WO2011122573A1 - ３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法 - Google Patents

３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法 Download PDF

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pentafluoropropene
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chloro
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真介 大下
裕一 橋川
昌宏 近藤
崇 吉村
篠木　紀之
Toshiya MANTANI (萬谷 聡哉)
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ダイキン工業株式会社
萬谷 恵美
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C17/00—Preparation of halogenated hydrocarbons
    • C07C17/093—Preparation of halogenated hydrocarbons by replacement by halogens

Definitions

  • the present invention relates to a process for producing 3-chloro-pentafluoropropene.
  • CPFP 3-Chloro-pentafluoropropene
  • CPFP manufacturing methods For example, a method of thermally decomposing chlorotrifluoroethylene (for example, see Patent Document 1), a method of fluorinating 1,1,1,2,3,3,3-heptachloro-2-fluoropropane and then dechlorinating (See, for example, Non-Patent Document 1)
  • a method of producing 1,2,3-trichloropentafluoropropane from chloroform and tetrachloroethylene through an addition reaction, a fluorination reaction, etc. by dechlorination reaction eg, patent Document 2 is known.
  • Non-Patent Document 2 a method of chlorinating 3-iodo-pentafluoropropene or 3-bromo-pentafluoropropene
  • Non-Patent Document 3 describes that 3-iodo-pentafluoropropene and 3-bromo-pentafluoropropene are produced from perfluoroallylfluorosulfate.
  • Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Documents 1 and 2 require a multi-step reaction.
  • a process for producing 3-iodo-pentafluoropropene or 3-bromo-pentafluoropropene from a raw material monomer and a chlorination process are required. is there.
  • Non-Patent Document 3 does not describe a method for producing 3-chloro-pentafluoropropene.
  • 3-iodo-pentafluoropropene is produced from perfluoroallylfluorosulfate by iodination using potassium iodide.
  • 3-bromo-pentafluoropropene is produced from perfluoroallylfluorosulfate by bromination using potassium bromide.
  • 3-chloro-pentafluoropropene could not be produced by chlorinating perfluoroallylfluorosulfate using potassium chloride instead of potassium iodide or potassium bromide.
  • the present invention provides a method for producing CPFP in a high yield by a one-step reaction by chlorination of perfluoroallylfluorosulfate.
  • the present invention includes a step of bringing 3-fluoro-pentafluoropropene (perfluoroallyl chloride) into contact with perfluoroallylfluorosulfate ester and an onium chloride compound to obtain 3-chloro-pentafluoropropene, It is a manufacturing method.
  • the method for producing 3-chloro-pentafluoropropene of the present invention includes a step of obtaining 3-chloro-pentafluoropropene by contacting perfluoroallylfluorosulfate with an onium chloride compound.
  • the perfluoroallylfluorosulfate is chlorinated, and 3-chloro-pentafluoropropene can be produced by a one-step reaction.
  • the yield is also excellent.
  • 3-chloro-pentafluoropropene can be produced from perfluoroallylfluorosulfate ester in a one-step reaction without using heavy metals, thereby simplifying the production process, Cost can be reduced. In addition, since no metal halide is produced, the problem of industrial waste does not occur.
  • the compound which consists of an onium cation and a chloride ion is mentioned, for example.
  • the onium cation include those containing a hetero atom and a hydrocarbon group such as an alkyl group or a phenyl group bonded thereto.
  • the hetero atom include nitrogen, phosphorus, sulfur, oxygen, selenium, tin, iodine, and antimony.
  • the hetero atom is preferably nitrogen, phosphorus, sulfur or oxygen, more preferably nitrogen or phosphorus, and still more preferably nitrogen.
  • the onium chloride compound is preferably a hydrochloride.
  • the onium chloride compound is preferably a salt of an amine and hydrogen chloride.
  • the amine is obtained by substituting one or more hydrogen atoms constituting ammonia with a hydrocarbon group such as an alkyl group or a phenyl group.
  • the onium chloride compound may be a salt (heterocyclic onium chloride compound) composed of a cation having a heterocyclic structure and a chloride ion.
  • a heterocyclic onium chloride compound a salt of a heterocyclic nitrogen compound in which one or more carbon atoms of benzene or cyclohexane are replaced with a nitrogen atom and hydrogen chloride is preferable.
  • the number of atoms constituting the heterocyclic ring is preferably 3 to 6, and more preferably 5 or 6.
  • the heterocyclic ring only needs to have one or more heteroatoms. Although two or more heteroatoms may be used, it is preferable that one heteroatom constitutes one heterocyclic ring. Examples of the hetero atom include the same as described above, and among these, a nitrogen atom is preferable.
  • the onium chloride compound is preferably liquid at a temperature at which the perfluoroallylfluorosulfate ester and the onium chloride compound are brought into contact with each other. By being liquid, the chlorination reaction can proceed efficiently, and the yield of CPFP can be further improved.
  • the onium chloride compound is preferably soluble in perfluoroallylfluorosulfate.
  • onium chloride compounds include ammonium chloride compounds, phosphonium chloride compounds, sulfonium chloride compounds, oxonium chloride compounds, and the like. You may use these individually or in combination of 2 or more types.
  • ammonium chloride compound examples include salts of chloride ions and ammonium ions.
  • the ammonium ion is a primary, secondary, tertiary or quaternary ammonium ion, preferably a tertiary or quaternary ammonium ion.
  • an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms an aryl group having 6 to 30 carbon atoms which may have a substituent, or 7 to 13 carbon atoms which may have a substituent.
