氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯的合成研究-应用化学专业论文

1、分类号：学校代号：11845UDC：密级：学号：2110906037广东工业大学硕士学位论文(工学硕士)氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯的合成研究谢凯宏指导教师姓名、职称：左蚩雄熬援 专业或领域名称：廑用位堂 学生所属学院：轻工丝王堂院 论文辩论日期：2Q12生鱼月万方数据A Thesis Submitted to Guangdong University of Technology for the Degree of Master(Master of Engineering Science)Study on the Synthesis of Fluoroaceatate and FlUOrOeth

2、ylene carbonateMasterCandidate：Xie Kaihong Supervisor：ProfFang YanxiongJune 2021School of Chemical Engineering and Light Industry Guangdong University of Technology Guangzhou，Guangdong，P RChina，51 0006万方数据摘要摘要氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯是重要的化工和医药中间体，广泛地应用于医药， 染料，农药和电解质添加剂等领域。本文在采用卤素交换氟化反响合成氟代乙酸甲酯， 氟代乙酸乙酯和氟代碳酸乙烯酯的根

3、底上，研究了不同类型的离子液体作为相转移催 化剂对合成氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯的影响，以期获得规律性结果，并对合成工 艺进行优化，为工业化生产提供根底。通过考察不同类型的离子液体对氟化反响的影响，我们发现离子液体的结构对反 应具有较大的影响：当离子液体的阴离子为卤素阴离子(Br。，C1。)时，对氟代乙酸甲酯和氟代乙酸乙 酯的合成具有非常大的促进作用，当阴离子为BF4。，PF6一时，对氟乙酸甲酯和氟代乙酸 乙酯的合成具有非常小的促进作用或是阻碍作用；相反的，在合成氟代碳酸乙烯酯的 过程中，卤素型(Br，CI。)的离子液体对反响具有明显的阻碍作用，而阴离子为PF6。 的离子液体那么对反响具有较好

4、的促进作用。离子液体的阳离子对反响也具有一定的影响，总体来说，在合成氟代乙酸酯的过 程中，随着甲基咪唑环侧链上碳原子数的增加，离子液体的催化活性呈现下降的趋势； 在合成氟代碳酸乙烯酯的过程中，阳离子的规律性不强。在合成氟代乙酸酯的过程中，采用离子液体BmimBr作为催化剂时具有比传统季 铵盐催化剂TBAB，CTAB更优的结果。而在合成氟代碳酸乙烯酯的过程中，由于氟代 碳酸乙酯的合成反响过程中的活性较大，不加催化剂，已经有不错的产率，添加PF6型的离子液体作为催化剂，虽然能够促进反响的进行，但是考虑到工业生产的本钱和离子液体的回收等问题，该反响以不添加催化剂为宜。本文通过单因素实验考察了反响温度

5、，反响时间，KF的用量，溶剂的用量及溶剂 种类对反响的影响，通过正交实验设计，对氟化反响的工艺进行优化。结果说明，合 成氟代乙酸甲酯的优化工艺条件为：反响温度120、反响时间4h、催化剂用量33、 n(KF)：n(氯乙酸甲酯)=2、溶剂用量为25ml，产率可到达664；合成氟代乙酸乙酯的 优化工艺条件为：反响温度120。C、反响时间4h、催化剂用量12510一mol、n(KF)： n(氯乙酸乙酯)=175、溶剂用量为20ml，产率为754；合成氟代碳酸乙烯酯的优化工艺为：反响温度90。C、反响时间75min、n(KF)：n(氯代碳酸乙烯酯)=18、溶剂用量15ml，万方数据广东工业大学硕士学位

6、论文 产率可到达841。 关键词：氟乙酸乙酯；氟乙酸甲酯；氟代碳酸乙烯酯；卤素交换氟化法；II万方数据AbstractAbstractFluoro acetate and fluoro ethylene carbonate are important chemicals and pharmaceutical intermediates，widely used in the fields of medicine，dyes，pesticides，and electrolyte additivesDifferent types of ionic liquids have been used to c

7、atalyze halogen-exchange flrorination on fluoro acetate and fluoro ethylene carbonate，in order togain insight to such sorts of reactions and achieve the optimal reaction condiction，both ofwhich provide basis for further industrializationDifferent ionic liquids have been studied in the fluoronation，t

8、he results show that thestructure of ionic liquid play a key role in the reactionWhen the anions are halogen，it Can act as the effective phase transfer catalyst in the fluoronation on fluoroacetate，however it is less effective in the fluoronation on fluoro ethylene carbonateWhen the anions are BF4。a

9、nd PF6，it cail act as effective catalyst in the flronation of chloro ethylene carbonate，but it is less effective in the synthesis of fluoroaceateIn the other aspect，the types of cations produce some infuence on the reaction Generally speaking，catalytic activity of ILs decreases with increasing of th

10、e number of carbon atoms in cations during the process of synthesising fluoroacetateNevertheless，no obvious influenceof cation typescan bediscoveredin synthesisingethylene fluorocarbonateComparing the efficiency of different catalysts used in synthesizing fluoroaeetate，it can be concluded thatBminBr

