説明

フッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドの製造方法

【課題】フッ化カルボニルとヘキサフルオロプロピレンオキシドとを効率的に併産する方法を提供する。
【解決手段】フッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを製造する方法において、a)ヘキサフルオロプロピレンを酸素により酸化して、ヘキサフルオロプロピレンオキシドと、一般式 CFO(CFO)−R(式中、−Rは−COF、−OCOFまたは−CFCOFを示し、nは0〜50の整数を示す。)で表わされるオリゴマーとを含む第1混合物を得る工程、およびb)前記オリゴマーを前記ヘキサフルオロプロピレンオキシドの存在下にて熱分解して、フッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを含む第2混合物を得る工程を実施する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、フッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
フッ化カルボニル(COF)は、有機合成の試薬等として幅広く用いられている。また、次世代ドライエッチングガス候補とされている。
【0003】
一方、ヘキサフルオロプロピレンオキシドは、例えばパーフルオロビニルエーテルの原料として用いられるなど、含フッ素化合物の製造において重要な化合物である。また、ヘキサフルオロプロピレンオキシドのオリゴマーは潤滑油や熱媒などとして利用されている。
【0004】
ヘキサフルオロプロピレンオキシド(以下、HFPOとも言う)の製造方法として、ヘキサフルオロプロピレン(以下、HFPとも言う)を酸素により酸化してHFPOを得る方法が知られている(特許文献1および2を参照のこと)。
【0005】
かかるHFPO製造方法では、目的物質であるHFPOに加えて、フッ化カルボニル(COF)が副生する(特許文献1を参照のこと)。
【0006】
更に、かかるHFPO製造方法では、フッ化カルボニル(COF)が重合して、下記の式[I]、[II]、[III]の化合物(フッ化カルボニルオリゴマー)も副生する(特許文献2を参照のこと)。
F(CFO)COF [I]
F(CFO)CFCOF [II]
F(CFO)OCFCOF [III]
(式中、l、m、nはそれぞれ1〜50の整数であり、l、m、nが1より大きい場合、CFO繰返し単位間の結合は頭−尾結合の外に、頭−頭結合および/または尾−尾結合をも含み、式[III]の化合物はn=l+1のときに式[I]の化合物に包含され得る。)
【0007】
副生したフッ化カルボニルオリゴマーは、これを反応初期の反応系に添加することにより、HFPOの収率を向上させ得るとされている(特許文献2を参照のこと)。
【0008】
しかしながら、フッ化カルボニルオリゴマーそれ自身については、現在のところ産業上の用途が見出されておらず、アルカリで中和した後に廃棄しているのが実状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特公昭45−11683号公報
【特許文献2】特開平6−107650号公報
【特許文献3】特開平1−93557号公報
【特許文献4】特開2003−313016号公報
【非特許文献】
【0010】
【非特許文献1】「デュポン HFPO 特性、使用、貯蔵、および取扱い」(DuPont HFPO Properties, Uses, Storage, and Handling)、[online]、2008年、デュポン・フルオロプロダクツ(DuPont Fluoroproducts)、[平成22年3月15日検索]、インターネット<URL:http://www2.dupont.com/FluoroIntermediates/en_US/assets/downloads/k05132.pdf>
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
従来、フッ化カルボニルは、テトラフルオロエチレンと酸素とを紫外線照射下で反応させて得られるポリエーテル化合物を、活性炭触媒の存在下に約180〜400℃の温度で熱分解させて製造されている(特許文献3を参照のこと)。
【0012】
このようなポリエーテル化合物に代えて、上述のHFPO製造方法において副生するフッ化カルボニルオリゴマーを利用できれば好都合である。そこで、別のフッ化カルボニルの製造方法として、以下の一般式(1):
CFO(CFO)−R (1)
(式中、−Rは−COF、−OCOFまたは−CFCOFを示し、nは0〜50の整数を示す。)で表される化合物からなる群より選択される少なくとも1種の化合物を、触媒の存在下で分解反応させる方法が提案されており、一般式(1)で表わされる化合物として、上述のHFPO製造方法において副生するフッ化カルボニルオリゴマーを利用できるとされている(特許文献4を参照のこと)。
