KR102405564B1 - 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법 및 제조 장치 - Google Patents

불소 함유 유기 화합물의 제조 방법 및 제조 장치 Download PDF

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Abstract

불소 가스를 사용하는 직접 불소화 반응에 있어서 부반응의 발생을 즉시에 검출하는 것이 가능하고, 고순도의 불소 함유 유기 화합물을 고수율로 제조할 수 있는 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법을 제공한다. 수소 원자를 갖는 탄소수 2개 이상의 원료 유기 화합물을 함유하는 원료액(1)과 불소 가스를 반응 용기(11)내에서 반응시켜 원료 유기 화합물의 수소 원자를 불소 원자로 치환하여 불소 함유 유기 화합물을 생성시키는 것에 있어서, 반응 용기(11)내의 기상 부분(2)에 포함되는 테트라플루오로메탄을 연속적으로 측정하고, 테트라플루오로메탄의 측정치에 따라 불소 가스의 반응 용기(11)로의 공급량을 제어한다.

Description

불소 함유 유기 화합물의 제조 방법 및 제조 장치
본 발명은 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
유기 화합물에 불소 가스를 반응시킴으로써, 유기 화합물이 갖는 수소 원자를 불소 원자로 치환하여 불소 함유 유기 화합물을 생성하는 직접 불소화 반응이 알려져 있다. 이 직접 불소화 반응은 큰 반응열이 발생하는 발열 반응이기 때문에, 반응장의 온도가 높게 되어 부반응이 발생하기 쉽다. 부반응이 발생하면, 목적물인 불소 함유 유기 화합물의 수율이나 순도가 저하할 우려가 있다.
예를 들면, 특허문헌 1에는 다공질의 관형상 반응 용기를 사용해서 직접 불소화 반응을 행함으로써, 부반응을 억제하여 높은 수율로 목적물을 얻는 방법이 개시되어 있다. 또한 특허문헌 2에는 직접 불소화 반응을 이용하면서도, 분리 곤란한 불순물의 생성을 억제하면서 고순도의 옥타플루오로프로판을 얻는 방법이 개시되어 있다.
미국특허 제4377715호 명세서 일본국특허공개 공보 2002년 제69014호
그러나, 불소 가스의 반응성은 격렬하기 때문에, 직접 불소화 반응에 있어서 부반응을 완전하게 막는 것은 용이하지 않았다. 또한, 유리는 불소 가스에 대한 내식성이 불충분하기 때문에, 직접 불소화 반응의 반응 용기의 재질로서 유리 등의 투명한 재질을 사용할 수 없어 통상은 불투명한 금속이 사용된다. 그 때문에 반응 용기의 내부를 육안으로 감시할 수 없으므로, 부반응의 발생을 즉시에 발견하는 것이 곤란하여 불순물의 생성을 충분하게 억제하는 것은 용이하지 않았다.
반응 중의 반응 용기로부터 반응액을 추출하여 분석해서 부반응의 발생을 검출하는 것은 가능하지만, 불소 가스의 반응성은 매우 높아 부반응이 한순간에 시작되어버리는 경우도 있으므로 반응액을 때때로 추출해서 분석하는 방법에서는 부반응의 발생을 즉시에 검출하는 것은 곤란했다.
본 발명은 불소 가스를 사용하는 직접 불소화 반응에 있어서 부반응의 발생을 즉시에 검출하는 것이 가능하여, 고순도의 불소 함유 유기 화합물을 고수율로 제조할 수 있는 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법 및 제조 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 일형태는 이하의 [1]∼[9]와 같다.
[1] 수소 원자를 갖는 탄소수 2개 이상의 원료 유기 화합물을 함유하는 원료액과 불소 가스를 반응 용기내에서 반응시켜 상기 원료 유기 화합물의 상기 수소 원자를 불소 원자로 치환하여 불소 함유 유기 화합물을 생성시키는 것에 있어서, 상기 반응 용기내의 기상 부분에 포함되는 테트라플루오로메탄을 연속적으로 측정하고, 상기 테트라플루오로메탄의 측정치에 따라 상기 불소 가스의 상기 반응 용기로의 공급량을 제어하는 것을 포함하는 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
[2] 상기 반응 용기내의 기상 부분을 적외 분광 광도계로 도입해서 상기 테트라플루오로메탄을 측정하는 [1]에 기재된 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
[3] 상기 적외 분광 광도계로, 파수 798cm-1, 1240cm-1, 1290cm-1, 1540cm-1 및 2200cm-1 근방의 피크를 측정하는 [2]에 기재된 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
[4] 상기 적외 분광 광도계로 측정한 파수 1290cm-1 근방의 피크 강도가 미리 정한 강도를 초과한 경우에 상기 불소 가스의 공급량을 저하시키거나 또는 상기 불소 가스의 공급을 정지하는 [2]에 기재된 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
[5] 상기 불소 함유 유기 화합물은 상기 원료 유기 화합물이 갖는 수소 원자의 모두가 불소 원자로 치환된 화학 구조를 갖는 [1]∼[4] 중 어느 한 항에 기재된 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
[6] 상기 원료 유기 화합물이 1,2,3,4-테트라클로로부탄이고, 상기 불소 함유 유기 화합물이 1,2,3,4-테트라클로로-1,1,2,3,4,4-헥사플루오로부탄인 [1]∼[4] 중 어느 한 항에 기재된 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
[7] 수소 원자를 갖는 탄소수 2개 이상의 원료 유기 화합물을 함유하는 원료액과 불소 가스를 반응시켜 상기 원료 유기 화합물의 상기 수소 원자를 불소 원자로 치환해서 불소 함유 유기 화합물을 생성시키는 반응 용기와, 상기 반응 용기내의 기상 부분을 적외 분광 광도계로 도입하는 배관을 구비하는 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치.
