Brevet FR2692261A1 — publié le 19931217

La présente invention concerne un procédé perfectionné de préparation d'un télogène de structure CF 3 CFC 1 I Le procédé consiste à faire réagir un mélange comprenant de l'iode, du pentafluorure d'iode et du chlorotrifluoréthylène (CTFE) en présence d'un catalyseur au bromure d'aluminium pendant une période de temps suffisante pour former le télogène Le télogène résultant est avantageux pour la télomérisation d'oléfines fluorées. Dans J Chem Soc, 3779 ( 1961), Chambers et coll. enseignent la réaction de l'iode avec le pentafluorure d'iode pour former le monofluorure d'iode Cette référence enseigne également que le monofluorure d'iode peut réagir avec des oléfines fluorées telles que CTFE à la température ambiante sans catalyseurs pour donner CF 3 CF Cl I en des rendements modérés ( 37 %). Dans J Amer Chem Soc, 83 ( 1961) 2383, Hauptschein et coll enseignent une réaction catalysée d'iode et de pentafluorure d'iode avec CTFE pour former CF 3 CF Cl I Le procédé décrit dans cette référence comprend un traitement à deux étapes dans lequel l'iode et le pentafluorure d'iode en un rapport molaire d'au moins 2:1 sont amenés à réagir en présence d'un catalyseur à l'aluminium métallique/iodure d'aluminium à une température de 100 à 175 C pour former du monofluorure d'iode Le monofluorure d'iode est ensuite amené à réagir avec CTFE dans une seconde étape à la température ambiante pour former le télogène désiré en un rendement inférieur à %. Les présents inventeurs ont maintenant découvert qu'il est possible d'obtenir CF 3 CF Cl I en de bons rendements en utilisant le procédé simple et les corps réagissants de la présente invention. RÉSUMÉ DE L'INVENTION La présente invention concerne un nouveau procédé de préparation d'un télogène actif de structure CF 3 CF Cl I Le procédé consiste à faire réagir un mélange comprenant de l'iode, du pentafluorure d'iode et une quantité stoechiométrique de chlorotrifluoréthylène en présence d'une quantité catalytique de Al Br 3 et, de préférence, d'un solvant comprenant C 2 F 4 C 1 I La réaction est conduite à une température supérieure à 250 C pendant une période de temps suffisante pour former le CF 3 CF Cl I. DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE L'INVENTION La présente invention repose sur la découverte inattendue selon laquelle le nouveau procédé décrit ici offre un meilleur rendement en CF 3 CF Cl I que les procédés connus et en moins de temps que ceux-ci En particulier, les inventeurs ont découvert que l'utilisation de Al Br 3 comme catalyseur et l'application de températures élevées pendant la réaction de l'iode, du pentafluorure d'iode et de CTFE augmentent toutes deux le rendement en CF 3 CF Cl I et diminuent le temps de réaction par comparaison avec les procédés de l'art antérieur Ce fait était particulièrement inattendu car l'art antérieur n' enseigne ni l'utilisation de ce catalyseur dans la réaction, ni l'application de températures élevées. La réaction de l'iode, du pentafluorure d'iode et de CTFE telle qu'enseignée dans l'art antérieur est censée s'effectuer selon l'équation et la stoechiométrie suivantes: 2 12 + IF 5 + 5 CF 2 CFC 1> 5 C 2 F 4 Cl I le produit résultant étant un mélange des isomères (ou produits d'addition) CF 3 CF Cl I et CF 2 Cl CF 2 I Il est également enseigné dans la technique que l'on obtient des rendements variables en produit total (c'est-à-dire le mélange de produits d'addition) et des rendements variables en les deux produits d'addition possibles Étant donné que CF 3 CF Cl I est le seul produit d'addition recherché pour