intermediate or precursor firmly adheres the perfluorosulfonic acid catalyst to the support and binds the perfluorosulfonyl fluoride, a low-equivalent and usually soluble perfluorinated material on the surface of the intermediate material. It serves to render the sulfonic acid molecule virtually insoluble. Insolubilization is probably due to entanglement of the polymer molecules and partial conversion of sulfonyl groups in the intermediate material or polymer molecules to sulfonic acid groups. Sulfonyl fluoride polymers are virtually insoluble in all solvents except fluorocarbons. The desired dimensions primarily maximize the surface area for reaction, reduce the cost of the catalyst, maximize the number of sulfonic groups on or near the surface of the polymer for efficient utilization of the catalyst, and occur upon solvation. Perfluorosulfonic acid catalysts are supported on solid supports for the purpose of modifying engineering and mechanical properties to obtain changes, fluid flow, heat removal, space-time yield reactions, crushing strength, etc. Desirable supported perfluorosulfonic acid catalysts are preferably prepared by melt deposition, preferably melt coextrusion, of a polymer of halogenated carbon or hydrocarbon onto a solid polymeric support to a thickness of 0.1 to 2.0 mil (0.0025 to 0.51 mm), preferably a 0.2-1.0 mil (0.0051-0.025 mm) coating, consisting of a perfluorosulfonyl fluoride polymer precursor film deposited as a coating with an equivalent weight of
It corresponds to a perfluorosulfonic acid polymer of 500 to 1300, preferably 900 to 1200. and the deposited perfluorosulfonyl fluoride polymer coating is 0.01 to 1.0 mil (0.00025 to 0.025 mm);
It is preferably converted to the corresponding perfluorosulfonic acid polymer to a depth of 0.05 to 0.5 mil (0.0013 to 0.013 mm). The preferred supported catalyst for this process differs significantly from the supported catalyst of McClure et al. (U.S. Pat. No. 4,038,213) in the following respects.
That is, the supported catalyst of the present invention is attached to a substantially insoluble intermediate material or precursor perfluorosulfonyl fluoride polymer;
The latter firmly adheres the catalyst membrane to the support and renders normally soluble perfluorosulfonic acid molecules of low equivalent weight and molecular weight virtually insoluble. The perfluorosulfonyl fluoride membrane also serves as a substantially impermeable barrier to minimize permeation of reaction and regeneration fluids to the substrate. Before this invention,
Practical methods for producing the desired supported perfluorosulfonic acid catalysts were not known. The desired supported perfluorocarbon sulfonic acid polymer catalyst is first prepared by using a perfluorocarbon polymer containing sulfonyl fluoride groups or quaternary ammonium or phosphonium sulfonic acid groups as an intermediate or precursor to form the desired catalyst. It can be obtained by molding it into a substrate or by coating it on a substrate. The shaped polymer or coating is then converted to the perfluorocarbon sulfonic acid catalyst to the desired extent. If the intermediate material is thermoplastic, shaping is carried out by heating. or by dissolving the intermediate polymer in a solvent and then evaporating and depositing it to form a coating on the substrate. The supported fluorocarbon polymer catalyst consists of a fluorocarbon polymer containing carboxylic or sulfonic acid groups supported on a substrate. Fluorocarbon polymers consist of copolymers of alpha-olefins (preferably low molecular weight ones such as tetrafluoroethylene, ethylene and propylene) and perfluorovinyl monomers having acid groups or precursor acid groups. A preferred catalyst is a perfluorocarbon copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ether having the following repeating structure. or

【式】 またはこれらの混合物 式中、nは0、1または2、R1は−Fまたは
炭素原子数1〜10のパーフルオロアルキル、Zは
−O−CF2−(CF2n−、−OCF2CFY−または−
OCFYCF2−、mは1〜9の整数、Yは−Fまた
はトリフルオロメチルである。共重合体は0.5〜
50モル%のパーフルオロビニルスルホン酸を含み
うる。重合体触媒は600〜2500の範囲、最も望ま
しいのは900〜1500の範囲の当量(スルホン酸基
1個当たりの重合体重量、グラム単位)を有して
いることが望ましい。これら共重合体の平均分子
量は正確には知られていないが、大体50000〜
100000の範囲にあると信じられている。良好な機
械的強度を有する固体重合体は約20000以上、
500000〜1000000の分子量を有しうる。引張り強
さ、粘り強さ、曲げ寿命など機械的性質は分子量
の増加に伴つて向上する。 上記構造を有する触媒の分子量は通常1000〜
500000であり、10000より大きいことが望ましく、
最も望ましいのは50000〜100000である。 米国特許第4038213号および同第4052475号によ
れば、スルホン酸基を有するある種のフツ素化さ
れた重合体を細かく粉砕した粉はエタノール中に
分散しうる。しかしこの発明における分子量およ
び当量を有する固体のパーフルオロカーボンスル
ホン酸重合体は真の溶液を作らない。例えば、分
子量が約50000〜100000、当量が約700〜1350であ
る重合体を用いて、スルホニルフルオライド先駆
体と、これに対応する、当量が約900までのパー
フルオロスルホン酸重合体との溶液は、3M社の
市販するFC−75フルオロカーボン液(スルホニ
ルフルオライド重合体)と、95%エタノール(パ
ーフルオロスルホン酸重合体)とにそれぞれ溶解
した溶液であつて、これらの溶液の濃度は100
g/までである。当量の大きい(約1050)樹脂
を95%エタノールで還流し、これによつて樹脂の
約65%を溶解した。残りはエタノールに不溶であ
