氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯的合成研究-應(yīng)用化學(xué)專業(yè)論文

1、分類號：學(xué)校代號：11845UDC：密級：學(xué)號：2110906037廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文(工學(xué)碩士)氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯的合成研究謝凱宏指導(dǎo)教師姓名、職稱：左蚩雄熬援 專業(yè)或領(lǐng)域名稱：廑用位堂 學(xué)生所屬學(xué)院：輕工絲王堂院 論文辯論日期：2Q12生魚月萬方數(shù)據(jù)A Thesis Submitted to Guangdong University of Technology for the Degree of Master(Master of Engineering Science)Study on the Synthesis of Fluoroaceatate and FlUOrOeth

2、ylene carbonateMasterCandidate：Xie Kaihong Supervisor：ProfFang YanxiongJune 2021School of Chemical Engineering and Light Industry Guangdong University of Technology Guangzhou，Guangdong，P RChina，51 0006萬方數(shù)據(jù)摘要摘要氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯是重要的化工和醫(yī)藥中間體，廣泛地應(yīng)用于醫(yī)藥， 染料，農(nóng)藥和電解質(zhì)添加劑等領(lǐng)域。本文在采用鹵素交換氟化反響合成氟代乙酸甲酯， 氟代乙酸乙酯和氟代碳酸乙烯酯的根

3、底上，研究了不同類型的離子液體作為相轉(zhuǎn)移催 化劑對合成氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯的影響，以期獲得規(guī)律性結(jié)果，并對合成工 藝進行優(yōu)化，為工業(yè)化生產(chǎn)提供根底。通過考察不同類型的離子液體對氟化反響的影響，我們發(fā)現(xiàn)離子液體的結(jié)構(gòu)對反 應(yīng)具有較大的影響：當(dāng)離子液體的陰離子為鹵素陰離子(Br。，C1。)時，對氟代乙酸甲酯和氟代乙酸乙 酯的合成具有非常大的促進作用，當(dāng)陰離子為BF4。，PF6一時，對氟乙酸甲酯和氟代乙酸 乙酯的合成具有非常小的促進作用或是阻礙作用；相反的，在合成氟代碳酸乙烯酯的 過程中，鹵素型(Br，CI。)的離子液體對反響具有明顯的阻礙作用，而陰離子為PF6。 的離子液體那么對反響具有較好

4、的促進作用。離子液體的陽離子對反響也具有一定的影響，總體來說，在合成氟代乙酸酯的過 程中，隨著甲基咪唑環(huán)側(cè)鏈上碳原子數(shù)的增加，離子液體的催化活性呈現(xiàn)下降的趨勢； 在合成氟代碳酸乙烯酯的過程中，陽離子的規(guī)律性不強。在合成氟代乙酸酯的過程中，采用離子液體BmimBr作為催化劑時具有比傳統(tǒng)季 銨鹽催化劑TBAB，CTAB更優(yōu)的結(jié)果。而在合成氟代碳酸乙烯酯的過程中，由于氟代 碳酸乙酯的合成反響過程中的活性較大，不加催化劑，已經(jīng)有不錯的產(chǎn)率，添加PF6型的離子液體作為催化劑，雖然能夠促進反響的進行，但是考慮到工業(yè)生產(chǎn)的本錢和離子液體的回收等問題，該反響以不添加催化劑為宜。本文通過單因素實驗考察了反響溫度

5、，反響時間，KF的用量，溶劑的用量及溶劑 種類對反響的影響，通過正交實驗設(shè)計，對氟化反響的工藝進行優(yōu)化。結(jié)果說明，合 成氟代乙酸甲酯的優(yōu)化工藝條件為：反響溫度120、反響時間4h、催化劑用量33、 n(KF)：n(氯乙酸甲酯)=2、溶劑用量為25ml，產(chǎn)率可到達664；合成氟代乙酸乙酯的 優(yōu)化工藝條件為：反響溫度120。C、反響時間4h、催化劑用量12510一mol、n(KF)： n(氯乙酸乙酯)=175、溶劑用量為20ml，產(chǎn)率為754；合成氟代碳酸乙烯酯的優(yōu)化工藝為：反響溫度90。C、反響時間75min、n(KF)：n(氯代碳酸乙烯酯)=18、溶劑用量15ml，萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位

6、論文 產(chǎn)率可到達841。 關(guān)鍵詞：氟乙酸乙酯；氟乙酸甲酯；氟代碳酸乙烯酯；鹵素交換氟化法；II萬方數(shù)據(jù)AbstractAbstractFluoro acetate and fluoro ethylene carbonate are important chemicals and pharmaceutical intermediates，widely used in the fields of medicine，dyes，pesticides，and electrolyte additivesDifferent types of ionic liquids have been used to c

7、atalyze halogen-exchange flrorination on fluoro acetate and fluoro ethylene carbonate，in order togain insight to such sorts of reactions and achieve the optimal reaction condiction，both ofwhich provide basis for further industrializationDifferent ionic liquids have been studied in the fluoronation，t

