TW201119998A - Process for the distillative purification of fluoroethylene carbonate - Google Patents

Description

201119998 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本申請涉及一種用於藉由蒸餾來純化碳酸氟伸乙醋的 方法。 【先前技術】 碳酸氟伸乙酯（“F1EC”） ’也稱爲碳酸單氟伸乙酯或 4 -氟-1，3 -二氧戊環· 2 -酮，適合作爲鋰離子電池的溶劑或溶 劑添加劑。它可以用相應的未取代的碳酸伸乙酯藉由電解 氟化來製備，如由H. Ishii等人在j. Chem. Soc.，Chem. Comm. ( 2000)的1617和1618頁中描述的。-一較佳的方法 提供了與元素氟的反應。例如，在JP-A 2000-309583中對 這進行了描述，其中，該反應係用1，3 -二氧戊環-2-酮（碳 酸伸乙酯；“EC”）的一熔融物或它在無水氟化物中的溶液 來進行的。可隨意地，可以存在一惰性溶劑像全氟己烷； 在這種情況下，形成了 1，3-二氧戊烷-2-酮的一懸浮液。將 所希望的產物藉由第一蒸餾去除HF、藉由一用鹼性水的處 理、乾燥、另一蒸餾（由此獲得了具有90%或更高純度的 產物）以及若干次重結晶而分離出。根據美國專利申請 2006-003 6 1 02，將碳酸伸乙酯溶解在F1EC中並然後使其與 氟接觸。向該反應混合物中加入丙酮以及碳酸鉀，然後去 除固體，並且在此之後，將生成的溶液在真空下蒸餾若干 次。根據美國專利U S - A 7 2 6 8 2 3 8，將碳酸伸乙酯與氟之間 的反應的原產物首先在蒸餾柱中處理兩次用於HF去除’然 201119998 後蒸餾兩次以進一步純化它。 【發明內容】 本發明的主題係提供一簡單節能的、產出高純的碳酸 氟伸乙酯而不需進行重結晶的方法。 根據本發明，將包含碳酸氟伸乙酯、碳酸伸乙酯、— 或多種更高氟化的碳酸伸乙酯和氟化氫以及可隨意地痕量 雜質（例如’碳酸三氟伸乙酯）的一混合物在至少兩個蒸 餾步驟中進行蒸餾，其中送入第一蒸餾步驟中的反應混合 物包含不大於5重量％的11?。較佳的是，在第一蒸餾柱中 進料的反應混合物包含不大於1重量％的11?。 用語“至少兩個蒸餾步驟”表示使該混合物在一蒸餾 柱通過至少兩次。根據一實施方案，這係一蒸餾柱，通過 該蒸餾柱使有待分離的混合物至少通過兩次。該實施方案 可能以一分批蒸餾來進行。 根據另一實施方案，該至少兩個蒸餾步驟在至少兩個 蒸餾柱中進行。該實施方案尤其適合於進行一連續蒸餾方 法。 若該原始反應混合物係藉由電解氟化得到，則可取的 是藉由一相應的處理（例如藉由蒸餾）來去除任何固體。 藉由本發明的方法獲得的純化的碳酸氟伸乙酯是如此 之純，尤其是就HF的含量來看，以至於不需要重結晶。以 此方式，用包含碳酸伸乙酯、4,5-順式以及4,5-反式的碳 酸二氟伸乙酯和4,4_碳酸二氟伸乙酯以及HF的一原產物開 201119998 始，可以獲得一純化的碳酸氟伸乙酯，它僅包含（若有的 話）痕量的反式-4,5-碳酸二氟伸乙酯以及4,4-碳酸二氟伸 乙酯，並且它僅包含（若有的話）痕量的順式·4,5·碳酸二 氟伸乙酯。典型地，反式5-碳酸二氟伸乙酯、順式_4,5-碳酸二氟伸乙酯以及4,4-碳酸二氟伸乙酯各自的含量係小 於 20 ppm。 在離開氟化反應器的原產物中的HF的初始含量可以改 變。一個氟原子對一個氫原子的取代伴隨著每個被交換的 氫原子形成一個分子的HF。此外，已知氟化氫可以在此類 反應中用作溶劑。因此，離開反應器的反應混合物可以包 含高達1〇重量％或甚至高達20%以及（若使用HF作爲溶劑 的話）甚至更多的HF。 