NO176960B

NO176960B - Synthesis of a perfluoroalkyl bromide by photobromination of the corresponding iodide

Info

Publication number: NO176960B
Application number: NO922424A
Authority: NO
Inventors: Andre Braun; Gilles Drivon; Jacques Kervennal
Original assignee: Atochem Elf Sa
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1992-06-19
Publication date: 1995-03-20
Also published as: EP0519808A1; IE921928A1; NO922424L; HU9202065D0; CN1068102A; FR2677979A1; AU650141B2; FR2677979B1; FI922860A; NO922424D0; KR950006792B1; FI922860A0; NO176960C; JPH0788327B2; EP0519808B1; JPH05186375A; IE65876B1; HUT61514A; KR930000440A; DK0519808T3

Abstract

The invention relates to the manufacture of a perfluoroalkyl bromide RFBr by photochemical bromination of the corresponding iodide RFI. In order to obtain a virtually complete conversion of the RFI, its photobromination is carried out in solution in a solvent, the concentration of RFI being no more than 0.5 mol/litre.

Description

Foreliggende oppfinnelse angår bromider RpBr, der Rp angir en rett eller forgrenet perfluor-C2-i4-alkylrest. Mere spesielt er oppfinnelsens gjenstand fremstilling av n-perfluoroktyl-bromid CgFiyBr (herefter kalt PFOB). The present invention relates to bromides RpBr, where Rp denotes a straight or branched perfluoro-C2-14-alkyl residue. More particularly, the object of the invention is the preparation of n-perfluorooctyl bromide CgFiyBr (hereafter called PFOB).

Det er kjent at forbindelsene RpBr og mere spesielt PFOB viser meget interessante egenskaper på det medisinke området som kontrastmidler (radiologi) eller som oksygenbærere (kunstig blod). Deres fremtidige utvikling ved disse anvendelser synes å være betydelig. Det er derfor nødvendig å være i en posisjon som muliggjør fremstilling av forbindelsene industrielt ved hjelp av en økonomisk metode og med meget høyrenhet. It is known that the compounds RpBr and more particularly PFOB show very interesting properties in the medical field as contrast agents (radiology) or as oxygen carriers (artificial blood). Their future development in these applications seems to be significant. It is therefore necessary to be in a position which enables the production of the compounds industrially by means of an economical method and with very high purity.

Blant de kjente metoder for fremstilling av forbindelsene RpBr skal først nevnes: innvirkning av brom på en forbindelse RpSFs ved 500°C i Among the known methods for the preparation of the compounds RpBr should be mentioned first: the effect of bromine on a compound RpSFs at 500°C in

nærvær av nikkel (US-PS 3.456.024); presence of nickel (US-PS 3,456,024);

gass-fase-fotolyse av en forbindelse med RpH med Br-Cl eller Br-F (J.L.Adcock et al., "CA" 100, 34092 e) eller med Br2 (FR-PS 1.512.068). gas-phase photolysis of a compound with RpH with Br-Cl or Br-F (J.L.Adcock et al., "CA" 100, 34092 e) or with Br2 (FR-PS 1,512,068).

De oppnådde lave utbytter og/eller bruken av fluorerte derivater som ikke industrielt er tilgjengelige, tillater ikke økonomisk fremstilling av forbindelsene Rp-Br i industriell målestokk. The low yields obtained and/or the use of fluorinated derivatives which are not industrially available do not allow the economic production of the compounds Rp-Br on an industrial scale.

I EP 0.298.870 og EP-søknad 90403118.4 er det beskrevet metoder for fremstilling av forbindelser RpBr fra de tilsvarende perfluoralkansulfonylklorider RpSC^Cl som bringes til omsetning enten med gassformig HBr i nærvær av en katalysator (EP 0.298.870) eller med et kvaternært ammonium-eller fosfoniumbromid (EP 90403118.4). De oppnådde utbytter er generelt høye men sulfokloridet RjrS02Cl som benyttes som utgangsmaterialet er allerede meget komplekst fordi syntesen fra det tilsvarende iodid Rpl krever to reaksjonstrinn i henhold til ligningen: In EP 0.298.870 and EP application 90403118.4 methods are described for the preparation of compounds RpBr from the corresponding perfluoroalkanesulfonyl chlorides RpSC^Cl which are reacted either with gaseous HBr in the presence of a catalyst (EP 0.298.870) or with a quaternary ammonium -or phosphonium bromide (EP 90403118.4). The yields obtained are generally high, but the sulfochloride RjrSO2Cl which is used as the starting material is already very complex because the synthesis from the corresponding iodide Rpl requires two reaction steps according to the equation:

Den mest direkte måte for oppnåelse av forbindelsene Rj-Br består åpenbart i en radikal-bromering av de tilsvarende iodider Rpl der de sistnevnte er produkter som er til-gjengelig i industrielle mengder. The most direct way of obtaining the compounds Rj-Br obviously consists in a radical bromination of the corresponding iodides Rpl, where the latter are products that are available in industrial quantities.

I "International Journal of Chemical Kinetics", Vol. II, 273-285 (1975), beskriver E.N.Okafo og E. Whittle kinetikken for termisk bromering av CF3I i en fotokjemisk reaktor ved temperaturer mellom 173 og 321° C for å bestemme dissosia-sjonsenergien for C-I-bindingen. In "International Journal of Chemical Kinetics", Vol. II, 273-285 (1975), E.N. Okafo and E. Whittle describe the kinetics of thermal bromination of CF3I in a photochemical reactor at temperatures between 173 and 321°C to determine the dissocia- the ion energy for the C-I bond.

I "J.Chem.Soc." 1953, 3761-8, beskrier R.N.Haszeldine en fotokjemisk metode for omsetning av Rpl-forbindelser med brom i et forseglet rør med et overskudd av brom (10 %) og under bestråling med UV-lys i 7 dager. Reaksjonstemperaturen og den oppnådde renhet spesifiseres ikke, det antydes kun at utbyttet er lik eller høyere enn 90 % ifølge lengden av den perfluorerte kjede Rp. In "J.Chem.Soc." 1953, 3761-8, R.N.Haszeldine describes a photochemical method for the reaction of Rpl compounds with bromine in a sealed tube with an excess of bromine (10%) and under irradiation with UV light for 7 days. The reaction temperature and the achieved purity are not specified, it is only suggested that the yield is equal to or higher than 90% according to the length of the perfluorinated chain Rp.

I eksemplene i JB-Kokai 85-184033, som beskriver omsetningen av forbindelsene Rjpl med Br2 i nærvær av en kjemisk radika initiator, overskrider det antydede utbyttet ikke 42 %. In the examples in JB-Kokai 85-184033, which describe the reaction of the compounds Rjpl with Br2 in the presence of a chemical radical initiator, the implied yield does not exceed 42%.

De lave utbytter som oppnås og/eller den lave kinetikk for disse teknikker, såvel som den fremdeles ufullstendige transformering av Rpl, tillater ikke å ta sikte på noen industriell eksploatering. Tatt i betraktning målanvendelsen (det medlsinke området) må forbindelsen RpBr og mere spesielt PFOB vise høy renhet, spesielt et meget lavt innhold av iodider Rpl, som er utstabile med tiden og utvikler en rosa farving og som er vanskelig å separere ved destillasjon da kokepunktet ligger nær det til det tilsvarende bromid. The low yields obtained and/or the low kinetics of these techniques, as well as the still incomplete transformation of Rpl, do not allow aiming at any industrial exploitation. Considering the target application (the medium-sink area), the compound RpBr and more particularly PFOB must show high purity, especially a very low content of iodides Rpl, which are unstable with time and develop a pink color and which are difficult to separate by distillation as the boiling point is close to that of the corresponding bromide.

I tillegg er det bemerket at, hvis fotobromeringen av et Rpl gjennomføres i henhold til konvensjonell teknikk, det vil si ved å innføre Rpl og et overskudd av Brg i en fotokjemisk reaktor utstyrt med en lampe som avgir bølgelengder mellom 300 og 650 nm, omdannes Rpl til RpBr med en heller hurtig kinetikk ved begynnelsen hvorefter reaksjonshastigheten synker raskt og stanser ved en total omdanningsgrad på under 20 %. In addition, it is noted that, if the photobromination of an Rpl is carried out according to conventional technique, i.e. by introducing Rpl and an excess of Brg into a photochemical reactor equipped with a lamp emitting wavelengths between 300 and 650 nm, Rpl is converted to RpBr with a rather fast kinetics at the beginning after which the reaction rate drops rapidly and stops at a total degree of conversion of less than 20%.