【0013】
しかしながら、この方法は、フッ化カルボニルオリゴマーの分解反応に触媒を必須として用いており、触媒が高価であることや、プロセスが煩雑になることを考慮すると、工業的には優位とはいえない。
【0014】
更に、フッ化カルボニルオリゴマーの分解反応時にHFPOが存在すると、触媒によってHFPOの分解および/または異性化が起こることが知られている(非特許文献1を参照のこと)。このため、目的物質であるHFPOの回収量にロスが生じる。
【0015】
本発明の目的は、フッ化カルボニルとヘキサフルオロプロピレンオキシドとを効率的に併産する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0016】
本発明によれば、フッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを製造する方法であって、
a)ヘキサフルオロプロピレンを酸素により酸化して、ヘキサフルオロプロピレンオキシドと、以下の一般式(X):
CFO(CFO)−R ・・・(X)
(式中、−Rは−COF、−OCOFまたは−CFCOFを示し、nは0〜50の整数を示す。)
で表わされるオリゴマーとを含む第1混合物を得る工程、および
b)前記オリゴマーを前記ヘキサフルオロプロピレンオキシドの存在下にて熱分解して、フッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを含む第2混合物を得る工程
を含む方法が提供される。
【0017】
かかる本発明の製造方法では、まず工程a)にてHFPを酸素により酸化してHFPOとし、その際、上記一般式(X)で表わされるオリゴマー(以下、単にオリゴマーとも言う)を副生させ、そして工程b)にてオリゴマーを熱分解してフッ化カルボニルを得ており、この工程b)は触媒の非存在下で実施し得るので、工程b)にて同時に存在するヘキサフルオロプロピレンが触媒により分解/異性化することがない。これにより、フッ化カルボニルとHFPOとを効率的に併産することができる。
【0018】
本発明の上記製造方法は、
第2混合物からフッ化カルボニルを含むフラクションおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを含むフラクションを別個に分離する工程
を更に含み得る。これにより、フッ化カルボニルとHFPOとをそれぞれの用途に利用できる。
【0019】
本発明の1つの態様においては、第2混合物または第2混合物から分離されるフッ化カルボニルを含むフラクションを工程a)に付す。従来のHFPO製造設備は、COFを分離回収するための装置を通常含んでいる。よって、本態様のように、分解生成したCOFを含む第2混合物またはCOF含有フラクションを単にHFP酸化反応系に戻すことにより、従来のHFPO製造設備を利用してCOFを容易に回収することができ、かつ、COF回収量を従来よりも増加させることができる。
【0020】
本発明の1つの態様においては、第2混合物または第2混合物から分離されるフッ化カルボニルを含むフラクションを第1混合物に加えて第3混合物とし、第3混合物または第3混合物から分離されるオリゴマーおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを含むフラクションを工程b)に付す。本態様によっても、従来のHFPO製造設備を利用してCOFを容易に回収することができ、かつ、COF回収量を従来よりも増加させることができる。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、HFPの酸化によりHFPOを得、その際に副生するオリゴマーを、触媒を使用せずに、熱分解してフッ化カルボニルを得ているので、同時に存在するヘキサフルオロプロピレンが触媒により分解/異性化することがなく、これにより、フッ化カルボニルとHFPOとを効率的に併産することができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】本発明の1つの実施形態におけるフッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドの製造方法を説明するための概略図である。
【図2】本発明のもう1つの実施形態におけるフッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドの製造方法を説明するための概略図である。
