CN115819193A - 一种二元对称型氢氟醚的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种二元对称型氢氟醚的合成方法，以二元醇、含氟醇和磺酰氯为原料，对应含氟醇作溶剂，经过碱与除水剂配合使用的温和条件反应，以高纯度、高收率，得到通式为Rf‑O‑R‑O‑Rf的二元对称型氢氟醚。在20～80℃下反应2～8h即达到较好的收率，以对应含氟醇作溶剂可有效提高纯度和收率，本方法的纯度和收率分别在99.0％和80.0％以上。在本方法中，作为原料和溶剂的含氟醇可回收利用，不使用对环境或安全影响较大的氢化物、卤化物、酰氟等，且该方法对制备不同结构氢氟醚具有一定的普适性。
Description
(一)技术领域
本发明属于有机氟化学技术领域，涉及一种具有对称结构氢氟醚的合成方法，特别涉及一种以二元醇、含氟醇和磺酰氯为原料，对应含氟醇作溶剂，经过碱与除水剂配合使用的温和条件反应，得到通式为Rf-O-R-O-Rf的二元对称型氢氟醚的合成方法。
(二)背景技术
氢氟醚类物质具有高化学稳定性、高热稳定性、阻燃性、低粘度等特性，被认为是一种新型的理想的锂电池电解液的溶剂或添加剂。二元对称型氢氟醚，即含有两个醚键且具有对称结构的一类氢氟醚，如双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚，二元对称型氢氟醚的通式可表示为：Rf-O-R-O-Rf，由于其特殊的对称结构，介电常数和分子的极性要小于不对称的氢氟醚，容易通过控制两端的含氟基团(Rf)和基底结构(R)设计来达到不同的性能要求，有利于改善氢氟醚对锂盐的溶解性能，离子传导能力，可对多种材料具有良好的相容性。
关于合成对称型氢氟醚的报道不多，1963年，Viktor在使用含氟烯烃和甲醛在氟化氢催化下合成含氟醇和氢氟醚时，得到一种双(2,2,2-三氟乙基)醚的副产物，首次合成出具有对称结构的氢氟醚，由于反应体系复杂，他虽然对结构进行表征以确定产物，但是未对反应的机理做出解释。
在专利US 20050224747A1中提出了一种以酰氟和磺酸酯为原料，合成具有对称结构氢氟醚的方法，比如该方法使用自制全氟丁酰氟与双对甲苯磺酸乙二醇酯在无水无氧条件，于50℃下反应40h，得到CF3CF2CF2OCH2CH2OCF2CF2CF3，经提纯后纯度为99.4％，收率为42％，但该方法存在酰氟原料昂贵，反应产生氟化氢等腐蚀性气体具有很大的安全隐患的问题，同时，该方法反应时间长，收率低，因此不适合工业化应用。
在专利US 20080306308A1中，提出了一种由含氟醇和含离去基团醇或烷烃为原料，合成具有对称结构氢氟醚的方法，比如该方法使用三氟乙醇在氢化钠作用下与自制2-溴乙烷对甲苯磺酸酯进行反应，得到双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚，收率达到75％，但该方法使用氢化钠作为夺氢试剂，体系产生大量的氢气和热量具有爆炸风险，同时该方法使用卤代醇、卤代烷烃作原料，以及3-甲基吡啶等作溶剂使反应具有较多的副产，不利于反应的提纯，产品纯度不高。
在专利US 20160075625A1中，提出了一种以2,2-二氟乙醇为原料先后与碳酸乙烯酯、二氟乙醇磺酸酯反应，得到双(2,2-二氟乙基)乙二醚的方法，该方法第一步和第二步的反应时间分别为24h和16h，反应时间较长，收率分别为70％和64％，总收率较低，不到45％，该方法也使用了碱金属氢化物作为夺氢试剂，具有爆炸风险。
在专利US011276884B2的实施例中，改进了由含氟醇和磺酸酯为原料进行反应的方法，但也使用了氢化钠等碱金属氢化物进行反应，反应不易控制，具有安全风险，并且该方法的最高收率只有58％，不利于工业化应用。
以上这些制备具有对称结构氢氟醚的方法，多是通过与碱金属氢化物作用得到醇盐进行反应，此类反应均存在可控性和安全性较差的问题，此外，某些反应所使用的原料来源稀缺，价格昂贵，反应条件苛刻，同时，目前的合成方法均使用如乙醚、四氢呋喃、吡啶等作为溶剂，使得反应存在副产物多、纯度和收率不高的问题，不利于工业化应用。
