ЭТАНОЛ 2,2,2-ТРИС-(1',1',1',2',2',3',3',5',6',6',8',-УНДЕКАФТОР-5',8'-ДИ- (ТРИФТОРМЕТИЛ) -4',7'-ДИОКСИ-9'-МЕТИЛЕНОКСИКАРБОНИЛА) И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК C07C67/14 C07C69/63 

Изобретение относится к органической химии, а именно к химическому фторсодержащему соединению этанолу 2, 2, 2-трис-1', 1', 1', 2', 2', 3', 3', 5', 6', 6', 8'-ундекафтор- 5', 8'-ди-трифторметил)-4', 7'-диокси-9'-метиленоксикарбонила] формулы

которое может быть использовано в качестве антифрикционного смазочного материала и поверхностно-активного вещества, применяемого для обработки металлических поверхностей и как защитного покрытия для пластмасс.

Известны фторсодержащие поверхностно-активные вещества [1] аммониевая соль перфторолигоэфирокарбоновой кислоты формулы

где n=1, 2.

Получение этих веществ осуществляется путем взаимодействия фторангидридов олигомеров окиси гексафторпропилена формулы

где n=1, 2;
с аммиаком в присутствии воды.

Эти вещества ионного характера, они хорошо растворяются в воде и не могут служить в качестве атмосферостойких антикоррозионных агентов.

Известны термо- и химически устойчивые поверхностно-активные вещества [2] формулы
C₃F₇C(CF₃)₂ (CH₂)_nCOQ, (4)
где n=1-4;
Q=OR,OH, полиоксиалкилен;
R=алкил или аралкил;
получаемые взаимодействием олигомера гексофторпропанола и галоидалкильного эфира карбоновой кислоты в присутствии ионов фтора. Однако молекулы вещества, получаемые указанным способом, имеют в своей структуре углеводородную цепь. Наличие же углеводородной цепи снижает химическую стойкость к щелочным агентам.

Известны перфторсоединения [3] формулы
F(CF₂CF₂CF₂O) _nCF₂CF₃, (5)
где n= 15-25.

Эти 4 соединения длинноцепочечные, могут использоваться только в качестве различных смазочных материалов.

Известен способ получения веществ формулы (5), осуществляемый путем взаимодействия веществ формулы
HOC(O)A COOH, (6)
где A- перфторалкилен;
и фторсодержащих спиртов формулы ROH, где R -фторсодержащий алкил, возможно содержащий кислород.

Реакцию этерификации проводят в присутствии кислотного катализатора H₂SO₄ при 50-150^oC в течение 1 10 ч. Однако этим способом можно получить только смеси длинноцепочечных соединений.

Известен эпилам "Эфрен-1" [4] представляющий собой 0,015 0,5%-ный раствор поверхностно-активного вещества -перфторэфирокислоты во фторорганических растворителях.

Эпилам "Эфрен-1" образует на поверхности металлов термически стойкие пленки, повышающие ресурс работы узлов трения машин и механизмов, повышения износостойкости металлообрабатывающего, прессового инструмента и т.п. в 2 4 раза.

Однако при работе металлорежущего инструмента, обработанного эпиламом "Эфрен-1", со сталями с твердостью HB ≥ 388 повышение износостойкости невелико. Это прежде всего связано с линейной структурой молекулы перфторэфирокислоты.

В основу изобретения поставлена задача осуществить синтез полифторированного соединения неионного характера, содержащего несколько короткоцепных фторированных звеньев в объемной молекуле и имеющего по крайней мере одну функциональную группу для обеспечения адсорбции молекулы на поверхности.

Поставленная задача достигается новой структурой фторосодержащего вещества, которая выражается следующей формулой (1)

Поставленная задача достигается также тем, что способ получения соединения формулы 1 осуществляют путем взаимодействия фторангидрида тримера окиси гексафторпропилена формулы

с пентаэритритом формулы C(CH₂OH)₄ при перемешивании и нагревании до 70 90^oC в течение 8 14 ч в присутствии ароматического углеводородного растворителя и кислотного катализатора с последующим отделением непрореагировавшего пентаэритрита и растворителя и выделением чистого продукта вакуумной разгонкой. В качестве растворителя используют толуол, бензол, ксилол. Катализатором могут служить серная, фосфорная и хлорсульфоновая кислоты, трибутилфосфат.

