CN107935884B - 全氟腈的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全氟腈的制备方法,包括以下步骤:a.全氟烯烃R1R2C=CR3R4与碳酰氟发生加成反应,得到酰氟R1R2(COF)C‑CFR3R4(R1、R2、R3和R4的通式均为‑CnF2n+1基团,n为非负整数集);b.酰氟R1R2(COF)C‑CFR3R4与酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物R‑NH2(R为锂、钠、钾、铷、铯或者‑CmH2m+1基团,m为非负整数集)反应,得到酰胺R1R2(CONH2)C‑CFR3R4;c.酰胺R1R2(CONH2)C‑CFR3R4发生脱水反应得到全氟腈R1R2(CN)C‑CFR3R4。本发明方法不但反应路线短,而且全氟烯烃和碳酰氟易得,价格低廉,全氟腈的总产率高,该路线易于工业化。
Description
技术领域
本发明涉及一种全氟腈的制备方法,尤其涉及一种以全氟烯烃为起始原料,先在碱金属氟化物和助溶剂存在下与碳酰氟发生加成反应得到酰氟,再在无溶剂或有溶剂条件下酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物发生反应得到酰胺,最后在脱水剂存在下酰胺发生脱水反应得到全氟腈的制备方法。
背景技术
截至目前,各类文献共公开了四条合成七氟异丁腈的路线。
第一条路线是含氮芳杂环在高温下或紫外线照射下的热解。文献“Journal ofthe Chemical Society,Perkin Transactions 1:Organic and Bio-Organic Chemistry(1972-1999),1981,p.3289–3291”报道了二嗪类化合物在紫外线照射下发生热解,得到七氟异丁腈,方程式见反应(1)和反应(2)。文献“Journal of the Chemical Society,PerkinTransactions 1:Organic and Bio-Organic Chemistry(1972-1999),1980,p.2254–2257”报道了三嗪类化合物在高温条件下发生热解,得到七氟异丁腈,方程式见反应(3)。文献“Journal of the Chemical Society,Chemical Communications,1989,#21,p.1657–1658”也报道了三嗪类化合物在高温条件下下发生热解,得到七氟异丁腈,方程式见反应(4)。文献“Journal of the Chemical Society,Chemical Communications,1987,p.1699–1700”和文献“Journal of the Chemical Society,Perkin Transactions 1:Organic andBio-Organic Chemistry(1972-1999),1990,#4,p.975–981”报道了含氮多环化合物在高温条件下热解,得到七氟异丁腈,方程式见反应(5)。
第二条路线是全氟丙烯与乙二腈的加成反应。美国专利US3752840报道了全氟丙烯与乙二腈在氟化钾和氢氰酸存在下,发生加成反应,得到七氟异丁腈,其产率为64.3%,方程式见反应(6)。
第三条路线是碘代丙烷与氯代乙腈的反应。文献“Journal of the ChemicalSociety,Faraday Transactions 1:Physical Chemistry in Condensed Phases,1984,vol.80,p.2631–2638”报道了2-碘-七氟丙烷与氯代乙腈发生反应,得到副产物七氟异丁腈,而主产物是2-氯七氟丙烷,方程式见反应(7)。
