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JP6629529B2 - 含フッ素エーテルの製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、含フッ素エーテルの製造方法に関する。
化学式:CF=CFO(CFCF(CF)O)(CFSOF(式中、aは0〜5の整数、bは1〜10の整数である)で表される含フッ素フルオロスルホニルアルキルビニルエーテルは、イオン交換膜材料などの工業原料として有用な化合物である。
特許文献1には、上記含フッ素フルオロスルホニルアルキルビニルエーテルを、一般式:CHFCXFO(CFCF(CF)O)(CFSO
(式中、Xはハロゲン原子であり、aは0〜5の整数、bは1〜10の整数である)で表される含フッ素フルオロスルホニルエーテルを原料として用い、脱ハロゲン化水素反応を行うことにより製造することが記載されている。
更に、特許文献1には、次の反応:
CF=CF + サルトン + I → ICFCFOCFCFSO
によって、化学式:ICFCFOCFCFSOFで表されるヨウ化物を得たのち、上記ヨウ化物に対して当モル〜2倍モル程度の還元剤を使用して、還元反応を行うことによって、HCFCFOCFCFSOFで表される含フッ素フルオロスルホニルエーテルを製造する方法が記載されている。
特開2008−127318号公報
しかしながら、上記ヨウ化物を得る反応を進行させると、ヨウ素原子を含む多量の副生成物が発生するので、その廃棄が必要になる。また、上記還元反応は多量の還元剤を必要とするので、その廃棄も必要になる。更に、得られた含フッ素フルオロスルホニルエーテルを蒸留精製しようとすると、ヨウ素(I)が発生し、蒸留設備を腐食させる問題も生じていた。
以上のことから、含フッ素フルオロスルホニルエーテル等の含フッ素エーテルを簡便に製造できる方法が望まれている。
本発明は、上記現状に鑑み、含フッ素エーテルの新規製造方法を提供することを目的とする。
本発明者らは、上記課題を解決するための手段を鋭意検討した結果、銀フルオロアルコキシドを出発原料とすることにより、簡便に含フッ素エーテルが製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、一般式(1):R−CF−O−Ag(式中、Rは、N、S又はOを含んでいてもよい1価の炭化水素基)で表される化合物(1)と、一般式(2):CF=CX(式中、X及びXは独立にF又はCl)で表される化合物(2)とを溶媒中で反応させることにより、一般式(3):R−CF−O−CFCXH(式中、Rは、N、S又はOを含んでいてもよい1価の炭化水素基、X及びXは独立にF又はCl)で表される含フッ素エーテル(3)を得る工程を含むことを特徴とする含フッ素エーテルの製造方法である。
上記製造方法は、更に、一般式(4):
Figure 0006629529
(式中、Rは、N、S又はOを含んでいてもよい2価の炭化水素基)で表される化合物(4)とフッ化銀とを反応させることにより、化合物(1)を得る工程を含むことが好ましい。
本発明は、上述の製造方法により含フッ素エーテル(3)を得た後、脱ハロゲン化水素反応により、一般式(5):R−CF−O−CF=CX(式中、Rは、N、S又はOを含んでいてもよい1価の炭化水素基、X及びXは独立にF又はCl)で表される含フッ素アルキルビニルエーテル(5)を得る工程を含むことを特徴とする含フッ素アルキルビニルエーテルの製造方法でもある。
本発明の製造方法は、上記構成を有することから、簡便に含フッ素エーテルを製造することができる。特に、本発明の製造方法では、ヨウ化物を製造する工程が不要であり、還元剤を使用する必要もないので、多量の副生成物や還元剤の廃棄が不要である。また、得られた含フッ素エーテルを精製することも容易である。得られた含フッ素エーテルは、脱ハロゲン化水素反応によって、含フッ素アルキルビニルエーテルに変換することができる。従って、RをFSO−を含む炭化水素基とすれば、イオン交換膜材料として有用な含フッ素フルオロスルホニルアルキルビニルエーテルを製造することもできる。