【図3】本発明の更にもう1つの実施形態におけるフッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドの製造方法を説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
(実施形態1)
本発明の1つの実施形態について図1を参照しながら詳述する。
【0024】
・工程a)
図1に示すように、予め溶媒を仕込んだ反応器1にHFPおよび酸素(O)を供給し、反応器1にてHFPを酸素により酸化(液相反応)してHFPOを生成させる。
【化1】

【0025】
溶媒には、この酸化反応に不活性な飽和ハロゲン炭素、例えば1,1,2−トリクロロ−1,2,2−トリフルオロエタン、トリクロロフルオロメタン、パーフルオロ(ジメチルシクロブタン)、四塩化炭素などを用い得る。
【0026】
上記酸化反応では、目的物質であるHFPOに加えて、以下の一般式(X):
CFO(CFO)−R ・・・(X)
(式中、−Rは−COF、−OCOFまたは−CFCOFを示し、nは0〜50の整数、好ましくは0〜15の整数を示す。)
で表わされるオリゴマーが副生する。
【0027】
この一般式(X)で表わされるオリゴマーは、1種の化合物であってもよいが、通常は、末端基−Rおよび/またはn数の異なる複数種類の化合物が混在した混合物であり得る。
【0028】
上記一般式(X)において、隣接する2つのCFO繰返し単位の間の結合は、
−CF−O−CF−O−
−CF−O−O−CF
−O−CF−CF−O−
−O−CF−O−CF
のうち、いずれであってもよい。−CF−O−CF−O−および−O−CF−O−CF−の場合にはエーテル結合を形成し、−CF−O−O−CF−の場合には過酸化エーテル結合を形成する。
【0029】
一般式(X)で表されるオリゴマーにおける過酸化エーテル結合の割合は、ヨード滴定法で測定した活性酸素濃度が0.01〜25重量%となるような割合であることが好ましい。一般式(X)で表されるオリゴマーがこの条件を充たす限り、一般式(X)における末端基−Rが−COF、−OCOFまたは−CFCOFである化合物の割合については制限がない。
【0030】
生成したHFPOおよびオリゴマーは、例えば気相状態で反応器1より抜き出され得る。抜き出された気相は、通常、HFPOおよびオリゴマーに加えて、未反応のHFP、副生したアセチルフルオライド(CFCOF)およびフッ化カルボニル(COF)なども含み得る。
【0031】
反応条件は、最終的なHFPOおよびCOF回収量が大きくなるように、使用する反応器1および溶媒などに応じて適宜設定され得、例えば以下の通りであり得るが、本実施形態はこれに限定されるものではない。
反応器1に溶媒を容量の30〜50%仕込み、HFPを溶媒に対して1〜40%、好ましくは5〜35%仕込み、90〜150℃に加熱する。
そこに酸素ガスを分注圧0.02〜0.5MPa(ゲージ圧力)、好ましくは0.05〜0.1MPa(ゲージ圧力)の分圧で分注して反応を行う。酸素のトータル仕込み量は原料のHFPの転化率を分析することによって決定できるが、おおよそ理論量の1.3〜1.7倍量である。
また、このときの全反応圧は溶媒種、HFP仕込み比、温度条件等によって変動するため、特に規定はないが、一般的には1.5〜4MPa(ゲージ圧力)である。
反応時間(平均滞留時間)は、例えば1〜10時間である。
【0032】
かかる反応操作は、回分式でも密閉容器中で連続式でも行うことができる。反応器1は液の撹拌および加熱が可能な金属製容器が好適である。
【0033】
これにより、HFPOおよびオリゴマーを含む第1混合物が得られる。
第1混合物は、HFPOおよびオリゴマーに加えて、未反応のHFP、副生したアセチルフルオライド(CFCOF)およびフッ化カルボニル(COF)なども含み得、適宜、常法の分離操作(例えば蒸留など)に付してよい。この場合、第1混合物から分離されたオリゴマーおよびHFPOを含むフラクションが工程b)に使用される。オリゴマーは、できるだけ多くを工程b)に使用することが好ましく、例えば、生成したオリゴマーの実質的に全部が工程b)に使用され得る。他方、HFPOは、少なくとも一部がオリゴマーと一緒に工程b)に付されればよく、工程b)の前にその一部または大部分が分離されていてよい。
【0034】
・工程b)
再び図1を参照して、先の工程a)にて得られた第1混合物、またはこれから分離されたオリゴマーおよびHFPO含有フラクションを熱分解器3に移送し、熱分解器3にてオリゴマーを熱分解(本発明を限定するものではないが、気液両相における分解が同時に進行)してフッ化カルボニル(COF)を生成させる。
【0035】
このとき、HFPOが同時に存在するが、熱分解器3には触媒が存在しないので、触媒による分解および/または異性化が起こらない。よって、HFPOは実質的に熱分解の影響を受けず、HFPOの量は熱分解の前後でほとんど変化しない。
【0036】