une utilisation dans les réactions de télomérisation, un plus grand rendement en ce produit est souhaitable Les inventeurs ont découvert que lorsque Al Br 3 est utilisé comme catalyseur et que la température de réaction est maintenue comme spécifié ici, le rendement en produit brut (c'est-à-dire le mélange de CF 3 CF Cl I et CF 2 Cl CF 2 I) est généralement supérieur à 70 % et dépasse souvent 80 à 90 % En outre, l'utilisation du catalyseur et du procédé décrits ici conduit à un plus haut pourcentage du produit d'addition désiré (c'est-à-dire CF 3 CF Cl I) dans le produit Par exemple, le produit d'addition désiré constitue généralement plus d'environ % du produit et ce pourcentage dépasse souvent 70 ou 80 % Ces rendements sont notablement plus élevés que ceux obtenus par les procédés de l'art antérieur (par exemple d'après Chambers et coll, et Hauptschein et coll, supra). On peut également voir d'après la réaction ci-dessus que si moins de 2 moles de I 2 sont utilisées par mole de IF 5, I 2 subit alors une réaction presque totale Les présents inventeurs ont constaté qu'un tel rapport est préférable car le 12 résiduel peut réagir avec le CTFE en formant des sous-produits indésirables. Les présents inventeurs ont également découvert qu'il est préférable de conduire cette réaction dans un solvant comprenant CF 3 CF Cl I Les rendements en produit désiré sont en général également accrus par ce moyen. Le procédé de la présente invention nécessite simplement de mélanger I 2, IF 5, Al Br 3 et CTFE dans un récipient de réaction approprié tout en régulant la température pendant une période de temps suffisante pour former le CF 3 CF Cl I Tous ces composés sont bien connus et disponibles dans le commerce Cependant, si on le souhaite, les corps réagissants peuvent être produits "in situ" ou lors une réaction séparée Par exemple, le pentafluorure d'iode peut être produit en plaçant de l'iode solide dans un récipient de réaction et en introduisant du fluor gazeux comme décrit dans le brevet des E U A N O 3 367 745 La quantité de IF 5 utilisé dans le procédé de la présente invention n'est généralement pas déterminante, mais il est préférable de l'utiliser en un rapport molaire I 2:IF 5 inférieur à 3:1 environ, de préférence inférieur à 2:1 environ En général, un rapport molaire compris entre environ 1:1,8 et environ 1,95:1 est particulièrement préféré. Le bromure d'aluminium utilisé ici peut être préparé par la réaction d'aluminium et de brome comme décrit par Nicholson et coll dans Inorg Syn, 3, 30 ( 1950) En général, on l'utilise dans les réactions ci- dessus en une quantité suffisante pour catalyser la réaction de I 2 avec IF 5 Cette quantité est typiquement inférieure à environ 0,5 moles par mole de I 2, des quantités préférées étant comprises entre environ 0,01 et 0,1 mole par mole de I 2. Le CTFE utilisé ici est disponible dans le commerce, par exemple auprès de Du Pont ou Allied Corp (Genetron 1113 ( R)) Il est produit industriellement par des techniques telles que la déchloration du 1,1,2-trichloro- 1,2,2-trifluoréthane par déshalogénation en phase vapeur à 500-6000 C ou dans la phase liquide en utilisant du zinc dans le méthanol Bien que la quantité de CTFE utilisé dans la réaction ci-dessus ne soit pas déterminante, cette quantité est généralement au moins stoechiométrique, c'est-à-dire 5 moles de CTFE pour 2 moles de I 2 Un excès stoechiométrique (par exemple un excès de 5 à 25 mol %) est souvent préféré pour assurer une réaction complète. La réaction ci-dessus peut être conduite dans un solvant si cela est souhaité Le solvant préféré, s'il en est