因此，探究一种能在温和条件下，以高纯度、高收率制备对称型氢氟醚的合成方法，并基于氢氟醚优良的介电性能、高化学稳定性、高热稳定性、阻燃性、低粘度等特性，拓展氢氟醚在电池电解液、电子清洗剂等领域的应用具有重要意义。
(三)发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种具有Rf-O-R-O-Rf对称结构的二元对称型氢氟醚的合成方法。所述方法以二元醇、含氟醇和磺酰氯为原料，对应含氟醇作溶剂，经过碱与除水剂配合使用的温和条件反应，以高纯度、高收率，得到通式为Rf-O-R-O-Rf的二元对称型氢氟醚。
本发明采用的技术方案：
本发明提供一种二元对称型氢氟醚的合成方法，所述方法按如下步骤进行：
S1：二元磺酸酯的制备
在冷浴条件下，往三口烧瓶中依次加入磺酰氯、非极性溶剂和二元醇，搅拌混合半小时后，通过滴液漏斗缓慢滴加缚酸剂，0～50℃反应结束后，得到二元磺酸酯的混合液，减压蒸馏除去溶剂和缚酸剂后，所得的固体混合物经水洗、干燥后，得到二元磺酸酯；所述磺酰氯包括对甲苯磺酰氯、苯磺酰氯、对硝基苯磺酰氯或三氟甲磺酰氯；所述非极性溶剂包括二氯甲烷、二氯乙烷、乙醚、甲基叔丁基醚或环己烷；所述二元醇包括1，2-乙二醇、1，3-丙二醇、1，4-丁二醇、1，5-戊二醇等双端羟基的醇；所述缚酸剂包括三乙胺、吡啶、3-甲基吡啶、碳酸钠或醋酸钠等；
S2：二元对称型氢氟醚的制备
在冷浴条件下，依次将碱、除水剂、含氟醇和步骤S1制备的二元磺酸酯缓慢加至三口烧瓶中，搅拌混合半小时后，在20～80℃下继续搅拌反应，得到二元对称型氢氟醚的混合反应液；将得到的混合反应液过滤后转移至蒸馏装置中，回收含氟醇，收集产物馏分，提纯得到二元对称型氢氟醚；所述碱为碱金属氢氧化物，其可以是氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或氢氧化钡；所述除水剂可以是无水氯化钙、无水硫酸镁、3A分子筛、聚丙烯酸钠等；所述含氟醇可以是二氟乙醇、三氟乙醇、四氟丙醇、五氟丙醇、六氟异丙醇等。
优选的，步骤S1中，冷浴温度为-20～5℃；以二元醇为基准，反应物投料摩尔比为二元醇∶磺酰氯∶缚酸剂＝1∶2～4∶2～6；所述非极性有机溶剂体积用量以二元醇物质的量计为0.1～5L/mol；所述水洗方式为使用去离子水洗涤三次，干燥方式为80℃下真空干燥8h。
优选的，步骤S2中，冷浴温度为-20～5℃；以二元磺酸酯为基准，含氟醇既作原料也作溶剂，反应原料投料摩尔比为二元磺酸酯∶碱∶含氟醇＝1∶2～4∶20～40，除水剂的添加量为碱质量用量的1.5倍；反应温度为20～80℃；反应时间为2～8h；所述作溶剂的含氟醇可通过蒸馏回收；所述提纯是将产物馏分与等体积去离子水混合进行水洗，洗涤三次后，再使用3A分子筛干燥除水24h，得到纯度在99.0％以上的二元对称型氢氟醚产物。
本发明以二元醇为原料提供基底结构(R)，以含氟醇为原料提供含氟基团(Rf)，以磺酰氯为离去基团试剂(LGR)，碱与除水剂配合使用，在对应含氟醇作溶剂下进行反应，合成二元对称型氢氟醚，所述合成方法涉及的反应方程式如下：
R(OH)2+2R′SO2C1→R(R′SO3)2+2HCl
2RfOM+R(R′SO3)2→RfORORf+2R′SO3M
本发明所述方法制备的具有Rf-O-R-O-Rf对称结构的氢氟醚可以应用于电池电解液、电子清洗剂、含氟冷却液等领域。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：本发明提供的二元对称型氢氟醚的合成方法原料来源方便，反应温和快速，在20～80℃下反应2～8h即达到较好的收率，以对应含氟醇作溶剂可有效提高纯度和收率，本方法的纯度和收率分别在99.0％和80.0％以上，而采用氢化钠和常见极性溶剂进行反应的效果，所得产物收率只有45％。同时，在本方法中，作为原料和溶剂的含氟醇可回收利用，不使用对环境或安全影响较大的氢化物、卤化物、酰氟等，且该方法对制备不同结构氢氟醚具有一定的普适性。此外，本合成方法所制备的二元对称型氢氟醚纯度高，能满足电池电解液等对杂质含量的要求，能降低氢氟醚类溶剂或添加剂应用在电池电解液、电子清洗剂等的成本，以及提高各自的使用性能。