[8] 상기 불소 함유 유기 화합물은 상기 원료 유기 화합물이 갖는 수소 원자의 모두가 불소 원자로 치환된 화학 구조를 갖는 [7]에 기재된 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치.
[9] 상기 원료 유기 화합물이 1,2,3,4-테트라클로로부탄이고, 상기 불소 함유 유기 화합물이 1,2,3,4-테트라클로로-1,1,2,3,4,4-헥사플루오로부탄인 [7]에 기재된 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치.
본 발명에 의하면, 불소 가스를 사용하는 직접 불소화 반응에 있어서 부반응의 발생을 즉시에 검출하는 것이 가능하여 고순도의 불소 함유 유기 화합물을 고수율로 제조할 수 있다.
도 1은 본발명에 따른 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치의 일실시형태의 구성을 설명하는 모식도이다.
도 2는 기상 부분의 적외 분광 분석 결과를 설명하는 차트도이다.
본 발명의 일실시형태에 대해서 이하에 설명한다. 또한, 본 실시형태는 본 발명의 일예를 나타낸 것이고, 본 발명은 본 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 실시형태에는 여러가지 변경 또는 개량을 가하는 것이 가능하고, 그와 같은 변경 또는 개량을 가한 형태도 본 발명에 포함될 수 있다.
본 실시형태에 따른 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법은 수소 원자를 갖는 탄소수 2개 이상의 원료 유기 화합물을 함유하는 원료액과 불소 가스(F2)를 반응 용기내에서 반응시켜 원료 유기 화합물의 수소 원자를 불소 원자로 치환하여 불소 함유 유기 화합물을 생성시키는 것에 있어서, 반응 용기내의 기상 부분에 포함되는 테트라플루오로메탄(CF4)을 연속적으로 측정하고, 테트라플루오로메탄의 측정치에 따라 불소 가스의 반응 용기로의 공급량을 제어하는 것을 포함한다.
이러한 구성이면, 불소 가스를 사용하는 직접 불소화 반응에 있어서 발생하는 부반응의 생성물인 테트라플루오로메탄을 생성 직후에 검출할 수 있으므로, 직접 불소화 반응의 부반응의 발생을 즉시에 검출하는 것이 가능하다. 따라서, 본 실시형태에 따른 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법에 의하면, 부반응의 발생을 억제해서 불순물의 생성을 충분하게 억제할 수 있으므로, 반도체 산업 분야, 의농약품 분야, 민생용 분야 등에 있어서 널리 사용되고 있는 불소 함유 유기 화합물을 고순도이면서 고수율로 제조할 수 있다. 또한, 반응 용기의 재질이 불투명하고 반응 용기의 내부를 육안으로 감시할 수 없어도, 직접 불소화 반응의 부반응의 발생을 즉시에 검출하는 것이 가능하다.
상기한 바와 같은 본 실시형태에 따른 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법을 실시하는 장치로서는 예를 들면, 도 1에 나타내는 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치가 열거된다. 도 1의 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치는 수소 원자를 갖는 탄소수 2개 이상의 원료 유기 화합물을 함유하는 원료액(1)과 불소 가스를 반응시켜 원료 유기 화합물의 수소 원자를 불소 원자로 치환하여 불소 함유 유기 화합물을 생성시키는 반응 용기(11)와, 불소 가스를 반응 용기(11)내로 도입하는 불소 가스 도입용 배관(21)과, 반응 용기(11)내의 기상 부분(2)을 적외 분광 광도계(13)로 도입하는 배기 가스용 배관(25)을 구비한다.
반응 용기(11)는 예를 들면, 스테인레스 강 등의 금속으로 형성되어 있고, 원료액(1)이 수용된다. 불소 가스 도입용 배관(21)의 도중에는 희석 가스용 배관(23)이 접속되어 있고, 희석 가스용 배관(23)으로부터 불소 가스 도입용 배관(21)으로 희석 가스를 도입하고, 불소 가스 도입용 배관(21)내에서 불소 가스와 희석 가스를 혼합하여 불소 가스를 희석 가스로 희석한 혼합 가스로 할 수 있도록 되어 있다.
불소 가스 도입용 배관(21)의 선단(하류측 단부)의 취입구는 반응 용기(11)의 내부의 하방측 부분에 배치되어 있고, 불소 가스 또는 혼합 가스를 반응 용기(11)의 내부의 하방측 부분에 공급할 수 있게 되어 있다.
또한, 배기 가스용 배관(25)의 상류측 단부는 반응 용기(11)의 상방측 부분에 접속되고, 하류측 단부는 적외 분광 광도계(13)의 가스셀에 접속되어 있고, 반응 용기(11)내의 기상 부분(2)을 적외 분광 광도계(13)의 가스셀에 도입할 수 있게 되어 있다.
