KR20000029759A - 치환디플루오로메틸기의그라프트화공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 치환 디플루오로메틸기를 하나 이상의 친전자 기를 가지는 화합물에 그라프트화 시키는 것으로 하기의 단계를 포함하는 공정에 관한 것이다:

i) 하나 이상의 친전자기를 가지는 상기의 화합물을 하기를 포함하는 친핵제 존재 하에 위치시키는 것

a) 화학식 Ea-CF₂-COOH 의 플루오로카르복시산으로 Ea는 전자흡인성 원자 또는 기로서 최소한 부분적으로 유기 또는 무기 양이온으로 염화된 것, 그리고

b) 극성 비양자성 용매; 이후에

ii) 반응 매질을 마이크로파 작용에 노출시키는 것.

본 방법은 특히 설핀 또는 플루오린-함유 설폰산을 제조하는데 사용된다.

Description

치환 디플루오로메틸기의 그라프트화 공정{METHOD FOR GRAFTING A SUBSTITUTED DIFLUOROMETHYL GROUP}

퍼플루오로알킬화 기술, 또는 해당 기술은 아연 존재 하에 퍼플루오로알킬 요오드 형 유도체를 통상 사용한다. 이러한 기술은 고가이면서 동시에, 아연이 수로에 중대한 공해원이기 때문에 처리되어야하는 금속 폐기물의 처리 공장이 요구된다.

다른 기술로, 퍼플루오로알킬 라디칼이 유기 금속형의 안정화된 반응 중간체를 형성하지 않는 것들은 반응 매질 내에서 퍼플루오로 음이온의 매우 낮은 안정성 때문에 통상 실시가 곤란하다. 이러한 음이온은 반응 시에 통상 그들의 치환체하나를 상실하는 카빈 (carbene) 형 생성물을 생산한다.

유기 합성에서 촉매 또는 중간체로 사용되는 퍼할로알칸설폰산의 특수한 경우와 특히 트리플루오로메탄설폰산의 경우에는, 트리플루오로메탄설폰산 제조의 최초 공정으로 전기 화학 플루오르화가 특히 문헌 내에 기술되어 알려져있다 (R.D. Howels and J.D. McCown, Chemical Reviews, 1977, 77, 69).

현재로는, 트리플루오로메탄설핀산의 제조 공정이 EP-165,135로 출판된 유럽 특허에 또한 공지되어있다. 이는 이산화황 존재 하에 아연, 알루미늄, 망간, 카드뮴, 마그네슘, 주석 및 철, 또는 니켈과 코발트까지도 포함하는 군에서 선택한 금속을 극성 비양자성 용매에 위치시킨 후, 트리플루오로메틸 할라이드를 10⁵Pa 이상의 압력 하에 첨가하는 것을 포함한다. 이러한 공정은 트리플루오로메탄설피네이트 형의 생성물을 양호한 수득률로 제공한다. 그러나, 수득한 설피네이트는 과량의 아연 염을 포함하는 매질 내에 존재한다. 설피네이트와 다른 아연 염을 분리하는 것이 산업적 수준에서 해결되어야할 문제이다. 또한, 이러한 기술 및 프랑스 특허로 출원 번호 제 2,593,808 호에 기재된 것은 퍼플루오로알킬 브로마이드의 사용이 요구되는데, 이는 대기층에 특히 유독한 것으로 그의 온실 효과와 오존에 대해 알려진 유독 효과가 알려져있다.

따라서, 본 발명의 목적의 하나는, 아연과 같은 전이금속의 유기 금속 시약의 사용 없이 탄소음이온과 관련된 메커니즘 유형에 따른 퍼플루오로알킬화를 가능하게 하는 시약을 제공하는 것으로, 저 비용을 유지하면서도 동시에 일례로, 트리플루오로메틸 브로마이드보다는 환경에 덜 유독한 물질을 사용하는 것이다.

퍼플루오로알킬 라디칼, 보다 일반적으로는 트리플루오로메틸 라디칼의 공급원으로 퍼플루오로카르복시산이 사용되었는데, 이는 상기 산에서 카르복시 단편을 제거하기 위한 분해와, 이후 이산화탄소를 유리시키는 것에 의해 실시된다. 그러나, 수득된 결과물은 지극히 혼합되어있고, 특히 복잡한 촉매 시스템을 사용하고 있다. 상기의 퍼플루오로카르복시산의 분해에 의해 생성된 퍼플루오로알킬 라디칼 또는 그의 동등물은 반응 매질 내에서 더욱 불안정하며 안정화제의 사용이 요구된다.

본 발명은 치환 디플루오로메틸기를 하나 이상의 전자 친화기를 가지는 화합물 상에 그라프트화 하는 공정에 관한 것으로 이는 디플루오로- 또는 트리플루오로메탄설핀산과 -설폰산 및 그의 염 제조에 특히 유용하다.

본 발명은 유기 금속 유도체에 의해 통상적으로 수행되는 친핵치환 반응 또는 첨가 반응에 의한 다른 화합물들의 퍼플루오로알킬화 기술과 특히 더 관련된다.

본 발명은 기존 공정의 단점을 우회하기 위해 환경 유독성이 없고 만족할 수율로 목적 화합물을 생산할 수 있는 시약을 제공하는 것이다.

본 발명의 연구 과정 중에, 촉매나 다양한 퍼플루오로카르복시산의 분해과정에 생성되는 것으로 추측되는 다양한 중간체를 안정화시키는 시료의 존재 없이도 극성 비양자성 용매와 마이크로파 작용 하에 작업함으로써, 플루오로카르복시산으로 플루오로알킬화 반응이 가능함이 알려졌다.

