（应用化学专业论文）卤素交换氟化反应技术研究.pdf

博士论文卤素交换氟化反应技术研究 摘要 卤素交换氟化反应是制备含氟化合物的重要方法之一，具有原料来源广、工艺 简单、易于工业化等优点。本研究以含氟化合物的开发为目的和主线，并以此带动相 应氟化反应理论与新技术的研究。在加热源、氟化试剂、反应溶剂、相转移催化剂、 副反应以及宏观反应动力学等方面进行了较为系统地研究。 研究表明，微波是一种节能高效的加热方式，在微波作用下的卤素交换氟化反 应具有反应速度快、转化率高、选择性好的优点，其反应时间可较常规加热缩短5 0 以上；同时也系统地研究了氟化剂种类及制备方式对其反应活性的影响，并利用微波 加热的膨化作用制备出了一种活性较高的k f ，其活性与喷雾干燥k f 相差不大；溶 剂对反应具有重要的作用，在此系统地研究了强极性非质子溶剂和中等极性非质子溶 剂的应用情况，发现一些中等极性的非质子溶剂如硝基芳烃和氯代芳烃类溶剂在氯代 苯甲醛类化合物的氟化反应中具有比强极性非质子溶剂更好的使用效果。此外，对绿 色反应溶剂一离子液体在氟化中的应用也作了初步研究，研究结果表明离子液体介质 的氟化反应具有反应效率高、体系简单、产物易分离的特点。更为重要的是，离子介 质有机合成技术和微波有机合成技术具有很好的兼容性，一方面，离子液体可以在微 波作用下高效、快速合成。另一方面，离子液体可以显著提高氟化反应体系的微波吸 收效果，加快反应速率；相转移催化剂对卤素交换反应来说几乎是不可或缺的，季翰 盐、聚醚都可依具体情况加以选择应用，但将二者按适当的比例复配，则可以产生“协 同效应 ，其在氯代苯甲醛及二苯甲酮类化合物的氟化中具有显著的效果。高分子相 转移催化剂往往具有稳定性高、催化性能好的特点，作者所合成的高分子咪唑盐相转 移催化剂在硝基氯苯类化合物的氟化反应中表现出比常规相转移催化剂更好的催化 效果；采用副反应放大和g c m s 联用技术研究了副反应，发现副产物来源主要是水 分、溶剂以及反应物本身。 一 系统地研究了常规加热和微波加热下的反应动力学，得出了一些重要的基础数 据，并依据过渡态理论探讨了反应物结构与活性的关系以及微波加速机理中“非热效 应 的存在性。但受目前技术条件的限制，还不能就微波“非热效应 的存在性给予 十分肯定的答复。 关键词：卤素交换氟化反应，微波化学，离子液体，相转移催化，高分子咪唑盐，反 应动力学，非热效应 博士论文 卤素交换氟化反应技术研究 a b s t r a c t h e l o g e n - e x c h a n g ef l u o r i n a t i o ni so n eo ft h em a i na n de f f i c i e n tm e t h o d st os y n t h e s i z e f l u o r i n a t e dc o m p o u n d s 谢mt h ea d v a n t a g e so fw i d em a t e r i a l ，s i m p l e t e c h n i q u ea n db e i n g p r o n et o i n d u s t r i a l i z a t i o n 1 1 1 ea i l t l so fo u rr e s e a r c ha r e e x p l o i t a t i o no ff l u o r i n a t e d c o m p o u n d sa n dp r o b i n gi n t on e wf l u o r i n a t i n gt e c h n o l o g y t h er e s e a r c hi si n v o l v e di nh e a t r e s o u r c e s ，f l u o r i n a t i n ga g e n t s ，s o l v e n t s ，p h a s e - t r a n s f e rc a t a l y s t s ，s i d er e a c t i o n sa n dk i n e t i c s ， e t c n e a p p l i c a t i o nr e s u l t sf r o mf l u o r i n a t i o ns h o w e dm i c r o w a v eh e a t i n gc o u l da c c e l e r a t e c h e m i c a lr e a c t i o n sm a r k e d l y t h er e a c t i o nt i m ec o u l db es h o r t e n e d5 0 a tl e a s tt h a nt h a t o fc o n v e n t i o n a lh e a t i n g n er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l u o r i n a t i n ga g e n t s s t r u c t u r ea n