СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДИФТОРУКСУСНОЙ КИСЛОТЫ Российский патент 2013 года по МПК C07C51/09 C07C67/03 C07C53/18 

Объектом настоящего изобретения является новый способ получения дифторуксусной кислоты.

Изобретение относится к получению дифторуксусной кислоты с высокой степенью чистоты.

В литературе описывается несколько путей получения дифторуксусной кислоты.

Один из путей получения, описанный в ЕР-А 1137615, заключается в гидродегалогенировании хлордифторуксусной кислоты путем гидрирования в щелочной среде и в присутствии, в частности, никеля Ренея.

Дифторуксусную кислоту можно также получить из хлордифторуксусной кислоты способом в газовой фазе, как описано в US 5455376: гидрирование проводят при температуре от 120 до 250°С в присутствии катализатора на основе палладия/платины и/или никеля в металлической форме или на носителе, например, на глиноземе.

Из JP-А 6228043 известно также получение дифторуксусной кислоты щелочным гидролизом N,N-диалкилдифторацетамида: при этом последний получают обменом KF N,N-диалкилдихлорацетамида, полученного в результате взаимодействия дихлорацетила и диалкиламина.

E.Gryszkiewicz-Trochimowski et al (Recueil des Travaux Chimiques des Pays-Bas, 1947, 66, 419-426) описывают получение дифторуксусной кислоты путем омыления метилового эфира дифторуксусной кислоты в присутствии воды и оксида кальция.

Всеми этими способами получают дифторуксусную кислоту или ее соль.

Проблема заключается в том, что очень трудно очищать полученную дифторуксусную кислоту в водном растворе, т.к. это продукт, который растворяется в воде и в этих условиях более трудно отделяется перегонкой.

В WO 02/10108 описан способ получения фторированного сложного эфира R^d-O-CO-R^cf и фторированного спирта R^afR^bfCHOH традиционной реакцией транс-этерификации сложного фторированного эфира R^afR^bfCH-O-CO-R^cf со спиртом R^dOH; причем полученный спирт перегоняют по мере его образования.

H.Cohn et al (Israel Journal of Chemistry 2, 1964, 355-361) описывают получение пергалогенированных кислот (бромдифторуксусной кислоты, дибромфторуксусной кислоты) путем трансэтерификации соответствующих сложных этиловых эфиров с использованием муравьиной кислоты; причем этилформиат перегоняют постепенно. Тем не менее, информация относится только к пергалогенированным кислотам.

Целью настоящего изобретения является простой способ получения дифторуксусной кислоты, обеспечивающий получение чистой кислоты.

Под «высокой чистотой» в настоящем тексте понимают дифторуксусную кислоту, чистота которой выше или равна 95% масс., предпочтительно выше или равна 98% и более предпочтительно выше или равна 99%.

В настоящее время найден способ получения дифторуксусной кислоты, являющийся объектом настоящего изобретения, отличающийся тем, что он включает:

взаимодействие эфира дифторуксусной кислоты с алифатической карбоновой кислотой, приводящее в результате реакции трансэтерификации к образованию дифторуксусной кислоты и эфира соответствующей карбоновой кислоты; при этом карбоновую кислоту выбирают таким образом, что эфир указанной карбоновой кислоты имеет точку кипения ниже точки кипения дифторуксусной кислоты,

удаление путем перегонки эфира указанной карбоновой кислоты по мере его образования, позволяющее таким образом извлекать дифторуксусную кислоту.

Ниже приведена реакционная схема способа по изобретению для облегчения понимания изобретения, неограничивающая, однако, объем изобретения.

H-CF₂-COOR₁+R₂-COOH→H-CF₂-COOH+R₂-COOR₁ (I) (II) (III)

В соответствии со способом по изобретению получают дифторуксусную кислоту с высокой степенью чистоты по меньшей мере 95%, что предполагает, что последующие операции по очистке являются возможными, но не необходимыми.

Эта высокая чистота является результатом того, что степень превращения эфира дифторуксусной кислоты формулы (I) является почти полной и что продукт, полученный в результате совместно проведенных реакций, а именно эфир карбоновой кислоты формулы (III) удаляют по мере его образования.

Полученная способом по изобретению дифторуксусная кислота является безводной с содержанием воды преимущественно меньше 1% масс.

Таким образом, в способе по изобретению участвует эфир дифторуксусной кислоты, углеводородная группа R₁ эфирной группы COOR₁ которого является такой, что приводит к эфиру карбоновой кислоты (III), который имеет точку кипения ниже точки кипения дифторуксусной кислоты.