utilisé, est C 2 F 4 Cl I qui est également le produit réactionnel de la présente invention Il peut être produit par les présentes méthodes ou, en variante, il peut être produit en plus petites quantités par le procédé de Chambers et coll décrit dans J Chem Soc, 3779 ( 1961) ou de Hauptschein et coll décrit dans J Amer Chem. Soc, 83 ( 1961) 2383 On l'utilise généralement en une quantité suffisante pour diluer les corps réagissants ci- dessus à une concentration avantageuse. L'ordre de mélange des ingrédients ci-dessus dans le récipient de réaction n'est pas déterminant Cependant, dans une méthode préférée, le catalyseur Al Br 3 est d'abord mélangé avec un solvant, de préférence C 2 F 4 Cl I sous une atmosphère inerte Étant donné que cette réaction est exothermique, la vitesse d'addition doit être réglée pour éviter une surchauffe, c'est-à-dire que la température ne doit généralement pas dépasser 1500 C Le mélange résultant est ensuite ajouté à un mélange de I 2 et IF 5 dans un réacteur inerte, ce qui est suivi par la lente addition du CTFE Étant donné que cette réaction est également exothermique, le mélange est généralement refroidi et la vitesse d'addition est réglée de façon à maintenir la température à moins d'environ 1500 C Une fois que tout le CTFE a été ajouté, le réacteur est chauffé à une température supérieure à la température ambiante, de préférence entre environ 40 et environ 1500 C, pendant une période de temps suffisante pour former le produit En général, le réacteur est chauffé pendant environ une demi- heure à environ 10 heures, de préférence pendant 1 à 5 heures et mieux encore pendant 2 heures environ Ces temps sont notablement plus courts que ceux des procédés connus qui demandent plusieurs jours pour la préparation. Bien que la méthode ci-dessus soit préférée, d'autres méthodes peuvent également être employées Par exemple, I 2, IF 5, Al Br 3 et le solvant peuvent être introduits successivement dans le réacteur, après quoi le CTFE est ajouté lentement tout en maintenant la température appropriée Après l'addition des corps réagissants, le mélange est chauffé comme ci-dessus. Le produit résultant de la réaction ci-dessus peut ensuite être traité par des techniques connues en pratique Par exemple, le télogène peut être séparé en versant le produit dans une solution de Na 25205,-KOH, en le lavant à l'eau et en le séchant sur Ca SO 4. Les télogènes liquides résultants sont produits en des rendements compris entre 70 et 100 %, le produit d'addition désiré étant produit en des rendements compris entre environ 65 et 100 % Ces télogènes sont utiles pour réagir avec des oléfines fluorées afin de produire divers télomères. Les exemples non limitatifs suivants sont fournis pour que l'homme de l'art puisse comprendre plus facilement l'invention. Exemples 1 à 7 Le mode opératoire suivant a été employé pour préparer les produits énumérés au Tableau 1 La quantité des corps réagissants est indiquée dans le tableau, excepté que 56 g ( 0,22 mole) de I 2 et 30 g ( 0,14 mole) de IF 5 ont été utilisés dans les Exemples 1 et 3 à 7, et que 28 g de I 2 ( 0,11 mole) et 15 g ( 0,07 mole) de IF 5 ont été utilisés dans l'Exemple 2. Dans un réacteur de 200 ml en Hastelloy( R), on place un barreau d'agitation magnétique, I 2, IF 5, C 2 F 4 Cl I et Al Br 3 Le réacteur est refroidi à -300 C et le CTFE est introduit Le réacteur est chauffé dans un bain d'huile. Au voisinage de la température ambiante, une quantité suffisante d'iode a été dissoute ou convertie en un produit liquide pour que le mélange puisse être agité avec un agitateur magnétique, et la