d 廿l e i r a c t i v i t yw a ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y i na d d i t i o n , 蛆a n h y d r o u sk fw i mh i g h e ra c t i v i t yw a s p r e p a r e db yu s i n ge x p a n s i o ne f f e c to fm i c r o w a v eh e a t i n g a sw ek n o w n ，s o l v e n t sw e r e v e r yi m p o r t a n tt or e a c t i o n t h ec o m p r e h e n s i v es t u d ys h o w e ds o m el e s sp o l a ra r o m a t i c s o l v e n t sc o u l db eu s e da sd i p o l a rs o l v e n t s i na d d i t i o n , m e yh a db e t t e re f f e c tt h a nd i p o l a r s o l v e n t si ns o m eo c c a s i o n s ，s u c ha sf l u o r i n a t i o no fc h l o r o b e n z a l d e h y d e sa n dc h l o r i n a t e d d i p h e n y lk e t o n e se t c 1 1 l ep r i m a r ya p p l i c a t i o n so fi o n i cl i q u i d sw e r ea l s os t u d i e dw h i c h i n d i c a t e dr e a c t i o n sw i mi o n i cl i q u i d sa l ss o l v e n t sw e r em o r ee f f i c i e n ta n ds i m p l e f u r t h e r m o r e ，s y n t h e s i st e c h n o l o g yi ni o n i cl i q u i d sh a v em u c hc o m p a t i b l ew i mm i c r o w a v ei n d u c e d s y n t h e s i st e c h n o l o g y o nt h eo n eh a n d , i o n i cl i q u i d sc o u l db ep r e p a r e de f f i c i e n t l yu n d e rt h e i r r a d i a t i o no fm i c r o w a v e o nt h eo t h e rh a n d , i o n i cl i q u i d sc o u l di m p r o v es y s t e m s a b s o r b a b i l i t yo fm i c r o w a v e p t c sw e r ee s s e n t i a lt oh a l o g e n - e x c h a n g ef l u o r i n a t i o n o n i u m sa n dp o l y e t h e r sw e r eu s e ds e l e c t i v e l y n e v e r t h e l e s s ，t h em i x t u r e so ft h e mv c e r e m o r ea c t i v eb e c a u s eo f “s y n e r g i s t i ci n t e r a c t i o n s ”p o l y m e ri m i d a z o l es a l tw e r ean e wk i n d o fp o l y m e rp h a s et r a n s f e rc a t a l y s g 。w h i c hh a dt h es u p e r i o r i t yo fc o n v e n i e n c ef o r p r e p a r a t i o n , g o o dt h e r m a ls t a b i l i t ya n dh i 曲c a t a l y t i ca c t i v i t yi nf l u o r i n a t i o no fc h l o r o n i t r o b e n z e n e s s i d er e a c t i o n sv e r es t u d i e db yt h em e a n so fm a g n i f i c a t i o no fs