つて、これは樹脂の分別と重合体の低分子量およ
び低当量の部分の溶解とを表わす。当量1100のパ
ーフルオロスルホン酸重合体を95%エタノールで
還流し、そのとき樹脂の約10%が溶解し、残りは
還流エタノールに不溶であつた。当量1200および
1350のパーフルオロスルホン酸樹脂の2%未満の
みが還流エタノールに溶解しなかつた。当量の大
きいパーフルオロスルホン酸樹脂に対応するパー
フルオロスルホニルフルオライド重合体先駆体は
FC−75フルオロカーボン液中で濃度約40〜100
g/の溶液を作つた。同様に、この発明によつ
て製造する望ましいパーフルオロカーボンスルホ
ン酸重合体は実質的に融解不能であつて、融解し
て担体に接着する真の膜を形成することはできな
い。(デユポン(du Pont)の雑誌「Jnnovation」
第4巻第3号、1973年春季、第10−13頁参照、こ
れは若干のパーフルオロカーボンスルホン酸重合
体とその誘導体、デユポンの商品名NAFION樹
脂、の性質および製法を記述している。)この方
法を用いて、次の性質を有する担持されたスルホ
ン酸重合体をうる。それは担体に強固に接着し、
側鎖活性スルホン酸基を有する不活性重合体構造
または骨格から作られた連続した膜であり、不溶
性であつて担体から浸出されない。 望ましい製造可能な中間体重合体は多様な方法
で調製しうるが、最も通常な方法としては、次の
分子式のフルオロカーボンビニルエーテルから作
る。 MSO2CFR1CF2O〔CRYCF2O〕oCF=CF2 () 式中、R1およびYは式およびにおけると
同一、nは1〜3の整数、Mはフツ素、アミノ基
および−OMeなる式を有する基からなる群から
選ばれた基である、なおMeは第四アンモニウム
およびホスホニウムの基からなる群から選ばれた
基である。 パーフルオロカーボンビニルエーテルおよびこ
れから誘導される中間体重合体は米国特許第
3041317号、同第3282875号、同第3264053号およ
び同第3882093号に記載されている。 中間体重合体を製造するために使用するビニル
エーテルは、コノリー(Connolly)らの米国特
許第3282875号にさらに詳しく記載するように、
好ましくは、パーフルオロカーボン溶剤中で過フ
ツ素化された遊離基開始剤を使用して重合する。
ビニルエーテルは反応条件の下で液体であるか
ら、溶剤を用いることなしにビニルエーテルを大
量に重合および共重合させることもできる。使用
する開始剤に応じて、重合温度は−50゜〜+200℃
とする。圧力は重要でない、そして、一般にフル
オロカーボンビニルエーテルに対する気体単量体
の比を制御するために使用する。適当なフルオロ
カーボン溶剤がこの分野で知られている、そして
一般にパーフルオロヘプタンまたはパーフルオロ
ジメチルシクロブタンを使用する。同様に、過フ
ツ素化された開始剤がこの分野で知られており、
パーフルオロパーオキサイドおよびフツ化窒素を
含む。上記の構造のビニルエーテルを水溶液中で
過酸化物またはレドツクス開始剤を用いて重合す
ることもできる。使用する重合法は水溶液中でテ
トラフルオロエチレンを重合する技術で確立され
た方法に対応する。 テトラフルオロエチレンおよび/またはパーフ
ルオロ−α−オレフインとビニルエーテルとの共
重合が好ましい。パーフルオロエチレンとスルホ
ニルフルオライド基を有するパーフルオロビニル
エーテルとの重合によつて作られる特に望ましい
共重合体は次の例のような繰返し構造を有するで
あろう。 式中、nは1または2、またはx′とy′の比は約
2〜50である。これらのスルホニルフルオライド
は容易にアルカリ金属と第四アンモニウムスルホ
ネートおよび第四ホスホニウムスルホネートとに
変わる。この構造のカリウム塩およびスルホン酸
誘導体はNAFION樹脂という商品名(イー・ア
イ・デユポン社(E.I.du Pont))で市販してい
る。この構造から誘導されるスルホン酸触媒は固
相中で接触し得る酸基の濃度が高いという長所を
示す。 中間体重合体を製造し、次に所望の触媒の形状
に成形する。好ましくは、熱可塑性の中間体重合
体を使用する、何故ならば熱可塑性物質は加熱に
よつて成形しうる、また所望の形にそして多様な
基体の上に押出しまたは鋳型しうるからである。
また中間体重合体が十分に可溶性の場合には、こ
れを適当な溶剤に溶解して、溶液から基板上に沈
着させることもできる。中間体を活性のあるスル
ホン酸の形に変換する前または後に溶剤を除去す
る。 担持されたパーフルオロカーボンスルホン酸触
媒の中間体の一つは対応するスルホニルフルオラ
イドである。このスルホニルフルオライドの製法
は前記特許に記載されている。この物質は熱可塑
性である。従つて、それを押出して薄膜にした
り、多様な形の製品に成形したり、基板上に浸漬
被覆または融着することができる。 熱可塑性のスルホニルフルオライド重合体を基
板上に成形するための望ましい方法は、押出し被
覆である。この場合融解したスルホニルフルオラ
イド重合体は連続した薄膜として基板の表面上に
成形する。基板が熱可塑性物質である場合には、
スルホニルフルオライド重合体と基板とを同時押
出しによつて融解成形し、適当な寸法および形に
切断し、次にスルホニルフルオライド重合体を、
所望の程度のみ、パーフルオロスルホン酸触媒に
変換してもよい。 スルホン酸触媒を担体に強固に接着するため
に、パーフルオロスルホニルフルオライド先駆体
または重合体のアンモニウム塩の一部変換を行な
う場合に、変換されないスルホニルフルオライド
重合体は大きな強度、溶剤に対する抵抗および固
体の担体へのスルホン酸触媒の化学的に安全な接
着を与える。先ず先駆体または中間体を沈着さ
せ、次に先駆体または中間体をスルホン酸に一部
変換するという考えは次の点で独特である。これ
は変換反応剤が重合体構造に浸透するにつれてス
ルホニルフルオライド重合体の変換が重合体内部
に実質的に段階的に進行し、これによつて遷移層
を形成し、この層はスルホン酸基とスルホニルフ
ルオライド基とを含む重合体分子からなり、分子
的もつれ合いおよび接着によつて、スルホニルフ
ルオライド重合体とパーフルオロスルホン酸重合
体とに分子的に付着する。この遷移層の重合体は
当量の小さいパーフルオロスルホン酸重合体分子
を固定するために特に有益である。 担持された触媒の製造および使用の際の経済の
ために、高価なスルホニルフルオライド重合体先
駆体をできるだけ少量使用することが望ましい、
特にスルホン酸重合体を担体に固定するために望
ましい。スルホニルフルオライド基と反応する基
(例えばアミノ基および水酸基)を有する担体の
上にスルホニルフルオライド重合体を沈着させれ
ば、反応してパーフルオロカーボン重合体を担体
に化学的に結合するから、スルホニルフルオライ
ド重合体の使用量を容易に最小にする。また融解
した担体の表面にスルホニルフルオライド重合体
を融解押出しすることもできる。これによつてス
ルホニルフルオライド重合体を担体に溶接して、
高価なスルホニルフルオライド重合体を容易に分
子的付着させ、使用量を容易に最小にする。 フルオロカーボンスルホン酸触媒のための他の
中間体は対応する第四級アンモニウムまたはホス
ホニウムのスルホネートである。第四級アンモニ
ウムまたはホスホニウムのスルホネートはパーフ
ルオロカーボンスルホン酸またはそのアルカリ金
属塩を
[Formula] or a mixture thereof In the formula, n is 0, 1 or 2, R 1 is -F or perfluoroalkyl having 1 to 10 carbon atoms, Z is -O-CF 2 -(CF 2 ) n -, −OCF 2 CFY− or −
OCFYCF2- , m is an integer of 1 to 9, and Y is -F or trifluoromethyl. Copolymer is 0.5~
May contain 50 mole % perfluorovinyl sulfonic acid. Preferably, the polymeric catalyst has an equivalent weight (polymer weight per sulfonic acid group, in grams) in the range 600 to 2500, most preferably in the range 900 to 1500. The average molecular weight of these copolymers is not exactly known, but it is approximately 50,000 ~
It is believed to be in the range of 100,000. Solid polymer with good mechanical strength is about 20000 or more,
It may have a molecular weight of 500,000 to 1,000,000. Mechanical properties such as tensile strength, tenacity, and bending life improve with increasing molecular weight. The molecular weight of the catalyst having the above structure is usually 1000~
500000, preferably greater than 10000,
The most desirable range is 50,000 to 100,000. According to US Pat. No. 4,038,213 and US Pat. No. 4,052,475, finely ground powders of certain fluorinated polymers having sulfonic acid groups can be dispersed in ethanol. However, the solid perfluorocarbon sulfonic acid polymers of the molecular weight and equivalent weight of this invention do not form true solutions. For example, using a polymer having a molecular weight of about 50,000 to 100,000 and an equivalent weight of about 700 to 1350, a solution of a sulfonyl fluoride precursor and a corresponding perfluorosulfonic acid polymer having an equivalent weight of up to about 900 is used. is a solution prepared by dissolving 3M's commercially available FC-75 fluorocarbon liquid (sulfonyl fluoride polymer) and 95% ethanol (perfluorosulfonic acid polymer), and the concentration of these solutions is 100%.
