CN111039771A - 一种3,3,3-三氟丙酸的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种3,3,3‑三氟丙酸的制备方法。本发明制备方法首先以2‑氯‑1‑1‑二氟乙烯（a）为原料与一氧化碳进行插羰反应，得到3,3‑二氟2‑烯丙酰氯（b）；然后采用HF对3,3‑二氟2‑烯丙酰氯进行氟化反应，得到3,3,3‑三氟丙酰氟（c），最后将3,3,3‑三氟丙酰氟进行水解得到三氟丙酸（d）。本发明制备方法原料廉价易得，条件温和，起始原料转化率高，三步反应总收率可达50%以上。

Description

一种3,3,3-三氟丙酸的制备方法
技术领域
本发明涉及化工中间体领域，具体涉及一种3,3,3-三氟丙酸的制备方法。
背景技术
近年来，含氟化合物深受国内外研究人员的关注，已经被广泛应用于医药、农药、材料、制冷剂等领域。3,3,3-三氟丙酸作为一种重要的有机化工中间体，主要应用于医药、农药等方面。因其含有CF3特殊基团，能有效地增强物质的极性、稳定性和亲脂性，具有独特的优良性能，是合成很多含氟医药、农药和聚合材料的重要中间体，应用范围十分广泛。
3,3,3-三氟丙酸是一种无色、有毒、强腐蚀性的液体，能与水和各种有机溶剂互溶，氨基酸、多肽化合物和聚酯类高分子等在三氟丙酸中有很好的溶解性。3,3,3-三氟丙酸因其含有CF3强吸电子基团，具有较强的极性和酸性，其酸性与氢氟酸相当。三氟丙酸可以被硼氢化钠、氢化铝锂等还原剂还原成三氟丙醇或三氟丙醛，其化学性质活泼，在强碱性条件下极为不稳定，易于发生水解反应，因此三氟丙酸无法由三氟丙酸酯在碱性条件下水解而得，但可在酸性条件下水解制备。
相关文献报道的三氟丙酸的合成方法较多，早期报道以CF3SO2Cl、CF3CdBr、四氟化硫或三氟碘甲烷等为起始原料进行合成，近些年，国外的氟化公司则以1-氯-3,3,3-三氟丙烯(HCFC-1233zd)、六氯丙烷等为起始原料合成三氟丙酸。
以CF3SO2Cl为起始原料：在AIBN催化下，CF3SO2Cl与醋酸乙烯酯反应生成1-氯-3,3,3-三氟乙酸酯，然后在酸性条件下水解得到三氟丙醛，再经氧化得到三氟丙酸。
以CF3CdBr为起始原料：在DMF溶剂中，以CuI为催化剂，3-溴-1-丙烯与CF3CdBr反应得到4,4,4-三氟-1-丁烯，再在18-冠醚-6存在下经高锰酸钾氧化制得三氟丙酸。
以四氟化硫为起始原料：四氟化硫和丙二酸单乙酯反应得到三氟丙酸乙酯，再在酸性条件下水解制得三氟丙酸。
以三氟碘甲烷为起始原料：自由基调聚三氟碘甲烷和烯醚得到加成物，随后水解制得三氟丙酸。
以1-氯-3,3,3-三氟丙烯为原料：在碱性条件下，HCFC-1233zd与烷基醇反应生成烯醚，然后在酸性条件下与烷基醇继续反应生成二缩醛，最后在酸催化下经双氧水氧化制得三氟丙酸。
尽管以上公开的制备方法较多，但存在如收率低或原料试剂昂贵的缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服以上不足，提供一种3,3,3-三氟丙酸的制备方法。本发明制备方法原料廉价易得，条件温和，起始原料转化率高。
一种3,3,3-三氟丙酸的制备方法，首先，以2-氯-1-1-二氟乙烯(a)为原料与一氧化碳进行插羰反应，得到3,3-二氟2-烯丙酰氯(b)；然后采用HF对3,3-二氟2-烯丙酰氯进行氟化反应，得到3,3,3-三氟丙酰氟(c)，最后，将3,3,3-三氟丙酰氟进行水解得到三氟丙酸(d)；总合成路线如下：
Figure BDA0002335864480000021
优选的，所述催化剂I为双(三苯基膦)钯(II)盐。
优选的，所述插羰反应中还加入有助剂镍粉。
优选的，所述双(三苯基膦)钯(II)盐由钯(II)盐与三苯基膦原位生成，所述钯(II)盐优选为氯化钯或醋酸钯。
优选的，所述插羰反应的温度为60～100℃。
优选的，所述催化剂I与2-氯-1-1-二氟乙烯的物质的量之比为0.5～2:100。
