CN103965047B - 3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,通式为XCH2COOR的化合物,在卤化亚铜、叔丁醇碱金属盐的存在下,于反应溶剂中与三氟甲烷反应生成3,3,3-三氟丙酸、3,3,3-三氟丙酸酯,其中化合物通式中X=Cl,Br,I;R=H,Me,Et,t-Bu;本发明具有原料廉价易得,对环境友好,反应步骤少,反应收率较高的特点,主要用于制备3,3,3-三氟丙酸及其酯。

Description

3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法
技术领域
本发明涉及一种含三氟甲基化合物的合成方法,尤其涉及一种3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法。
背景技术
含三氟甲基化合物在医药研发、农药创制、医学诊断治疗及功能材料等领域具有重要的研究价值及应用前景,备受研究机构、工业界的青睐,尤其是作为中间体的三氟丙酸及其酯类化合物。
世界专利WO2007020267公开了一种以偏二氯乙烯(VDC)、四氯化碳(CCl4)为起始原料经三步合成3,3,3-三氟丙酸的方法。该方法首先是在铜盐、助催化剂的存在下,由VDC与CCl4反应得到1,1,1,3,3,3-六氯丙烷(HCC-230fa),然后在氟化催化剂的存在下,液相氟化HCC-230fa得到3,3-二氯-1,1,1,3-四氟丙烷(HCFC-234fb)、3-氯-1,1,1,3,3-五氟丙烷(HCFC-235fa)和1,1,1,3,3,3-六氟丙烷(HCFC-236fa)的混合物,最后将上述混合物与三氧化硫、硫酸反应得到3,3,3-三氟丙酸。但该方法反应步骤多,收率低(第三步反应收率最高仅为42%,第一步反应收率也仅为76%),且需要用到强腐蚀性、毒性试剂如氟化氢、发烟硫酸等。
文献J.Fluorine Chem.,1982,21:99-106提及了一种3,3,3-三氟丙酸及酯的合成方法。该方法首先是在三氯化铝的存在下,由环己烷甲酰氯和偏二氟乙烯反应生成环己基-3-氯-3,3-二氟丙酮,然后在三苯基氯化铵的存在下,与氟化钾经氟氯交换反应得到三氟乙基环己基酮,再用过氧三氟乙酸经Bayer-Villiger氧化反应将酮转变为相应的三氟丙酸环己酯,最后再在三甲基碘硅烷的存在下,水解制备得到3,3,3-三氟丙酸。但该方法反应步骤多,反应收率低(3,3,3-三氟丙酸环己酯的收率为24.8%,3,3,3-三氟丙酸的收率仅为18.1%),且需要用到价格昂贵试剂如三甲基碘硅烷等作为原料。
文献J.Fluorine Chem.,2008,129:35-39提及一种3,3,3-三氟丙酸及其酯的合成方法。该方法首先是1-氯-3,3,3-三氟丙烯(HCFO-1233zd)在碱性条件下,与醇反应生成相应的三氟丙烯基醚,然后在对甲苯磺酸的催化下,再与醇反应制得相应的二缩醛,最后再在质子酸、路易斯酸的存在下经双氧水氧化得到3,3,3-三氟丙酸,三氟丙酸可再与醇经酯化反应得到相应的3,3,3-三氟丙酸酯。但该方法反应步骤多,反应收率低(3,3,3-三氟丙酸的收率为29.1%,而相应酯的产率仅为21.5%),且起始原料HCFO-1233zd目前的成本也较高。
尽管目前公开的制备3,3,3-三氟丙酸及其酯的方法较多,但却存在着诸如反应步骤多,反应收率低,原料试剂昂贵甚至不易得、对环境不友好等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足,提供一种原料廉价易得,对环境友好,反应步骤少,反应收率较高的3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法。
为了实现本发明的目的,本发明以式XCH2COOR化合物为底物,在卤化亚铜、叔丁醇碱金属盐的存在下,于反应溶剂中与三氟甲烷(R23)反应生成3,3,3-三氟丙酸及其酯,其中化合物通式中X=Cl,Br,I;R=H,Me,Et,t-Bu;反应条件为:反应温度30℃~180℃;卤化亚铜、叔丁醇碱金属盐、反应溶剂的摩尔比为:1:1~5:5~25;三氟甲烷与XCH2COOR的摩尔比1~10:1,反应时间为10~24h。反应方程式如下:
本发明中所述的反应温度为50℃~150℃,当然也可以选择在更宽的温度范围:30℃~180℃,但当反应温度较低时,反应转化率低;而当反应温度较高时,易于发生分解反应,且叔丁氧基易与式XCH2COOR化合物发生亲核取代副反应,不利于反应向目标产物的生成,同时副产物叔丁醇的含量也会增加。
本发明中所述的卤化亚铜为氯化亚铜,当然也可以是溴化亚铜、碘化亚铜,只是相对应的反应转化率和选择性不同而已,考虑到成本因素和反应效果,优选氯化亚铜。本发明中所述的叔丁醇碱金属盐为叔丁醇钾,还可以是叔丁醇钠。本发明中所述的反应溶剂为N-甲基吡咯烷酮(NMP),N,N-二甲基甲酰胺(DMF),当然也包括其它非质子性溶剂,优选N,N-二甲基甲酰胺。本发明中所述的氯化亚铜、叔丁醇钾、N,N-二甲基甲酰胺的摩尔比可以在较宽的范围内选择,为1:1~5:5~25,但是考虑到反应转化率以及反应后分离提纯,优选1:2:5~10,更优选1:2:5
本发明中所述的三氟甲烷与式XCH2COOR化合物的摩尔比为3~5:1。
本发明中所述的式XCH2COOR化合物为溴代乙酸、溴代乙酸甲酯、溴代乙酸乙酯、溴代乙酸叔丁酯、碘代乙酸、碘代乙酸甲酯、碘代乙酸乙酯、碘代乙酸叔丁酯。适合于本发明的卤代乙酸、卤代乙酸酯还包括氯代乙酸、氯代乙酸甲酯、氯代乙酸乙酯、氯代乙叔丁酯,但考虑到反应的难易程度及反应效果,优选溴代乙酸叔丁酯、碘代乙酸、碘代乙酸乙酯。
本发明的优选方案提供的3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,包括如下步骤:
(a)在反应釜中加入摩尔比为1:2:5的氯化亚铜、叔丁醇钾及N,N-二甲基甲酰胺,氮气置换两次后,在室温下搅拌0.5h至均匀,再将一定量的三氟甲烷通入,直至压力稳定在3bar;
(b)将碘代乙酸乙酯加入上述反应液中,其中三氟甲烷与碘代乙酸乙酯的摩尔比为5:1,升温至120℃,反应12h,冷却后,将反应液过滤,滤液加入一定量的水、乙醚,在30℃-40℃下萃取三次,合并有机相,无水硫酸钠干燥,蒸馏收集得到三氟丙酸乙酯。
与现有技术相比,本发明的优点包括:(1)本发明采用市售的卤代乙酸衍生物与生产R22的副产物R23作为反应原料,反应原料廉价易得,且对环境友好而对比文件中反应原料三甲基碘硅烷、HCFO-1233zd等价格昂贵,氟化氢、发烟硫酸等试剂腐蚀性、毒性强,对环境不友好;(2)本发明反应步骤少,是在卤化亚铜、叔丁醇碱金属盐的存在下一步法制备得到3,3,3-三氟丙酸、三氟丙酸酯,而对比文件需经三步或四步反应制备得到;(3)本发明反应收率较高,在较优条件下可达63.5%,而对比文件收率低于30%。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详细说明,但并非对本发明做任何形式上的限制。
分析仪器:海欣GC-930型气相色谱仪,安捷伦公司30m DB-5(50m×0.32mm)毛细管色谱柱;ITQ700(离子阱):Thermofisher scientific,安捷伦公司DB-624(30m×0.32mm)毛细管色谱柱。
色谱条件:初始柱温40℃,以10℃/min的升温速率升至180℃,保持3min;汽化室温度220℃,分流比为50。
离子阱质谱条件:灯丝发射电流70A;质量扫描范围10-350amu;全扫描方式,扫描速度10微扫描/秒;倍增器电压1556V;传输线温度220℃,载气为氦气。
实施例1:
(a)向100mL反应釜中依次加入氯化亚铜(3.0g,30.3mmol)、叔丁醇碱钾(6.9g,60.6mmol)及N,N-二甲基甲酰胺(22.2g,151.5mmol),氮气置换两次后,在室温下搅拌0.5h至均匀,再将过量的三氟甲烷通入,直至压力稳定在3bar,约需0.5h;
(b)将溴代乙酸乙酯(7.6g,45.5mmol)加入上述反应液中,缓慢升温至80℃,反应10h,冷却后,过滤反应液,向滤液中加入15mL水、在30℃-40℃下,乙醚(20mL×3)萃取三次,合并有机相,无水硫酸钠干燥,精馏收集104℃-105℃馏分,反应结果见表1,其中反应转化率以溴代乙酸乙酯为底物计算。
产品结构表征:
bp:104℃-105℃