i d er e a c t i o n s a n dg c - m s m a n yb y - p r o d u c t sw e r ed e t e c t e di nr e a c t i o nm i x t u r ea n dc o n s i d e r e dt ob e f o r m e dd e r i v i n gf r o mw a t e r , s o l v e n t sa n dr e a c t a n t st h e m s e l v e s k i n e t i c ss t u d i e su n d e rc o n v e n t i o n a lh e a t i n ga n dm i c r o w a v eh e a t i n gw e r es t u d i e da n d g o ts o m ei m p o r t a n td a t a i na d d i t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e a c t a n t sa n dt l l e i ra c t i v i t y a n de x i s t e n c eo f n o n t h e r m a le f f e c t o fm i c r o w a v ed i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo f t r a n s i t i o ns t a t i o n u n f o r t u n a t e l y , i th a s n tb e e nc o n f i r m e dt h a tw h e t h e rt h e r ew a s i i i 博士论文 n o n - t h e r m a le f f e c to rn o tu n d e rt h ei r r a d i a t i o no fm i c r o w a v ef o rt h el i m i to fp r e s e n t t e c h n o l o g y k e y w o r d s ：h a l o g e n - e x c h a n g ef l u o r i n a t i o n , m i c r o w a v ec h e m i s t r y , i o n i cl i q u i d s ，p h a s e t r a n s f e rc a t a l y s i s ，p o l y m e ri m i d a z o l es a l t ，f l u o r i n a t i o nk i n e t i c s ，n o n - t h e r m a le f f e c t i v 博士论文卤素交换氟化反应技术研究 d m s o d m f d m a e t 】m s 0 2 n 口 d p s 0 2 p e g t m a c n 嗄a f t m a b b t a c t b a b c t 柚 p c n b p f n b p c a d p f a d k 【f a d d c a d m n a d d c t d c b p d m d a a c p d c 注释表 二甲基亚砜 n ，n 二甲基甲酰胺 n ，n 二甲基乙酰胺 环丁砜 n 甲基吡咯烷酮 二苯砜 聚乙二醇 四甲基氯化铵 四甲基氟化铵 四甲基溴化铵 苄基三甲基氯化铵 四正丁基溴化铵 十六烷基三甲基溴化铵 对氯硝基苯 对氟硝基苯 对氯苯甲醛 对氟苯甲醛 间氟苯甲醛 3 , 4 二氯苯甲醛 间硝基苯甲醛 3 ，4 _ 二氯甲苯 1 ，2 二氯苯 聚二烯丙基二甲基氯化铵 邻苯二甲酰氯 v 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：童陋 。寥年弓月多日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：三阻 痧夕年：；月弓日 博士论文卤素交换氟化反应技术研究 1 绪论 氟及其化合物的研究是以1 7 7 2 年s c h e e l e 制得h f 和1 8 8 6 年m o i s s a n 制得元素 氟为开始标志的，然而对于含氟有机物的系统研究直到1 9 0 0 年才由s w a r t s 开始。随 着有机氟化物某些性能的特殊性及其应用不断得到拓展，尤其是氟利昂应用以来，有 机氟化学得到了迅猛发展。芳香系含氟化合物的制备成功及其在医药、农药和染料中 的应用，更使得有机氟化学体系日趋完善和成熟。迄今为止，有机氟化学已成为有机 化学中一个极其重要的分支，氟化学的重要性也得到了全面的体现【1 1 。有机氟化学的 发展历史如表1 1 所示。 