三氟乙酸的合成与应用研究

三氟乙酸的合成与应用研究刘马( 上海石化工业学校，上海201512)摘 要:三氟乙酸具有很强的酸性和氧化性，是重要的含氟脂肪族中间体，在医药、化工等行业有着广泛的应用。本文从三氟乙酸的合成入手，对其合成发展过程及应用领域进行了综述; 重点介绍了三氟乙酸的实验室合成方法及目前国际上比较常用的工业制备路线; 并且从医药、催化合成、溶剂等领域详细介绍了三氟乙酸的重要应用; 最后对三氟乙酸今后的发展做了展望。关键词: 三氟乙酸; 合成; 应用中图分类号: TQ225. 3文献标志码: A文章编号: 1001 9677( 2014) 020 0042 03The Synthesis and Application of Trifluoroacetic AcidLIU Ma( Shanghai Petrochemical Academy，Shanghai 201512，China)Abstract: Trifluoroacetic acid with strong acidity and oxidization was important fluorinated aliphatic intermediate，and was widely used in the fields of medicines and chemicals. From introduction of the synthesis process，the synthesis and application fields of trifluoroacetic acid were reviewed. The preparation processes in the lab and industry with high efficiency in the world presently were chiefly introduced. The important applications in medicines，catalyzed synthesis， solvent etc were introduced. Finally，the development of trifluoroacetic acid was prospected.Key words: trifluoroacetic acid; synthesis; application三氟乙酸是 一 常 用 的 有 机 酸，它具有很强的酸性和氧化 性，目前它是仅次于三氟甲磺酸的强氧化性有机酸。作为含氟 脂肪族中间体的杰出代表，目前全球消费量已超过千吨，在含 氟羧酸类化合物中占有及其重要的地位1。1941 年，美国教授 Simons 等 开 始 研 究利用电化学对有机 物进行氟化，并于 1949 年申请了专利3 4，由此揭开了有机氟 化物快速发展的大幕。1961 年，Allen 等5 利用三氟乙烷为原料，水 为 介 质，氧 气作为氧源，利用电解的方法得到了三氟乙酸，这种方法原料 比较廉价易得，反应的选择性比较好，不会发生副反应，产品 的收率达到了 50% ，但是需要在高电压下才能发生反应，安全 性比较差。三氟乙酸的合成进展自 1922 年 Swarts 以铬酸氧化间三氟甲基苯胺得到三氟乙酸 之后，人们对三氟乙酸的合成研究就没有停止过。1后来又有多种方法被报道出来，其中氧化法根据起始原料的不同可以分为三种2:后来美国 3M 公司受 Simons 电解氟化法的启发，开发出了生产三氟乙酸的新工艺，以乙酸酐或乙酰卤为原料，经过电解 氟化、水解成盐、硫酸酸化后，蒸出三氟乙酸成品6。( 1)2，3 二氯六氟 2 丁烯氧化法( 2)氟催化的 2，3 二氯六氟 2 丁烯氧化法作为目前工业生产的主要方法，Simons 电解氟化法具有原料廉价易得、产 品全氟化一步到位、实 验 装 置 简 单、操 作 方 便、对环境影响小等优点，但是也有瑕疵，比如，反应重现性比较差，化学产率和电流效率不够理想等。近年来 Simons 电解氟化法有了很大的改进，世界上一些知 名公司已经有了自己的专利技术，例 如 能 源 巨 头 Phillips 石 油( 3)八氟丁烯 2 高锰酸钾氧化法刘马: 三氟乙酸的合成与应用研究第 42 卷第 20 期43公司除了生产三氟乙酰氟，还同时生产一氟和二氟乙酰氟7。1985 年日本旭硝子公司采用三氟二氯乙烷为原料，在催化 的作用下，直接氧化三氟二氯乙烷成三氟乙酸和三氟乙酰氯， 这种新工艺使三氟乙酸的生产设备相对大为简化，而且原料的 转化率非常高，达到了 95% ，产品的收率也比较高，三氟乙酸 和三 氟 乙 酰氯的总收率能达到 95% ， 比较适合工业化生 产8 9。在有机合成反应中，三氟乙酸可以作为一些有机反应的催14化剂，L. onchin 等 最近在研究环己酮肟贝克曼重排时在极性非质子溶剂中使用三氟乙酸作为催化剂，提出了新的催化方 法，与传统的催化剂发烟硫酸相比，反应条件温和、三氟乙酸 再生性好，能够连续催化生产工业上重要的化 工 产 品 己 内 酰 胺，解决了原来工艺中发烟硫酸消耗大，催化剂再生性差，连 续生产能力差的问题。