四丁铵双(氟磺酰基)酰亚胺及相关盐的合成

摘要

本发明涉及一种方法，包括将氨作为铵盐或者作为气体，在压力低于0.01MPa下，添加至磺酰氟溶液中，从而在非常适合大规模生产的条件下形成双(氟磺酰基)胺阴离子。由此制备的双(氟磺酰基)胺可以通过现有技术描述的方法来分离，或者作为有机离子例如作为烷基铵固体盐，或者作为离子液体而分离。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2012年11月16日递交的美国临时专利申请No.61/727,616 的权益，其内容以全文参考的方式引入本文。

技术领域

本发明涉及显著改进的四丁铵双(氟磺酰基)酰亚胺,[Bu₄N]⁺[(FSO₂)₂N]^-及相关盐的制备方法。

背景技术

含双(氟磺酰基)酰亚胺[(FSO₂)₂N]^–的化合物是有用的，例如，作为路 易斯酸催化剂、离子转运剂、有机化合物合成、电解质等的领域。

用于双(氟磺酰基)胺及相关化合物合成的各种方法已经被提出(参见, 如,Ruff,Inorg.Chem.4(10):1446(1965)；Ruff,Inorg.Synth.XI:138(William, ed.,McGraw-Hill Book Co.,1968)；Vij等,Coord.Chem.Rev.158:413 (1997)；Krumm等,Inorg.Chem.37:6295(1998)；Beran等,Z.Anorg.Allg. Chem.631:55(2005)；U.S.Patent No.8,377,406,U.S.Patent No.5,723,664； and U.S.Patent No.5,874,616；DE Patent No.1199244)。然而，这些方法可 能不适合工业化规模生产，要么因为它们的低产率，要么因为需要形成例如 危险的中间物和/或需要腐蚀性的/昂贵的原料。

改进的获得[(FSO₂)₂N]^–及其盐的方法在Morinaka(US2012/0028067A1和 US2012/0070358A1)中公开，以全文参考的方式引入本文，其在非质子碱的 存在下，用氨气处理SO₂F₂的乙腈溶液，获得高产率的[(FSO₂)₂N]^–的盐。这 里使用的“非质子碱(aprotic base)”没有不稳定的氢原子。例如，二乙胺是质子 碱，三乙胺是一种非质子碱。利用高压条件，Morinaka能控制SO₂F₂，从而 使得它与高浓度氨反应。

本领域的技术人员可认识到Morinaka的方法使用的反应器压力高于大气 压。Morinaka描述的高压条件对于[(FSO₂)₂N]^–盐的商业化规模合成是有问题 的，因为大规模合成需要大型加压容器。与设计的用于在大气压或更低压力 下使用的低成本容器相比，用于商业化规模合成的大型加压容器成本昂贵。 此外，在高压下处理高毒性的、完全不能通过感官或常规形式检测而发现的 SO₂F₂，具有增加的安全问题。而暴露于SO₂F₂对操作者是致命的。

因此，需要一种改进的[(FSO₂)₂N]^–的盐的合成方法，该方法可以安全地 和经济地放大到商业化应用。

本发明部分地基于在Morinaka方法条件下，即在0.01MPa以上压力下， 发生气相反应器结垢的发现。结垢是一个增加劳动成本问题，在运行期间必 须要清除污垢物。这远远超出简单的冲洗，因为任何其表面包含部分的反应 器顶部空间的组件必须拆卸。污垢物是挥发性的、有毒的、含氟化熔渣。即 使组件非常洁净，结垢可以通过对例如搅拌轴承和密封件的腐蚀和磨损造成 设备故障。对于[(FSO₂)₂N]^–盐的工业化规模生产，在不会淤塞反应器，并且 SO₂F₂泄漏危险最小的条件下的操作是更加优选的。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种方法，其中在非质子碱的存在下，在 SO₂F₂溶液上方的顶部空间缓慢而持续地注入氨(NH₃)，可以在压力低于 0.01MPa下安全并商业化规模的实现。从该方法得到的[(FSO₂)₂N]^–盐的产 率大于或等于Morinaka所报道的。此外，反应器结垢通过在此较低压力 下操作而消除。