réaction commence à dégager de la chaleur A la température de maximum exothermique indiquée dans le tableau, le réacteur est refroidi avec un bain d'acétone froide Le dégagement de chaleur diminue à mesure que la réaction avance Le réacteur est ensuite remis dans le bain d'huile est chauffé à la température et pendant le temps indiqués dans le tableau Le réacteur est refroidi dans un bain d'eau glacée jusqu'à 100 C environ. L'excès de CTFE est évacué en passant par un piège refroidi dans un bain d'eau glacée Le réacteur est ouvert et le contenu est versé dans une solution de Na 25205 hydraté ( 25 g) et KOH ( 5 g) dans l'eau ( 200 ml) Les phases sont séparées pour donner le produit brut Le rendement en produit brut est calculé en retranchant la quantité de produit dans le mélange réactionnel initial (c'est-à-dire celui utilisé comme solvant) de la quantité de produit final Le produit final est ensuite lavé deux fois à l'eau distillée pour donner le rendement en produit final (le produit a été séché sur Ca SO 4 dans certaines des expériences) Les résultats sont présentés au Tableau 1. Tableau 1 Synthèse de C 2 F 4 Cl I Catalyseur (g) Exemple Al Br 3Ai 1 d 3 y 4 d 1)4 1,4 3 2,7 4 2 > 1 2,7 6 2)8 7 2 > 6 _ _ Maximum Température/ CTFE C 2 F 4 q 11 exothermique Temps Ig I 8g) (OC/xl O 5 Pa)(C) (h) 94 27 150/40 ' 25/16 50 96/12 e 104/16 104 43,4 125/20 e 100/3 91 46 100/15 60/2 133 40 81/10 a 80/16 87 46 98/15: 100/3 101 40 104/181 100/3 Rendement eh produit brut Pureté (% 6) ( 6 %) 92. l % molaire de C 2 F 4 Cl I a La quantité théorique de CTFE ( 0, 58 mole de CTFE; 0,14 mole de IF 5; et 0,22 mole de I 2) est de 67 g. b Utilisé comme solvant c Le mélange réactionnel a dégagé de la chaleur à partir de 70 C A 150 C, le réacteur a été retiré du bain d'huile et la température est descendue à 125 C. d Demi-réaction ( 0,28 mole) Le résidu ( 5 g) consistait en C 2 F 4 Ci I ( 26 %) et sous-produits de plus haut point d'ébullition ( 59 %). e Dégagement de chaleur ayant commencé à 40 C Réacteur retiré du bain à 80 C. f Dégagement de chaleur ayant commencé à 40 C Le réacteur placé dans un bain d'eau froide lorsque la température a atteint 80 C. g Le dégagement de chaleur était très lent et le réacteur n'a pas été retiré du bain. h Dégagement de chaleur ayant commencé à 35 C A 75 C, le réacteur a été placé dans un bain d'acétone froide. i Le réacteur a été placé dans un bain d'acétone froide (-30 C) à 60 C. j Des rendements de 100 % et plus sont observés car quelques sousproduits de plus haut point d'ébullition sont formés. K) 0) K) K) 0) F Exemples 8 à 14 Le mode opératoire suivant a été employé pour préparer les produits énumérés au Tableau 2 La quantité des corps réagissants est indiquée dans le tableau. 5 On place C 2 F 4 Cl I dans un ballon tricol sous atmosphère d'azote équipé d'un condenseur au reflux et d'un agitateur magnétique Le bromure d'aluminium est lentement introduit dans le ballon et il se produit une forte réaction exothermique I 2 et IF 5 sont placés dans un réacteur en Hastelloy(R>) et l'on y ajoute le mélange de catalyseur On élimine ensuite l'air du réacteur en appliquant un vide pendant 30 à 60 secondes. Le réacteur est réchauffé jusqu'à environ 40 à 500 C et le courant de CTFE gazeux est lancé à une vitesse d'environ 1 à 3 g par minute La réaction est exothermique et un refroidissement doit être appliqué initialement pour maintenir la température désirée A mesure que la réaction avance, la température du mélange réactionnel descend et le refroidissement peut être interrompu Lorsque la20 totalité du CTFE a été introduite dans le