Эта группа R₁ преимущественно является алкильной группой с низким содержанием углерода, например, от 1 до 4 атомов углерода, но предпочтительно R₁ обозначает метильную, этильную, пропильную или изопропильную группу.

Таким образом, предпочтительно, сложные эфиры дифторуксусной кислоты соответствуют следующей формуле:

H-CF₂-COOR₁ (I),

в указанной формуле:

R₁ обозначает алкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода, предпочтительно 1 или 2 атома углерода.

Соединения формулы (I), предпочтительно используемые в способе по изобретению, являются сложными алкильными эфирами, предпочтительно, метильным или этильным эфиром дифторуксусной кислоты.

Эфиры дифторуксусной кислоты формулы (I) являются соединениями, коммерчески доступными, или их можно легко получить способами, описанными в литературе.

Предпочтительно получение заключается во взаимодействии спирта R₁OH с дифторацетилфторидом формулы H-CF₂-COF_. Можно сослаться, в частности, на получение, описанное в ЕР-А 0694523.

Что касается источника протонов, позволяющего осуществлять трансэтерификацию, его обозначают формулой (II), R₂-COOH, в которой углеводородная группа R₂, связанная с кислотной группой СООН, является такой, что приводит к эфиру карбоновой кислоты (III), который имеет точку кипения ниже точки кипения дифторуксусной кислоты.

Карбоновые алифатические кислоты, выбранные предпочтительно для использования в способе по изобретению, соответствуют следующей формуле:

R₂-COOH (II),

в указанной формуле:

- R₂ обозначает атом водорода, алкильную группу, содержащую 1 или 2 атома углерода, галогеноалкильную группу, содержащую 1 атом углерода, 1-3 атома водорода которой можно заменить атомом галогена.

Под «атомом галогена» понимают атом фтора, хлора или брома.

Более конкретно в качестве соединений формулы (II) используют муравьиную кислоту, уксусную кислоту, трифторуксусную кислоту, монохлоруксусную кислоту, дихлоруксусную кислоту, трихлоруксусную кислоту.

Из указанных выше соединений предпочтительной является муравьиная кислота.

Согласно изобретению вводят во взаимодействие эфир дифторуксусной кислоты формулы (I) и алифатическую карбоновую кислоту формулы (II) в таких пропорциях, что отношение между числом молей эфира дифторуксусной кислоты и числом молей алифатической карбоновой кислоты изменяется от 0,8 до 1,2 и предпочтительно равно 1.

Реакцию трансэтерификации предпочтительно проводят в отсутствие катализатора, но изобретением не исключается использование катализатора, традиционно используемого в реакции такого типа, а именно катализатора типа сильной кислоты. В частности, можно назвать серную кислоту, п-толуолсульфоновую кислоту.

В качестве других примеров также пригодных протонных кислотных катализаторов можно назвать смолы, состоящие из полистирольного скелета, который несет сульфоновые группы, и более конкретно смолы, выпускаемые под разными торговыми названиями: AMBERLYST 15, AMBERLYST 35, AMBERLYST 36, или перфторированные смолы, несущие сульфоновые группы, и более конкретно NAFION, который является сополимером тетрафторэтилена и простого перфтор[2-(фторсульфонилэтокси)пропил]винилового эфира.

Количество используемого катализатора, выраженное в протонах Н⁺ по отношению к эфиру дифторуксусной кислоты формулы (I), главным образом составляет от 0,1 до 10% мол.

Способ, являющийся объектом настоящего изобретения, содержит по меньшей мере одну стадию смешивания эфира дифторуксусной кислоты формулы (I) и алифатической карбоновой кислоты формулы (II) и стадию перегонки для получения:

в кубовой части колонны целевой дифторуксусной кислоты

и в головной части колонны газообразной фазы, содержащей полученный сложный эфир формулы (III).

Первый вариант осуществления изобретения заключается в периодическом проведении способа по изобретению.

Способ по изобретению включает в себя стадию смешивания эфира дифторуксусной кислоты формулы (I) и алифатической карбоновой кислоты формулы (II) путем приведения в контакт обоих реагентов предпочтительно при комнатной температуре (чаще всего от 15°С до 25°С), затем реакционную смесь при атмосферном давлении нагревают до такой температуры, что эфир карбоновой кислоты формулы (III) отгоняется по мере своего образования.

Смесь перегоняют, получая в качестве головной фракции сложный эфир формулы (III), возможно один из двух реагентов, находящийся в избытке, а в качестве кубовой фракции - дифторуксусную кислоту.

