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JP7287391B2 - 含フッ素プロペンの製造方法 - Google Patents

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JP7287391B2 JP2020522101A JP2020522101A JP7287391B2 JP 7287391 B2 JP7287391 B2 JP 7287391B2 JP 2020522101 A JP2020522101 A JP 2020522101A JP 2020522101 A JP2020522101 A JP 2020522101A JP 7287391 B2 JP7287391 B2 JP 7287391B2
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Description

本発明は、含フッ素プロペンを効率よく製造する方法に関する。
近年、洗浄剤、冷媒、発泡剤、溶剤、エアゾール用途等にハイドロフルオロカーボン(HFC)やハイドロクロロフルオロカーボン(HCFC)が用いられている。しかしながら、これらの化合物は、地球温暖化の原因となる可能性が指摘されている。そこで、地球温暖化係数の小さい化合物としてハイドロフルオロオレフィン(HFO)やハイドロクロロフルオロオレフィン(HCFO)などの含フッ素オレフィンが注目されている。
HFOやHCFOはオゾン破壊係数(ODP)、地球温暖化係数(GWP)のいずれも低く、環境負荷が小さい上に、冷凍能力、洗浄性、不燃性、低毒性などの物性に優れることが知られている。
特に、冷媒や溶剤の用途では、HFOやHCFOであって構造中に炭素を3つ有するC3不飽和化合物(以下、含フッ素プロペンともいう。)が好適である。さらに、含フッ素プロペンのうちでも、分子内に-CF=で示される構造を有する含フッ素プロペンは毒性が低く、冷媒、溶剤向けに特に好適である。加えて、分子内に-CF=CX(2つのXはそれぞれ独立して、F、ClまたはHであり、Xが2つともHの場合を除く)で示される構造を有する含フッ素プロペンは、分子内に-CF=CHで示される構造を有する含フッ素プロペンと比較して、不燃性が高く、洗浄性が優れており、冷媒、溶剤向けにさらに好適である。例として、1-クロロ-2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(CF-CF=CClH、HCFO-1224yd)、1-クロロ-2,3,3トリフルオロプロペン(CFH-CF=CClH)などが挙げられる。
一方、-CF=を有する含フッ素プロペンは、例えば、前駆体として-CFCl-を有する含フッ素プロパンを脱塩素反応することで製造される。しかしながら、前駆体として-CFCl-を有する含フッ素プロパンはエネルギー的に不安定であるため、-CF=を有する含フッ素プロペンを高収率で得ることが困難である。また、フッ素化学産業の基幹原料であるテトラフルオロエチレン(TFE)を出発物質とした含フッ素プロパンの合成では、-CF-を有する化合物が合成されやすい。
これらの理由から、現在、-CF=を有する含フッ素プロペンの製法として、脱ハロゲン化水素で合成されることが一般的である(例えば、特許文献1を参照)。しかし、脱ハロゲン化水素の前駆体を得るためには必要に応じてH還元やハロゲン化などの複数工程が必要となりプロセスの効率性が課題となっている。
これに対して、特許文献2では、-CF-を有する含フッ素プロパンを原料として、H還元雰囲気で脱フッ素脱塩素することで、直接-CF=を有する含フッ素プロペンを合成する方法が検討されている。しかしながら、特許文献2の方法では、目的とする-CF=を有する含フッ素プロペンを高収率で得られていない。
また、非特許文献1では金属亜鉛存在下で、特許文献2と同様に脱フッ素脱塩素する方法が試みられているが、同一反応系中に脱塩素が進行する基質が含まれること、および同一基質の中で2通りの脱フッ素脱塩素ルートが存在することから、目的とする-CF=を有する含フッ素プロペンを高収率で得られていない。
国際公開第2017/110851号 国際公開第1994/005611号
Bulletin de la Societe Chimiquw,[6]. 920-4; 1986
本発明は、分子内に-CF-構造を有する含フッ素プロパンを原料として用いて、-CF=構造、を有する含フッ素プロペンを、効率よくかつ高収率で得る製造方法の提供を目的とする。さら特には、分子内に-CF=CX(Xはそれぞれ独立して、F、ClまたはHであり、Xが2つともHの場合を除く)で示される構造を有する含フッ素プロペンを、効率よくかつ高収率で得る製造方法の提供を目的とする。
本発明は、以下の態様を有する。
[1]下記式(A)で示される含フッ素含塩素プロパンを、アルカリ土類金属および遷移金属から選ばれる少なくとも1種からなる還元剤の存在下に脱フッ素脱塩素反応させて、下記式(B)で示される含フッ素プロペンを得る、含フッ素プロペンの製造方法。
CY-CF-CClX 式(A)
CY-CF=CX 式(B)
式(A)中、2つのXはそれぞれ独立して、F、ClまたはHであり、3つのYはそれぞれ独立して、FまたはHである。ただし、Xが2つともHの場合は除く。式(B)中のXおよびYは、式(A)におけるXおよびYと同じである。
[2]前記含フッ素含塩素プロパンは3,3-ジクロロ-1,1,1,2,2-ペンタフルオロプロパンであり、前記含フッ素プロペンは1-クロロ-2,3,3,3-テトラフルオロプロペンである[1]の製造方法。
[3]前記含フッ素含塩素プロパンは1-クロロ-1,1,2,2-テトラフルオロプロパンであり、前記含フッ素プロペンは1,1,2-トリフルオロプロペンである[1]の製造方法。
[4]前記含フッ素含塩素プロパンは1-クロロ-1,1,2,2,3-ペンタフルオロプロパンであり、前記含フッ素プロペンは1,1,2,3-テトラフルオロプロペンである[1]に記載の製造方法。
[5]前記還元剤は、亜鉛、マグネシウム、銅、およびニッケルからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む[1]~[4]のいずれかの製造方法。
[6]前記還元剤は、亜鉛を含む[1]~[5]のいずれかの製造方法。
