专利名称：生产氟代羧酸酐的方法
相关申请的交叉参考本申请要求1999年9月3号申请的美国临时申请第99/00152,290号的利益。介绍本发明涉及生产某种氟代羧酸酐的新方法，所述羧酸酐是对称的，即酸酐的两个羧酸酰基是一样的。更具体地说，本发明涉及由混合的或非对称酸酐即其中两个羧酸酰基不同的酸酐制备对称氟代酸酐的方法，该方法通过使非对称酸酐经受反应蒸馏，产生包含对称氟代羧酸酐的低沸点产物和包含第二对称酸酐的高沸点产物。依照优选的实施方案，本发明涉及一种方法，在该方法中使乙烯酮和三氟乙酸(TFA)反应产生混合酸酐乙酰三氟乙酸酯(Ac-TFA)，然后使其经受反应蒸馏，产生包含TFAA的蒸汽产物和包含Ac2O的液态产物。
本发明背景制备羧酸酐的各种方法是已知的。例如，最普通的酸酐乙酸酐可以由乙酸通过下述步骤(1)裂解或热解乙酸产生乙烯酮和(2)使乙烯酮与乙酸反应产生乙酸酐来制备。高分子量羧酸酐如取代酸酐和/或含有4个以上碳原子的酸酐通常是通过使对应的羧酸与乙酸酐接触进行制备的，例如可以通过使丁酸与乙酸酐接触来制备丁酸酐。
三氟乙酸酐(TFAA)是强脱水剂，具有较宽范围的化学反应性，包括羧酸作为混合酸酐的活化(J.M.Tedder Chem.Rev.1955，55，787-827)。TFAA是聚合物和精细化学品合成中有用的化学品。但是，这种物质较昂贵，因此希望有合成它的更有效的方法。因为TFAA是非常活泼的酸酐，制备它时需要有强力干燥剂。1922年Swarts (Bull.Sci.Acad.Roy.Belg.1922，8，343-70)通过用五氧化二磷使TFA脱水首次制得TFAA。该方法对于小规模合成TFAA是方便的，但对于大规模生产则效率太低。五氧化二磷是水敏性固体，难于对大规模生产起作用。与它所产生的大量含磷酸盐的废料相关的成本和费用问题是一个大的缺点。此外，极希望通过减少废料来降低制造成本。
将三氧化硫用作干燥剂是这方面对于五氧化二磷的一个改进。可以通过三氟乙酰氯和三氟乙酸钠的反应制备TFAA，同时产生氯化钠，这比由五氧化二磷和三氧化硫工艺产生磷酸或硫酸的情况更易处理。但是，生产三氟乙酰氯的成本限制了该方法的可行性。
1954年，E.J.Bourne和同事们在J.Chem.Soc.1954，2006-12中描述了乙酸酐与TFA反应生成Ac-TFA和Ac-TFA与TFA反应生成TFAA达到平衡是不利的。不过，美国专利4,595,541中描述了通过Ac2O与TFA的反应生产TFAA，该专利公开了一种通过使TFA与乙酸酐或α-卤代羧酸酐接触来制备TFAA的方法。由此，使TFA(8摩尔当量)与乙酸、一、二或三氯乙酸酐接触，分别以36、59、67和74％的收率生成TFAA，使用α-氯代乙酸酐的基于酸酐的方法对于TFAA合成是优选的。迫切需要从便宜的原料以高收率生产TFAA，并且生成极少或者不生成存在处理问题的废料的方法，所述废料例如仅为水或者是可出售的副产物。本发明提供这样一种方法。
本发明简述我们开发出了一种制备两个对称羧酸酐即由两个相同的羧酸酰基组成的酸酐的方法，该方法通过首先形成混合的或非对称的酸酐即由两个不同的羧酸酰基组成的酸酐，然后使非对称酸酐经受反应蒸馏，生成包含第一对称氟代羧酸酐的低沸点产物和包含第二对称酸酐的高沸点产物进行。