第四条路线是六氟丙烯经历四步反应的技术路线。文献“J.Am.Chem.Soc.,1962,84(22),p.4275–4285”、文献“Journal of Polymer Science,Part B:Polymer Letters,1966,4(4),p.283-286”和中国专利CN104662617A联合报道了六氟丙烯为起始原料,四步反应合成七氟异丁腈,具体如下:第一步反应,在乙腈溶剂中,氟化钾为催化剂,六氟丙烯与碳酰氟反应得到七氟异丁酰基氟,产率为80%(见文献“J.Am.Chem.Soc.,1962,84(22),p.4275–4285”);第二步反应,0摄氏度时,七氟异丁酰基氟与甲醇反应得到七氟异丁酸甲酯(见文献“Journal of Polymer Science,Part B:Polymer Letters,1966,4(4),p.283-286”);第三步反应,在甲醇溶剂中,七氟异丁酸甲酯与氨气反应得到七氟异丁酰胺,产率为81.1%(见中国专利CN104662617A);第四步反应,在DMF溶剂中,在吡啶和三氟乙酸酐存在下,七氟异丁酰胺发生脱水反应得到七氟异丁腈,产率为74.9%(见中国专利CN104662617A)。方程式见反应式(8)-(11)。
上述现有技术存在以下问题:首先,在第一条路线中,二嗪类化合物和含氮多环化合物的热解碎片化反应不完全,因此七氟异丁腈的产率较低,而三嗪类化合物的热解碎片化反应十分彻底,七氟异丁腈的选择性和产率很高,但是原料不易得,成本高;第二条路线存在七氟异丁腈产率低下的缺陷;第三条路线则存在七氟异丁腈的产率和选择性都很低的严重不足;第四条路线的反应路线过长,中间过程过于冗长,而且第一步反应和第四步反应的产率低下,大大降低了整条路线七氟异丁腈的总产率,从而大大增加了七氟异丁腈的生产成本,
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服背景技术中存在的不足,提供一种路线新颖、原料易得、单程产率高、合成路线短的包含七氟异丁腈在内的全氟腈的制备方法。
用于解决问题的手段
为了实现本发明的目的,本发明以通式为R1R2C=CR3R4(R1、R2、R3和R4的通式均为CnF2n+1,n为非负整数集)的全氟烯烃为原料,采用全氟烯烃与碳酰氟的加成反应、酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物R-NH2(R为锂、钠、钾、铷、铯或者-CmH2m+1基团,m为非负整数集)的反应、酰胺的脱水反应共三步反应制备通式为R1R2(CN)C-CFR3R4(R1、R2、R3和R4的通式均为CnF2n+1,n为非负整数集)的全氟腈的制备方法,发生的主要反应如下:
本发明采用三步反应合成全氟腈,第一步反应主要进行全氟烯烃与碳酰氟的加成反应,发生反应(11),反应产物为酰氟。第二步反应主要进行酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物的反应,主要发生反应(12),产物为酰胺,选择性接近100%。第三步反应主要进行酰胺的脱水反应,主要发生反应(13),产物为全氟腈。
一种全氟腈的制备方法,包括以下步骤:
a.提供酰氟R1R2(COF)C-CFR3R4,其中R1、R2、R3和R4表示为CnF2n+1,n为非负整数;
b.在无溶剂存在下或者在有机溶剂存在下,酰氟R1R2(COF)C-CFR3R4与碱金属氨化物或胺基化合物R-NH2发生反应,得到通式为R1R2(CONH2)C-CFR3R4的酰胺,其中R为锂、钠、钾、铷、铯或者-CmH2m+1基团,m为非负整数;反应式如下:
c.在有机溶剂和脱水试剂存在下,酰胺R1R2(CONH2)C-CFR3R4发生脱水反应得到通式为R1R2(CN)C-CFR3R4的全氟腈,有机溶剂为吡啶、多聚磷酸、四氯化碳、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、1,4-二氧己环或二甲基亚砜中的一种或数种,脱水试剂为三氟乙酸酐、醋酸酐、氯化亚砜、五氧化二磷或三氯氧磷中的一种或数种,反应式如下:
所述碱金属氨化合物为氨基锂、氨基钠、氨基钾、氨基铷、氨基铯,胺基化合物R-NH2为甲胺、乙胺、丙胺、氨气。
