Синтез промотированных бромом фтористых соединений серы - RU2505477C2

Описание

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Настоящая заявка утверждает приоритет предварительной патентной заявки США №61/060642, поданной 11 июня 2008 года, предварительной патентной заявки США №61/153180, поданной 17 февраля 2009 года, и предварительной патентной заявки США №61/176674, поданной 8 мая 2009 года, полное содержание которых включено здесь ссылкой.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Здесь раскрыты способы синтеза фтористых соединений серы. В представленных способах используют бром для стимулирования синтеза фтористых соединений серы, в то же время избегая применения чрезмерно высоких температур, электрохимического получения или использования традиционно применяемых растворителей или реагентов, которые в основном считаются менее желательными вследствие токсичности, слишком высокой реакционной способности или стоимости.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Многие фтористые соединения серы оказались пригодными для выгодного использования. Например, тетрафторид серы (SF₄) представляет собой широко применяемое соединение, производимое ежегодно на уровне метрических тонн, которое может быть использовано в качестве реагента для деоксофторирования в превращении карбоновых кислот, альдегидов, некоторых спиртов и кетонов в их соответствующие деоксофторированные производные (то есть, R-CF₃, R-CHF₂, RF, RR'-CF₂). SF₄ также используют в качестве травильного средства в электронной промышленности. Более того, SF₄ может быть применен как предшественник для синтеза других важных фторированных продуктов, таких, без ограничения, как пентафторхлорид серы (SF₅Cl), пентафторбромид серы (SF₅Br) и гексафторид серы (SF₆).

Гексафторид серы (SF₆) представляет собой соединение, которое ежегодно получают в масштабе тысяч метрических тонн, и его общемировое применение включает варианты, в которых используют его в качестве замены PCB (полихлорированных дифенилов) и инертной диэлектрической среды для электрического оборудования, протравливают полупроводниковые материалы, изготавливают магниевые отливки, производят теплоизоляционные окна, применяют для создания реактивной тяги в некоторых системах ракетных двигателей, отслеживают потоки воздуха через промышленные системы, используют для тампонирования разрывов сетчатки в глазах, и в работе с рентгенографическими и томографическими изображениями.

Органические соединения, содержащие фторированные фрагменты, такие как R-CF₃, R-CHF₂, RF, RR'-CF₂ и RSF₅, были использованы в многообразных вариантах применения, в том числе фторированных терапевтических и диагностических препаратах, пестицидах, гербицидах, антибиотиках, перфторированных заменителях крови, фунгицидах, полимерных растворителях, полимерах, смазочных средствах, жидкокристаллических материалах, поверхностно-активных веществах, высококипящих растворителях, стабильных растворителях, электропроводных полимерах и тому подобных. Применение SF₅-группы вместо группы CF₃ дает многие преимущества. В частности, SF₅-группа обладает большей электроотрицательностью, чем CF₃. Более того, соединения, содержащие SF₅-группу, могут дополнительно отличаться своими выдающимися химическими свойствами, в том числе от высокой до исключительной химической и термической стабильностью, гидро- или олеофобностью, липофильностью, высокой плотностью, снижением чувствительности взрывчатых веществ к удару, низкой температурой кипения, низкой поляризуемостью и низким поверхностным натяжением.

В то время как SF₅-производные имеют такие преимущественные свойства, синтез их был затруднительным. Трудность получения таких соединений отчасти обусловливается трудностью получения достаточных и доступных по стоимости количеств SF₅Cl или SF₅Br, которые представляют собой основные химические реагенты, используемые для синтеза и получения многих органических или неорганических производных, которые содержат в качестве фрагмента SF₅-радикал. В частности, SF₅Cl является ценным реагентом для получения содержащих SF₅-радикал производных гексафторида серы (SF₆), и может быть восстановлен до декафторида дисеры (S₂F₁₀), с последующим преобразованием в пентафторбромид серы (SF₅Br). SF₅Cl может быть также использован в синтезе SF₆. Интересно, что SF₅Cl может быть в особенности применен в получении SF₆ пирогенным путем (например, патент США № 4390511), причем происходит диспропорционирование согласно следующему уравнению реакции:

SF₅Cl→½SF₆+½SF₄+½Cl₂

В этом способе получается SF₆, который не содержит S₂F₁₀, то есть соединения, которое считается высокотоксичным и побочным продуктом получения SF₆ в реакции серы с фтором. Следовательно, SF₅Cl может быть применен для получения высокочистого SF₆.

В общем и целом, были предложены многочисленные способы в качестве процессов для получения SF₆, и сюда входят патенты США № 2883267, 2912307, 3054661, 3345277, 3399036, 3373000, 4390511, 5639435 и японский патент № 7625497. В этих способах часто используют электрохимическое получение, высокие реакционные температуры и давления, и/или применяют высокореакционноспособные и/или дорогостоящие реагенты, которые могут включать F₂, SF₅Cl, IF₅, SF₄, ClF и HF.

SF₅Br также является ценным химическим соединением, которое оказалось эффективным реагентом для получения химических соединений, содержащих SF₅-радикал; также известных как производные гексафторида серы SF₆.

Имеющиеся в настоящее время способы получения фтористых соединений серы имеют ряд недостатков. В основном недостатки включают применение чрезмерно высоких температур, электрохимическое получение, дорогостоящие и/или опасные реагенты, необходимость проведения многочисленных последовательных стадий или большую продолжительность реакций, достижение низких или непостоянных выходов, и/или образование токсичных побочных продуктов. Следовательно, существуют возможности усовершенствования синтеза фтористых соединений серы.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Здесь описаны способы синтеза фтористых соединений серы, более конкретно, SF₄, SF₅Cl, SF₅Br и SF₆. Описанные здесь способы в основном требуют применения более низких температур и давления, дают высокие выходы, в некоторых случаях занимают меньше времени, не используют окислителей с высокой реакционной способностью или дорогостоящих реагентов и растворителей, которые обычно применяются в синтезе фтористых соединений серы, и не образуют вредных отходов по сравнению с ранее применяемыми способами.

Один раскрытый здесь вариант осуществления включает способ получения фтористого соединения серы или соединения, полученного с использованием приготовленного фтористого соединения серы, включающий стадию, на которой смешивают Вr₂, фторид металла и реагент, содержащий серу, тем самым инициируя реакцию, которая образует фтористое соединение серы с выходом больше, чем около 10%. В еще одном варианте осуществления смешивание дополнительно включает Cl₂. В еще одном варианте осуществления реакция протекает при температуре от около 10 до около 400°С. В еще одном варианте осуществления в реакцию не добавляют ни S₂F₁₀, ни BrF, ВrF₃, BrF₃, CsBrF₄, CsBrF₂, ацетонитрил, диоксан, ClF, СlF₃, NOF, HF, F₂, (НF)_n·амин, IF₅ или их комбинации.

Раскрытые здесь варианты осуществления также включают способы получения SF₄ или соединения, полученного с использованием приготовленного SF₄. В одном варианте осуществления способ включает стадию, на которой смешивают реагент, содержащий серу, фторид металла и Вr₂-реагент, тем самым инициируя реакцию, которая образует SF₄ с выходом больше, чем около 10%. В еще одном варианте осуществления при получении SF₄ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₄, реакция протекает при температуре от около 10 до около 400°С.

В еще одном варианте осуществления при получении SF₄ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₄, реагент, содержащий серу, представляет собой серу (S), и фторид металла представляет собой KF, и смешивание производят при стехиометрическом соотношении около 4KF к около 2Вr₂ к около 1 S, и реакцию проводят при температуре от около 10 до около 400°С.

В еще одном варианте осуществления при получении SF₄ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₄, фторид металла представляет собой фторид щелочноземельного металла, фторид щелочного металла, CsF, RbF, KF, BaF₂, SrF₂ или их комбинацию, и реагент, содержащий серу, представляет собой S, S₂Cl₂, SCl₂, SsBr₂, SBr₂ или их комбинацию.

В дополнительном варианте осуществления при получении SF₄ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₄, способ включает стадию, на которой смешивают реагент, содержащий серу, фторид металла, Сl₂-реагент и Вr₂-реагент, тем самым инициируя реакцию, которая образует SF₄ с выходом больше, чем около 10%. В еще одном варианте осуществления при получении SF₄ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₄, реакция протекает при температуре от около 10 до около 400°С.

В еще одном варианте осуществления при получении SF₄ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₄, реагент, содержащий серу, представляет собой S, и фторид металла представляет собой KF, и смешивание производят при стехиометрическом соотношении около 4KF к около 1 Вr₂ к около 1 S к около 2Cl₂, или реагент, содержащий серу, представляет собой SCl₂, и фторид металла представляет собой KF, и смешивание производят при стехиометрическом соотношении около 4KF к около 1 Вr₂ к около 1 SCl₂ к около 1 Cl₂, и реакцию проводят при температуре от около 10 до около 400°С.