因此，我们的发明的一个实施方案涉及制备第一对称氟代羧酸酐和作为第二对称羧酸酐的乙酸酐的方法，该方法包括使乙烯酮和具有2-4个碳原子的氟代羧酸接触，产生乙酰基混合酸酐，并使该乙酰基混合酸酐经受反应蒸馏，生成包含对称氟代羧酸酐的低沸点产物和包含乙酸酐(Ac2O)的高沸点产物，条件是(i)对称氟代羧酸酐的沸点低于氟代羧酸的沸点；(ii)对称氟代羧酸酐的沸点低于乙酸酐的沸点。
本发明的第二实施方案也是特别优选的实施方案涉及用乙烯酮和TFA作为原料制备TFAA的方法，该方法适于生产商业数量TFAA的连续操作。所述涉及TFAA生产的第二实施方案包括使乙烯酮与TFA接触，生成混合的酸酐Ac-TFA，然后使其经受反应蒸馏，生成包含TFAA的高挥发性产物和包含Ac2O的液态产物。与上述已知的TFAA合成对比，我们的新方法仅有的副产物是乙酸酐，这表示在经济上是有利的，而非负担。
本发明的第三实施方案涉及联合生产三氟乙酸酐(TFAA)和具有式[R-C(O)]2O的羧酸酐的方法，该方法包括下述步骤制备具有式R-C(O)-O-(O)-CF3的混合酸酐，使该混合酸酐经受反应蒸馏，其中所述混合酸酐歧化生成包含TFAA的低沸点产物和包含具有式[R-C(O)]2O的酸酐的高沸点产物；其中R为含最多6个碳原子的烃基。详述本发明的方法利用衍生自羧酸(R-C(O)OH)和氟代羧酸(RF-C(O)OH)的混合酸酐的歧化反应，生成相应的对称酸酐。 该歧化反应经由新型反应蒸馏进行。将一种对称酸酐转化为另一种的反应蒸馏是普遍已知的。例如，在反应蒸馏中，可以用乙酸酐(Ac2O)将丙酸(PrOH)转化为其酸酐(Pr2O)。为了理想地连续实施这一方法，两种产物AcOH和Pr2O必需是在蒸馏塔长度内达到平衡的混合物的最低和最高沸腾组分。
沸点(℃)＝141 140 117 167对于本文所提出的本发明方法，反应物混合酸酐被歧化生成两种对称酸酐。如上所述，为了以理想的方式实施这一方法，混合酸酐必需具有在两个对称酸酐之间的沸点中间体，如以下所示的关于乙酰基三氟乙酸酯(Ac-TFA)的情况。 这是混合酸酐的普遍情况。但是，因为组成混合酸酐的两种羧酸在其歧化反应中是中间体，所以为了适当地操作反应蒸馏，最好它们也具有介于对称酸酐沸点之间的沸点。
表1表示羧酸酐通常具有高于其对应酸的沸点。因此本发明方法所产生的酸酐之一必然是反常的，即它必定具有低于其对应酸的沸点。较低级氟代羧酸的酸酐例证了这一反常现象。结果，这些酸的混合酸酐作为通过反应蒸馏进行的歧化反应的反应物是适当的。由其可衍生出残基RF-C(O)-的氟代羧酸的例子有三氟乙酸、五氟丙酸和七氟丁酸。最优选的混合酸酐是那些衍生自三氟乙酸的物质。
表1 经选择的羧酸和酸酐的沸点(℃)R R-C(O)OH R-C(O)-O-C(O)-RCH3-116140C2H5- 141167C3H7- 162199CF3-72 40aC2F5- 96 72aC3F7- 120107aC4F9- 140137aaReginald F.Clark和J.H.Simons，J.Am.Chem.Soc.1953，75，6305依照本发明最优选的实施方案，按已知步骤例如参见Blake等在J.Chem.Soc.，(B)1976，1533-36中所述，使TFA和乙烯酮反应制备混合酸酐Ac-TFA。该反应可以在-76-70℃的温度范围内进行，优选在-20-40℃的温度下进行。TFA∶乙烯酮的摩尔比可以在100∶1-0.75∶1的范围内，优选10∶1-0.9∶1。可以使用溶剂例如氯代烃如二氯甲烷和邻二氯苯；醚如四氢呋喃和二烷基醚；烃类如苯和甲苯，但一般不优选。压力对于TFA-乙烯酮反应不是重要因素，该反应通常在环境压力下进行，不过也可以使用低压或适当高于环境压力的压力。