[7]前記還元剤は、活性化剤で活性化された還元剤である[1]~[6]のいずれかの製造方法。
[8]前記還元剤は、粒径D50が0.05~1000μmの粉末である[1]~[7]のいずれかの製造方法。
[9]前記含フッ素含塩素プロパンを液相中で脱フッ素脱塩素反応させる[1]~[8]のいずれかの製造方法。
[10]前記液相は、前記含フッ素含塩素プロパンを溶解する溶媒を含む[9]の製造方法。
[11]前記溶媒は、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、t-ブチルアルコール、1-ペンタノール、1-ヘキサノール、N,N-ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、およびテトラヒドロフランからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む[10]]の製造方法。
[12]前記還元剤を、前記含フッ素含塩素プロパン1.0モルに対して0.6~3.0モルの割合で用いる[1]~[11]のいずれかの製造方法。
[13]前記脱フッ素脱塩素反応を、ハロゲン化銅を含む触媒の存在下に行う[1]~[12]のいずれかの製造方法。
[14]前記ハロゲン化銅を含む触媒を、前記含フッ素含塩素プロパン1モルに対して1~50モル用いる[13]に記載の製造方法。
[15]前記脱フッ素脱塩素反応の反応温度は0℃以上250℃以下である[1]~[14]のいずれかの製造方法。
本発明によれば、分子内に-CF-構造を有する含フッ素プロパンを原料として、-CF=構造、特には、分子内に-CF=CX(Xはそれぞれ独立して、F、ClまたはHであり、Xが2つともHの場合を除く)で示される構造を有する含フッ素プロペンを温和な条件で効率良くかつ高収率で製造できる。
本明細書における用語の定義、記載の仕方等は下記のとおりである。
「ハロゲン化炭化水素」は、化合物名の後の括弧内にその化合物の略称を記すが、必要に応じて化合物名に代えてその略称を用いる。また、略称として、ハイフン(-)より後ろの数字およびアルファベット小文字部分だけ(例えば、HCFO-1224ydは、1224ydで表すことがある。さらに、幾何異性体を有する化合物の名称およびその略称に付けられた(E)は、E体(トランス体)を示し、(Z)はZ体(シス体)を示す。該化合物の名称、略称において、E体、Z体の明記がない場合、該名称、略称は、E体、Z体、およびE体とZ体の混合物を含む総称を意味する。
「反応式(F)で示される反応」を、反応(F)という。他の式で表される反応もこれに準じて表す。また、「式(A)で示される化合物」を化合物(A)という。他の式で表される化合物もこれに準じて表す。
数値範囲を表す「~」では、その上限値およびその下限値を含む。また、数値範囲の下限値および上限値が同じ単位の場合、簡潔化のために片方の記載を省略することがある。
粒径D50は、レーザー回折/散乱式粒度分布測定装置を用いて測定した粒径分布の累積粒度曲線において、その積算量が体積基準で50%を占めるときの粒径を表す。
(本発明の製造方法)
本発明の製造方法は、式(A)で示される含フッ素含塩素プロパンを、アルカリ土類金属および遷移金属から選ばれる少なくとも1種からなる還元剤(以下、還元剤(M)ともいう。)の存在下に脱フッ素脱塩素反応させて、式(B)で示される含フッ素プロペンを得るものである。本発明による脱フッ素脱塩素反応(以下、脱ClF反応ともいう。)は、下記反応式(F)で表される。
Figure 0007287391000001
反応式(F)において、化合物(A)中の2つのXはそれぞれ独立して、F、ClまたはHであり、3つのYはそれぞれ独立して、FまたはHである。ただし、化合物(A)は、Xが2つともHである場合を含まない。化合物(B)中のXおよびYは、化合物(A)におけるXおよびYと同じである。
本発明者らは、分子内に-CF-構造を有する含フッ素含塩素プロパンから、還元剤の存在下に、分子内に-CF=構造を有する含フッ素プロペンを得る、脱ClF反応において、原料を化合物(A)に限定し、還元剤を還元剤(M)に限定して組み合わせることで、生成物である化合物(B)が高収率で得られることを見出した。
上記のとおり、従来、脱ClF反応は、反応の工程数が少なく簡便な方法であるが、極めて収率が低く含フッ素プロペンの製法として好適ではないと認識されていた。例えば、特許文献2では化合物(A)を、水素を還元剤として脱ClF反応させて化合物(B)を得ているが、収率は50%未満である。また、非特許文献1では、化合物(A)と異なる構造の、例えば、CClF-CF-CClHを原料とし、還元剤(M)を用いて脱ClF反応させて化合物(B)を複数種得ているが、化合物(B)の収率は合計でも数%以下である。このように、これまでに提案されている脱ClF反応では、高収率で化合物(B)は得られないとされていた。
本発明者らは、まず、還元剤を用いた脱ClF反応の原料に着目し、原料の構造を化合物(A)の構造に限定する、すなわち、CY-CF-CClXにおいて、XをF、ClまたはHに限定し、かつ、YをFまたはHに限定した原料を用いることにより、以下のようにして副反応が抑制されると考えた。
分子内に-CF-構造を有する含フッ素含塩素プロパンからの還元剤を用いた脱ClF反応においては、還元剤により-CF-からFが引き抜かれると同時に、両末端の炭素原子のうちいずれか一方の炭素原子に結合するClが引き抜かれる。ここで、末端の炭素原子の両方にClが存在すると、反応ルートが2通りとなり、結果として高収率で-CF=構造を有する含フッ素プロペンが得られないと考えられる。したがって、本発明においては、不要な副反応が生起しないように、原料の化合物(A)を、末端の炭素原子のいずれか一方のみにClが結合した構成とした。
CY-CF-CClX(化合物(A))からの脱ハロゲンルートとしては、-CF-CClXからの脱ClFルートしか実質的に存在しない。化合物(A)においてYのうち一つ以上がFであった場合、脱ハロゲンルートとして、CY-CF-からの脱Fも原理的には考えられる。しかしながら、C-F結合エネルギーが極めて大きいため、反応速度が極めて小さく、その場合においても現実的には脱F体はほとんど得られない。したがって、原料として化合物(A)を選択することで、化合物(B)を高収率で得られるものと想定できる。