11、 is a better catalyst than TBAB and CTABAs for synthesizing ethylene fluorocarbonate，good yield Can be achieved even without catalyst owning to activereaction property of the raw materialsAlthought PF6。type Ils Call promote the reaction，it would be better result without catalyst due to the problems

12、involving the cost and recycling ofILSThe influence of reaction parameters，such as reaction temperture，reaction time and the dosage of solvent were studiedThe productivity Was 664in the synthese of methyl flroroacetate at the optimum condition：dosage of catalyst was 33n(KF)：n(methyl chloroacetate)22

13、，dosage of solvent was 25ml at 1 20。C for 4hProductivity of 754in the synthese of ethyl flroroacetate can be achieved at optimum condition as follows：dosage of catalyst was 33，n(KF)：n(ethyl chloroacetate)=175，dosage of solvent Was 20ml at 120。C for 4hFor the synthese of flroro ethylene carbonatethe

14、optimum condition leading tOIll万方数据广东工业大学硕士学位论文841productivity is n(KF)：n(fluoro ethylene carboate)=18dosage of solvent was 1 5ml at90for 75minKey word：Ethyl fluoroacetate，Methylfluoroacetate，fluoro ethylenecarbonate， halogenexchange flrorination万方数据符号说明符号说明缩写中文名bmimBr溴代丁基甲基咪唑盐HemimBr溴代己基甲基咪唑盐Hepmim

15、Br溴代庚基甲基咪唑盐DmimBr溴代癸基甲基咪唑盐CaFl7mimBr溴代全氟辛基甲基咪唑盐CzPyBr溴代乙基吡啶盐C4PyBr溴代丁基吡啶盐C6PyBr溴代己基吡啶盐C16PyBr溴代十六烷基吡啶盐bmimCl氯代丁基甲基咪唑盐PmimCl氯代戊基甲基咪唑盐OmimCl氯代辛基甲基咪唑盐CsPyCl氯代戊基吡啶盐bmimBF4丁基甲基咪唑四氟硼酸盐pmimBF4戊基甲基咪唑四氟硼酸盐HemimBF4己基甲基咪唑四氟硼酸盐HepmimBF4己基甲基咪唑四氟硼酸盐OmimBF4辛基甲基咪唑四氟硼酸盐bmimPF6丁基甲基咪唑六氟磷酸盐HemimPF6己基甲基咪唑六氟磷酸盐HepmimPF6庚

16、基甲基咪唑六氟磷酸盐OmimPF6辛基甲基咪唑六氟磷酸盐hrnnpHS04吡咯烷酮硫酸氢盐HemimHS04己基甲基咪唑硫酸氢盐HemimH2P04己基甲基咪唑磷酸氢盐V万方数据广东工业大学硕士学位论文CTAB十六烷基三甲基溴化铵TBAB四丁基溴化铵PEG6000聚乙二醇6000PEG1000聚乙二醇1000PEG一600聚乙二醇600PEG400聚乙二醇400PEG一200聚乙二醇200DMFN，N一二甲基甲酰胺DMACN，N二甲基乙酰胺DMSO二甲基亚砜N【PN甲基吡咯烷酮THF四氢呋喃VI万方数据目录目录摘要IAbstract III符号说明V目录VIICatalogue ， XI第一章

17、绪论111有机氟化物的性质及应用1111有机氟化物的性质一1112有机氟化物的应用一112有机氟化物的合成方法一2121直接氟气法2122 BalzSchiemann氟化法3123电化学氟化法3124亲核取代法313卤素交换反响3131氟化试剂4132反响溶剂5133催化剂614离子液体9141离子液体的简介一9142离子液体在氟化反响中的应用1015本课题研究的目的意义及实验方案11151实验方案11第二章氟代乙酸甲酯的合成研究1321引言13211反响方程式1422实验内容14VII万方数据广东工业大学硕士学位论文221实验试剂14222实验仪器及装置图1523实验方法1 6231实验步骤

18、16232分析与检测16233单因素考察1 7234正交实验1 824结果与讨论19241反响时间对反响的影响19242反响温度对反响的影响19243催化剂用量对反响的影响20244氟化钾用量对反响的影响21245溶剂用量对反响的影响21246氟化剂种类对反响的影响22247溶剂种类对反响的影响23248催化剂种类对反响的影响23249正交实验结果与分析242410GCMS分析一2625本章小结26第三章氟代乙酸乙酯的合成研究2931引言29311反响方程式2932实验内容30321主要实验试剂一30322实验仪器实验装置图3033实验方法3 1331实验步骤3 I332分析检测3 l333单