分解条件は、最終的なHFPOおよびCOF回収量が大きくなるように、使用する熱分解器3などに応じて適宜設定され得、例えば以下の通りであり得るが、本実施形態はこれに限定されるものではない。
供給するオリゴマーおよびHFPOの比は、オリゴマー:HFPO=例えば0.1〜100、好ましくは0.3〜10(体積基準)である。
熱分解器3内の温度は、例えば60〜200℃、好ましくは80〜150℃とし得る。
また、熱分解器3内の圧力は、常圧、加圧、減圧のいずれでもよいが、例えば0.01〜1.00MPa(ゲージ圧力)であり得る。
分解時間(平均滞留時間)は、例えば0.1〜10時間である。
【0037】
かかる分解操作は、回分式でも密閉容器中で連続式でも行うことができる。
【0038】
これにより、HFPOおよびフッ化カルボニル(COF)を含む第2混合物が得られる。得られた第2混合物は、適宜、分離装置5にて常法の分離操作(例えば蒸留など)に付して、COF含有フラクションおよびHFPO含有フラクションを別個に分離してよい。かかる分離操作は本発明に必須でないことに留意されたい(添付の図面において、任意操作として点線にて示す)。
【0039】
以上、本実施形態によれば、フッ化カルボニルとHFPOとを効率的に併産することができる。具体的には、従来のHFPO製造方法では、HFPO収率40〜70%であるところ、本実施形態によれば、実施条件にもよるが、HFPO収率50〜70%となり、平均的な収率が向上する。上限値は同等であり得るが、これは、HFPO収率の上限は反応の選択率により決まるためである。一方、従来のHFPO製造方法では、COF収率はHFPOに対して0.01〜0.06であるところ、本実施形態によれば、実施条件にもよるが、COF収率はHFPOに対して0.03〜0.12となり、平均的にHFPOに対するCOFの収率が向上する。
【0040】
(実施形態2)
本発明のもう1つの実施形態について図2を参照しながら詳述する。以下、実施形態1と異なる点を中心に述べるものとし、特に説明のない限り実施形態1と同様とする。
【0041】
図2に示すように、本実施形態においては、第2混合物を、または第2混合物から分離されたCOF含有フラクションを反応器1に戻す。得られる第1混合物は、実施形態1における第1混合物に比べてCOFの含有量(または含有率)が増加する。
【0042】
一般的に、酸化反応の際にフッ化カルボニル(COF)が副生するので、従来のHFPO製造設備はCOFを分離回収するための装置を通常含んでいる。従来のHFPO製造設備に熱分解器3を付加し、熱分解器3にて分解生成したCOFを、第2混合物またはCOF含有フラクションの形態で反応器1に戻すことにより、従来のHFPO製造設備を利用してCOFを容易に分離回収することができる。そして、本実施形態によれば、熱分解器3にてオリゴマーを熱分解してCOFに分解しているので、その分、COF回収量を従来よりも増加させることができる。
【0043】
なお、図2に示す態様では、例示的に、COF分離装置7の後段に熱分解器3が位置する場合を示しているが、第1混合物または第1混合物から分離されるオリゴマーおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを含むフラクションが工程b)に付され得る限り、本実施形態はこれに限定されないことに留意されたい。
【0044】
加えて、反応器1に戻した第2混合物またはCOF含有フラクションが、オリゴマーを含んでいる場合には、反応器1における酸化反応開始の誘導期間を短く、好ましくは無くし、HFPOの収率を向上させることができる。
【0045】
(実施形態3)
本発明の更にもう1つの実施形態について図3を参照しながら詳述する。以下、実施形態2と異なる点を中心に述べるものとし、特に説明のない限り実施形態2と同様とする。
【0046】
図3に示すように、本実施形態においては、第2混合物を、または第2混合物から分離されたCOF含有フラクションを、反応器1と熱分解器3の間にて、第1混合物に加えて第3混合物とする。得られる第3混合物は、第1混合物に比べてCOFの含有量(または含有率)が増加する。
【0047】
上述のように、従来のHFPO製造設備はCOFを分離回収するための装置を通常含んでいる。従来のHFPO製造設備に熱分解器3を付加し、熱分解器3にて分解生成したCOFを、第2混合物またはCOF含有フラクションの形態で反応器1と熱分解器3との間の任意の適切な位置に戻すことにより、従来のHFPO製造設備を利用してCOFを容易に回収することができる。そして、本実施形態によっても、熱分解器3にてオリゴマーを熱分解してCOFに分解しているので、その分、COF回収量を従来よりも増加させることができる。戻す位置は、反応器1の直後でもよいし、他の成分(例えば未反応のHFP、副生したCFCOFなど)の少なくとも1種を分離した後、2種以上を分離する場合にはその途中またはその最後など、いずれの位置でもよい。