Реагенты вводят раздельно или в смеси в реактор, снабженный средствами для перемешивания и нагревания, и над которым находится дистилляционная колонна.

Для проведения перегонки нагревание в нижней части колонны можно, в частности, осуществлять посредством циркуляции жидкого теплоносителя в двойном корпусе реактора; или же другой вариант заключается в том, что в теплообменнике нагревают фракцию реакционной смеси, отобранную из кубовой части колонны: отобранный поток пересекает сверху вниз теплообменник и на выходе из теплообменника подается сбоку в нижнюю часть дистилляционной колонны. Циркуляция потока может быть естественной или принудительной при помощи насоса.

Цель перегонки заключается в получении в качестве кубовой фракции дифторуксусной кислоты, не содержащей сложный эфир формулы (III), который удаляют с головной фракцией перегонки.

В случае если один из реагентов находится в избытке, его отгоняют после перегонки сложного эфира формулы (III).

Перегонку сложного эфира формулы (III) осуществляют при температуре в кипятильнике, выбранной таким образом, что она является достаточной для поддержания в верхней части колонны температуры кипения сложного эфира формулы (III).

Предпочтительно перегонку осуществляют при атмосферном давлении. Тем не менее, давление, несколько более низкое или несколько более высокое, чем атмосферное давление, также является приемлемым.

В предпочтительном случае использования муравьиной кислоты или трифторуксусной кислоты в качестве карбоновой кислоты температура в бойлере остается ниже 100°С при атмосферном давлении и составляет предпочтительно от 50 до 100°С.

Перегонку осуществляют в традиционной дистилляционной колонне.

Специалист может выбирать средства, которые будет использовать, в зависимости от соединений, которые должны быть отделены.

Следует отметить, что размер (в частности диаметр) дистилляционных колонн зависит от циркулирующего потока и внутреннего давления. Их габариты зависят главным образом от расхода обрабатываемой смеси. Внутренний параметр, который представляет собой число теоретических тарелок, определяется в частности, степенью чистоты исходного соединения и степенью чистоты продукта, который должен быть получен в качестве головной фракции.

Следует уточнить, что колонны могут быть снабжены как тарелками, так и структурной насадкой, как это хорошо известно специалисту.

После выбора установки специалист регулирует параметры функционирования колонны.

Так, дистилляционная колонна может преимущественно представлять собой, но без ограничения, колонну, имеющую следующие характеристики:

число теоретических тарелок: от 1 до 20, предпочтительно от 5 до 10,

флегмовое число R от 0 до 10, предпочтительно от 1 до 5.

Из нижней части колонны отбирают кубовую фракцию, содержащую дифторуксусную кислоту, а из верхней части колонны - газовую фазу, состоящую из сложного эфира формулы (III).

Эту газовую фазу охлаждают и превращают ее в жидкость путем охлаждения до температуры, например, от -10°С до 25°С, предпочтительно от 0°С до 10°С.

Эту операцию проводят путем пропускания через конденсатор, который является традиционно применимым устройством, например, трубчатым обменником, в который подается вода или жидкость, температура которой поддерживается близкой к выбранной температуре охлаждения.

Конденсированный поток вводят сбоку в верхнюю часть дистилляционной колонны для обеспечения орошения.

В нижней части колонны отбирают дифторуксусную кислоту очень высокой степени чистоты.

В случае если используют катализатор трансэтерификации, последний находится также в нижней части дистилляционной колонны, и следует выделять дифторуксусную кислоту из этой среды путем дополнительной перегонки при температуре 132°С-133°С, если перегонку проводят при атмосферном давлении.

Другой вариант осуществления изобретения заключается в непрерывном осуществлении способа и проведении реакционной перегонки, что означает, что смешивание и перегонку проводят в дистилляционной колонне.

Этот вариант осуществления изобретения является предпочтительным.

В дистилляционную колонну непрерывно подают два реагента, а именно сложный эфир дифторуксусной кислоты формулы (I) и алифатическую карбоновую кислоту формулы (II).

Более конкретно, подача эфира дифторуксусной кислоты осуществляется предпочтительно в нижней части колонны.

Подача алифатической карбоновой кислоты формулы (II) предпочтительно осуществляется в верхней части колонны.

Реакционная зона предпочтительно находится на половине высоты колонны.

Согласно способу по изобретению перегоняют сложный эфир формулы (III) по мере его образования и из нижней части колонны извлекают дифторуксусную кислоту.

Флегма в колонне обеспечивается жидким потоком, полученным в результате конденсации сложного эфира формулы (III) и возвращаемым сбоку в колонну.