优选的，所述催化剂I与助剂镍粉的物质的量之比为0.9～2:1。
优选的，所述氟化反应是将3,3-二氟2-烯丙酰氯与HF混合，升温至80～120℃进行反应。
优选的，所述氟化反应采用气相氟化法，所述气相氟化法是将3,3-二氟2-烯丙酰氯和HF气体通入固定有催化剂II的管式反应器中进行反应，反应温度为200～400℃，所述催化剂II为掺杂有锌或/和镧的铬系或铝系金属。
优选的，所述催化剂II为掺杂锌或/和镧的氟化铬或/和氟化铝。
优选的，所述3,3-二氟2-烯丙酰氯与HF的物质的量之比为1:20～35。
优选的，所述水解的温度为1～20℃。
优选的，水解的具体步骤：向5～10℃的水中滴入所述3,3,3-三氟丙酰氟，控制反应温度为5～20℃，继续反应至反应完成。
优选的，所述制备方法包括以下步骤：
(1)向反应器中加入钯催化剂、三苯基膦、镍粉，抽真空后加入有机溶剂，搅拌下通入2-氯-1-1-二氟乙烯，升温至60～100℃，通入CO，保温反应至压力不再降低，停止反应，过滤回收钯催化剂和镍粉，滤液常压快速蒸馏得到有机溶剂和产品的混合溶液，再精馏回收有机溶剂，收集70～72℃馏分，得3,3-二氟2-烯丙酰氯；
(2)将反应器抽真空，抽入步骤(1)所得3,3-二氟2-烯丙酰氯，内温降至5～10℃，加入无水HF，升温至80～120℃进行氟化反应，反应完毕，蒸馏回收HF，收集蒸馏剩余物，得到3,3,3-三氟丙酰氟；
(3)向反应瓶内加入一定量去离子水，搅拌降温至5～10℃，滴入步骤(2)所得3,3,3-三氟丙酰氟，控制温度为0～20℃，滴完后保温一段时间，反应完成后，减压浓缩去除过量的水，收集83～85℃馏分(真空度-0.097MPa)，得到3,3,3-三氟丙酸。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明制备方法采用首次提出全新合成路线，以2-氯-1-1-二氟乙烯为起始原料，经插羰、氟化和水解制备获得3,3,3-三氟丙酸，且起始原料2-氯-1-1-二氟乙烯和其它反应物廉价易得，起始原料转化率高，三步反应总收率可达50％，反应条件温和；
(2)本发明制方法的优选方案中，采用镍粉作为插羰反应的助剂，提高转化率和选择性。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行进一步的说明。
以下实施例所采用的镍粉购买自aladdin，纯度99.9％，200目。
以下实施例所采用的氟化铬(或氟化铝)催化剂的制备方法：将氯化铬(或氯化铝)和氯化镧(或氯化锌)按100：1的摩尔比加水溶解后，升温到40℃下滴加5％氨水溶液，调节pH到7-9，搅拌1h后静置4h，过滤沉淀并用水洗涤至中性，在150℃下干燥，350℃下焙烧8h得到催化剂前驱体，压成型，再通入比例为4：1的氮气和氟化氢的混合气体，在350℃下氟化4h，即得掺杂有镧(或锌)的氟化催化剂。实施例1
本实施例包括以下步骤：
(1)向2L不锈钢反应釜中加入4.5g(25.4mmol)氯化钯、1.5g(25.6mmol)镍粉和13.3g(50.8mmol)三苯基膦，抽真空，抽入1000mL无水四氢呋喃，搅拌下通入250g(2.54mol)2-氯-1-1-二氟乙烯，升温至80℃，通入一氧化碳至压力0.8MPa，保温反应至压力不再降低后继续通入一氧化碳至压力0.8MPa，通入三次，通入时间5小时，停止反应。降温至室温，过滤回收二价钯和镍粉，滤液常压快速蒸馏得到有机溶剂和产品的混合溶液，再精馏回收有机溶剂，收集70～72℃馏分，即为3,3-二氟-2-烯丙酰氯，重263.8g，收率82.15％。
(2)将2L蒙乃尔反应釜抽真空，抽入步骤(2)所得的263.8g(2.1mol)3,3-二氟2-烯丙酰氯，盘管降温至内温5～10℃，抽入1055.5g(52.7mol)无水HF，升温至100℃反应7小时，反应完毕，夹套保温50～60℃蒸馏回收无水HF，收集蒸馏剩余物3,3,3-三氟丙酰氟191.3g，收率70.5％。