所述步骤b合成反应的条件为:在无溶剂或者有机溶剂存在下,反应温度为-30~40℃,酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物R-NH2的摩尔比为1∶2~20,反应时间为2~30小时。
所述步骤b合成反应的条件为:在无溶剂存在下,反应温度为0~30℃,酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物R-NH2的摩尔比为1∶2~4,反应时间为5~20小时。
所述步骤c合成反应的条件为:反应温度为0~100℃,酰胺与脱水试剂的摩尔比为1∶1~10,反应时间为2~30小时。
所述步骤c合成反应的条件为:反应温度为0~30℃,酰胺与脱水试剂的摩尔比为1∶1~2,反应时间为5~20小时。
所述步骤a的合成方法为:在有机溶剂中,在碱金属氟化物与助溶剂存在下,通式为R1R2C=CR3R4的全氟烯烃与碳酰氟发生加成反应,得到通式为R1R2(COF)C-CFR3R4的酰氟,其中R1、R2、R3和R4的通式均为CnF2n+1,n为非负整数,其中有机溶剂为乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、1,4-二氧己环或二甲基亚砜中的一种或数种,助溶剂为18-冠醚-6或15-冠醚-5中的一种或数种,反应式如下:
所述碱金属氟化物为氟化锂、氟化钠、氟化钾、氟化铷或氟化铯中的一种或数种。
所述酰氟的合成反应的条件为:反应温度为0~150℃,碱金属氟化物、全氟烯烃与碳酰氟的摩尔比为0.1~1∶1∶1~10,且助溶剂的摩尔数是碱金属氟化物的1/5倍,反应时间为2~30小时。
所述酰氟的合成反应的条件为:反应温度为50~100℃,碱金属氟化物、全氟烯烃与碳酰氟的摩尔比为0.3~0.5∶1∶1~1.1,且助溶剂的摩尔数是碱金属氟化物的1/5倍,反应时间为5~20小时。
所述全氟烯烃为四氟乙烯时,全氟腈为五氟丙腈;
或者所述的全氟烯烃为六氟丙烯时,全氟腈为七氟异丁腈;
或者所述的全氟烯烃为八氟-1-丁烯,全氟腈为2,3,3,4,4,4-六氟-2-(三氟甲基)丁腈;
或者所述的全氟烯烃为八氟-2-丁烯,全氟腈为2,3,3,4,4,4-六氟-2-(三氟甲基)丁腈;
或者所述的全氟烯烃为全氟-1-戊烯,全氟腈为2,3,3,4,4,5,5,5八氟-2-(三氟甲基)戊腈;
或者所述的全氟烯烃为全氟-2-戊烯,全氟腈为2,3,3,4,4,4六氟-2-(全氟乙基)丁腈。
本发明第a步反应通过调整碳酰氟与全氟烯烃达到合适的摩尔比例,比如接近1:1,反应结束后,不需要精馏即可采集得到纯度高达99%左右的酰氟。如果需要纯度更高的酰氟,则可对收集到酰氟粗品进行精馏或者重结晶操作。
本发明第b步反应使用的碱金属氨化物或胺基化合物R-NH2除了是氨基钠、氨基钾、氨基铷、氨基铯、氨气、甲胺、乙胺、丙胺外,还可以是其他的有机胺和氨基金属盐。碱金属氨化物或胺基化合物R-NH2与酰氟反应所得到的产物是酰胺化合物和相应的R-F。反应结束后,可以通过简单的分离,比如将气体直接排出体系或者回收利用(像一氟甲烷和一氟乙烷均为理想的氟利昂替代品),或者将金属氟化盐过滤除掉,或者将反应体系中除气体而外的物质进行简单蒸馏,即可得到高纯度的酰胺。
本发明第c步反应通过酰胺的脱水反应得到全氟腈。五氟丙腈和七氟异丁腈的合成实验,反应结束后,直接采集气体即可得到高纯度的全氟腈,如果需要更高纯度,则可以进行进一步的精馏操作。而对于沸点稍微高一点的全氟腈的合成实验,如2,3,3,4,4,4-六氟-2-(三氟甲基)丁腈、2,3,3,4,4,4-六氟-2-(三氟甲基)丁腈、2,3,3,4,4,5,5,5八氟-2-(三氟甲基)戊腈或2,3,3,4,4,4六氟-2-(全氟乙基)丁腈,则直接进行蒸馏或精馏操作,即可得到高纯度的全氟腈。
本发明用于第a步反应、第b步反应和第c步的反应器类型必须是耐高压的反应器,可以是316材质的高压釜、或者蒙乃尔材质的反应器等。另外,绝热反应器或等温反应器亦可用。