(四)附图说明
图1为实施例1中间产物双对甲苯磺酸乙二醇酯与标准品的对比红外光谱图；曲线a(sample)代表实施例1所制备中间产物；曲线b(standard)代表98％纯度标准品。
图2为实施例1产物双(2，2，2-三氟乙基)乙二醚与乙二醇的对比红外光谱图；曲线a(BTFE-EG)代表实施例1制备的产物双(2，2，2-三氟乙基)乙二醚；曲线b(EG)代表实施例1底物乙二醇。
图3为实施例1产物双(2，2，2-三氟乙基)乙二醚气相色谱图及分析结果表；图中：保留时间14.398min的峰为产物双(2，2，2-三氟乙基)乙二醚的响应峰，峰面积百分比为99.48％。
图4为实施例1产物双(2，2，2-三氟乙基)乙二醚的质谱图；图中：m/z为226的峰对应产物双(2，2，2-三氟乙基)乙二醚的分子离子峰，其他各碎片离子峰也基本符合产物的碎片结构。
图5为实施例1产物双(2，2，2-三氟乙基)乙二醚的核磁共振谱图；图中：(a)为双(2，2，2-三氟乙基)乙二醚核磁共振碳谱，除去氘代甲醇，存在三种化学环境的碳原子；(b)为双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚核磁共振氟谱，只存在一种化学环境的氟原子，核磁共振谱图符合双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚的结构。
(五)具体实施方式
下面通过具体实施例来描述本发明，需要说明的是这些实施例仅用于解释本发明而不用于限制本发明的范围。对本发明的细节和形式进行修改均在本发明的保护范围内。
实施例1
以1,2-乙二醇为原料提供基底结构，以2,2,2-三氟乙醇为原料提供含氟基团，以对甲苯磺酰氯为离去基团试剂进行反应，合成二元对称型氢氟醚双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚，其化学式为CF3CH2OCH2CH2OCH2CF3，具体合成方程及步骤如下：
S1：双对甲苯磺酸乙二醇酯的制备
在0℃冷浴条件下，向500mL三口烧瓶中依次加入57.3g(0.30mol)对甲苯磺酰氯，150mL甲基叔丁基醚和9.32g(0.15mol)1,2-乙二醇，在一口设置导气管通往装有质量浓度5％氢氧化钠水溶液的吸收瓶中，搅拌混合半小时后，使用滴液漏斗滴加35.4g(0.35mol)三乙胺，维持反应体系在30℃下反应6h，反应液经减压蒸馏除去溶剂和过量的三乙胺，所得的固体混合物使用100mL去离子水水洗三次，再置于80℃下真空干燥8h后，得到精制的双对甲苯磺酸乙二醇酯46.94g，经红外光谱定性和元素分析(C 50.56％、H 5.35％、S 16.47％)计算可得，中间产物纯度为97.34％，收率为84.50％；中间产物双对甲苯磺酸乙二醇酯的红外光谱图如附图1所示，图1表明中间产物与98％纯度双对甲苯磺酸乙二醇酯标准品的官能团基本吻合。
S2：双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚的制备
在0℃冷浴条件下，往500mL三口烧瓶中依次投入12.0g氢氧化钠(0.30mol)、18.0g无水硫酸镁、300.0g(3.00mol)2,2,2-三氟乙醇和37.0g(0.10mol)步骤S1精制后的双对甲苯磺酸乙二醇酯，搅拌混合半小时后，控制反应温度在80℃下搅拌反应4h，将得到的混合反应液过滤后转移至蒸馏装置中，回收73-75℃馏分的三氟乙醇溶剂，并收集145℃左右的产物馏分，再将该馏分与等体积去离子水混合进行水洗，洗涤三次后，下层油相使用3A分子筛干燥除水24h，得到18.57g双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚，经气相色谱仪进样分析，纯度为99.48％，收率为82.10％。