В еще одном варианте осуществления при получении SF₄ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₄, фторид металла представляет собой фторид щелочноземельного металла, фторид щелочного металла, CsF, RbF, KF, BaF₂, NaF, SrF₂ или их комбинацию, и реагент, содержащий серу, представляет собой S, S₂Cl₂, SCl₂, S₂Br₂, SВr₂ или их комбинацию.

Представленные здесь варианты осуществления также включают способы получения SF₅Cl или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₅Cl. В одном варианте осуществления способ включает стадию, на которой смешивают Сl₂-реагент, реагент, содержащий серу, фторид металла и Вr₂-реагент, тем самым инициируя реакцию, которая образует SF₅Cl с выходом больше, чем около 50%. В еще одном варианте осуществления при получении SF₅Cl или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₅Cl, реакция протекает при температуре от около 10 до около 200°С.

В еще одном варианте осуществления при получении SF₅Cl или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₅Cl, реагент, содержащий серу, представляет собой S, и фторид металла представляет собой KF, и смешивание производят при стехиометрическом соотношении около 5KF к около 1 Br₂ к около 1 S к около 3Сl₂, или реагент, содержащий серу, представляет собой SF₄, и фторид металла представляет собой KF, и смешивание производят при стехиометрическом соотношении около 1KF к около 1 Br₂ к около 1 SF₄ к около 1 Cl₂, или реагент, содержащий серу, представляет собой SCl₂, и фторид металла представляет собой KF, и смешивание производят при стехиометрическом соотношении около 5KF к около 1 Вr₂ к около 1 SCl₂ к около 2 Сl₂, и реакцию проводят при температуре от около 10 до около 200°С.

В еще одном варианте осуществления при получении SF₅Cl или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₅Cl, фторид металла представляет собой фторид щелочноземельного металла, фторид щелочного металла, CsF, RbF, KF, BaF₂, SrF₂ или их смесь, и реагент, содержащий серу, представляет собой S, S₂Cl₂/SCl₂, SF₄ или их комбинацию.

Представленные здесь варианты осуществления также включают способы получения SF₅Br или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₅Br. В одном варианте осуществления способ включает стадию, на которой смешивают Вr₂-реагент, реагент, содержащий серу, и фторид металла, тем самым инициируя реакцию, которая образует SF₅Br с выходом больше, чем около 50%. В еще одном варианте осуществления при получении SF₅Br или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₅Br, в реакцию не добавляют ни S_зF₁₀, ни BrF, ВrF₃, BrF₅, CsBrF₄, CsBrF₂ или их смеси. В еще одном варианте осуществления при получении SF₅Br или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₅Br, реакция протекает при температуре от около 10 до около 140°С.

В еще одном варианте осуществления при получении SF₅Br или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₅Br, реагент, содержащий серу, представляет собой SF₄, и фторид металла представляет собой AgF, и смешивание производят при стехиометрическом соотношении около 1 AgF к около 1 Вr₂ к около 1 SF₄, или реагент, содержащий серу, представляет собой SF₄, и фторид металла представляет собой AgF₂, и смешивание производят при стехиометрическом соотношении около 2AgF₂ к около 3 Brg к около 4 SF₄, и реакцию проводят при температуре от около 10 до около 140°С.

В еще одном варианте осуществления при получении SF₅Br или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₅Br, фторид металла представляет собой фториды щелочноземельных металлов, фториды щелочных металлов, AgF₂, AgF, AuF, МnF₃, PbF₄, CeF₄ или их смесь.

Раскрытые здесь варианты осуществления также включают способы получения SF₆ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₆. В одном варианте осуществления способ включает стадию, на которой смешивают Вr₂-реагент, SF₄-реагент и фторид металла, тем самым инициируя реакцию, которая образует SF₆ с выходом больше, чем около 50%. В еще одном варианте осуществления при получении SF₆ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₆, реакция протекает при температуре от около 10 до около 400°С.

В еще одном варианте осуществления для получения SF₆ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₆, реагент, содержащий серу, представляет собой SF₄, и фторид металла представляет собой СоF₃, и смешивание производят при стехиометрическом соотношении около 2 СоF₃ к около 1 Br₂ к около 1 SF₄, и реакцию проводят при температуре от около 10 до около 400°С.

В еще одном варианте осуществления для получения SF₆ или соединения, приготовленного с использованием полученного SF₆, фторид металла выбирают из группы, состоящей из фторида щелочноземельного металла, фторида щелочного металла, СоF₃, МnF₃, PbF₄, CeF₄ или их смеси.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Здесь описаны способы синтеза фтористых соединений серы в присутствии Вr₂. В определенных примерных вариантах осуществления фтористые соединения серы представляют собой SF₄, SF₅Cl, SF₅Br и SF₆. Раскрытые здесь способы включают стадию, на которой смешивают легкодоступные и относительно недорогие реагенты. По сравнению с ранее применяемыми подходами описываемые здесь способы в основном требуют применения более низких температур и давления, дают высокие выходы, занимают меньше времени, не используют высокореакционноспособные или дорогостоящие реагенты и растворители, которые часто применялись в синтезе фтористых соединений серы, не образуют вредных отходов или не сопряжены с одним или более из вышеназванных обстоятельств в различных сочетаниях.

В раскрытых способах синтеза SF4 используют Br₂ как в присутствии, так и в отсутствие Cl₂, тогда как в представленных способах синтеза SF₅Cl применяют Br₂в присутствии Cl₂. В раскрытых способах синтеза SF₄ и SF₅Cl может быть использован Br₂ без применения чрезмерно высоких температуры и давления, и, в определенных вариантах осуществления, в отсутствие ацетонитрила, диоксана, ClF, ClF₃, NOF, HF, F₂, (HF)_n·амина и/или IF₅. В представленных способах синтеза SF₅Br применяют Br₂, и они могут быть проведены без использования высоких реакционных температур и давлений, и в определенных вариантах осуществления в отсутствие S₂F₁₀, BrF₃, BrF₅, CsBrF₄ и/или CsBrF₂. В раскрытых способах синтеза SF₆ применяют Br₂, и они могут быть проведены без применения электрохимического получения, высоких реакционных температур и/или давлений, и, в определенных вариантах осуществления, в отсутствие F₂, SF₅Cl, IF₅, SF₄, ClF и/или HF.

Согласно описанию, термин «фторид металла (MF)» включает многочисленные фториды одно- и многовалентных металлов (MF), в том числе, без ограничения, фториды щелочноземельных металлов и фториды щелочных металлов, и может конкретно включать, без ограничения, CoF₃, CeF₄, MnF₃, PbF₄, CsF, RbF, KF, BaF₂, SrF₂, AgF₂, AgF и AuF.

Согласно описанию, термин «около» используют для обозначения того, что значение включает среднеквадратичное отклонение ввиду погрешности прибора или метода, используемого для определения этого значения.

В одном примерном варианте осуществления описан синтез SF₄. Одна примерная реакция синтеза SF₄ может протекать следующим образом по уравнению реакции I:

I. 4KF+S+2Br₂→SF₄+4KBr

В реакции I процесс образования SF₄ может протекать при самопроизвольно возникающих или повышенных реакционных давлениях, при температурах окружающей среды от около 10 до около 27°С, или при умеренно повышенных температурах вплоть до около 80°С, или даже при более высоких температурах, которые являются более низкими, чем температуры (от около 400 до около 500°С), которые способствуют диспропорционированию SF₄ на S и SF₆. Следовательно, описываемые способы не требуют чрезмерно высоких температур или давлений, или не требуют применения необычайно реакционноспособных или дорогостоящих реагентов или растворителей, которые обычно применяются в синтезе SF₄, таких, но не ограничивающихся таковыми, как ацетонитрил, диоксан, HF, F₂, Cl₂, (HF)_n·амин и/или IF₅.

Описываемая реакция I может давать выходы, варьирующие от около 57 до около 96% или больше, с продолжительностью в диапазоне от нескольких часов до нескольких дней. Благодаря низкой стоимости используемых реагентов может быть преимущественным в коммерческом отношении также модифицирование реакции с получением более низких выходов. В одном варианте осуществления могут быть получены выходы в 10% или выше.