  • an ammonium ion having an aralkyl group is preferred.
  • ammonium chloride compound is ammonium chloride
  • the chlorination reaction does not proceed efficiently, and 3-chloro-pentafluoropropene can be obtained in high yield. Can not.
  • the salt of the heterocyclic nitrogen compound and hydrogen chloride which may have a substituent can also be mentioned.
  • the substituent that the heterocyclic nitrogen compound may have is preferably a linear or branched alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, a linear or branched alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, or a halogen atom.
  • the salt of the above heterocyclic nitrogen compound and hydrogen chloride is a salt of a heterocyclic nitrogen compound and hydrogen chloride in which one or more carbon atoms constituting the ring of the cyclic compound such as benzene or cyclohexane are replaced with nitrogen atoms. And at least one compound selected from the group consisting of piperidine hydrochloride, pyridine hydrochloride, pyrrolidine hydrochloride, quinoline hydrochloride and 1-ethyl-3-methylimidazolidinium chloride is more preferable.
  • the phosphonium chloride compound is preferably a salt composed of chloride ions and phosphonium ions.
  • the phosphonium ion is a quaternary phosphonium ion, and has, for example, an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, an aryl group having 6 to 30 carbon atoms which may have a substituent, or a substituent. It preferably has an aralkyl group having 7 to 13 carbon atoms.
  • the sulfonium chloride compound is preferably a salt composed of chloride ion and sulfonium ion, and examples thereof include tertiary sulfonium salts such as methylmethionine sulfonium chloride.
  • the oxonium chloride compound is preferably a salt composed of a chloride ion and an oxonium ion.
  • the onium chloride compound is preferably at least one selected from the group consisting of an ammonium chloride compound and a phosphonium chloride compound, and more preferably an ammonium chloride compound.
  • X is nitrogen or phosphorus
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same or different and each represents a hydrogen atom or an alkyl having 1 to 20 carbon atoms which may have a substituent.
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same or different and each represents a hydrogen atom or an alkyl having 1 to 20 carbon atoms which may have a substituent.
  • a group consisting of a salt of a heterocyclic nitrogen compound optionally having a substituent and hydrogen chloride It is preferable that it is at least one kind.
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are not hydrogen atoms
  • at least one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is an alkyl having 1 to 20 carbon atoms. Or an aryl group having 7 to 13 carbon atoms which may have a substituent, or an aryl group having 6 to 30 carbon atoms which may have a substituent.
  • the alkyl group in formula (1) is an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, preferably an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and more preferably an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms. .
  • the alkyl group may be a linear alkyl group or a branched alkyl group.
  • the aryl group in the formula (1) is an aryl group having 6 to 30 carbon atoms, and preferably an aryl group having 6 to 10 carbon atoms. Specifically, at least one group selected from the group consisting of a phenyl group, a tolyl group, a xylyl group, a naphthyl group, and an anthranyl group is preferable.
  • the aralkyl group in the formula (1) is an aralkyl group having 7 to 13 carbon atoms. Specifically, it is preferably at least one group selected from the group consisting of a benzyl group, a phenethyl group, and a naphthylmethyl group.
  • the alkyl group, aryl group or aralkyl group may have a substituent.
  • substituents include an alkyl group having 1 to 6 carbon atoms, an alkoxy group having 1 to 6 carbon atoms, a cyano group, and a halogen atom. Is preferred.
  • X in the formula (1) is more preferably nitrogen.
  • specific compounds represented by the formula (1) include tetrabutylammonium chloride, trioctylmethylammonium chloride, trimethylphenylammonium chloride, tetraphenylammonium chloride, (methoxymethyl) triphenyl.
  • Quaternary ammonium salts such as ammonium chloride, benzyltrimethylammonium chloride, 1-ethylpyridinium chloride, 1-ethyl-3-methylimidazolidinium chloride; tertiary amine hydrochlorides such as triethylamine hydrochloride, trimethylamine hydrochloride, pyridine hydrochloride Secondary amine hydrochlorides such as diethylamine hydrochloride; primary amine hydrochlorides such as ethylamine hydrochloride; and the like. Of these, at least one selected from the group consisting of tetrabutylammonium chloride and triethylamine hydrochloride is preferable.
  • specific compounds represented by the formula (1) include tetrabutylphosphonium chloride, cyanomethyltributylphosphonium chloride, benzyltriphenylphosphonium chloride, tetraphenylphosphonium chloride, (methoxymethyl) trimethyl. Examples thereof include phenylphosphonium chloride. Of these, tetraphenylphosphonium chloride is preferable.
  • any one of R 1 ⁇ R 4 is a hydrogen atom
  • any three of R 1 ⁇ R 4 is a tertiary amine hydrochloride salt is an alkyl group Is more preferable
  • triethylamine hydrochloride is more preferable because it is inexpensive and easily available.
  • the salt of the heterocyclic nitrogen compound and hydrogen chloride is the same as described above.
  • the onium chloride compound is at least one selected from the group consisting of a compound represented by the above formula (1) and a salt of a heterocyclic nitrogen compound which may have a substituent and hydrogen chloride.
  • it is a compound represented by the above formula (1).
  • R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same or different and are preferably a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms, It is more preferably an alkyl group having 1 to 10 carbon atoms, and further preferably a hydrogen atom or an alkyl group having 1 to 5 carbon atoms.
  • the method of bringing the perfluoroallylfluorosulfate ester into contact with the onium chloride compound is not particularly limited as long as the perfluoroallylfluorosulfate ester is brought into contact with the onium chloride compound.