表1 1 有机氟化学发展中的历史事件和数据 时间事件 1 7 “年 1 8 8 6 年 1 8 9 0 年 1 9 2 0 年代 1 9 3 0 年代 1 9 4 0 年代 1 9 4 1 1 9 5 4 1 9 5 0 年代 1 9 8 0 年代 1 9 8 7 年 1 9 9 0 年代 2 0 0 0 年代 a s m a r g g r a f 首次用硫酸和萤石合成氢氟酸，1 7 7 1 年s c h e e l e 重复了此实验 h m o i s s a n 电解i - i f - k f 费米盐首次合成了单质氟 氟卤烷烃直接氟化( i t m o i s s a n ) ；l e w i s 酸催化卤交换氟化反应( f s w a t s ) 由b a l z s c h i e m a n n 反应制备含氟芳烃 氟利昂制冷剂( f r e o n s ) ，哈龙灭火剂( t t a l o n ) ，喷雾剂 含氟聚合物( p t f e 、p c t f e 、p v d f ) ；电化学氟化( h s i m o n s ) 曼哈顿计划：用于u 2 3 5 同位素分离的高绝缘性材料以及高性能润滑剂 含氟医药和农药、人造血和呼吸液、化学武器 半导体工业用的清洗剂和刻蚀剂 蒙特利尔协定，开始逐步禁用氟利昂 用于液晶显示器的含氟液晶的开发 用于制造集成电路的含氟光敏抗蚀剂研发 氟是一个很特殊的元素，许多有机氟化物有着特别的，有时甚至是神奇的性质。 数目众多的含氟聚合物、含氟生理活性物质、含氟液晶等由于其结构中含有氟原子而 产生了相应的独特性质。有机氟化物的用途十分广泛，在原子能工业、航空航天技术、 化学工业、电子工业、医药农药等行业都有着广泛地应用【z j 。对脂肪族含氟化合物来 说，可广泛用作制冷剂、灭火剂、推进剂、麻醉剂、人造血液和呼吸液以及润滑剂和 工程塑料等。对于芳香族含氟化合物来说，应用也相当广泛，尤其是在医药、农药、 染料等方面。含氟医药和农药这些含氟生理活性物质往往具有很高的生理活性，它们 l 绪论博士论文 被广泛用作抗菌抗炎药、降压药、抗高血脂药、抗溃疡药、中枢神经用药以及除草剂、 杀虫剂、杀菌剂和杀螨剂等。 含氟芳香化合物是合成含氟医药、农药、染料及其它有机含氟产品的重要原料 和中间体。因此，研制开发这类含氟中间体是非常有意义的工作。在这些含氟芳香物 中间体中，值得关注与重视的是氟代芳香醛( 酮) 类化合物，这是一类重要的有机化 工原料及中间体，用途十分广泛；在医药方面，可用于多种药物如降压药、抗癌药、 肌肉放松药等的合成，在治疗高血压、糖尿病、肝硬化等疾病方面疗效显著；在染料 合成中，以其为原料合成的染料具有光泽艳丽、耐晒、耐水及有机溶剂等优良性能； 在农药生产中，以之为原料合成的农药与传统农药相比具有生物活性高、药效持久、 副作用小等特点。由于其用途广泛，需求量日益增加，但因生产技术相对落后，导致 供需缺口较大，故研制氟代苯甲醛具有良好的经济效益和社会效益【3 j 。因此，本论文 的一个特色就是以氟代芳香醛( 酮) 类化合物的开发为目的来带动相应的氟化新技术 与理论研究。 微波是指波长为l m m 到l i n 的电磁波，位于红外线和无线电波之间，对应着分 子的转动能级，但除部分气体外微波不会引起分子转动能级的跃迁，只会引发分子进 入亚稳态。由于微波同时用于通信、广播、电视和雷达中，故民用微波装置( 微波炉 和特制的微波反应器) 所使用的频率被限制在某一范围内，这个限制范围根据国家不 同而不同，但全世界有统一的可用频率，为9 1 5 m h z 和2 4 5 0 m h z 。而现在的通用微 波炉则统一采用2 4 5 0 m h z 的频率。l i u 和w i g h t m a n 最早将微波技术用于有机物分解 反应，预示着微波在有机化学中应用的开始【4 】，而1 9 8 6 年g e d y e 发现微波可显著加 快酯化反应的研究，则被认为是微波进入有机合成领域的正式开端【5 】。从此，微波技 术在化学中的应用倍受重视，1 9 9 2 年在荷兰召开了首届国际微波学会议，就微波化 学的动力学原理、微波在化学工业、生物化学中的应用进行了广泛的讨论。我国电子 学会微波分会在1 9 9 4 年也正式成立了微波化学专业学会，大大推进了微波化学这一 新型交叉学科的发展。 1 1 含氟化合物制备方法概述 有机含氟化合物的制备方法一般说来主要有氟气直接氟化法【6 】、电化学氟化法 7 1 、b a l z s c h i e m a n n 氟化法 8 】以及亲电氟化法【9 1 和亲核氟化法【l o 】等。它们都有自己适 宜的应用领域和优缺点。 对于氟气直接氟化法来说，首先，由于元素氟气是反应性极强的试剂，使用这 种未经加工的元素氟气氟化有机化合物的操作一般是非常困难的，因为从热力学上来 说，f f 键的键能很小，而生成的c h 或c f 键的键能却相对较大，因此该反应无法 2 博士论文卤素交换氟化反应技术研究 控制地放出热量，当以工业规模进行时，往往伴之以很大的危险，实际上是不大实行 的；其次，由于该反应一般过于激烈，因而很难准确控制氟原子的导入数目和位置， 从而导致氟化深度和选择性难以控制的局面；此外，对于有机氟化物而言，一般情况 下，导入的氟原子数或多或少，而且位置无论在何处，沸点及熔点差别并不大，结果 导致各生成物的分离极为困难；因而有机化合物直接氟化的单氟化过程尽管被认为非 常有趣，但在工业规模上几乎很难实行。 