1H-NMR(500MHz,CDCl3)δ1.30(t,JH-H=7Hz,3H),3.17(q,JH-F=10Hz,2H),δ4.24(q,JH-H=7Hz,2H)
13C-NMR(500MHz,CDCl3)δ164.09(q,JC-F=16.5Hz1C),123.41(q,JC-F=1098.5Hz,1C),61.79(s,1C),39.63(q,JC-F=122.8Hz,1C),13.89(s,1C)
19F-NMR(500MHz,CDCl3)δ-63.679(s,3F)
经分析证实本发明所得产物为3,3,3-三氟丙酸乙酯。
实施例2~7:
实施例2~7按照实施例1中相同的制备方法制备3,3,3-三氟丙酸及其酯,所不同的是实施例1中的反应温度为80℃,而实施例2~7中的反应温度依次为30℃、50℃、100℃、120℃、150℃、180℃。实施例2~7的反应结果如表1所示。
表1
实施例 反应温度(℃) 转化率(%) 选择性(%) 反应收率(%)
1 80 37.9 81.2 29.1
2 30 1.2 92.1 1.0
3 50 4.8 87.5 3.9
4 100 62.1 70.8 40.8
5 120 74.5 64.3 45.9
6 150 100 32.6 29.6
7 180 100 18.4 17.5
实施例8~12:
实施例8~12按照实施例1中相同的制备方法制备3,3,3-三氟丙酸及其酯,,所不同的是实施例1中的反应原料为溴代乙酸乙酯,反应温度为80℃,而实施例8~12中的反应原料依次为溴代乙酸甲酯、溴代乙酸叔丁酯、碘代乙酸、碘代乙酸甲酯,反应温度均为120℃。实施例8~12的反应结果如表2所示。
实施例8所得产品结构表征:
bp:94℃-95℃
1H-NMR(500MHz,CDCl3)δ3.19(q,JH-F=10Hz,2H),3.78(s,3H)
13C-NMR(500MHz,CDCl3)δ164.55(q,JC-F=16.5Hz1C),123.34(q,JC-F=1096.5Hz,1C),52.57(s,1C),39.36(q,JC-F=124.5Hz,1C)
19F-NMR(500MHz,CDCl3)δ-63.715(s,3F)
实施例10所得产品结构表征:
bp:145℃-146℃
1H-NMR(500MHz,CDCl3)δ3.26(q,JH-F=10Hz,2H),11.32(s,1H)
13C-NMR(500MHz,CDCl3)δ170.57(q,JC-F=16Hz1C),122.95(q,JC-F=1098.5Hz,1C),39.29(q,JC-F=125.5Hz,1C)
19F-NMR(500MHz,CDCl3)δ-63.705(s,3F)
经分析证实所得产物分别为3,3,3-三氟丙酸甲酯、3,3,3-三氟丙酸。
表2
实施例 反应原料 反应温度(℃) 转化率(%) 选择性(%) 反应收率(%)
8 溴代乙酸甲酯 120 76.0 61.7 46.2
9 溴代乙酸叔丁酯 120 84.4 75.6 63.5
10 碘代乙酸 120 90.5 46.3 41.9
11 碘代乙酸甲酯 120 87.2 52.8 46.0
12 氯代乙酸乙酯 120 2.1 94.4 1.8
实施例13~16:
实施例13~16按照实施例1中相同的制备方法制备3,3,3-三氟丙酸及其酯,所不同的是实施例1中的氯化亚铜、叔丁醇钾、DMF的摩尔比n(氯化亚铜):n(叔丁醇钾)、n(DMF)为1:2:5,反应温度为80℃,而实施例13~16中的两者摩尔比依次为1:1:5、1:3:5、1:2:10、1:2:15,反应温度均为120℃。实施例13~16的反应结果如表3所示。
表3
实施例 摩尔比 反应温度(℃) 转化率(%) 选择性(%) 反应收率(%)
13 1:1:5 120 23.7 58.2 12.6
14 1:3:5 120 35.6 42.8 14.3
15 1:2:10 120 76.1 65.4 48.7
16 1:2:15 120 78.9 68.3 52.8
实施例17~20:
实施例17~20按照实施例1中相同的制备方法制备3,3,3-三氟丙酸及其酯,所不同的是实施例1中的反应时间为10h,反应温度为80℃,而实施例17~20中的接触时间依次为12h、15h、18h、24h,反应温度均为120℃。实施例17~20的反应结果如表4所示。