여기서, 본 발명에 있어서의 부반응이란 불소 가스와의 반응에 의한 원료 유기 화합물의 「연소」를 의미한다. 일반적으로 연소란 유기 화합물이 산소와 발열하면서 연속적으로 반응하여 이산화탄소와 물로 변화되는 것을 의미하지만, 불소 가스와의 반응에 의한 원료 유기 화합물의 「연소」란 산소의 경우와 같이, 원료 유기 화합물이 불소 가스와 발열하면서 연속적으로 반응하는 것을 의미한다.
이 불소 가스에 의한 「연소」에 있어서는 격렬한 반응과 그 발열 때문에, 원료 유기 화합물의 탄소-탄소 결합마저 절단된다. 즉, 본 발명에 있어서의 부반응이란 원료 유기 화합물과 불소 가스의 반응에 의해 불소 함유 유기 화합물을 제조할 때에 종종 발생하는, 불소 가스에 의한 「연소」에 의해, 원료 유기 화합물의 탄소-탄소 결합의 절단을 포함하는 반응이 발생하는 것을 의미한다.
불소 가스에 의한 「연소」가 발생하는 메커니즘은 다음과 같이 설명된다. 즉, 불소 가스와 원료 유기 화합물의 반응의 반응열에 의해, 원료 유기 화합물을 함유하는 원료액으로 불소 가스를 취입하는 취입구의 온도가 서서히 상승한다. 반응열을 제거할 수 있으면 반응은 정상으로 진행하지만, 국소적인 고온 부분이 발생한 경우에는 이 고온 부분이 일정한 온도 이상이 되면, 불소 가스에 의한 「연소」가 시작된다.
「연소」는 한번 시작되면, 불소 가스의 공급을 정지하지 않는 한 계속되므로「연소」를 정지시키기 위해서는 불소 가스의 취입구에서의 반응열의 발생을 정지시킬 필요가 있다. 즉, 불소 가스의 공급을 정지함으로써, 「연소」를 정지시킬 수 있다. 「연소」를 정지시킬 수 있으면, 원료 유기 화합물이 「연소」에 의해 손실되는 것을 억제할 수 있다. 이와 같이, 「연소」를 감시하고, 그 발생을 제어함으로써, 목적물인 불소 함유 유기 화합물의 순도 및 수율을 높일 수 있다.
「연소」가 발생하면, 불화 수소 등의 여러가지 불소 화합물이 생성된다. 본 발명에서는 이들 여러가지 불소 화합물 중의 테트라플루오로메탄에 착안했다. 그리고, 테트라플루오로메탄의 생성을 연속적으로 관측하고, 테트라플루오로메탄의 측정치에 따라 불소 가스의 공급량을 제어한다. 예를 들면, 테트라플루오로메탄의 생성이 확인되면, 즉시 불소 가스의 공급량을 저하시키거나 또는 불소 가스의 공급을 정지한다고 하는 제어를 행한다. 이러한 제어를 행함으로써, 「연소」에 의한 원료 유기 화합물의 손실을 간편하게 억제할 수 있다. 즉, 반응 조건을 제어하면서 테트라플루오로메탄이 생성되지 않고 있는 것을 확인하면서 반응을 행하면, 「연소」를 억제하고, 목적물인 불소 함유 유기 화합물을 고순도이면서 고수율로 제조할 수 있다.
본 실시형태에 있어서의 직접 불소화 반응은 액상에서 행해진다. 따라서, 원료 유기 화합물을 함유하는 원료액은 직접 불소화 반응을 행하는 반응 조건 하에서 액상일 필요가 있다. 원료 유기 화합물이, 직접 불소화 반응을 행하는 반응 조건 하에서 액상인 경우에는 원료 유기 화합물을 그대로 원료액으로서 사용해도 되고, 불소 가스와 격렬하게 반응하는 일이 없는 용매(예를 들면, 퍼플루오로카본, 4염화탄소, 1,2,3,4-테트라클로로-1,1,2,3,4,4-헥사플루오로부탄)에 원료 유기 화합물을 용해한 원료 유기 화합물 용액을 원료액으로서 사용해도 된다. 원료 유기 화합물이 직접 불소화 반응을 행하는 반응 조건 하에서 고체 또는 기체인 경우에는 불소 가스와 격렬하게 반응하는 경우가 없는 용매에 원료 유기 화합물을 용해시킨 원료 유기 화합물 용액을 원료액으로서 사용한다.
원료 유기 화합물은 그 구조 중에 수소 원자를 하나 이상 갖는다. 이 수소 원자는 불소 가스와의 반응에 의해 치환되기 때문에, 원료 유기 화합물은 불소 함유 유기 화합물로 변환된다. 수소 원자가 불소 원자로 치환되는 반응에 따라서 큰 열량이 발생하므로, 「연소」의 제어가 중요하게 된다.
또한, 원료 유기 화합물은 탄소수 2개 이상의 유기 화합물이다. 탄소수가 1개인 경우에는 불소 가스와의 반응에 의해 생성되는 목적 생성물과, 본 실시형태에 있어서의 직접 불소화 반응에서 감시 대상이 되는 테트라플루오로메탄과의 구별이 되지 않게 되기 때문에, 탄소수는 2개 이상일 필요가 있다.
원료 유기 화합물의 종류는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 헥산, 헵탄, 옥탄 등의 지방족 탄화수소나, 에탄올, 프로판올, 부탄올 등의 알콜이나, 아세톤 등의 케톤이나, 아세트산 에틸, 아세트산 부틸 등의 에스테르나, 디에틸에테르, 테트라히드로푸란 등의 저분자 에테르나, 폴리에틸렌글리콜로 대표되는 폴리에테르가 열거된다.