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明の製造方法は、
一般式(3):R−CF−O−CFCX
(式中、Rは、N、S又はOを含んでいてもよい1価の炭化水素基、X及びXは独立にF又はCl)で表される含フッ素エーテル(3)を得る工程を含む。
本発明の製造方法は、上記工程において、
一般式(1):R−CF−O−Ag
(式中、Rは、N、S又はOを含んでいてもよい1価の炭化水素基)で表される化合物(1)と、
一般式(2):CF=CX
(式中、X及びXは独立にF又はCl)で表される化合物(2)とを反応させることに特徴がある。
一般式(3)におけるRは、一般式(1)におけるRと同一である。また、一般式(3)におけるX及びXは、一般式(2)におけるX及びXと同一である。
としては、N、S又はOを含んでいてもよいアルキル基又はフルオロアルキル基が好ましく、N、S又はOを含んでいてもよいフルオロアルキル基がより好ましく、S及びOを含むフルオロアルキル基が更に好ましい。
としては、FSO−R−(式中、RはN、S又はOを含んでいてもよい2価の炭化水素基)が挙げられる。Rは後述する一般式(4)におけるRと同一である。
としては、イオン交換膜材料として有用な含フッ素フルオロスルホニルアルキルビニルエーテルを製造するために有用な中間体を製造できる点から、
FSO−(CF−(OCF(CF)CFn1−(OCF(CF))n2
(式中、mは1〜10の整数、n1は0〜4の整数、n2は0又は1、但しn1が1〜5の整数である場合はn2は1)が好ましく、FSO−(CF−(式中、mは1〜10の整数)がより好ましく、FSO−CF−が更に好ましい。
化合物(2)の使用量は、化合物(1)100質量部に対して100〜500質量部であることが好ましい。
化合物(1)と化合物(2)との反応は、溶媒中で行う。上記溶媒としては、有機溶媒が好ましく、極性有機溶媒がより好ましい。上記溶媒としては、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸エチル、モノグライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、アジポニトリル、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等が挙げられる。
化合物(1)と化合物(2)との反応は、反応収率が向上することから、触媒の存在下で行うことが好ましい。上記触媒としては、酸触媒が好ましく、無機酸及び有機酸からなる群より選択される少なくとも1種がより好ましく、塩酸、硫酸及び硝酸からなる群より選択される少なくとも1種が更に好ましい。上記触媒によって反応収率が向上する理由は、化合物(2)を活性化することで化合物(2)のLUMOのエネルギー準位が低下するためだと推測される。上記触媒の添加量は化合物(1)100質量部に対して1〜5質量部であることが好ましい。
化合物(1)と化合物(2)との反応は、−78〜170℃で行うことができる。また、化合物(1)と化合物(2)との反応は、0.1〜3.0MPaで行うことができる。化合物(1)と化合物(2)との反応は、通常0.5〜240時間で完了する。
本発明の製造方法は、更に、一般式(4):
Figure 0006629529
(式中、Rは、N、S又はOを含んでいてもよい2価の炭化水素基)で表される化合物(4)とフッ化銀とを反応させることにより、化合物(1)を得る工程を含むものであってもよい。
としては、N、S又はOを含んでいてもよいアルキレン基又はフルオロアルキレン基が好ましく、N、S又はOを含んでいてもよいフルオロアルキレン基がより好ましく、N、S及びOを含まないフルオロアルキレン基が更に好ましい。
としては、イオン交換膜材料として有用な含フッ素フルオロスルホニルアルキルビニルエーテルを製造するために有用な中間体を製造できる点から、
