CN111333500B - 一种含氟二元酰氟的制备方法 - Google Patents

一种含氟二元酰氟的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种含氟二元酰氟的制备方法，该制备方法以含氟二元羧酸为原料，在溶剂和催化剂的作用下，与氟化试剂发生氟代反应，得到含氟二元酰氟。实际生产时，含氟二元羧酸在有机溶剂和路易斯酸催化剂的作用下，直接氟化为相应的含氟二元酰氟，采用有机溶剂及特定的催化剂，配合其他条件，能够有效促进含氟二元羧酸高转化率地生成相应的酰氟。

Description

一种含氟二元酰氟的制备方法
技术领域
本发明是一种含氟二元酰氟的制备方法，属于有机氟化学技术领域。
背景技术
含氟二元酰氟是一种用途广泛的双官能团含氟中间体，可用于合成具有特殊结构的全氟烯醚单体，用以制备含氟羧酸型离子交换树脂，以及制备双官能团全氟聚醚衍生物，这些物质可用于含氟聚氨酯、含氟聚酯等领域。
现有技术中，含氟二元酰氟可以由相应含氢的二元酸、酸酐、酯、酰氯、酰氟以及内酯通过电化学氟化法制备，但是这种方法收率极低、产物复杂且难以分离。含氟二元酰氟还可由相应的含氟二元酰氯以氟氯交换法制备，通常含氟二元羧酸制备的含氟二元酰氯因伴随有不同含量的酸酐和酰氯化试剂，导致后续氟氯交换反应很难进行或收率较低。
文献（J Chem Soc Perkin Trans 1, 1996, 915-920）报道了四氟丁二酸二钠盐与四氟化硫在150℃的密闭容器中反应5h可以81%的收率得到四氟丁二酰氟，众所周知四氟化硫常温下为强烈毒性的刺激性气体，也有极强的腐蚀性。文献（J Fluorine Chem, 2005,126, 521–527）以1,4-丁二醇为起始物，经与六氟环氧丙烷低聚体酰氟酯化、再由氟气直接氟化和催化裂解得到四氟丁二酰氟，该方法需要氟气极大过量以及较长的氟化反应时间，通常是48h以上，时空收率较低。
日本专利JPS568813公开了一种α,ω-二碘全氟烷烃I(CF2)nI（n≥6）氧化制备全氟二元酰氟FOC(CF2)n-2COF（n≥6）的方法，因反应中会生成全氟内酯，导致最终二酰氟的收率偏低。美国专利US4181678公开了一种在发烟硫酸、硫酸锌和氯气的作用下氧化α,ω-二碘氧杂全氟烷烃ICF2CF2O(CF2)xOCF2CF2I（x≥2）制备全氟二元酰氟FOCCF2O(CF2)xOCF2COF（x≥2）的方法，但其所述原料不易制备和获取。美国专利US4316986公开了一种FOC-CF2-COOCH3在含氟磺酸和五氟化锑作用下制备FOC- CF2-COF的方法，该方法适用于合成二氟丙二酰氟，但却难以推广到其他含氟二元酰氟的制备。
除此此外，由双氟磺酸全氟烷基酯以氟化钾催化分解也可制备全氟二酰氟，但双氟磺酸全氟烷基酯是由双氟磺酰过氧化物与四氟乙烯自由基加聚反应制备，其制备工艺苛刻，推广难度较大。
含氟烷基胺类氟化试剂是一种用途较为广泛的脱羟基氟化试剂，常用于氟化一元醇和一元羧酸制备含氟烷烃和一元酰氟。但对于二元醇或多元醇的氟代反应并不成功，生成了大量的环状化合物（见文献Synthesis, 1984, 1, 31-33）。对于含氟羧酸的氟化反应报道较少，仅见文献J Fluorine Chem, 1983, 23, 383-388和Russ Chem Bull, 1984,33, 372-375，其中氟化含氟单羧酸制备含氟一元酰氟的收率可达80%以上，氟化含氟二羧酸制备含氟二酰氟仅有的一例报道是由六氟戊二酸制备六氟戊二酰氟，其收率仅72%，并不能让人满意。
综上所述，现有含氟二元酰氟的制备方法存在收率低或原料不易得等问题，导致很难实现规模化生产。因此，仍需寻找一条操作简单，经济可行的合成路线。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术上的上述不足，提供一种含氟二元酰氟的新的制备方法，该方法是在有机溶剂和路易斯酸催化剂的作用下，将含氟二元羧酸直接氟化为相应的含氟二元酰氟的过程，采用有机溶剂及特定的催化剂，配合其他条件，能够有效促进含氟二元羧酸高转化率地生成相应的酰氟。