Det er nu funnet at det ikke desto mindre er mulig fotokjemisk å bromere et perfluoralkyliodid Rpl til RpBr med en så og si kvantitativ omdanning hvis fotobromeringen gjennom-føres i et fortynnet medium ved som oppløsningsmiddel for Rpl enten å benytte RpBr forbindelsen selv eller et inert oppløsningsmiddel som for eksempel CCI4 eller C2F3CI3. It has now been found that it is nevertheless possible to photochemically brominate a perfluoroalkyl iodide Rpl to RpBr with a so-called quantitative conversion if the photobromination is carried out in a dilute medium by using either the RpBr compound itself or an inert solvent as a solvent for Rpl such as CCI4 or C2F3CI3.

Gjenstanden for foreliggende oppfinnelse er derfor en fremgangsmåte for fremstilling av et ^romid RpBr der Rp angir en rett eller forgrenet perfluoralkylrest inneholdende fra 2 til 14 karbonatomer ved fotobromering av det tilsvarende perfluoralkyliodid Rpl og som karakteriseres ved en oppløs-ning av Rpl i et oppløsningsmiddel underkastes fotobromering ved atmosfærisk trykk og en temperatur mellom 15 og 50°C, ved en konsentrasjon av Rpl i oppløsningen på høyst 0,5 mol/- liter, idet man totalt benytter 1,1 til 2 mol brom pr. mol tilstedeværende Rpl i den opprinnelige oppløsning. The object of the present invention is therefore a method for producing a bromide RpBr where Rp denotes a straight or branched perfluoroalkyl radical containing from 2 to 14 carbon atoms by photobromination of the corresponding perfluoroalkyl iodide Rpl and which is characterized by a solution of Rpl in a solvent subjected to photobromination at atmospheric pressure and a temperature between 15 and 50°C, at a concentration of Rpl in the solution of no more than 0.5 mol/litre, using a total of 1.1 to 2 mol of bromine per moles of Rpl present in the original solution.

Oppløseligheten for Rpl i oppløsningsmidlet (fortrinnsvis RpBr) er meget høyere enn 0,5 mol/l men forsøk som er utført har vist at konsentrasjonen i oppløsningen som underkastes fotobromering ikke må overskride denne verdi for å oppnå en praktisk talt fullstendig omdanning av iodidet Rpl. På grunn av reaksjonskinetikken er det i tillegg foretrukket å benytte en konsentrasjon av Rpl på under 0,35 mol/l og fortrinnsvis under 0,2 mol/l. The solubility of Rpl in the solvent (preferably RpBr) is much higher than 0.5 mol/l but experiments carried out have shown that the concentration in the solution subjected to photobromination must not exceed this value in order to achieve a practically complete conversion of the iodide Rpl. Due to the reaction kinetics, it is also preferred to use a concentration of Rpl of less than 0.35 mol/l and preferably less than 0.2 mol/l.

Utgangsf ort> inde Isen kan fremstilles ganske enkelt ved å blande Rpl og oppløsningsmidlet men det er også mulig å benytte det produkt som oppnås ved omhyggelig termisk bromering av iodidet Rpl idet det er mulig, der det er hensiktsmessig, at dette produkt fortynnes ved tilsetning av RpBr for å bringe det til den ønskede konsentrasjon av Rpl. Starting point The ice can be prepared simply by mixing Rpl and the solvent, but it is also possible to use the product obtained by careful thermal bromination of the iodide Rpl, as it is possible, where appropriate, for this product to be diluted by the addition of RpBr to bring it to the desired concentration of Rpl.

Fotobromeringen kan gjennomføres ikke-kontinuerlig eller kontinuerlig i en hvilken som helst fotokjemisk reaktor, for eksempel i en nedsenknings- eller fallfilm-fotoreaktor, utstyrt med en lampeomhylling av quarts eller pyrex og utstyrt med en lampe som avgir bølgelengder mellom 300 og 650 nm. The photobromination can be carried out discontinuously or continuously in any photochemical reactor, for example in an immersion or falling film photoreactor, equipped with a lamp envelope of quarts or pyrex and equipped with a lamp emitting wavelengths between 300 and 650 nm.