−(CF−(OCF(CF)CFn1−(OCF(CF))n2
(式中、mは1〜10の整数、n1は0〜4の整数、n2は0又は1、但しn1が1〜5の整数である場合はn2は1)が好ましく、−(CF−(式中、mは1〜10の整数)がより好ましく、−CF−が更に好ましい。
フッ化銀の使用量は、化合物(4)100質量部に対して100〜200質量部であることが好ましい。
化合物(4)とフッ化銀との反応は、溶媒中で行うことが好ましい。上記溶媒としては、有機溶媒が好ましく、極性有機溶媒がより好ましい。上記溶媒としては、スルホラン、ジメチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド、酢酸エチル、モノグライム、ジグライム、トリグライム、テトラグライム、アジポニトリル、ヘキサメチルホスホロアミド、アセトニトリル、プロピオニトリル、テトラヒドロフラン、ジオキサン、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン等が挙げられる。
化合物(4)とフッ化銀との反応は、−78〜170℃で行うことができる。また、化合物(4)とフッ化銀との反応は、0.01〜0.1MPaで行うことができる。化合物(4)とフッ化銀との反応は、通常0.1〜1時間で完了する。
上述の製造方法により得られた含フッ素エーテル(3)からは、脱ハロゲン化水素反応を利用して、含フッ素アルキルビニルエーテル(5)を得ることができる。
上述の製造方法により含フッ素エーテル(3)を得た後、脱ハロゲン化水素反応により、含フッ素エーテル(3)から、
一般式(5):R−CF−O−CF=CX
(式中、Rは、N、S又はOを含んでいてもよい1価の炭化水素基、X及びXは独立にF又はCl)で表される含フッ素アルキルビニルエーテル(5)を得る工程を含むことを特徴とする含フッ素アルキルビニルエーテルの製造方法も本発明の一つである。
上記脱ハロゲン化水素反応は、含フッ素エーテル(3)と塩基性化合物とを接触させることにより行うことができる。上記塩基性化合物としては、強塩基性化合物が好ましく、水酸基を含まない強塩基性化合物がより好ましい。上記塩基性化合物としては、三級アミン、ブチルリリウム等を挙げられる。上記三級アミンとしては、トリエチルアミン、ピリジン等が挙げられる。
上記塩基性化合物の使用量は、1モルの含フッ素エーテル(3)に対して、1〜3モルとすることができる。
上記塩基性化合物を使用する場合、上記脱ハロゲン化水素反応は、通常、−10〜100℃で行うことができる。圧力は特に限定されないが、0.01〜0.1MPaであってよい。
上記脱ハロゲン化水素反応は、含フッ素エーテル(3)と触媒とを接触させることにより行うこともできる。上記触媒としては、脱ハロゲン化水素用の触媒が好ましく、ゼオライト、アルミナ、酸化クロム等が挙げられる。上記接触は、反応容器に上記触媒を充填した後、含フッ素エーテル(3)を反応容器に添加することにより行うことができる。
上記触媒の使用量は、含フッ素エーテル(3)100質量部に対して1〜100質量部であることが好ましい。
上記触媒を使用する場合、上記脱ハロゲン化水素反応は、通常、100〜400℃で行うことができる。圧力は特に限定されないが、0.05〜0.5MPaであってよい。
上記脱ハロゲン化水素反応は、溶媒中で行うことが好ましい。上記溶媒としては、テトラヒドロフラン、ジグライム、アセトニトリル、ジエチルエーテル等が挙げられる。
上記脱ハロゲン化水素反応により、通常、含フッ素アルキルビニルエーテル(5)及び上記溶媒を含む組成物が得られる。
上記組成物を精製することにより、高純度の含フッ素アルキルビニルエーテル(5)を回収することができる。上記精製は、蒸留、カラムクロマトグラフィー等の公知の方法で行うことができる。上記精製は、また、上記組成物に水を添加して撹拌した後、静置することにより2相に分離させて、下相を回収することにより行うこともできる。上記組成物からはヨウ素(I)が発生しないことから、蒸留により精製を行ったとしても、設備が腐食しにくい。