本发明的另一个目的是提供一种方法，其中NH₃以盐的形式加入到 SO₂F₂中，例如以铵盐(如NH₄F)的形式引入NH₃。通过NH₃盐的添加， 可以安全使用高于0.01MPa的反应器压力。产率与在较低压力注入气体 是相同的并且没有结垢发生。

本发明的又一目的是提供一种用于制备双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子 (M⁺_n[(FSO₂)₂N^–]_m)的盐的方法，其中M⁺是无机的或者有机阳离子并且n和 m是1-4，包括：

在非质子碱存在下，在密闭反应器中将氨添加到磺酰氟(SO₂F₂)的溶剂 溶液中，同时保持密封反应器内压力低于0.01MPa(75托)，以制备含有产 物离子[(FSO₂)₂N]^-(“FSI”)的溶液；

将所述含有产物离子[(FSO₂)₂N]^-(“FSI”)的溶液添加到含有M⁺的盐的 溶液中，以及；

分离获得的含有双(氟磺酰基)酰亚胺阴离子(M⁺_n[(FSO₂)₂N^–]_m)的盐。

附图说明

图1显示了一个SO₂F₂与NH₃反应的反应流程图。

具体实施方式

一般而言，SO₂F₂与NH₃的反应只发生在液体溶液中，而不发生在气 相中。然而，反应器结垢表明会发生表面反应。SO₂F₂与NH₃的一些相关 反应如图1所示。

SO₂F₂与NH₃的最初反应是剧烈的氨基脱氟作用(aminodefluorination)， 得到氟磺酰胺FSO₂NH₂。然后FSO₂NH₂可以以下几种方式之一反应：第 二次氨基脱氟作用得到磺酰胺(路径1)，或去质子化，得到氟磺酰胺阴离 子(FSO₂NH^-，路径2和3)。溶解的FSO₂NH^-是中间产物，其可制备本文和 Morinaka的发明的产物。FSO₂NH^-具有足够的惰性使得FSO₂NH₂可通过中 间罐的酸化而被高产率分离(参见，例如，美国专利申请2012/028292A1)。 FSO₂NH^-经过与SO₂F₂的进一步缓慢反应得到(FSO₂)₂NH，其迅速去质子化 得到产物阴离子(FSO₂)₂N^-，作为离子对分离。

使用氨气作为反应物:

气态NH₃与溶解的SO₂F₂反应是高度放热的和非常快速的，且气态 NH₃加入的速率必须小心控制。在一个优选的具体实施方式中，向剧烈搅 拌的SO₂F₂的溶液中缓慢加入气态NH₃超过至少90分钟时间，或更优选 两小时或更长。加入速率通常是根据超过起始温度的温度上升程度来调节 的。在一些具体实施方式中，在添加NH₃的过程中，从起始的静态温度起 的温度上升维持在±5℃或更少，更加优选±2℃或更少。为了移除反应热 需要有效冷却反应器。

精确控制的SO₂F₂和/或NH₃的添加可以通过，例如，使用质量流量控 制器，caliper测量仪(caliper gauges)等维持。在一些实施例中，NH₃的添 加(和/或SO₂F₂的添加)速率是由内部反应器压力、反应器温度、或其他变 量条件控制。

在一定限制内，NH₃和SO₂F₂的添加顺序和速率是可以改变的。在NH₃添加过程中在反应器中一定要有大摩尔过量的SO₂F₂。例如，可以以连续 速率添加NH₃到装有SO₂F₂的反应器中，以达到70托(0.0093MPa)，额外 的SO₂F₂使用如闸阀以压力依赖的方式分多次添加。在优选的具体实施方 式中，以控制的速率同时加入两种试剂。例如，当反应器压力低于如70 托时，可以加入额外的SO₂F₂。