Все условия перегонки, в частности температура и давление, являются такими, как указано выше в отношении периодического способа.

Из нижней части колонны отбирают образовавшуюся дифторуксусную кислоту.

В случае если используют катализатор трансэтерификации, последний вводят в твердой форме (смолы или кислота на носителе) в реакционную часть дистилляционной колонны.

Дифторуксусную кислоту отбирают из нижней части колонны, и, следовательно, отделение катализатора не является обязательным.

Способ по изобретению преимущественно проводят в устройстве, устойчивом к коррозии, вызываемой дифторуксусной кислотой.

С этой целью для части, находящейся в контакте с реакционной средой, выбирают материалы, устойчивые к коррозии, преимущественно из остеклованной стали или нержавеющей стали, такой как аустенитная сталь [Robert H. Perry et al., Perry's Chemical Engineers' Handbook, Sixth Edition (1984), page 23-44], и более конкретно нержавеющей стали 304, 304 L, 316 или 316 L.

Используют сталь, содержащую не более 22% масс. никеля, предпочтительно от 6 до 20% и более предпочтительно от 8 до 14%.

Стали 304 и 304 L содержат никель в количестве от 8 до 12%, и стали 316 и 316 L содержат никель в количестве от 10 до 14%.

Более конкретно, используют сталь 316 L.

Совокупность разных стадий способа по изобретению можно, таким образом, осуществлять непрерывно или периодически.

Ниже приведены примеры осуществления изобретения. Эти примеры приведены в качестве иллюстрации и не имеют ограничивающего характера.

В примерах определяют степень превращения и полученный выход.

Степень превращения (ТТ) соответствует отношению между числом превращенных молей носителя (эфир дифторуксусной кислоты формулы (I)) и числом молей носителя (эфир дифторуксусной кислоты формулы (I)), вступивших в реакцию.

Выход (RR) соответствует отношению между числом образовавшихся молей продукта (дифторуксусная кислота) и числом молей носителя (эфир дифторуксусной кислоты формулы (I)), вступивших в реакцию.

Ряд анализов проведен при помощи ЯМР¹Н и ЯМР¹⁹F.

ПРИМЕР 1

В стеклянный реактор, в верхней части которого находится дистилляционная колонна, вводят этилдифторацетат (15 г, 0,121 моля) в присутствии муравьиной кислоты (9 г; 0,196 моля; 1,6 эквивалента) и 0,1 г серной кислоты в концентрации 98% масс.

Реакционную среду нагревают до температуры 70°С при атмосферном давлении.

Появляется флегма, и нагревание поддерживают до тех пор, пока температура в верхней части колонны стабилизируется на 55°С.

Тогда фракцию извлекают так, чтобы поддерживать постоянную температуру 55°С в верхней части колонны.

Получают фракцию 9 г этилформиата.

Анализ реакционной среды показывает, что этилдифторацетат полностью превращен в дифторуксусную кислоту (ТТ=100%).

Полученная дифторуксусная кислота имеет чистоту более 98% масс.

Выход (RR) составляет 95%.

ПРИМЕР 2

В стеклянный реактор, в верхней части которого находится дистилляционная колонна, вводят этилдифторацетат (20 г, 0,161 моля) в присутствии муравьиной кислоты (7,4 г; 0,161 моля; 1 эквивалент) и 0,1 г серной кислоты в концентрации 98% масс.

Реакционную среду нагревают до температуры 70°С при атмосферном давлении и фракцию перегонки извлекают так, чтобы поддерживать постоянную температуру 55°С в верхней части колонны.

Получают фракцию 12 г этилформиата.

Анализ реакционной среды показывает, что этилдифторацетат полностью превращен в дифторуксусную кислоту (ТТ=100%).

Затем среду подвергают перегонке при атмосферном давлении.

Извлекают фракцию (m=14,8 г) с точкой кипения 133°С.

Полученная дифторуксусная кислота имеет чистоту больше 98% масс.

Выход (RR) составляет 96%.

ПРИМЕР 3

В стеклянный реактор, в верхней части которого находится дистилляционная колонна, вводят этилдифторацетат (60 г, 0,484 моля) в присутствии трифторуксусной кислоты (56 г; 0,484 моля; 1 эквивалент).

Реакционную среду нагревают до температуры 85°С при атмосферном давлении.

Этилтрифторацетат подвергают перегонке, поддерживая температуру в верхней части дистилляционной колонны 63°С.

Получают фракцию 69 г этилтрифторацетата.