产物双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚的红外光谱图见图2、气相色谱图见图3、质谱分析图见图4、核磁共振谱图见图5。图2表明原料醇中的羟基消失，转化产物中的醚键；图3表明保留时间14.398min的峰为产物双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚的响应峰，峰面积百分比为99.48％；图4表明m/z为226的峰对应产物双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚的分子离子峰，其他各碎片离子峰也基本符合产物的碎片结构；图5中(a)为双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚核磁共振碳谱，除去氘代甲醇，存在三种化学环境的碳原子，(b)为双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚核磁共振氟谱，只存在一种化学环境的氟原子，核磁共振谱图符合双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚的结构。
气质联用仪器参数和实验条件如下：
仪器型号：安捷伦7890A气相色谱三重四极杆质谱联用仪；
GC条件：毛细管柱：TR-WAXMS(60m*0.25mm*1μm)，进样口温度：250℃，程序升温：80℃(3min)，20℃/min，160℃(12min)，进样量：0.2uL，分流比100：1，载气：He，流速1.0mL/min，传输杆温度：250℃；
MS条件：全扫描模式，质量采集范围：28-650，Da源温：230℃，灯丝电流：35uA，电子轰击能量：70eV，四级杆1、2温度：150℃、150℃。
实施例2～5
将实施例1步骤S1中的冷浴温度、磺酰氯、非极性溶剂、二元醇、缚酸剂、反应物摩尔比、反应温度、反应时间；步骤S2中的反应物摩尔比、反应温度、反应时间分别改成表1所示，步骤S1中，非极性有机溶剂体积用量以二元醇物质的量计为1L/mol，步骤S2中除水剂用量为碱质量用量的1.5倍，其他操作同实施例1，对应所得二元对称型氢氟醚的纯度和收率见表1。
表1不同反应原料及反应条件下产物合成情况
注：表1中S1反应物摩尔比为二元醇：磺酰氯：缚酸剂。S2反应物摩尔比是指中间产物磺酸酯：碱：含氟醇。
对比例1
S1：双对甲苯磺酸乙二醇酯的制备(同实施例1)
在0℃冷浴下，在500mL三口烧瓶中依次加入57.3g(0.30mol)对甲苯磺酰氯，150mL甲基叔丁基醚和9.32g(0.15mol)1,2-乙二醇，在一口设置导气管通往装有质量浓度5％氢氧化钠水溶液的吸收瓶中，搅拌混合半小时后，使用滴液漏斗滴加35.4g(0.35mol)三乙胺，维持反应体系在30℃下反应6h，反应液经减压蒸馏除去溶剂和过量的三乙胺，所得的固体混合物使用100mL去离子水水洗三次，再置于80℃下真空干燥8h后，得到精制的双对甲苯磺酸乙二醇酯44.19g，纯度98.21％；
S2：双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚的制备(使用氢化钠作为碱，以及常见极性溶剂)
往500mL三口烧瓶中依次投入12.0g(0.30mol)氢化钠、200mL二甲基甲酰胺(DMF)，将反应装置置于0℃冷浴中，搅拌混合半小时后，缓慢滴加40.0g(0.40mol)2,2,2-三氟乙醇，此后加入37.0g(0.10mol)精制后的双对甲苯磺酸乙二醇酯，控制反应温度在80℃下搅拌反应4h，将得到的混合反应液过滤后转移至蒸馏装置中，收集145℃的馏分，再将该馏分与等体积去离子水混合进行水洗，洗涤三次后，下层油相使用3A分子筛干燥除水24h，得到10.54g产物双(2,2,2-三氟乙基)乙二醚，经气相色谱仪进样分析，纯度为94.41％，收率为44.03％。