Преимущество заявляемого вещества заключается в том, что новая структура фторсодержащего вещества формулы 1 представляет собой объемную молекулу тетраэдрического строения, имеющую в своей структуре четыре гидроксиметиленовых фрагмента

и три короткоцепных фторированных радикала

В случае адсорбции молекулы на поверхности три фторсодержащих радикала надежно экранируют гидроксильную группу от реагирующих веществ (воды, аминов, соединений фосфора и серы), способных вытеснить молекулу с этой поверхности. Наличие во фторсодержащих радикалах заявляемого вещества боковых трифторметильных группы усиливает экранирование гидроксильной группы.

В случае линейных поверхностно-активных веществ концентрация защитных фторсодержащих групп равна или меньше содержания групп, способных к адсорбции, что облегчает их вытеснение более активными молекулами (вода, амины, соединения фосфора и серы).

Благодаря новой структуре заявляемого вещества формулы 1 оно способно образовывать пленки, термически стойкие до температуры 400^oC и стойкие к воздействию агрессивных химических сред. Заявляемое вещество способно адсорбироваться на поверхности режущего инструмента, обрабатывающего, в частности стали с твердостью HB в диапазоне 170 430 и выше. Кроме того, заявляемое вещество обладает хорошей смазывающей способностью и долговечностью в диапазоне рабочих температур от -30^oC до 280^oC.

Заявляемый способ получения вещества формулы 1 позволяет синтезировать объемную молекулу, имеющую три короткоцепных фрагмента и одну функциональную группу для обеспечения адсорбции молекулы на поверхности.

Это обеспечивается взаимодействием фторангидрида тримера окиси гексафторпропилена, обладающего реакционной способностью концевой ангидридной группой, и пентаэритрита. Использование несольватирующего растворителя и кислотного катализатора увеличивает реакционную способность гидроксильных групп пентаэритрита. Температура процесса 70 90^oC является оптимальный для получения замещенного пентаэритрита. При повышении температуры выше оптимальной наблюдается образование побочных продуктов реакции, а именно моно- и диэфиров.

Способ характеризуется легкостью получения готового продукта, простым аппаратурным оформлением и доступностью исходных компонентов.

Выход чистого продукта составляет 63,5-66,4%
Строение полученного соединения подтверждены данными элементного анализа и методами H'ЯМР и ИК спектроскопии (исследования проводились в Уральском отделении Российской АН).

Элементным анализом установлено:
C 24,18% H 1,04% F 62,35% C₃₂H₉F₅₁O₁₃.

Рассчитано:
C 24,46% H 0,57% F 61,72%
ИК спектроскопия показала следующее:
колебания OH группы широкая полоса при 3592 см^-1;
межмолекулярная водородная связь с участием OH^- группы с образованием диаметра широкая полоса при 3434 см^-1;
характеристические колебания сложноэфирной карбонильной группы - интенсивная полоса при 1783 см^-1;
колебания с участием эфирной связи C-O-C "эфирная полоса", широкая, высокой интенсивности с расщеплением полосы при 1249-1140 см^-1;
плоские деформационные колебания OH^--группы интенсивная полоса при 1322 см^-1;
колебания связей C-F накладываются на "эфирную полосу" при 1240-1140 см^-1.

H'ЯМР спектроскопия показала присутствие гидроксильной группы (4,231 м. д. т.). Группа сигналов, отнесенная к гидроксильной группе, исчезает при добавлении CD₃ CO₂D. Имеются сложные группы сигналов, отнесенные к метиленовым группам пентаэритрита:
5H (4,696 4,588 м.д.), 3H (2,075 2,032 м.д.).

Мол. вес соединения формулы 1 1570 г/моль.

Температура кипения 178 180^oC.

Плотность 1,76 г/см³.

T замераз. -54^oC.

Растворяется в жидких фреонах, ацетоне, метилэтилкетоне, этаноле.

Синтез вещества формулы 1 проводился в лабораторных условиях.