Эта реакция не создает или не оставляет после себя нежелательных побочных продуктов. Образуются только Br₂, фториды металлов (MF) и бромиды серы, которые могут быть без труда удалены и утилизированы или повторно использованы в последующих циклах получения SF₄ или других не имеющих к этому отношения химических реакциях. Более того, раскрытая реакция образует мало или вообще не образует газообразных продуктов, иных, нежели SF₄, делая очистку SF₄ как конечного продукта простым процессом. В частности, низкокипящие компоненты (SF₄) или избыточный неиспользованный Br₂ могут быть отделены снижением температуры и пропусканием через охлаждаемую ловушку.

Описываемая реакция I представляет способ синтеза SF₄ с использованием Br₂ в отсутствие Cl₂. Отсутствие Cl₂ в этой реакции предотвращает образование SF₅Cl, когда желательным конечным продуктом является SF₄.

В еще одном примерном варианте осуществления либо один из S, Br₂, либо оба S и Br₂, могут быть заменены бромидами серы (например, S₂Br₂, SBr₂) при получении SF₄. В одном варианте осуществления, конкретно касающемся реакции I, могут быть использованы молярные отношения S к Br₂, большие, чем около 1,00:2,00. В альтернативных вариантах осуществления могут быть также использованы отношения, варьирующие от около 1,00:0,44 до около 1,00:5,33. В еще одном примерном варианте осуществления фториды металлов (MF), в особенности пригодные для получения SF₄ и SF₅Cl, включают, без ограничения, CsF, RbF, KF, BaF₂, SrF₂ или их комбинацию.

Кроме того, здесь описаны способы получения SF₅Cl, и необязательно SF₄ (в присутствии Cl₂), с использованием Br₂ в качестве растворителя и/или реакционного растворителя. В случае серы (S) в качестве реагента, когда желательным продуктом является SF₄, может быть использовано немного большее количество фторида металла (MF), чем около четырех эквивалентов. Если желательным продуктом является SF₅Cl, то может быть применено немного большее количество MF, чем около пяти эквивалентов. Когда для получения SF₅Cl в качестве реагента используют SF₄, то для эффективного образования SF₅Cl можно применять один эквивалент или немного большее количество фторида металла (MF). Минимальное количество Cl₂ в реакциях может быть без труда определено по стехиометрии самой реакции. В данном примерном варианте осуществления в качестве MF используют KF, однако могут быть применены многочисленные другие фториды одно- и многовалентных металлов (MF).

Примерные реакции синтеза SF₄ и SF₅Cl в присутствии Cl₂, как описано выше, протекают следующим образом согласно уравнениям реакций II-IV:

II. 4KF+S+2Cl₂+(Br₂)→SF₄+4KCl+(Br₂)

III. 5KF+S+3Cl₂+(Br₂)→SF₅Cl+5KCl+(Br₂)

IV. KF+SF₄+Cl₂+(Br₂)→SF₅Cl+KCl+(Br₂)

В вышеприведенных реакциях II-IV процессы с образованием SF₅Cl и SF₄ могут протекать при самопроизвольно возникающих или повышенных реакционных давлениях, при температурах окружающей среды от около 10 до около 27°С, или при умеренно повышенных температурах вплоть до около 115°С, или даже при более высоких температурах, которые являются более низкими, чем температуры, которые стимулируют разложение SF₅Cl (от около 200 до около 400°С), или вызывают диспропорционирование SF₄ на S и SF₆ (от около 400 до около 500°С). Следовательно, описываемые способы не требуют применения чрезмерно высоких температур или давлений, или не нуждаются в использовании слишком реакционноспособных или дорогостоящих реагентов или растворителей, которые обычно применяются в синтезе SF₄ и SF₅Cl, таких, но не ограничивающихся ими, как ацетонитрил, диоксан, ClF, ClF₃, NOF, HF, F₂, (HF)_n·амин и IF₅.

Описанная выше реакция III может давать выходы от около 88 до около 95% или больше, и теоретически может достигать 100%-го выхода, при продолжительности от нескольких часов до нескольких недель. Благодаря низкой стоимости используемых реагентов может быть преимущественным в коммерческом отношении также модифицирование реакции с получением более низких выходов. В одном варианте осуществления могут быть получены выходы в 50% или выше. Другие более низкие выходы, такие как низкие выходы на уровне 10%, также находятся в пределах раскрытых здесь вариантов осуществления.

Эта реакция не создает или не оставляет после себя нежелательных побочных продуктов. Br₂ может быть легко отделен от продуктов реакции, и затем SF₅Cl и любой избыточный Cl₂ могут быть собраны путем охлаждения реакционного сосуда приблизительно до температуры -80°С и конденсирования SF₅Cl и любого избыточного Cl₂ при пониженном давлении. Cl₂ может быть удален из смеси при выдерживании над элементарной серой, и извлеченные хлориды серы могут быть использованы для новой производственной партии либо SF₄, либо SF₅Cl. Одна функция хлора в методике состоит в окислении серы до хлоридов серы (например, S₂Cl₂, SCl₂) как преобладающих сернистых соединений, в которых хлор обменивается на фтор при действии фторида. Таким образом, не будет необходимости утилизировать хлориды серы как отходы. В общем и целом, извлеченный Cl₂, а также выделенные хлориды серы и Br₂, могут быть использованы почти целиком, как показано в нижеследующих реакциях:

V. 4KF+SCl₂+Cl₂+(Br₂)→SF₄+4KCl+(Br₂)

VI. 5KF+SCl₂+2Cl₂+(Br₂)→SF₅Cl+5KCl+(Br₂)

В реакции получения SF₄ в качестве побочного продукта может образовываться небольшое количество SF₅Cl. В каждой из реакций назначение Br₂ может быть сведено к созданию улучшенной реакционной среды, причем Br₂, возможно, действует как растворитель, реакционный растворитель, или при взаимодействии с Cl₂ образует BrCl, когда смешивают Br₂+Cl₂. Интересно, ранее было показано, что без добавления Br₂ смеси KF+SF₄+Cl₂ дают при интенсивном нагревании (при температурах от около 75 до около 150°С или от около 220 до около 300°С) только переменные количества (от около 5 до около 80%) SF₅Cl (Bekker et al., Isw. Akad. Nauk U.S.S.R., Bull. Ser. Chim., стр. 2575, 1970; U. Jonethal, R. Kuschel, K. Seppelt, J. Fl. Chem., том 88, стр. 3, 1998). Таким образом, Br₂, используемый в настоящих способах, устраняет необходимость применения чрезмерно высокой температуры (подведения энергии), и также улучшает как выход, так и постоянство выходов, а также в целом упрощает производство. Более того, когда для получения SF₅Cl используют S вместо SF₄ в качестве источника серы, применение Br₂ снижает расход SF₄ и позволяет снизить температуру, поскольку другие способы, в которых Br₂ не использовался (избыток CsF+S+3Cl₂ при температуре около 175°С), не образуют значимых количеств SF₅Cl.

Описываемые здесь способы предусматривают применение Br₂ в качестве растворителя или реакционного растворителя при получении SF₅Cl и SF₄, который, в свою очередь, стимулирует перенос атомов фтора и хлора при получении SF₅Cl и SF₄ как конечных продуктов.

Альтернативно, в реакции получения SF₅Cl сера (S) и хлор (Cl₂) могут быть заменены хлоридами серы (например, S₂Cl₂, SCl₂) или SF₄, по желанию. В обеих описываемых здесь реакциях получения как SF₅Cl - так и SF₄ -, когда Br₂ не присутствует в достаточном количестве, реакции либо протекают исключительно медленно, либо вообще не идут. Кроме того, в обеих реакциях получения SF₅Cl и SF₄, в которых Cl₂ используют как реагент, может быть применено молярное отношение Br₂ к S, большее, чем около 1:1. Могут быть также использованы соотношения от около 1:2 до около 2:1. Фториды металлов (MF), особенно пригодные для получения SF₅Cl и SF₄, включают, без ограничения, CsF, RbF, KF, BaF₂, SrF₂, и их комбинации.

В еще одном раскрытом здесь примерном варианте осуществления описан синтез SF₅Br. В случае, где реагентами являются SF₄и Br₂, может быть использовано больше, чем около 1 эквивалента монофторида металла (AgF), или могут быть применены около 2 эквивалентов в случае дифторида металла (AgF₂). Примерные реакции синтеза SF₅Br могут протекать следующим образом:

VII. AgF+SF₄+Br₂→SF₅Br+AgBr

VIII. 2AgF₂+4SF₄+3Br₂→4SF₅Br+2AgBr

Эти реакции могут быть проведены при температурах окружающей среды (от около 10 до около 27°С) или при температурах вплоть до таких, при которых SF₅Br начинает разлагаться (от около 140 до около 150°С), и при давлениях, самопроизвольно развивающихся в замкнутых реакционных сосудах. Высокореакционноспособные и/или дорогостоящие реагенты, которые обычно используются для синтеза SF₅Br, такие как, без ограничения, S₂F₁₀, BrF₃, BrF₅, CsBrF₄ и CsBrF₂, не требуются.