up to g/. A large equivalent weight (approximately 1050) of resin was refluxed with 95% ethanol, thereby dissolving approximately 65% of the resin. The remainder is insoluble in ethanol, representing fractionation of the resin and dissolution of the low molecular weight and low equivalent weight portions of the polymer. An equivalent weight of 1100 perfluorosulfonic acid polymer was refluxed with 95% ethanol, at which time approximately 10% of the resin was dissolved and the remainder was insoluble in the refluxed ethanol. equivalent weight 1200 and
Less than 2% of the 1350 perfluorosulfonic acid resin was insoluble in refluxing ethanol. Perfluorosulfonyl fluoride polymer precursors corresponding to high equivalent weight perfluorosulfonic acid resins are
Concentration of approximately 40-100 in FC-75 fluorocarbon liquid
A solution of g/g was made. Similarly, the desired perfluorocarbon sulfonic acid polymers made in accordance with this invention are substantially non-meltable and cannot be melted to form a true film that adheres to the carrier. (du Pont magazine “Jnnovation”)
See Vol. 4, No. 3, Spring 1973, pages 10-13, which describes the properties and preparation of several perfluorocarbon sulfonic acid polymers and their derivatives, DuPont's NAFION resins. ) Using this method, a supported sulfonic acid polymer having the following properties is obtained. It adheres strongly to the carrier,
A continuous membrane made from an inert polymeric structure or backbone with side chain active sulfonic acid groups, which is insoluble and does not leach from the carrier. The desired manufacturable intermediate polymers can be prepared in a variety of ways, but most commonly they are made from fluorocarbon vinyl ethers with the following molecular formula: MSO 2 CFR 1 CF 2 O [CRYCF 2 O] o CF=CF 2 () In the formula, R 1 and Y are the same as in the formula and in, n is an integer of 1 to 3, M is fluorine, an amino group and - OM e is a group selected from the group consisting of groups having the formula, where Me is a group selected from the group consisting of quaternary ammonium and phosphonium groups. Perfluorocarbon vinyl ethers and intermediate polymers derived therefrom are disclosed in U.S. Pat.
It is described in No. 3041317, No. 3282875, No. 3264053, and No. 3882093. The vinyl ether used to make the intermediate polymer can be as described in more detail in Connolly et al., U.S. Pat. No. 3,282,875.
Preferably, the polymerization is carried out using a perfluorinated free radical initiator in a perfluorocarbon solvent.
Since vinyl ethers are liquid under the reaction conditions, vinyl ethers can also be polymerized and copolymerized in large quantities without the use of solvents. Depending on the initiator used, polymerization temperatures range from -50° to +200°C
shall be. Pressure is not critical and is generally used to control the ratio of gaseous monomer to fluorocarbon vinyl ether. Suitable fluorocarbon solvents are known in the art and commonly use perfluoroheptane or perfluorodimethylcyclobutane. Similarly, perfluorinated initiators are known in the art;
Contains perfluoroperoxide and nitrogen fluoride. Vinyl ethers of the above structure can also be polymerized in aqueous solution using peroxide or redox initiators. The polymerization method used corresponds to the method established in the art of polymerizing tetrafluoroethylene in aqueous solution. Copolymerization of tetrafluoroethylene and/or perfluoro-α-olefin with vinyl ether is preferred. A particularly desirable copolymer made by polymerization of perfluoroethylene and a perfluorovinyl ether having sulfonyl fluoride groups will have a repeating structure as in the following example. where n is 1 or 2, or the ratio of x' and y' is about 2-50. These sulfonyl fluorides readily convert to alkali metals and quaternary ammonium sulfonates and quaternary phosphonium sulfonates. Potassium salts and sulfonic acid derivatives of this structure are commercially available under the trade name NAFION resin (EIdu Pont). Sulfonic acid catalysts derived from this structure exhibit the advantage of a high concentration of accessible acid groups in the solid phase. An intermediate polymer is produced and then shaped into the desired catalyst shape. Preferably, thermoplastic intermediate polymers are used because thermoplastics can be formed by heating and extruded or molded into desired shapes and onto a variety of substrates.