合成混合酸酐如Ac-TFA的其它方法是已知的。例如，可以通过三氟乙酸甲酯的羰基化制备Ac-TFA，该反应用过渡金属催化，以类似于三氟乙酸苄基酯的羰基化的方式进行，例如参见Yamamoto等在Bull.Chem.Soc.Jpn.1999，72，799-803中的报道。同样，以与日本专利45-038-523中所述相近的方法进行的三氟乙酰氯与乙酸或乙酸盐的反应可以产生Ac-TFA。乙酰氯与三氟乙酸或三氟乙酸盐的反应也得到Ferris和Emmons(J.Am.Chem.Soc.1953，75，232-33)的证明。这些方法对于大规模合成不是优选的，但是原则上可以用于包括如下所述混合酸酐的歧化反应的工艺中，以产生混合酸酐。本文所描述的本发明不排除这些可选择的方法，而是将它们作为排在乙烯酮与TFA的优选反应之后的通用方法结合进来。
使来自TFA和乙烯酮的优选混合酸酐Ac-TFA经受反应蒸馏，典型的是在装有塔盘、板和/或填充物的反应蒸馏塔内进行，其中所述混合酸酐被歧化为TFAA和Ac2O。这样的乙酸混合酸酐的歧化反应适用于生产任何具有普通沸点的酸酐，所谓普通沸点是不仅比Ac2O的沸点低20℃(即＜120℃)，而且低于其相应的酸的沸点。除TFAA外，全氟丙酸和全氟丁酸酐也是满足这些要求的例子。本发明的方法涉及满足上述普通沸点标准的酸酐的生产，也不排除例如全氟丙酸和全氟丁酸酐的生产。
虽然不是必需的，但优选在TFA的存在下进行混合酸酐Ac-TFA的歧化反应。当使用TFA时，TFA∶Ac-TFA的摩尔比可以为0.01∶1-10∶1，优选0.1∶1-3∶1。可以用强酸代替过量TFA或与过量TFA共同存在来进行歧化反应。这样的强酸的例子包括硫酸和含酸性官能团的聚合树脂，例如结合了聚合物的磺酸，如衍生自乙烯基苯磺酸和二乙烯基苯的物质。酸性聚合树脂例如离子交换树脂，如商品名为Nafion和Duolite的树脂可以被引进蒸馏装置和/或结合进蒸馏装置。
反应蒸馏塔的操作温度介于在塔的操作压力下产生的两种对称酸酐的沸点之间。在环境压力下生产TFAA和Ac2O时，该温度为40-150℃。典型的是反应蒸馏塔的底部或基部温度为110-150℃，塔的顶部或头部温度为35-70℃。优选塔头温度为38-45℃，塔基部温度为120-145℃。塔内部压力不重要，因而虽然反应蒸馏通常在环境压力或略高于环境的压力下进行，但也可以用适当高于或低于环境压力的压力。例如，不优选使用降低的压力，因为这将使低沸点TFAA的冷凝更为困难。可以优选在升高的压力下操作反应蒸馏塔，这使得冷凝更为容易。反应蒸馏采用装有塔板和/或塔盘和/或填料的塔，该塔引起多个平衡以实现总的歧化反应。