19、因素实验32VlII万方数据目录334正交实验3334结果与讨论34341反响时间对反响的影响34342反响温度对反响的影响35343催化剂用量对反响的影响35344氟化钾用量对反响的影响36345溶剂用量对反响的影响37346氟化试剂种类对反响的影响37347溶剂种类对反响的影响38348催化剂种类对反响的影响38349正交实验结果与分析4035产物结构表征4136本章小结42第四章氟代碳酸乙烯酯的合成研究4341引言43411反响方程式4442实验内容44421实验仪器及装置图44422主要实验试剂4543实验方法45431实验步骤45432分析检测46433单因素实验47434正交试验设

20、计4845结果与讨论48451反响时间对反响的影响48452反响温度对反响的影响49453氟化钾用量对反响的影响49454溶剂用量对反响的影响50万方数据广东工业大学硕士学位论文455氟化试剂种类对反响的影响51456溶剂种类对反响的影响51457催化剂种类对反响的影响52458含水量对反响中的影响5445。9正交试验分析54451 0产物结构分析5546本章小结56结论58参考文献一61攻读学位期间发表的论文一67学位论文独创性声明68学位论文版权使用授权声明68致谢69X万方数据CatalogueAbstract(chinese)IAbstract IllSymbolic Account

21、VCatalogue(Chinese、VIICatalogue XIChapter 1 Introduction111 Property and application oforganic fluoride1111 Property oforganic fluoride1112 Application oforganic fluoride一1 12 Synthesis Methods2121 Direct Fluorination2122 BalzSchiemann Fluorination3123 Electrochemical Fluorination 3124 Nucleaphlic f

22、lrorination3 13 Halogenexchange flrorination 3 131 Fluorination agent4132 Solvents5 133 Catalysts614 Ionic Liquid9141 Summary ofIonic Liquids9142 Application oflls on fluorination10 15 Meaning and methord ofthe Paperl l1!；1 Methord。11Chapter 2 Synthesis ofMethyl fluoroacetate 13 21 Forword13 22 Form

23、ula 1422 22 Experiment14221 Reagent14222 Device1 523 Methods 16231 Process ofExperiments16万方数据广东工业大学硕士学位论文232 Analysis 16233 Single factor Experiment 17 234 Orthgonal Experiment 1 824 Results and Discussion19241 Influence ofReaction time 19242 Influence ofReaction Temperature 19 243 Influence ofCata

24、lyst Dosage 20 244 Influence ofKF Dosage 21 245 Influence of Solvent Dosage 21 246 Influence ofFluorination agents。 22 247 Influence of Solvents 23248 Influence ofCatalyst 23 249Analysis ofOrthgonal Experiment 24 2410 Analysis GCMS 2625 Brief Summary26Chapter 3 Synthesis ofEthyl fluoroacetate -29 31

25、 Forword 29311 Formula 2932 Experiment 30321 Reagent 30322 Device 3033 Methods 3 1 331 Process ofExperiments3 1 332 Analysis 3 1333 Single factor Experiment ， 。 32334 Orthgonal Experiment 3334 Results and Discussion 34 341Influence ofReaction time34342 Influence of Reaction Temperature 35 343 Influe

26、nce ofCatalyst Dosage 36344 Influence ofKF Dosage 36345 Influence of Solvent Dosage 37 346 Influence ofFluorination agents 37XIl万方数据347 Influence of Solvents 一38348 Influence of Catalyst 38 349 Analysis ofOrthgonal Experiment 4035 Analysis GCMS 4136 Brief Summary 42 Chapter 4 Synthesis ofFluoro ethy

27、lene carbonate 43 41 Forword 43411 Formula 4442 Experimen 44421 Device 44 422 Reagent 4543 Methods： ：45431 Process ofExperiments 45432 Analysis 46433 Single factor Experiment 47434 Orthgonal Experiment 4845 Results and Discussion 48451 Influence of Reaction time 48 452 Influence ofReaction Temperatu

28、re 49 453 Influence ofKF Dosage 49 454 Influence ofSolvent Dosage 50455 Influence ofFluorination agents 51456 Influence of Solvents 5 1 457 Influence ofCatalyst 52458 Influence ofWater dosage 54459 Analysis ofOrthgonal Experiment 54 4510 Analysis GCMS 5546 Brief Summary 56 Conclusion 58 References 6

29、0 Published Papers during the Study for MasterS degree 67Statement ofOriginal Creation 68Statement ofAuthorization Copyright 。 。 68万方数据广东工业大学硕士学位论文Acknowledgement 69XIV万方数据第一章绪论第一章绪论11有机氟化物的性质及应用111有机氟化物的性质20世纪30年代初，氟氯烷烃(CFCs)被用作制冷剂标志着有机氟化物工业应用的 开始。在过去的一个世纪，不断出现的含氟药物，含氟农药和含氟材料将有机氟化物 的研究推向一个更前沿的领域【l翻