Alternatively, if the intermediate polymer is sufficiently soluble, it can be dissolved in a suitable solvent and deposited from solution onto the substrate. The solvent is removed before or after converting the intermediate to the active sulfonic acid form. One of the intermediates of supported perfluorocarbon sulfonic acid catalysts is the corresponding sulfonyl fluoride. The preparation of this sulfonyl fluoride is described in the above-mentioned patent. This material is thermoplastic. Therefore, it can be extruded into thin films, formed into products of various shapes, dip coated or fused onto a substrate. A preferred method for molding thermoplastic sulfonyl fluoride polymers onto a substrate is extrusion coating. In this case, the molten sulfonyl fluoride polymer is formed as a continuous thin film onto the surface of the substrate. If the substrate is a thermoplastic,
The sulfonyl fluoride polymer and the substrate are melt-molded by coextrusion, cut into appropriate sizes and shapes, and then the sulfonyl fluoride polymer is
It may be converted to perfluorosulfonic acid catalyst only to the extent desired. When performing partial conversion of the perfluorosulfonyl fluoride precursor or ammonium salt of the polymer to firmly adhere the sulfonic acid catalyst to the support, the unconverted sulfonyl fluoride polymer exhibits great strength, resistance to solvents and Provides chemically safe adhesion of sulfonic acid catalysts to solid supports. The idea of first depositing a precursor or intermediate and then partially converting the precursor or intermediate to a sulfonic acid is unique in the following respects. This is because the conversion of the sulfonyl fluoride polymer proceeds substantially stepwise into the interior of the polymer as the conversion agent penetrates the polymer structure, thereby forming a transition layer, which contains sulfonic acid groups. and a sulfonyl fluoride group, and is molecularly attached to the sulfonyl fluoride polymer and the perfluorosulfonic acid polymer through molecular entanglement and adhesion. This transition layer polymer is particularly useful for immobilizing low equivalent weight perfluorosulfonic acid polymer molecules. For economy in the preparation and use of supported catalysts, it is desirable to use as little of the expensive sulfonyl fluoride polymer precursor as possible;
It is particularly desirable for immobilizing sulfonic acid polymers on carriers. If a sulfonyl fluoride polymer is deposited onto a carrier that has groups that react with sulfonyl fluoride groups (e.g., amino and hydroxyl groups), it will react and chemically bond the perfluorocarbon polymer to the carrier; Easily minimize the amount of fluoride polymer used. It is also possible to melt-extrude the sulfonyl fluoride polymer onto the surface of a molten carrier. This welds the sulfonyl fluoride polymer to the carrier,
Expensive sulfonyl fluoride polymers are easily molecularly attached and the amount used is easily minimized. Other intermediates for fluorocarbon sulfonic acid catalysts are the corresponding quaternary ammonium or phosphonium sulfonates. Quaternary ammonium or phosphonium sulfonates are perfluorocarbon sulfonic acids or their alkali metal salts.

【式】または[expression] or

【式】 で処理することによつて調製する。式中、おのお
ののR2置換基は独立に炭素原子数1〜30のアル
キル、炭素原子数7〜36のアルキルアリール、炭
素原子数7〜36のアルアルキル、フエニルまたは
ナフチルであり、Xは無機の陰イオン、好ましく
は、水酸基またはハロゲンである。 第四級アンモニウムまたはホスホニウムのスル
ホネートの調製はパーフルオロカーボンスルホン
酸またはそのアルカリ金属塩を式またはの化
合物で0〜100℃において0.5〜2時間処理するこ
とによつて行なわれる。反応は大気圧の下で進行
する、しかし所望であれば、これより高い圧力で
も低い圧力でもよい。 この方法によつて作られたスルホン酸塩は残留
する副産物を除去するために水洗して精製するこ
とができる。 これらのスルホン酸塩は熱可塑性である。従つ
てこれらはスルホニルフルオライドについて前に
説明したように成形することができる。これらは
またジメチルホルムアミドおよびジメチルスルホ
キシドのような有極性、非プロトン性溶剤に溶解
する。従つて、このようなスルホン酸塩の溶液
は、ポリマー溶液を用いて被覆するための良く知
られている技術を用いて、所望の基板に被覆する
ために用いることができる。 特に望ましい第四級アンモニウムおよびホスホ
ニウムのスルホネートを水酸化テトラブチルアン
モニウム、塩化ベンジルトリメチルアンモニウ
ム、塩化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、
およびヨウ化テトラブチルホスホニウムを用いて
作る。 本発明は、側鎖スルホン酸基を有するパーフル
オロカーボン重合体を使用する。 担持された触媒は金属、金属酸化物、金属イオ
ン、金属キレートおよび他の化合物を加えて変成
することができる。これらは通常均質な解媒であ
る。 触媒の薄膜を担持するために使用する基体は、
触媒の担体としての使用に適する多くの材料のう
ちのどれでもよい。例えばスクリーンまたはシー
トのような任意の形の金属、テフロン繊維、アス
ベスト、ガラス(らせん、ビーズ、クロスなど)
その他。更に、パーフルオロカーボンスルホニル
フルオライドが被覆層となり、スルホニルフルオ
ライドの表層の所望の厚みが酸触媒に変換され
る。 望ましい一つの実施態様では、担持する面はス
ルホニルフルオライド重合体(これは触媒構造の
形成に用いられる中間体でありうる)、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリエステ
ル、テトラフルオロエチレン重合体のようなフル
オロカーボン重合体などのような触媒作用を有し
ない固体重合体である。 他の望ましい実施態様としては、担体が金属、
またはセラミツクのような無機質の固体基板であ
る。材料はプロセス装置に通常使用するものであ
ることが望ましい。金属担体の例はモネル、ニツ
ケル、チタン、銅、真鍮、ステンレス鋼(例えば
ハステロイ(Hasteloy))、タンタル、ジルコニ
ウムなどがある。 伝熱性金属で作られた熱交換器の管、板などか
ら構成することができる不透過性の熱交換器部材
の上に担持された固体の重合体酸触媒の薄膜は特
に適している。このようなものは発熱反応を制御
するプロセスを行なうために特に適している。そ
の例は本発明者の同時係属、米国出願第132149
号/1980年(これは現在放棄した米国出願第
970474号/1978年の一部継続出願である)中に記
載し、特許請求するヒドロパーオキサイド分解で
ある。触媒を担持する熱交換器部材は実質的に不
透過性であつて、冷却材または伝熱流体との熱交
換条件において触媒薄膜のための担体になる。触
媒薄膜は通常分子的厚みから10ミル(0.25mm)ま
での極めて薄いもので、2ミル(0.051mm)より
薄いことが最も望ましい。 中間体は所望の形に形成して、担体に適当に接