NH₃的添加速率可以作为反应器内容物的搅拌程度的函数而变化：反 应器内更好的搅拌允许NH₃更快的添加。应控制NH₃添加速率以减少副产 物的形成。对于具有最大搅拌速率的2加仑反应器，两个小时的添加时间 足以提供95％或更高的产率。尽管在本发明范围内，在类似条件下以恒定 速率添加NH₃超过一个小时导致产量降低、大量的不溶性副产物形成。

优选的，非质子碱(B)能够作为具有制备的阴离子(即BH⁺(FSO₂)₂N^-, BH⁺FSO₂NH^-和BH⁺F^-)的离子对保持溶解。Morinaka描述了示例性的无反 应性碱(和许多失效碱(inoperative bases))，其没有描述TMPDA，它是已发 现的对于所述方法最有用的碱。三烷基胺是优选的碱,更优选TMPDA。 TMPDA能使反应器负荷最高，廉价并且可回收。TMPDA产生澄清的罐 装液体，所以反应器简单冲洗后可以重新使用。TMPDA作为过程用碱 (process base)生产具有低熔点和广泛的溶解性的浓缩物。TMPDA有温和 沸点使得其可再利用。

可接受的溶剂包含醚类(如二乙醚、四氢呋喃等)、腈类(如乙腈、丁腈 等)、酯类(如乙酸乙酯等)、卤代烃(如二氯甲烷等)和叔酰胺(如N,N-二甲 基乙酰胺(DMA)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、四甲基脲(TMU)、二甲基丙烯 基脲(DMPU)等等。具有较高极性的溶剂更优选。SO₂F₂在其中良好溶解的 溶剂更优选。

理论上NH₃和SO₂F₂的比例是1:2。实际上，已使用1.008:2的摩尔比。 也可以使用更高的摩尔比但没有任何优势，并增加了副产物形成的可能性。

碱与SO₂F₂的理论比例是3:2。在实际中，TMPDA与SO₂F₂摩尔比为 1.03:1(当量比2.06:1或4:2)，获得85-95％的产率。所述比例可以降低到接 近理论水平而不会实质性影响产率，只要所述碱是比NH₃更强的碱即可， 如具有两个氮原子的TMPDA是比NH₃更强的碱。

溶剂量取决于产物的溶解度。低极性溶剂不能给出1摩尔不形成锅体 固体(pot solids)的反应器负荷，大多数需要更低负荷来防止这种情况的发 生。更多的极性溶剂能给出超过1摩尔的负荷。分别将乙腈和TMPDA作 为溶剂和碱，负荷1.1摩尔产生澄清的液体并没有罐装固体形成。固体在 大于约1.1摩尔的所述溶剂/碱组合时开始形成。

分别使用乙腈和TMPDA作为溶剂和碱，在-10℃和70托下进行NH₃的添加，并在一摩尔当量的SO₂F₂添加之前完成，仍然能获得高产率(实施 例3)。这表明添加的NH₃在添加过程是部分游离的(即作为NH₄F)(参见图 1)。实施例3添加的SO₂F₂的亚化学计量也表明中间物FSO₂NH₂是部分游 离的，在这些条件下，进行可逆路径2而不是不可逆路径1(见图1)。

在NH₃添加过程升高的压力产生结垢，用溶剂和碱浸泡的固体使得内 表面所有区域都不是液体湿润的。每次这些反应中在约0.1MPa(1标准大 气压)下两加仑(7.57升)具有架空搅拌器的帕尔反应器的顶部空间都会结 垢。所有通入顶部空间的管道、止回阀、搅拌组件都结垢。每次运行后反 应器需要拆卸和清洗。搅拌组件不容易清洗，一般运行三次后就不能再用 了，由于污垢物磨损和/或轴承的膨胀，或腐蚀，即碳从轴承浸析而进入污 垢物中。虽然PTFE(“Teflon^TM”)轴承减轻了腐蚀问题，但是磨损的问题依 然存在。

