专利名称：全氟链烷基磺酰氟的制备方法
技术领域：
本发明涉及化合物的制备方法，具体指具有通式CnF2n+1S02F的全氟链烷基磺酰氟 的制备方法。
背景技术：
全氟链烷基磺酰氟具有广泛的用途，可作为很多有机反应活性中间体和锂离子电 池用电解质原料。例如全氟乙基磺酰氟(PESF)是合成锂离子电解液双(全氟乙基磺酰) 亚胺锂的重要原料，也是制备全氟乙基磺酸和多种离子液体的理想中间体，还是多种全氟 乙基磺酸盐(如全氟乙基碱金属盐)以及多种低碳链全氟烷基制备过程中的具有较高反应 活性的中间体。 电解氟化法是已知的制备通式为CnF2n+1S02F (其中n是1 3的整数)的全氟链烷 基横酉先氟常用方法，Fred G. Drakesmith (Electrofluorination ofOrganic compounds)禾口 N.lgnat' ev(Acta Chemical Scandinavica 1999(53) :1110-1116)等人对电解氟化制备 PESF的方法做了详细的探讨。美国专利US2， 732， 398报道了电解氟化制备方法。然而这些 前期的文献记载的电解氟化法会产生包括S02F2和氟代烷在内的多种副产物，很难和PESF 分离，因而对制备低碳链的全氟链烷基化合物不具有工业上的实际操作意义。此外，电解氟 化法一般都对设备具有较高要求，由于电解产生的氢气携带作用，需要-781:以下的低温才 能将PESF完全冷却下来，并且产品的收率都很低。 专利号为200680035898. X，名称为全氟链烷磺酸钾和其制备方法的中国专利，对 电解氟化方法进行了改进，有效地对副产物进行了分离。该专利使用氢氧化钾的水溶液作 为气体吸收溶液，副产物基本上都形成难溶性的盐沉积下来，反应过程中PESF生成了易溶 于水的磺酸盐而保留在水溶液中，用硫酸除去过量的氢氧化钾后，再通过干燥浓縮即可获 得较为纯净的全氟乙基磺酸碱金属盐。但是，经由全氟乙基磺酸碱金属盐制备PESF，一般 采用三氯氧磷或者二氯亚砜氯化，氟原子具有很强的电负性，当和较短碳链的全氟烷基磺 酸盐(如全氟甲基磺酸盐和全氟乙基磺酸盐)反应存在较高的反应活化能，需要使用特殊 的催化剂作用下才能进行，但对此类特殊作用的催化剂目前还未见文献报道。专利号为 03809990. X，名称为用于制备全氟乙基磺酰氟和/或全氟二乙基砜的催化剂的中国专利， 报道了催化合成PESF的方法。此专利使用四氟乙烯和二氧化硫在两部分催化体系下催化 合成PESF。但由于该方法为气相反应，要求反应器必须耐压性较好。又因为反应物中使用 四氟乙烯(TFE)为原料，在有微量杂质或者其它引发剂存在下，四氟乙烯极容易发生自由 基均聚。而TFE均聚是剧烈放热过程且难以控制，容易导致瞬间高温高压而引起安全事故。
发明内容
本发明的目的是提供一种反应条件温和，反应过程易于控制，产品易于分离提纯 且收得率高的全氟链烷基磺酰氟的制备方法。 为实现上述发明目的，本发明的制备方法以由通式CnF2n+1I (其中n是1 3的整数)表示的全氟碘代烷为原料，依次经过如下反应步骤 (1)、将全氟碘代烷和脱碘试剂在相转移催化剂作用下发生亚磺化反应，生成碱金属亚磺酸盐； (2)、将碱金属亚磺酸盐与氯化剂进行氯化反应，生成全氟链烷基磺酰氯；
(3)、将全氟链烷基磺酰氯与氟化剂进行氟化反应，生成全氟链烷基磺酰氟。
本发明较好的技术方案是 所述亚磺化反应是在极性有机溶剂中进行，所述极性有机溶剂为水_乙醇、甲腈、乙腈、二氯甲烷、丙酮、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基砜、二乙二醇、六甲基磷酰胺、硝基甲烷、异丙醚或异丙醇中的一种。 所述亚磺化反应中，脱碘试剂为Na2S03、 Na2S204、 H0CH2S02Na、 (H2N) 2C = S02Na、Na2S205、 NaHS03、 K2S03或K2S204中的一种。 所述亚磺化反应中，相转移催化剂为三乙胺、二甲基甲酰胺、十六烷基三甲基溴化