本发明通过下述技术方案实现：一种含氟二元酰氟的制备方法，以含氟二元羧酸为原料，在溶剂和催化剂的作用下，与氟化试剂发生氟代反应，得到含氟二元酰氟，
所述含氟二元羧酸满足下式：HOOC-(CR1R2)a-(CF2)n-(CR3R4)b-COOH，其中，R1、R2、R3、R4为氢原子、氟原子、氯原子或C1-3烷基基团，可以相同或者不同；a和b为0-3的整数，n为0-5的整数且1≤a+b+n≤8；当n为0时，R1、R2、R3、R4至少有一个为氟原子；
所述含氟二元酰氟满足下式：FOC-(CR1R2)a-(CF2)n-(CR3R4)b-COF，其中，R1、R2、R3、R4为氢原子、氟原子、氯原子或C1-3烷基基团，可以相同或者不同；a和b为0-3的整数，n为0-5的整数且1≤a+b+n≤8；当n为0时，R1、R2、R3、R4至少有一个为氟原子；
所述溶剂为醚类、腈类、氟氯烃类中的一种或多种；
所述催化剂为路易斯酸催化剂；
所述氟化试剂为含氟烷基胺类氟化试剂。
所述溶剂为乙醚、四氢呋喃、二氯甲烷、氯仿、二氯乙烷、三氟三氯乙烷、乙腈、丙腈、己二腈中的一种或多种。
所述溶剂的用量为含氟二元羧酸质量的0～200%。
所述路易斯酸催化剂为三氯化铝、三氯化铁、四氯化钛、四氯化锡、三氟化硼、三氟化铝中的一种或多种。
所述路易斯酸催化剂为固体，其粒度为50～500目。
所述路易斯酸催化剂的用量为氟化试剂质量的0.1～3%。
所述含氟烷基胺类氟化试剂的结构式为：X-CHF-CF2-NR1R2，其中，X为氟原子、氯原子、三氟甲基或三氟甲氧基；R1、R2为C1-3烷基基团，可以相同或者不同。
所述含氟烷基胺类氟化试剂的摩尔用量为含氟二元羧酸摩尔用量的2～4倍。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
（1）本发明方法提供了一种工业化生产含氟二元酰氟的新的制备方法，在有机溶剂和路易斯酸催化剂的作用下，将含氟二元羧酸用自制的含氟烷基胺类氟化试剂直接氟化得到对应的含氟二元酰氟，该方法能够有效促进含氟二元羧酸高转化率地生成相应的含氟二元酰氟，实际收率可达80%以上，适宜于工业化的大规模生产。
（2）本发明方法采用的溶剂能有效的控制氟化反应后反应体系的物料粘度，通过合理控制溶剂用量与含氟二元羧酸质量的比例，可以有效的提高氟化反应进程，保证了含氟二元羧酸具有更高的转化率。
（3）本发明方法采用乙醚、四氢呋喃、二氯甲烷等有机溶剂作为溶剂体系，其沸点与目标产物差别较大，以利于后期分离提纯，同时溶剂易得且便宜。
（4）本发明方法采用路易斯酸作为催化剂，可以有效促进反应的进行，缩短时间和提高收率，特别是使用固体催化剂时，将该固体催化剂如三氯化铝等预先在干燥环境中粉碎至粒度50～500目，然后再加入体系反应，其促进作用尤其明显。
（5）本发明方法采用特定结构的含氟烷基胺类氟化试剂，实际使用时，该含氟烷基胺类氟化试剂可现场制备，经过简单的低温减压纯化后与路易斯酸催化剂预混合活化即可用于反应，实际使用时，将路易斯酸催化剂的用量限定为氟化试剂质量的0.1～3%，配合使用的含氟烷基胺类氟化试剂和路易斯酸催化剂能有效的保障氟化反应高效率的进行。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
本实施例提出了一种含氟二元酰氟的制备方法。
以下式（I）所示含氟二元羧酸为原料，
HOOC -CF2 -COOH （Ⅰ）；
下式（II）所示含氟烷基胺类化合物为氟化试剂，
F-CHF-CF2-N（CH3）2 （Ⅱ）；
在路易斯酸催化剂（如：三氯化铝）的作用下，发生氟代反应，得到下式（Ⅲ）所示含氟二元酰氟：
FOC-CF2-COF （Ⅲ）。
上述制备过程中，采用粒度为50目的固体路易斯酸催化剂，其用量为氟化试剂质量的0.2%。氟化试剂的摩尔用量为原料含氟二元羧酸摩尔用量的4倍，制备得到的含量为88.7%的含氟二元酰氟，收率为80.3%。
实施例2：
本实施例提出了一种含氟二元酰氟的制备方法。
以下式（I）所示含氟二元羧酸为原料，