이하에서 명백화될 상기 기술 목적과 기타는, 치환 디플루오로메틸기를 하나 이상의 친전자기를 가지는 화합물에 그라프트화 시키는 발명의 공정에 따라 완성되며 이는 하기의 단계를 포함한다:

i) 하나 이상의 친전자기를 가지는 상기의 화합물을 하기를 포함하는 친핵제 존재 하에 위치시키는 것

a) 화학식 Ea-CF₂-COOH 의 플루오로카르복시산으로, Ea는 전자흡인성 원자 또는 기로서 적어도 부분적으로 유기 또는 무기 양이온으로 염화된 것, 그리고

b) 극성 비양자성 용매; 이후에

ii) 반응 매질을 마이크로파 작용에 노출시키는 것.

본 발명 시약과 반응 가능한 친전자기는 일반적으로 유기금속 시약과 반응하며, 이하에서 상세히 기술한다.

본 발명의 가장 중요한 요소는 시약과 관계된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 용매가 중요한 역할을 수행하며, 반드시 비양자성이고, 유리하게는 극성이고, 하기한 바와 같이 바람직하게는 산성 수소가 포함된 극소량의 불순물을 함유한다.

따라서 상당한 쌍극자 모멘트를 가지기 위해 극성 비양자성 용매를 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 이의 상대적 유전자 상수 e 는 유리하게는 약 5 이상이다 (본 발명의 위치 0 (zero) 는 특별히 언급되지 않는 한 유효 숫자로 고려되지 않는다). 바람직하게는, e 가 50 이하이고 5 이상이다.

본 발명의 용매는 또한 양이온을 잘 용매화하는 것이 바람직하며, 이들 용매의 공여 지수 D로 코드화될 수 있다. 따라서 이들 용매의 공여 지수 D는 10 내지 30 인 것이 바람직하다. 상기의 공여 지수는 상기 극성 비양자성 용매와 안티몬 펜타클로라이드 조합에 대해서는, 킬로칼로리로 표현되는 DH (열 차이; heat difference)에 해당한다.

본 발명에 따르면, 시약을 위해서는 사용하는 극성 용매(들)에 산성 수소가 없는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 특히, 전자흡인성기 존재에 의해 용매(들) 극성이 수득되면, 전자흡인성기에 대해 알파 수소가 존재하지 않는 것이 바람직하다.

보다 일반적으로는, 용매의 일차 산성도에 해당하는 pKa 가 약 20 이상("약" 은 첫째 숫자만이 유효함을 나타낸다), 유리하게는 약 25 이상, 바람직하게는 25 내지 35이다.

상기 플루오로카르복시산 또는 산의 염은 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전하게, 시약을 구성하는 매질 내에서 가용인 것이 바람직하다.

양호한 결과를 제공하는 용매로는, 특히, 아미드형 용매이다. 또한 포함되는 아미드로는 특수한 성질을 가지는 아미드로, 일례로 4-치환 우레아와 단일 치환 락탐이다. 바람직하게 아미드는 치환될 수 있다 (보통 아미드의 경우는 2-치환). 일례로, N-메틸피롤리딘, 또는 선택적으로는 N,N-디메틸포름아미드 또는 N,N-디메틸락탐아미드와 같은 피롤리딘 유도체를 들 수 있다.

기타 특히 유리한 용매의 부류로는 에테르를 포함하는데, 이는 대칭 또는 비대칭일 수 있고 개환 또는 폐환일 수 있다. 에테르의 부류는 다양한 글라임, 예를 들어 디글라임과 같은 글리콜 에테르의 다양한 유도체를 포함하여야만 한다.

또한 플루오로카르복시산의 분해는 시스템 내에 불안정한 수소, 보다 정확하게는 유리성 양성자의 양이 플루오로카르복시산 염의 분해에 의해 유리되는 플루오로기의 양 미만일 때 특히 효과적으로 수행된다. "불안정성 수소" 및 "유리성 양성자"라는 용어는 강염기에 의해 양성자 형태로 제거되는 수소 원자를 의미한다. 실제에서는, 이는 산성기의 양성자로 pKa가 약 20 미만인 것이다 ("약"이라는 단어는 숫자 20이 하나의 유효숫자만을 가짐을 강조하는 것이다).

바람직하게는, 불순물을 포함하는 시약의 다양한 성분에 내재된 유리성 양성자의 양은 상기 플루오로카르복시산의 초기 몰 농도의 절반 이하인 것이다.

시약 내의 유리성 양성자의 양이 작을수록, 부반응의 위험이 낮고 수득률이 높아진다.

따라서, 바람직하게 시약 내에, 불안정성 수소 원자의 양이 상기 플루오로카르복시산의 초기 양에 대해 10% 이하, 바람직하게는 1% 이하 (몰 기준으로)인 것이다.

유리성 수소 원자를 가지는 주요 불순물은 일반적으로 물이며, 분자당 두 개까지의 수소 원자를 유리할 수 있다.

일반적으로, 완전하게 건조된 시약과 용매를 사용하는 것이 바람직하며, 반응 매질 내의 물 중량이 1000 당 1 이하, 유리하게는 10,000 당 5 이하, 바람직하게는 10,000 당 1 이하이다. 그러나, 본 발명의 연구 과정 중에, 수율을 최대화하기 위해서는 물의 양이 0으로 떨어지지 않도록 하는 것이 현명한 것으로 밝혀졌다. 특히, 물의 양이 약 10ppm (질량으로) 이상이고, 유리하게는 약 50ppm 이상, 바람직하게는 약 100ppm 이상인 것이 바람직하다. 플루오로카르복시산 농도에 관해서는, 물의 양이 약 5000ppm 이하, 유리하게는 1000 당 1 이하, 바람직하게는 10,000 당 5 이하이다. 또한 물의 양이 0으로 떨어지지 않도록 하는 것이 현명한 것이다; 특히 물의 양 (몰 기준으로)은 플루오로카르복시산 농도에 대하여 약 50ppm 이상이고, 유리하게는 약 200 ppm 이상인 것이 바람직하다.