なお、原料として化合物(A)を選択したとしても、特許文献1のように、一般的に用いられる水素を還元剤とした場合では、-CF=構造を有する含フッ素プロペンは高収率では得られない。その理由は定かではないが、水素の還元能力が低く、還元にはより高い温度が必要となることから、生成するオレフィンが重合もしくは分解するためと考えられる。そこで、アルカリ土類金属および遷移金属から選ばれる少なくとも1種からなる還元剤である還元剤(M)を選択して、化合物(A)と組み合わせて用いることで、化合物(B)を高収率で得られる本発明を完成するに至った。
具体的には、本発明の製造方法に係る脱ClF反応(F)においては、化合物(B)を60%以上の高収率で製造できる。さらに、本発明の製造方法に係る脱ClF反応(F)においては、反応温度を低くする等、より温和な条件において、より高収率で化合物(B)を得ることができる。
(本発明の製造方法が適用可能な反応)
本発明が適用される反応として、具体的には以下の式(1)~式(20)で示される脱ClF反応がある。
CH-CF-CCl → CH-CF=CCl …(1)
CFH-CF-CCl → CFH-CF=CCl …(2)
CFH-CF-CCl → CFH-CF=CCl …(3)
CF-CF-CCl → CF-CF=CCl …(4)
CH-CF-CClH → CH-CF=CClH …(5)
CFH-CF-CClH → CFH-CF=CClH …(6)
CFH-CF-CClH → CFH-CF=CClH …(7)
CF-CF-CClH → CF-CF=CClH …(8)
CH-CF-CClF → CH-CF=CClF …(9)
CFH-CF-CClF → CFH-CF=CClF …(10)
CFH-CF-CClF → CFH-CF=CClF …(11)
CF-CF-CClF → CF-CF=CClF …(12)
CH-CF-CClFH → CH-CF=CFH …(13)
CFH-CF-CClFH → CFH-CF=CFH …(14)
CFH-CF-CClFH → CFH-CF=CFH …(15)
CF-CF-CClFH → CF-CF=CFH …(16)
CH-CF-CClF → CH-CF=CF …(17)
CFH-CF-CClF → CFH-CF=CF …(18)
CFH-CF-CClF → CFH-CF=CF …(19)
CF-CF-CClF → CF-CF=CF …(20)
上記式(1)~(20)で示される脱ClF反応において、原料である化合物(A)の入手容易性や生成物である化合物(B)の有用性等を勘案すると、本発明が好適に用いられる反応として、化合物(A)に含まれるフッ素原子の総数が4~6である脱ClF反応(3)、(4)、(7)、(8)、(10)、(11)、(12)、(14)~(19)が挙げられる。これらのうちでも、脱ClF反応(8)、(17)および(18)に特に好適である。
脱ClF反応(8)は、3,3-ジクロロ-1,1,1,2,2-ペンタフルオロプロパン(CF-CF-CClH、HCFC-225ca。以下、225caともいう。)から、1-クロロ-2,3,3,3-テトラフルオロプロペン(CF-CF=CClH、HCFO-1224yd。以下、1224ydともいう。)を得る反応である。
1224ydは、特に冷媒や溶剤への使用が期待されている化合物であり、例えば、上記特許文献1にも、225caからの製造ルートが提案されている。しかしながら、特許文献1に記載された方法では、脱フッ化水素、H還元、塩素化および脱塩化水素が必要であり工程が多く製造コストが高いという課題があった。しかし、本発明の製造方法を適用することで、225caの還元剤(M)を用いた脱ClF反応により、1工程でかつ高収率で1224ydを製造することが可能となるため、本発明の効果はより顕著である。
脱ClF反応(17)は、1-クロロ-1,1,2,2-テトラフルオロプロパン(CH-CF-CClF、HCFC-244cc、以下、244ccともいう。)から、1,1,2-トリフルオロプロペン(CH-CF=CF、HFO-1243yc、以下、1243ycともいう。)を得る反応である。
1243ycは、これまでに製造に関して文献に記載のない化合物であるが、本発明の製造方法によれば、入手容易な原料である244ccの還元剤(M)を用いた脱ClF反応により1工程でかつ高収率での製造が可能である。1243ycは、例えば、カーエアコンや自動販売機用の冷媒、発泡剤、エアゾール噴射剤、樹脂原料などの用途として有用である。
脱ClF反応(18)は、1-クロロ-1,1,2,2,3-ペンタフルオロプロパン(CHF-CF-CClF、HCFC-235cc、以下、235ccともいう。)から、1,1,2,3-テトラフルオロプロペン(CHF-CF=CF、HFO-1234yc、以下、1234ycともいう。)を得る反応である。
1234ycは、これまでに製造に関して文献に記載のない化合物であるが、本発明の製造方法によれば、入手容易な原料である235ccの還元剤(M)を用いた脱ClF反応により1工程でかつ高収率での製造が可能である。1234ycは、例えば、カーエアコンや自動販売機用の冷媒、発泡剤、エアゾール噴射剤、樹脂原料などの用途として有用である。
(脱ClF反応)
本発明の製造方法は、上記脱ClF反応式(1)~(20)で示される、化合物(A)から化合物(B)を得る脱ClF反応を、アルカリ土類金属および遷移金属から選ばれる少なくとも1種からなる還元剤(M)の存在下に行うことを特徴とする。
<化合物(A)>
化合物(A)の入手方法は特に制限されない。公知の方法で製造してもよく、市販品を用いてもよい。本発明が好ましく適用される式(8)の反応における225caは、例えば、テトラフルオロエチレン(TFE)とジクロロフルオロメタン(CClFH)を、塩化アルミニウム等のルイス酸触媒の存在下で反応させることにより製造できる。
この場合、225caは、1,3-ジクロロ-1,1,2,2,3-ペンタフルオロプロパン(CClF-CF-CClFH、HCFC-225cb)、2,2-ジクロロ-1,1,3,3,3-ペンタフルオロプロパン(CHF-CCl-CF、HCFC-225aa)、2,3-ジクロロ-1,1,2,3,3-ペンタフルオロプロパン(CHF-CClF-CClF、HCFC-225bb)等とのジクロロペンタフルオロプロパン(HCFC-225)異性体混合物の状態で得られる。したがって、HCFC-225異性体混合物から225caを蒸留等の公知の方法で分離して化合物(A)として用いる。