또한, 원료 유기 화합물로서는 예를 들면, 디메틸술피드 등의 술피드나, 아세트산, 아디프산 등의 카르복실산이나, 1,2-디클로로에탄, 1,2,3,4-테트라클로로부탄 등의 할로겐화 알킬이나, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 메시틸렌, 시멘, 플루오렌, 카르바졸, 티오펜, 피롤, 푸란, 피리딘, 트리아진, 벤조페논, 살리실산, 살리실산메틸, 아세틸살리실산, 벤조산 메틸, 벤조산, 아니솔, 페닐술피드, 1,2-디클로로벤젠 등의 방향족 화합물이 열거된다.
상기에 예시한 원료 유기 화합물은 여러가지 치환기로 치환되어도, 본 실시형태에 따른 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법에 있어서 원료 유기 화합물로서 사용할 수 있다.
원료 유기 화합물의 불소화에 의해 얻어지는 불소 함유 유기 화합물의 종류는 특별하게 한정되는 것은 아니고, 예를 들면 원료 유기 화합물이 갖는 수소 원자 중 일부가 불소 원자로 치환된 화학 구조를 갖는 불소 함유 유기 화합물이어도 되고, 원료 유기 화합물이 갖는 수소 원자의 모두가 불소 원자로 치환된 화학 구조를 갖는 불소 함유 유기 화합물이어도 된다.
본 실시형태에 따른 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법에 있어서 사용되는 불소 가스는 가스봄베로부터 공급된 것이어도 되고, 불화 수소의 전기 분해 등에 의해 온사이트에서 발생시킨 것이이어도 된다. 또한, 불소 가스는 불화 수소를 함유하고 있어도 된다.
본 실시형태에 따른 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법에 있어서 사용되는 반응 용기(11)의 재질로서는 불소 가스와 격렬한 반응을 일으키지 않는 것이 사용된다. 예를 들면, SUS 316L 등의 스테인레스 강이나, 모넬(등록상표) 등의 니켈 동합금이 열거된다.
통상, 본 실시형태에 있어서의 직접 불소화 반응은 온도 -30℃ 이상 180℃ 이하, 압력 0.01MPa 이상 1.0MPa 이하에서 행할 수 있다. 테트라플루오로메탄의 비점은 약 -128℃이므로, 본 실시형태에 있어서의 직접 불소화 반응의 반응 조건 하에서는 과도한 저온 고압이 되지 않는 한, 테트라플루오로메탄은 기체이어서 반응액 중에 잔류하는 경우는 없다.
본 실시형태에 따른 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법에서는 테트라플루오로메탄을 측정함으로써, 불소 가스에 의한 「연소」의 발생을 감시한다. 반응 중에 「연소」가 일어나면, 테트라플루오로메탄이 생성되는 경우가 있다. 그리고, 생성된 테트라플루오로메탄은 반응액 중으로부터 반응 용기(11) 내의 기상 부분(2)으로 이동하므로, 테트라플루오로메탄의 측정은 이 기상 부분(2)을 분석함으로써 행해진다.
기상 부분(2)에 포함되는 테트라플루오로메탄을 측정하는 분석 장치는 특별하게 한정되는 것은 아니고, 적외 분광 광도계, 가스크로마토그래피, 액체 크로마토그래피, 핵자기 공명 장치, 질량 분석 장치 등이 열거된다.
이들의 분석 장치 중 적외 분광 광도계는 배관 등을 통해서 반응 용기(11)내의 기상 부분(2)을 가스셀에 도입해서 상시 유통하도록 해두면, 테트라플루오로메탄을 연속적으로 측정하는 것이 가능하기 때문에, 보다 바람직하다. 예를 들면, 테트라플루오로메탄을 0.1초 간격, 1초 간격 또는 수초 간격으로 측정하는 것도 가능하다.
적외 분광 광도계를 이용하여 테트라플루오로메탄을 측정하는 경우에는 얻어진 차트의 파수 798cm-1, 1240cm-1, 1290cm-1, 1540cm-1, 2200cm-1 근방의 피크를 감시하면 되고, 보다 바람직하게는 파수 1240cm-1, 1290cm-1 근방의 피크, 더욱 바람직하게는 파수 1290cm-1 근방의 피크이다. 그렇게 하면, 테트라플루오로메탄의 감시를 방해하는 파장을 갖는 부생물도 없기 때문에, 이상한 「연소」를 확실하게 검출할 수 있다.
기상 부분(2)에 포함되는 테트라플루오로메탄을 적외 분광 광도계로 연속적으로 측정하고, 예를 들면 파수 1290cm-1 근방의 피크 강도가 미리 정한 강도를 초과하면, 원료 유기 화합물의 탄소-탄소 결합의 절단을 포함하는 부반응이 발생하고 있는 것을 의미하므로, 반응액으로의 불소 가스의 공급량을 저하하거나 또는 불소 가스의 공급을 정지한다. 예를 들면, 파수 1290cm-1 근방의 피크 강도가, 미리 정한 강도를 초과하면, 불소 가스를 공급하는 배관에 설치된 전자 밸브에 자동적으로 신호가 보내져서, 전자 밸브가 자동적으로 폐쇄되도록 설정해 두면, 부반응이 발생한 직후에 반응액으로의 불소 가스의 공급을 정지할 수 있다. 그리고, 예를 들면, 파수 1290cm-1 근방의 피크 강도가 미리 정한 강도를 하회하면, 반응액으로의 불소 가스의 공급량을 증가시키거나 또는 불소 가스의 공급을 재개할 수 있다.