着し、次に活性のあるスルホン酸の形に変換す
る。変換される領域中の当量数を計算し(中間体
の密度および当量からうる)、次にスルホン酸基
を形成するために適当な物質と反応させることに
よつて、変換される中間体の量を容易に制御でき
る。スルホン酸基の生成速度は時間と、温度と中
間体をスルホン酸に変えるために用いる物質の濃
度との関数である。これらの変数はいずれも容易
に制御しうるから、中間体を所望の量だけ変換す
ることは極めて正確に実現できる。 中間体をスルホン酸の形に変換するために必要
な物質は、当業者が容易に理解できるであろう、
そしてこれは中間体の種類に依存するであろう。
例えばスルホニルフルオライドは次のようにして
酸の形に変換する。先ず、好ましくはジメチルス
ルホキシドまたはヘキサメチルホスホルアミドの
ような追加の溶媒の存在の下で、カリウム塩を生
成するためにアルカリ金属水酸化物の水溶液で処
理し、次に塩酸および硝酸のようなPKaが零よ
り小さい強度で処理して、カリウム塩をスルホン
酸の形に変換する。 第四アンモニウムおよびホスホニウムのスルホ
ネートは同様の方法でスルホン酸の形に変換す
る。従つて、スルホン酸はイオン変換によつてう
るであろう。例えば、第四アンモニウムおよびホ
スホニウムのスルホネートを20%硝酸のような強
酸で処理することができる。時には次のような方
法が望ましいであろう、先ず塩化ナトリウム水溶
液による処理のような手段でアンモニウムまたは
ホスホニウムのスルホネートをアルカリ金属の塩
に変換し、次いで熱処理によつてナトリウムを置
換する。 前述のように、望ましい実施態様では、スルホ
ニルフルオライド基を有するパーフルオロカーボ
ンビニルエーテルの熱可塑性中間体固体重合体を
調製し、金属表面に担持される薄膜のような所望
の触媒の形に上記中間重合体を成形し、次いでス
ルホニルフルオライド基の少なくとも一部をスル
ホン酸の形に変えることによつて、所望の形の担
持されたパーフルオロカーボンスルホン酸触媒を
うる。これによつて、担体に強固に接着され、担
体から抽出されない活性を有する非可塑性触媒を
うる。かくしてパーフルオロカーボンスルホン酸
重合体触媒が、担体上に、好ましくは連続層とし
て、強固に接着された不溶性の薄膜として形成で
きる。そのような形の触媒は極めて有効である。 下記の例は例示のみの目的で挙げるのであつ
て、ここに述べる発明の範囲を限定するものと解
釈すべきでない。 例 1 式に表示するスルホニルフルオライドの形の
重合体を内径0.024インチ(0.61mm)、外径0.036イ
ンチ(0.91mm)、長さ18フイート(5.5m)の管の
内壁に薄膜として形成し、50℃の水に浸漬した。
(重合体はスルホニルフルオライド比が約3のテ
トラフルオロエチレンパーフルオロビニルエーテ
ルを用いて調製し、当量が1200であつた。分子量
は正確には知られていないが、50000〜100000で
あると信じられる。)水酸化カリウム10%、ジメ
チルスルホキシド35%、および水55%の混合液を
45分間管内に流した。混合液はこの時間の間スル
ホニルフルオライドの内面を齢化条件にさらすた
めに過剰な塩基を供給しうる。次いでカリウムイ
オンを置換するために十分な量の濃度2モルの塩
酸を管内に流した。このプロセスによつて管の内
壁は0.0011〜0.0015インチ(0.028〜0.038mm)の
厚みがスルホン酸の形に変換した。 例 2 式に表示するパーフルオロカーボン重合体の
スルホン酸の形0.02インチ(0.51mm)の層を外側
に形成した外径1インチ(25mm)のステンレス鋼
の内管と、中間に半径方向間隔0.05インチ(1.3
mm)の環状空間を生じるような直径の金属外管ま
たはケーシングとで同軸な管配置とした。環状空
間をみたすのに十分な量の反応剤が活性を有する
触媒の表面に接触して乱流として流れることがで
きる。同時に、水または他の伝熱性液体のような
冷却材が反応熱を除去して、反応剤と反応生成物
との混合物の温度を所望の値、例えば40℃に維持
するのに十分な量だけ内管内を流した。 熱交換器部材の反対側を適当な量の冷却材が流
れる適当な熱交換器内の熱交換部材の上に形成し
た触媒の薄膜の他の例を次に記述する。 「ナフイオン(Nafion)」型のカルボン酸基触
媒を次のようにして鋼製の熱交換部材上の膜とし
て調製する。テトラフルオロエチレンとパーフル
オロビニルエーテルメチルエステルとの共重合体
(共重合体中に約10〜30%のエステルを与えるよ
うなモル比で)を薄膜として成形するようにして
熱交換器部材の上に被覆する。次に表面はエステ
ル基を鹸化するためにNaOHで処理する、それ
から、洗浄した後に、カルボン酸基を形成するた
めに稀酸で処理する。(カルボン酸基の生成につ
いての詳細はウキハシヒロシ「Chemtech」1980
年2月、第118−120頁に記載されている。) 側鎖酸基を有する活性のある固体パーフルオロ
カーボン重合体からなり、適当な基体の表面に担
持された他の種類の薄膜も当業者がこの明細書を
参照して容易に考案できる。 担持されたフルオロスルホン酸触媒はフルオロ
スルホニルフルオライド先駆体樹脂とポリエチレ
ン樹脂との同時押出しによつて調製する。同時押
出しは従来技術で行なうことができる、その方法
ではフルオロスルホニルフルオライド樹脂はポリ
エチレン樹脂の融解押出しと同時にダイスから押
出す。そして押出しによつてポリエチレン樹脂を
繊維または線に形成し、その上に融解したフルオ
ロスルホニルフルオライド樹脂の薄膜を被覆する
ように指向させる。押出された複合体は急冷し、
所望の大きさに裁断して、フルオロスルホニルフ
ルオライドの膜を所望の深さだけフルオロスルホ
ン酸触媒に変換する。代表的な担持された触媒と
して、ポリエチレン樹脂と、フルオロスルホニル
フルオライド樹脂とを約250〜350℃の温度で同時
押出しして、直径約5ミル(0.13mm)のポリエチ
レン繊維と、その上に被覆された厚み約0.5ミル
(0.013mm)のスルホニルフルオライド樹脂の膜と
からなる複合体を形成する。押出された成形体は
約0.25インチ(6.4mm)の長さに切断し、フルオ
ロスルホニルフルオライドの膜は約0.35ミル
(0.0088mm)の深さまでフルオロスルホン酸樹脂
に変換する。 他の例として、熱交換器用の公称0.5インチ
(13mm)のモネルメタルの管の上にスルホニルフ
ルオライド樹脂の被覆を融解沈着させることによ
つて、担持されたフルオロスルホン酸触媒を調製
する。融解沈着は従来の融解押出し装置を使つて
行ないうる、この方法では金属管にダイスを通
し、融解したフルオロスルホニルフルオライド重
合体を管に圧着する。被覆された金属管は被覆さ
れていない管についての従来技術を用いて管列に
形成され、そして管例は外殻および管からなる熱
交換器に組立てることができる。スルホニルフル
オライドの被覆は所望のの深さまでスルホン酸に
変換することができる。典型的に、フルオロスル
ホニルフルオライド樹脂を約250〜350℃の温度で
押出して金属管の外面上に連続した被覆を形成す
る。フルオロスルホニルフルオライド樹脂の膜厚
は約0.5ミル(0.013mm)とし、こ膜は約0.25ミル
(0.0063mm)の深さまでスルホン酸触媒に変換す
ることができる。
It is prepared by treating with the formula: where each R 2 substituent is independently alkyl of 1 to 30 carbon atoms, alkylaryl of 7 to 36 carbon atoms, aralkyl of 7 to 36 carbon atoms, phenyl or naphthyl, and X is an inorganic anion, preferably a hydroxyl group or a halogen. The preparation of quaternary ammonium or phosphonium sulfonates is carried out by treating perfluorocarbon sulfonic acids or their alkali metal salts with compounds of formula or for 0.5 to 2 hours at 0 DEG to 100 DEG C. The reaction proceeds under atmospheric pressure, but higher or lower pressures may be used if desired. Sulfonate salts made by this method can be purified by washing with water to remove residual by-products. These sulfonates are thermoplastic. They can therefore be shaped as described above for the sulfonyl fluorides. They are also soluble in polar, aprotic solvents such as dimethylformamide and dimethylsulfoxide. Solutions of such sulfonate salts can therefore be used to coat desired substrates using well known techniques for coating with polymer solutions. Particularly desirable quaternary ammonium and phosphonium sulfonates include tetrabutylammonium hydroxide, benzyltrimethylammonium chloride, hexadecyltrimethylammonium chloride,
and tetrabutylphosphonium iodide. The present invention uses perfluorocarbon polymers having side chain sulfonic acid groups. Supported catalysts can be modified by adding metals, metal oxides, metal ions, metal chelates, and other compounds. These are usually homogeneous solvents. The substrate used to support the catalyst thin film is
Any of a number of materials suitable for use as a catalyst support may be used. Any form of metal, Teflon fiber, asbestos, glass (spirals, beads, cloth, etc.), e.g. screens or sheets