如果離開這個氟化反應器或該等氟化反應器的反應混 合物包含大於5重量％的HF，則在一初步的HF去除步驟中 來將HF的含量減小至在該反應混合物中不大於5重量％的 量値。可以例如藉由用水洗滌原產物、或藉由將原產物進 行汽提（例如用一惰性氣體，尤其是氮氣或二氧化碳）去 除HF而來去除HF。這個初步的HF去除步驟不是蒸餾。根 據一實施方案，如果離開這個氟化反應器或該等氟化反應 器的反應混合物中的HF含量在該反應混合物中是等於或小 於5重量％，則該HF含量在一初步的HF去除步驟未被減小 。在這個實施方案中，將原料在兩個步驟中直接進行蒸餾 根據另一實施方案，在進行蒸餾之前將原產物混合物 201119998 中的至少一部分的HF在一初步的HF去除步驟進行去除’ 這樣該含量係等於或小於5重量％。較佳的是’在這個初步 的HF去除步驟中，HF的含量被減小至該反應混合物的等 於或小於2重量％、更佳的是等於或小於1重量％ ’並且仍 然更佳的是等於或小於0.5重量％ ° 有可能在一第一初步HF去除步驟中去除大部分HF ’ 尤其是如上描述的，並且接著一第二HF去除步驟中去除殘 餘的HF。這個第二HF去除步驟較佳的是使用一固體吸附 劑或一液體吸收劑來進行。一較佳的吸收劑包括Si〇2 ;矽 膠（例如，以珠粒形式）係尤其佳的。若希望的話，可以 應用一含矽膠顆粒的過濾器，可以使該原料連續地從其中 通過。這種吸附劑在水和SiF4的形成下與HF進行反應。已 經發現水造成了與某些氟化的有機碳酸酯的多種副反應。 因此，藉由汽提初始去除大部分HF、隨後使用矽石去除 HF以及另外的蒸餾提供了 一種完美組合，因爲汽提可以進 行而沒有任何水形成、在利用矽石的另外的處理過程中形 成的水的量係如此之小以至於沒有副反應發生、並且該另 外的蒸餾連同前面的HF去除步驟一起提供了 一高純的產物 同時所希望的產物的產量係極高的。 在一實施方案中，該方法包括一個步驟，其中該第二 HF去除步驟在這兩個蒸餾步驟之前進行。在另一實施方案 中，該方法包括一個步驟，其中該第二HF去除步驟在該等 蒸餾步驟之間進行。 該第一初步HF去除步驟和該第二HF去除步驟都不是 201119998 藉由蒸餾進行的，而是如上描述的藉由汽提、吸附、用水 或鹼性水溶液洗滌或其他方式。 根據本發明的方法可以分批地或連續地進行。 若進行分批蒸餾，則在該等蒸餾步驟中的壓力較佳的 是等於或小於1 00毫巴（絕對値）。它較佳的是等於或小 於1 5毫巴（絕對値），尤其佳的是等於或小於5毫巴（絕 對値）。經常’在雙批次蒸餾中，第一批次蒸餾有利地是 在比第二批次更高的壓力下進行。較佳的是，第一批次批 蒸餾的柱的頂部的壓力係等於或小於1 〇毫巴（絕對値）， 並且在第二批次蒸餾中，它是在比第一蒸餾更低的等於或 小於5毫巴（絕對値）的壓力下進行。該壓力較佳的是等 於或大於〇 . 5毫巴（絕對値）。 尤其佳的一種方法係：其中使包括碳酸氟伸乙酯、碳 酸伸乙酯、較高氟化的碳酸酯以及具有的HF含量爲大於5 重量％的HF的HF的一反應混合物歷經一汽提方法以減小 HF的含量來獲得一反應混合物，該反應混合物含有碳酸氟 伸乙酯、碳酸伸乙酯、較高氟化的碳酸酯以及具有的HF含 量爲不大於5重量％的HF的HF，並且將生成的反應混合物 在至少兩個蒸餾步驟中進行蒸餾。這種方法的較佳實施方 案係以上和以下詳細說明的那些。例如，較佳的是連續進 行該等蒸餾的步驟。還較佳的是在至少兩個柱中進行蒸餾 ，並且更佳的是在兩個柱中進行蒸餾。 現在將針對提供一連續法的較佳實施方案對本發明進 行詳細地說明。 -9 - 201119998 這種蒸餾係在至少兩個步驟中進行。如以上提到的， 這種連續蒸餾較佳的是在至少兩個順序的蒸餾柱中進行。 在第一蒸餾步驟中，將具有較低沸點的多種物質（例 如HF以及雙氟化的碳酸伸乙酯類）的一混合物從頂部抽出 :將較高沸點的多種組分（大部分係碳酸伸乙酯以及碳酸 單氟伸乙酯）從底部抽出，並且將其送入第二個蒸餾步驟 中。