また、225caを含むHCFC-225異性体混合物の市販品、例えば、アサヒクリンAK225(AGC社商品名、225caの48モル%と、HCFC-225cbの52モル%の混合物)等から、225caを蒸留等の方法で分離して化合物(A)として用いてもよい。
また、本発明が好ましく適用される式(17)の反応における244ccは、例えば、以下の方法(A)または方法(B)によって製造できる。
方法(A):TFEと、CCl、CHClおよびCHClから選ばれる少なくとも1種を、塩化アルミニウム等のルイス酸触媒の存在下で反応させて、CFCl-CF-CClAB(式中、AとBは互いに独立してHまたはClである。)で表される化合物を得、得られた化合物をパラジウム触媒等の存在下で水素と反応させることで水素化させて244ccを得る方法。
方法(B):TFEとCHClを、塩化アルミニウム等のルイス酸触媒の存在下で反応させて、244ccを得る方法。
方法(A)または方法(B)では、244ccは、244ccとともに未反応原料、副生物等を含む反応生成物として得られる。したがって、蒸留、抽出蒸留、共沸蒸留、膜分離、二層分離、吸着等の公知の精製工程により244ccを分離して化合物(A)として用いる。
また、本発明が好ましく適用される式(18)の反応における235ccは、例えば、米国特許第5756869号の記載の方法等により製造できる。すなわち、225cbを活性炭に担持されたビスマス-パラジウム触媒等の存在下で水素と反応させることで水素化させることにより製造できる。反応生成物中に225caなどの異性体および異性体が水素化されたHCFC等が含まれる場合には、蒸留等の公知の精製工程により235ccを分離して化合物(A)として用いる。
なお、本発明の製造方法において、化合物(A)は、化合物(A)と不純物を含む混合物の形態で脱ClF反応(F)に用いてもよい。混合物における不純物量は、本発明の製造方法の効果に影響を及ぼさない程度とするのが好ましい。具体的には、化合物(A)は、化合物(A)の製造時において副生する副生物や未反応原料と共に用いられてもよい。例えば、純度が85質量%以上、好ましくは90質量%以上、特に好ましくは95質量%以上の化合物(A)を含む組成物として、本発明に用いることができる。
<還元剤(M)>
本発明に用いる還元剤(M)は、アルカリ土類金属および遷移金属から選ばれる少なくとも1種である。アルカリ土類金属は、具体的には、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウム、ラジウムである。遷移金属は、具体的には、第3族元素から第12族元素である。還元剤(M)としては、反応性の観点から亜鉛、マグネシウム、銅、またはニッケルが好ましく、亜鉛またはマグネシウムがより好ましく、ハンドリング性の観点から亜鉛が特に好ましい。
還元剤(M)は上記金属の1種からなってもよく、2種以上からなってもよい。2種以上の場合は混合物であってよく、合金であってもよい。
還元剤(M)の形態は特に限定されないが、化合物(A)との接触効率の観点から粉末状であることが好ましく、より球状に近い粉末状が好ましい。粒子径は化合物(A)との接触効率と、ハンドリングのしやすさから選定される。還元剤(M)が粉末状である場合、粒径D50は0.05~1000μmが好ましい。粒径が小さいほど化合物(A)と還元剤(M)との接触効率は良くなり、反応が進行するため好ましく、500μm以下がより好ましく、200μm以下がさらに好ましい。また、粒径が大きいほど製造時のハンドリングは容易となるため好ましく、0.1μm以上がより好ましく、0.5μm以上がさらに好ましい。
また、還元剤(M)を構成する金属の表面は空気中で酸素に暴露されることで酸化されやすい。したがって、通常、還元剤(M)は、その表面に構成金属の酸化被膜を有する。酸化被膜を有すると、還元剤(M)の還元能が低下し反応速度が低下することがある。そのため還元剤(M)は、本発明に用いる前に、酸化被膜を除去する前処理を受けることが好ましい。
還元剤(M)における酸化被膜の除去には、通常、活性化剤を用いる。活性化剤としては、金属表面の酸化被膜除去に一般的に用いられる活性化剤が特に制限なく使用可能であり、工業的には塩化亜鉛が適している。その理由は、例えば、本発明に係る脱ClF反応を液相で行った場合、塩化亜鉛の極性溶媒への溶解性が高いことと、特に亜鉛を還元剤(M)として用いた場合に反応の副生物として塩化亜鉛が生成することから、新規に活性化剤を添加する必要がない点にある。
塩化亜鉛が活性化剤として機能する理由として反応系中に微量に含まれる水分が原因で生成する塩化水素が金属表面の酸化被膜を除去していると考えられている。なお、塩化亜鉛以外にもジブロモエタンなども活性化剤として使用できる。
なお、活性化剤による還元剤(M)の処理は、後述のとおり、化合物(A)の脱ClF反応(F)が行われる反応器内で行ってもよい。さらに、反応器に化合物(A)、還元剤(M)および脱ClF反応(F)に用いられるその他の成分と活性化剤を投入し、活性化剤による還元剤(M)の処理を行いながら脱ClF反応(F)を行ってもよい。なお、活性化剤の量は、還元剤(M)に対して、1~100モル%が好ましく、経済性と反応性の観点から10~50モル%がより好ましく、20~50モル%がさらに好ましい。還元剤(M)を初期に一括投入する形式のバッチ反応の場合は、反応中に還元剤(M)が減少していくことになる。その場合は反応中の還元剤(M)の最大モル量に対して、1~100モル%が好ましく、経済性と反応性の観点から10~50モル%がより好ましい。液相反応の場合は、ハンドリングのしやすさから、活性化剤が溶媒に溶解している状態で使用するのが好ましく、溶媒への飽和溶解度以下が好ましい。
本発明に用いる還元剤(M)の使用量は、化合物(A)1.0モルに対して0.6~3.0モルが好ましい。還元剤(M)の使用量を上記範囲とすることで、十分な反応速度が得られるとともに、化合物(B)を十分に高い収率で製造できる。ただし、還元剤(M)の使用量が多くなると生産コストが高くなってしまう。そのため、その使用量は、化合物(A)1.0モルに対して0.6~1.5モルがより好ましく、0.8~1.2モルが特に好ましく、1.0~1.2モルが最も好ましい。また、還元剤(M)を充填した反応器に、連続的に化合物(A)を流通させる固定層フローリアクター形式の場合でも、化合物(A)の延べ使用量1.0モルに対して、還元剤(M)の使用量を上記範囲に設定することで、十分な反応速度が得られるとともに、化合物(B)を十分に高い収率で製造できる。