Описываемая реакция может давать выходы около 75% и теоретически может достигать 100%-го выхода при продолжительности в диапазоне от нескольких часов до нескольких дней. Благодаря низкой стоимости используемых реагентов может быть преимущественным в коммерческом отношении также модифицирование реакции с получением более низких выходов. В одном варианте осуществления могут быть получены выходы в 50% или выше. Другие более низкие выходы, такие как низкие выходы на уровне 10%, также находятся в пределах раскрытых здесь вариантов осуществления.

Реакция не создает или не оставляет после себя нежелательных побочных продуктов. SF₅Br и любой избыточный Br₂ могут быть собраны путем охлаждения реакционного сосуда приблизительно до температуры -78°С и конденсирования SF5Br. Br₂ может быть без труда использован повторно в последующих реакциях, включающих, без ограничения, получение SF₅Br, тогда как AgBr может быть легко использован повторно в последующих реакциях, включающих, без ограничения, реакции SF₅Br с преобразованием фторидом металла (без ограничения, AgF или AgF₂).

В одном примерном варианте осуществления, в представленных способах получения SF₅Br может быть использован только SF₄, фторид металла (MF), например, и без ограничения, AgF или AgF₂, и Br₂ в качестве реагентов. Фториды металлов (MF), особенно пригодные для получения SF₅Br, включают, без ограничения, CeF₄, MnF₃, PbF₄, AgF₂, AgF, AuF или их смесь. Кроме того, описываемые здесь способы получения SF₅Br устраняют неэффективные многостадийные методики получения, которые применяются в настоящее время.

В еще одном раскрытом здесь примерном варианте осуществления описан синтез SF₆. В случае, где реагентами являются SF₄и Br₂, может быть применено больше, чем около 2 эквивалентов фторида металла (MF), пригодного для переноса примерно одного эквивалента фтора, такого как CoF₃. Примерная реакция синтеза SF₆ может протекать следующим образом:

IX. 2CoF₃+SF₄+(Br₂)→SF₆+2CoF₂+(Br₂)

Показанная выше реакция IX может быть проведена при температурах окружающей среды, или теоретически вплоть до температур, при которых начинает разлагаться SF₄ (от около 400 до около 500°С), и при давлениях, самопроизвольно развивающихся в замкнутых реакционных сосудах. Тем самым можно избежать электрохимического пути получения, применения высоких температур и давлений, а также высокореакционноспособных и/или дорогостоящих реагентов (без ограничения, F₂, SF₅Cl, IF₅, SF₄, ClF и HF), которые обычно используют для синтеза SF₆.

Благодаря низкой стоимости используемых реагентов может быть преимущественным в коммерческом отношении также модифицирование реакции с получением более низких выходов. В одном варианте осуществления могут быть получены выходы в 50% или выше. Другие более низкие выходы, такие как низкие выходы на уровне 10%, также находятся в пределах раскрытых здесь вариантов осуществления.

В описываемой реакции IX Br₂ может быть без труда извлечен и повторно использован в последующих реакциях, включающих, без ограничения, получение дополнительного SF₆, тогда как CoF₂ может быть легко подвергнут дополнительному фторированию до CoF₃ и повторно применен в последующих реакциях с SF₆, а также в прочих реакциях.

В одном примерном варианте осуществления, в настоящих способах получения SF₆ в качестве реагентов могут быть использованы только SF₄, фторид металла (MF), например, и без ограничения, CeF4, MnF3, PbF4, AgF₂, AgF, AuF, и их смеси. Кроме того, описываемые здесь способы получения SF₆ устраняют неэффективные многостадийные методики получения, которые используются в настоящее время.

Описываемые здесь реакции получения SF₄, SF₅Cl, SF₅Br и SF₆ могут быть выполнены при температурах ниже тех, которые обычно используются в технологии. В одном примерном варианте осуществления реакции проводят при комнатной (окружающей среды) температуре или близкой к таковой (от около 10 до около 27°С). В других вариантах осуществления температура варьирует от около 10°С до около 27°С (температуры окружающей среды), или от около 27°С до около 115°С. Теоретически могут быть применены более высокие температуры, например, до уровня от около 250°С до около 500°С (вплоть до температур, при которых разлагаются SF₄, SF₅Cl и SF₅Br). Дополнительно, могут быть применены более низкие температуры, например, ниже примерно -10°С; температура, при которой должен затвердевать Br₂. Однако, будучи допустимыми, эти более экстремальные реакционные температуры не требуются.

Описываемые здесь реакции получения SF₄, SF₅Cl, SF₅Br и SF₆ могут быть выполнены при давлениях ниже таковых, которые обычно используются в технологии. В одном примерном варианте осуществления реакции проводят при давлении слегка выше атмосферного, при самопроизвольно развивающихся давлениях, которые по оценкам составляют только до около 10 атмосфер (1,013 МПа). В других вариантах осуществления, при более высоких температурах, давление оценивают на уровне от около 10 атм до около 40 атм (1,013-4,052 МПа). Могут быть также использованы слегка повышенные давления. Например, по оценкам, могло бы быть применено давление до около 100 атм (10,13 МПа). Дополнительно, могут использоваться более низкие давления, например, пониженные до около 0,5 атм (0,05 МПа), или около 0,01 атм (1,013 кПа), или около 0,001 атм (0,1013 кПа). Однако, будучи допустимыми, эти более экстремальные давления не требуются.

Кроме того, в некоторых вариантах осуществления описываемые здесь реакции получения SF₄, SF₅Cl, SF₅Br и SF₆ могут быть проведены в одной или более физической конфигурации, которая увеличивает площадь реакционной поверхности твердофазных реагентов. Например, твердофазные реагенты могут быть обезвожены распылительной сушкой, тонко измельчены или иным образом подвергнуты обработке общеупотребительными способами, которые повышают площадь поверхности. В некоторых примерных вариантах осуществления реагенты для получения SF₄, SF₅Cl, SF₅Br и SF₆ можно физически или механически перемешивать для стимулирования реакции. Например, могут быть использованы переворачивание, размалывание/измельчение, измельчение в шаровой мельнице, перемешивание, вращение и тому подобные. Такие способы механического перемешивания могут сводить к минимуму образование бромидных (MFBr) или хлоридных (MFCl) производных фторидов металлов, которые могут перекрывать эффективную площадь реакционной поверхности фторида металла (MF) и замедлять протекание желательных реакций.

В описываемых здесь способах SF₄, SF₅Cl, SF₅Br и SF₆ теоретически могут образовываться с выходами, близкими к 100%-м. В одном примерном варианте осуществления выход варьирует между около 57% и около 96%. В еще одном варианте осуществления выход составляет около 95%, в еще одном варианте осуществления выход достигает около 75%.

Как будет понятно среднему специалисту в данной области техники, в зависимости от используемых реагентов и желательных конечных продуктов, условий реакции и тому подобных, продолжительность реакции до практически полного завершения будет изменяться. Практически полное завершение означает, что для конкретной реакции остается примерно 10% до завершения, примерно 5% до завершения или около 1% или меньше до завершения. Продолжительности реакции могут быть от столь коротких, как около нескольких часов, до столь длительных, как около нескольких дней или недель. В некоторых вариантах осуществления реакции доходят до практически полного завершения в течение менее чем около 30 дней, менее чем около 17 дней, менее чем около 14 дней, менее чем около 6 дней, менее чем около 4 дней, менее чем около 3 дней, менее чем около 2 дней или менее чем около 1 дня. В других вариантах осуществления реакции практически завершаются в течение менее чем около 8 часов, менее чем около 4 часов или менее чем около 3 часов.

Описываемые здесь реакции могут быть модифицированы средним специалистом в данной области техники. Как бы то ни было, изменение порядка добавления и смешивания реагентов и реагентов, регулирование относительных молярных соотношений реагентов, а также вариация продолжительности реакций, температур и давлений для более точного контроля конкретных итогов реакций, и максимизация простоты обработки и получения желательного конечного продукта находятся в пределах области настоящего изобретения.

Нижеследующие примеры приведены для демонстрации вариантов осуществления раскрытых способов и процессов. Среднему специалисту в данной области техники должно быть понятно, что способы, раскрытые в нижеследующих примерах, которые соответствуют представленным способам, раскрыты автором настоящего изобретения для эффективной реализации настоящего изобретения, и тем самым могут рассматриваться как представляющие предпочтительные варианты осуществления на практике. Однако специалист в данной области техники, в свете настоящего изобретения, должен понимать, что в конкретных вариантах осуществления, которые раскрыты, могут быть сделаны многие изменения и по-прежнему приводить к подобному или сходному результату.