원료 유기 화합물과 반응시키는 불소 가스는 배관 등을 통해서 불소 가스를 반응 용기(11)내의 원료액에 취입함으로써 반응계 내로 공급할 수 있다. 불소 가스는 불소 가스만으로 이루어져 있어도 되고, 불소 가스를 희석 가스로 희석한 혼합 가스이어도 된다. 희석에 사용하는 희석 가스로서는 질소 가스, 아르곤 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다.
본 실시형태에 있어서 사용되는 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치는 기상 부분(2)을 반응 용기(11)로부터 배출할 수 있는 구조를 갖는 것이 바람직하다. 예를 들면, 반응 용기(11)가 관형상이고 원료액이 관형상의 반응 용기(11)의 일단으로부터 타단을 향해서 흐르도록 되어 있고, 반응 용기(11)의 일단으로부터 반응 용기(11)내로 불소 가스를 취입하는 노즐을 갖고, 기상 부분(2)을 반응 용기(11)의 외부로 배출 가능한 구조로 되어 있는 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치를 사용할 수 있다. 또한, 예를 들면 반응 용기(11)의 저부로부터 내부로 불소 가스를 취입하는 노즐을 갖고, 기상 부분(2)을 반응 용기(11)의 외부로 배출 가능한 구조로 되어 있는 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치를 사용할 수 있다.
불소 함유 유기 화합물의 제조 장치가 상기와 같은 구조를 갖고 있으면, 기상 부분(2)을 반응 용기(11)로부터 배출할 수 있으므로, 희석 가스나 잉여의 불소 가스는 반응 용기(11)로부터 배출되도록 되어 있다. 그리고, 「연소」가 발생한 경우에는 희석 가스나 잉여의 불소 가스와 함께 테트라플루오로메탄이 반응 용기(11)로부터 배출된다. 이 배기 가스 중의 테트라플루오로메탄을 측정하도록 하면, 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치의 구조를 간략화하는 것이 가능하다.
원료 유기 화합물과 불소 가스의 반응 조건은 원료 유기 화합물의 종류에 의해 적당하게 선택된다. 즉, 원료 유기 화합물의 종류에 의해, 반응 온도, 반응 압력, 혼합 가스 중의 불소 가스의 농도, 불소 가스의 공급 속도 등이 결정된다. 이들 반응 조건은 「연소」가 억제되도록 제어되는 것이 바람직하다.
실시예
이하에 실시예 및 비교예를 나타내고, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
[실시예 1]
우선, 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치의 구성에 관하여 설명한다. 불소함유 유기 화합물의 제조 장치는 도 1에 나타내는 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치와 동일한 구성을 갖고 있고, 용량 1L의 스테인레스강 제작의 반응 용기를 구비하고 있고, 반응 용기에는 6매의 플랫 터빈을 갖는 교반기(도 1의 제조 장치에 있어서는 부호 31을 붙인 것이 교반기이다)와, 불소 가스 도입용의 배관과, 배기 가스용의 배관이 설치되어 있다.
불소 가스 도입용의 배관은 질소 가스로 희석된 불소 가스를 반응 용기의 내부의 하방측 부분에 공급할 수 있게 되어 있다. 또한, 배기 가스용의 배관은 반응 용기의 상부와 적외 분광 광도계의 가스셀을 연결하고 있어, 반응 용기내의 기상 부분을 적외 분광 광도계의 가스셀로 도입할 수 있게 되어 있다. 또한, 배기 가스용의 배관의 적외 분광 광도계보다 상류측에는 조압 밸브가 설치되어 있어 반응 용기 내의 압력을 제어할 수 있게 되어 있다.
다음에 상기의 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치를 이용하여 불소 함유 유기 화합물을 제조하는 방법에 대해서, 불소 가스와 1,2,3,4-테트라클로로부탄(이하 「TCB」라고 기재한다)을 반응시켜서 1,2,3,4-테트라클로로-1,1,2,3,4,4-헥사플루오로부탄(이하 「HFTCB」라고 기재한다)을 제조하는 방법을 예로 해서 설명한다.
반응 용기에 TCB 60g과 HFTCB 540g을 가해서 혼합하고, 원료액으로 했다. 여기서, TCB는 원료 유기 화합물에 상당하고, HFTCB는 용매에 상당한다. 교반기를 이용하여 원료액을 회전 속도 360min-1으로 교반하면서, 원료액 중에 불소 가스를 취입해서 반응을 행했다. 반응 중은 반응 용기 내의 기상 부분을 적외 분광 광도계의 가스셀로 도입하고, 기상 부분의 적외 분광 분석을 연속적으로 행했다.
반응 중의 원료액의 온도는 70℃, 반응 용기내의 압력은 0.45MPa로 했다. 또한, 반응 용기 내로 도입하는 불소 가스는 질소 가스와 불소 가스의 혼합 가스이고, 혼합 가스 중의 불소 가스 농도는 40체적%로 했다. 또한, 혼합 가스의 유량은 400NmL/min(0℃, 0.1MPa 환산)으로 했다.