本发明的方法可以采取间歇、连续或半连续的方式操作。例如，本方法可以通过首先在配备有蒸馏塔的反应容器内使乙烯酮和TFA反应形成混合酸酐Ac-TFA来进行。然后将装有Ac-TFA的容器加热以实施容器内物质的反应蒸馏，并从蒸馏塔的上部区段回收TFAA。优选以连续或半连续方式进行TFAA和Ac2O的联合生产方法，该方法包括下述步骤(1)向反应容器中加入乙烯酮和TFA，乙烯酮和TFA在该容器中反应形成包含Ac-TFA的产物；(2)从反应容器中移出产物，并将其引入反应蒸馏塔的中部区段，在此Ac-TFA歧化形成TFAA和Ac2O；(3)从反应蒸馏塔的上部区段移出包含TFAA的低沸点产物；和(4)从反应蒸馏塔的下部区段移出包含Ac2O的高沸点产物。该方法的连续或半连续操作的一个替代方式可以但不是必需与本发明的第一方面结合应用，它包括下述步骤(1)直接向反应蒸馏塔内加入乙烯酮和TFA，在此乙烯酮和TFA反应形成Ac-TFA，Ac-TFA歧化形成TFAA和Ac2O；(2)从反应蒸馏塔的上部区段移出包含TFAA的低沸点产物；和(3)从反应蒸馏塔的下部区段移出包含Ac2O的高沸点产物。
或者，乙烯酮和TFA反应所生成的Ac-TFA也可以在低温下蒸馏，以避免其发生歧化反应，从而提供纯的Ac-TFA。为了生成纯的Ac-TFA，蒸馏温度必需低于50℃，例如为20-45℃。这一要求由Bourne等(在上述引文中)所阐明，他们报道说当将等摩尔量的Ac2O与TFAA混合时，Ac-TFA的收率为97％，而在95℃蒸馏时，Ac-TFA的收率仅为60％。Ac-TFA的逆反应(歧化反应)降低了它们的分离收率。在大约25℃的温度可以避免歧化反应，并大体上实现定量蒸馏。因为可以在这样的低温下进行稍微过量的乙烯酮与TFA的反应，所以如果在低于0.5巴绝压(50kPa)下，优选在低于0.1巴绝压(10kPa)下蒸馏上述生成的Ac-TFA，则可获得生产Ac-TFA的独有高收率方法。
也可以将TFA和其它羧酸，即乙酸之外的羧酸的混合酸酐用作上述反应蒸馏过程的进料。这样的混合酸酐的例子包括具有通式RC(O)-TFA的物质，其中R为最多含6个碳原子的烷基、链烯基、环烷基或芳基，包括碳环和杂环芳基。R基团受到RC(O)-TFA混合酸酐的普通沸点需低于200℃，优选低于150℃这一要求的限制。由其可衍生出残基R-C(O)-的羧酸的例子包括(除乙酸外)丙酸、正和异丁酸、环丙烷羧酸、丙烯酸、苯甲酸和糠酸(furfurylic acid)。因此我们的发明的更广方面包括联合生产三氟乙酸酐(TFAA)和具有式[R-C(O)]2O的羧酸酐的方法，该方法包括下述步骤(1)在反应容器中制备具有式R-C(O)-O-(O)-CF3的混合酸酐；(2)从反应容器中移出混合酸酐，并将其引入反应蒸馏塔的中部区段，在此混合酸酐歧化形成TFAA和[R-C(O)]2O；(3)从反应蒸馏塔的上部区段移出包含TFAA的低沸点产物；和(4)从反应蒸馏塔的下部区段移出包含[R-C(O)]2O的高沸点产物；其中R为含最多6个碳原子的烷基、链烯基、环烷基或芳基。