30、。氟是一个较为特殊的元素，不仅具有较小的原子半径(范德华原子半径为147pm)， 同时还具有较大的电负性(398)，氟原子与碳原子成键时，氟原子的2s和2p轨道与碳 原子的2s和2p轨道具有完美的重叠，这导致所形成的CF键高度极化，具有优良的热力 学稳定性和动力学稳定性，这显著地增强了有机氟化物的稳定性和生理活性。有机氟 化物还具有较高的脂溶性和疏水性，这有利于加快其在生物体内吸收与传递速度，改 变生理作用。112有机氟化物的应用受引入的氟原子或是含氟基团的影响，有机氟化物展现了其一系列特殊的性质，在多个领域具有广泛的应用。 1在医药方面的应用在药物分子中引入氟原子或是含氟基团能够显著改善其电

31、子效应，代谢阻碍效应 和脂溶性，使其具有特殊的药用和生物活性。目前国际上使用的药物中大约有20的 药物为含氟化合物。目前，含氟药物根据其用途的不同大致可以分为五大类：a含氟抗 肿瘤药物，如5氟尿嘧啶，双呋氟尿嘧啶，氟铁龙和氟他胺等；b含氟抗生素药物， 如5氟胞嘧啶，氟氯青霉素，氟代喹诺酮酸等；c含氟抗寄生虫药物，如甲氟喹，氟代 咪唑，氟乙酰胺等；d含氟非甾体药物如氟吡洛芬，氟苯水杨酸；e含氟抗精神病类 如氟哌啶醇，五氟利多，含氟的5羟色胺，多巴胺D2受体拮抗药等3。5】。2在外表活性剂方面的应用 外表活性剂结构中的氢原子被氟原子或是含氟官能团所取代的外表活性剂称为氟外表活性剂。氟外表活性剂是一

32、种特种外表活性剂，具有优良的外表活性，良好的热万方数据广东工业大学硕士学位论文稳定性和化学稳定性。同时，这种类型的外表活性剂既具有憎水性又具有憎油性【67】。 3在液晶材料中的应用在液晶材料中引入氟原子或是含氟的基团，能够显著的改善液晶介电各向异性， 提高液晶分子对光热的稳定性，有利于增加液晶中其它成分的溶解性【8-91。 4在农药方面的应用在农药分子的适当部位，用氟取代氢，将氟原子引入到具有生物活性的化合物中， 能够有效的调高生物活性，同时又不会对哺乳动物造成癌致畸作用。目前市面上的含 氟农药主要有几大类：a含氟除草剂，如氰氟草酯，氟嘧黄隆，氟胺草酯；b含氟抗 菌剂，如氟硅唑，氟环唑，氟啶胺

33、，氟啶酰菌胺等； c含氟杀虫剂，如氟铃脲，氟酰 脲，氟虫腈，氟虫双酰胺等】0_】。5在染料方面的应用在染料分子中，引入氟原子能够有效地提高活性染料的固色率，增加键的稳定性， 调高其耐碱稳定性，同时，由于受氟原子的高电负性的影响，含氟染料的反响性染色 温度会比含氯染料低，具有节能的好处12m】。12有机氟化物的合成方法含氟化合物的合成方法有很多，最主要的大致可分为四种：直接氟气法，重氮法， 电化学氟化法，亲核取代法。121直接氟气法氟气直接氟化法是指采用单质氟直接同烃类反响生成相应的氟化物。不过由于单 质氟是非常活泼的元素，在氟化反响中，采用它作为氟化试剂，在反响中会有大量的 热量放出，工业化生

34、产有发生爆炸的危险。同时由于反响太剧烈，容易造成明显的CC 键的断裂，并且难于控制反响中引入氟原子的数目及位置14-15】。采用惰性气体对单质氟进行稀释，并且在低温下反响，虽然有些化合物也可以直 接氟化，但是，生成的氟化物往往会比拟复杂，这会加大纯化的难度，同时由于反响 太过剧烈，对整个反响的设各也提出很高的要求，这些不利因素都限制了该方法的实 际应用。2万方数据第一章绪论CxHy+F2CF4+HF+engergy图11直接氟气法反响式Fig l一1 Formula of direct fluorination122 BalzSchiemann氟化法BalzSchiemann氟化法是将苯胺类化

35、合物经重氮化反响生成重氮盐，再受热分解生 成相应的氟化物。到目前为止，人们对该反响的研究比拟多，也取得了一定进展。但 是，该方法存在合成步骤较长，反响中生成的中间体一重氮盐不稳定，重氮盐的精致比 较麻烦，原子经济效率不高，重复性较差等缺点，限制了该方法的应用。艿 型蚓 坠邺囟 苎一It由N2+BF4F图12 BalzSchiemann氟化法反响式Figl一2 Formula ofBalzSchiemann fluorination12-3电化学氟化法电化学氟化法是指在无水HF液体中电解有机化合物，在阳极(镍电极)生成氟 化物，阴极释放出氢气。该方法较多是用于卤代烃、磺酰卤、醚、羧酸和胺的氟化。