réacteur, le mélange est chauffé à la température indiquée dans le tableau pendant 2 heures environ Le mélange réactionnel est ensuite traité comme dans les Exemples 1 à 7 (Na 25205 hydraté et KOH) Les résultats sont présentés au Tableau25 2. Tableau 2 Exemple 12 8 56 9 56 84 11 146 12 185 13 185 14 185 IF 5 _ 46; l Poids des corps réagissants (g) C 2 F 4 Cl I CTFE 3 O 100 100 135 130 157 216 182 278 282 270 A 1 Br 5 2,5 3; 75 6/2 7 f 9 7 t 9 Température Rendement en produit % molaire de CF 3 CF Cl I C brut (%), par CG* par RMN de 19 F 83 62 58 -80 77 59 55 93 81 77 -80 90 62 55 100 80 77 98 66 63 * Colonne capillaire de Carbowa de 30 mètres -. OD w M w w w M F il Exemples 15 à 18 (comparatifs) Les exemples suivants sont donnés pour comparer les résultats de la présente invention avec ceux Hauptschein et coll supra Le mode opératoire est décrit ci-dessous et les quantités de corps réagissants et produits sont indiquées au Tableau 3. Un réacteur de 200 ml est chargé avec I 2 f une feuille d'aluminium et Al I 3 IF 5 est ajouté au réacteur, ce qui provoque un dégagement de chaleur Le réacteur est ensuite chauffé comme indiqué dans le tableau (Étape 1). Le réacteur est refroidi à -500 C et le CTFE est introduit lentement Le réacteur est réchauffé et placé sous agitation dans les conditions de température/temps indiquées dans le tableau (Étape 2) Le mélange réactionnel est traité avec Na 25205 et lavé à l'eau Les résultats sont présentés au Tableau 3. Tableau 3 Comparatif Catalyseur (g) Exemple 1113 A 1 CF Ena (gl Etape 1 Etape 2 Te.perature/Temps Température/Temps Redement e I% Pure ('c/h) ('C/h) produit brut (>)(X) :té I molaire de CF 3 CFC 1 I 2 2 77/4 16 2 2 98 17 c 3 3 118 18 2 2 99 /1 -35/2; 5 b /2 r 5 d -40/2; 5 e /16 /12 /48 -I N a Toutes les réactions, à l'exception de l'Exemple 17, utilisaient 0,22 mole de I 2 et 0,12 mole de IF 5 La quantité théorique de CTFE est de 0,56 mole. b Dégagement de chaleur jusqu'à 151 C dans l'Étape 1 et 30 C (mélange réactionnel refroidi pour être maintenu à 30 C) dans l'Étape 2. c Format de la réaction augmenté de 50 %. d Dégagement de chaleur jusqu'à 180 C dans l'Etape 1, aucun dégagement de chaleur observé dans l'Étape 2. e Aucun dégagement de chaleur observé. K) M w K) K) M F REVENDICATIONS 1 Procédé de préparation de CF 3 CF Cl I, consistant à: faire réagir un mélange comprenant de l'iode, du pentafluorure d'iode et au moins une quantité stoechiométrique de chlorotrifluoréthylène en présence d'une quantité catalytique de Al Br 3 à une température supérieure à 250 C pendant une période de temps suffisante pour former le CF 3 CF Cl I. 2 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rapport molaire de l'iode au pentafluorure d'iode est inférieur à 2:1 environ. 3 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le rapport molaire de l'iode au pentafluorure d'iode est compris dans l'intervalle d'environ 1:1,8 à environ 1,95:1. 4 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la réaction est conduite dans un solvant comprenant C 2 F 4 Cl I. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le Al Br 3 est présent en une quantité comprise dans l'intervalle d'environ 0,01 mole à 0,1 mole de Al Br 3 par mole de I 2. 6 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le chlorotrifluoréthylène est présent en un excès stoechiométrique d'environ 5 à 25 moles %. 7 Procédé selon la revendication 1, dans lequel la température de réaction est comprise entre environ 40 et environ 1500 C. 8 Procédé selon la revendication 1, dans lequel le temps de réaction est compris entre environ 1 et environ 5 heures.