經常，在第一蒸餾步驟的柱的頂部處的壓力係等於或 小於1 00毫巴（絕對値）。較佳的是，在第一蒸餾步驟中 的柱的頂部處的壓力係等於或小於7 5毫巴（絕對値）。較 佳的是，它係等於或大於1 〇毫巴（絕對値）。在第一蒸餾 步驟中的柱的頂部處的壓力尤其佳的是在10與50毫巴（絕 對値）之間的範圍內。 若希望時可以將從第一蒸餾步驟的柱的頂部抽出的具 有低沸點的多種物質的混合物（主要是HF以及碳酸二氟伸 乙酯類）分離出。例如，可以藉由用水洗滌該混合物（這 係高度較佳的）或藉由用一惰性氣體汽提該混合物來去除 HF。剩餘的碳酸二氟伸乙酯類可以藉由蒸餾被分離出。可 替代地，來自第一蒸餾步驟的柱的頂部的混.合物可以不用 任何其他的處理像洗滌或汽提而簡單地藉由蒸餾來分離成 多種不同的化合物。二氟化的碳酸伸乙酯類係有價値的副 產物，因爲它們可以作爲添加劑應用於鋰離子電池溶劑。 若希望的話，可以將它們倒掉或燒掉。任何回收的氟化氫 本身也都是一有價値的產物。 在第二個柱中，對第一柱的底部產物進行蒸餾。較佳 -10- 201119998 的是，第二個蒸餾步驟的柱的頂部處的壓力係等於或小於 5 0毫巴（絕對値）。更佳的是，第二個柱的頂部處的壓力 係等於或小於30毫巴（絕對値）。較佳的是，第二個蒸飽 步驟的柱的頂部處的壓力係等於或大於5毫巴（絕對値） 。對該柱的條件進行選擇使得在該底部形成碳酸伸乙酯和 碳酸單氟伸乙酯的一混合物；由此增大了從頂部抽出的碳 酸單氟伸乙酯的純度。 在第二個蒸餾步驟的柱的頂部，獲得了高純的碳酸氟 伸乙酯。該頂部產物的純度係如此之高以至於它可以直接 應用於任何希望的目的，値得注意地是作爲溶劑或溶劑添 加劑用於鋰離子電池。純化的碳酸氟伸乙酯中的HF的含量 係按重量計等於或小於3 〇 ppm、較佳的是按重量計等於或 小於20 ppm。該等實例證明了可以實現甚至更低的HF含量 ，例如等於或小於1 〇 PPm。順式-碳酸二氟伸乙酯的含量 係低於20 ppm。通常，反式-碳酸二氟伸乙酯以及4,4-碳酸 二氟伸乙酯各自的量値係低於20 ppm。 經常，第一蒸餾步驟係在具有1 0至5 0理論級的一柱中 進行的。經常，第二個蒸餾步驟係在具有1 〇至3 〇理論級的 一柱中進行。若在純化後所得到的F 1 EC不具有所希望的純 度，例如HF含量大於30 ppm，則可以在具有更大理論塔板 數的一個柱或多個柱中進行一次或這兩次蒸餾從而達到所 希望的純度，較佳的是等於或小於3 0 p p m。 若希望的話，可以進行一第三蒸餾步驟以便進一步純 化在第二個蒸餾步驟中獲得的碳酸氟伸乙酯。第三個蒸餾 -11 - 201119998 步驟和任何另外的蒸餾步驟中的壓力的較佳範圍與在第二 個蒸餾步驟中的壓力的較佳範圍相對應。 蒸餾物殘餘物包含F1EC以及EC，並且可以被送回到 在其中進行了 EC與氟之間的氟化反應的這個反應容器中， 或者它們可以在第一蒸餾之前被加入原料之中。 如以上提到的，該原反應混合物（藉由起始自碳酸伸 乙酯和氟，可隨意地在HF、碳酸氟伸乙酯、或兩者均作爲 溶劑的存在下的反應得到）可以藉由一汽提方法來處理以 將HF含量減小至2重量％或甚至更低。去除HF的一第二處 理包括使該混合物與矽膠相接觸。這第二個HF去除步驟可 以在該等蒸餾步驟之前進行，或者它可以在第一蒸餾步驟 之後並且第二蒸餾步驟之前進行。若進行利用一吸收劑的 處理，較佳的是在第一蒸餾步驟之前進行它。 來自第二柱的底部的碳酸單氟伸乙酯和碳酸伸乙酯的 混合物可以被回收至氟化反應器中。上面已經提到，根據 美國專利申請2006-003 6 1 02，碳酸氟伸乙酯可以作爲碳酸 伸乙酯的溶劑應用。 在該等蒸餾步驟中使用的該等柱係本領域中已知的。 通常，在真空蒸餾中，應用了具有散裝塡充或結構塡充的 柱。 根據本發明的方法提供了純化的碳酸氟伸乙酯而無需 藉由另外的重結晶步驟或藉由廣泛的蒸餾步驟進行純化。 