电化学氟化法是一个是近年来高速发展的有机合成技术之一，它是电化学、有 机化学和反应工程的交叉学科。有机电合成的特点是反应可以在常温常压条件下进 行，且工艺流程短、污染小、能耗小，是目前绿色合成的重要途径之一，有着巨大的 社会效益、经济效益和环境效益。但是电化学氟化位置选择性较差，很难在特定的位 置上引入特定数目的氟原子，因此其一般用于脂肪族全氟或半氟化合物的制备，如氟 碳表面活性剂合成中疏油疏水链的制备等。 b a l z s c h i e m a n n 氟化法是将苯胺类化合物重氮化得到芳香族氟硼酸重氮盐，然后 把它分解而生成芳香族氟化物的合成方法。到目前为止，对此反应人们已进行了大量 的研究，取得了一定程度的进展，作为含氟苯的工业化方法也得到了很高的评价，但 是也仅限于氟苯和氟代甲苯等这样结构简单的含氟物。在具有生理活性物质这些复杂 结构的含氟芳香化合物的制备中，一般其不稳定的重氮盐的合成及精制是相当麻烦 的，而且存在其固体盐的热分解反应难于控制和重复性差的缺点，往往会产生数量较 多的焦油状物质。此外，关于溶剂及底物的取代基对反应的影响机理，至今也未再清 楚，这使得在进一步深入研究时往往由于缺少理论指导而陷入盲目的境地。因而，该 反应作为常用方法在应用上受到了一定限制，要成为通用性优良的含氟芳香物合成 法，还存在一系列要解决的问题。 由于氟具有最大的电负性，因此有机氟化物一般是由亲核氟化、自由基氟化和 电解氟化来制备的。而亲电氟化这一概念源于1 9 8 4 年氟化学杂志上两篇同名的文章 “氟正离子：一个错误的概念还是事实的文章【1 1 1 。随后，亲电氟化反应受到了广泛 的重视并取得了一定的进展。到目前为止已经开发了系列的o - f 和n - f 类亲电氟化 试剂，并取得了一定的应用成果。亲电氟化反应在本质上是氟原子取代氢原子，但是 其氟化机理到目前为止仍存在争议。而且相对于其它氟化试剂，亲电氟化试剂的制备 是相当困难的，而且它们自身也存在着一系列的不足。对于o f 类亲电氟化试剂来说， 它们通常是有毒的低沸点液体或气体，除了毒性外它们在与有机溶剂接触时还是有趋 向于爆炸的倾向，因此也并不足够安全到可用于工业生产的程度。虽然n f 类亲电氟 化试剂在安全性能上有所提高，它们大多数是固体或不易挥发的化合物，而且稳定， 不会爆炸，在亲电氟化反应中取得了更广泛地应用。但其主要缺点就是相对于其较大 的分子量而言，“活化氟的含量太低。尽管芳香化合物的亲电氟化反应可以通过许 l 绪论 博士论文 多n f 试剂进行，但其主要问题是缺少必要的选择性以及一些异构产物的生成。由于 它们沸点相近而难以分离和提纯。因此芳环化合物用n f 试剂氟化只在少数特殊的情 况下才得以使用。对于大规模的工业生产而言，亲核氟化反应仍然是首选的。 亲核氟化反应是制备含氟化合物的重要方法，相对于其它氟化方法来说，其通 常具有较好的区域选择性，可以向反应底物中的特定位置上引入特定数目的氟原子， 因此其在以含氟芳香化合物为基础的含氟生理活性物质的合成中具有极其重要的意 义，它一般是利用f - 对碳原子的亲核进攻来达到氟化的目的。其离去基团可以是卤素 原子、硝基、羟基、磺酰基、三氯甲基等。其中应用最广的是卤素交换氟化澍1 2 j 和脱 硝基氟化法【1 3 】。1 9 3 6 年g o t t l i e b 首先将2 ，4 二硝基氯苯通过卤素交换氟化合成了2 ，4 二硝基氟苯，标志着卤素交换氟化合成含氟芳香族化合物的开端。研究发现，卤素交 换氟化反应具有原料廉价易得、工艺简单、安全可靠等优点。因此在2 0 世纪5 0 年代 后得到了巨大发展，并很快代替重氮化方法成为合成含氟芳香族化合物的主要工业化 方法【1 4 】，卤素交换氟化反应的深入研究对于我国氟化工的发展壮大具有重要的意义。 1 2 卤素交换氟化反应研究现状 卤素交换氟化反应经过数十年的发展已经取得了巨大的成就，利用此反应已经 成功开发了多种含氟化工产品。卤素交换氟化反应的研究至今方兴未艾，其研究内容 主要集中在氟化试剂、反应溶剂、相转移催化剂以及新技术手段应用等方面。近年来， 人们在相关领域的研究都取得了较大地进展。 1 2 1 氟化试剂 可用于卤素交换氟化反应的氟化试剂很多，如n h 4 f 、l i f 、n 押、k f 、c s f 、 a g f 、s b f 3 、b r f 3 、m n f 3 、c u f 等无机类氟化试剂以和( c h 3 ) 4 n f 、( c 4 h 9 ) 4 n f 及其酸 性盐等有机类氟化试剂。但有价值的氟化剂主要集中在碱金属、碱土金属、过渡金属 的氟化盐以及有机的氟化季铵盐及其酸式盐上。 1 2 1 1 无机氟化试剂 碱金属氟化物、碱土金属氟化物以及过渡金属氟化物都是常用的无机氟化试剂， 一般说来，它们都具有来源丰富、价格便宜、易于处理的优点。它们一般单独或复配 使用，当复配时有时则由于产生协同效应而拥有比其任一组分都高的反应活性。如将 灯和c a f 2 按1 ：2 的复配物，就拥有比k f 更强的氟化能力，而且反应完成后可通 过钙沉淀的方法简便地实现f - 的回收。