HOOC-(CHF)2-(CF2)5-CHF -COOH （Ⅰ）；
下式（II）所示含氟烷基胺类化合物为氟化试剂，
Cl-CHF-CF2-N(C2H5)2 （Ⅱ）；
在溶剂（如：二氯乙烷）和路易斯酸催化剂（如：三氯化铁和四氯化钛）的作用下，发生氟代反应，得到下式（Ⅲ）所示含氟二元酰氟：
FOC-(CHF)2-(CF2)5-CHF –COF （Ⅲ）。
上述制备过程中，采用粒度为500目的固体路易斯酸催化剂，其用量为氟化试剂质量的3%。溶剂的用量为含氟二元羧酸质量的200%。氟化试剂的摩尔用量为原料含氟二元羧酸摩尔用量的4倍，制备得到的含量为78.5%的含氟二元酰氟，收率为85.2%。
实施例3：
本实施例提出了一种含氟二元酰氟的制备方法。
以下式（I）所示含氟二元羧酸为原料，
HOOC-(CHCl)2- (CF2)2-COOH （Ⅰ）；
下式（II）所示含氟烷基胺类化合物为氟化试剂，
CF3O-CHF-CF2-N(CH3)2 （Ⅱ）；
在溶剂（如：三氟三氯乙烷、乙腈和己二腈组成的混合溶液）和路易斯酸催化剂（如：四氯化钛）的作用下，发生氟代反应，得到下式（Ⅲ）所示含氟二元酰氟：
FOC-(CHCl)2- (CF2)2-COF （Ⅲ）。
上述制备过程中，采用粒度为200目的固体路易斯酸催化剂，其用量为氟化试剂质量的0.1%。溶剂的用量为含氟二元羧酸质量的50%。氟化试剂的摩尔用量为原料含氟二元羧酸摩尔用量的2倍，制备得到的含量为84.3%的含氟二元酰氟，收率为81.1%。
实施例4：
本实施例提出了一种含氟二元酰氟的制备方法。
以下式（I）所示含氟二元羧酸为原料，
HOOC-C(CH3) 2 -(CF2)5-C(CH3) 2 -COOH （Ⅰ）；
下式（II）所示含氟烷基胺类化合物为氟化试剂，
F-CHF-CF2-N(C2H5)2 （Ⅱ）；
在溶剂（如：乙腈）和路易斯酸催化剂（如：四氯化锡）的作用下，发生氟代反应，得到下式（Ⅲ）所示含氟二元酰氟：
FOC-C(CH3) 2 -(CF2)5-C(CH3) 2 -COF （Ⅲ）。
上述制备过程中，采用粒度为100目的固体路易斯酸催化剂，其用量为氟化试剂质量的1 %。溶剂的用量为含氟二元羧酸质量的100%。氟化试剂的摩尔用量为原料含氟二元羧酸摩尔用量的3倍，制备得到的含量为82.6%的含氟二元酰氟，收率为86.8%。
实施例5：
称取纯度97%的六氟戊二酸124g（0.5mol）加入三口烧瓶，在70℃水浴锅中加热真空（1-3mmHg）干燥3h，干燥结束后在氮气保护下加入100ml氢化钙干燥的乙腈溶解，稍微加热可以促进溶解进行。
将等摩尔六氟丙烯和二乙胺反应制备的氟化试剂CF3CHFCF2NEt2（GC含量78%）295g（1.03mol）加入带有机械搅拌、恒压加料漏斗和温度计导管的1L三口烧瓶中，再加入3.0g粉碎的三氯化铝（约150目）和100ml氢化钙干燥的乙腈，在20℃时搅拌0.5h，然后通过恒压加料漏斗开始滴加上述六氟戊二酸的乙腈溶液，滴加期间维持内温25-30℃，滴加完毕后继续搅拌反应0.5h，后将水浴升温至50℃、70℃各保持0.5h将物料蒸出，使用冰水冷阱收集物料，得到含量85.6%的六氟戊二酰氟122.4g，收率85.9%。
实施例6：
称取纯度98.1%的四氟丁二酸193g（1mol），加入带有机械搅拌、恒压加料漏斗和温度计导管的1L三口烧瓶中，在70℃水浴锅中加热真空（1-3mmHg）干燥3h，干燥结束后在氮气保护下加入200ml干燥乙醚。开启水浴加热，在搅拌下滴加由500g（2.5mol）纯化后GC含量95%的氟化试剂CHFClCF2NEt2（由三氟氯乙烯和二乙胺等摩尔反应制备）、5g 含量46%的三氟化硼乙醚溶液和200ml乙醚组成的混合溶液。滴加期间维持内温20-25℃，滴加完毕后继续反应1h，后水浴升温40℃、60℃各保持0.5h将物料蒸出，使用冰水冷阱收集物料，得到含量78.8%的四氟丁二酰氟215.7g，收率87.6%。
实施例7：
称取纯度98.1%的四氟丁二酸97g（0.5mol），加入带有机械搅拌、恒压加料漏斗和温度计导管的1L三口烧瓶中，在70℃水浴锅中加热真空（1-3mmHg）干燥3h待用。