  • a reaction vessel charged with the onium chloride compound For example, a method in which perfluoroallylfluorosulfate is dropped, and a method in which an onium chloride compound and perfluoroallylfluorosulfate are charged in a reaction vessel and stirred.
  • a method of dropping perfluoroallylfluorosulfate is preferred.
  • the onium chloride compound may be contacted with perfluoroallylfluorosulfate in a state dissolved in a solvent, or may be contacted with perfluoroallylfluorosulfate without solvent.
  • the contact between the perfluoroallylfluorosulfate ester and the onium chloride compound may be carried out in a solvent or in the absence of a solvent.
  • a contact was considered that sufficient yield could not be obtained if it was carried out in the absence of a solvent.
  • CPFP can be produced in a sufficiently high yield even when contact is made in the absence of a solvent.
  • an organic solvent or an ionic liquid is preferable. More preferably, the organic solvent or ionic liquid does not dissociate protons.
  • the organic solvent or ionic liquid may contain water as long as the effects of the present invention are not impaired, but the organic solvent or ionic liquid preferably does not substantially contain water. This is because hydrolysis of the perfluoroallylfluorosulfuric acid ester, which is a raw material, may advance in advance due to moisture contained therein. If CPFP is isolated and purified by water washing or distillation, it is preferable to use a water-soluble one having a boiling point difference of 50 ° C. or more as compared with CPFP.
  • organic solvents examples include ethers such as diethyl ether, ethyl methyl ether, diisopropyl ether, dibutyl ether, dibenzyl ether, diphenyl ether, oxetane, tetrahydrofuran, tetrahydropyran, dioxane, methyl acetate, ethyl acetate, acetic acid Esters such as propyl, isopropyl acetate, butyl acetate, isobutyl acetate, pentyl acetate, isopentyl acetate, ketones such as acetone, methyl ethyl ketone, methyl butyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, Ethylene glycol monobutyl ether, ethylene glycol dimethyl ether (monoglyme
  • the solvent preferably has a volume of 0 to 200% with respect to perfluoroallylfluorosulfate in order to increase the stirring efficiency. More preferably, the capacity is 0 to 20%. The lower limit of the solvent capacity may be 1% with respect to the perfluoroallylfluorosulfate used.
  • the temperature at the time of contact between the perfluoroallylfluorosulfate and the onium chloride compound is, for example, preferably ⁇ 20 to 50 ° C., and more preferably 0 to 30 ° C. It exists in the said range from the point which can suppress the pressure concerning a reaction container and can perform reaction rapidly.
  • the reaction time is not particularly limited because it depends on the reaction conditions such as the type of solvent and temperature, but it is usually about 0.01 to 50 hours, and in order to sufficiently proceed the reaction, 0.1 to It is preferably about 15 hours.
  • reaction pressure is not particularly limited, but can be carried out, for example, at ⁇ 0.01 to 1 MPa. In view of the simplicity of the production process, it is also preferable to carry out at atmospheric pressure (1 atm).
  • the onium chloride compound is preferably present in excess relative to the perfluoroallylfluorosulfate ester.
  • the onium chloride compound is a solid or a high-viscosity liquid, the amount of the onium chloride compound is preferably as small as possible in order to increase the stirring efficiency.
  • the onium chloride compound to be contacted with the perfluoroallylfluorosulfate is preferably 1 to 3 equivalents relative to the perfluoroallylfluorosulfate.
  • the obtained 3-chloro-pentafluoropropene may be purified by a known method such as distillation or column chromatography.
  • the present invention includes a step of contacting a perfluoroallylfluorosulfate ester and an onium chloride compound in a reaction solvent to obtain a product solution containing 3-chloro-pentafluoropropene, and a step of distilling the obtained product solution.
  • the manufacturing method containing these may be sufficient.
  • distillation high purity 3-chloro-pentafluoropropene can be obtained.
  • the obtained 3-chloro-pentafluoropropene can be identified using, for example, a gas chromatograph / mass spectrometer.
  • CPFP can be produced from perfluoroallylfluorosulfate in a one-step reaction with a high yield.
  • the yield can be, for example, 70% or more, or 80% or more.
  • the above yield is the ratio of 3-chloro-pentafluoropropene (mol) obtained to perfluoroallylfluorosulfate ester (mol) used.
  • 3-Chloro-pentafluoropropene obtained by the above method is a useful compound as an intermediate that can be derived into a raw material monomer of a fluororesin used for an ion exchange resin, a polymer electrolyte membrane or the like.
  • the polymer electrolyte membrane or ion exchange resin is, for example, an electrolyte membrane for a solid polymer electrolyte fuel cell, a lithium battery membrane, a salt electrolysis membrane, a water electrolysis membrane, a hydrohalic acid electrolysis membrane, or an oxygen concentrator Used as membranes, membranes for humidity sensors, membranes for gas sensors, etc.
  • CPFP can be produced in a high yield by a one-step reaction by chlorination of perfluoroallylfluorosulfate. Also, no heavy metal is used and no metal halide is produced, so that there is no problem of industrial waste.
  • Example 1 Triethylamine hydrochloride (97 g, 703 mmol) and diglyme 50 mL were placed in a 300 mL four-necked flask equipped with a Dimroth condenser, dropping funnel, and thermometer, and stirred with a magnetic stirrer.
  • the Dimroth condenser was cooled with a ⁇ 20 ° C. refrigerant, and the reaction flask was cooled to 0 ° C. with an ice bath.