铵或聚乙二醇中的一种。 所述氯化反应采用氯气作氯化剂。 所述氯化反应在盐酸或硫酸介质中进行。 所述氯化反应在氯苯、二氯甲烷、三氯甲烷或氯代乙烷介质中进行。 所述的氟化剂为KF、 KHF2、 NaF、 NaHF2或C5H5N HF中的一种。 所述氟化反应是在水-乙醇反应介质中进行，反应介质中水和乙醇的重量比为
i : o. 5 i. 5，优选i:i。 所述氟化反应中加入了复合催化剂，复合催化剂为CmF2m+1S02F与二甲基甲酰胺复合试剂或者是CmF^^(^F与三乙胺的复合试剂中的一种，所述m为4 12的整数，所述CmF2m+1S02F表示全氟链烷基磺酰氟。 本发明中各反应步骤的具体操作及各条件限定的原理如下 本发明中的脱碘试剂在通常状况下均可溶于极性有机溶剂，但其溶解性都不大，所以在亚磺化反应步骤中需向反应釜加入相转移催化剂来促进其共溶性和反应的动力学
性质。通过反应釜外围夹套的循环水控制反应釜温度在ot: i(TC之间，然后再向反应釜
中通入全氟碘代烷气体，为了反应充分进行，通气速度控制在5 6kg/h。全氟碘代烷气体加完后，继续在室温下反应2 4h，即得到由通式C/^^S(^M表示的碱金属亚磺酸盐为主要成分的混合盐，所述M表示碱金属离子。 将亚磺化反应中得到的混合盐溶于重量百分比为5% 10%的无机酸反应介质
或者非水溶性的反应介质中，然后将溶液投入反应釜，通入氯气进行反应，生成具有通式CnF2n+1S02Cl的全氟链烷基磺酰氯，其中n为1 3的整数。为了以抑制副反应发生，反应中需要控制氯气的通气速度，一般保持在0. 15 0. 35L/h，尾气用5%的NaOH溶液吸收。该反应中卤素和碱金属离子的交换进行迅速，通常不具有高的表观活化能，又由于碳链较短，生成的全氟烷基磺酰氯的沸点较低，反应釜的温度如果过高反应速度过快难以控制，也容易导致目标产物挥发，所以此步反应时控制反应釜温度在-51: 301:为宜。
氯化完成后产物需要进行分离提纯操作。由于全氟烷基磺酰氯是强烈憎水的物质，在水中溶解度极小，可以考虑使用纯净的冷水洗涤反应产物，未反应的无机酸以及反应生成的无机盐等杂质进入水相。使用油水分离柱或其他油水分离设备分离出油层，反复用冷水洗涤三次基本可将杂质洗净。反应产物全氟烷基磺酰氯低温保存。 氟化反应时，考虑到全氟烷基磺酰氯在水中几乎不溶，可以采用廉价的水-乙醇作为反应介质可以获得更好的反应效果和产率，水和醇的重量比可选用1 : 0.5 1.5
为宜，优选i : i可以获得较为理想的结果。为了减少反应过程中产生的含氟杂质含量，
氟化盐水溶液中溶质重量百分比通常控制在30% 50%范围。为了促进全氟烷基磺酰氯与氟化盐在反应介质中的共溶性，使其充分接触进行反应，本发明氟化反应中可以加入CmF2m+1S02F与二甲基甲酰胺复合试剂或CmF2m+1S02F与三乙胺的复合试剂中的一种作为反应的复合催化剂，所述m为4 12的整数，所述CmF2m+1S02F表示全氟链烷基磺酰氟。此步反
应的温度控制在-51: 01:的较低温度，能够保证反应速度在可控的范围，并且可以抑制
反应溶液中易挥发的杂质的气化。反应获得的全氟烷基磺酰氟CnF2n+1S02F(其中n = 1 3的整数)通过反应器上端冷凝管蒸出，在冷阱中将蒸气冷却吸收即可。
本发明的制备方法反应过程中的最低温度控制在_5°〇，最高温度控制在3(TC的适当范围之内，反应条件温和且反应过程易于控制，得到的产品易于分离提纯。实践证明，利用本发明制备方法制备的全氟烷基磺酰氟纯度最高可以到达99. 99%且氯元素的含量控制在5ppm以下，符合合成锂离子电池电解液的相关标准。