在另一250ml的三口烧瓶中加入170g（1.14mol）纯化后含量97%的氟化试剂CHF2CF2NMe2（由四氟乙烯和二甲胺等摩尔反应制备）和2g四氯化钛，在氮气保护下于室温搅拌1h。
通过恒压加料漏斗将上述氟化试剂滴加到四氟丁二酸的三口烧瓶中反应，滴加完毕维持内温25℃搅拌反应1h，于40℃、60℃各保持0.5h将物料蒸出，使用冰水冷阱收集物料，得到含量90.6%的四氟丁二酰氟89.5g，收率83.6%。
实施例8：
称取纯度96.5%的八氟己二酸150g（0.5mol），加入带有机械搅拌、恒压加料漏斗和温度计导管的500ml三口烧瓶中，在70℃水浴锅中加热真空（1-3mmHg）干燥3h，氮气保护待用。
在另一250ml的三口烧瓶中加入210g纯化后GC含量为98%的氟化试剂CHFClCF2NEt2（1.08mol），再加入1.5g粉碎的三氯化铝（约250目），在氮气保护下于室温搅拌反应1h。
通过恒压加料漏斗将上述氟化试剂滴加到八氟己二酸中反应，滴加完毕维持内温40-45℃搅拌反应1h，后水浴升温至90℃保持1h将物料蒸出，使用冰水冷阱收集物料，得到含量91.4%的八氟己二酰氟132.3g，收率82.3%。
对比例1：
参考文献（J Fluorine Chem, 1983, 23, 383-388）方法，在氮气保护下将纯度97%的六氟戊二酸95g（0.38mol）、16g（0.38mol）干燥的氟化钠加入带有机械搅拌、恒压加料漏斗和温度计导管的1L三口烧瓶中，通过加料漏斗滴加氟化试剂CF3CHFCF2NEt2（GC含量78%）220g（0.77mol），滴加完毕维持内温25℃搅拌反应1h，后将水浴升温至50℃、70℃各保持0.5h将物料蒸出，使用冰水冷阱收集物料，得到含量82.3%的六氟戊二酰氟79.4g，收率70.5%。
对比例2：
称取纯度98.1%的四氟丁二酸97g（0.5mol），加入三口烧瓶中在70℃水浴锅中加热真空（1-3mmHg）干燥3h，干燥结束后在氮气保护下加入氢化钙干燥的乙腈100ml溶解待用。在搅拌下滴加210g（1.05mol）纯化后GC含量为95%的氟化试剂CHFClCF2NEt2，滴加期间保持内温20-25℃，后续操作同实施例2，收集得到含量78%的四氟丁二酰氟84.6g，收率68%。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种含氟二元酰氟的制备方法，其特征在于：以含氟二元羧酸为原料，在溶剂和催化剂的作用下，与氟化试剂发生氟代反应，得到含氟二元酰氟，
所述含氟二元羧酸满足下式：
HOOC-(CR1R2)a-(CF2)n-(CR3R4)b-COOH
其中，R1、R2、R3、R4为氢原子、氟原子、氯原子或C1-3烷基基团，可以相同或者不同；a和b为0-3的整数，n为0-5的整数且1≤a+b+n≤8；当n为0时，R1、R2、R3、R4至少有一个为氟原子；
所述含氟二元酰氟满足下式：
FOC-(CR1R2)a-(CF2)n-(CR3R4)b-COF
其中，R1、R2、R3、R4为氢原子、氟原子、氯原子或C1-3烷基基团，可以相同或者不同；a和b为0-3的整数，n为0-5的整数且1≤a+b+n≤8；当n为0时，R1、R2、R3、R4至少有一个为氟原子；
所述溶剂为乙醚、四氢呋喃、二氯甲烷、氯仿、二氯乙烷、三氟三氯乙烷、乙腈、丙腈、己二腈中的一种或多种，溶剂的用量为含氟二元羧酸质量的50～200%；
所述催化剂为路易斯酸催化剂，路易斯酸催化剂为三氯化铝、三氯化铁、四氯化钛、四氯化锡、三氟化硼、三氟化铝中的一种或多种，路易斯酸催化剂的用量为氟化试剂质量的0.1～3%；
所述氟化试剂为含氟烷基胺类氟化试剂，其结构式为：
X-CHF-CF2-NR1R2
其中，X为氟原子、氯原子、三氟甲基或三氟甲氧基；R1、R2为C1-3烷基基团，可以相同或者不同，
所述含氟烷基胺类氟化试剂的摩尔用量为含氟二元羧酸摩尔用量的2～4倍。
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