Пример 1. Образование SF₄

Безводный тонкоизмельченный порошок KF (около 5,09 г) высушили в реакционном трубчатом автоклаве фирмы Hoke из нержавеющей стали, емкостью 100 мл, при температуре от около 150°С до около 200°С, в течение около 1 часа, в глубоком вакууме (от около 0,05 до около 0,1 торр (мм рт.ст.) (6,67-13,33 Па)). Реактор оставили охлаждаться до температуры окружающей среды, открыли и добавили тонкоизмельченный порошок серы (S) (около 0,69 г). Затем в реакционный сосуд путем конденсирования добавили Cl₂ (около 3,13 г) и Br₂ (около 1,5 г) до достижения молярного отношения S:Cl₂:KF:Br₂ около 1,0:2,0:4,1:0,44. Сосуд выдерживали при температуре окружающей среды в течение ночи, после чего, согласно инфракрасному (IR, ИК) спектру, в газовой фазе обнаружили малое количество или отсутствие SF₅Cl или SF₄. Измерения ИК-спектров проводили с использованием FTIR-спектрофотометра (Фурье-спектрометра средней и ближней ИК областей), модель 4020 Galaxy (фирма Mattson Instruments, Мэдисон, Висконсин 53711, США). Никакого изменения в ИК-спектре не наблюдали по истечении еще около четырех дополнительных дней. В реакторный сосуд путем конденсирования добавили дополнительное количество Br₂ (около 5,5 г) до достижения нового молярного соотношения S:Cl₂:KF:Br₂ около 1:2,0:4,1:2,0. После примерно 4 дней выдерживания при температуре окружающей среды наблюдали очень сильный спектральный сигнал, специфичный для SF₄ (например, группы полос с центрами при около 876 см^-1 и около 730 см^-1), который сопровождался очень слабым сигналом SF₅Cl в ИК-спектре (например, группы полос с центрами при около 909 см^-1, около 855 см^-1и около 602 см^-1). Реакция показала высокую степень конверсии до SF₄, как выявлено ИК-спектром. Этот пример иллюстрирует, что 1) увеличение молярного отношения Br₂ оказывает стимулирующее действие на образование SF₄, и 2) SF₄ может быть эффективно синтезирован в течение примерно 4 дней при температуре окружающей среды в реакции:

4 KF+S+2Cl₂+(Br₂)→SF₄+4KCl+(Br₂).

Пример 2. Образование SF₄ при повышенной температуре

Безводный тонкоизмельченный порошок KF (около 10,50 г) высушили в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, емкостью 100 мл, при температуре от около 150°С до около 200°С, в течение около 1 часа, в глубоком вакууме. Реактор оставили охлаждаться до температуры окружающей среды, открыли и добавили тонкоизмельченный порошок серы (S) (около 1,37 г). Затем в реакционный сосуд путем конденсирования добавили Cl₂ (около 6,1 г) и Br₂ (около 14,3 г) до достижения молярного отношения S:Cl₂:KF:Br₂ около 1,00:2,00:4,23:2,09. Затем сосуд выдерживали при температуре 65-70°С в течение 30 дней. Поначалу в ИК-спектре газообразных компонентов реакционного трубчатого автоклава детектировали некоторое количество SF₅Cl, кроме SF₄, но с течением времени оно исчезало, и через 30 дней обнаруживали только SF₄, но не SF₅Cl. (Проводили измерения с использованием ИК-спектрометрии). Реакционный сосуд трубчатого автоклава охладили до температуры -78°С, и его содержимое в течение двух часов прокачивали через ловушку, охлаждаемую жидким азотом. Необработанный продукт (4,6 г) выдерживали в реакционном сосуде трубчатого автоклава над серой (20 г) в течение 20 часов для удаления избыточного хлора, который мог еще присутствовать. После охлаждения обработанного серой сосуда до температуры -78°С продукт собрали в охлаждаемой (жидким азотом) ловушке, как указано выше. Желтый оттенок удалили обработкой ртутью (Hg). Окончательная масса извлеченного SF₄ как конечного продукта составляла около 4,08 г для расчетного выхода около 88% (в расчете на серу). Конечный продукт SF₄ имел вид бесцветной жидкости (будучи охлажденным), дающим характеристические полосы SF₄ в ИК-спектре. Этот пример иллюстрирует, что 1) повышение температуры оказывает стимулирующее действие на образование SF₄, и 2) SF₄, не содержащий SF₅Cl, может быть эффективно синтезирован в реакции:

4 KF+S+2Cl₂+(Br₂)→SF₄+4KCl+(Br₂).

Пример 3. Альтернативное образование SF₄ в отсутствие Cl₂

Безводный тонкоизмельченный KF (около 24,2 г) высушили в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, емкостью 300 мл, при температуре от около 150°С до около 200°С, в течение около 1 часа, в глубоком вакууме. Реактор оставили охлаждаться до температуры окружающей среды, открыли и добавили тонкоизмельченный порошок серы (S) (около 3,24 г). Затем в реакционный сосуд путем конденсирования добавили Br₂, представляющий молярное отношение S к Br₂, большее, чем около двух (около 86,4 г), до достижения конечного молярного отношения S:KF:Br₂ около 1,00:4,10:5,30. Спустя примерно 3 дня выдерживания при температуре окружающей среды в ИК-спектре наблюдали сильный сигнал SF₄, и реакция показала высокую степень конверсии до SF₄. После выдерживания при температуре окружающей среды в течение дополнительных 3 дней в ИК-спектре значительного изменения не было отмечено.

Конечный продукт SF₄ выделяли следующим образом: реакционный сосуд охладили в бане с сухим льдом (около -78°С) и соединили с вакуумным насосом через ловушку, охлаждаемую жидким азотом (около -196°С). Примерно через 1,5 часа получили около 11,5 граммов светло-коричневого, предположительно загрязненного бромом необработанного продукта. Для удаления загрязняющих примесей (например, Br₂, бромиды серы) необработанный продукт сконденсировали в большом стеклянном сосуде, рассчитанном на высокое давление, содержащем около 10 граммов Hg, для удаления следовых количеств любых окрашенных загрязняющих примесей (то есть, например, Br₂). После кратковременного встряхивания при температуре около 0°С, продукт сконденсировали в охлаждаемой ловушке и получили в виде бесцветной жидкости. Окончательная масса извлеченного конечного продукта составляла около 10,5 г для расчетного выхода около 96% (в расчете на серу). ИК-спектр конечного продукта показывал по существу чистый образец SF₄, с небольшим загрязнением примесью SOF₂ (например, группы полос с центрами при около 1340 см^-1 и около 808 см^-1и около 750 см^-1). Этот пример иллюстрирует, что SF₄ может быть эффективно синтезирован в отсутствие Cl₂ в течение около 3 дней при температуре окружающей среды, в реакции:

4KF+S+2Br₂→SF₄+4KBr.

Пример 4. Альтернативное образование SF₄ с использованием крупнозернистого KF и перемешивания в шаровой мельнице

Безводный крупнозернистый KF (около 28,1 г) в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, емкостью 300 мл, содержащем 19 шариков из нержавеющей стали сорта 316 с диаметром ½ дюйма (12,7 мм), высушили при температуре от около 150°С до около 200°С, в течение около 1 часа, в глубоком вакууме. Реактор оставили охлаждаться до температуры окружающей среды, открыли и добавили тонкоизмельченный порошок серы (S) (около 3,8 г). Затем в реакционный сосуд добавили бром (около 63,1 г), до достижения конечного молярного отношения S:KF:Br₂ около 1,00:4,10:3,30. После вращения реакционного сосуда в течение около 4 дней при температуре окружающей среды в ИК-спектре наблюдали сильный сигнал SF₄, и реакция показала высокую степень конверсии до SF₄.

Конечный продукт SF₄ выделяли следующим образом: реакционный сосуд охладили до температуры около -78°С и соединили с вакуумным насосом через ловушку, охлаждаемую жидким азотом (примерно -196°С). Примерно через 5 часов получили около 9,8 грамма светло-коричневого, предположительно загрязненного бромом необработанного продукта. Провели низкотемпературную вакуумную перегонку, которая дала очень светлую коричневатую жидкость. Окончательная масса извлеченного SF₄ как конечного продукта была оценена на уровне около 7,3 г для расчетного выхода около 57% (в расчете на серу). ИК-спектр конечного продукта показывал по существу чистый образец SF₄, с небольшим загрязнением примесью SOF₂. Этот пример иллюстрирует, что SF₄ может быть эффективно синтезирован в отсутствие Cl₂ с использованием крупнозернистого KF и перемешивания в шаровой мельнице в течение около 4 дней при температуре окружающей среды, в реакции:

4KF+S+2Br₂→SF₄+4KBr.