또한 다른 원소로, 즉, 구리 또는 유로피움과 같은 특히 안정한 2-가 (two-valency) 상태의 전이 원소는 본 발명에 대해 유해성이 없지 않거나 유해 (안정한 가를 가지는 구리와 란타나이드의 경우에 특히) 할 수 있다.

본 발명에 따르는 시약은 촉매를 불필요로 하나, 특히 용매 내에 도입된 불순물로써 금속 원소 등이 존재할 수 있다.

따라서, 이러한 원소들의 몰 양은 상기의 플루오로카르복시산 초기 농도에 대하여 1000ppm 미만, 유리하게는 100 ppm 미만, 바람직하게는 10 ppm 미만이다.

나아가, 특정 기질과 특정 유형의 반응을 촉진하기 위해서, 퍼플루오로아세트산과 원소 주기율표 제 VIII족의 원소를 사용할 것을 수 차 권장해 왔으나, 상기 목적 반응에는 특히 유해한 것으로 증명되었다. 이에 따라, 특히 백금, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 로듐 및 루테늄으로 구성된 일군인 백금 광 광물의 어떠한 제 VIII족 금속도 포함하지 않는 시약을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명의 상세한 설명에서는, 원소 주기율표가 공표된 프랑스 화학회 잡지 (bulletin of French Chemical Society, No.1, 1996)의 보충을 참고로 삼는다.

따라서, 백금 광 광물의 양 또는 제 VIII족 금속의 양은 100 ppm 미만, 유리하게는 10 ppm 미만, 바람직하게는 1 ppm 미만인 것이 바람직하다. 이들 수치는 초기 플루오로카르복시산 초기 값에 대한 것으로 몰 기준으로 표시한 것이다.

보다 일반적이며 실험적인 방법으로 즉 전이 원소로 특히 안정한 2-가의 원소와, VIII 족의 원소 두 부류의 금속이 전체 농도로 1000 몰 ppm 이하, 바람직하게는 10 몰 ppm 이하로 시약 내에 존재해야한다.

이러한 전체 농도 수준에서 존재하는 다양한 금속은 지극히 미량이며, 이러한 관점에서 촉매의 역할을 수행하는 것은 아니다. 금속의 존재로 반응 키네틱스가 개선되는 것은 아니며, 과량으로 존재 시에는 오히려 유해하기도 하다.

상기 시약의 조성 외의, 플루오로카르복실레이트를 사용하는 시약 시스템에서 통상 존재하는 알칼리 금속 플루오라이드 또는 4차 암모늄 플루오라이드의 사용은, 유해하지는 않으나, 가치가 없는 것으로 판명되었는데, 이는 특히 처리하기 어려운 염 유출물을 생산하는 사실 때문이다. 따라서, 그들의 양, 특히 초기 양을 제한하는 것이 바람직하다. 따라서, 즉, 시약을 위한 극성화 매질 내에서 이온화할 수 있는 이온성으로 명명된 플루오라이드의 양을 상기 플루오로카르복시산 염의 초기 몰 농도 이하로, 유리하게는 그 절반으로, 바람직하게는 그 농도의 1/4인 것이 바람직하다.

본 발명 시약 성분 a)의 플루오로카르복시산에서 디플루오로 탄소 원소 상에 전자흡인성을 가지는 Ea 종은 햄밋 상수 (Hammett constant) Sp 가 0.1 이상인 작용기들 중에서 선택된다. 또한 Sp의 유도 성분 Si가 0.2 이상, 유리하게는 0.3 이상인 것이 바람직하다. 이러한 관점에서, 마치의 책 중 242-250 페이지 중에서 특히 표 4를 참고할 수 있다 (March, "Advanced Organic Chemistry", 3rd Ed. John Wiley and Son).

보다 바람직하게는, 전자흡인종은 할로겐 원자, 바람직하게는 가벼운 할로겐으로, 특히 염소와 불소에서 선택할 수 있다. 해당하는 플루오로카르복시산은 화학식 (1)의 할로플루오로아세트산이다.

X-CF₂-COOH (1)

(X는 할로겐 원자, 유리하게는 가벼운 할로겐이다 (염소 또는 불소))

Ea는 또한 니트릴, 카르보닐, 설포닉 및 퍼플루오로알킬기에서 유리하게 선택할 수 있다. 사용될 수 있는 이러한 유형의 플루오로카르복시산은 화학식 (2)이다.

R-G-CF₂-COOH (2)

(R-G는 니트릴기를 나타내거나 G는 ＞C=O 또는 ＞S=O, 또는 -(CF₂)_n- 으로 n은 1 이상이며, R은 유기 또는 무기 잔기, 바람직하게는 아릴, 알킬, 또는 아릴알킬로 임의 치환될 수 있는 유기 라디칼을 나타내는 것이다)

R은 또한 수지와 같은 무기 또는 유기 고체 지지체일 수 있다.

G가 퍼플루오로알킬렌기 -(CF₂)_n- 을 나타낼 때, n은 유리하게는 1 내지 10 이며, 바람직하게는 1 내지 5 이다. 이러한 경우에는, 다시, R은 또한 할로겐 원자로 특히 불소를 나타낼 수 있다.

일반적으로, 플루오로카르복시산이 중합체인 경우를 제외하고는 플루오로카르복시산 내의 총 탄소 원자 수는 유리하게는 50을 넘지 않는다.

상기의 플루오로카르복시산과 염을 형성 할 수 있는 상대-양이온은 유리하게는 벌키 (bulky)한 것이다. 따라서 알칼리 금속염이 바람직한데, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 프란슘에서 선택된 알칼리 금속이 유리하다. 바람직하게는, 상기 금속은 최소한 나트륨, 유리하게는 칼륨과 같은 정도의 주기 내에서 선택된다. 4-차 암모늄염도 또한 바람직하다. 동일 주기로는, 알칼리토금속이 알칼리 금속과 유사한 결과를 도모한다.