others. Furthermore, the perfluorocarbon sulfonyl fluoride becomes a coating layer, and the desired thickness of the surface layer of the sulfonyl fluoride is converted into an acid catalyst. In one preferred embodiment, the supporting surface is a fluorocarbon such as a sulfonyl fluoride polymer (which can be an intermediate used in forming the catalyst structure), polyethylene, polypropylene, polyamide, polyester, or tetrafluoroethylene polymer. It is a solid polymer that does not have a catalytic effect like a polymer. In other preferred embodiments, the carrier is a metal;
Or it is an inorganic solid substrate such as ceramic. Preferably, the materials are those commonly used in process equipment. Examples of metal carriers include monel, nickel, titanium, copper, brass, stainless steel (eg Hasteloy), tantalum, zirconium, and the like. Particularly suitable is a thin film of solid polymeric acid catalyst supported on an impermeable heat exchanger member, which can be constructed from heat exchanger tubes, plates, etc. made of a heat conductive metal. They are particularly suitable for carrying out processes in which exothermic reactions are controlled. An example is our co-pending U.S. Application No. 132149.
No./1980 (this is now abandoned U.S. Application No.
No. 970,474/1978, a continuation-in-part application), as described and claimed in Hydroperoxide Decomposition. The heat exchanger member carrying the catalyst is substantially impermeable and provides a support for the catalyst film under conditions of heat exchange with the coolant or heat transfer fluid. Catalyst films are typically very thin, ranging from molecular thickness to 10 mils (0.25 mm), and most preferably less than 2 mils (0.051 mm). The intermediate is formed into the desired form, properly adhered to the carrier, and then converted to the active sulfonic acid form. The amount of intermediate to be converted by calculating the number of equivalents in the region to be converted (obtained from the density and equivalent weight of the intermediate) and then reacting with a suitable substance to form the sulfonic acid group. can be easily controlled. The rate of formation of sulfonic acid groups is a function of time, temperature and the concentration of the substance used to convert the intermediate to sulfonic acid. Since both of these variables are easily controllable, conversion of the desired amount of intermediate can be achieved with great precision. The materials necessary to convert the intermediate to the sulfonic acid form will be readily apparent to those skilled in the art.
And this will depend on the type of intermediate.
For example, sulfonyl fluoride is converted to the acid form as follows. First, treatment with an aqueous solution of an alkali metal hydroxide to produce the potassium salt, preferably in the presence of an additional solvent such as dimethyl sulfoxide or hexamethylphosphoramide, followed by treatment with an aqueous solution of an alkali metal hydroxide such as hydrochloric acid and nitric acid. Treatment at an intensity with a PKa less than zero converts the potassium salt to the sulfonic acid form. Quaternary ammonium and phosphonium sulfonates are converted to the sulfonic acid form in a similar manner. Therefore, sulfonic acids may be obtained by ionic conversion. For example, quaternary ammonium and phosphonium sulfonates can be treated with strong acids such as 20% nitric acid. Sometimes it may be desirable to first convert the ammonium or phosphonium sulfonate to the alkali metal salt by such means as treatment with an aqueous sodium chloride solution and then replace the sodium by heat treatment. As previously mentioned, in a preferred embodiment, a thermoplastic intermediate solid polymer of perfluorocarbon vinyl ether having sulfonyl fluoride groups is prepared and the intermediate polymer is applied in the form of a desired catalyst, such as a thin film supported on a metal surface. By shaping the combination and then converting at least a portion of the sulfonyl fluoride groups to the sulfonic acid form, a supported perfluorocarbon sulfonic acid catalyst in the desired form is obtained. This results in a non-plastic catalyst that is firmly adhered to the carrier and has an activity that cannot be extracted from the carrier. The perfluorocarbon sulfonic acid polymer catalyst can thus be formed as a tightly adhered insoluble thin film on the support, preferably as a continuous layer. Such forms of catalyst are extremely effective. The following examples are included for illustrative purposes only and should not be construed as limiting the scope of the invention described herein. EXAMPLE 1 A polymer in the form of a sulfonyl fluoride represented by the formula is formed as a thin film on the inner wall of a tube having an inner diameter of 0.024 inch (0.61 mm), an outer diameter of 0.036 inch (0.91 mm), and a length of 18 feet (5.5 m), Immersed in water at 50°C.