结垢只发生在NH₃添加过程，通过利用低于0.01Mpa(75托)的反应器 压力而消除。反应器的压力可以在NH₃添加之后升高，这使得结垢不再是 一个问题。升高压力可通过增加温度，更加优选的添加SO₂F₂，或者这两 者的组合进行。

反应器温度取决于反应的阶段和使用的溶剂，并在某种程度上取决于 溶剂和碱的蒸汽压。例如，乙腈在高于大约10℃有显著的蒸汽压。乙腈 作为溶剂时，NH₃的添加是在-30至+20℃，优选-15至+5℃之间进行。 在本发明的范围内，可以在高温(40℃)下使用更高沸点溶剂和碱进行NH₃的添加。非挥发性碱(如叔胺的聚合物等)，在本发明的范围内可以使用。

如果使用挥发性溶剂(如乙腈)，一旦加入NH₃，温度会被提高到+10 至+40℃，更优选的24－28℃，为了及时完成反应，通过引入SO₂F₂提 高反应器压力至低于0.1MPa(750托)(图1中,路径3)。可以使用更高的压 力但为了安全最好低于大气压。在一个适当脱气的反应中，随着SO₂F₂完 全消耗，终点压力将会接近溶剂的蒸汽压。然后将内容物作为澄清液体从 反应器移出。

在一优选的具体实施方式中，反应器可被重新利用，而无需进行深度 清洁。

在一优选的具体实施方式中，如果使用合适的高沸点溶剂/碱的组合， 反应在压力低于0.01MPa下可充分地完成。

使用铵盐作为反应物:

在本发明的另一优选具体实施方式中，通过引入NH₃作为铵盐(如 NH₄F)抑制结垢。需要额外当量的碱。在这一实施例中，反应器压力可以 大于0.1MPa，达到0.3MPa，但为了安全反应器压力优选低于0.1MPa。 压力略低于大气压力是最优选的。氟化铵较其他盐优选，因为副产物通常 更容易溶解在过程用溶剂中。例如，尽管在本发明范围内，如氯化铵是不 优选的，它产生一种不溶性的副产物和受污染的产物(比较实施例1)。

氟化铵在大多数非质子有机溶剂中是不溶解的。此外，在工艺条件下， 在例如TMPDA存在下，悬浮NH₄F转变为游离氨是非常缓慢的，即使使 用磨碎的固体。这使得NH₃缓慢添加到罐中，并防止了任何NH₃逃逸到顶 部空间。获得了没有结垢的澄清的罐装液体。本发明这一实施方式分离的 产物的产率与使用氨气获得的产率一样(实施例1和2)。

在本发明的具体实施方式中，可以使用0－50℃，更优选的24－28℃ 的温度。

通过使用以上的改进，可以以可接受的成本和提高的安全性实现商业 上可行的放大。

本发明的实施例获得的罐装液体可按以下所描述的进行处理以分离 产物。

产物离子[(FSO₂)₂N]^-(“FSI”)可以作为例如金属盐、有机盐、或其他盐 而分离。固体盐较离子液体优选，虽然其也在本发明的范围内。在一些实 施例中，C₁-C₅四烷基铵盐被用于沉淀FSI，例如，溴化四丁铵(Bu₄NBr)。 在一些实施例中，季铵氢氧化物(如Bu₄NOH等)是优选的。Bu₄NFSI这一 产物具有约99℃的熔点，使它能够在环境条件下被处理，其不溶于水， 略溶于冷甲醇，非常易溶于热甲醇。这样能实现FSI的极大回收从而获得 高于Morinaka所报道的分离产率。另一种盐，Me₄N⁺FSI^-(通过Me₄NCl)产 生了具有10－17ppm氯化物(通过离子色谱法)的初始沉淀，且在蒸馏水二 次重结晶之后，含有无法检测量的氯(<10ppm)。然而，FSI作为Me₄NFSI 的回收率大约比作为Bu₄NFSI回收率低10％。本发明获得的固体烷基铵盐 纯度非常高，并可以被干燥到非常低的含水量。