또한 일례로 4-차 암모늄 또는 4-차 포스포늄 양이온과 같은 자연적으로 벌키한 양이온, 또는 일례로 킬레이트화제의 첨가 또는 바람직하게는 크라운 에테르 또는 아민화 또는 산소화된 유도체와 같은 크립턴드 (cryptand)의 첨가로 벌키화된 양이온을 사용하는 것이 반응에 유리하다.

알칼리 금속, 특히 칼륨의 트리플루오로아세테이트, 퍼플루오로프로피네이트 및 퍼플루오로부티레이트와 같은 퍼플루오로카르복시산 염을 유리하게 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 시약은 탄소 원자 또는 헤테로 원자로 일례로써 황, 셀레늄 또는 텔루리움과 같은 전자흡인 원자를 지닌 전자흡인 화합물과 반응한다. 이는 유리하게 방향족 시스템에 속하지 않는 전자흡인성 탄소 원자상의 탄화수소-기재 화합물과 반응한다.

본 발명의 첫 양태에 따르면, 시약은 바람직하게는 전자흡인성 화합물과 반응하는데, 유리하게는 원자, 특히 할로겐 원자 또는 일단계로 치환 가능한 슈도 (pseudo)-할로겐기에 연결된 전자흡인성 헤테로 원자 포함 화합물이다.

SN2 반응과 비교하여, 본 반응은 다중 결합 또는 이중 결합에 첨가되어 연유된 반응 중간체를 통할 때, 보다 잘 진행된다.

전자흡인성 원자가 황 원자일 때, 하기와의 반응을 언급할 수 있다:

- 유기황 화합물의 할로 또는 슈도-할로 유도체로 특히 설페닐, 설피닐, 또는 설포닐 할라이드로, 할로겐 원자 또는 슈도-할로겐 기가 반응 중에 치환된 디플루오로메틸기와 치환되는 것;

- 디설파이드, 일례로 임의로 치환된 아릴 디설파이드로 S-S 결합이 절단되고 치환된 디플루오로메틸기와 치환된 것; 적당한 디설파이드는 특히, C₃-C₁₀아릴 디설파이드, 임의 치환된 C₁-C₁₀알킬, C₁-C₁₀알콕시 또는 니트로기 또는 하나 이상의 할로겐 원자;

- 이산화황과 같은 산화황;

- 시아노기가 반응 중에 치환된 디플루오로메틸기와 치환된 티오시아네이트-형 화합물; 바람직한 티오시아네이트는 알킬아릴 티오시아네이트를 포함하는 C₃-C₁₀아릴티오시아네이트 및, 아릴알킬티오시아네이트를 포함하는 C₁-C₁₀알킬티오시아네이트.

상기 화합물 중, 할로겐 원자는 요오드, 브롬, 염소 및 불소에서 선택될 수 있다. "슈도-할로겐" 기는 이탈 시에 이온 형태이며, pKa 가 4 미만, 바람직하게는 3 미만, 특히 0 미만인 관련 산을 가진다.

바람직한 기는 관련 산의 산성이 (Hammett 상수로 측정) 아세트산이상이고, 유리하게는 설폰산 또는 트리할로산 이상인 것이다. 일반적인 슈도-할로겐의 하나는 퍼플루오로알칸설포닐옥시기로 퍼플루오로알칸설포네이트를 유리하는 것이다. 바람직한 슈도-할로겐 기는 토실레이트 (p-톨루엔설포닐옥시), 메실레이트 (메틸설포닐옥시), 트리플루오로메틸설포닐옥시 및 트리플루오로아세톡시기에서 선택된 것이다. 아세테이트기 역시 그러한 이탈기로 고려될 수 있다.

이러한 기 중에는, 트리플루오로아세틸옥시와 같은 퍼플루오로알카노일옥시기가 퍼플루오로알킬기 (처음 기가 트리플루오로아세틸옥시기일때는 트리플루오로메틸)을 그라프트하는데 매우 유리하다. 일례로, 트리플루오로아세틸옥시기의 치환은 자체에서 시약을 재생하며, 트리플루오로메틸기의 공급원으로 반응할 수 있는 트리플루오로아세트산 또는 그의 염 중의 하나를 매질 내로 유리한다.

다른 면으로는, 시약은 또한 카르보닐기에 첨가를 수행하는 케톤, 알데히드, 할라이드산 또는 활성화 에스테르와 같은 카르보닐 화합물에서 선택된 화합물과 유리하게 반응할 수 있다.

방향족 알데히드의 바람직하나 비제한적인 예는, 바람직하게는 C₅-C₁₀으로서, 방향족환이 임의로 C₁-C₁₀알킬, C₁-C₁₀알콕시 또는 니트로기 또는 할로겐 원자로 치환된 것; 시클로헥사논과 같은 고리형 케톤; 트리플루오로메틸아세토페논과 같은, 공여기에 의해 활성화되는 엔올화 불가능한 케톤; 벤조익 무수물과 같은 방향족 무수물이다.

이 경우에는, 반응 생성물은 일반적으로 알코올 (예로써, 알콕시드 형태)로서 히드록시기를 가지는 탄소원자가 치환된 디플루오로메틸기로 치환된 것이다. 이 생성물은 임의로 시약과 반응하거나 또는 반응 조건에 따라 출발 물질과 반응할 수 있다.

일반적으로, 본 발명 공정 중에 사용하는 시약의 양은 전자흡인성 화합물의 작용도에 따르는 방식으로 결정된다.

플루오로카르복시산 분자당 전자흡인성기의 비율은 일반적으로 1 내지 10, 유리하게는 약 2이다.