三氟二氯乙烷氧化法需要在高温高压条件下，和 Simons 电解氟化法一样，需要消耗较多的能源，后来中国科学院上海有 机所用三氟三氯乙烷为原料，以路易斯酸三氯化铝为催化剂， 以过二硫酸铵为氧化剂来制备三氟乙酸，在常压下来制备三氟 乙酸，取得了初步的成功，后来又改进实验法案，采用过二硫 酸铵与甲酸钠体 系，以 DMF 为溶剂来制备三氟乙酸，取 得 了 不错的收率10。在某些杂环的合成中，使用三氟乙酸作为催化剂，可以取15得不错的实验结果，Meenakshisundaram Santhi 等 研究发现在苯并吡喃类化合物的合成中，使用三氟乙酸作为催化剂，在室 温情况几乎是瞬间就可以完成反应，得到两类手性苯并吡喃衍 生物。德国 KaliChemie 公 司11 采用三氟氯乙烷为原料，在 路 易斯酸催化下，经过重排得到三氟三氯乙烷，再 经 过 氧 化、碱 熔、酸化得到三氟乙酸。该工艺不需要高温高压，在常温下就 可以发生 反 应，对生产设备的要 求 不 高，产品收率也比较理 想，缺点是反应过程中所选用的催化剂为毒性较大的汞盐，氧 化剂为毒性大、不易控制的三氧化硫。目前国际上比较常用的三氟乙酸的工业制备路线主要有三 条:三氟乙酸由于结构中含有三氟甲基而变得化学性质非常稳定，经常用来作为反应的溶剂。菲啶因为其在生物活性和材料 领域的优秀表现吸引了药物化学和材料科学界广泛的关注，研 究发现使用三氟乙酸作为合成 6 取代菲啶的溶剂能够获得很 好的收率和选择性，与其它菲啶合成的报道相比，用三氟乙酸 作为催化剂不需要使用剧毒的原料、敏感的金属催化剂、复杂 的无水无氧装置，对环境的影响小16。( 1)经典 Simons 电 解 氟 化 法，乙 酰 氟 经 氟 化、碱 熔、酸化得到三氟乙酸。( 2) 三氟二氯乙烷 ( HCFC 123) 直接氧化法，以三氟二 氯乙烷为原料，在催化剂作用下直接氧化得到三氟乙酰氯和三 氟乙酸，日本旭硝子公司获得了相关的专 利 技 术8 9，美 国 Halocarbon product 公司也开发出了以氧气作为氧源的三氟二氯 乙烷光催化氧化法制备三氟乙酸12。( 3) 三氟三氯乙烷 ( HCFC 113) 氧化法，以三氟氯乙烷 为原料在常用的路易斯酸催化下，经过重排、氧化、碱熔、酸 化得到三氟乙酸，生产公司为德国 KaliChemie 公司11。我国对三氟乙酸的研究起步于 20 世纪 80 年代末期，现在 工业上生产采用的主要是 Simons 电解氟化法，不过，经过近些 年的努力我们也开发出了一些自己的合成方法，主要还是以三 氟二氯乙烷和三氟三氯乙烷为原料，合成了出了新的催化剂， 取得了不错的收率和选择性。此外，三氟乙酸还是一些常规有机反应的优良溶剂，一些很难发生的反应，在三氟乙酸中会很容易实现。例如喹啉在催 化氢化时，如果在一般的溶剂中，吡啶环是优先加氢的，但是如果以三氟乙酸作为溶剂，情况 恰 恰 相 反，苯环会优先氢化。 除了作为反应的溶剂，三氟乙酸因为其较好的溶解性，在高效 液相色谱中常常被用作流动相，用来分离一些难以区分的化合物，在化合物核磁共振检测中，也常常利用氘代三氟乙酸作为 溶剂，用来区分一些诸如卟啉类的大环分子内的氢的变化。2三氟乙酸的应用三氟乙酸不仅是一种酸性很强的有机酸，还是一种非常重要的化工原料，在医药、农 药、染料等领域具有广泛的用途。例如在农药合成领域，很多常用的除草剂中都含有三氟甲基的 官能团，通过三氟乙酸可以非常简单的将三氟甲基引入到常用 的除草剂中，不仅能够增强除草效果，还能够增强药效，延长 除草剂的作用时间，更有力的起到除草的效果。一些以三氟乙 酸为原料合成的含氟除草剂13结构如下:展望3三氟乙酸除了作为反应的催化剂和溶剂之外，还是很好的保护剂和脱保护剂，作为保护剂常用来保护氨基和羟基，作为 脱保护剂，经常用来脱 Boc; 此外，三氟乙酸还可以用来制备合成一些三氟乙酸衍生物，例如三氟乙酸酐，它是一种重要的44广 州化 工2014 年 10 月中间体，在医药、农药等化学合成中有广泛的用途，市场前景广阔。目前，三氟乙酸的生产主要集中在欧洲、北美、印度和 中国，其中国内三氟乙酸的产能约占全球的一半左右，主要集 中在浙江、山东、江苏等地，三氟乙酸在未来一段时间仍将是 化工领域的宠儿。9 Goto Isao，Yoneda So，Kumai Seisaku，Ueno Toru( Asahi Glass Co ，Ltd ，Japan) Manufacture of trifluoroacetic acidP JP60239436，1985 11 2810 Hu Changming， Qing Fengling， Zhang Honggen eactions of perhalocarbons Part IX Conversion of per( poly) fluoroalkyl halides to the corresponding carboxylic acids with a redox system J J Fluorine Chem ，1990，49( 2) : 275 28011 Paucksch Heinrich，Massonne Joachim，Fernschild Guenter，Boehm，Horst( Kali