【0048】
なお、図3に示す態様では、例示的に、COF分離装置7の後段に熱分解器3が位置する場合を示しているが、第3混合物または第3混合物から分離されるオリゴマーおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを含むフラクションが工程b)に付され得る限り、本実施形態はこれに限定されないことに留意されたい。
【実施例】
【0049】
実施形態1の工程a)に従って、HFPを酸素により酸化してHFPOを生成させ、第1混合物を得た。これにより得られた第1混合物から、常法により、HFP、COF、CFCOFなどを適宜除去し、また、HFPOを一部除去して、サンプル組成物Aを調製した。
【0050】
この組成物Aの成分をフーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR)、核磁気共鳴スペクトル(19F−NMR、13C−NMR)およびガスクロマトグラフィーにより分析した。結果を表1に示す。組成物Aは、上述の一般式(X)で表わされるオリゴマーおよびHFPOを含んでおり、微量のCOFも含んでいた。
【0051】
次に、120℃に加熱したSUS製オートクレーブに、上記の通り調製したサンプル組成物Aを液体状態で仕込み、2時間維持し、約0.4MPa(ゲージ圧力)まで上昇した。その後、組成物Bとしてその内容物を気相状態で取り出した。
【0052】
これにより得られた組成物Bを、上記組成物Aと同条件で分析した。結果を表1に併せて示す。組成物Bは、組成物Aに比べて、上述の一般式(X)で表わされるオリゴマーの含有率が顕著に減少し、代わりにCOFの含有率が増加した。これにより、オリゴマーをCOFに、触媒なしで熱分解できることが確認された。工業的には、COFの増加分がCOFの増産量として理解され、オリゴマーの減少分が廃棄量の削減量として理解され得る。また、組成物BにおけるHFPOの含有率は、組成物Aに比べて、有意に変化しなかった(分析誤差の範囲内であると考えられる)。このことは、HFPOが分解および/または異性化しなかったことを示している。
【0053】
【表1】

【産業上の利用可能性】
【0054】
フッ化カルボニルとヘキサフルオロプロピレンオキシドとを併産することができる。フッ化カルボニルは、例えば有機合成の試薬や、次世代ドライエッチングガスなどとして利用され得る。ヘキサフルオロプロピレンオキシドは、例えばパーフルオロビニルエーテルの原料として用いられ得、また、ヘキサフルオロプロピレンオキシドのオリゴマーは潤滑油や熱媒などとして利用され得る。
【符号の説明】
【0055】
1 反応器
3 熱分解器
5、7 分離装置

【特許請求の範囲】
【請求項1】
フッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを製造する方法であって、
a)ヘキサフルオロプロピレンを酸素により酸化して、ヘキサフルオロプロピレンオキシドと、以下の一般式(X):
CFO(CFO)−R ・・・(X)
(式中、−Rは−COF、−OCOFまたは−CFCOFを示し、nは0〜50の整数を示す。)
で表わされるオリゴマーとを含む第1混合物を得る工程、および
b)前記オリゴマーを前記ヘキサフルオロプロピレンオキシドの存在下にて熱分解して、フッ化カルボニルおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを含む第2混合物を得る工程
を含む方法。
【請求項2】
第2混合物からフッ化カルボニルを含むフラクションおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを含むフラクションを別個に分離する工程
を更に含む、請求項1に記載の方法。
【請求項3】
第2混合物または第2混合物から分離されるフッ化カルボニルを含むフラクションを工程a)に付す、請求項1または2に記載の方法。
【請求項4】
第2混合物または第2混合物から分離されるフッ化カルボニルを含むフラクションを第1混合物に加えて第3混合物とし、第3混合物または第3混合物から分離されるオリゴマーおよびヘキサフルオロプロピレンオキシドを含むフラクションを工程b)に付す、請求項1または2に記載の方法。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2011−207767(P2011−207767A)
【公開日】平成23年10月20日(2011.10.20)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−73988(P2010−73988)
【出願日】平成22年3月29日(2010.3.29)
【出願人】(000002853)ダイキン工業株式会社 (7,604)
【Fターム(参考)】