  • the distillation residue was confirmed by NMR analysis to contain carboxylic acid, ammonium fluorosulfate, and an excess amount of triethylamine hydrochloride, which are thought to have hydrolyzed unreacted perfluoroallylfluorosulfate during quenching.
  • Example 2 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that pyridine hydrochloride (81.0 g, 701 mmol) was used instead of triethylamine hydrochloride. As a result, 86.8 g of the target perfluoroallyl chloride was obtained with respect to the used perfluoroallylfluorosulfate (135 g, 586 mmol) (yield 89%).
  • Example 3 instead of triethylamine hydrochloride, the trade name aliquat 336 (72.7 g, 180 mmol, a mixture of tri-n-octylmethylammonium chloride based on tri-n-octylmethylammonium chloride) was used, and 54 g of acetone was used as a solvent. Except for this, the reaction was carried out in the same manner as in Example 1. As a result, 11.9 g of the desired perfluoroallyl chloride was obtained with respect to the used perfluoroallylfluorosulfate (31.1 g, 135 mmol) (yield 53%).
  • Example 4 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that the solvent was not used. As a result, 87.7 g of the desired perfluoroallyl chloride was obtained with respect to the used perfluoroallylfluorosulfate ester (135 g, 586 mmol) (yield 90%).
  • Example 5 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that 50 mL of triethylamine fluorosulfate was used as the solvent. As a result, 89.8 g of the desired perfluoroallyl chloride was obtained with respect to the used perfluoroallylfluorosulfate (135 g, 586 mmol) (yield 92%).
  • Example 6 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that tetrabutylammonium chloride (14.5 g, 52.2 mmol) was used instead of triethylamine hydrochloride. As a result, 7.0 g of the desired perfluoroallyl chloride was obtained with respect to the used perfluoroallylfluorosulfate ester (10.0 g, 43.5 mmol) (yield 96.4%).
  • Example 7 The reaction was performed in the same manner as in Example 1 except that tetraphenylphosphonium chloride (24.5 g, 65.3 mmol) was used instead of triethylamine hydrochloride. As a result, 2.4 g of the desired perfluoroallyl chloride was obtained with respect to the perfluoroallylfluorosulfate used (10.0 g, 43.5 mmol) (yield 32.5%).
  • the 3-chloro-pentafluoropropene obtained by the production method of the present invention can be suitably used as an intermediate that can be derived into a raw material monomer of a fluororesin used for an ion exchange resin, a polymer electrolyte membrane or the like.

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Abstract

パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルの塩素化によって、１工程の反応で３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを収率よく製造する方法を提供する。本発明は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とを接触させて３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを得る工程を含むことを特徴とする３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法である。

Description

３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法
本発明は、３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法に関する。
３－クロロ－ペンタフルオロプロペン（以下「ＣＰＦＰ」ともいう。）は、各種フッ素化合物、例えばイオン交換樹脂や高分子電解質膜等に用いられるフッ素樹脂の原料モノマーへと誘導できる重要な中間体である。
ＣＰＦＰの製造方法としては、様々な方法が開発されている。例えば、クロロトリフルオロエチレンを熱分解する方法（例えば、特許文献１参照）、１，１，１，２，３，３，３－ヘプタクロロ－２－フルオロプロパンをフッ素化し、次いで脱塩素化する方法（例えば、非特許文献１参照）、クロロホルムとテトラクロロエチレンから付加反応、フッ素化反応などを経て製造される１，２，３－トリクロロペンタフルオロプロパンを脱塩素反応することにより製造する方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。
また、ＣＰＦＰを合成する方法としては、３－ヨード－ペンタフルオロプロペンもしくは３－ブロモ－ペンタフルオロプロペンを塩素化する方法（非特許文献２）が知られている。
ところで、非特許文献３には、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルから、３－ヨード－ペンタフルオロプロペン及び３－ブロモ－ペンタフルオロプロペンを製造することが記載されている。