(The polymer was prepared using tetrafluoroethylene perfluorovinyl ether with a sulfonyl fluoride ratio of about 3 and an equivalent weight of 1200. The molecular weight is not precisely known but is believed to be between 50,000 and 100,000. ) A mixture of 10% potassium hydroxide, 35% dimethyl sulfoxide, and 55% water.
This was allowed to flow through the tube for 45 minutes. The mixture may provide excess base to expose the interior surface of the sulfonyl fluoride to aging conditions during this time. A sufficient amount of 2 molar hydrochloric acid was then flushed into the tube to displace the potassium ions. This process converted the inner wall of the tube to a thickness of 0.0011 to 0.0015 inches (0.028 to 0.038 mm) to the sulfonic acid form. Example 2 A 1 inch (25 mm) outside diameter stainless steel inner tube with a 0.02 inch (0.51 mm) layer on the outside and a 0.05 inch radial spacing in between. (1.3
A coaxial tube arrangement is used with a metal outer tube or casing of a diameter that creates an annular space of mm). An amount of reactant sufficient to fill the annular space is allowed to flow turbulently in contact with the surface of the active catalyst. At the same time, a coolant such as water or other thermally conductive liquid is used in sufficient quantity to remove the heat of reaction and maintain the temperature of the mixture of reactants and reaction products at a desired value, e.g. 40°C. The inside of the inner tube was flushed. Another example of a thin film of catalyst formed on a heat exchange member in a suitable heat exchanger with a suitable amount of coolant flowing on the opposite side of the heat exchanger member is described below. A carboxylic acid group catalyst of the "Nafion" type is prepared as a membrane on a steel heat exchange member as follows. A copolymer of tetrafluoroethylene and perfluorovinyl ether methyl ester (in a molar ratio that provides approximately 10-30% ester in the copolymer) is formed as a thin film onto the heat exchanger member. Cover. The surface is then treated with NaOH to saponify the ester groups, then, after washing, treated with dilute acid to form carboxylic acid groups. (For details on the generation of carboxylic acid groups, see Hiroshi Ukihashi's "Chemtech" 1980.
February, pp. 118-120. ) Other types of thin films comprising active solid perfluorocarbon polymers having pendant acid groups supported on the surface of suitable substrates can be readily devised by those skilled in the art with reference to this specification. The supported fluorosulfonic acid catalyst is prepared by coextrusion of a fluorosulfonyl fluoride precursor resin and a polyethylene resin. Coextrusion can be accomplished by conventional techniques, in which the fluorosulfonyl fluoride resin is extruded from a die simultaneously with the melt extrusion of the polyethylene resin. The polyethylene resin is then formed into fibers or wires by extrusion and directed onto which is coated a thin film of molten fluorosulfonyl fluoride resin. The extruded composite is quenched and
By cutting to the desired size, the fluorosulfonyl fluoride membrane is converted to the fluorosulfonic acid catalyst to the desired depth. A typical supported catalyst is a polyethylene resin and a fluorosulfonyl fluoride resin coextruded at a temperature of about 250 to 350°C to coat polyethylene fibers about 5 mils (0.13 mm) in diameter. and a membrane of sulfonyl fluoride resin approximately 0.5 mil (0.013 mm) thick. The extruded compact is cut into lengths of approximately 0.25 inches (6.4 mm) and the fluorosulfonyl fluoride film is converted to a fluorosulfonic acid resin to a depth of approximately 0.35 mils (0.0088 mm). As another example, a supported fluorosulfonic acid catalyst is prepared by melt depositing a coating of sulfonyl fluoride resin onto a nominal 0.5 inch (13 mm) Monel metal tube for a heat exchanger. Melt deposition can be carried out using conventional melt extrusion equipment, in which a metal tube is passed through a die and the molten fluorosulfonyl fluoride polymer is pressed into the tube. The coated metal tubes can be formed into tube banks using conventional techniques for uncoated tubes, and the tube examples can be assembled into a shell and tube heat exchanger. The sulfonyl fluoride coating can be converted to sulfonic acid to the desired depth. Typically, the fluorosulfonyl fluoride resin is extruded at a temperature of about 250-350°C to form a continuous coating on the exterior surface of the metal tube. The film thickness of the fluorosulfonyl fluoride resin is about 0.5 mil (0.013 mm), and the film can be converted to a sulfonic acid catalyst to a depth of about 0.25 mil (0.0063 mm).