(3)向2L反应瓶内加入956.5g去离子水，搅拌降温至5～10℃，将步骤(2)所得蒸馏剩余物置于恒压滴液漏斗中，滴入反应瓶内，控制温度20℃以下，滴完后保温反应30min。反应完毕，减压蒸馏去除过量水，收集83～85℃馏分(真空度-0.097MPa)，即为3,3,3-三氟丙酸，纯度99.1％，重175.9g，收率93.4％。以2-氯-1-1-二氟乙烯计算，总收率54.09％。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
(1)：向2L不锈钢反应釜中加入6.3g醋酸钯(28.1mmol)、1.7g镍粉(29.0mmol)和14.6g三苯基膦(55.6mmol)，抽真空，抽入1000mL无水四氢呋喃，搅拌下通入275g(2.79mol)2-氯-1-1-二氟乙烯，升温至90℃，通入一氧化碳至压力0.8MPa，保温反应至压力不再降低后继续通入一氧化碳至压力0.8MPa，通入三次，通入时间5小时，停止反应。降温至室温，过滤回收二价钯和镍粉，滤液常压快速蒸馏得到有机溶剂和产品的混合溶液，再精馏回收有机溶剂，收集70～72℃馏分，得3,3-二氟2-烯丙酰氯，重281.9g，收率79.8％。
(2)：将2L蒙乃尔反应釜抽真空，抽入步骤(1)所得281.9g(2.2mol)3,3-二氟2-烯丙酰氯，盘管降温至内温为5～10℃，抽入1127.5g(56.4mol)无水HF，升温至100℃反应7小时，反应完毕，夹套保温50～60℃蒸馏回收无水HF，收集蒸馏剩余物3,3,3-三氟丙酰氟206.3g，收率71.2％。
(3)：向2L反应瓶内加入1031.5g去离子水，搅拌降温至5～10℃，将步骤(2)所得3,3,3-三氟丙酰氟置于恒压滴液漏斗中，滴入反应瓶内，控制温度20℃以下，滴完后保温反应30min。反应完毕，减压蒸馏去除过量水，收集83～85℃馏分(真空度-0.097MPa)，即为3,3,3-三氟丙酸，纯度99.3％，重184g，收率90.6％。以2-氯-1-1-二氟乙烯计算，总收率51.5％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
(1)向2L不锈钢反应釜中加入2.5g(14.1mmol)氯化钯、1.7g(29.0mmol)镍粉和15.3g(58.3mmol)三苯基膦，抽真空，抽入1240mL无水四氢呋喃，搅拌下通入275g(2.79mol)2-氯-1-1-二氟乙烯，升温至80℃，通入一氧化碳至压力0.8MPa，保温反应至压力不再降低后继续通入一氧化碳至压力0.8MPa，通入三次，通入时间6小时，停止反应。降温至室温，过滤回收二价钯和镍粉，滤液常压快速蒸馏得到有机溶剂和产品的混合溶液，再精馏回收有机溶剂，收集70～72℃馏分，即为3,3-二氟2-烯丙酰氯，重278g，收率78.7％。
(2)将2L蒙乃尔反应釜抽真空，抽入步骤(1)所得278g(2.2mmol)3,3-二氟-2-烯丙酰氯，盘管降温至内温5～10℃，抽入1390g(69.5mol)无水HF，升温至100℃反应7小时，反应完毕，夹套保温50～60℃蒸馏回收无水HF，收集蒸馏剩余物3,3,3-三氟丙酰氟200.3g，收率70.1％。
(3)向2L反应瓶内加入1000g去离子水，搅拌降温至5～10℃，将步骤(2)所得蒸馏剩余物置于恒压滴液漏斗中，滴入反应瓶内，控制温度20℃以下，滴完后保温反应30min。反应完毕，减压蒸馏去除过量水，收集83～85℃馏分(真空度-0.097MPa)，即为3,3,3-三氟丙酸，纯度99.0％，重180.5g，收率91.5％。以2-氯-1-1-二氟乙烯计算，总收率50.5％。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