米国特許第３０４７６３９号明細書 特開昭６１－１１８３３３号公報
ジャーナル　オブ　アメリカン　ケミカルソサエティー、７０巻、１９４８年、ｐ．１３０ ジャーナル　オブ　アメリカン　ケミカルソサエティー、７９巻、１９５７年、ｐｐ．４１７０－４１７４ ジャーナル　オブ　フルオラインケミストリー、２０巻、１９８２年、ｐｐ．１３２－１３４
しかしながら、特許文献１及び２、並びに、非特許文献１及び２に記載されている方法では、多工程の反応を必要とする。例えば、非特許文献２の方法で塩素化を行う場合、原料となるモノマーから３－ヨード－ペンタフルオロプロペンや３－ブロモ－ペンタフルオロプロペンを製造する工程と、塩素化を行う工程とが必要である。
このように、従来の方法によりＣＰＦＰを製造する場合、多工程の反応が必要であるため、得られるＣＰＦＰの収率が低く、生産性の点で改善の余地があった。更に、副生成物として塩化亜鉛が発生するなどの問題もあり、大量合成には向いていないものであった。また、特許文献１に記載の方法は、熱分解時に多種多様な副生成物が発生して、収率が低くなる点でも改善の余地があった。
非特許文献３には、３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを製造する方法は記載されていない。非特許文献３では、ヨウ化カリウムを用いてヨウ化することで、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルから３－ヨード－ペンタフルオロプロペンを製造している。また、臭化カリウムを用いて臭化することで、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルから３－ブロモ－ペンタフルオロプロペンを製造している。しかしながら、ヨウ化カリウムや臭化カリウムの代わりに、塩化カリウムを用いてパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルを塩素化しようとしても３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを製造することはできなかった。
本発明は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルの塩素化によって、１工程の反応でＣＰＦＰを収率よく製造する方法を提供する。
本発明は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とを接触させて３－クロロ－ペンタフルオロプロペン（パーフルオロアリルクロライド）を得る工程を含むことを特徴とする３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法である。
以下に、本発明を詳細に説明する。
本発明の３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とを接触させて３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを得る工程を含む。パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とを接触させることで、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルが塩素化され、１工程の反応で３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを製造することができる。また、１工程の反応で製造することができるため収率も優れている。
さらに、本発明の製造方法では、重金属を使用することもなく、１工程の反応でパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルから３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを製造することができるため、製造工程の簡略化、コストの削減を図ることができる。また、ハロゲン化金属も生成されないため、産業廃棄物の問題も生じない。
従来、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルを直接塩素化する方法についての報告例はなく、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とを接触させることにより、１工程で３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを収率よく得ることができるという知見は、本発明者らにより初めて見出されたものである。
パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルは、下記式：
ＣＦ２＝ＣＦＣＦ２ＯＳＯ２Ｆ
で表される化合物である。
上記塩化オニウム化合物としては、例えば、オニウムカチオンと塩化物イオンとからなる化合物が挙げられる。上記オニウムカチオンとしては、へテロ原子と、それに結合しているアルキル基、フェニル基等の炭化水素基とを含むものが挙げられる。上記へテロ原子としては、窒素、リン、硫黄、酸素、セレン、スズ、ヨウ素、アンチモン等が挙げられる。これらの中でも、上記へテロ原子としては、窒素、リン、硫黄又は酸素であることが好ましく、窒素又はリンであることがより好ましく、窒素であることが更に好ましい。
上記塩化オニウム化合物は、塩酸塩であることが好ましい。例えば、上記へテロ原子が窒素原子である場合、塩化オニウム化合物は、アミンと塩化水素との塩であることが好ましい。なお、上記アミンは、アンモニアを構成する１個以上の水素原子が、アルキル基、フェニル基等の炭化水素基で置換されたものである。
また、上記塩化オニウム化合物は、複素環構造を有するカチオンと塩化物イオンとからなる塩（複素環式塩化オニウム化合物）であってもよい。このような複素環式塩化オニウム化合物としては、ベンゼン又はシクロヘキサンの炭素原子の１個以上が窒素原子に置き換わった複素環式窒素化合物と塩化水素との塩が好ましい。
複素環を構成する原子数は、３～６であることが好ましく、５又は６であることがより好ましい。複素環は１個以上のへテロ原子を有していればよい。へテロ原子は２個以上であってもよいが、１個の複素環を構成するヘテロ原子は１個であることが好ましい。ヘテロ原子としては上記と同じものが挙げられるが、これらの中でも、窒素原子であることが好ましい。
塩化オニウム化合物は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とを接触させる温度において液体であることが好ましい。液体であることにより塩素化反応を効率よく進行させることができ、ＣＰＦＰの収率をより向上させることができる。
パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルの塩素化を効率よく行う点で、塩化オニウム化合物は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに溶解するものであることが好ましい。
塩化オニウム化合物としては、例えば、塩化アンモニウム化合物、塩化ホスホニウム化合物、塩化スルホニウム化合物、塩化オキソニウム化合物等が挙げられる。これらは単独又は２種以上を組み合わせて用いてもよい。
上記塩化アンモニウム化合物としては、塩化物イオンとアンモニウムイオンとの塩が挙げられる。上記アンモニウムイオンは、第１級、２級、３級又は４級のアンモニウムイオンであり、第３級又は４級のアンモニウムイオンであることが好ましい。具体的には、例えば、炭素数１～２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数６～３０のアリール基、又は、置換基を有していてもよい炭素数７～１３のアラルキル基を有しているアンモニウムイオンが好ましい。塩化アンモニウム化合物が、塩化アンモニウムである場合、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化アンモニウムを接触させても、塩素化反応が効率よく進行せず、３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを収率よく得ることができない。