원료액 중에 혼합 가스를 취입 개시부터 5분 정도 동안은 적외 분광 분석의 결과에 이상은 보이지 않았다. 즉, 적외 분광 분석의 결과, 도 2의 (a)에 나타내는 차트가 얻어지고, 파수 1290cm-1의 피크가 확인되는 경우는 없었다(즉, 테트라플루오로메탄은 검출되지 않았다).
그런데, 원료액 중에 혼합 가스를 취입 개시부터 5분 20초 후에, 적외 분광 분석의 결과에 이상이 보였다. 즉, 적외 분광 분석의 결과, 도 2의 (b)에 나타내는 차트가 얻어지고, 파수 1290cm-1의 피크가 확인되었다(즉, 테트라플루오로메탄이 검출되었다).
그래서, 반응을 즉시 정지시키기 위해서, 혼합 가스의 공급을 정지했다. 반응을 정지시킨 상태에서 적외 분광 분석을 계속하고, 적외 분광 분석의 결과가 도 2의 (a)에 나타내는 이상이 없는 차트로 되돌아온 것을 확인한 후에, 다시 혼합 가스를 공급해서 반응을 재개했다.
그 후는 적외 분광 분석의 결과가 이상이 없는 차트를 계속해서 나타냈으므로, 합계 5시간 반응을 행하고, 혼합 가스를 합계 48L(0℃, 0.1MPa 환산) 흘린 정도에서 반응을 정지했다. 질소 가스를 이용하여 반응액을 잠시 퍼지하여 반응액에 용존하고 있는 가스를 방출한 후에, 반응액의 질량을 측정한 바, 반응전의 질량으로부터 30g의 증가가 보여서 반응액의 손실이 없는 것을 확인했다.
얻어진 반응액을 분석하고, 반응액 중에 함유되어 있는 화합물의 동정과 정량을 행했다. 그 결과, 반응액 중에는 HFTCB이 함유되어 있고, 얻어진 HFTCB의 수율은 TCB을 기준으로서 69%이었다. 또한, 동정과 정량의 방법은 이하와 같다. 즉, 얻어진 반응액의 질량을 측정한 후, 반응액의 일부를 가스크로마토그래피에 의해 분석하고, 반응액 중의 HFTCB 농도(질량%)를 측정함으로써 동정과 정량을 행했다.
HFTCB의 수율의 산출식은 이하와 같다.
수율=(HFTCB의 증가 몰량)/(TCB의 초기 투입 몰량)=(64.2g/304)/ (60.0g/196)=0.69
[비교예 1]
불소 함유 유기 화합물의 제조 장치가 적외 분광 광도계를 구비하고 있지 않고, 기상 부분의 적외 분광 분석을 행하지 않는 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 반응을 행했다. 혼합 가스의 공급을 정지시키지 않고 반응을 5시간 계속한 후에, 반응을 정지시키기 위해서 혼합 가스의 공급을 정지했다. 질소 가스를 이용하여 반응액을 잠시 퍼지해서 반응액에 용존하고 있는 가스를 방출한 후에, 반응액의 질량을 측정한 바, 반응 전보다 80g 감소하고 있었다. 이것은 원료 유기 화합물인 TCB나 용매로서 사용한 HFTCB가 불소 가스와 이상 반응(예를 들면, 탄소-탄소결합의 절단)을 일으켜 테트라플루오로메탄 등의 저비점 물질이 생성된 것이라고 추정된다.
이것은 불소 가스에 의한 원료 유기 화합물 TCB의 「연소」의 결과, 탄소수 1∼4개의 여러가지 불소 화합물이 생성되고, 그들이 가스화되어 반응액으로부터 추출되었기 때문에, 반응액의 질량이 감소된 것이라 생각된다. 원료액 중에 혼합 가스를 취입 개시부터 5분 20초 후에서는 이상한 반응이 일어나고 있었음에도 불구하고, 그대로 반응을 속행했기 때문에 이상한 결과가 되었다고 생각된다.
[참고예]
반응 용기 내의 압력이 0.15MPa인 점과, 혼합 가스 중의 불소 가스 농도가 20체적%인 점을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 하여 반응을 행했다. 반응을 10시간 행하고, 혼합 가스를 합계 48L(0℃, 0.1MPa 환산) 흘린 정도에서 반응을 정지했다. 반응 중은 TCB와 불소 가스의 반응에 의해 목적물인 HFTCB가 생성되는 반응이 정상으로 진행되었다. 즉, 반응 중은 반응 용기내의 기상 부분을 적외 분광 광도계의 가스셀로 도입하여 기상 부분의 적외 분광 분석을 연속적으로 행했지만, 공급하는 불소 가스의 유량이 작기 때문에, 파수 1290cm-1의 피크가 확인되는 경우는 없었다(즉, 테트라플루오로메탄은 검출되지 않았다). 그리고, 얻어진 HFTCB의 수율은 TCB를 기준으로서 70%이었다.
[실시예 2]
실시예 1과 동일한 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치를 이용하여 불소 함유 유기 화합물을 제조하는 방법에 대해서, 헥사에틸렌글리콜에스테르에 불소 가스를 반응시켜서 불소화하는 방법을 예로 하여 설명한다.
반응 용기에, 헥사에틸렌글리콜의 양 말단을 에스테르로 보호한 헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로벤젠에스테르 5g과, HFTCB 1200g을 가해서 혼합하여 원료액으로 했다. 여기서, 헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로벤젠에스테르는 원료 유기 화합물에 상당하고, HFTCB는 용매에 상당한다. 또한, 헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로벤젠에스테르의 구조식은 이하에 나타내는 바와 같다.