本発明では、化合物(A)の種類によっては、脱ClF反応の反応速度が小さく、化合物(B)の製造効率が低い場合がある。その場合、反応温度をより高温にすることで反応速度を大きくすることが可能であるが、触媒を用いることで反応速度を大きくして化合物(B)の製造効率を向上させることもできる。
例えば、上記式(17)の脱ClF反応により化合物(A)として244ccを用いて1243ycを得る場合、上記式(8)による225caを用いた脱ClF反応に比べて、反応速度が小さく反応には高温を要する。そのため、触媒を用いることで、より温和な条件で、脱ClF反応が進行し、化合物(B)である1243ycを得ることが可能となる。
触媒としては、ハロゲン化銅が好適である。ハロゲン化銅としては、塩化銅(I)、臭化銅(I)、またはヨウ化銅(I)が好ましく、特に臭化銅(I)がより好ましい。さらに、ハロゲン化銅、特に臭化銅(I)をトリフェニルホスフィン等と錯形成させた触媒がより好ましい。このように錯形成された触媒を用いることでより高収率で脱ClF体である化合物(B)を得ることが可能となる。
触媒を用いる場合、その使用量は、化合物(A)に対して1モル%~50モル%の割合が好ましく、5モル%~20モル%の割合がより好ましい。
本発明における脱ClF反応は、液相で行ってもよいし、気相で行ってもよい。上記反応式(F)で示される脱ClF反応に伴い副生する還元剤(M)のハロゲン化物を除去しやすい点から、脱ClF反応(F)は液相で行うのが好ましい。
例えば、脱ClF反応(F)において、還元剤(M)として亜鉛(Zn)を用いた場合、反応式(F)は、以下のように示される。ここで、YとXは反応式(F)におけるのと同様である。
CY-CF-CClX+Zn→
CY-CF=CX+0.5ZnF+0.5ZnCl
上記反応式において還元剤(M)である亜鉛は、化合物(A)の脱ClF反応により生じたFおよびClとそれぞれ反応して、フッ化亜鉛および塩化亜鉛を生成する。したがって、反応後の生成物は、化合物(B)、フッ化亜鉛および塩化亜鉛となる。
本発明の製造方法を液相で行う場合、液相は溶媒を含むことが好ましい。溶媒は、化合物(A)および得られる化合物(B)に非反応性であってかつ、化合物(A)を溶解する溶媒が好ましい。なお、溶媒が化合物(A)を溶解するとは、25℃において、溶媒と化合物(A)を任意の混合割合で混合した際に相分離や濁りを起こさずに均一に溶解することをいう。
溶媒は、さらに、脱ClF反応(F)で副生する還元剤(M)の塩化物およびフッ化物を溶解することが好ましい。該観点から脱ClF反応(F)に用いる溶媒は極性溶媒が好ましい。極性溶媒としては、アルコール類、エーテル類、ケトン類、アミド化合物、ニトリル化合物からなる群から選ばれる少なくとも1種が好ましい。
アルコールとしては、例えば、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、イソブチルアルコール、2-ブタノール、t-ブチルアルコール、1-ペンタノール、1-ヘキサノール等が挙げられる。ケトンとしては、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、メチルプロピルケトン、メチルイソブチルケトン、メチルアミルケトン、シクロヘキサノン等が挙げられる。エーテルとしては、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、ジメチルエーテル、エチルメチルエーテル、ジエチルエーテル、エチレンオキシド等の鎖状エーテル、テトラヒドロフラン、フラン、クラウンエーテル類等の環状エーテル等が挙げられる。アミド化合物としてはN,N-ジメチルホルムアミド等が、ニトリル化合物としては、アセトニトリル等が挙げられる。
これらの中でも溶媒としては、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、t-ブチルアルコール、1-ペンタノール、1-ヘキサノール、N,N-ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、またはテトラヒドロフランが好ましい。さらに、メタノール、エタノール、テトラヒドロフラン、アセトン、N,N-ジメチルホルムアミド、またはアセトニトリルが脱ClF反応(F)の促進性、入手性、脱ClF反応後の化合物(B)との分離容易性の観点で特に好ましく、これらの中から反応温度や副反応の進行度合いを勘案し、適切な溶媒を選定することができる。これらの溶媒は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合せて用いてもよい。
本発明の製造方法を、溶媒を含む液相で行う場合、溶媒の使用量は、化合物(A)100質量部に対して10~2000質量部が好ましく、20~1500質量部がより好ましく、50~500質量部がさらに好ましい。
本発明における脱ClF反応(F)の反応温度は、化合物(A)の種類によるが、液相、気相を問わず、反応速度と化合物(B)の収率を高める観点から0~250℃が好ましい。反応温度が低すぎると反応速度が低下し生産性が落ちる。また反応温度が高すぎると化合物(A)の分解や副反応の進行が進むため、収率が低下する懸念がある。また選択できる溶媒が限られるという難点やエネルギーコストがかかるという問題もある。これらの理由から、反応温度は、より好ましくは20~220℃であり、50~180℃が特に好ましい。
より具体的には、225caから1224ydを得る脱ClF反応(F)を行う場合、反応温度は、20~150℃が好ましく、50~100℃がより好ましい。また、反応圧力は、反応を行う反応器内の圧力であり、ゲージ圧で0~1MPaが好ましく、0~0.5MPaがより好ましい。
また、244ccから1243ycを得る脱ClF反応(F)を行う場合、反応温度は、50~250℃が好ましく、100~200℃がより好ましい。また、反応圧力は、反応を行う反応器内の圧力であり、ゲージ圧で0~1MPaが好ましく、0~0.5MPaがより好ましい。