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 不透過性の固体基体と、 この基体を被覆する、スルホン酸基に変換し得
るスルホニルフルオライド基またはスルホン酸の
第四級アンモニウム塩もしくはスルホニウム塩基
の側鎖を有する可融性固体パーフルオロカーボン
重合体の厚み0.1〜10ミル(0.0025〜0.25mm)の薄
膜とから実質的になり、 この重合体薄膜は、表層が、スルホン酸基側鎖
を有する不溶性でかつ不融性の固体パーフルオロ
カーボン重合体に変換されており、重合体薄膜の
変換されていない部分が、前記酸性重合体を基体
に接着している、固体重合体酸触媒複合体。 2 前記薄膜は厚みが0.1〜2ミル(0.0025〜
0.051mm)で、反応剤と接触するのに適合し、か
つ前記基体が反応熱を除去するために薄膜の被覆
の反対側で冷却材と接触するのに適合した熱交換
器部材であつて、制御された条件の下で強く発熱
する反応を行なうのに適合した、特許請求の範囲
第1項記載の固体重合体酸触媒複合体。 3 前記薄膜が分子量50000〜100000を有する、
特許請求の範囲第1項記載の触媒。 4 前記担持する基体が触媒作用を有しない固体
重合体である、特許請求の範囲第1項記載の固体
重合体酸触媒。 5 前記担持する基体が金属または無機質の固体
基体である、特許請求の範囲第1項記載の固体重
合体酸触媒。 6 前記担持する基体が伝熱性金属である、特許
請求の範囲第1項記載の固体重合体酸触媒。 7 側鎖スルホン酸基を有するパーフルオロカー
ボン重合体からなる、担持された不融性かつ実質
的に不溶性の触媒を調製する方法であつて、 第1に、スルホン酸基に変換しうる側鎖スルホ
ニルフルオライド基を有する中間体パーフルオロ
カーボン重合体の厚み0.1〜10ミル(0.0025〜0.25
mm)の薄膜で固体の基体を被覆し、 第2に、前記被覆中の前記中間体の前記側鎖基
の表層のみをスルホン酸基に変換し、これによつ
て、変換されていない重合体で前記担持する基体
に接着された前記不融性かつ実質的に不溶性の酸
重合体触媒からなる複合体をうる工程を含む、固
体重合体酸触媒複合体の製法。 8 側鎖スルホニルフルオライド基を有する可融
性のパーフルオロカーボン重合体の融解沈着によ
つて前記被覆を形成する、特許請求の範囲第7項
記載の製法。 9 前記パーフルオロスルホニルフルオライド重
合体を前記基体上に押出して、厚み0.1〜2.0ミル
(0.0025〜0.051mm)の被覆を形成する、特許請求
の範囲第7項記載の製法。 10 前記中間体重合体を金属表面の上に薄膜と
して押出し、または被覆することによつて成形す
る、特許請求の範囲第7項記載の製法。 11 側鎖スルホン酸基を有するパーフルオロカ
ーボン重合体からなる、担持された不融性かつ実
質的に不溶性の触媒を調製する方法であつて、 第1に、当量が少なくとも1000、分子量が少な
くとも25000である、側鎖スルホン酸基を有する
パーフルオロカーボン重合体に対応する、側鎖ス
ルホン酸の第四級アンモニウムまたはホスホニウ
ム塩を有する中間体パーフルオロカーボン重合体
の厚み0.1〜10ミル(0.0025〜0.25mm)の薄膜で固
体の基体を被覆し、 第2に、前記被覆中の前記側鎖スルホン酸塩の
一部をスルホン酸基に変換し、これによつて、ス
ルホン酸の第四級アンモニウムまたはホスホニウ
ム塩を有する変換されていない中間体重合体で、
前記担持する基体に接着された前記スルホン酸重
合体触媒の実質的に不溶性の複合体をうる工程を
含む、固体重合体酸触媒複合体の製法。 12 側鎖スルホン酸の第四級アンモニウムまた
はホスホニウム塩を有する、可融性のパーフルオ
ロカーボン重合体の融解沈着によつて前記被覆を
形成する、特許請求の範囲第11項記載の製法。
[Scope of Claims] 1. An impermeable solid substrate, which is coated with a sulfonyl fluoride group convertible to a sulfonic acid group, or a quaternary ammonium salt of sulfonic acid or a side chain of a sulfonium base. consisting essentially of a 0.1 to 10 mil (0.0025 to 0.25 mm) thick film of a fusible solid perfluorocarbon polymer, the polymer film having a surface layer having side chains of sulfonic acid groups that is insoluble and infusible. a solid perfluorocarbon polymer, the unconverted portion of the polymer film adhering said acidic polymer to a substrate. 2 The thin film has a thickness of 0.1 to 2 mils (0.0025 to
0.051 mm) and adapted to contact the reactant and for the substrate to contact a coolant on the opposite side of the thin film coating to remove the heat of reaction, A solid polymeric acid catalyst composite according to claim 1, adapted to carry out strongly exothermic reactions under controlled conditions. 3. The thin film has a molecular weight of 50,000 to 100,000.
A catalyst according to claim 1. 4. The solid polymeric acid catalyst according to claim 1, wherein the supporting substrate is a solid polymer having no catalytic action. 5. The solid polymeric acid catalyst according to claim 1, wherein the supporting substrate is a metal or inorganic solid substrate. 6. The solid polymeric acid catalyst according to claim 1, wherein the supporting substrate is a heat conductive metal. 7 A method for preparing a supported infusible and substantially insoluble catalyst comprising a perfluorocarbon polymer having a side chain sulfonic acid group, the method comprising: first a side chain sulfonyl group convertible to a sulfonic acid group; Thickness of intermediate perfluorocarbon polymer with fluoride groups 0.1 to 10 mils (0.0025 to 0.25
secondly, converting only the surface layer of the side groups of the intermediate in the coating into sulfonic acid groups, thereby converting the unconverted polymer into sulfonic acid groups; obtaining a composite comprising the infusible and substantially insoluble acid polymer catalyst adhered to the supporting substrate. 8. The method of claim 7, wherein the coating is formed by melt deposition of a fusible perfluorocarbon polymer having pendant sulfonyl fluoride groups. 9. The method of claim 7, wherein the perfluorosulfonyl fluoride polymer is extruded onto the substrate to form a coating having a thickness of 0.1 to 2.0 mils (0.0025 to 0.051 mm). 10. The manufacturing method according to claim 7, wherein the intermediate polymer is formed by extruding or coating it as a thin film on a metal surface. 11. A method for preparing a supported infusible and substantially insoluble catalyst comprising a perfluorocarbon polymer having side chain sulfonic acid groups, comprising: first an equivalent weight of at least 1000 and a molecular weight of at least 25000; The intermediate perfluorocarbon polymer having a quaternary ammonium or phosphonium salt of a side chain sulfonic acid has a thickness of 0.1 to 10 mils (0.0025 to 0.25 mm), corresponding to a perfluorocarbon polymer having a side chain sulfonic acid group. coating a solid substrate with a thin film; second, converting some of the side chain sulfonate salts in the coating to sulfonic acid groups, thereby converting the quaternary ammonium or phosphonium salt of the sulfonic acid to an unconverted intermediate polymer having
A method of making a solid polymeric acid catalyst composite comprising the step of providing a substantially insoluble composite of said sulfonic acid polymeric catalyst adhered to said supporting substrate. 12. The method of claim 11, wherein the coating is formed by melt deposition of a fusible perfluorocarbon polymer having a quaternary ammonium or phosphonium salt of a pendant sulfonic acid.
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