Bromet innføres fortrinnsvis progressivt for fullstendig å absorbere lyset. Den totale mengde brom som benyttes er minst 1 mol/mol tilstedeværende Rpl i den opprinnelige oppløsning men et bromoverskudd på 10 til 100 %, særlig ca. 25 %, benyttet fortrinnsvis. The bromine is preferably introduced progressively to completely absorb the light. The total amount of bromine used is at least 1 mol/mol of Rpl present in the original solution, but a bromine excess of 10 to 100%, in particular approx. 25%, preferably used.

Fotobromeringen ifølge oppfinnelsen kan gjennomføres ved en temperatur mellom 10° C og oppløsningsmidlets kokepunkt men gjennomføres fortrinnsvis ved temperaturer mellom 15 og 50° C. Operasjonen gjennomføres hensiktsmessig ved atmosfærisk trykk men det vil ikke være utenfor oppfinnelsens ramme å arbeide under et lett overtrykk eller under undertrykk. The photobromination according to the invention can be carried out at a temperature between 10° C and the boiling point of the solvent but is preferably carried out at temperatures between 15 and 50° C. The operation is suitably carried out at atmospheric pressure but it would not be outside the scope of the invention to work under a slight overpressure or under a negative pressure .

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen gjelder både fremstilling av et spesifikt RpBr (for eksempel CfcFj^Br, CgF^yBr, C^qF2iBt og så videre) og fremgangsmåten for fremstilling av en blanding av forskjellige RpBr-forbindelser fra en blanding av de tilsvarende Rp-^-f orbindelser . The method according to the invention concerns both the preparation of a specific RpBr (for example CfcFj^Br, CgF^yBr, C^qF2iBt and so on) and the method for the preparation of a mixture of different RpBr compounds from a mixture of the corresponding Rp-^- for connections.

De følgende eksempler skal illustrere oppfinnelsen. For å følge forløpet av reaksjonen med tiden blir prøver fjernet og efter reduksjon og fjerning av fritt iod og brom, analyseres de ved gassfasekromatografi (termisk konduktivitetsdetektor). The following examples shall illustrate the invention. To follow the course of the reaction over time, samples are removed and after reduction and removal of free iodine and bromine, they are analyzed by gas phase chromatography (thermal conductivity detector).

Den totale grad av transformering (DTq) for Rpl beregnes fra formelen: The total degree of transformation (DTq) for Rpl is calculated from the formula:

Fordi detekteringsgrensen for apparaturen er ca. 10 ppm Rpl blir en DTq på 100 % ansett å være oppnådd når denne detekteringsgrense er nådd. Because the detection limit for the equipment is approx. 10 ppm Rpl, a DTq of 100% is considered to have been achieved when this detection limit is reached.

Eksempel 1 (sammenligning) Example 1 (comparison)

Til en fotokjemisk immersjonsreaktor med en kapasitet på 150 ml, utstyrt med en Philips HPK 125 lampe og et magnetisk røreverk, chargeres det 270 g (140 ml) perfluoroktyliodid (renhet > 99,5 #) og denne forbindelse bestråles ved 30° 2°C mens brom innføres idet innføringen gjennomføres dråpevis på en slik måte at absorbsjon av brom er total. To a photochemical immersion reactor of 150 ml capacity, equipped with a Philips HPK 125 lamp and a magnetic stirrer, 270 g (140 ml) of perfluorooctyl iodide (purity > 99.5 #) are charged and this compound is irradiated at 30° 2°C while bromine is introduced as the introduction is carried out drop by drop in such a way that absorption of bromine is total.

Efter bestråling i 24 timer blir en prøve på 2 ml trukket av og behandlet med en vandig oppløsning av natriumsulfitt. GPC-analyse viser at PFOB (CgF^yBr) innholdet er 12,5 vekt-#, noe som tilsvarer en DTq på 13,5 %. After irradiation for 24 hours, a sample of 2 ml is withdrawn and treated with an aqueous solution of sodium sulphite. GPC analysis shows that the PFOB (CgF^yBr) content is 12.5 wt-#, which corresponds to a DTq of 13.5%.