本发明的优点:
(1)本发明的合成路线新颖,特别是第b步酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物的反应未见其他公开文献报道;
(2)原料全氟烯烃易得,且价格低廉;
(3)本发明通过在第a步反应中使用助溶剂18-冠醚-6或15-冠醚-5增加催化剂碱金属氟化物在有机溶剂中的溶解度来提升反应的转化率,第b步反应采用酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物的反应来制备酰胺,第c步反应则采用酰胺的脱水反应得到全氟腈。与现有技术的第四条路线(总产率最高为48.6%)相比,本发明共三步路线,不但七氟异丁腈的总产率高(最高为82.9%),而且有效缩短了合成路线,从而大大降低了包含七氟异丁腈在内的全氟腈的工业合成的成本。
具体实施方式
分析仪器:岛津GC-2010,色谱柱为DB-VRX capillary column(i.d.0.32mm;length30m;J&W Scientific Inc.)。
GC分析方法:检测器温度250℃,汽化室温度250℃,柱初温40℃,保持10分钟,15℃/min升温至230℃,保持8分钟。
实施例1
在1升、316材质的高压釜中,先加入0.5mol的氟化钾、0.1mol的18-冠醚-6,然后抽真空,通入无水乙腈,然后在-100℃、搅拌条件下时,快速通入1mol的六氟丙烯和1mol的碳酰氟,通料完毕后,保持温度在15℃,反应时间10小时,反应结束后,用316材质的200mL的小钢瓶采集反应体系中的气相产物七氟异丁酰氟207.8克,纯度为99.7%(GC分析),七氟异丁酰氟的产率为95.9%。
实施例2
在1升、316材质的高压釜中,先加入0.5mol的氟化钠、0.1mol的15-冠醚-5,然后抽真空,通入无水乙腈,然后在-100℃、搅拌条件下时,快速通入1mol的六氟丙烯和1mol的碳酰氟,通料完毕后,保持温度在15℃,反应时间10小时,反应结束后,用316材质的200mL的小钢瓶采集反应体系中的气相产物七氟异丁酰氟203.5克,纯度为98.7%(GC分析),七氟异丁酰氟的产率为93.0%。
实施例3
在1升、316材质的高压釜中,抽真空后,在-40℃、搅拌条件下时,快速通入0.5mol的七氟异丁酰氟和1.5mol的甲胺CH3NH2,通料完毕后,保持温度在15℃,反应时间20小时,反应结束后,反应结束后,打开阀门,释放反应体系中的气体,得到固体七氟异丁酰胺105.6克,熔点为46-51℃,纯度为99.5%(GC分析),产率为98.7%。
实施例4
在1升、316材质的高压釜中,抽真空后,通入无水二氯甲烷500mL,然后在-40℃、搅拌条件下时,快速通入0.5mol的七氟异丁酰氟和1.5mol的氨基钠,通料完毕后,保持温度在15℃,反应时间20小时,反应结束后,过滤,将有机相进行蒸馏,在45℃以下将二氯甲烷除掉,得到固体七氟异丁酰胺104.2克,熔点为46-51℃,纯度为97.3%(GC分析),产率为95.2%。
实施例5
在1升、316材质的高压釜中,先加入0.5mol的七氟异丁酰胺,抽真空后,在0℃、搅拌条件下时,快速通入多聚磷酸250mL和0.5mol的五氧化二磷,通料完毕后,保持温度在15℃,反应时间20小时,反应结束后,用316材质的200mL小钢瓶采集反应体系中的气相产物七氟异丁腈92.5克,纯度为98.2%(GC分析),七氟异丁腈的产率为93.2%。
实施例6
在1升、316材质的高压釜中,先加入0.5mol的七氟异丁酰胺,抽真空后,在0℃、搅拌条件下时,快速通入N,N-二甲基甲酰胺250mL和1.0mol的乙酸酐,通料完毕后,保持温度在15℃,反应时间20小时,反应结束后,用316材质的200mL小钢瓶采集反应体系中的气相产物七氟异丁腈84.9克,纯度为98.5%(GC分析),七氟异丁腈的产率为85.8%。
Claims (9)