Figure 112020051245362-pct00001
교반기를 이용하여 원료액을 회전 속도 360min-1로 교반하면서, 원료액 중에 불소 가스를 취입하여 반응을 행했다. 반응 중은 반응 용기내의 기상 부분을 적외 분광 광도계의 가스셀로 도입하여 기상 부분의 적외 분광 분석을 연속적으로 행했다.
반응 중의 원료액의 온도는 10℃, 반응 용기내의 압력은 0.2MPa로 했다. 또한, 반응 용기내로 도입하는 불소 가스는 질소 가스와 불소 가스의 혼합 가스이고, 혼합 가스 중의 불소 가스 농도는 20체적%로 했다. 또한, 혼합 가스의 유량은 500NmL/min(0℃, 0.1MPa 환산)으로 했다.
원료액 중으로 혼합 가스를 취입 개시부터 8분 30초 후에 적외 분광 분석의 결과에 이상이 보였다. 즉, 적외 분광 분석의 결과, 파수 1290cm-1의 피크가 확인되었다(즉, 테트라플루오로메탄이 검출되었다). 그래서, 반응을 즉각 정지하기 위해서, 혼합 가스의 공급을 정지했다.
반응을 정지한 상태에서 적외 분광 분석을 계속하고, 적외 분광 분석의 결과가 도 2의 (a)에 나타낸 것과 같은 이상이 없는 차트로 되돌아온 것을 확인한 후에, 다시 혼합 가스를 공급해서 반응을 재개했다. 그 후는 적외 분광 분석의 결과가 이상이 없는 차트를 계속해서 나타냈으므로, 합계 3시간 반응을 행했다. 질소 가스를 이용하여 반응액을 잠시 퍼지하여 반응액에 용존하고 있는 가스를 방출한 후에, 반응액의 질량을 측정한 바, 4g의 증가가 보여 반응액의 손실이 없는 것을 확인했다.
얻어진 반응액을 분석하고, 반응액 중에 함유되어 있는 화합물의 동정와 정량을 행했다. 그 결과, 반응액 중에는 헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로벤젠에스테르의 불소화물이 함유되어 있고, 얻어진 불소화물의 수율은 헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로벤젠에스테르를 기준으로서 70%이었다.
얻어진 상기 불소화물의 수율의 산출식은 이하와 같다.
수율=(헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로벤젠에스테르의 불소화물의 증가 몰량)/(헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로벤젠에스테르의 초기 투입 몰량)=(6.8g/1214.19)/(5.0g/626.40)=0.70
또한, 헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로벤젠에스테르의 불소화물(헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로시클로헥산에스테르)의 구조식은 이하에 나타내는 바와 같다.
Figure 112020051245362-pct00002
[비교예 2]
불소 함유 유기 화합물의 제조 장치가 적외 분광 광도계를 구비하고 있지 않고, 기상 부분의 적외 분광 분석을 행하지 않는 점을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 반응을 행했다. 혼합 가스의 공급을 정지시키지 않고 반응을 1시간 계속한 후에, 반응을 정지시키기 위해서 혼합 가스의 공급을 정지했다. 질소 가스를 이용하여 반응액을 잠시 퍼지하여 반응액에 용존하고 있는 가스를 방출한 후에, 반응액의 질량을 측정한 바, 반응 전보다 17g 감소하고 있었다. 이것은 원료 유기 화합물인 헥사에틸렌글리콜-디퍼플루오로벤젠에스테르나 용매로서 사용한 HFTCB가 불소 가스와 이상 반응(예를 들면, 탄소-탄소 결합의 절단)을 일으켜 테트라플루오로메탄 등의 저비점 물질이 생성된 것으로 추정된다.
[실시예 3]
실시예 1과 같은 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치를 이용하여 불소 함유 유기 화합물을 제조하는 방법에 대해서, 1,5-펜탄 2산 디메틸에스테르에 불소 가스를 반응시켜서 불소화하는 방법을 예로 해서 설명한다.
반응 용기에, 1,5-펜탄 2산 디메틸에스테르 10.30g과, HFTCB 900g을 더해서 혼합하고, 원료액으로 했다. 여기에, 1,5-펜탄 2산 디메틸에스테르는 원료 유기 화합물에 상당하고, HFTCB는 용매에 상당한다.
교반기를 이용하여 원료액을 회전 속도 370min-1로 교반하면서, 원료액 중에 불소 가스를 취입하여 반응을 행했다. 반응 중은 반응 용기내의 기상 부분을 적외 분광 광도계의 가스셀로 도입하여 기상 부분의 적외 분광 분석을 연속적으로 행했다.
반응 중의 원료액의 온도는 0℃, 반응 용기내의 압력은 0.15MPa로 했다. 또한, 반응 용기내에 도입하는 불소 가스는 질소 가스와 불소 가스의 혼합 가스이고, 혼합 가스 중의 불소 가스 농도는 20체적%로 했다. 또한, 혼합 가스의 유량은 300NmL/min(0℃, 0.1MPa 환산)으로 했다.
원료액 중에 혼합 가스를 취입 개시부터 2분 후에 적외 분광 분석의 결과에 이상이 보였다. 즉, 적외 분광 분석의 결과, 파수 1290cm-1의 피크가 확인되었다(즉, 테트라플루오로메탄이 검출되었다). 그래서, 반응을 즉시 정지시키기 위해서, 혼합 가스의 공급을 정지했다.