플루오로카르복시산의 분해에 의해 수득한 생성물은 반응 가능기를 함유한 경우 스스로와 반응할 수 있음을 주목해야한다.

전자흡인성기를 포함하는 화합물로 액체 형태인 것은 비양자성이면 본 발명에 따른 용매로 사용할 수 있다. 본 발명의 반응은 따라서 다음에 의해 유리하게 수행되어진다.

a) 상기 플루오로카르복시산 염을,

b) 하나 이상의 전자흡인성기를 가지며, 용매 및 반응 기질 모두로 작용하는 화합물과 접촉시키는 것.

본 발명에 따른 시약을 하나 이상의 전자흡인성기를 가지는 기질과 사용하는 중에, 기질이 상기 조건에 대해 최소한만의 가능한 장애를 끼치는 것이 중요하다.

따라서 충분히 건조된 기질, 또는 강염기에 의해 제거될 수 있는 산성 수소 또는 유독 불순물을 포함하지 않는 것을 사용하는 것이 중요하며, 즉 일반적으로, 시약에 대해 기술된 것과 동일한 조건을 만족하는 기질이다.

본 발명의 일면은 산화황, 특히 이산화황으로부터 유기 옥시설파이드 및 플루오로 유도체를 제조하는 공정의 응용에 특히 관련된다. 이는 특히 플루오로설핀산 또는 플루오로설폰산의 생산을 가능하게 한다.

본 발명의 연구 과정에서는, 극성 비양자성 용매 및 마이크로파의 작용 하에 작업함으로써, 촉매나 다양한 퍼플루오로카르복시산의 분해 중에 수득되는 것으로 생각되는 각종 중간체의 안정화제 없이, 만족한 전환 수율과 선택도 및 매우 높은 키네틱으로 플루오로카르복시산에서 생성된 산화황 플루오로알킬 라디칼에 그라프트 가능함을 예시하였다.

특수한 경우에로 바람직하게는, 상기 초기 플루오로카르복시산과 산화황, 바람직하게는 이산화황의 상대적인 양의 비율이 플루오로카르복시산 분자에 대한 황원자로 1 내지 10, 유리하게는 약 2 이다.

상기의 산화물이 이산화황이면, 단계 a)에서 수득되는 혼합물은 평형의 두 개 상으로 구성될 수 있으며, 따라서 상기 용매 내에 용해된 상기 산과 이산화황의 최소한 일부가, 이산화황을 함유하는 기체상과 평형인 액체 상을 포함하는 것이다.

이산화황의 경우는 시약을 가열하여 수득한 생성물이 설핀산 또는 설핀산 염으로 상대이온이 출발 플루오로카르복시산 염의 상대이온인 것이다.

설핀산에서 해당하는 설폰산으로 진행시키려면, 정제된 반응 생성물 또는 반응 생성물을 산화시키는데 이는 곧, 수성 과산화수소수 또는 차아염소산 나트륨을 사용하는 것이다. 본 발명에 적용될 수 있는, 트리플루오로메틸설피네이트를 정제하고, 설포네이트로 산화하는 공정은 유럽 특허 출원 공고 제 EP-A-0,396,458 에 개시되어 있다. 수득한 설핀산 또는 설폰산은 산성 매질 내에서 해당하는 자유산으로 전환 될 수 있다. 염 또는 자유 산인 반응 생성물은 쉽게 분리되어 연속적인 유기 합성 단계에 사용될 수 있다. 따라서, 일례로, 플루오로설핀산에서 시작하여, 해당하는 설피닐 클로라이드를 수득할 수 있다. 본 발명의 두 번째 중요한 요소는 전자흡인성 화합물을 마이크로파의 작용 하에서 시약과 반응시키는 것으로 구성된다.

반응 매질을 마이크로파의 작용 하에 노출시키는 것은 매질 내의 온도에 비교되는 매질의 활성화를 가능하게한다. 이러한 활성화는 주목할만한 반응 키네틱의 활성화를 제공하는 것으로 알려져있다. 공급하는 전력에 따라서, 반응 시간은 특히 30 초에서 1 시간, 특히 1 내지 30 분의 영역이다.

마이크로파의 작용 하에 노출시키는 동안 반응 매질의 온도를 결정하는 것은 곤란하다. 그러나, 마이크로파의 작용 전에 반응 매질의 온도를 측정하는 것은 가능하며 유리하게는 매질의 시작 동결점과 110 ℃ 사이이다.

마이크로파에 노출된 지역에서 나오는 반응 매질의 온도를 150 ℃ 이하, 유리하게는 130 ℃ 이하, 바람직하게는 120 ℃ 이하가 유지되도록, 마이크로파에 노출시키는 반응 매질은 냉각 장치 내에서 또한 순환시킬 수 있다.

반응 매질을 마이크로파에 노출시키는 것은 1 watt/초/반응 질량 ㎏ 이상, 바람직하게는 5 watt/초/㎏ 이상의 에너지를 매질에 대해 방사하는 것이 유리하다.

주입물이 파손될 수 있는 것이면, 방사 에너지를 약 100 watt/초/㎏ 이하, 유리하게는 약 50 watt/초/㎏ 이하, 바람직하게는 20 watt/초/㎏ 이하일 것이 권장된다.

사용할 수 있는 마이크로파의 진동수는 약 100 MHz 내지 약 10 GHz, 유리하게는 약 300 MHz 내지 약 3 GHz 이다. 사용될 수 있는 마이크로파의 파장은 일반적으로 공기 중에서 10 cm 내지 1 m 이다.

마이크로파는 유리하게는 기간 동안, 5 watt/초/플루오로카르복시산 몰 이상으로써, 바람직하게는 약 20 watt/초/몰 이상이다.

주입물이 파손될 수 있는 것이면, 방사 에너지를 약 1000 watt/초/플루오로카르복시산 몰 이하, 유리하게는 약 500 watt/초/플루오로카르복시산 몰 이하, 바람직하게는 약 200 watt/초/플루오로카르복시산 몰 이하인 것이 권장된다.