(1)向2L不锈钢反应釜中加入31.1g(44.3mmol)双(三苯基膦)氯化钯和1.5g(25.6mmol)镍粉，抽真空，抽入1000mL无水四氢呋喃，搅拌下通入250g(25.4mol)2-氯-1-1-二氟乙烯，升温至100℃，通入一氧化碳至压力0.8MPa，保温反应至压力不再降低后继续通入一氧化碳至压力0.8MPa，通入三次，通入时间5小时，停止反应。降温至室温，过滤回收氯化钯和镍粉，滤液常压快速蒸馏得到有机溶剂和产品的混合溶液，再精馏回收有机溶剂，收集70～72℃馏分，即为3,3-二氟2-烯丙酰氯，重258.2g，收率80.4％。
(2)将2L蒙乃尔反应釜抽真空，抽入步骤(1)所得258.2g(2.0mmol)3,3-二氟-2-烯丙酰氯，盘管降温至内温5～10℃，抽入1291g(64.6mol)无水HF，升温至110℃反应6小时，反应完毕，夹套保温50～60℃蒸馏回收无水HF，收集蒸馏剩余物3,3,3-三氟丙酰氟200.3g184.7g，收率69.6％。
(3)向2L反应瓶内加入923.5g去离子水，搅拌降温至5～10℃，将步骤(2)所得蒸馏剩余物置于恒压滴液漏斗中，滴入反应瓶内，控制温度20℃以下，滴完后保温反应30min。反应完毕，减压蒸馏去除过量水，收集83～85℃馏分(真空度-0.097MPa)，即为3,3,3-三氟丙酸，纯度98.8％，重168.8g，收率92.8％。以2-氯-1-1-二氟乙烯计算，总收率51.9％。
实施例5
将按实施例1步骤生产的3,3-二氟-2-烯丙酰氯以气相氟化法进行步骤(2)的氟化反应，具体过程如下：
向管式反应器中装填入制备好的氟化铬催化剂，用无水氟化氢在150℃下活化，活化完毕后，升温至240℃，氟化氢以21.5g/min的速度通入混合器中，3,3-二氟-2-烯丙酰氯以4.3g/min的速度通入混合器中，混合器温度控制在260℃，氟化氢和3,3-二氟2-烯丙酰氯蒸汽在混合器中混合均匀后进入固定床反应器在催化剂催化下发生加成氟化反应，得到3,3,3-三氟丙酰氟，转化率26％，粗品经过干法分离后，原料3,3-二氟2-烯丙酰氯返回继续氟化，经过多次循环后全部氟化完毕，得到3,3,3-三氟丙酰氟，收率80％。
将气相氟化法制备得到的3,3,3-三氟丙酰氟按实施例1步骤(3)的方法进行水解和后处理，得到3,3,3-三氟丙酸，总收率为60.5％。
实施例6
将按实施例1步骤生产的3,3-二氟-2-烯丙酰氯以气相氟化法进行步骤(2)的氟化反应，具体过程如下：
向管式反应器中装填入制备好的氟化铝催化剂，用无水氟化氢在150℃下活化，活化完毕后，升温至240℃，氟化氢以21.5g/min的速度通入混合器中，3,3-二氟2-烯丙酰氯以4.3g/min的速度通入混合器中，混合器温度控制在260℃，氟化氢和3,3-二氟-2-烯丙酰氯蒸汽在混合器中混合均匀后进入固定床反应器在催化剂催化下发生加成氟化反应，得到3,3,3-三氟丙酰氟，转化率24％，粗品经过干法分离后，原料3,3-二氟2-烯丙酰氯返回继续氟化，经过多次循环后全部氟化完毕，收率76％。
将气相氟化法制备得到的3,3,3-三氟丙酰氟按实施例1步骤(3)的方法进行水解和后处理，得到3,3,3-三氟丙酸，总收率为57.6％。
实施例7
不同金属助剂对步骤(1)的收率影响：
A、按实施例1步骤(1)的方法制备3,3-二氟-2-烯丙酰氯，不添加助剂镍粉，其它步骤一致，得到3,3-二氟-2-烯丙酰氯225.4g，收率70.19％。
B、按实施例1步骤(1)的方法制备3,3-二氟-2-烯丙酰氯，镍粉改为等当量的铁粉，其它步骤一致，得到3,3-二氟-2-烯丙酰氯229.7g，收率71.53％。
C、按实施例1步骤(1)的方法制备3,3-二氟-2-烯丙酰氯，镍粉改为等当量的钴粉，其它步骤一致，得到3,3-二氟-2-烯丙酰氯235.3g，收率73.27％。
表1不同助剂对插羰反应收率的影响
Figure BDA0002335864480000081

Claims (10)