Bestrålingen av reaksjonsblandingen fortsettes i ytterligere 15 timer ved 55'C. GPC-analyse av den urene reaksjonsblanding viser så et PFOB-innhold på 18,7 vekt-#, det vil si en DT0 på kun 20,1$. Irradiation of the reaction mixture is continued for a further 15 hours at 55°C. GPC analysis of the impure reaction mixture then shows a PFOB content of 18.7 wt-#, i.e. a DT0 of only 20.1$.

Eksempel 2 Example 2

Til den samme apparatur som i eksempel 1 chargeres det 140 ml av en oppløsning av 10 g (18,3 mmol) perfluoroktyliodid i PFOB (det vil si en molar konsentrasjon av CgF^yl på 0,13 mol/l). 140 ml of a solution of 10 g (18.3 mmol) of perfluorooctyl iodide in PFOB (that is, a molar concentration of CgF^yl of 0.13 mol/l) is charged to the same apparatus as in example 1.

Denne oppløsning bestråles så ved 15 til 20"C under dråpevis innføring av brom. Efter bestråling i 18 timer var CgF^yl-konsentrasjonen i den urene reaksjonsblanding mindre enn detekteringsgrensen (0,1 <&). DTq anses som lik 100 <&. This solution is then irradiated at 15 to 20"C with the dropwise introduction of bromine. After irradiation for 18 hours, the CgF^yl concentration in the impure reaction mixture was less than the detection limit (0.1 <&). DTq is considered equal to 100 <&.

Eksemplene 3 til 5 Examples 3 to 5

Eksempel 2 gjentas under variasjon av mengden av CgF^yl som oppløses i PFOB, nemlig: Example 2 is repeated while varying the amount of CgF^yl dissolved in PFOB, namely:

6 g i eksempel 3 6 g in example 3

25 g i eksempel 4 25 g in example 4

50 g i eksempel 5 (sammenligning) 50 g in example 5 (comparison)

idet oppløsningens volum forble det samme, nemlig 140 ml. as the volume of the solution remained the same, namely 140 ml.

I eksemplene 3 og 4 oppnås en DTq på 100 % efter bestråling i 12 timer henholdsvis 49 timer. Når det gjelder eksempel 5 når DTq en maksimal verdi på 75 % efter bestråling i 50 timer. In examples 3 and 4, a DTq of 100% is achieved after irradiation for 12 hours and 49 hours, respectively. Regarding example 5, DTq reaches a maximum value of 75% after irradiation for 50 hours.

Den følgende tabell oppsummerer resultatene fra de foregående eksempler 1 til 5. The following table summarizes the results from the previous examples 1 to 5.

Eksempel 6 Example 6

Fremgangsmåten er som i eksempel 2 men man benytter som opprinnelig oppløsning et produkt som oppnås på forhånd ved termisk bromering av CgF^yl. Dette produkt inneholder 15,45 vekt-# rest CgF^yl, noe som tilsvarer en molar konsentrasjon på 0,44 mol/l. The procedure is as in example 2, but a product obtained in advance by thermal bromination of CgF^yl is used as the original solution. This product contains 15.45 wt-# residue CgF^yl, which corresponds to a molar concentration of 0.44 mol/l.

Efter bestråling i 23 timer ved 15 til 20° C er C8Fl<7>i innholdet nu kun 6 %. Det er lavere enn 0,1 % efter bestråling i 60 timer (DT0 = 100 %). After irradiation for 23 hours at 15 to 20° C, the C8Fl<7> content is now only 6%. It is lower than 0.1% after irradiation for 60 hours (DT0 = 100%).

Eksempel 7 Example 7

Til en fotokjemisk fallfilm-reaktor med en kapasitet på 1600 ml, utstyrt med en 720 watt HANÅU TQ 718 lampe og med en ytre resirkuleringspumpe, chargeres det 1400 ml av en oppløsning av 250 g (0,46 mol) of C8F17I i PFOB (det vil si en molar konsentrasjon på 0^33 mol/l). To a photochemical falling film reactor of 1600 ml capacity, equipped with a 720 watt HANÅU TQ 718 lamp and with an external recirculation pump, 1400 ml of a solution of 250 g (0.46 mol) of C8F17I in PFOB (the i.e. a molar concentration of 0^33 mol/l).