Пример 5. Альтернативное образование SF₄ при повышенной температуре

Безводный тонкоизмельченный KF (около 17,1 г) высушили в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, емкостью 300 мл, при температуре от около 150°С до около 200°С, в течение около 1 часа в глубоком вакууме. Реактор оставили охлаждаться до температуры окружающей среды, открыли и добавили тонкоизмельченный порошок серы (S) (около 2,3 г). Затем в реакционный сосуд добавили Br₂ (около 36,3 г), до достижения конечного молярного отношения S:KF:Br₂ около 1,00:4,10:3,20. Реакторный сосуд нагревали до температуры около 60°С в течение около 3 часов, и образование SF₄ отслеживали с использованием ИК-спектроскопии. Реакционный сосуд охладили до температуры около -78°С, и продукт SF₄ откачали в ловушку, охлаждаемую жидким азотом. Масса необработанного продукта SF₄ показала химический выход около 50%. После повторного конденсирования продукта SF₄ в реакционный сосуд его дополнительно нагревали в течение примерно 2 часов при температуре около 72°С, и дополнительно в течение около 4 часов при температуре от около 80 до около 86°С. Выделение продукта SF₄ проводили охлаждением реакционного сосуда до температуры около -78°С и откачиванием в глубоком вакууме в течение около 1,5 часов в ловушку, охлаждаемую жидким азотом. Удаление брома выполнили кратковременным встряхиванием в большой трубке Кариуса, содержащей около 20 г Hg, при температуре около 0°С. Выделили около 6,7 грамма очищенного SF₄, содержащего небольшое количество SOF₂, судя по данным ИК-спектроскопии. Конечный расчетный выход был около 86% (в расчете на серу). Этот пример иллюстрирует, что SF₄ может быть эффективно синтезирован при умеренно повышенной температуре, в течение около 9 часов, в реакции:

4KF+S+2Br₂→SF₄+4KBr.

Пример 6. Альтернативное образование SF₄, при ограниченном количестве Br₂

Безводный тонкоизмельченный KF (около 24,12 г) высушили в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, емкостью 300 мл, при температуре от около 150°С до около 200°С, в течение около 1 часа, в глубоком вакууме. Реактор оставили охлаждаться до температуры окружающей среды, открыли и добавили тонкоизмельченный порошок серы (S) (около 3,16 г). Затем в реакционный сосуд добавили Br₂ (около 31,1 г), до достижения конечного молярного отношения S:KF:Br₂ около 1,00:4,21:1,97. Затем реакционный сосуд охладили жидким азотом и вакуумировали. Реакционный сосуд выдерживали при температуре окружающей среды в течение около 6 дней и затем нагревали при температуре около 80°С в течение около 8 часов. Реакционный сосуд охладили до температуры около -78°С, и летучий материал откачали в охлаждаемую жидким азотом ловушку до явного прекращения перегонки. Содержимое охлаждаемой ловушки перенесли во вторую охлаждаемую ловушку, оставляя коричневый остаток в первой охлаждаемой ловушке. Перенесенный материал сконденсировали в большом стеклянном сосуде, рассчитанном на высокое давление, содержащем около 10 граммов Hg, для удаления следовых количеств Br₂. Около 7,31 г бесцветного продукта вновь сконденсировали в ловушке, охлаждаемой жидким азотом. Выделенный конечный продукт имел вид бесцветного продукта с массой около 7,31 г, для расчетного выхода около 70% (в расчете на Br₂). ИК-спектр конечного продукта показал по существу чистый образец SF₄. Этот пример иллюстрирует, что преимущественно применять большее, чем требуемое стехиометрическое количество брома в реакции:

4KF+S+2Br₂ → SF₄+4KBr.

Пример 7. Образование SF₅Cl

Безводный тонкоизмельченный CsF (около 10,95 г) высушили в глубоком вакууме при температуре около 100°С в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, емкостью 300 мл, после чего последовательно, путем вакуумной конденсации при температуре жидкого азота (около -196°С), добавили SF₄ (около 9,17 г), Cl₂ (около 3,20 г) и бром (около 36,8 г), для достижения молярного отношения SF₄:CsF:Cl₂:Br₂ около 1,00:0,85:0,53:2,71. Сосуд оставили стоять при температуре окружающей среды в течение около 5 дней, и ИК-спектр газообразных компонентов показал очень сильные полосы или группы полос, соответствующие SF₅Cl. Этот пример иллюстрирует, что SF₅Cl может быть эффективно синтезирован в течение примерно 5 дней при температуре окружающей среды с использованием Cl₂, Br₂ и SF₄, в реакции:

CsF+SF₄+Cl₂+(Br₂)→SF₅Cl+CsCl+(Br₂).

Пример 8. Альтернативное образование SF₅Cl с использованием иного фторида металла

KF (около 5,0 г) высушили при температуре от около 150°С до около 200°С, в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, емкостью 100 мл, в течение около 1 часа, в глубоком вакууме. Затем в реакционный трубчатый автоклав путем конденсирования добавили Br₂ (около 9,71 г), Cl₂ (около 3,54 г) и SF₄ (около 4,71 г) до достижения молярного отношения SF₄:Cl_2:KF:Br₂ около 1,00:1,14:1,98:1,39. Реакция оказалась практически полностью завершенной примерно через 2 дня при температуре окружающей среды, как определено по ИК-спектру (то есть, в ИК-спектре наблюдали сильные сигналы SF₅Cl относительно SF₄). Затем реагенты нагревали в течение около 2 дней при температуре около 115°С, и ИК-спектр газовой фазы показал очень слабый сигнал, соответствующий SF₄. Этот пример иллюстрирует, что SF₅Cl может быть эффективно синтезирован в течение примерно от 2 до около 4 дней при температуре окружающей среды или умеренно повышенной температуре с использованием Cl₂, Br₂ и SF₄, в реакции:

KF+SF₄+Cl₂+(Br₂)→SF₅Cl+KCl+(Br₂).

Пример 9. Альтернативное образование SF₅Cl с использованием S вместо SF₄

KF (около 15,60 г) добавили в реакционный трубчатый автоклав Hoke из нержавеющей стали, емкостью 300 мл, и высушили при температуре от около 150°С до около 200°С, в течение около 1 часа, в глубоком вакууме. Реакторный автоклав открыли и добавили мелкозернистый порошок S (около 1,50 г). После того как реактор вновь закрыли, путем конденсирования добавили Cl₂ (около 9,03 г) и Br₂ (около 8,59 г), до достижения молярного отношения S:Cl_2:KF:Br₂ около 1,00:2,71:5,71:1,15. Реакторный автоклав выдерживали при температуре окружающей среды в течение ночи и присутствие как SF₅Cl, так и SF₄ определяли по ИК-спектру. После примерно трех дней никакого изменения ИК-спектра не наблюдалось. Добавили дополнительное количество Cl₂ (около 1,20 г), доведя молярное соотношение S:Cl₂:KF:Br₂ до около 1,00:3,26:5,72:1,15. Реакцию периодически отслеживали с помощью ИК-спектроскопии. По прошествии примерно двух дополнительных недель при температуре окружающей среды реакция практически полностью завершилась, судя по данным ИК-спектрометрии. Этот пример иллюстрирует, что 1) по сравнению с другими реакциями получения SF₄, повышение молярных соотношений Cl₂ и KF промотирует образование SF₅Cl относительно SF₄ в этой реакции, и 2) SF₅Cl может быть эффективно синтезирован при температуре окружающей среды в течение недель, в реакции:

5KF+S+3Cl₂+(Br₂)→SF₅Cl+5KCl.