具体实施方式
实施例1 向300L带搅拌的搪瓷反应釜中投入180L极性有机溶剂二甲基亚砜，在搅拌下投入51kg的脱碘试剂Na2S204(约292. 68mol)和500g相转移催化剂聚乙二醇。关闭冷凝器上端的排空阀，通过反应釜外围夹套层的媚环盐水将釜内温度控制在0 l(TC。随后经过一根深入到液面以下的进料管，控制气体计量阀，以每小时5 6kg的速度缓慢地通入CF3CF2I气体，在回流冷凝器中出现少量回流后再继续加入60kg的CF3CF2I (243. 90mol)，后停止通入气体，保持ot:继续反应半小时。然后反应釜夹套中改通自来水，在室温下继续反应2. 5 3. 5h。当回流冷凝器上无油花时反应已完成，得到含C2F5S02Na的混合盐。通过蒸馏和负压抽干方式将未反应完的有机溶剂回收。 将上一步得到的混合盐溶于200L重量百分比浓度为5 10%的盐酸水溶液，投入带搅拌器的300L搪瓷反应釜中。通过夹套循环水控制釜内温度0 5°C，反应器上端采用(TC冰水循环。边搅拌边通入氯气，保持在0.25L/h速度通入以抑制副反应的发生。尾气经过缓冲罐，用重量浓度为5%的NaOH碱液循环喷淋塔吸收。氯化反应时间为4 5h。将反应液泵入透明的油水分离柱，分离出上层水层，再使用等体积的蒸馏水清洗油层三次，将没有反应的混合盐除掉。通过精馏塔对氯化反应产物进行提纯分离。 对上一步获得的氯化产物全氟烷基磺酰氯称重，按摩尔数计量将氯化产物1. 1 1.2倍摩尔数的氟化剂氟化钾溶于1 : 1的水-乙醇溶液，投入250L的氟化反应釜。反应釜上端冷凝器中通入_5 ot:盐水冷却。随后釜内温度控制在(TC时边搅拌边将氯化产物投入反应釜。最后加入10 20ml的C4F9S02F和300ml三乙胺的复合催化剂。该温度下反应4 5h后上端冷凝器改通自来水，目标产物经过-2(TC冷阱冷却收集。
对所获得的产物进行分析，制备得到全氟乙基磺酰氟产品氯含量0. 0003%，实际收得全氟乙基磺酰氟45. 2kg，相当于理论量的92%。
实施例2 按照实施例1的制备工艺，其中，亚磺化反应时，将极性有机溶剂换成水_乙醇，
脱碘试剂换成293mol的Na2S03 ;氯化反应步骤中的盐酸介质换成三氯甲烷；氟化反应中，
水_乙醇反应介质中水和醇的重量比选用1 : 0. 5，其余操作和实施例1相同。 对所获得的产物进行分析，制备得到全氟乙基磺酰氟产品的氯含量0.0004%，产
品实际产量为理论含量的87. 1%。 实施例3 按照实施例1的制备工艺，其中，亚磺化反应时，将极性有机溶剂换成异丙醇，脱碘试剂换成293mol的1(25204，相转移催化剂换成十六烷基三甲基溴化铵；氯化反应步骤中，控制反应温度20 25t:，溶剂介质换成5 10%的稀硫酸；氟化反应步骤中，水_乙醇反应介质中水和醇的重量比为l : 1.5，氟化试剂换成相当于全氟链烷基磺酰氯摩尔数0.5 0. 6倍的KH&，其余操作和实施例1相同。 对所获得的产物进行分析，制备得到全氟乙基磺酰氟产品的氯含量0.0003%，产品实际产率为理论含量的83. 4%。
实施例4 按照实施例1的制备工艺，其中，亚磺化反应时，将极性有机溶剂换成丙酮，脱碘试剂换成293mo1的H0CH2S02Na，相转移催化剂换成二甲基甲酰胺；氯化反应步骤中，控制反应温度10 2(TC，通氯气的速度控制在0. 28L/h，介质溶剂换成二氯甲烷；氟化反应步骤中，氟化试剂换成相当于全氟链烷基磺酰氯摩尔数1. 1 1. 2倍的NaHF2，其余操作和实施例l相同。 对所获得的产物进行分析，制备得到全氟乙基磺酰氟产品的氯含量0.0005%，产品实际产率为理论含量的85. 5% 。