实施例

实施例1

对1升，4口圆底烧瓶装配搅拌子、进气口、压力补偿滴液漏斗和温 度计，并装入ACS级氟化铵(16.06g，0.43mol)和1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP， 462g)。在滴液漏斗内装入1,3-双(二甲氨基)丙烷(TMPDA，120g，0.92 mol)。之后密封烧瓶并伴随磁力搅拌在动态真空下排空,因此TMPDA和 NMP都进行了排气。在20托下几秒钟后，停止真空，在烧瓶中充入SO₂F₂气体直到达到700托的稳定压力。然后在超过10秒钟的时间内将TMPDA 滴入到搅拌着的烧瓶内容物中，在25℃水浴条件下搅拌烧瓶内容物并在 设定压力(700托)下持续添加SO₂F₂。21小时后,计算量的SO₂F₂(87.7g，87.7 mol)都被添加，反应器压力为347托。烧瓶中顶部空间没有观察到固体。 然后组装烧瓶用于真空蒸馏，溶剂和一些碱被蒸馏掉(1.6托，65℃水浴， 53℃蒸馏头)。将烧瓶内容物(203g)，澄清的黄色油状物缓慢的倒入搅拌 的溴化四丁铵(161g，0.5mol)的温水溶液(1.5kg)中。将由此获得的固体进 行抽吸过滤、用橡胶障压缩，在热的甲醇溶液中溶解。在热的情况下对溶 液进行精良过滤(polish filtered)，加水(40mL)稀释到1升的总量，再冷却 到-25℃。通过过滤收集由此获得的晶体并在45℃真空烘箱干燥至恒重。 产量为154.3g(0.36mol,85％)，熔点为97-99℃。

实施例2

在2升不锈钢反应器(帕尔仪器公司，莫林，IL)中装入ACS级氟化铵 (NH₄F,36.2g,0.98mol)，TMPDA(327g,2.5mol)和乙腈(842g)。密封反应 器并排空至57托压力，之后开始搅拌。在设定压力650-750托下伴随温和 搅拌持续添加磺酰氟(208.8g,2.05mol)。温度从12℃缓慢上升到25℃， 剩余的SO₂F₂添加过程中温度保持在25℃-27℃，大约24小时。将过量 的气体泵出并打开反应器。在反应器顶部空间没有发现固体。内容物用氨 气饱和，滤出获得的固体被并用乙腈洗涤。将合并的滤液浓缩成澄清的黄 色油状物(306g)并如前所述用溴化四丁铵处理，分两批从甲醇获得产物， 360.6g(0.85mol,87％)，熔点为98.5-99.5℃。

实施例3

在2升不锈钢反应器中装入TMPDA(375g，2.88mol)和乙腈(750g)， 冷却到-10℃，并伴随搅拌排空至19托。向反应器加入SO₂F₂直到出口压 力为70托，并在该压力和温度下向反应器通入氨气(23.4g，1.37mol)超过 2小时。在氨气添加结束后，加入117g(1.15mol)SO₂F₂。然后将反应器的 温度提高到25℃并在250-500托压力下加入额外的165g SO₂F₂，将反应 器内容物搅拌过夜。泵出过量的气体并打开反应器。在暴露的冷凝管上可 以观察到少量的固体但反应器顶部空间没有发现固体。产物如上所述用溴 化四丁铵处理，并且得到单批产物(487g，1.15mol，84％)，熔点为97-101 ℃。