塩化アンモニウム化合物としては、置換基を有していてもよい複素環式窒素化合物と塩化水素との塩も挙げることができる。複素環式窒素化合物が有していてもよい置換基としては、直鎖または分岐の炭素数１～６のアルキル基、直鎖または分岐の炭素数１～６のアルコキシ基又はハロゲン原子が好ましい。
上記複素環式窒素化合物と塩化水素との塩としては、ベンゼン又はシクロヘキサン等の環状化合物の環を構成する炭素原子の１個以上が窒素原子に置き換わった複素環式窒素化合物と塩化水素との塩が好ましく、ピペリジン塩酸塩、ピリジン塩酸塩、ピロリジン塩酸塩、キノリン塩酸塩及び１－エチル－３－メチルイミダゾリジニウムクロライドからなる群より選択される少なくとも１種の化合物がより好ましい。
塩化ホスホニウム化合物としては、塩化物イオンとホスホニウムイオンとからなる塩であることが好ましい。上記ホスホニウムイオンは、４級のホスホニウムイオンであり、例えば、炭素数１～２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数６～３０のアリール基、又は、置換基を有していてもよい炭素数７～１３のアラルキル基を有しているものであることが好ましい。
塩化スルホニウム化合物としては、塩化物イオンとスルホニウムイオンとからなる塩であることが好ましく、例えば、メチルメチオニンスルホニウムクロライド等の３級スルホニウム塩等が挙げられる。
塩化オキソニウム化合物としては、塩化物イオンとオキソニウムイオンとからなる塩であることが好ましい。
塩化オニウム化合物としては、塩化アンモニウム化合物、及び、塩化ホスホニウム化合物からなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましく、塩化アンモニウム化合物であることがより好ましい。
塩化オニウム化合物としては、下記式（１）：
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
（式中、Ｘは、窒素又はリンであり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、同一又は異なって、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数１～２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数７～１３のアラルキル基、又は、置換基を有していてもよい炭素数６～３０のアリール基である。但し、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の全てが水素原子になることはない。）で表される化合物、及び、置換基を有していてもよい複素環式窒素化合物と塩化水素との塩からなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。
前記「Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の全てが水素原子になることはない」とは、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の少なくとも一つが、炭素数１～２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数７～１３のアラルキル基、又は、置換基を有していてもよい炭素数６～３０のアリール基であることを意味する。
式（１）中のアルキル基としては、炭素数１～２０のアルキル基であり、炭素数１～１０のアルキル基であることが好ましく、炭素数１～５のアルキル基であることがより好ましい。また、アルキル基は、直鎖のアルキル基であってもよいし、分岐したアルキル基であってもよい。
式（１）中のアリール基としては、炭素数６～３０のアリール基であり、炭素数６～１０のアリール基であることが好ましい。具体的には、フェニル基、トリル基、キシリル基、ナフチル基、及び、アントラニル基からなる群より選択される少なくとも１種の基であることが好ましい。
式（１）中のアラルキル基としては、炭素数７～１３のアラルキル基である。具体的には、ベンジル基、フェネチル基、及び、ナフチルメチル基からなる群より選択される少なくとも１種の基であることが好ましい。
上記アルキル基、アリール基又はアラルキル基は、置換基を有していてもよく、該置換基としては、炭素数１～６のアルキル基、炭素数１～６のアルコキシ基、シアノ基又はハロゲン原子が好ましい。
式（１）中のＸは、窒素であることがより好ましい。
Ｘが窒素原子である場合、式（１）で表される具体的な化合物としては、テトラブチルアンモニウムクロライド、トリオクチルメチルアンモニウムクロライド、トリメチルフェニルアンモニウムクロライド、テトラフェニルアンモニウムクロライド、（メトキシメチル）トリフェニルアンモニウムクロライド、ベンジルトリメチルアンモニウムクロライド、１－エチルピリジニウムクロライド、１－エチル－３－メチルイミダゾリジニウムクロライド等の４級アンモニウム塩；トリエチルアミン塩酸塩、トリメチルアミン塩酸塩、ピリジン塩酸塩等の３級アミン塩酸塩；ジエチルアミン塩酸塩等の２級アミン塩酸塩；エチルアミン塩酸塩等の１級アミン塩酸塩；等が挙げられる。なかでも、テトラブチルアンモニウムクロライド、及び、トリエチルアミン塩酸塩からなる群より選択される少なくとも１種が好ましい。
Ｘがリン原子である場合、式（１）で表される具体的な化合物としては、テトラブチルホスホニウムクロライド、シアノメチルトリブチルホスホニウムクロライド、ベンジルトリフェニルホスホニウムクロライド、テトラフェニルホスホニウムクロライド、（メトキシメチル）トリフェニルホスホニウムクロライド等が挙げられる。なかでも、テトラフェニルホスホニウムクロライドが好ましい。
上記式（１）で表される化合物としては、Ｒ１～Ｒ４のいずれか一つが水素原子であり、Ｒ１～Ｒ４のいずれか３つがアルキル基である３級アミン塩酸塩であることがより好ましく、安価で入手容易な点で、トリエチルアミン塩酸塩が更に好ましい。
上記式（１）で表される化合物とパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルとを接触させた場合、下記式：
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
（式中、Ｘ、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は上記と同じ。）で表される反応により、３－クロロ－ペンタフルオロプロペンが得られる。
上記複素環式窒素化合物と塩化水素との塩としては、上述したものと同じである。
塩化オニウム化合物としては、上記式（１）で表される化合物、及び、置換基を有していてもよい複素環式窒素化合物と塩化水素との塩からなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましく、上記式（１）で表される化合物であることがより好ましい。上記式（１）で表される化合物において、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、同一又は異なって、水素原子又は炭素数１～２０のアルキル基であることが好ましく、水素原子又は炭素数１～１０のアルキル基であることがより好ましく、水素原子又は炭素数１～５のアルキル基であることが更に好ましい。
パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とを接触させる方法は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とが接触するのであれば特に限定されないが、例えば、塩化オニウム化合物を仕込んだ反応容器中にパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルを滴下する方法、反応容器中に塩化オニウム化合物とパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルを仕込み、攪拌する方法等が挙げられる。反応条件の制御が容易である点から、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルを滴下する方法が好ましい。