Пример 10. Образование SF₅Cl

KF (около 10,55 г) высушили в глубоком вакууме в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, емкостью 100 мл, и высушили в течение около 1 часа при температуре от около 150°С до около 200°С. Реактор открыли и добавили мелкозернистый порошок S (около 1,13 г). После того как реактор вновь закрыли, путем конденсирования добавили Cl₂ (около 8,15 г) и Br₂ (около 7,99 г), до достижения стехиометрического отношения S:Cl₂:KF:Br₂ около 1,00:3,25:5,15:1,41 (реакция «А»). Вторую подобную реакцию подготовили с использованием около 1,58 г мелкозернистого порошка S и таких же молярных соотношений других компонентов (реакция «В»). Реакционные сосуды «А» и «В» поместили в условия температуры окружающей среды на время около 3 дней, и с использованием ИК-спектроскопии было отмечено успешное образование SF₄ и SF₅Cl. После этого SF₄ и SF₅Cl отслеживали каждый период от 2 до около 3 дней с помощью ИК-спектроскопии, и примерно на 13 день было показано, что реакция не завершилась, и что образование SF₄ и SF₅Cl значительно замедлилось. Затем летучие компоненты из обоих реакционных сосудов сконденсировали и объединили в третьем сосуде, содержащем около 7,94 грамма KF. Примерно через 4 дополнительных дня при температуре окружающей среды ИК-спектроскопия показала, что весь остаточный SF₄ оказался израсходованным, приводя к SF₅Cl как очевидному единственному продукту.

Конечный продукт выделяли следующим образом: 1) реакционный сосуд охладили до температуры около -78°С и соединили с вакуумным насосом через ловушку, охлаждаемую жидким азотом (примерно -196°С). Примерно через 6 часов получили около 15,5 грамма слегка желтоватого необработанного продукта. Для удаления остаточных загрязняющих примесей (например, Cl₂, Br₂, хлориды серы) необработанный продукт оставили в течение ночи в реакторном автоклаве примерно над 3 граммами S. Продукт откачали из этого сосуда, охладили до температуры около -78°С и через охлаждаемую (около -196°С) ловушку соединили с насосом и затем сконденсировали в большой охлаждаемой ловушке, содержащей небольшое количество ртути для удаления следовых количеств любых окрашенных загрязняющих примесей (например, Br₂, хлориды серы). Продукт получили в виде бесцветной жидкости. Окончательная масса извлеченного конечного продукта составляла около 13,10 г для расчетного выхода около 95% (в расчете на серу). ИК-спектр конечного продукта показывал по существу чистый образец SF₅Cl.

Этот пример иллюстрирует, что 1) дополнительное количество KF может потребоваться для пополнения реакционной смеси для получения SF₅Cl и стимулирования ее до завершения или почти завершения. 2) Образование SF₅Cl может замедлиться при сокращении доступного для реагирования KF, возможно, вследствие осаждения неактивного KCl на открытых поверхностях KF; что может быть устранено добавлением свежего KF, перемешиванием реакционной смеси в сосуде или другими способами, которые могут увеличивать активную площадь поверхности KF в течение времени реакции. 3) В реакции: 5KF+S+3Cl₂+(Br₂)→SF₅Cl+5KCl+(Br₂) возможно достижение полного или по существу полного образования SF₅Cl в течение от около 2 до около 3 недель при температуре окружающей среды, с получением по существу чистого SF₅Cl.

Пример 11. Образование SF₅Cl

KF (около 10,58 г) высушили в глубоком вакууме в течение около 1 часа при температуре от около 150°С до около 200°С в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, емкостью 300 мл. Реактор открыли и добавили S (около 1,1 г). После того как реактор вновь закрыли, путем конденсирования добавили Cl₂ (около 9,0 г) до достижения стехиометрического отношения S:Cl₂:KF около 1,00:3,70:5,30. Реакционный сосуд оставили стоять при температуре окружающей среды, и в течение около 30 дней, с использованием ИК-спектроскопии, не было отмечено образование ни SF₄, ни SF₅Cl. Затем путем конденсирования добавили Br₂ (около 7,54 г) до достижения нового стехиометрического соотношения S:Cl₂:KF:Br₂ около 1,00:3,70:5,30:1,37. Примерно через 3 дня выдерживания при температуре окружающей среды с помощью ИК-спектроскопии было отмечено образование как SF₄, так и SF₅Cl. Этот пример иллюстрирует, что 1) хотя в реакционном сосуде на протяжении около 30 дней присутствовали все химические вещества, необходимые для образования SF₄ и SF₅Cl, образование SF₄ или SF₅Cl не было отмечено в отсутствие Br₂ при температуре окружающей среды. 2) После того, как необходимые компоненты (S, Cl₂, KF) в реакционной смеси оставались неактивными в течение 30 дней, последующее добавление Br₂ в течение дней промотировало эффективное образование SF₄ и SF₅Cl при температуре окружающей среды. 3) Представляется, что Br₂ требуется для эффективного образования SF₄ и SF₅Cl при температуре окружающей среды из реагентов KF, S и Cl₂.

Пример 12. Образование SF₅Br

AgF (около 11,02 г) высушили в глубоком вакууме при температуре от около 150 до около 200°С. В реакционный трубчатый автоклав Hoke емкостью 300 мл путем конденсирования добавили Br₂ (около 35,5 г) и SF₄ (около 7,3 г) до достижения молярного отношения SF₄:AgF:Br₂ около 1,00:1,28:3,30. Затем реакционный сосуд поместили в баню с кипящей водой при температуре около 100°С, и затем с помощью ИК-спектроскопии проводили мониторинг в моменты около 2, около 6,5, около 15 и около 79 часов. ИК-спектры показали прогрессирующее накопление SF₅Br (например, группы полос с центрами при около 891 см^-1 и около 854 см^-1и около 594 см^-1), и уменьшение SF₄, что показано наблюдением возрастающего отношения сигналов SF₅Br к SF₄ в ИК-спектре с течением времени.

Конечный продукт выделяли следующим образом: реакционный сосуд охладили до температуры около -78°С и соединили с вакуумным насосом через ловушку, охлаждаемую жидким азотом (примерно -196°С). Примерно через 3 часа в охлаждаемой ловушке получили около 9,3 грамма слегка желтоватого необработанного продукта. Продукт перегнали в вакууме из охлаждаемой ловушки в трубку Кариуса, содержащую небольшое количество ртути для удаления следовых количеств любых окрашенных загрязняющих примесей (например, Br₂). Продукт получили в виде жидкости светло-соломенно-желтого цвета. Окончательная масса извлеченного конечного продукта составляла около 8,55 г для расчетного выхода около 75,4% (в расчете на SF₄). ИК-спектр конечного продукта показывал по существу чистый образец SF₅Br. Этот пример иллюстрирует, что 1) SF₅Br может быть эффективно синтезирован в течение около 79 часов при температуре 100°С в реакции:

AgF+SF₄+Br₂→SF₅Br+AgBr.

Пример 13. Образование SF₅Br с использованием альтернативного фторида металла

AgF₂ (около 2,33 г) высушили в глубоком вакууме при температуре от около 150 до около 200°С в реакционном трубчатом автоклаве Hoke емкостью 100 мл. В реактор путем конденсирования добавили Br₂ (около 12,95 г) и SF₄ (около 3,14 г) до достижения молярного отношения SF₄:AgF₂:Br₂ около 1,00:0,55:2,78. Затем реакционный сосуд поместили в баню при температуре 100°С и затем с помощью ИК-спектроскопии проводили мониторинг примерно после 52 часов. ИК-спектр показал очень сильные полосы или группы полос, характерные для SF₅Br, очень слабые полосы или группы полос, соответствующие SF₄ и SOF₂, и полосы или группы полос средней интенсивности, соответствующие SF₆ (например, полоса средней интенсивности с центром при 947 см^-1). Этот пример иллюстрирует, что 1) SF₅Br может быть эффективно синтезирован в течение около 52 часов при температуре около 100°С в реакции:

2AgF₂+4SF₄+3Br₂→4SF₅Br+2AgBr.

Пример 14. Образование SF₆

CoF₃ (около 4,2 г) высушили в глубоком вакууме при температуре от около 150 до около 200°С в реакционном трубчатом автоклаве Hoke емкостью 100 мл. В реакторный автоклав путем конденсирования добавили Br₂ (около 22,0 г) и SF₄ (около 4,63 г) до достижения молярного отношения SF₄:CoF₃:Br₂ около 1,00:0,84:3,21. Затем реакционный сосуд поместили в баню при температуре 100°С и затем с помощью ИК-спектроскопии проводили мониторинг примерно после 52 часов. ИК-спектр показал сильные полосы или группы полос, характерные для SF₆, полосы или группы полос средней интенсивности, соответствующие SF₄, и слабые полосы или группы полос, соответствующие SOF₂. ИК-спектр не показывал никакого присутствия SF₅Br. Этот пример иллюстрирует, что 1) SF₆ может быть эффективно синтезирован в течение около 52 часов при температуре около 100°С в реакции:

2CoF₃+SF₄+(Br₂)→SF₆+2CoF₂+(Br₂).