Пример 1. В трехгорлую круглодонную колбу емкостью 1 л, снабженную обратным холодильником, капельной воронкой и механической мешалкой, загружают 90 г (0,66 моля) пентаэритрита, 250 мл толуола и 10 мл конц. H₃PO₄ и, перемешивая, нагревают смесь до 70^oC. Далее добавляют в смесь 540 мл (1,8 моля) фторангидрида тримера окиси гексафторпропилена и выдерживают при 70^oC 14 ч при постоянном перемешивании. Затем фильтрованием отделяют от продуктов реакции, непрореагировавший пентаэритрит и при помощи водоструйного насоса отделяют растворитель толуол. Далее проводят вакуумную разгонку, при которой сначала отгоняют непрореагировавший фторангидрид окиси гексафторпропилена, который вследствие гидролиза выделяется в виде кислоты (температура кипения 88-91^oC при 2 мм рт. ст.), затем отбирают основную функцию с температурой кипения 176-182^oC при 2 мм рт. ст. Оставшаяся часть представляет собой смесь мого- и диэфиров пентаэритрита. Выход готового продукта составляет 66,4% конверсия фторангидрида окиси гексафторпропилена составляет 72,5%
Аналогично примеру 1 осуществляли способ получения заявляемого вещества, описываемый в примерах 2, 3.

Пример 2. В трехгорлую круглодонную колбу загружают 13,6 г (0,10 моля) пентаэритрита, 50 мл бензола и 1 мл ClSO₃H. Смесь нагревают до 80^oC, постоянно перемешивая, затем добавляют 1 20 мл (0,4 моля) фторангидрида тримера окиси гексафторпропилена и выдерживают 8 ч. Затем отделяют непрореагировавший пентаэритрит и растворитель. Вакуумный разгонкой выделяют готовый продукт, выход которого составляет 60,3% конверсия 67,0%
Пример 3. Загружают 30 г (0,22 моля) пентаэритрита, 100 мл ксинола и 3 мл конц. H₂SO₄. Смесь нагревают до 90^oC, постоянно перемешивая, добавляют 180 мл (0,6 моля) фторангидрида тримера окиси гексафторпропилена и выдерживают 10 ч. Затем отделяют непрореагировавший пентаэритрит и ксилол, вакуумной разгонкой выделяют готовый продукт, выход которого составляет 63,5% конверсия фторангидрида тримера окиси гексафторпропилена составляет 76,2%
Испытания вещества формулы 1 проводились в промышленных условиях.

Заявляемое вещество растворяли в ацетоне до концентрации 0,5% и полученным раствором обрабатывали поверхность металлорежущего инструмента. Для сравнения испытания металлорежущего инструмента проводили без обработки его поверхности каким-либо спецсоставом, с обработкой поверхности раствором заявляемого вещества и эпиламом "Эфрен-1" (аналога).

Условия работы инструмента, свойства обрабатываемого металлического материала и результаты испытания сведены в таблицу.

Таким образом, из приведенных выше материалов следует, что новое соединение способно обрабатывать защитные пленки на поверхности режущего инструмента, обрабатывающие стали с твердостью HВ 170-430 и выше. Обработка заявляемым веществом, растворенным в растворителе, позволяет увеличивать срок службы металлорежущего инструмента до 5 раз.

Заявляемое вещество может использоваться в качестве антифрикционного смазочного материала и турбинного масла, обладающих хорошей смазывающей способностью и долговечностью, а также гидравлической жидкости, работающих в диапазоне температур от -30^oC до 280^oC. Оно может использоваться как защитное покрытие для пластмасс и др. материалов.

Этанол 2, 2, 2-трис-[1', 1', 1', 2', 2', 3', 3', 5', 6', 6', 8' - ундекафтор-5', 8'-ди-(трифторметил)-4', 7'- диокси-9'-метиленоксикарбонила] предлагается как поверхностно-активное вещество для обработки поверхностей металлов и пластмасс и антифрикционный смазочный материал. Получают взаимодействием фторангидрида тримера окиси гексафторпропилена и пентаэритрита в присутствии растворителя и катализатора. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Этанол 2,2,2-трис-[1',1',1',2',2',3',3',5', 6', 6',8'- ундекафтор-5', 8'-ди-( трифторметил) -4',7'-диокси-9'-метиленоксикарбонила] формулы

2. Способ получения этанола 2,2,2-трис-[1',1',1', 2',2', 3',3', 5', 6', 6', 8'-ундекафтор-5', 8'-ди-(трифторметил) -4', 7'-диокси-9'-метиленоксикарбонила] формулы

отличающийся тем, что фторангидрид тримера окиси гексафторпропилена подвергают взаимодействию с пентаэритритом при 70 90^oС в течение 8 14 ч в присутствии ароматического углеводородного растворителя и кислотного катализатора с последующим отделением непрореагировавшего пентаэритрита и растворителя и выделением чистого продукта вакуумной разгонкой. 3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве растворителя используют толуол или бензол или ксилол. 4. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве кислотного катализатора используют серную или хлорсульфоновую или фосфорную кислоты.