实施例5 按照实施例1的制备工艺，其中，将CF3CF2I换成三氟碘甲烷，极性有机溶剂换成异丙醚，脱碘试剂换成293mol的NaHS03 ;氯化化反应的溶剂介质选用氯代乙烷，氯化反应控制温度10-15t:，通氯气的速度控制在0. 30L/h ;复合催化剂换成C8F17S02F与二甲基甲酰胺的复合试剂，水_乙醇反应介质中水和醇的重量比为1 : 0. 75，其余操作和实施例1相同。
对所获得的产物进行分析，制备得到全氟甲基磺酰氟产品的氯含量0. 0005 % ，产品实际产率为理论含量的88. 6%。
实施例6 按照实施例1的制备工艺，其中，将CF3CF2I换成三氟碘甲烷，极性有机溶剂换成二乙二醇，脱碘试剂换成293mol的1(2503，相转移催化剂换成三乙胺，亚磺化反应温度控制在_5°C ，氯化反应步骤中，控制反应温度_5 0°C ，溶剂介质换成氯代乙烷，通氯气的速度控制在0. 35L/h ;氟化反应中，复合催化剂换成C5FnS02F与三乙胺的复合试剂，其余和实施例l相同。 对所获得的产物进行分析，制备得到全氟甲基磺酰氟产品的氯含量为0. 0004%，产品实际产率为理论含量的84. 0%。
实施例7 按照实施例1的制备工艺，其中，将CF3CF2I换成三氟碘甲烷，极性有机溶剂换成硝基甲烷，脱碘试剂换成293mol的(H2N)2C = S02Na ;氯化步骤中，溶剂介质换成氯苯，控制反应温度5 l(TC，通氯气的速度控制在0. 15L/h ;氟化反应中，水_乙醇反应介质中水和醇重量比为l : 1.2，氟化试剂换成NaF，复合催化剂换成CeF^S(^Fy与二甲基甲酰胺的复合试剂，其余操作和实施例l相同。 对所获得的产物进行分析，制备得到全氟甲基磺酰氟产品的氯含量为0. 0003%，产品实际产率为理论含量的84. 5%。
实施例8 按照实施例1的制备工艺，其中，将CF3CF2I换成全氟碘代丙烷，极性有机溶剂换成乙腈，脱碘试剂换成293mol的Na2S205 ;氯化步骤控制反应温度25 30°C ，氯气的速度控制在0. 20L/h，氟化试剂换成C5H5N HF ;复合催化剂换成CnF23S02F与二甲基甲酰胺的复合试剂，其余操作和实施例l相同。 对所获得的产物进行分析，制备得到全氟丙基磺酰氟产品的氯含量0.0005%，产品实际产率为理论含量的88. 0%。
实施例9 按照实施例1的制备工艺，其中，将CF3CF2I换成全氟碘代丙烷，极性有机溶剂换成二甲基甲酰胺，脱碘试剂换成293mol的Na2S03，亚磺化成盐步骤反应温度控制在5_10°C ;氯化步骤控制反应温度10-15°C ，氯气的通入速度控制在0. 20L/h ;氟化试剂换成NaF，水-乙醇反应介质中水和醇的重量比为1 : 1.5，复合催化剂换成C8FuS(^F与三乙胺的复合试剂，其余操作和实施例l相同。 对所获得的产物进行分析，制备得到全氟丙基磺酰氟产品的氯含量0.0003%，产品实际产率为理论含量的87. 6% 。
实施例10 按照实施例1的制备工艺，其中，将CF3CF2I换成全氟碘代丙烷，极性有机溶剂换成六甲基磷酰胺，脱碘试剂换成293mol的HOCH2S02Na，亚磺化成盐步骤反应温度控制在5-10°C ;氯化步骤控制反应温度10-15°C ;氟化反应中，氟化试剂换成KHF，复合催化剂换成C^F^S02F二甲基甲酰胺的复合试剂，其余操作和实施例1相同。 对所获得的产物进行分析，制备得到全氟丙基磺酰氟产品的氯含量0.0004%，产品实际产率为理论含量的86. 8%。
权利要求
一种全氟链烷基磺酰氟的制备方法，包括以下步骤(1)、将全氟碘代烷和脱碘试剂在相转移催化剂作用下发生亚磺化反应，生成碱金属亚磺酸盐；(2)、将碱金属亚磺酸盐与氯化剂进行氯化反应，生成全氟链烷基磺酰氯；(3)、将全氟链烷基磺酰氯与氟化剂进行氟化反应，生成全氟链烷基磺酰氟。