Пример 15. Сравнительный пример

Для определения, мог бы альтернативный фторид металла (MF) эффективно заменить KF в качестве реагента в получении SF₄, безводный мелкозернистый NaF (около 16,94 г) высушили в реакционном трубчатом автоклаве Hoke из нержавеющей стали, при температуре от около 150°С до около 200°С, в течение около 1 часа, в глубоком вакууме. Реактор оставили медленно остывать до температуры окружающей среды, открыли и добавили серу (около 2,17 г). Затем в реакторный автоклав добавили Br₂ (около 29,5 г) до достижения конечного молярного отношения S:NaF:Br₂ около 1,00:5,90:2,70. После выдерживания в течение около 2 дней при температуре окружающей среды не было обнаружено SF₄ по измерениям с помощью ИК-спектроскопии газообразных компонентов, удаленных из реакционного сосуда. Затем реакционный сосуд нагревали до температуры около 80°С в течение около 18 часов. ИК-спектроскопия газообразных компонентов опять показала, что реакционные продукты (SF₄, SOF₂) не присутствовали. Реакционный сосуд затем нагревали до температуры около 155°С в течение около 18 часов, ИК-спектроскопия газообразных компонентов показала очень низкие уровни содержания SOF₂ и SF₄, свидетельствуя об образовании только следов SF₄, который, по-видимому, гидролизовался минимальным количеством воды, попавшей в реакционный сосуд.

Пример 16. Сравнительный пример

Для определения, мог бы альтернативный фторид металла (MF) эффективно заменить KF в качестве реагента в получении SF₅Cl из SF₄, NaF (около 10,19 г) поместили в реакционный трубчатый автоклав Hoke из нержавеющей стали емкостью 100 мл, и после высушивания в глубоком вакууме, как описано выше, в реактор затем последовательно, с помощью вакуумной конденсации, поместили хлор (около 4,77 г), бром (около 11,57 г) и SF₄ (около 14,61 г). Молярное отношение SF₄:NaF:Cl₂:Br₂ составляло около 1,00:1,79:1,10:1,50. Реакцию оставили протекать без перемешивания при температуре окружающей среды в течение около 11 дней, по прошествии этого времени по ИК-спектру не было обнаружено никакого реагирования. Нагревание реакционного сосуда в течение дополнительного времени около 9 дней при температуре от около 115 до около 125°С не привело к образованию SF₅Cl, как было показано ИК-спектроскопией.

Пример 17. Сравнительный пример

CuF₂ (около 4,59 г) высушили в течение около 1 часа в глубоком вакууме при температуре от около 150 до около 200°С. В реакторный автоклав путем конденсирования добавили Br₂ (около 18,9 г) и SF₄ (около 3,21 г) до достижения молярного отношения SF₄:CuF₂:Br₂ около 1,00:1,54:3,72. Затем реакционный сосуд поместили в баню при температуре 100°С и затем с помощью ИК-спектроскопии проводили мониторинг примерно после 52 часов. ИК-спектр показал, что реакция не протекала.

Пример 18. Сравнительный пример

TlF (около 4,23 г) высушили в глубоком вакууме при температуре от около 150 до около 200°С в течение около 1 часа. В реакторный автоклав путем конденсирования добавили Br₂ (около 7,6 г) и SF₄ (около 1,38 г) до достижения молярного отношения SF₄:TlF:Br₂ около 1,00:1,49:3,86. Затем реакционный сосуд поместили в баню при температуре 100°С и затем с помощью ИК-спектроскопии проводили мониторинг примерно после 52 часов. ИК-спектр показал, что реакция не протекала.

Если не оговорено нечто иное, все числа, выражающие количества ингредиентов, свойства, такие как молекулярная масса, реакционные условия и так далее, используемые в описании и патентной формуле, следует понимать как модифицированные во всех примерах термином «около». Следовательно, если не оговорено противоположное, численные параметры, изложенные в описании и прилагаемых пунктах формулы изобретения, являются приближенными, которые могут варьировать в зависимости от желательных свойств, которые предполагается получить настоящим изобретением. Как минимум, и не в качестве попытки ограничить применимость доктрины эквивалентов к области патентной формулы, каждый численный параметр должен толковаться по меньшей мере с учетом ряда указанных значащих цифр и с применением традиционных способов округления. Несмотря на то, что численные диапазоны и параметры, описывающие широкую область изобретения, представляют собой приближенные значения, численные величины, изложенные в конкретных примерах, указаны как настолько точные, насколько возможно. Однако любое численное значение изначально содержит определенную погрешность, неизбежно обусловленную среднеквадратичным отклонением, связанным с их соответствующими измерениями при испытаниях.

Термины “a”, “an”, “the” и подобные объекты ссылок, использованные в контексте описания изобретения (в особенности в контексте нижеследующей патентной формулы), должны толковаться как охватывающие и единственное, и множественное число, если здесь не оговорено иное или явно не противоречит контексту. Перечисление диапазонов значений здесь предполагается исключительно как служащее в качестве метода сокращения без индивидуального указания каждого отдельного значения, попадающего в пределы диапазона. Если здесь не оговорено иное, каждое индивидуальное значение включено в описание, как если бы оно было указано здесь конкретно. Все описанные здесь способы могут быть выполнены в любом подходящем порядке, если здесь не оговорено иное или иное явно не согласуется с контекстом. Предусмотренное здесь применение любого и всех примеров, или иллюстративной терминологии (например, «такой как»), предназначено только для лучшего освещения изобретения и не предполагает ограничения области изобретения как заявленной иным образом. Никакая терминология в описании не должна толковаться как показывающая любой незаявленный элемент, существенный для практики изобретения.

Группировка альтернативных элементов или вариантов осуществления изобретения, раскрытого здесь, не должны толковаться как ограничения. Каждый член группы может быть указан и заявлен индивидуально или в любой комбинации с другими членами группы или другими элементами, находящимися здесь. Предполагается, что один или более членов группы может быть включен в группу или исключен из нее по соображениям удобства и/или патентоспособности. Когда происходит любое такое включение или исключение, описание предполагается содержащим группу как модифицированную, тем самым исполняя письменное описание всех групп Маркуша, использованных в прилагаемой патентной формуле.

Определенные варианты осуществления настоящего изобретения описаны здесь включающими наилучшие условия исполнения изобретения, известные авторам настоящего изобретения. Конечно, квалифицированным специалистам в этой области технологии по прочтении вышеизложенного описания станут очевидными вариации этих описанных вариантов осуществления. Автор настоящего изобретения полагает, что специалисты в данной области техники надлежащим образом используют такие вариации, и авторы настоящего изобретения предполагают, что изобретение будет реализовано иным образом, нежели конкретно описанное здесь. Следовательно, настоящее изобретение включает все модификации и эквиваленты предмета изобретения, указанного в прилагаемых к нему пунктах формулы изобретения, насколько допускается соответствующим законодательством. Более того, любая комбинация вышеописанных элементов во всех возможных их вариантах является входящей в пределы изобретения, если здесь не оговорено иное или иное явно не противоречит контексту.

Кроме того, на протяжении этого описания были сделаны многочисленные ссылки на патенты и напечатанные публикации. Каждая из вышеуказанных ссылок и печатных публикаций индивидуально включена здесь ссылкой во всей своей полноте.

В заключение, должно быть понятно, что раскрытые здесь варианты осуществления изобретения представляют собой иллюстрации принципов настоящего изобретения. Другие модификации, которые могут быть использованы, также находятся в пределах области изобретения. Таким образом, в качестве примера, но без ограничения, альтернативные конфигурации настоящего изобретения могут быть использованы в соответствии с приведенными здесь указаниями. Следовательно, настоящее изобретение не ограничивается тем, что определенно показано и описано.

Реферат

Изобретение относится к области химии. Согласно данному изобретению получают SF, SFCl, SFBr и SF. Для получения SFили соединения, полученного с его использованием, с выходом больше, чем около 10%, смешивают Вr, фторид металла и реагент, содержащий серу, или смешивают Вr, фторид металла, реагент, содержащий серу, и Сl-реагент. Для получения SFCl или соединения, полученного с использованием SFCl, с выходом больше, чем около 50%, смешивают Cl-реагент, реагент, содержащий серу, фторид металла и Вr-реагент. Для получения SFBr или соединения, полученного с использованием SFBr, с выходом больше, чем около 50%, смешивают Br-реагент, реагент, содержащий серу, и фторид металла. Для получения SFили соединения, полученного с использованием SF, с выходом больше, чем около 50%, смешивают Вr-реагент, SF-реагент и фторид металла. Изобретение позволяет сократить время проведения процесса, не создавать вредных отходов. 6 н. и 19 з.п. ф-лы, 18 пр.

Формула