また、235ccから1234ycを得る脱ClF反応(F)を行う場合、反応温度は、50~250℃が好ましく、100~200℃がより好ましい。また、反応圧力は、反応を行う反応器内の圧力であり、ゲージ圧で0~1MPaが好ましく、0~0.5MPaがより好ましい。
本発明における脱ClF反応(F)の反応時間は、化合物(B)の収率と反応速度の観点で生産性の最も高い時間が選定されるが、0.5~20時間が好ましく、1~10時間がより好ましく、2~5時間が特に好ましい。
本発明の製造方法は、バッチ式、半連続式または連続式のいずれの方法で行ってもよい。半連続式は、還元剤(M)を充填した反応器に、連続的に化合物(A)を流通させる固定層フローリアクター形式などが例示できる。工業的に目的の化合物(B)を大量に生産する観点から、バッチ式、半連続式または連続式の反応器に撹拌翼を設置し、それを撹拌させることにより脱ClF反応(F)を行うことが好ましい。反応器としては、上記した反応器内の温度および圧力に耐えるものであれば、特に限定されず、例えば、フラスコやオートクレーブ、円筒状の縦型反応器を用いることができる。撹拌翼としては、2枚パドル翼、4枚パドル翼、アンカー翼、ゲート翼、3枚プロペラ、リボン翼、6枚タービン翼等が挙げられる。また、反応器は、反応器内を加熱する電気ヒータ等を備えていてもよい。
本発明の製造方法を液相で行う場合、通常、反応器内に化合物(A)、溶媒、還元剤(M)、必要に応じて、活性化剤、触媒の所定量を導入して行われる。反応器の材質としては、化合物(A)、溶媒、還元剤(M)、触媒ならびに化合物(B)、還元剤(M)のハロゲン化物を含む反応液成分等に不活性で、耐蝕性の材質であれば特に制限されない。例えば、ガラス、または、鉄、ニッケルおよび鉄等を主成分とするステンレス鋼等の合金などが挙げられる。
本発明において反応器内で脱ClF反応(F)を行い得られた反応生成物には、目的生成物である化合物(B)以外に、未反応の化合物(A)や副生物、溶媒、還元剤(M)、活性化剤、触媒が含まれ得る。これらを含む反応生成物から化合物(B)を回収する際には、濾過、蒸留等による分離精製方法を採用するのが好ましい。また脱ClF反応と同時に蒸留する反応蒸留形式を採用することもできる。
例えば、225caから脱ClF反応により得られる1224ydは、1224yd(E)と1224yd(Z)の混合物として得られる。1224yd(E)と1224yd(Z)は必要に応じて、蒸留等の一般的な方法で分離して用いてもよい。
以下に、本発明を実施例によって具体的に説明するが、本発明はこれらの記載によって限定されるものではない。
(実施例1)225caの脱ClF反応による1224ydの製造
[225caの製造]
テトラフルオロエチレン(TFE)とジクロロフルオロメタン(CClFH)を、ルイス酸である塩化アルミニウム(AlCl)の存在下で反応させることで得られる主に225caおよび225cbからなる生成物を蒸留分離することで純度99%以上の225caを得た。
[1224ydの製造]
0.5Lのオートクレーブ(以下、A/Cという。)内に、溶媒としてメタノール(脱水品:関東化学社製)を238g、還元剤(M)として亜鉛の粉末(D50;6~9μm、有機合成用:富士フィルム和光純薬社製)を47g(0.72mol)、活性化剤として塩化亜鉛を9.8g(0.072mol)、および化合物(A)として225caを122g(0.60mol)仕込んで、密閉した。
次いで、A/Cをウォーターバスに設置し、反応温度である75℃まで昇温させた。昇温は1時間弱で行い、昇温中および反応中は撹拌翼を300rpmで回転させた。尚、撹拌翼は2枚パドル翼を用いた。
75℃まで昇温後は、該温度の±1℃で制御し4時間撹拌混合させた。反応中は脱ClF体が低沸点化合物(沸点15℃程度)であるため、反応圧力は徐々に上昇するが、パージはせずに密閉状態で反応させた。
反応終了後は、ウォーターバスの温度を下げ、室温まで冷却した。室温まで下がった後に、反応液を差込管からハイプレッシャーシリンジにサンプリングし、ガスクロマトグラフィー(島津製作所社製、以下、GCという。)にて分析を行った。
GC分析により225caおよび脱ClF体である1224ydの組成分析を行い転化率、選択率を算出した。その結果、225caの転化率は99.6%であり、1224ydの選択率は88.5%であり、収率88.2%と非常に高収率で1224ydを得ることができた。
(実施例2)244ccの脱ClFによる1243ycの製造
[244ccの製造]
テトラフルオロエチレン(TFE)とクロロホルム(CHCl)をルイス酸の存在下で反応させ、以下のとおり第1の工程で1,1,3-トリクロロ-2,2,3,3-テトラフルオロプロパン(HCFC-224ca、以下、224caともいう。)を製造し、得られた224caから第2の工程により244ccを製造した。
(1)224caの製造(第1の工程)
下記反応式にしたがって、次の手順で、224caを製造した。
CHCl + TFE → 224ca
まず、500mLステンレス製A/Cに、無水塩化アルミニウム(25g、0.19mol)、CHCl(500g、4.19mol)および224ca(100g、0.45mol)を入れて撹拌しながら減圧脱気した後、TFEをA/C内が0.05MPaとなるまで供給し、A/C内を80℃に昇温した。その後、A/C内の圧力を0.8MPaで維持しながら、TFEをさらに供給した。A/Cに供給されたTFEは総量で0.17kg(1.65mol)であった。
さらに1時間撹拌した後、室温まで冷却して、反応液をGCで分析したところ、CHClの転化率は33%であり、224caの選択率は84%であった。反応後の液を濾別し得られた粗液に、モレキュラーシーブ4Aを102g加え一晩撹拌して、脱水した。撹拌後の粗液を濾別し、得られた粗生成物を蒸留精製することにより224ca(230g、1.05mol)を製造した。
(2)244ccの製造(第2の工程)
上記した方法で得られた224caを原料として、下記の方法で244ccを得た。
まず、電気炉を備えた円筒形反応管からなる気相反応装置(SUS316製、直径25mm、長さ30cm)に2.0質量%の割合でパラジウムを担持した活性炭ペレット(15g)を充填し、窒素(N)ガス(500NmL/min)を流しながら130℃まで昇温した。反応管を大気圧(1気圧)に維持しながら、反応管の出口から得られるガス中の水分が20ppm以下になるまで触媒を乾燥した。触媒の乾燥終了後、窒素の供給を停止し、水素(180mL/min)を供給しながら反応管を200℃に加熱した後、224ca(0.44g/min)を供給した。