上記塩化オニウム化合物は、溶媒に溶解させた状態でパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと接触させてもよいし、無溶媒でパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに接触させてもよい。
上記パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物との接触は、溶媒中で行ってもよく、無溶媒下において接触を行ってもよい。通常、このような接触は、無溶媒下で行うと十分な収率が得られないと考えられていた。しかしながら、本発明においては、無溶媒下で接触を行った場合でも十分に高い収率でＣＰＦＰを製造することができるものである。
溶媒としては、有機溶媒またはイオン性液体が好ましい。この有機溶媒またはイオン性液体は、プロトンを解離しないものがより好ましい。有機溶媒またはイオン性液体は、本発明の効果を損なわない範囲で水を含んでいてもよいが、有機溶媒またはイオン性液体は実質的に水を含まないことが好ましい。含まれる水分により原料であるパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルの加水分解が先行して進行するおそれがあるためである。ＣＰＦＰの単離精製に水洗もしくは、蒸留等の工程を経るのであれば、水溶性でありＣＰＦＰと比較して５０℃以上の沸点差のあるものを用いるのが好ましい。
このような有機溶媒としては、例えば、ジエチルエーテル、エチルメチルエーテル、ジイソプロピルエーテル、ジブチルエーテル、ジベンジルエーテル、ジフェニルエーテル、オキセタン、テトラヒドロフラン、テトラヒドロピラン、ジオキサン、などのエーテル類、酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸ブチル、酢酸イソブチル、酢酸ペンチル、酢酸イソペンチルなどのエステル類、アセトン、メチルエチルケトン、メチルブチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノンなどのケトン類、エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノブチルエーテル、エチレングリコールジメチルエーテル（モノグライム）、ジエチレングリコールジメチルエーテル（ジグライム）、トリエチレングリコールジメチルエーテル（トリグライム）、テトラエチレングリコールジメチルエーテル（テトラグライム）などのグリコールエーテル類、アセトニトリル、プロピオニトリル、ベンゾニトリルなどのニトリル類、ジメチルスルホキシドなどのスルホキシド類、Ｎ，Ｎ－ジメチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアセトアミドなどの酸アミド類、およびこれらの混合物等を挙げることができる。
溶媒は、攪拌効率を高めるために、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに対して０～２００％の容量であることが好ましい。より好ましくは、０～２０％の容量である。溶媒の容量の下限は、使用するパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに対して１％であってもよい。
パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物との接触の際の温度は、例えば、－２０～５０℃であることが好ましく、０～３０℃であることがより好ましい。前記範囲内にあることで、反応容器にかかる圧力を抑制し、かつ、速やかな反応を行える点から好ましい。
反応時間は、溶媒の種類、温度等の反応条件に依存するので特に限定されないが、通常、０．０１～５０時間程度とすればよく、十分に反応を進行させるためには、０．１～１５時間程度とすることが好ましい。
反応圧力は特に限定されないが、例えば、－０．０１～１ＭＰａで行うことができる。製造工程の簡易さからは、大気圧（１気圧）で行うことも好ましい。
パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物との反応は、可逆反応であることから、塩化オニウム化合物がパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに対して過剰に存在することが好ましい。しかし、塩化オニウム化合物が固体もしくは高粘度の液体であることから、撹拌効率を高めるために、塩化オニウム化合物はできるだけ少ない量であることが好ましい。前記の理由のため、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに接触させる塩化オニウム化合物は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに対して１～３当量であることが好ましい。
得られた３－クロロ－ペンタフルオロプロペンは、蒸留、カラムクロマトグラフィーなどの公知の方法で精製してもよい。本発明は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とを反応溶媒中で接触させて、３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを含む生成液を得る工程と、得られた生成液を蒸留する工程と、を含む製造方法であってもよい。蒸留することにより、高純度の３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを得ることができる。得られた３－クロロ－ペンタフルオロプロペンは、例えば、ガスクロマトグラフ／質量分析計などを用いて同定できる。
本発明の製造方法により、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルから１工程の反応でＣＰＦＰを収率よく製造することができる。上記収率としては、例えば、７０％以上とすることができるし、８０％以上とすることもできる。上記収率は、使用したパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステル（モル）に対する、得られた３－クロロ－ペンタフルオロプロペン（モル）の割合である。
このような高い収率が得られる理由は定かではないが、無水条件の下、塩化オニウム化合物がパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに十分溶解するため、遊離した塩化物イオンがパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルの３位の炭素に結合し、理想的なＳＮ２’型の置換反応が進行するためと推測される。このことはアンモニウム化合物に比べ溶解性の劣るホスホニウム塩との反応結果からも示唆される。
上記の方法によって得られた３－クロロ－ペンタフルオロプロペンは、イオン交換樹脂や高分子電解質膜等に用いられるフッ素樹脂の原料モノマーへと誘導できる中間体として有用な化合物である。
高分子電解質膜又はイオン交換樹脂は、例えば、固体高分子電解質型燃料電池の電解質用膜、リチウム電池用膜、食塩電解用膜、水電解用膜、ハロゲン化水素酸電解用膜、酸素濃縮器用膜、湿度センサー用膜、ガスセンサー用膜等として使用される。
本発明は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルの塩素化によって、１工程の反応でＣＰＦＰを収率よく製造することができる。また、重金属を使用することもなく、ハロゲン化金属も生成されないため、産業廃棄物の問題も生じない。
以下に、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されない。
実施例１