从该对比例中可以看出，采用氢化钠和常见极性溶剂进行反应的效果较差，所得产物纯度和收率分别仅为94.41％和44.03％，同时还需考虑反应产生的氢气以及大量废液处理问题，不利于生产应用。对比之下，本发明提供的温和合成方法，不产生危险气体，且所得产物的纯度和收率均具有明显的优势，纯度在99.0％以上，收率在80.0％以上。
Claims (10)
1.一种二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，所述方法按如下步骤进行：
S1：二元磺酸酯的制备
在冷浴条件下，往三口烧瓶中依次加入磺酰氯、非极性溶剂和二元醇，搅拌混合半小时后，缓慢滴加缚酸剂，0～50℃反应结束后，得到二元磺酸酯的混合液，减压蒸馏除去溶剂和缚酸剂后，所得的固体混合物经水洗、干燥后，得到精制的二元磺酸酯；所述非极性溶剂包括二氯甲烷、二氯乙烷、乙醚、甲基叔丁基醚或环己烷；所述缚酸剂包括三乙胺、吡啶、3-甲基吡啶、碳酸钠或醋酸钠；
S2：二元对称型氢氟醚的制备
在冷浴条件下，依次将碱、除水剂、含氟醇和步骤S1制备的二元磺酸酯缓慢加至三口烧瓶中，搅拌混合半小时后，在20～80℃下继续搅拌反应，得到二元对称型氢氟醚的混合反应液；将混合反应液过滤后转移至蒸馏装置中，回收含氟醇，收集产物馏分，提纯得到二元对称型氢氟醚；所述碱为碱金属氢氧化物；所述除水剂为无水氯化钙、无水硫酸镁、3A分子筛或聚丙烯酸钠。
2.如权利要求1所述二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，步骤S1中，所述磺酰氯包括对甲苯磺酰氯、苯磺酰氯、对硝基苯磺酰氯或三氟甲磺酰氯。
3.如权利要求1所述二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，步骤S1中，所述二元醇包括1,2-乙二醇、1,3-丙二醇、1,4-丁二醇或1,5-戊二醇。
4.如权利要求1所述二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，步骤S1中，二元醇与磺酰氯投料物质的量之比为1：2～4；所述二元醇与缚酸剂投料物质的量之比为1：2～6。
5.如权利要求1所述二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，步骤S1中，冷浴温度为-20～5℃。
6.如权利要求1所述二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，步骤S2中，所述碱为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙或氢氧化钡。
7.如权利要求1所述二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，步骤S2中，所述含氟醇为二氟乙醇、三氟乙醇、四氟丙醇、五氟丙醇或六氟异丙醇。
8.如权利要求1所述二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，步骤S2中，冷浴温度为-20～5℃。
9.如权利要求1所述二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，步骤S2中，二元磺酸酯与碱投料物质的量之比为1：2～4；二元磺酸酯与含氟醇投料物质的量之比为1：20～40，除水剂的添加量为碱质量用量的1.5倍。
10.如权利要求1所述二元对称型氢氟醚的合成方法，其特征在于，步骤S2中，所述提纯是将产物馏分与等体积去离子水混合进行水洗，再使用3A分子筛干燥除水24h，得到所述的二元对称型氢氟醚产物。
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