表4
实施例 反应时间(h) 反应温度(℃) 转化率(%) 选择性(%) 反应收率(%)
17 12 120 76.5 69.7 52.3
18 15 120 77.2 72.6 55.1
19 18 120 79.4 67.8 53.2
20 24 120 81.0 57.1 45.8
实施例21~24:
实施例21~24按照实施例1中相同的制备方法制备3,3,3-三氟丙酸及其酯,所不同的是实施例1中的三氟甲烷与溴代乙酸乙酯的摩尔比为3:1,反应温度为80℃,而实施例21~24中的摩尔比依次为5:1、8:1、10:1、15:1,反应温度均为120℃。实施例21~24的反应结果如表5所示。
表5
实施例 摩尔比 反应温度(℃) 转化率(%) 选择性(%) 反应收率(%)
21 5:1 120 80.7 67.5 53.4
22 8:1 120 82.4 66.2 54.5
23 10:1 120 85.6 63.4 54.2
24 15:1 120 85.9 61.3 52.7
实施例25:
实施例25按照实施例1中相同的制备方法制备3,3,3-三氟丙酸及其酯,所不同的是实施例1中的反应溶剂为DMF,而实施例25中的反应溶剂为NMP,反应转化率为28.4%,选择性为77.8%,反应收率为20.6%。

Claims (8)

1.一种3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,其特征在于通式为XCH2COOR的化合物,在卤化亚铜、叔丁醇碱金属盐的存在下,于反应溶剂中与三氟甲烷反应生成三氟丙酸、三氟丙酸酯,其中化合物通式中X=Cl,Br,I;R=H,Me,Et,t-Bu;反应条件为:反应温度30℃~180℃;卤化亚铜、叔丁醇碱金属盐、反应溶剂的摩尔比为:1:1~5:5~25;三氟甲烷与XCH2COOR的摩尔比1~10:1;反应时间为10~24h。
2.根据权利要求1所述的3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,其特征在于所述的反应温度为50℃~150℃。
3.根据权利要求1所述的3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,其特征在于所述的卤化亚铜为氯化亚铜;叔丁醇碱金属盐为叔丁醇钾;反应溶剂为N-甲基吡咯烷酮,N,N-二甲基甲酰胺;氯化亚铜、叔丁醇钾、反应溶剂三者的摩尔比为:1:2:5~10。
4.根据权利要求3所述的3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,其特征在于所述氯化亚铜、叔丁醇钾、反应溶剂三者的摩尔比为:1:2:5。
5.根据权利要求1所述的3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,其特征在于所述的三氟甲烷与式XCH2COOR化合物的摩尔比为3~5:1。
6.根据权利要求1所述的3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,其特征在于式XCH2COOR化合物为溴代乙酸、溴代乙酸甲酯、溴代乙酸乙酯、溴代乙酸叔丁酯、碘代乙酸、碘代乙酸甲酯、碘代乙酸乙酯、碘代乙酸叔丁酯。
7.根据权利要求6所述的3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,其特征在于式XCH2COOR化合物是溴代乙酸叔丁酯、碘代乙酸、碘代乙酸乙酯。
8.根据权利要求1所述的3,3,3-三氟丙酸及其酯的制备方法,包括如下步骤:(a)在反应釜中加入摩尔比为1:2:5的氯化亚铜、叔丁醇钾及N,N-二甲基甲酰胺,氮气置换两次后,在室温下搅拌0.5h至均匀,再将一定量的三氟甲烷通入,直至压力稳定在3bar;(b)将碘代乙酸乙酯加入上述反应液中,其中三氟甲烷与碘代乙酸乙酯的摩尔比为5:1,升温至120℃,反应12h,冷却后,将反应液过滤,滤液加入一定量的水、乙醚,在30℃~40℃下萃取三次,合并有机相,无水硫酸钠干燥,蒸馏收集得到三氟丙酸乙酯。
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