比较例1

在2升不锈钢反应器(帕尔仪器公司，莫林，IL)装入ACS级氯化铵 (NH₄Cl，43g，0.8mol)，TMPDA(259g，1.99mol)和乙腈(838g)。密封反 应器并排空至122托压力，之后开始搅拌。反应器温度达到25℃，在设 定压力650-750托下，伴随在25-27℃温和搅拌，持续添加磺酰氯(162.4 g,1.59mol)超过18小时。泵出过量的气体并打开反应器。反应器顶部空间 的界面上有一些积累的固体。滤出一定量沉淀的固体并用乙腈洗涤。将合 并后的滤液浓缩成澄清的黄色油状物(321g)并如前所述用溴化四丁铵处 理，从甲醇中得到产物，只收集到一批产物(226g)，该产物具有较广的熔 点范围98-120+℃，表明受到污染。

比较例2

在2加仑(7.57L)不锈钢高压反应器(美国帕尔仪器公司，莫林，IL)中 装入乙腈(3.72kg)和四甲基-1,3-丙二胺(TMPDA，1.50kg，11.5mol)。伴 随温和搅拌(medium stirring)将反应器排空直到在10℃ 43-45托的静态真 空保持至少10分钟。通过压力门控浸管将磺酰氟(SO₂F₂)通入反应器中直 到达到760托的设定压力。加入结束后，总共加入227.5g SO₂F₂，反应器 温度从11℃上升到14℃。将搅拌速率设置为最大速率的80％并且在超过 3个小时时间内以恒定速率添加NH₃气体(96g，5.63mol)，使得温度上升 到23-25℃，必要时进行冷却以保持在这个温度范围内。在设定的压力下 添加SO₂F₂在整个时间段内是持续进行的。NH₃的添加完成后，添加SO₂F₂直到加入理论重量(1.14kg，11.2mol)。之后以降低的搅拌速率搅拌反应器 10小时，在这一时间段内，压力从760托下降到123托，温度从25℃下 降到15℃。将反应器内容物，澄清的淡黄色液体在减压下通过浸管转移 到大型旋转蒸发器中，密封的反应器再通过浸管用1kg乙腈清洗。在 60C/150托到60C/80托下浓缩合并的液体得到2.886kg的粘性液体残留 物，其以恒定速率添加到剧烈搅拌的溴化四丁铵(2kg,6.2mol)的温水(31℃) 溶液(10kg)中超过14分钟。玻璃容器用3×25mL的甲醇冲洗并和加入到 搅拌罐中，额外搅拌该罐20分钟。通过抽吸过滤和橡胶障压缩收集获得 的固体。从温的甲醇(4.93kg)中取出湿的固体(3.245kg)，进行精良过滤， 并冷却到-20℃。通过过滤收集结晶状产物、滤饼用冷的甲醇清洗两次, 并在45℃在动态真空中干燥至恒重。产量是1.992kg(4.71mol,84.4％)， 白色结晶状产物，熔点是97℃-99℃。第二批产物(208.2g，0.49mol，8.8％) 熔点是97℃-99℃，通过滤液的浓缩得到。剩下的滤液与来自产物的初次 分离的水性残留物合并并且进一步在60℃旋转蒸发(rotovapped down)， 获得的固体如前所述从甲醇分离并重结晶，产生了第三批产物(44.6g，0.1 mol，1.9％)熔点是97℃-99℃。总产率是2.245kg(5.31mol，95.1％)。在 内容物移出后打开反应器，在反应器顶部空间、进气管和止回阀中发现有 大量的固体沉积。

这些例子列举了本发明的可能实施方式。虽然本发明的各种实施例已 经如上文描述，应理解的是这些实施例仅是以举例的方式提出，而不作为 对本发明的限制。对于本领域的技术人员来说在不背离本发明的精神和本 发明的范围内进行各种形式和细节改变是显而易见的。因此，本发明的广 度和范围不应受到任何上述具体实施例的限制，而是如按照随附权利要求 及其等价形式所限定的。

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