36、 由于这种方法具有能耗低，污染小，可在常温，常压下进行等优点，近年来，该方法 获得了快速的开展。但是该方法仍然存在选择性差的缺点。124亲核取代法氟是电负性最大的元素，氟原子具有很强的亲核性，可以作为一个强的亲核试剂 发生亲核反响。与前面所讲的氟化方法相比拟，亲核取代法具有较好的区域选择性。 亲核取代反响主要包括卤素交换反响15】和脱硝基取代反响1 61。13卤素交换反响卤素交换反响是亲核取代反响的一种，也是目前引入氟原子的一种重要方法。卤万方数据广东工业大学硕士学位论文素交换氟化法是指氟化试剂中的氟同其他卤化物中卤素原子发生交换反响生成相应的 氟化物。目前，对于卤素交换反响的研究，主要是集中

37、在氟化试剂，反响溶剂，新型 的相转移催化剂等方面的研究。131氟化试剂在卤素交换反响中，所采用的氟化剂可分为两大类，无机氟化剂和有机氟化剂。 无机氟化剂包括KF，CsF，NaF，CaF2，AgF，NI-14F等，有机氟化剂包括四丁基氟化 铵，四甲基氟化铵等含氟季铵盐。Pinaki S等1采用KF和CsF作为氟化试剂，对含有氯原子或是溴原子的卤化物进 行卤素交换反响，在3075minl为合成氟乙酸甲酯等一系列氟化物，取得了较好的收率。 Hu等18采用具有高活性的无水四丁基氟化铵作为氟化剂，合成一系列的氟化物， 并且比照了不同氟化剂的氟化反响的效果，结果发现无水四丁基氟化铵相比于其他的氟化试剂可在

38、温和的条件下获得较高的收率。除了采用单一氟化剂外，也有文献报道采用复合氟化剂，提高反响的速率和产率。 Junko掣191采用无水KF和CaF2粉末作为复合氟化剂，对溴苯的卤化物进行氟交换反响， 发现在相同的条件下取得了比采用单一氟化物更加优异的产率。除了上述的无机氟化剂和有机氟化剂外，采用HFBase作为氟化试剂的报道也比拟 多20-22】，如，Laurent采用3HFEt3N作为氟化剂，在反响温度为20。C下反响4h，获得了 901拘产率23。采用CsF，四丁基氟化铵作为氟化剂时，虽然其反响活性比拟高，但是，价格比 较贵，不利于工业化生产。综合本钱价格和反响活性两方面考虑，采用活性较好并且

39、价格廉价的KF作为氟化剂是比拟适宜的。卤素交换反响是固液两相的反响，KF在溶剂或是反响物中的溶解度非常小，为了 能够加快反响的速率，提高KF的比外表积，增加KF的反响活性就成为了研究氟化反响 的一个重点。目前，使用最多的KF是经过喷雾枯燥形成的氟化钾(SDKF)，它是通过将30 的I江水溶液经过300500。C的喷雾枯燥形成的，所得到的KF的外表积为13m3g，相 比普通的KF，其反响活性有了较大的提高24。Kimura等251将KF水溶液先进行冷冻至形成固体，在室温下进行真空升华，除去KF4zkq 20210924万方数据第一章绪论中的水分，所得到的KF的比外表积远远大于普通蒸除水分的KF。

40、有文献报道26271，向烧瓶中参加一定量的氟化钾和无水甲醇，机械搅拌下回流15h， 使其分散成细小的颗粒，回流约一段时间后，参加一定量经过枯燥除水过的甲苯，先 常压蒸馏将甲醇、甲苯及少量的水分蒸出，约蒸出一定量的馏分后， 参加反响所需的 溶剂继续蒸馏，这样可以得到无水并且颗粒较小的KF。132反响溶剂卤素交换反响往往是固液两相的反响，不采用溶剂进行反响，反响往往也能进行， 但是效果一般不是很理想，因为在反响过程中，往往由于搅拌不均匀，导致整个反响 过程中的传质传热不够理想而影响反响的进行。如Boudakian在1966年公布的专利中，在无溶剂的条件下合成硝基氟苯，该反响需要290反响24h，并

41、且最终获得的产率比较低281。卤素交换反响中的溶剂往往是采用极性的非质子性溶剂，这主要是考虑到KF在极 性溶剂中的溶解度相比于在非极性溶剂中溶解度大，同时，由于F。易与含有活泼氢的 化合物形成氢键，不仅降低KF的反响活性，阻碍氟化反响的进行，而且有可能产生不 期望的副反响。目前使用较多的极性非质子性溶剂有，N，N二甲基甲酰胺(DMF)，N， N二甲基乙酰胺(DMAC)，二甲基亚砜(DMSO)，N甲基吡咯烷酮(NMP)，环丁砜 (TMS02)，1，3二甲基二咪唑啉酮(DMI)等。由于这些极性溶剂在高温下会发生部 分分解，所以也有人采用中等极性的硝基苯作为反响的溶剂，如，梁政勇等【29】采用硝 基