상기의 유기 옥시설파이드와 플루오로 유도체 제조를 위해 설명된 공정을 응용하는 특수한 경우에는, 마이크로파는 기간 동안, 5 watt/초/플루오로카르복시산 몰 이상으로써, 바람직하게는 약 20 watt/초/몰 이상으로 유리하게 공급될 것이다.

마이크로파는 반응 매질에 이미 공지의 어느 방법으로도 공급할 수 있다.

유리하게는, 마이크로파 공급기로서 반응 매질을 포함하는 공동 (반응기)의 형태인 것이다. 마이크로파에서 강하게 발산하고 반응 매질에 에너지를 방출하는 내부 성분을 또한 반응기 내에 위치시킬 수 있다.

장치의 구조는 반응 매질에 의해 발산되는 에너지 특성 함수에 따라 유리하게 정의될 것이다.

바람직하게는 에너지 발산을 최적으로 제어할 수 있게 하는 단일 파장 모드만이 여기된다. 이러한 경우에, 연속 공정을 위해 설계된 반응기로, 간단한 구조 (일반적으로 원통형)가 파장의 단일 모드 전달에 적합한 것이 바람직하다. 이러한 연속 반응기는 반응 매질 재순환과 함께 작용할 수 있다.

공급기는 특히 튜브형 반응기가 방사 슬릿의 도파관 (waveguide)과 평행으로 배열된 형태이다.

그럼에도 불구하고, 비연속 공정을 위한 "배치"-형 반응기 역시 반응 매질을 단일 모드형의 마이크로파에 노출시키는데 또한 사용 될 수 있다. 반응 매질의 온도 균일성은 반응기를 회전 및/또는 유리 판 교반기로 매질을 반대 방향으로 교반함으로써 유리하게 이룰 수 있다.

마이크로파에 대한 노출은 통상의 가열 모드와 임의로 결합 될 수 있다.

하기의 실시예는 본 발명을 설명하고 있다.

실시예 1:

페닐 트리플루오로메틸 설파이드의 제조

무수 포타슘 트리플루오로아세테이트 2.26 g (14.9 mmol), 페닐 설파이드 1.6 g (7.4 mmol) 및 무수 디메틸포름아미드 (DMF) 를 30 ㎖ 테플론 반응기에 공급한다.

포타슘 트리플루오로아세테이트의 페닐 디설파이드에 대한 몰 비는 2.0 이다.

반응 매질의 수 함량은 트리플루오로아세테이트에 대해 0.002 몰% 미만이다.

반응기를 닫은 다음, 2450 MHz 의 진동수에서 단일모드 시스템을 갖는 최대전력 300 W 의 마이크로파 오븐 내에 넣고, 마이크로파를 도파관(導波管)을 사용하여 반응기 기저(基底)에 촛점을 맞춘다.

2.5 W/s/반응 질량 kg 의 정도로 10 분 동안 (누적전력: 약 30 W), 이어서, 10 W/s/kg 의 정도로 5 분 동안 (제 2 단계에서 누적전력: 약 60 W) 마이크로파 방출을 수행한다.

냉각 후, 반응질량을 기체 크로마토그래피 및¹⁹F NMR 에 의해 분석한다.

디설파이드의 전화도 (소모된 디설파이드의 양/초기 디설파이드의 양) 은 69 % 로 측정된다.

페닐 트리플루오로메틸 설파이드의 실제 수율 (형성된 페닐 트리플루오로메틸 설파이드의 양/초기 페닐 디설파이드의 양) 은 55.4 % 이며, 디설파이드의 전화수율 (형성된 페닐 트리플루오로메틸 설파이드의 양/전화된 페닐 디설파이드의 양) 로 표현된 선택성 80.4 % 에 상응한다.

동일한 방법으로, 포타슘 트리플루오로아세테이트의 전화도는 62 % 로 측정되며, 페닐 디플루오로메틸 설파이드로의 전화에 대한 선택성은 87.5 % 이다.

비교예 1:

마이크로파를 사용하지 않고 동일한 반응을 수행한다.

마그네틱 교반하면서, 실시예 1 과 같이 시약을 30 ㎖ 유리관에 공급한 다음, 140 ℃ 로 28 시간 동안 가열한다.

냉각 후, 혼합물을 기체 크로마토그래피에 의해 검정하여 하기와 같은 결과가 측정된다:

- 페닐 디설파이드의 전화도: 67 %

- 페닐 디설파이드의 페닐 트리플루오로메틸 설파이드로의 전화수율 (선택성): 76 %.

마이크로파에서 수 분 만에 수득된 전화도는 통상의 가열 하에 1 일 이상 만에 수득된 것과 유사함이 발견되며, 선택성은 5 % 가깝게 증가하였다. 따라서, 본 발명의 공정은 전형적인 가열 공정보다 우수한 성능을 제공한다.

실시예 2:

트리플루오로메틸설핀산의 제조

N-메틸피롤리돈 (NMP; 수 함량 10 중량ppm 미만) 13 g, CF₃CO₂K (수 함량 100 중량ppm 미만) 1.6 g 및 기체 이산화황 (수 함량 0.01 mol% 미만) 약 2 g 을, 액체에 버블링하면서, 0 내지 20 bar 범위의 압력계 및 탈기밸브가 장치된 30 ㎖ 테플론 튜브형 반응기로 도입한다.

CF₃CO₂K/SO₂몰 비는 약 2 이며, CF₃CO₂K/SO₂질량비는 약 0.13 이다.

상기 닫힌 반응기를 2450 MHz 의 주파수에서 단일모드 시스템을 갖는 최대전력 300 W 인 마이크로파에 도입하며, 마이크로파는 도파관을 사용하여 반응기 기저에 촛점을 맞춘다.