1.一种3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，首先以2-氯-1-1-二氟乙烯为原料与一氧化碳进行插羰反应，得到3,3-二氟2-烯丙酰氯；然后采用HF对3,3-二氟2-烯丙酰氯进行氟化反应，得到3,3,3-三氟丙酰氟，最后将3,3,3-三氟丙酰氟进行水解得到三氟丙酸；总合成路线如下：
Figure FDA0002335864470000011
2.根据权利要求1所述3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，所述催化剂I为双(三苯基膦)钯(II)盐；优选的，所述插羰反应中还加入有助剂镍粉；优选的，所述双(三苯基膦)钯(II)盐由钯(II)盐与三苯基膦原位生成，所述钯(II)盐优选为氯化钯或醋酸钯。
3.根据权利要求1或2所述3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，所述插羰反应的温度为60～100℃。
4.根据权利要求1～3任一项所述3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，所述催化剂I与2-氯-1-1-二氟乙烯的物质的量之比为0.5～2:100；优选的，所述催化剂I与助剂镍粉的物质的量之比为0.9～2:1。
5.根据权利要求1～4任一项所述3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，所述氟化反应是将3,3-二氟2-烯丙酰氯与HF混合，升温至80～120℃进行反应。
6.根据权利要求1～4任一项所述3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，所述氟化反应采用气相氟化法，所述气相氟化法是将3,3-二氟2-烯丙酰氯和HF气体通入固定有催化剂II的管式反应器中进行反应，反应温度为200～400℃，所述催化剂II为掺杂有锌或/和镧的铬系或铝系金属。
7.根据权利要求6所述3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，所述催化剂II为掺杂锌或/和镧的氟化铬或/和氟化铝。
8.根据权利要求1～7任一项所述3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，所述3,3-二氟2-烯丙酰氯与HF的物质的量之比为1:20～35。
9.根据权利要求1～8任一项所述3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，所述水解的温度为5～20℃；优选的，所述水解的具体步骤：向5～10℃的水中滴入所述3,3,3-三氟丙酰氟，控制反应温度为1～20℃，继续反应至反应完成。
10.根据权利要求1～8任一项所述3,3,3-三氟丙酸的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)向反应器中加入钯催化剂、三苯基膦、镍粉，抽真空后加入有机溶剂，搅拌下通入2-氯-1-1-二氟乙烯，升温至60～100℃，通入CO，保温反应至压力不再降低，停止反应，过滤回收钯催化剂和镍粉，滤液常压快速蒸馏得到有机溶剂和产品的混合溶液，再精馏回收有机溶剂，收集70～72℃馏分，得3,3-二氟2-烯丙酰氯；
(2)将反应器抽真空，抽入步骤(1)所得3,3-二氟2-烯丙酰氯，内温降至5～10℃，加入无水HF，升温至80～120℃进行氟化反应，反应完毕，蒸馏回收HF，收集蒸馏剩余物，得到3,3,3-三氟丙酰氟；
(3)向反应瓶内加入一定量去离子水，搅拌降温至5～10℃，滴入步骤(2)所得3,3,3-三氟丙酰氟，控制温度为0～20℃，滴完后保温一段时间，反应完成后，减压浓缩去除过量的水，收集真空度-0.097MPa下83～85℃馏分，得到3,3,3-三氟丙酸。
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