42、苯作为反响溶剂合成对氟苯甲醛，获得了788的产率，而同等条件下，采用DMSO 作为溶剂时仅有125的产率。也有报道虽然没有参加传统意义上的催化剂，但是，利用催化剂的低熔点的特性， 通过加大催化剂的量，使其在反响过程中同时起催化剂和溶剂的作用。Pinald S等30。31 采用TBAB和HTPB作为催化剂，对脂肪族卤代烃的氟化反响，他加大催化剂的使用 量，使整个反响体系在到达反响温度时，处于熔融的状态，这时的季铵盐催化剂同时 起到催化剂和溶剂的作用。zkq 20210924万方数据广东工业大学硕士学位论文133催化剂氟化反响研究的初期，一般反响中是没有添加催化剂的，但是，由于卤素交换氟 化反响往

43、往是固液两相的反响，参加催化剂有利于改善相间的传质能力，提高反响的 速度，缩短反响时间。氟化反响中的催化剂大致可以分为四大类，分别为嗡盐型催化 剂，冠醚型催化剂，醚类催化剂，聚合物负载的催化剂。(1)翁盐型催化剂 嗡盐类催化剂是应用较为广泛的一类催化剂，一般以Q+X表示。嗡盐型包括季铵盐型，季鳞盐型，季绅盐型等。在氟化反响中，应用最多的是季铵盐和季鳞盐型催化剂。嗡盐催化剂是具有双亲结构的化合物，同时具备亲水性和亲油性，在氟化反响的 过程中，主要是扮演“搬运工的角色，源源不断的将水相中的F。输送至油性，同时 将有机相中阴离子X带回水相，直至反响物消耗完为止。嗡盐型催化剂的催化剂机理可以用下列图表

44、示Water：KF+R4N+X=；=兰=KX+RdN+F。SurfaceOrganic：RX+RaN+F。=；=RF+R4N+X图13相转移催化机理Fi913 Definition of Phase Transfer Catalysis季铵盐型催化剂具有较好的催化活性，并且价格相对来说较为廉价，在有机合成 中具有广泛的应用。Yoel等p21采用四甲基氯化铵作为相转移催化剂，在120C反响35h， 合成3氯一4一氟硝基苯，转化率到达998，选择性为99。汪树清等331采用四丁基溴 化铵作为催化剂催化氯乙酸乙酯和氟化钾反响合成氟代乙酸乙酯，加热回流8h，产率为735。唐渝等34】采用十六烷基三甲基

45、溴化铵作为催化剂，DMF作为溶剂，用2，3，5，6四氯二苯甲腈和KF在110。C反响4h，获得的产物收率有703。 季鳞盐是另一类应用较多的嗡盐型催化剂，相比季铵盐的催化剂，两者的催化活性相类似，但是季鳞盐的热稳定性要优于季铵盐型催化剂。Hiroyuki掣351，采用四苯 基溴化磷作为催化剂，催化合成2,4二氟苯磺酰氟，收率为74。李斌栋等采用四苯基溴化磷作为催化剂，在210C的条件下合成了9种芳香化合物，收率到达76以卜。zkq 20210924万方数据第一章绪论近年来，为了提高嗡盐型催化剂的热稳定性，增加其催化活性，人们研究了共轭离子型嗡盐型催化剂在氟化反响中的应用38】。 (2)冠醚型催

46、化剂冠醚类催化剂是一类具有独特的分子空腔结构的大环状大分子多元醚化合物，它 们的结构中含有多个OCH2CH2的结构的重复单元。冠醚类催化剂的催化原理主要是 利用冠醚分子中的氧原子与金属离子形成配位阳离子，并将客体分子带入另一相中释 放，进而使两相间的反响得以发生。David等391采用18冠6作为催化剂，催化合成4一 氟3氯1一(2，3，5一三苯甲酰基BD一呋喃核糖基)一1,6二氢一6一哒嗪酮。冠醚类催化剂具有非常高的催化活性，但是由于其价格比拟昂贵，并且毒性比拟 大，这些缺点也限制了冠醚类催化剂的应用。(3)开链聚醚类催化剂 开链聚醚类催化剂的催化效果不如季铵盐等催化剂，但是它具有具有较高的

47、化学稳定性，毒性小，合成方便，价格低廉的优点，因此受到了较多的研究，其催化机理 是由于链节可以折叠成螺旋状并自由滑动的链，位于内侧的氧原子与金属阳离子配位， 形成稳定的配合物，溶于有机相中，从而使亲核试剂裸露出来，使其具有较高的反响活性，同时从水相转移至有机相，形成目标产物。其催化机理如下列图所示：HO(CH3CH20)nH+M+Nu；=r文、：，、。Lpu图l一4醚类催化剂催化机理Fi914 Catalyst mechanism of PEGGanapati D等40】以对甲苯磺酰氯和KF为原料，PEG400作为催化剂，在室温下 合成了对甲苯磺酰氟，产率到达90。低分子量的聚乙二醇由于其羟基