2. 根据权利要求1所述全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其特征在于亚磺化反应是在 极性有机溶剂中进行，所述的极性有机溶剂为水-乙醇、甲腈、乙腈、二氯甲烷、丙酮、二甲 基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基砜、二乙二醇、六甲基磷酰胺、硝基甲烷、异丙醚或异丙醇中 的一种。
3. 根据权利要求1或2所述全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其特征在于亚磺化反应 中所述脱碘试剂为Na2S03、 Na2S204、 H0CH2S02Na、 (H2N)2C = S02Na、 Na2S205、 NaHS03、 K2S03或 K2S204中的一种。
4. 根据权利要求1或2所述全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其特征在于亚磺化反应 中所述相转移催化剂为三乙胺、二甲基甲酰胺、十六烷基三甲基溴化铵或聚乙二醇中的一 种。
5. 根据权利要求1所述全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其特征在于氯化反应中采用 氯气作为氯化剂。
6. 根据权利要求1所述全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其特征在于氯化反应是在盐 酸或硫酸介质中进行。
7. 根据权利要求1所述全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其特征在于氯化反应是在氯苯、二氯甲烷、三氯甲烷或氯代乙烷介质中进行。
8. 根据权利要求1所述全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其特征在于所述的氟化剂为KF、 KHF2、 NaF、 NaHF2或C5H5N HF中的一种。
9. 根据权利要求1所述全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其特征在于氟化反应是在 水-乙醇反应介质中进行，反应介质中水和乙醇的重量比为1 : 0. 5 1.5。
10. 根据权利要求1所述全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其特征在于所述的氟化反应 中加入了复合催化剂，复合催化剂为CmF2m+1S02F与二甲基甲酰胺复合试剂或CmF2ni+1S02F与三 乙胺的复合试剂中的一种，所述m为4 12的整数，所述CmF2ni+1S02F表示全氟链烷基磺酰 氟。
全文摘要
本发明公开了一种全氟链烷基磺酰氟的制备方法，其步骤为在极性的有机溶剂中，由全氟碘代烷和脱碘试剂在相转移催化剂作用下发生亚磺化脱碘反应，然后在无机酸或者非水溶性介质中与氯气发生氯化反应，再以水-乙醇作为反应介质在复配催化剂作用下与氟化试剂发生氟化反应，产品通过冷却吸收即可获得全氟链烷基磺酰氟。本发明的制备方法具有反应条件温和，反应过程易于控制，产品易于分离提纯且收得率高的优点。
文档编号C07C303/00GK101759613SQ20101010447
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月29日 优先权日2010年1月29日
发明者李书涛, 李清泉, 湛英杰, 高伟, 高玉峰 申请人:湖北恒新化工有限公司