避免了伴隨材料耗損的水性工作進程（workup )。 以下實例旨在進一步說明本發明而不限制它。 -12- 201119998 【實施方式】 實例1 :藉由連續蒸餾來純化碳酸氟伸乙酯 縮寫： EC :碳酸伸乙酯 F1EC:碳酸單氟伸乙酯 C IS · F 2 E C ··順式· 4，5 _碳酸二氟伸乙酯 4,4-F2EC : 4.4-碳酸二氟伸乙酯 TR-F2EC:反式-4,4_碳酸二氟伸乙酯 Ε -η係指 1(Γη (例如：E_4係 10_4 ) 裝置：裝置包括兩個柱K1以及K2。K1具有20至30個 理論級，其中進料（在一進料管線F-K1中遞送）係在下三 分之一以上的一個級中進入柱中。K2具有12至20個理論級 ;將進料（κ 1的底部產物）通過管線B 1遞送並且在該柱中 部以上的一個級中進入柱K 2中。 將來自Κ 1頂部的餾出物在管線D 1中被抽出。將該餾 出物的一部分通過管線REF-1返回至K1中。 將來自K2頂部的餾出物在管線D2中被抽出；將該餾 出物的一部分通過管線REF-2送回至K2中。將K2底部產物 在管線B 2中抽出。 進料：進料係來自碳酸伸乙酯與一 F2/N2混合物反應 之間的反應（高達50 mol%的碳酸伸乙酯轉化率）的粗反 應混合物，從其中將所包含的HF的大部分藉由汽提去除； 另外的HF藉由與矽膠的接觸而被去除。進料中的HF含量 係在300 ppm以下並且在下面被忽略。在進料管線F-K1中 -13- 201119998 的進料溫度係106.8 °C，總質量流量率係77.8 kg/小時。 在柱K1的頂部的溫度係稍大於40°C，壓力係約25毫巴 (絕對値）。在柱K2的頂部的溫度係約8(TC，壓力係約8 毫巴（絕對値）。兩個柱底部的溫度都是稍大於1 30°C。 在表1中，對於在穿過管線F-K1 (進料線）和D2 (通 過該管線將最終的F 1 EC抽出）的流體中所包含的化合物的 質量分數（以重量％ )進行了編輯： :進料流和f 昏出物的 f構成 管線中的流 F-K1 D2 EC 0.463 5.13 E-6 F1EC 0.424 0.999967 CIS-F2EC 0.028 2.79 E-5 4,4-F2EC 0.019 0.0 TR-F2EC 0,066 0.0 表1證明，通過管線D2，抽出了 一高度純化的碳酸氟 伸乙酯。雜質係在較低的ppm範圍之內。 實例2 :碳酸單氟伸乙酯的分批蒸餾 所使用的裝置·’ 使用帶有機械攪拌器的一加熱蒸汽的鍋爐以及4個部 分被連接至該容器的一柱進行蒸餾。該柱爲4 111長’塡充 有玻璃不規則塡料’並與直接位於該柱的頂部的一冷凝器 相連接。 從碳酸伸乙酯（溶解在F1EC*)以及元素氟（在氮氣 -14- 201119998 中稀釋）的反應中得到起始材料（8 50升）。將形成的HF 的大部分藉由汽提去除。在蒸餾之前起始材料的構成爲（ 給出的數位以重量％計）： EC : 34% F1EC ： 58% F2EC ： 8% (反式-F2EC 3%，4,4-F2EC 1%，順式. F 2 E C 4 % )。 HF ： <0.2% .在蒸餾開始前，將1 〇 kg的矽膠加入鍋爐裡的起始材 料中以中和HF。在開始該蒸餾之前，藉由將壓力降低至約 1毫巴（絕對値）進行脫氣。由此，將溶解的氣體以及形 成的水（來自矽膠和H F的反應）從該起始材料中去除。將 在這個步驟中得到的氣體流的多種可壓縮組分去除以保護 該真空泵。 將該鍋爐裡的起始材料加熱至約1 2 5 °c。該柱的頂部 的壓力係3.5毫巴（絕對値），頂部的溫度係約73°C。 在該蒸餾開始時，F2EC異構體以高濃度到達該柱的頂 部。它們可以被處理掉。 當F2EC異構體的含量係在2重量％以下時，將餾出物 收集在一單獨的儲存箱中。一旦餾出物中的EC含量達到2 重量％就立即終止餾出物的收集。該儲存箱中的液體構成 係稍小於2重量％的F2EC異構體、97_5重量°/c^^)F〗EC以及 0.5重量％的EC。