이어서, 10 W/s/반응 질량 kg 의 정도로 10 분 동안, 즉 총 전력 약 30 W 로 마이크로파의 방출을 수행한다. 반응 중, 압력이 0 에서 2 bar (2×10⁵Pa) 로 상승하며, 마이크로파가 멈추고 반응매질이 냉각된 후에는 0 으로 되돌아간다.

반응 혼합물을 수 중에서 취하여,¹⁹F NMR 및 분리 모드 HPIC (고성능 이온 크로마토그래피) 에 의해 분석한다.

전화도, CF₃SO₂K 의 실제 수율 및 전화수율을 측정하며, 실시예 1 내지 6 에 대해 하기 표 1 로 나타낸다.

실시예 3:

CF₃CO₂K/SO₂비를 1.9 내지 2.1 로 유지하고, 총 전력 45 W 로, 10 W/s/kg 의 정도로 7 분 동안 마이크로파를 적용하면서 실시예 2 를 반복한다. 반응 중, 반응기 내의 압력은 최대 3.8×10⁵Pa이다.

실시예 4:

CF₃SO₂K/SO₂비를 1.9 내지 2.1 로 유지하고, 총 전력 60 W 로, 10 W/s/kg 의 속도로 4 분 동안 마이크로파를 적용하면서 실시예 2 를 반복한다. 반응 중, 반응기 내의 압력은 최대 3.8×10⁵Pa이다.

비교예 2:

마이크로파를 사용하지 않은 트리플루오로메틸설핀산의 제조

N-메틸피롤리돈 (NMP) 42 g, 이어서 포타슘 트리플루오로아세테이트 5.32 g (35 mmol) 및 마지막으로 기체 이산화황 4.9 g (76 mmol) 을, 액체에 버블링하면서, 터보믹서에 의해 교반되는 100 ㎖ 하스탈로이 반응기에 도입한다. 이산화황은 NMP 에 의해 완전히 용해된다.

이산화황의 포타슘 트리플루오로아세테이트에 대한 몰 비는 1.5 이다.

반응 혼합물의 수 함량은 혼합물의 중량에 대해 0.1 중량%, 즉 물의 트리플루오로아세테이트에 대한 몰 비는 0.07 이다.

혼합물을 교반하면서 6 시간 동안 140 ℃ 의 온도에서 닫힌 반응기 내에서 가열한다.

반응 중, 주위 온도로 돌아간 반응기 내부 압력은 초기 압력에 대해 3.5×10⁵Pa 이다.

반응매질을 수 중에서 취하며, 포타슘 트리플루오로아세테이트의 전화를 검정하기 위해¹⁹F NMR 에 의해 분석한다.

소비된(전화된) 트리플루오로아세테이트 양의 초기량에 대한 몰 비로 표현된, 원료 포타슘 트리플루오로아세테이트의 전화도 (DC) 는 61.7 % 이다.

유리 또는 염 형태로 형성된 트리플루오로메틸 설피네이트 양의 초기 트리플루오로아세테이트 양에 대한 몰 비로 표현된 실제 수율 (AY) 은 29.7 % 이다.

유리 또는 염 형태로 형성된 트리플루오로메틸 설피네이트 양의 전화된 트리플루오로아세테이트 양에 대한 몰 비로 나타내는 전화된 생성물에 대한 수율 (CY) 은 48.1 % 이다. 생성물은 포타슘 염의 형태로 분리된다.

실시예 5 - 7:

본 실시예는 실시예 2 의 반응이 디메틸포름아미드 (DMF) 중에서 수행되는 경우 마이크로파의 효과를 예시한다.

일반적인 조작 조건은 NMP 를 DMF 로 대체하는 것을 제외하고는 동일하다.

세가지 상이한 조건이 마이크로파에 적용된다:

- 실시예 5: 총 전력 45 W 로 7 분;

- 실시예 6: SO₂에 대해 KF 1 몰 당량 첨가하고, 총 전력 45 W 로 7 분;

- 실시예 7: 총 전력 60 W 로 5 분.

결과를 하기 표 1 과 같이 요약한다.

실시예	시약 조성	반응시간	마이크로파전력(W)	DC(%)	AY(%)	CY(%)
실시예2	NMPH2O: 0.002중량%	10 분	= 30	26.4	12.2	46.2
실시예3	NMPH2O: 0.002중량%	7 분	= 45	69.6	34.5	19.6
실시예4	NMPH2O: 0.002중량%	4 분	= 60	52	25	48
비교예2	NMPH2O: 0.1중량%	6 시간	-	61.7	29.7	48.1
비교예3	NMPH2O: 4%	7 분	= 45	77	20.3	26.4
실시예5	DMFH2O: 0.002중량%	7 분	= 45	30.4	17.6	57.9
실시예6	DMFH2O: 0.002중량%	7 분	= 45	70.9	31.8	44.9
실시예7	DMFH2O: 0.002중량%	5 분	= 60	44.6	24.3	54.8
비교예4	DMFH2O: 0.002중량%	6 시간	-	80.4	33.8	41.7
비교예5	DMFH2O: 2중량%	5 분	= 60	32.4	16.2	50

본 발명에 따른 모든 실시예에서, 단순가열에 의해 6 시간 만에 수득된 결과 (비교예 4) 와 유사한 결과가 마이크로파에 의해 수 분 만에 수득됨이 발견된다.

비교예 3 및 5 는 반응매질 내에 다량의 물의 존재가 만족스러운 양의 포타슘 트리플루오로메틸설피네이트의 제조에 유해함을 나타낸다.

실시예 2 내지 7 에 기술된 조건은 기타 옥시설파이드 화합물, 예컨대 특히 펜타플루오로에틸설핀산 (C₂F₅COOK 로부터의) 또는 헵타플루오로프로필설핀산 (C₃F₇COOK 로부터의)을 포타슘 설피네이트 형으로 제조하는데에 적용된다.