48、密度较大，易 吸水，有可能增加氟化反响中的副反响的发生的几率，人们更亲睐于采用相对分子质量更大的聚乙二醇作为催化剂。罗军41等考察了不同分子量的聚乙二醇对对氯硝基苯 氟化反响的影响，发现，不同分子量的聚乙二醇对原料的转化率无明显的影响，但是 对产物的选择性的影响具有非常大的影响，低分子量的聚乙二醇作催化剂时，其选择zkq 20210924万方数据广东工业大学硕士学位论文性仅为421，而采用高分子量的聚乙二醇作为催化荆时，其选择性高达967。 (4)负载型催化剂为能够提高催化剂在高温条件下的催化性能，方便催化剂的重复使用，人们将传 统的催化剂如，季铵盐，季鳞盐，聚乙二醇等催化剂负载在高分子上，开

49、发出一类新 型的催化剂一负载型催化剂。Liang等开发出一类新型的咪唑聚合物催化剂，这种催化剂展现了优越的化学和 热稳定性，将其应用于对氯硝基苯的氟化反响中能够获得928的产率。该种催化剂 的制备方法如图15所示：2 Br(CH2)4Br7气N一俐也一今7巡蚴巫一(cH2)4一g一HQ l卟e一也一gH2cH2。FMiyajima等【43】采用聚苯乙烯对季鳞盐进行负载，合成了聚苯乙烯负载的季鳞盐 催化剂(结构式如下图)，将其应用于2，4二硝基氯苯的氟化反响中，可获得较好的PhP一Ph c1IPh图16聚苯乙烯负载季磷盐催化剂Figl-6 Polymer-Suppror quaternaryVi

50、nod等删采用聚合物负载聚乙二醇(n=5)，合成了一类负载型聚乙二醇催化剂， 这种催化剂能够明显的促进亲核氟化反响的进行。下列图是负载型聚乙二醇催化剂的结 构：zkq 20210924万方数据第一章绪论Q图17聚合物负载聚乙二醇Figl-7 Polymer-Suppror pentaerhylene Glycol除了上述的催化剂外，近年来，还出现了一类复合催化剂，它们在氟化反响中也 有较好的催化效果45。461。14离子液体141离子液体的简介近年来，随着环境问题的日益严重， 人们的环保意识在逐渐增强，寻找绿色的反 应介质和催化剂成为了当今研究的热点。 离子液体作为一种环境友好型的化学物质，

51、越来越受到人们的亲睐，对离子液体的性质和应用也开展了大量的研究。表1-1局部组成室温离子液体的阴阳离子Figl1 Structure offamiliar cations and anions ofionic liquids阳离子阴离子zkq 20210924万方数据广东工业大学硕士学位论文离子液体是一类在室温或是接近室温(低于100。C)下呈现液体状态，且完全由体 积相对较大、不对称的有机阳离子和体积相对较小的无机阴离子组合而成的物剧47】。 离子液体的种类繁多，通过改变阴阳离子的不同组合，能够设计出各种各样的离子液 体。离子液体的非挥发性，独特的物理性质，如高的热稳定性和化学稳定性，较宽的

52、 液体状态范围，较宽的电化学窗口，优良的溶解性481，这些性质使得离子液体在有机合成14953J，别离纯化及电化学等领域具有广阔的应用。142离子液体在氟化反响中的应用传统的氟化反响一般是采用碱金属氟化物作为氟化试剂，极性的非质子型溶剂作 为反响的介质，参加适量的相转移催化剂，在一定温度下进行反响。在这个过程中采 用的极性非质子型溶剂如DMSO，DMF，NMP等，虽然能够加速反响的进行，但是其 相对较高的沸点，会增加产物别离纯化的难度，同时，溶剂的热不稳定性，会造成溶 解在高温反响时发生分解，造成溶剂的回收较为困难。离子液体由于其优越的物理化学性质，它对无机盐和有机物均有较好的溶解性， 同时，

53、大多数的离子液体往往具有较好的相转移催化的功能，将离子液体应用于有机 氟化反响中，能够有效地促进氟化反响的进行。Christopher等【54】采用BmimPF6作为溶剂对一系列的卤素化合物进行氟代反响，取得里较为理想的效果，但是，在实验中， 也发现，长时间的高温反响，离子液体会有局部发生分解。Kim551等采用BmimX(x 为BF4，PF6，NTf2，SbF6，oTt)作为溶剂，KF作为氟化试剂，对甲磺酰萘进行氟取代反响，结果发现，在相同的反响条件下，采用离子液体作为反响介质的效果要远远优 于采用乙腈作为反响介质时的产率，同时发现，适量水的存在有利于反响的进行。Sandip 等【56】在咪

54、唑环的侧链引入叔丁醇官能团，合成了一类叔丁醇烷基咪唑型的离子液体，在室温下进行亲核氟化反响，取得了较为理想的效果。Vinod HJadhav等垆7J在咪唑型 离子液体的支链上引入低分子量的聚乙二醇，合成了一类聚乙二醇的咪唑离子液体， 结果发现，该类离子液体在氟化反响中具有较好的催化效果。近年来，为了提高离子 液体在氟化反响中的热稳定性及重复使用，将传统的离子液体负载于聚合物中是目前 研究的一个热点。Kimt581等合成了一类聚苯乙烯负载的咪唑型离子液体催化剂(结构 如下列图所示)，这种催化剂在氟化反响中具有较好的催化效果。第一章绪论旷ep。岔 X图1-8聚合物负载离子液体Figl-8 poly