含フッ素アルキルビニルエーテル(5)のうち、RがFSO−を含む炭化水素基であるものは、燃料電池電解質ポリマー用のモノマー成分等として有用な物質である。例えばFSOCFCFOCF=CFは、電解質膜又はイオン交換膜を構成するポリマーの原料モノマーとして有用な化合物である。
電解質膜又はイオン交換膜は、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できる。
つぎに本発明を実施例をあげて説明するが、本発明はかかる実施例のみに限定されるものではない。
実施例の各数値は以下の方法により測定した。
19F−NMR分析の方法
装置:核磁気共鳴装置(日本電子社製)、型番:JEOL JNM−EX270
測定条件(溶媒:CDCl、内部標準物質:ヘキサフルオロベンゼン)
実施例1
(FSOCFCFOAgの製造例)
予め氷浴につけて十分系内を冷却しておいた100mLオートクレーブにテトラグライム10mL、テトラフルオロエタンβ−サルトン(1.05g、5.8mmol)、フッ化銀(I)(1.4g、11.7mmol)を加えて、30分間撹拌させた。得られた溶液を19F−NMR分析した結果、式:FSOCFCFOAgで示されるアルコキシドが定量的に得られた。
実施例2
(FSOCFCFOCFCFHの製造例)
予め氷浴につけて十分系内を冷却しておいた100mLオートクレーブにテトラグライム10mL、テトラフルオロエタンβ−サルトン(1.05g、5.8mmol)、フッ化銀(I)(1.4g、11.7mmol)を加えて、30分間撹拌させた。更にテトラフルオロエチレン(3.5atm、>12mol)を入れて、100℃で2時間反応させた。オートクレーブを放冷した後、得られた溶液を19F−NMR分析した結果、式:FSOCFCFOCFCFHで示される含フッ素フルオロスルホニルエーテルが収率37%(0.644g、2.15mmol)で得られた。
実施例3
予め氷浴につけて十分系内を冷却しておいた100mLオートクレーブにジメチルスルホキシド10mL、テトラフルオロエタンβ−サルトン(1.05g、5.8mmol)、フッ化銀(I)(1.4g、11.7mmol)を加えて、30分間撹拌させた。更にテトラフルオロエチレン(3.5atm、>12mol)を入れて、100℃で2時間反応させた。オートクレーブを放冷した後、得られた溶液を19F−NMR分析した結果、式:FSOCFCFOCFCFHで示される含フッ素フルオロスルホニルエーテルが収率37%(0.644g、2.15mmol)で得られた。
実施例4
予め氷浴につけて十分系内を冷却しておいた100mLオートクレーブにN,N−ジメチルホルムアミド10mL、テトラフルオロエタンβ−サルトン(1.05g、5.8mmol)、フッ化銀(I)(1.4g、11.7mmol)を加えて、30分間撹拌させた。更にテトラフルオロエチレン(3.5atm、>12mol)を入れて、100℃で2時間反応させた。オートクレーブを放冷した後、得られた溶液を19F−NMR分析した結果、式:FSOCFCFOCFCFHで示される含フッ素フルオロスルホニルエーテルが収率37%(0.644g、2.15mmol)で得られた。
実施例5
予め氷浴につけて十分系内を冷却しておいた100mLオートクレーブに酢酸エチル10mL、テトラフルオロエタンβ−サルトン(1.05g、5.8mmol)、フッ化銀(I)(1.4g、11.7mmol)を加えて、30分間撹拌させた。更にテトラフルオロエチレン(3.5atm、>12mol)を入れて、100℃で2時間反応させた。オートクレーブを放冷した後、得られた溶液を19F−NMR分析した結果、式:FSOCFCFOCFCFHで示される含フッ素フルオロスルホニルエーテルが収率37%(0.644g、2.15mmol)で得られた。
実施例6