反応管の出口から得られた粗ガスは水洗後、アルカリ洗浄塔およびモレキュラーシーブ5Aを通して酸分と水分とを除去した後、コールドトラップに捕集した。捕集した粗生成物をGCで分析したところ、224caの転化率は98%であり、1,3-ジクロロ-1,1,2,2-テトラフルオロプロパン(HCFC-234cc)が選択率24%、244ccが選択率70%で得られた。合計500g(2.27mol)の224caを上記で反応させて、298gの粗生成物を得た。
得られた粗生成物を25段精留塔で常圧精留して、合計200gの244ccを得た。
[1243ycの製造]
0.2LのA/Cに溶媒としてN,N-ジメチルホルムアミド(脱水品:純正化学社製)を47g、還元剤(M)として亜鉛粉末(D50;6~9μm、有機合成用:富士フィルム和光純薬社製)11g(0.17mol)、活性化剤として塩化亜鉛(純正化学製)を2.3g(0.017mol)、および化合物(A)として244ccを21g(0.14mol)仕込んで、密閉した。
次いでA/Cをオイルバスに設置し反応温度である180℃まで昇温させた。昇温は1時間強で行い、昇温中および反応中は撹拌翼を300rpmで回転させた。なお、撹拌翼は2枚パドル翼を用いた。
180℃で数時間保持後、オイルバスの温度を下げ、室温まで冷却した。なお、反応中はパージはせずに密閉状態で反応させた。
室温まで下がった後に、反応液を差込管からハイプレッシャーシリンジにサンプリングし、GCにて分析を行った。
GC分析により244ccおよび脱ClF体である1243ycの組成分析を行い転化率、選択率を算出した。その結果、244ccの転化率は79.2%であり、1243ycの選択率は98.6%であり、収率78.1%と非常に高収率で1243ycを得ることができた。
(比較例1)225cbの脱ClF反応による3-クロロ-1,2,3,3-テトラフルオロプロペン(CClF-CF=CFH、HCFO-1224ye、以下、「1224ye」という。)の製造
下記のようにして、化合物(A)に該当しない225cbを還元剤(M)の存在下、脱ClF反応させて、1224yeを製造した。
[225cbの製造]
225cbを99%以上含む市販品、アサヒクリンAK225G(AGC社製)を化合物(A)として用いた。
[1224yeの製造]
20ccの反応管に溶媒としてN,N-ジメチルホルムアミド(脱水品:純正化学社製)を1.4g、還元剤(M)として亜鉛粉末(D50;6~9μm、有機合成用:富士フィルム和光純薬社製)0.3g(4.5mmol)、活性化剤として塩化亜鉛を0.06g(0.45mmol)、および化合物(A)に該当しない225cbを0.6g(3.0mmol)仕込んで、密閉した。
反応管をウォーターバスに設置し、反応温度である75℃まで昇温させた。昇温は10分弱で行った。
75℃まで昇温後は±1℃で制御し4時間混合させた。反応中は脱ClF体が低沸点化合物であるため、反応圧力は徐々に上昇するが、パージはせずに密閉状態で反応させた。
反応終了後は、ウォーターバスの温度を下げ、室温まで冷却した。室温まで下がった後に、反応液を差込管からハイプレッシャーシリンジにサンプリングし、GCにて分析を行った。
GC分析により225cbおよび脱ClF体である1224yeの組成分析を行い転化率、選択率を算出した。その結果、225cbの転化率は19.2%であり、1224yeの選択率は1.70%であり、収率0.33%と非常に低収率であった。撹拌機構のない反応管の試験であるため、転化率が上がらなかったと考えられるが、選択率が非常に低く、脱ClFルートが2つ以上あり、さらに反応試験では反応副生物として溶媒由来の脱Cl-H置換体、例えば、1-クロロ-1,2,2,3,3-ペンタフルオロプロパン(CFH-CF-CClFH、HCFC-235ca)が多く生成する結果となった。
(比較例2)
1224yeの製造方法を下記に変更した以外は比較例1と同様にして1224yeの製造を行った。
[1224yeの製造]
0.2LのA/Cに溶媒としてメタノール(脱水品:関東化学社製)を79.2g、還元剤(M)として亜鉛粉末(D50;6~9μm、有機合成用:富士フィルム和光純薬社製)15.7g(0.24mol)、活性化剤として塩化亜鉛(純正化学製)を32.7g(0.24mol)、および化合物(A)として225cbを40.5g(0.20mol)仕込んで、密閉した。
次いで、A/Cをウォーターバスに設置し、反応温度である75℃まで昇温させた。昇温は1時間弱で行い、昇温中および反応中は撹拌翼を300rpmで回転させた。尚、撹拌翼は2枚パドル翼を用いた。
75℃まで昇温後は±1℃で制御し5時間撹拌混合させた。反応中は脱ClF体が低沸点化合物(沸点15℃程度)であるため、反応圧力は徐々に上昇するが、パージはせずに密閉状態で反応させた。
GC分析により225cbおよび脱ClF体である1224yeの組成分析を行い転化率、選択率を算出した。その結果、225cbの転化率は3.6%であり、1224yeの選択率は30.8%であり、収率1.1%と非常に低収率であった。
(実施例3~9)
実施例3~9では、下記の表1および表2に記載される条件に変更した以外は実施例1と同様に実施することにより1224ydを製造した。
Figure 0007287391000002
Figure 0007287391000003
(実施例10):235cc(1-クロロ-1,1,2,2,3-ペンタフルオロプロパン)の脱ClFによる1234yc(1,1,2,3-テトラフルオロプロペン)の製造
[235ccの製造]
米国特許第5756869号の記載の方法に従って、235ccを16.4質量%含む粗生成物を1550g得た。得られた粗生成物を25段精留塔で常圧精留して、合計200gの235ccを得た。
[1234ycの製造]
0.2LのA/Cに、溶媒としてN,N-ジメチルホルムアミド(脱水品:純正化学社製)を55g、還元剤(M)として亜鉛粉末(D50;6~9μm、有機合成用:富士フィルム和光純薬社製)12g(0.18mol)、活性化剤として塩化亜鉛(純正化学製)を8.3g(0.061mol)、および化合物(A)として235ccを20g(0.12mol)仕込んで、密閉した。