실시예 8:

트리플루오로메틸설피닐 클로라이드의 제조

포타슘 트리플루오로아세테이트를 실시예 7 의 조건 하에서 제조한다.

55 내지 60 ℃ 를 초과하지 않는 온도에서, DMF 를 진공하 증류에 의해 반응 혼합물로부터 제거한다.

증류 잔류물을 아세토니트릴 중에서 취한 다음, 여과한다. 여액을 증류하여 용매를 제거하고, 포타슘 트리플루오로아세테이트를 이온 크로마토그래피에 의해 검정하여 조 반응 혼합물에 대해 96 % 의 정제수율로 분리한다.

상기 조작으로부터 수득된 생성물을 톨루엔 중에서 취하고, 티오닐 클로라이드 SO₂Cl₂를 트리플루오로메틸설피네이트에 대한 당량으로 첨가한다. 트리플루오로메틸설피닐 클로라이드를 65 % 의 수율로 수득한다.

Claims (28)

1. 치환 디플루오로메틸기를 하나 이상의 친전자 기를 가지는 화합물에 그라프트화 시키는 것으로 하기의 단계를 포함하는 공정:

   i) 하나 이상의 친전자기를 가지는 상기의 화합물을 하기를 포함하는 친핵제와 접촉하여 위치시키는 것

   a) 적어도 부분적으로 유기 또는 무기 양이온으로 염화된 화학식 Ea-CF₂-COOH 의 플루오로카르복시산 (식 중, Ea는 전자흡인성 원자 또는 기를 나타낸다), 그리고

   b) 극성 비양자성 용매; 그리고

   ii) 반응 매질을 마이크로파 작용에 노출시키는 것.
2. 제 1 항에 있어서, 상기의 극성 비양자성 용매가 하나 이상의 친전자기를 갖는 화합물인 공정.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 시약의 다양한 성분 및 그의 불순물에 포함된 유리성 양성자의 양이 상기 플루오로카르복시산의 초기 몰 농도의 절반 이하인 공정.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 양성자의 양이 상기 플루오로카르복시산 염의 초기 몰 농도의 10% 이하인 공정.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 매질 내의 물의 중량이 1000 당 1 이하인 공정.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 매질 내의 물의 양이 10 중량 ppm 이하인 공정.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 플루오로카르복시산의 농도에 대한 물의 양의 몰 비율이 5000 ppm 이하인 공정.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 플루오로카르복시산의 농도에 대한 물의 양의 몰 비율이 50 ppm 이상인 공정.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시약 내의 전이 원소의 양이 상기 플루오로카르복시산 염에 대하여 1000 몰 ppm 미만인 공정.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시약 내의 원소 주기율표 VIII 족의 원소의 양이 상기 플루오로카르복시산에 대해 100 몰 ppm 미만인 공정.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시약 내의 당량으로 표현된 이온 플루오라이드의 양이 상기 플루오로카르복시산의 초기 몰 농도 이하인 공정.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 극성 비양자성 용매의 공여 지수가 10 내지 30인 공정.
13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 용매의 일차 산성도에 해당하는 pKa가 20 이상인 공정.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전자흡인성 원자 또는 기가, 햄밋 (Hammett) 상수 Sp가 1 이상인 전자흡인기에서 선택되는 공정.
15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산이 화학식 (1)과 화학식 (2)의 화합물에서 선택되는 공정:

    [화학식 1]

    X-CF₂-COOH (1)

    (식 중, X는 할로겐 원자)

    [화학식 2]

    R-G-CF₂-COOH (2)

    (식 중, R-G는 니트릴기를 나타내거나 G는 ＞C=O 또는 ＞S=O, 또는 -(CF₂)_n- 으로 n은 1 이상이며, R은 임의의 유기 또는 무기 잔기를 나타낸다).
16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플루오로카르복시산 또는 염이 반응 매질 내에서 완전 용해성인 공정.
17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산의 염이 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘 및 프란슘 또는 4-차 암모늄염에서 선택된 알칼리 금속의 염인 공정.
18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 용매가 4-치환 우레아와 단일 치환 락탐을 포함하는 N-이치환 아미드와 고리형 또는 비고리형 에테르에서 선택되는 공정.
19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 친전자기를 가지는 상기 화합물이 설페닐, 설피닐, 또는 설포닐 할라이드와 같은 유기황 화합물의 할로 또는 슈도 (pseudo)-할로 유도체이고; 산화황, 특히 이산화황; 티오시아네이트; 디설파이드; 및 케톤, 알데히드, 할라이드산 또는 활성화 에스테르 형의 카르보닐 화합물인 공정.
20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 친전자기를 포함하는 상기 화합물이 강염기에 의해 이탈되는 수소를 전혀 포함하지 않는 공정.
21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파 전력을 1 watt/초/반응질량 kg 이상으로 가하는 공정.
22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파 전력을 5 watt/초/플루오로카르복시산 몰 이상으로 가하는 공정.
23. 제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파 전력을 100 watt/초/반응질량 kg 이하로 가하는 공정.
24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 마이크로파 노출 지역을 벗어나는 반응 매질의 온도가 150 ℃ 이하로 유지되는 공정.
25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 친전자기를 포함하는 상기 화합물이 이산화황인 공정.
26. 제 25 항에 있어서, 단계 a)의 반응 매질이 액체로서, 이산화황을 포함하는 기체상과 평형인 공정.
27. 제 25 항 또는 제 26 항에 있어서, 단계 b)의 생성물과 산화제를 접촉시킴으로써 단계 b)에서 수득한 설핀산 염을 산화하는 단계 c)를 또한 포함하는 공정.
28. 유기 옥시설파이드와 플루오로 유도체 제조를 위한 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 따른 공정의 응용.