반응을 정지한 상태에서 적외 분광 분석을 계속하고, 적외 분광 분석의 결과가, 도 2의 (a)에 나타내는 이상이 없는 차트로 되돌아온 것을 확인한 후에, 다시 혼합 가스를 공급해서 반응을 재개했다. 그 후는 적외 분광 분석의 결과가 이상이 없는 차트를 계속해서 나타냈으므로, 합계 6시간 반응을 행했다. 질소 가스를 이용하여 반응액을 잠시 퍼지하여 반응액에 용존하고 있는 가스를 방출한 후에, 반응액의 질량을 측정한 바, 10g의 증가가 보여서 반응액의 손실이 없는 것을 확인했다.
얻어진 반응액을 분석하고, 반응액 중에 함유되어 있는 화합물의 동정과 정량을 행했다. 그 결과, 반응액 중에는 1,5-펜탄 2산 디메틸에스테르의 불소화물이 함유되어 있고, 얻어진 불소화물의 수율은 1,5-펜탄 2산 디메틸에스테르를 기준으로서 75%이었다.
얻어진 상기 불화물의 수율의 산출식은 이하와 같다.
수율=(1,5-펜탄 2산 디메틸에스테르의 불소화물의 증가 몰량)/(1,5-펜탄 2산 디메틸에스테르의 초기 투입 몰량)=(18.14g/376.05)/(10.30g/160.17)=0.75
[비교예 3]
불소 함유 유기 화합물의 제조 장치가 적외 분광 광도계를 구비하고 있지 않고, 기상 부분의 적외 분광 분석을 행하지 않는 점을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 반응을 행했다. 혼합 가스의 공급을 정지시키지 않고 반응을 30분 계속한 후에, 반응을 정지시키기 위해서 혼합 가스의 공급을 정지했다. 질소 가스를 이용하여 반응액을 잠시 퍼지하여 반응액에 용존하고 있는 가스를 방출한 후에, 반응액의 질량을 측정한 바, 반응 전보다 10g 감소하고 있었다. 이것은 원료 유기 화합물인 1,5-펜탄 2산 디메틸에스테르나 용매로서 사용한 HFTCB가 불소 가스와 이상 반응(예를 들면, 탄소-탄소 결합의 절단)을 일으켜 테트라플루오로메탄 등의 저비점 물질이 생성된 것으로 추정된다.
1 원료액
2 기상 부분
11 반응 용기
13 적외 분광 광도계
31 교반기

Claims (9)

  1. 수소 원자를 갖는 탄소수 2개 이상의 원료 유기 화합물을 함유하는 원료액과 불소 가스를 반응 용기내에서 반응시켜 상기 원료 유기 화합물의 상기 수소 원자를 불소 원자로 치환하여 불소 함유 유기 화합물을 생성시키는 것에 있어서, 상기 반응 용기내의 기상 부분에 포함되는 테트라플루오로메탄을 연속적으로 측정하고, 상기 테트라플루오로메탄의 측정치에 따라 상기 불소 가스의 상기 반응 용기로의 공급량을 제어하는 것을 포함하는 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응 용기내의 기상 부분을 적외 분광 광도계로 도입하여 상기 테트라플루오로메탄을 측정하는 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적외 분광 광도계로, 파수 798cm-1, 1240cm-1, 1290cm-1, 1540cm-1 및 2200cm-1 근방의 피크를 측정하는 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 적외 분광 광도계로 측정한 파수 1290cm-1 근방의 피크 강도가 미리 규정된 강도를 초과한 경우에, 상기 불소 가스의 공급량을 저하시키거나 또는 상기 불소 가스의 공급을 정지하는 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불소 함유 유기 화합물은 상기 원료 유기 화합물이 갖는 수소 원자의 모두가 불소 원자로 치환된 화학 구조를 갖는 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 유기 화합물이 1,2,3,4-테트라클로로부탄이고, 상기 불소 함유 유기 화합물이 1,2,3,4-테트라클로로-1,1,2,3,4,4-헥사플루오로부탄인 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법.
  7. 제1항에 기재된 불소 함유 유기 화합물의 제조방법에 의해 불소 함유 유기 화합물을 제조하는 제조 장치로서,
    수소 원자를 갖는 탄소수 2개 이상의 원료 유기 화합물을 함유하는 원료액과 불소 가스를 반응시켜 상기 원료 유기 화합물의 상기 수소 원자를 불소 원자로 치환하여 불소 함유 유기 화합물을 생성시키는 반응 용기와, 상기 반응 용기내의 기상 부분을 적외 분광 광도계로 도입하는 배관을 구비하는 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 불소 함유 유기 화합물은 상기 원료 유기 화합물이 갖는 수소 원자의 모두가 불소 원자로 치환된 화학 구조를 갖는 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 원료 유기 화합물이 1,2,3,4-테트라클로로부탄이고, 상기 불소 함유 유기 화합물이 1,2,3,4-테트라클로로-1,1,2,3,4,4-헥사플루오로부탄인 불소 함유 유기 화합물의 제조 장치.
KR1020207014563A 2017-12-12 2018-11-07 불소 함유 유기 화합물의 제조 방법 및 제조 장치 KR102405564B1 (ko)

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