Этилдифторацетат полностью расходуется (ТТ=100%), а дифторуксусная кислота, полученная в нижней части дистилляционной колонны, имеет чистоту 99,5% масс.

Выход (RR) превышает 99%.

Изобретение относится к усовершенствованному способу получения дифторуксусной кислоты, включающему взаимодействие эфира дифторуксусной кислоты с алифатической карбоновой кислотой, приводящее в результате реакции трансэтерификации к образованию дифторуксусной кислоты и эфира соответствующей карбоновой кислоты; при этом карбоновую кислоту выбирают таким образом, чтобы эфир указанной карбоновой кислоты имел точку кипения ниже, чем точка кипения дифторуксусной кислоты, причем отношение между числом молей эфира дифторуксусной кислоты и числом молей алифатической карбоновой кислоты варьируют от 0,8 до 1,2, удаление путем перегонки эфира указанной карбоновой кислоты по мере его образования, позволяющее выделить дифторуксусную кислоту. Способ позволяет получить целевой продукт высокой чистоты. 12 з.п. ф-лы, 3 пр.

1. Способ получения дифторуксусной кислоты, отличающийся тем, что он включает:
взаимодействие эфира дифторуксусной кислоты с алифатической карбоновой кислотой, приводящее в результате реакции трансэтерификации к образованию дифторуксусной кислоты и эфира соответствующей карбоновой кислоты; при этом карбоновую кислоту выбирают таким образом, чтобы эфир указанной карбоновой кислоты имел точку кипения ниже, чем точка кипения дифторуксусной кислоты, причем отношение между числом молей эфира дифторуксусной кислоты и числом молей алифатической карбоновой кислоты варьируют от 0,8 до 1,2, удаление путем перегонки эфира указанной карбоновой кислоты по мере его образования, позволяющее выделить дифторуксусную кислоту.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эфир дифторуксусной кислоты соответствует следующей формуле

в указанной формуле:
R₁ обозначает алкильную группу, содержащую от 1 до 4 атомов углерода, предпочтительно 1 или 2 атома углерода.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что эфир дифторуксусной кислоты является метиловым или этиловым эфиром дифторуксусной кислоты.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что карбоновая алифатическая кислота соответствует следующей формуле

в указанной формуле:
R₂ обозначает атом водорода, алкильную группу, содержащую 1 или 2 атома углерода, галогеноалкильную группу, содержащую 1 атом углерода, 1-3 атома водорода которой можно заменить атомом галогена.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что алифатическая карбоновая кислота является муравьиной кислотой, уксусной кислотой, трифторуксусной кислотой, монохлоруксусной кислотой, трихлоруксусной кислотой.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что вводят во взаимодействие эфир дифторуксусной кислоты формулы (I) и алифатическую карбоновую кислоту формулы (II) в таких пропорциях, что отношение между числом молей эфира дифторуксусной кислоты и числом молей алифатической карбоновой кислоты равно 1.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что реакцию трансэтерификации проводят в присутствии катализатора типа сильной кислоты, предпочтительно серной кислоты, п-толуолсульфоновой кислоты или сульфоновой смолы.

8. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что содержит по меньшей мере одну стадию смешивания эфира дифторуксусной кислоты формулы (I) и алифатической карбоновой кислоты формулы (II) и стадию перегонки для получения:
в качестве кубовой фракции целевой дифторуксусной кислоты,
и в головной фракции газообразной фазы, содержащей полученный сложный эфир формулы (III).

9. Способ по п.8, отличающийся тем, что включает стадию смешивания эфира дифторуксусной кислоты формулы (I) и алифатической карбоновой кислоты формулы (II) путем приведения в контакт обоих реагентов предпочтительно при комнатной температуре и последующего нагревания реакционной смеси при атмосферном давлении до такой температуры, что эфир карбоновой кислоты формулы (III) перегоняют по мере его образования.

10. Способ по п.8, отличающийся тем, что реагенты вводят раздельно или в смеси в реактор, снабженный средствами для перемешивания и нагревания, в верхней части которого находится дистилляционная колонна.

11. Способ по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что смешивание и перегонку осуществляют в дистилляционной колонне.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что в дистилляционную колонну непрерывно подают два реагента, а именно эфир дифторуксусной кислоты формулы (I) предпочтительно в нижнюю часть колонны и алифатическую карбоновую кислоту формулы (II) предпочтительно в верхнюю часть колонны.

13. Способ по п.8, отличающийся тем, что флегма в колонне обеспечивается жидким потоком, полученным в результате конденсации сложного эфира формулы (III), возвращаемым в колонну сбоку.