1.一种全氟腈的制备方法,包括以下步骤:
a.提供酰氟R1R2(COF)C-CFR3R4,其中R1、R2、R3和R4表示为CnF2n+1,n为非负整数;
b.在无溶剂存在下或者在有机溶剂存在下,酰氟R1R2(COF)C-CFR3R4与碱金属氨化物或胺基化合物R-NH2发生反应,得到通式为R1R2(CONH2)C-CFR3R4的酰胺,其中R为锂、钠、钾、铷、铯或者-CmH2m+1基团,m为非负整数;反应式如下:
c.在有机溶剂和脱水试剂存在下,酰胺R1R2(CONH2)C-CFR3R4发生脱水反应得到通式为R1R2(CN)C-CFR3R4的全氟腈,有机溶剂为吡啶、多聚磷酸、四氯化碳、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、1,4-二氧己环或二甲基亚砜中的一种或数种,脱水试剂为三氟乙酸酐、醋酸酐、氯化亚砜、五氧化二磷或三氯氧磷中的一种或数种,反应式如下:
所述步骤a的合成方法为:在有机溶剂中,在碱金属氟化物与助溶剂存在下,通式为R1R2C=CR3R4的全氟烯烃与碳酰氟发生加成反应,得到通式为R1R2(COF)C-CFR3R4的酰氟,其中R1、R2、R3和R4的通式均为CnF2n+1,n为非负整数,其中有机溶剂为乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二乙基甲酰胺、1,4-二氧己环或二甲基亚砜中的一种或数种,助溶剂为18-冠醚-6或15-冠醚-5中的一种或数种,反应式如下:
所述全氟烯烃为四氟乙烯时,全氟腈为五氟丙腈;
或者所述的全氟烯烃为六氟丙烯时,全氟腈为七氟异丁腈;
或者所述的全氟烯烃为八氟-1-丁烯,全氟腈为2,3,3,4,4,4-六氟-2-(三氟甲基)丁腈;
或者所述的全氟烯烃为八氟-2-丁烯,全氟腈为2,3,3,4,4,4-六氟-2-(三氟甲基)丁腈;
或者所述的全氟烯烃为全氟-1-戊烯,全氟腈为2,3,3,4,4,5,5,5八氟-2-(三氟甲基)戊腈;
或者所述的全氟烯烃为全氟-2-戊烯,全氟腈为2,3,3,4,4,4六氟-2-(全氟乙基)丁腈。
2.根据权利要求1所述的制备方法,所述碱金属氨化物为氨基锂、氨基钠、氨基钾、氨基铷、氨基铯中的一种或数种,胺基化合物R-NH2为甲胺、乙胺、丙胺、氨气中的一种或数种。
3.根据权利要求2所述的制备方法,所述步骤b合成反应的条件为:在无溶剂或者有机溶剂存在下,反应温度为-30~40℃,酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物R-NH2的摩尔比为1∶2~20,反应时间为2~30小时。
4.根据权利要求3所述的制备方法,所述步骤b合成反应的条件为:在无溶剂存在下,反应温度为0~30℃,酰氟与碱金属氨化物或胺基化合物R-NH2的摩尔比为1∶2~4,反应时间为5~20小时。
5.根据权利要求1所述的制备方法,所述步骤c合成反应的条件为:反应温度为0~100℃,酰胺与脱水试剂的摩尔比为1∶1~10,反应时间为2~30小时。
6.根据权利要求5所述的制备方法,所述步骤c合成反应的条件为:反应温度为0~30℃,酰胺与脱水试剂的摩尔比为1∶1~2,反应时间为5~20小时。
7.根据权利要求1所述的制备方法,所述碱金属氟化物为氟化锂、氟化钠、氟化钾、氟化铷或氟化铯中的一种或数种。
8.根据权利要求7所述的制备方法,所述酰氟的合成反应的条件为:反应温度为0~150℃,碱金属氟化物、全氟烯烃与碳酰氟的摩尔比为0.1~1∶1∶1~10,且助溶剂的摩尔数是碱金属氟化物的1/5倍,反应时间为2~30小时。
9.根据权利要求8所述的制备方法,所述酰氟的合成反应的条件为:反应温度为50~100℃,碱金属氟化物、全氟烯烃与碳酰氟的摩尔比为0.3~0.5∶1∶1~1.1,且助溶剂的摩尔数是碱金属氟化物的1/5倍,反应时间为5~20小时。
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