从Mallinckrodt and Halocarbon Products得到TFA和TFAA，从J.T.Baker得到乙酸和酸酐，从Aldrich Chemical得到双烯酮。通过两种方法制备乙烯酮方法A在500-600℃之间的温度下使双烯酮通过加热的管子。将产生的气体在-78℃、干冰浴中冷凝，并再蒸馏进校准过的指形冷冻器中，在0.65g/ml密度的基础上进行测定，并在降低的压力下转移到也冷冻至-78℃的反应容器中。方法B在500-600℃之间的温度下使乙酸通过装有石英的加热过的管子。在一系列洗涤器中捕集产生的气体，由此使TFA以大约4.5ml/分钟的速率进行循环。将从洗涤器获得的Ac-TFA的TFA溶液用13C NMR描述其特征，以确定乙酸、乙酸酐、乙酰基三氟乙酸酯和三氟乙酸酐的相对量。
除特别指出外，用溶解在CDCl3中的试样在Varian Gemini 300NMR分光计或Bruker DRX-500 NMR分光计上得到NMR波谱。化学位移(δ)参考CDCl3中的残留质子在7.27 ppm的峰和CDCl3的碳信号在77.23 ppm的峰。在Nicolet Impact 410 FT IR分光计上得到IR光谱，该IR光谱参考在1601cm-1处的聚苯乙烯芳环吸收带。TFAA试样中乙酰基部分或Ac2O试样中的三氟乙酰基部分的痕量含量通过水解作用/用Beckman-Coulter P/ACE MDQ毛细管电泳装置的毛细管电泳进行定量，并伴随用λ＝240nm的间接UV检测。
在150小时内，以大约1.8ml/分钟的速率将上述Ac-TFA溶液连续泵入2.54cm(1英寸)直径的蒸馏塔中，该蒸馏塔填装有1.52米(60英寸)4.1mm(0.16英寸)的ProPak多孔金属蒸馏填料。以在0.6-0.9之间变化的液体回流比分馏该溶液。对蒸馏塔底流试样的分析表明三氟乙酰基(CF3CO-)酸部分与乙酰基(CH3CO-)酸部分的比例大致为0.040∶1。通过毛细管区电泳分析蒸馏塔馏出物试样，结果表明未检测到乙酰基部分。同样地，对塔底物质的分析显示三氟乙酰基部分的浓度非常低(＜4摩尔％)。发现乙酰基三氟乙酸酯向乙酸酐和三氟乙酸酐的总转化率为96％。
权利要求
1.联合生产对称氟代羧酸酐和乙酸酐的方法，该方法包括使乙烯酮与含2-4个碳原子的氟代羧酸接触生成乙酰基混合酸酐，并使乙酰基混合酸酐经受反应蒸馏生成包含对称氟代羧酸酐的低沸点产物和包含乙酸酐(Ac2O)的高沸点产物，条件是(i)氟代羧酸的对称酸酐的沸点低于氟代羧酸的沸点和(ii)氟代羧酸的对称酸酐的沸点低于乙酸酐的沸点。
2.权利要求1的方法，其中所述氟代羧酸的对称酸酐选自三氟乙酸酐、五氟丙酸酐或七氟丁酸酐。
3.权利要求1的方法，其中所述氟代羧酸的对称酸酐为三氟乙酸酐(TFAA)。
4.生产三氟乙酸酐(TFAA)的方法，该方法包括使乙烯酮与三氟乙酸(TFA)接触生成混合酸酐乙酰基三氟乙酸酯(Ac-TFA)，并使该混合酸酐经受反应蒸馏生成包含TFAA的低沸点产物和包含乙酸酐(Ac2O)的高沸点产物。
5.权利要求4的方法，其中所述乙烯酮和TFA在-20-40℃的温度下接触，TFA∶乙烯酮的摩尔比在10∶1-0.9∶1范围内。
6.权利要求5的方法，其中所述反应蒸馏在蒸馏塔内进行，蒸馏塔在顶部温度为35-70℃，塔底温度为110-150℃下操作。
7.权利要求6的方法，其中所述反应蒸馏在TFA的存在下进行，TFA的存在量使TFA∶Ac-TFA的摩尔比在0.1∶1-3∶1范围内。