在这些无机氟化试剂中，k f 由于价格便宜、 4 博士论文卤素交换氟化反应技术研究 活性较高、易于活化等优点而应用最为广泛，故在此重点介绍最有工业价值的k f 。 由于卤素交换反应通常在几近无水条件下进行，而k f 在溶剂或反应物中的溶解 度又太小，反应多是在固液相界面上进行，因此k f 的粒度大小以及表面状态就成为 氟化反应速率的重要影响因素【l5 1 。所以在后来的研究中，人们逐渐将研究的重点集中 到提高k f 比表面积这个方面上来，并取得了巨大的进展。 1 9 8 1 年，在此研究上首次取得突破，将3 0 的k f 水溶液经3 0 0 5 0 0 喷雾 干燥，制备出了性能优良的喷雾干燥k f ( s d k f ) ，其因颗粒小( 平均粒径1 0 - - - 1 5 1 m a ) 、 比表面积大( 1 3 m 2 曲、氟化活性高等优点已成为卤素交换氟化反应的主要氟化试剂 【1 6 1 。s d - k f 巨大的比表面积使相间接触更为充分，反应速率加快，不仅使反应时间 缩短，同时也减少了副产物的生成机会，从而使产品收率得以大幅度地提高。如用 s d k f 与对硝基氯苯在d m s o 中回流3 h ，即可得8 0 对硝基氟苯，而用普通k f 仅 能得到4 7 的产物【1 7 1 。若在其k f 水溶液中加入适量的含氟表面活性剂，如全氟辛 酸，则可制得比表面积更大( 2 7 9 m 2 g ) 、活性更高的s d k f t l 8 】。 。 1 9 8 3 年【1 9 】，日本专利也公布了一种增大k f 的比表面积的新方法：将粉状k 2 c 0 3 或k h c 0 3 场加热到2 0 ( 0 - 6 0 0 ，通入h f ，充分反应后，制得的无水k f 具有较大的 比表面积，因此具有较高的反应活性。 1 9 8 7 年，专利 2 0 1 提供了一种制造超细k f 的方法，其制造工艺如下：在装有搅 拌器、温度计和回流冷凝管的反应装置中加入2 7 5 9 工业k f ( 水含量约1 5 ) 和5 0 m l c h 3 0 h ，6 4 - - 6 7 回流1 5 h ，将k f 溶于c h 3 0 h ，搅拌下加入5 5 2 8t m s 0 2 ，再加入 5 0 m l 甲苯，接着常压下6 和1 1 0 蒸去甲苯和c h 3 0 h ，再减压加热到1 6 0 ，这样得 到的分散了的超细无水k f 水含量不超过0 5 。 随后s m y t h 等人开发了一种类似的方法【2 l 】：将k f 溶于大量c h 3 0 h 中，减压 下于3 0 缓慢蒸去c h 3 0 h ，将所得固体于真空下1 0 0 干燥6 h 。所制得的k f 比表 面积可达0 8 m 2 g - 1 ，而普通工业k f 的比表面积仅为o 0 1 4m 2 g - 1 。在实际应用中发现 将之用于合成二氟硝基苯时，l m o l 原料仅用3 7 5 m o l 高活性k f 就可达到l o m o l 普 通k f 所能达到的效果。扫描电镜( s e m ) 检测发现：普通k f 表面较平整，仅有少量 裂纹，有如干涸的水田，而经过甲醇处理的k f 则呈细粒堆集状，多孔而粗糙。 1 9 8 9 年日本的k i m u r a 等人四】发现经冷冻干燥制得的k f 也是性能优良氟化试 剂：将k f 制成水溶液，将之冷冻成固体，再在室温下真空蒸发三天除净水分，从而 得到棉花状的疏松k f 固体，其表面积明显远远大直接蒸去水分的常规工业k f 。如 1 的k f 水溶液经冷冻干燥后制得的无水k f ，其比表面积可达0 7 8 m 2 g 1 ，而直接蒸 发所得无水k f 仅为0 1 o 1 3m 2 g - 1 。用冷冻干燥所得的k f 氟化对硝基氯苯时，其转 化率可达9 7 5 ，而普通k f 在相同条件下的转化率仅有6 4 。 后来，人们也将k f 附载于惰性灿2 0 3 上制成附载型氟化试剂，但其反应活性很 5 l 绪论博士论文 低，原因可能是o h f 形式氢键的生成。c l a r k 等人 2 3 】将这方面的工作转向寻找表面 没有羟基的惰性多孔高表面积载体物质上，最终选择了“表面惰性的具有1 0 m 2 g 1 的 c a f 2 上，使k f 的比表面积得到了一定的提高，反应活性可提高一倍以上。 1 2 1 2 有机氟化试剂 有机氟化试剂是一类活性很高的氟化试剂。其中一类很重要的有机氟化试剂是 氟化季铵盐以及其酸式盐，如( c h 3 ) 4 n f 、( c 4 h 9 ) 4 n f 、( c h 3 ) 4 n h f 2 等。这类氟化试剂 由于其阳离子的疏松结构而对氟离子的束缚作用较弱，因此使氟离子表现出很高的活 性。由于价格较高，其在卤素交换氟化反应中应用较少，因为相对便宜的s d k f 氟 化活性已能够满足大多数反应的需要。它们在脱硝基氟化反应的实验研究中应用较 多，这是因为在脱硝基氟化中，当使用卤素交换氟化中应用最广的k f 时，由于k f 活性相对较弱，通常需要较高的反应温度。而在此高温条件下，由于生成的副产物 k n 0 2 热稳定性较差，易分解成氮氧化合物而引起副反应，通常需要加入如p d c 等 n 0 2 捕捉剂来达到促进反应和减少副反应的目的。