ジムロート冷却管、滴下ロート、温度計を装備した３００ｍＬの４つ口フラスコにトリエチルアミン塩酸塩（９７ｇ、７０３ｍｍｏｌ）とジグライム５０ｍＬを入れ、マグネティックスターラーで攪拌した。ジムロート冷却管は－２０℃の冷媒で冷却し、反応フラスコは氷浴で０℃に冷却した。滴下ロートよりパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステル（１３５ｇ、５８６ｍｍｏｌ）を、フラスコ内が１０℃以下に保たれるように、およそ１時間かけて滴下した。滴下後、１時間攪拌し、ジムロート冷却管からリービッヒ蒸留装置に取り替えた。フラスコを室温（２５℃）に戻し、生成物（沸点１２℃）の蒸留を行った。フラスコに１００ｍＬの水を加え、反応を止めた。目的のパーフルオロアリルクロライド（純度９９ＧＣ％）が９０．７ｇ蒸留分として得られた（収率９３％）。蒸留残渣にはクエンチの際に未反応のパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルが加水分解したと思われるカルボン酸、フルオロ硫酸アンモニウム塩および過剰量のトリエチルアミン塩酸塩がＮＭＲ分析より確認された。
実施例２
トリエチルアミン塩酸塩の代わりに、ピリジン塩酸塩（８１．０ｇ、７０１ｍｍｏｌ）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして反応を行った。その結果、用いたパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステル（１３５ｇ、５８６ｍｍｏｌ）に対して目的のパーフルオロアリルクロライドが８６．８ｇ得られた（収率８９％）。
実施例３
トリエチルアミン塩酸塩の代わりに、商品名ａｌｉｑｕａｔ３３６（７２．７ｇ、１８０ｍｍｏｌ、塩化トリｎ－オクチルメチルアンモニウムを主成分とした塩化トリｎ－デシルメチルアンモニウムとの混合物）を用い、溶媒としてアセトン５４ｇを用いたこと以外は、実施例１と同様にして反応を行った。その結果、用いたパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステル（３１．１ｇ、１３５ｍｍｏｌ）に対して目的のパーフルオロアリルクロライドが１１．９ｇ得られた（収率５３％）
実施例４
溶媒を使用しなかったこと以外は、実施例１と同様にして反応を行った。その結果、用いたパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステル（１３５ｇ、５８６ｍｍｏｌ）に対して目的のパーフルオロアリルクロライドが８７．７ｇ得られた（収率９０％）
実施例５
溶媒として、５０ｍＬのトリエチルアミンフルオロ硫酸塩を用いたこと以外は、実施例１と同様にして反応を行った。その結果、用いたパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステル（１３５ｇ、５８６ｍｍｏｌ）に対して目的のパーフルオロアリルクロライドが８９．８ｇ得られた（収率９２％）
比較例１
トリエチルアミン塩酸塩の代わりに、塩化アンモニウム（３７．４ｇ、７００ｍｍｏｌ）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして反応を行った。反応はほとんど進行せず、目的のパーフルオロアリルクロライドが３．５ｇ得られた（収率３％）。
比較例２
トリエチルアミン塩酸塩の代わりに、塩化カリウム（５２．２ｇ、７００ｍｍｏｌ）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして反応を行った。反応は全く進行せず、原料のパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化カリウムが回収された。反応混合物はろ過を行い、ろ液はＮＭＲとＧＣ分析から原料のパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルであることを確認した。
実施例６
トリエチルアミン塩酸塩の代わりに、テトラブチルアンモニウムクロライド（１４．５ｇ、５２．２ｍｍｏｌ）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして反応を行った。その結果、用いたパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステル（１０．０ｇ、４３．５ｍｍｏｌ）に対して目的のパーフルオロアリルクロライドが７．０ｇ得られた（収率９６．４％）。
実施例７
トリエチルアミン塩酸塩の代わりに、テトラフェニルホスホニウムクロライド（２４．５ｇ、６５．３ｍｍｏｌ）を用いたこと以外は、実施例１と同様にして反応を行った。その結果、用いたパーフルオロアリルフルオロ硫酸エステル（１０．０ｇ、４３．５ｍｍｏｌ）に対して目的のパーフルオロアリルクロライドが２．４ｇ得られた（収率３２．５％）。
本発明の製造方法により得られる３－クロロ－ペンタフルオロプロペンは、イオン交換樹脂や高分子電解質膜等に用いられるフッ素樹脂の原料モノマーへと誘導できる中間体として好適に利用できる。

Claims (5)

  1. パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルと塩化オニウム化合物とを接触させて３－クロロ－ペンタフルオロプロペンを得る工程を含む
    ことを特徴とする３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法。
  2. 塩化オニウム化合物は、下記式（１）：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
     （式中、Ｘは、窒素又はリンであり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、同一又は異なって、水素原子、置換基を有していてもよい炭素数１～２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数７～１３のアラルキル基、又は、置換基を有していてもよい炭素数６～３０のアリール基である。但し、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の全てが水素原子になることはない。）で表される化合物、及び、置換基を有していてもよい複素環式窒素化合物と塩化水素との塩からなる群より選択される少なくとも１種である請求項１記載の３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法。
  3. 塩化オニウム化合物は、下記式（１）：
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
     （式中、Ｘは、窒素又はリンであり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４は、同一又は異なって、水素原子、炭素数１～２０のアルキル基、置換基を有していてもよい炭素数７～１３のアラルキル基、又は、置換基を有していてもよい炭素数６～３０のアリール基である。但し、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３及びＲ４の全てが水素原子になることはない。）で表される化合物である請求項１又は２記載の３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法。
  4. パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに接触させる塩化オニウム化合物は、パーフルオロアリルフルオロ硫酸エステルに対して１～３当量である請求項１、２又は３記載の３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法。
  5. 前記接触は、－２０～５０℃で行われる請求項１、２、３又は４記載の３－クロロ－ペンタフルオロプロペンの製造方法。
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