Chemie A G ) Perhaloacyl fluorides and chloridesP DE1917630，1970 10 1512 Dittman Albert L( Halocarbon Products Corp ) Trifluoroacetyl chlorideP US3883407，1974 11 1413 王宁，薛振祥 当今热点农药的含氟中间体开发J 现 代 农 药，2004，3( 5) : 1 814 L onchin，A Vavasori On the mechanism of the organocatalyzed Beckmann rearrangement of cyclohexanone oxime by trifluoroacetic acid in aprotic solvent J J Mol Catal A Chem ，2009，313: 22 3015 Meenakshisundaram Santhi，Kalpattu K Balasubramanian，Shanmuga- sundaram Bhagavathy Trifluoroacetic acid mediated facile transformation of 2 Chydroxymethyl D glycals to chiral pyrano2，3 bbenzopyrans J Carbohyd es ，2009，344: 521 52516 So Won Youn，Joon Hyung Bihn Trifluoroacetic acid mediated facile construction of 6 substituted phenanthridines J Tetrahedron Lett ，2009，50: 4598 4601参考文献张在利，曾子敏，刘忠文 三氟乙酸的制备及应用J 化工新型 材料，2004，32( 9) : 44 46尤来方，吴江平，韩箴贤 三氟醋酸的应用和制备J 有机氟工 业，1996( 1) : 6 9Simons J H ，et al Electrochemical process for the production offluorocarbons J J Electrochem Soc ，1949，95( 2) : 47 67 Simons J H Electrochemical production of fluorocarbons P US2519983，1950 08 22Allen Preparation of Trifluoroacetic Acid J J Org Chem ，1961，26( 3) : 923 925Scholberg Harold M ，Bryce Hugh G Electrochemical production of fluorocarbon acid fluoride derivativesP US2717871，1955 09 13Barnhart Wm S ，Wade，obert H Polychlorofluorinated carboxylic acidsP US2806865，1957 09 17Goto Isao，Yoneda So，Kumai Seisaku，Ueno Toru( Asahi Glass Co ，Ltd ，Japan) Manufacture of trifluoroacetic acidP JP60239435，1985 11 2812345678檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵檵( 上接第 5 页)参考文献Patel N Synthesis of chiral pharmaceutical intermediates bybiocatalysisJ Coord Chem ev ，2008，252: 659 701 刘湘，潘争光，许建和 手性芳基邻二醇的不对称合成J 化学进 展，2011( 5) : 903 913Hardacre C，Messina I，Migaud ME，et al 1，2 Cyclic sulfite and sulfate furanoside diesters: improved syntheses and stability J Tetrahedron，2009，65( 32) : 6341 6347Schober M，Toesch M，Knaus T，et al One pot deracemization of sec alcohols: enantioconvergent enzymatic hydrolysis of alkylsulfates using stereocomplementary sulfatasesJ Angew Chem Int Ed Engl ，2013，52: 3277 3279张丹平，陶志成，刘峰，等 Bacillus sp CCZU11 1 硫酸酯水解酶催 化环硫酸酯合成二醇 的 研 究A 第六届全国发酵工程 学 术研讨 会C 无锡: 江南大学，2014，11