而采用氟化季铵盐时，由于其活性 较强，可使反应在较低的温度下进行，反应生成的( c h 3 ) 4 n n 0 2 可以稳定存在于反应 体系中，从而无需添加昂贵的捕捉剂阱】。a d a m sdj 等经过研究发现【2 5 1 ，氟化季铵盐 的酸式盐也是性能优良的脱硝基氟化试剂，它们不但具有比氟化季铵盐更高的反应活 性，可使反应转化率达到1 0 0 ，而且对反应体系中的微量的水也不甚敏感。氟化季 铵盐及其酸式盐虽具有很高的反应活性，但由于成本问题，其工业应用受到了一定的 限制，目前仅限于实验室研究。 近年来，还研制出了其它一些新类型的有机氟化试剂，如氟化季鳞盐及其酸式 盐等，它们也都具有较好的氟化性能【2 6 1 。值得关注的是一些氟甲基醚类化合物，如六 氟异丙基氯甲基醚，可在温和的反应条件下，以高产率将其它一些氯代醚氟化成相应 的氟代醚，其反应过程有点类似于酯交捌2 7 j 。 2 - ( c h 3 ) 2 n c h 2 c 6 h 4 b u 2 s n f 也是最 近开发的一种性能优良的有机氟化试剂，其可在温和的反应条件下，将其它一些氯硅 烷类化合物甚至一些无机氯化物氟化成相应的含氟硅烷【2 8 1 。但总的说来，大多数有机 氟化试剂都是由无机氟化试剂制备而来的，因此，除非在必要的场合，一般并不常用 这些有机氟化试剂。 1 2 2 反应溶剂 卤素交换氟化反应虽然可以在无溶剂条件下进行，但往往需要更为苛刻的条件， 同时也可能因传热不均而引起局部过热导致副反应的发生，而添加适当、适量的反应 溶剂则可以起到改善反应传热、传质状态、甚至加速反应速度的作用。因此，溶剂的 6 博士论文卤素交换氟化反应技术研究 选择很重要。一方面，由于f - 碱性很强，能与含活泼h 的物质形成稳定的氢键，从 而大大降低了f 的反应活性，同时也能活化溶剂成为另一亲核试剂而导致不期望的副 产物，因此要求溶剂必须是非质子性的，并且具有相当高的热稳定性和化学稳定性； 另一方面，为使无机氟化剂在溶剂中具有较大的溶解度，又要求溶剂具有较大的极性。 比较理想的不外乎n n 二甲基甲酰胺( d m f ) 、n ，n 二甲基乙酰胺( d m a c ) 、二甲 基亚砜( d m s o ) 、二甲砜( d m s 0 2 ) 、n 一甲基吡咯烷酮( n m p ) 、环丁砜( t m s 0 2 ) h m p a ( 六甲基磷酰胺) 等少数强极性非质子溶剂。此外，极性稍弱的非质子溶剂如乙 腈、苯甲腈、氯代甲苯等也有应用，在有些特定场合甚至可以取得比强极极性非质子 溶剂更好的应用效果。此外，人们在研究中发现，相转移催化剂( p t c ) 的加入可提高 氟化物在溶剂中的溶解度，如冠醚的加入可使髓和n a f 的溶解性增加【2 9 1 。在温度为 2 5 时，k f 、n a f 在部分有机溶剂中的溶解度增加情况见表1 2 。 表1 2 k f 、n a f 在部分有机溶剂中的溶解度( r e t o o l l ) 近年来，离子液体作为一种新兴的绿色溶剂受到了越来越多的关注，以离子液体为反 应介质的有机合成研究正方兴未艾。离子液体是常温下以离子形态存在的液态有机 盐，具有很大的极性，可以溶解大多数的有机和无机化合物，并且是极性可调节型溶 剂，可根据不同的情况具体调节离子液体的极性，并且相当稳定，几乎没有蒸汽压， 可在3 0 0 以下稳定存在【3 0 1 。到目前为止，离子液体在许多有机合成单元反应中都取 得了成功的应用。如酯化反应【3 l 】、m a n n i c h 缩合反应【3 2 1 、k n o e v e n a g e l 缩合反应f 3 3 1 、 d - a 反应【3 4 1 、还原反应【3 5 】、氧化反应【3 6 1 、重排反应【3 刀等。但其在氟化反应中的应用 相对来说还较少，其中大部分集中在b a l z s c h i e m a n n 氟化反应【3 8 】以及亲电氟化【3 9 】等 7 l 绪论博士论文 方面，在亲核氟化特别是卤素交换氟化的研究更是少之又少。在离子液体或与有机溶 剂混和的共溶剂中用碱金属氟化物的氟化，是一个新的氟化方法与手段，是一种绿色 有机合成技术，对于国家可持续发展战略的实施具有积极的意义。如k i m 等人就成 功将离子液体应用到亲核氟化中【柏】，其反应见图1 1 。 酊i 圃b f 4f x 为卤素或o m s o m s 表示甲基磺酰基，该底物简称m s b m i m b f 为1 丁基- 3 一甲基咪唑四氟硼酸盐 图1 i 在离子液体介质中的k f 氟化反应 其优化所得的反应条件为：反应温度1 0 0 ，加离子液体 b m i m b f 4 或 b m i m p f 6 ( 1 6 m e ) 、c h 3 c n ( 3 2 m l ) 、h 2 0 ( o 0 9 m l ) ，氟化物的收率可达9 4 以上， 产物中有微量的副产物醇，没有烯，重要的是反应并不要求无水。 1 2 3 催化剂 在卤素交换氟化反应研究初期，不管有无溶剂，反应都不加相转移催化剂 ( p t c ) ，但由于该反应通常为无机固相与有机液相的非均相反应，反应速率受到相间 传质速率的制约，为提高相间传质能力，增大反应速率，人们研制了多种p t c 以促 进反应。