55、mer-supposed imidazolium salts15本课题研究的目的意义及实验方案氟代乙酸甲酯，氟代乙酸乙酯和氟代碳酸乙烯酯是一类重要的有机氟化物，是重 要的化工中间体，医药中间体及电子化学品。氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯的工业化 生产具有较大经济价值及市场前景。本课题将通过筛选催化活性高的离子液体作为反响的催化剂，合成氟代乙酸甲酯， 氟代乙酸乙酯和氟代碳酸乙烯酯，并对氟代乙酸甲酯，氟代乙酸乙酯和氟代碳酸乙烯 酯的合成工艺进行优化。151实验方案(1)采用离子液体作为催化剂合成氟代乙酸甲酯，筛选催化活性高的离子液体，通 过单因素实验考察反响时间，反响温度，催化剂的用量，溶剂用量，溶剂

56、种类对反响 的影响，通过正交实验优化氟代乙酸甲酯的合成工艺。(2)采用离子液体作为催化剂合成氟代乙酸乙酯，筛选催化活性高的离子液体，通 过单因素实验考察反响时间，反响温度，催化剂的用量，溶剂用量，溶剂种类对反响 的影响，通过正交实验优化氟代乙酸乙酯的合成工艺。(3)采用离子液体作为催化剂合成氟代碳酸乙烯酯，筛选催化活性高的离子液体， 考察反响时间，反响温度，催化剂的用量，溶剂用量，溶剂种类对反响的影响，通过 正交实验优化氟代乙酸乙酯的合成工艺。第二章氟代乙酸甲酯的合成研究第二章氟代乙酸甲酯的合成研究21引言氟代乙酸甲酯是一个重要的化工中间体，在染料，医药，农药等领域均具有非常广泛的应用，是合成

57、抗癌药物5一氟尿嘧啶的重要原料15一，。 卤素交换氟化反响是指采用卤化物(卤素一般是指氯原子和溴原子)同无机金属氟化物或是有机氟化物发生亲核取代反响。由于这种方法具有较好的位置专一性，能 够在有机物的特定位置上引入氟原子，目前，卤素交换氟化法是引入氟原子的一个重 要方法。卤素交换反响是固液两相问的反响，反响过程中往往需要添加适量的相转移催化 剂，改善固液两相间的传质性能。目前，在合成氟代乙酸甲酯的反响过程中所采用的 催化剂大多是季铵盐型的催化剂，但是这种类型的催化剂的耐热性较差容易受热分解。 由于离子液体具有良好的热稳定性，选择性溶解能力，非挥发性，易于回收等突出 优点，近年来，离子液体越来越

58、多的应用于非均相相转移催化有机合成反响中。同传 统的季铵盐催化剂相比拟，离子液体的耐热性更好，离子液体的分解温度一般是高于300。本章以实验室自行合成的离子液体作为催化剂，催化氯乙酸甲酯和氟化钾反响，合 成氟代乙酸甲酯，对氟代乙酸甲酯合成工艺进行优化。表2-1原料和产物的性能Fi921 Property of raw material and product广东工业大学硕士学位论文211反响方程式CICH2COOCH3FCH2COOCH3Solvent图21氯乙酸甲酯氟化反响方程式Fi921 Formula ofMethyl chloroacetates fluorination22实验内容2

59、21实验试剂表2-2实验试剂Table 2-2 Reagents注：1氟化反响中所用的溶剂均是蒸馏后，采用活化过的4A分子筛进行除水 2氟化反响中所用的氟化试剂均是在150。C的烘箱中烘一天。3实验中所用的离子液体均是在真空枯燥箱中枯燥24h。14万方数据第二章氟代乙酸甲酯的合成研究222实验仪器及装置图(1)实验仪器表23主要仪器Table23 Main device(2)实验装置图图22实验装置图Fi92-2 Reaction device万方数据广东工业大学硕士学位论文23实验方法231实验步骤在带有枯燥管，回流冷凝管的单口烧瓶中参加549(005m01)的氯乙酸甲酯， 018819(0

60、001m01)氯代戊基甲基咪唑盐(PmimC1)，5829(01m01)KF，25mlDMF， 待油浴温度升至110*C时，将烧瓶放入油浴中，搅拌反响25h。反响完毕，冷却至室温， 过滤，取滤液进行GC分析。232分析与检测2321 GC分析： 选用氯乙酸乙酯作为内标物，通过内标标准曲线法计算氟代乙酸甲酯的产率。色谱分析的条件如下所示：柱子：PEG-20M(polyethylene glycol 20M)50m*025mm载气：N2；燃烧气：H2；助燃气：Air 色谱柱温度：105 气化室温度：190 FID检测器温度：200在以上分析条件下，得各物质的气相色谱图如下：；兽L。袱R=5675m