8.联合生产三氟乙酸酐(TFAA)和乙酸酐(Ac2O)的方法，该方法包括下述步骤(1)向反应容器中加入乙烯酮和三氟乙酸(TFA)，乙烯酮和TFA在该容器中反应形成包含混合酸酐乙酰基三氟乙酸酯(Ac-TFA)的产物；(2)从反应容器中移出产物，并将其引入反应蒸馏塔的中部区段，在此Ac-TFA发生歧化反应形成TFAA和Ac2O；(3)从反应蒸馏塔的上部区段移出包含TFAA的低沸点产物；和(4)从反应蒸馏塔的下部区段移出包含Ac2O的高沸点产物。
9.权利要求8的方法，其中乙烯酮和TFA在-20-40℃的温度下接触，TFA∶乙烯酮的摩尔比在10∶1-0.9∶1范围内。
10.权利要求9的方法，其中所述反应蒸馏在塔顶温度为35-70℃、塔底温度为110-150℃下进行。
11.权利要求10的方法，其中所述反应蒸馏在TFA的存在下进行，TFA的存在量使TFA∶Ac-TFA的摩尔比在0.1∶1-3∶1范围内。
12.联合生产三氟乙酸酐(TFAA)和乙酸酐(Ac2O)的方法，该方法包括下述步骤(1)将乙烯酮和TFA加入反应蒸馏塔的中部区段，在此乙烯酮和TFA反应形成Ac-TFA，Ac-TFA发生歧化反应形成TFAA和Ac2O；(2)从反应蒸馏塔的上部区段移出包含TFAA的低沸点产物；和(3)从反应蒸馏塔的下部区段移出包含Ac2O的高沸点产物。
13.权利要求12的方法，其中所述反应蒸馏在塔顶温度为35-70℃、塔底温度为110-150℃下进行。
14.权利要求13的方法，其中所述反应蒸馏在TFA的存在下进行，TFA的存在量使TFA∶Ac-TFA的摩尔比在0.1∶1-3∶1范围内。
15.联合生产三氟乙酸酐(TFAA)和具有通式[R-C(O)]2O的羧酸酐的方法，该方法包括下述步骤(1)在反应容器中制备具有通式R-C(O)-O-(O)-CF3的混合酸酐；(2)从反应容器中移出混合酸酐，并将其引入反应蒸馏塔的中部区段，在此混合酸酐发生歧化反应形成TFAA和[R-C(O)]2O；(3)从反应蒸馏塔的上部区段移出包含TFAA的低沸点产物；和(4)从反应蒸馏塔的下部区段移出包含[R-C(O)]2O的高沸点产物；其中R为含最多6个碳原子的烷基、链烯基、环烷基或芳基。
16.权利要求15的方法，其中所述反应蒸馏在塔顶温度为35-70℃、塔底温度为160-220℃并且存在TFA的条件下进行，TFA的存在量使TFA∶混合酸酐的摩尔比在0.1∶1-3∶1范围内。
17.权利要求16的方法，其中所述步骤(1)包括一氧化碳与三氟乙酸的酯的反应，其中所述酯含有少于8个的碳原子。
18.权利要求16的方法，其中所述步骤(1)包括三氟乙酰氯与所含碳原子少于6的羧酸或羧酸盐的反应。
19.权利要求16的方法，其中所述步骤(1)包括所含碳原子少于6的羧酸的酰氯与三氟乙酸或三氟乙酸盐的反应。
全文摘要
公开了一种从混合的或非对称酸酐即其中两个羧酸酰基不同的酸酐制备对称氟代酸酐的方法,该方法通过使非对称酸酐经受反应蒸馏,生成包含对称氟代羧酸酐的低沸点产物和包含第二对称酸酐的高沸点产物。本方法对于从乙烯酮和三氟乙酸联合生产三氟乙酸酐(TFAA)和乙酸酐(Ac
文档编号C07C51/56GK1384813SQ00815032
公开日2002年12月11日 申请日期2000年8月14日 优先权日1999年9月3日
发明者R·林, R·T·赫姆布雷, E·F·霍尔坎贝三世, M·R·舍尔顿 申请人:伊斯曼化学公司