Oppløsningen bestråles ved 15 til 20°C under sirkulering mens man dråpevis innfører brom idet den totale mengde brom tilsvarer et 25 % overskudd i forhold til støkiometrien. The solution is irradiated at 15 to 20°C while circulating while bromine is introduced dropwise, the total amount of bromine corresponding to a 25% excess in relation to the stoichiometry.

Efter bestråling i 48 timer viser GPC-analyse et rest-CgFiyl-innhold på 5,5 vekt-#. Det er nu kun 0,28 % efter bestråling i 200 timer (DTq = 97 %). After irradiation for 48 hours, GPC analysis shows a residual CgFiyl content of 5.5 wt-#. It is now only 0.28% after irradiation for 200 hours (DTq = 97%).

Som sammenligning og når man går ut fra 1400 ml ren CgF^yl og prøven stanses efter bestråling i 62 timer på grunn av utfelling av I2 og IBr som hindrer effektivt arbeidet for resirkuleringspumpen. GPC-analyse viser nu et PFOB-innhold på 26 vekt-# (det vil si en DTG-verdi på 27,7 #). As a comparison and when starting from 1400 ml of pure CgF^yl and the sample is stopped after irradiation for 62 hours due to precipitation of I2 and IBr which effectively prevents the work of the recirculation pump. GPC analysis now shows a PFOB content of 26 wt# (ie a DTG value of 27.7#).

Eksempel 8 Example 8

Til den samme apparatur som i eksempel 1 chargeres 1400 ml av en oppløsning av 25 g (56 mmol) n-perfluorheksyliodid i n-perfluorheksylbromid hvorefter oppløsningen bestråles ved ca. 20°C under samtidig dråpevis innføring av brom. 1400 ml of a solution of 25 g (56 mmol) of n-perfluorohexyl iodide in n-perfluorohexyl bromide are charged to the same apparatus as in example 1, after which the solution is irradiated at approx. 20°C during the simultaneous dropwise introduction of bromine.

Efter bestråling i 48 timer er restinnholdet av CgF^I i den urene reaksjonsblanding blitt lavere enn detekteringsgrensen på 0,1 % (DT0 = 100 %). After irradiation for 48 hours, the residual content of CgF^I in the impure reaction mixture has become lower than the detection limit of 0.1% (DT0 = 100%).

Eksemplene 9 og 10 Examples 9 and 10

Til den samme apparatur som i eksempel 1 chargeres 140 ml av en oppløsning inneholdende 15 g CgF^yl i karbontetraklorid (eksempel 9) eller i 1,1,2-triklor-l,2,2-trifluoretan (eksempel 10). Into the same apparatus as in example 1, 140 ml of a solution containing 15 g of CgF^yl in carbon tetrachloride (Example 9) or in 1,1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane (Example 10) are charged.

Bestrålingen (24 timer) gjennomføres ved ca. 20° C mens man dråpevis innfører brom. De oppnådde resultater oppsummeres i følgende tabell. The irradiation (24 hours) is carried out at approx. 20° C while introducing bromine dropwise. The results obtained are summarized in the following table.

Claims

1. Process for producing a bromide RpBr where Rp denotes a straight or branched perfluoroalkyl residue containing from 2 to 14 carbon atoms by photobromination of the corresponding perfluoroalkyl iodide Rpl, characterized in that a solution of Rpl in a solvent is subjected to photobromination at atmospheric pressure and a temperature between 15 and 50° C, at a concentration of Rpl in the solution of no more than 0.5 mol/litre, using a total of 1.1 to 2 mol of bromine per moles of Rpl present in the original solution.

2. Method according to claim 1, characterized in that the concentration of Rpl is lower than 0.35 mol/l and preferably equal to or less than 0.2 mol/l.

3. Method according to claim 1 or 2, characterized in that RpBr itself is used as a solvent.

4. Method according to claim 3, characterized in that the original dissolution of Rpl in RpBr is obtained in advance by thermal bromination of Rpl.

5. Method according to claim 1 or 2, characterized in that carbon tetrachloride or 1,1,2-trichloro-1,2,2-trifluoroethane is used as solvent.