最先使用的是季铵盐类p t c ，如四甲基氯化铵( t m a c ) 、四甲基溴化铵 ( t 脚) 、十六烷基三甲基溴化铵( c t a j 3 ) 、苄基三甲基氯化铵( b t a c ) 等，它们 在低温和中温反应条件下的效果一般较好。如对硝基氯苯在s d k f 、t m a c 、d m s o 介质中于1 7 0 1 7 5 反应3 h ，可得9 0 的对硝基氟苯【4 。但由于这些催化剂在强碱性 的f 和高温条件下不够稳定而发生一定程度的降解，故在某些反应中需适时补加以保 证反应能够顺利进行【4 2 】。因此化学稳定性好、热稳定性高的季鳞盐p t c 的出现，为 卤素交换氟化反应提供了另一类优良的催化剂，这类相转移催化剂有p h 4 p b r 、p l 妒c l 、 p h 3 p h c h 2 p b r 等，其中以p l 妒b r 最为常用。后来又开发了取代氨基季鳞盐p t c ，如 ( m e 2 m 4 p b r 可使对硝基氯苯的转化率达到1 0 0 e 4 3 1 ，但其制备较为困难。 冠醚也是一类性能优良的p t c 。常用的有1 8 冠6 、1 5 冠5 以及二苯并1 8 冠6 、 二环己基并1 8 冠6 等。1 8 冠6 、1 5 冠5 其孔径分别与k + 和n a + 尺寸相当，故能与 其形成稳定的络合物而能很好地将f - 转移到有机相中，同时使f 裸化，提高其亲核 能力。但由于冠醚具有毒性高、价格贵两大缺点而使其工业化应用受到了限制【l 引。链 状聚醚( p e g ) 及其二醚衍生物( 如p e g 3 0 0 m e 2 ) 也是置换氟化反应常用的p t c ，由于 低分子量的p e g 羟基密度大、吸水性强易于导致副产物的生成而不常用，实际应用 的p e g 分子量多在1 0 0 0 以上。如p e g 5 0 9 0 可使3 ，4 二氯硝基苯的氟化产率达到7 1 ， 博士论文卤素交换氟化反应技术研究 而相同条件下使用p e g 2 0 0 ，仅得2 1 的产率m ，但如果低分子量的p e g 以醚的形 式将其端羟基失活，则可弥补其不足【4 5 1 。链状聚醚及其二醚衍生物的催化活性虽较冠 醚稍弱，但其价格便宜、毒性小而工业应用较广。 吡啶盐通常不能用做p t c ，但是4 烷氨基吡啶盐却是很好的相转移催化剂，具 有很高的催化活性和稳定性。如将对氯苯甲醛( p c a d ) 、无水i ( f 与此吡啶盐的混合物， 于无溶剂条件下在2 2 0 。c 反应7 1 1 ，可得8 3 的对氟苯甲醛( p f a d ) ，选择性可达9 4 【蛔。 将p i 弘p c i 、4 烷氨基吡啶盐等通过负载于高分子载体上，可制得性能优良的p t c ， 称之为高分子相转移催化剂。相对于传统的小分子相转移催化剂而言，这类催化剂不 但具有较强的催化活性，较强的热稳定性和化学稳定性，而且也可以方便地回收使用 而且催化活性下降不大m 。这类相转移催化剂是近年来的一个重要发展方向之一。其 制备过程如图1 2 所示： 沪。黼沪o h 例渺尝 甜嘲卜一甜h ( c h 2 卜b u 6 + 6 一o 昔。仑圣： 占 一、 u ：2 d 交联的聚苯乙烯 罗军等【4 8 】制各出了一种新型的水溶性的高分子季铵盐一聚二烯丙基二甲基氯化 铵( p d a d m a c ) ，它是将季铵盐部分嵌套在一个五元环中，从而具有很高的稳定性 并同时具有较大的催化活性。其制备过程如图1 3 所示： c l+ h 图1 3p d a d m a c 的制备过程 近年来，还出现了一种复合型相转移催化剂，也具有较好的催化效果【4 9 1 。它们 是由不具备相转移催化能力的中性分子通过与氟化剂的配合制备而成的，其制备及相 转移催化机理如图1 4 所示： 9 l 绪论博士论文 驰s n f o r g + k f s 。l i 小一a r 3 s n f 2 。w r - - x o r g + a r 3 s n f 2 k 0 啼i k f + a r 3 s n f s o n d + k x o r g 图1 4 催化剂制备及催化过程 此外，一些有机金属或无机金属卤化物等也可作为卤素交换氟化反应中的l e w i s 酸催化剂，如f e c l 3 、a 1 c 1 3 、s b c l 3 等。它们的最早应用见诸于1 9 8 5 年j o n e s 的五氯 吡啶卤素交换氟化制备3 ，5 二氯2 ，4 ，6 三氟吡啶的报道中【5 0 】。与相转移催化剂靠活化、 转移亲核试剂的催化机理不同，它们是通过活化反应底物而实现催化反应的目的。因 为l e w i s 酸是缺电子体系，故其具有强烈的接受电子的能力，极易与富电子的芳、杂 环氯化物发生配位络合形成稳定的八隅体，如此使与氯原子相连的碳原子上的电子去 密度大大下降，从而有利于氟负离子的进攻。同时由于l e w i s 酸的作用，使得氯原子 与芳( 杂) 环的连接键由于被拉长而变弱，使氯原子的离去性增强，从而有利于卤素 交换氟化反应的进行。值得一提的是罗军【4 】在采用l e w i s 酸作催化剂催化氯代硝基苯 卤素交换氟化制备相应的氟代硝基苯时发现了所谓的“邻位效应”，即