予め氷浴につけて十分系内を冷却しておいた100mLオートクレーブにアセトニトリル10mL、テトラフルオロエタンβ−サルトン(1.05g、5.8mmol)、フッ化銀(I)(1.4g、11.7mmol)を加えて、30分間撹拌させた。更にテトラフルオロエチレン(3.5atm、>12mol)を入れて、100℃で2時間反応させた。オートクレーブを放冷した後、得られた溶液を19F−NMR分析した結果、式:FSOCFCFOCFCFHで示される含フッ素フルオロスルホニルエーテルが収率37%(0.644g、2.15mmol)で得られた。
実施例7
予め氷浴につけて十分系内を冷却しておいた100mLオートクレーブにテトラヒドロフラン10mL、テトラフルオロエタンβ−サルトン(1.05g、5.8mmol)、フッ化銀(I)(1.4g、11.7mmol)を加えて、30分間撹拌させた。更にテトラフルオロエチレン(3.5atm、>12mol)を入れて、100℃で2時間反応させた。オートクレーブを放冷した後、得られた溶液を19F−NMR分析した結果、式:FSOCFCFOCFCFHで示される含フッ素フルオロスルホニルエーテルが収率37%(0.644g、2.15mmol)で得られた。
実施例8
予め氷浴につけて十分系内を冷却しておいた100mLオートクレーブにメチルエチルケトン10mL、テトラフルオロエタンβ−サルトン(1.05g、5.8mmol)、フッ化銀(I)(1.4g、11.7mmol)を加えて、30分間撹拌させた。更にテトラフルオロエチレン(3.5atm、>12mol)を入れて、100℃で2時間反応させた。オートクレーブを放冷した後、得られた溶液を19F−NMR分析した結果、式:FSOCFCFOCFCFHで示される含フッ素フルオロスルホニルエーテルが収率37%(0.644g、2.15mmol)で得られた。
実施例9
予め氷浴につけて十分系内を冷却しておいた100mLオートクレーブに、フッ化銀(I)(2.82g、22.2mmol、2.00eq.)、脱水ジグライム20mLを添加した。撹拌しながらテトラフルオロエタンβ−サルトン2.00g(11.1mmol、1.00 eq.)を1分かけて滴下した。その後、硫酸0.29mL(5.5mmol、0.50 eq.)を添加した。氷冷して、真空にした後、TFEを0.40MPaG(1.8g、18mmol、1.6 eq.)まで圧入した。室温での反応開始から565時間経過したところで、撹拌を停止した。
得られた溶液を19F−NMR分析した結果、式:FSOCFCFOCFCFHで示される含フッ素フルオロスルホニルエーテルが収率55%(1.83g、6.11mmol)で得られた。

Claims (2)

  1. 一般式(1):R−CF−O−Ag
    (式中、Rは、FSO−(CF−(OCF(CF)CFn1−(OCF(CF))n2−(式中、mは1〜10の整数、n1は0〜4の整数、n2は0又は1、但しn1が1〜の整数である場合はn2は1))で表される化合物(1)と、
    一般式(2):CF=CX
    (式中、X及びXは独立にF又はCl)で表される化合物(2)とを、溶媒中で反応させることにより、
    一般式(3):R−CF−O−CFCX
    (式中、Rは、FSO−(CF−(OCF(CF)CFn1−(OCF(CF))n2−(式中、mは1〜10の整数、n1は0〜4の整数、n2は0又は1、但しn1が1〜の整数である場合はn2は1)、X及びXは独立にF又はCl)で表される含フッ素エーテル(3)を得る工程を含むことを特徴とする含フッ素エーテルの製造方法。
  2. 請求項1記載の製造方法により含フッ素エーテル(3)を得た後、脱ハロゲン化水素反応により、
    一般式(5):R−CF−O−CF=CX
    (式中、Rは、FSO−(CF−(OCF(CF)CFn1−(OCF(CF))n2−(式中、mは1〜10の整数、n1は0〜4の整数、n2は0又は1、但しn1が1〜の整数である場合はn2は1)、X及びXは独立にF又はCl)で表される含フッ素アルキルビニルエーテル(5)を得る工程を含むことを特徴とする含フッ素アルキルビニルエーテルの製造方法。
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