次いでA/Cをオイルバスに設置し反応温度である170℃まで昇温させた。昇温は1時間強で行い、昇温中および反応中は撹拌翼を300rpmで回転させた。なお、撹拌翼は2枚パドル翼を用いた。
170℃で2時間保持後、オイルバスの温度を下げ、室温まで冷却した。なお、反応中はパージはせずに密閉状態で反応させた。
室温まで下がった後に、反応液を差込管からハイプレッシャーシリンジにサンプリングし、GCにて分析を行った。
GC分析により235ccおよび脱ClF体である1234ycの組成分析を行い転化率、選択率を算出した。その結果、235ccの転化率は78.2%であり、1234ycの選択率は89.3%であり、収率69.8%と高収率で1234ycを得ることができた。
実施例1、3~9より、1224ydを高選択率、高選択率で得られることがわかった。また、実施例1と実施例7との比較から、活性化剤である塩化亜鉛の使用量を増やすことにより、より225caの選択率が高くなる傾向であることがわかった。また、実施例4と実施例9との比較から、還元剤である亜鉛の使用量を増やすことにより、225caの転化率が高くなる傾向であることがわかった。
実施例2より、1243ycを高選択率、高選択率で得られることがわかった。実施例10より、本発明の製造方法によれば1234ycを高選択率、高選択率で得られることがわかった。
なお、2018年5月28日に出願された日本特許出願2018-101495号および2018年9月20日に出願された日本特許出願2018-175771号の明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (13)

  1. 下記式(A)で示される含フッ素含塩素プロパンを、アルカリ土類金属および遷移金属から選ばれる少なくとも1種からなる還元剤の存在下に脱フッ素脱塩素反応させて、下記式(B)で示される含フッ素プロペンを得る、含フッ素プロペンの製造方法であり、
    前記還元剤は、亜鉛を含み、
    前記式(A)で示される含フッ素含塩素プロパンから前記式(B)で示される含フッ素プロペンを得る脱フッ素脱塩素反応が式(1)~(18)のいずれかである、含フッ素プロペンの製造方法。
    CY-CF-CClX 式(A)
    CY-CF=CX 式(B)
    但し、式(A)中、2つのXはそれぞれ独立して、F、ClまたはHであり、3つのYはそれぞれ独立して、FまたはHである。ただし、Xが2つともHの場合は除く。式(B)中のXおよびYは、式(A)におけるXおよびYと同じである。
    CH -CF -CCl → CH -CF=CCl …(1)
    CFH -CF -CCl → CFH -CF=CCl …(2)
    CF H-CF -CCl → CF H-CF=CCl …(3)
    CF -CF -CCl → CF -CF=CCl …(4)
    CH -CF -CCl H → CH -CF=CClH …(5)
    CFH -CF -CCl H → CFH -CF=CClH …(6)
    CF H-CF -CCl H → CF H-CF=CClH …(7)
    CF -CF -CCl H → CF -CF=CClH …(8)
    CH -CF -CCl F → CH -CF=CClF …(9)
    CFH -CF -CCl F → CFH -CF=CClF …(10)
    CF H-CF -CCl F → CF H-CF=CClF …(11)
    CF -CF -CCl F → CF -CF=CClF …(12)
    CH -CF -CClFH → CH -CF=CFH …(13)
    CFH -CF -CClFH → CFH -CF=CFH …(14)
    CF H-CF -CClFH → CF H-CF=CFH …(15)
    CF -CF -CClFH → CF -CF=CFH …(16)
    CH -CF -CClF → CH -CF=CF …(17)
    CFH -CF -CClF → CFH -CF=CF …(18)
  2. 前記含フッ素含塩素プロパンは3,3-ジクロロ-1,1,1,2,2-ペンタフルオロプロパンであり、前記含フッ素プロペンは1-クロロ-2,3,3,3-テトラフルオロプロペンである請求項1に記載の製造方法。
  3. 前記含フッ素含塩素プロパンは1-クロロ-1,1,2,2-テトラフルオロプロパンであり、前記含フッ素プロペンは1,1,2-トリフルオロプロペンである請求項1に記載の製造方法。
  4. 前記含フッ素含塩素プロパンは1-クロロ-1,1,2,2,3-ペンタフルオロプロパンであり、前記含フッ素プロペンは1,1,2,3-テトラフルオロプロペンである請求項1に記載の製造方法。
  5. 前記還元剤は、活性化剤で活性化された還元剤である請求項1~のいずれか1項に記載の製造方法。
  6. 前記還元剤は、粒径D50が0.05~1000μmの粉末である、請求項1~のいずれか1項に記載の製造方法。
  7. 前記含フッ素含塩素プロパンを液相中で脱フッ素脱塩素反応させる請求項1~のいずれか1項に記載の製造方法。
  8. 前記液相は、前記含フッ素含塩素プロパンを溶解する溶媒を含む請求項に記載の製造方法。
  9. 前記溶媒は、メタノール、エタノール、1-プロパノール、2-プロパノール、1-ブタノール、2-ブタノール、t-ブチルアルコール、1-ペンタノール、1-ヘキサノール、N,N-ジメチルホルムアミド、アセトニトリル、アセトン、メチルエチルケトン、ジエチルケトン、およびテトラヒドロフランからなる群から選ばれる少なくとも1種を含む、請求項に記載の製造方法。
  10. 前記還元剤を、前記含フッ素含塩素プロパン1.0モルに対して0.6~3.0モルの割合で用いる請求項1~のいずれか1項に記載の製造方法。
  11. 前記脱フッ素脱塩素反応を、ハロゲン化銅を含む触媒の存在下に行う請求項1~10のいずれか1項に記載の製造方法。
  12. 前記ハロゲン化銅を含む触媒を、前記含フッ素含塩素プロパン1モルに対して1~50モル用いる、請求項11に記載の製造方法。
  13. 前記脱フッ素脱塩素反応の反応温度は0~250℃である請求項1~12のいずれか1項に記載の製造方法。
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