鍋爐中剩餘的液體具有的構成爲約1〇重量 %的F 1 E C以及約9 0重量％的E C，從該鍋爐中被去除並且加 -15- 201119998 入另一批次的起始材料中以自EC和氟生產F1EC。 倒掉。 儲存箱中裝有約5 00升的餾出物。將其送回至 中並且加入5 kg新鮮的矽膠。這一次，不進行脫氣 鍋爐中的液體加熱至1 2 5 t，並且該柱頂部的壓力， 巴（絕對値）。在開始時回收的餾出物包含很爸 F2EC並且被返回到來自另一氟化作用的原料中用於 〇 —旦該餾出物含有>99.1重量％的F1EC時就將 在一精產物儲存箱。在蒸餾結束時該鍋爐中剩餘的 稍後將其加入EC的另一氟化反應的起始材料中）含 重量％的F1EC以及約20重量％的EC。 在這兩個蒸餾步驟之後，分離出的精產物的總 約3 6重量％。 將矽膠 該鍋爐 。將該 系1 . 5毫 U犋式-再蒸餾 其收集 液體（ 有約8 0 產量係

Claims (1)

1. 201119998 七、申請專利範圍： 1. 一種用於製備經純化的碳酸氟伸乙酯之方法，該方 法包括一步驟，其中將包含碳酸氟伸乙酯、碳酸伸乙酯、 較高氟化的碳酸酯類以及HF之反應混合物在至少兩個蒸餾 步驟中進行蒸餾，其中被送入該第一蒸餾步驟中的反應混 合物包含不大於5重量％的HF。 2 .如申請專利範圍第1項之方法，其中，被送入該第 一蒸餾步驟中的反應混合物包含不大於1重量％的H F。 3 .如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該蒸餾係 連續地進行的。 4 .如申請專利範圍第3項之方法，其中，將該反應混 合物連續地送入第一蒸餾步驟中，其中將包括H F、二氟化 的有機碳酸酯類以及較高氟化的有機碳酸酯類的該等較低 沸點之化合物從頂部抽出，並且將包括碳酸伸乙酯以及碳 酸氟伸乙醋的該等較高沸點之化合物從底部抽出，並且其 中將該等較高沸點之化合物送入第二蒸餾步驟中，其中將 純質的碳酸單氟伸乙酯從頂部抽出。 5 .如申請專利範圍第3項之方法，其中，該第一步驟 中的蒸餾係在等於或小於1〇〇毫巴（絕對値）的柱頂部壓 力下進行的。 6 _如申請專利範圍第3項之方法，其中，該第二步驟 中的蒸飽係在等於或小於5〇毫巴（絕對値）的柱頂部壓力 下進行的。 7.如申請專利範圍第1項之方法’其中，該經純化的 -17- 201119998 碳酸氟伸乙酯包括等於或小於30 ppm的HF。 8 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，該反應係分 批進行的。 9.如申請專利範圍第8項之方法，其中，該第—柱的 頂部壓力係大於該第二柱的頂部壓力，並且在該第一柱中 係等於或小於1 〇毫巴（絕對値）’而在該第二柱中係等於 或小於5毫巴（絕對値）。 1 0.如申s靑專利範圍第1項之方法，該方法係在至少兩 個蒸餾柱中進行的。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之方法，該方法係在兩個 蒸餾柱中進行的。 1 2 ·如申請專利範圍第1項之方法，其中，使包括碳酸 Μ伸乙酯、碳酸伸乙酯、較高氟化的碳酸酯類以及HF且 HF含量爲大於5重量％的HF之反應混合物歷經汽提方法， 以減小H F的含量而獲得含有不大於5重量％之反應混合物 ，並且將該生成的反應混合物在至少兩個蒸餾步驟中進行 蒸餾。 -18- 201119998 四 指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：無。 (二） 本代表圖之元件符號簡單說明：無 201119998 五、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學 式：無 -4-