8、he results show that thestructure of ionic liquid play a key role in the reactionWhen the anions are halogen，it Can act as the effective phase transfer catalyst in the fluoronation on fluoroacetate，however it is less effective in the fluoronation on fluoro ethylene carbonateWhen the anions are BF4。a

9、nd PF6，it cail act as effective catalyst in the flronation of chloro ethylene carbonate，but it is less effective in the synthesis of fluoroaceateIn the other aspect，the types of cations produce some infuence on the reaction Generally speaking，catalytic activity of ILs decreases with increasing of th

10、e number of carbon atoms in cations during the process of synthesising fluoroacetateNevertheless，no obvious influenceof cation typescan bediscoveredin synthesisingethylene fluorocarbonateComparing the efficiency of different catalysts used in synthesizing fluoroaeetate，it can be concluded thatBminBr

11、 is a better catalyst than TBAB and CTABAs for synthesizing ethylene fluorocarbonate，good yield Can be achieved even without catalyst owning to activereaction property of the raw materialsAlthought PF6。type Ils Call promote the reaction，it would be better result without catalyst due to the problems

12、involving the cost and recycling ofILSThe influence of reaction parameters，such as reaction temperture，reaction time and the dosage of solvent were studiedThe productivity Was 664in the synthese of methyl flroroacetate at the optimum condition：dosage of catalyst was 33n(KF)：n(methyl chloroacetate)22

13、，dosage of solvent was 25ml at 1 20。C for 4hProductivity of 754in the synthese of ethyl flroroacetate can be achieved at optimum condition as follows：dosage of catalyst was 33，n(KF)：n(ethyl chloroacetate)=175，dosage of solvent Was 20ml at 120。C for 4hFor the synthese of flroro ethylene carbonatethe

14、optimum condition leading tOIll萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文841productivity is n(KF)：n(fluoro ethylene carboate)=18dosage of solvent was 1 5ml at90for 75minKey word：Ethyl fluoroacetate，Methylfluoroacetate，fluoro ethylenecarbonate， halogenexchange flrorination萬方數(shù)據(jù)符號說明符號說明縮寫中文名bmimBr溴代丁基甲基咪唑鹽HemimBr溴代己基甲基咪唑鹽Hepmim

15、Br溴代庚基甲基咪唑鹽DmimBr溴代癸基甲基咪唑鹽CaFl7mimBr溴代全氟辛基甲基咪唑鹽CzPyBr溴代乙基吡啶鹽C4PyBr溴代丁基吡啶鹽C6PyBr溴代己基吡啶鹽C16PyBr溴代十六烷基吡啶鹽bmimCl氯代丁基甲基咪唑鹽PmimCl氯代戊基甲基咪唑鹽OmimCl氯代辛基甲基咪唑鹽CsPyCl氯代戊基吡啶鹽bmimBF4丁基甲基咪唑四氟硼酸鹽pmimBF4戊基甲基咪唑四氟硼酸鹽HemimBF4己基甲基咪唑四氟硼酸鹽HepmimBF4己基甲基咪唑四氟硼酸鹽OmimBF4辛基甲基咪唑四氟硼酸鹽bmimPF6丁基甲基咪唑六氟磷酸鹽HemimPF6己基甲基咪唑六氟磷酸鹽HepmimPF6庚

16、基甲基咪唑六氟磷酸鹽OmimPF6辛基甲基咪唑六氟磷酸鹽hrnnpHS04吡咯烷酮硫酸氫鹽HemimHS04己基甲基咪唑硫酸氫鹽HemimH2P04己基甲基咪唑磷酸氫鹽V萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文CTAB十六烷基三甲基溴化銨TBAB四丁基溴化銨PEG6000聚乙二醇6000PEG1000聚乙二醇1000PEG一600聚乙二醇600PEG400聚乙二醇400PEG一200聚乙二醇200DMFN，N一二甲基甲酰胺DMACN，N二甲基乙酰胺DMSO二甲基亞砜N【PN甲基吡咯烷酮THF四氫呋喃VI萬方數(shù)據(jù)目錄目錄摘要IAbstract III符號說明V目錄VIICatalogue ， XI第一章

17、緒論111有機氟化物的性質(zhì)及應(yīng)用1111有機氟化物的性質(zhì)一1112有機氟化物的應(yīng)用一112有機氟化物的合成方法一2121直接氟氣法2122 BalzSchiemann氟化法3123電化學(xué)氟化法3124親核取代法313鹵素交換反響3131氟化試劑4132反響溶劑5133催化劑614離子液體9141離子液體的簡介一9142離子液體在氟化反響中的應(yīng)用1015本課題研究的目的意義及實驗方案11151實驗方案11第二章氟代乙酸甲酯的合成研究1321引言13211反響方程式1422實驗內(nèi)容14VII萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文221實驗試劑14222實驗儀器及裝置圖1523實驗方法1 6231實驗步驟

18、16232分析與檢測16233單因素考察1 7234正交實驗1 824結(jié)果與討論19241反響時間對反響的影響19242反響溫度對反響的影響19243催化劑用量對反響的影響20244氟化鉀用量對反響的影響21245溶劑用量對反響的影響21246氟化劑種類對反響的影響22247溶劑種類對反響的影響23248催化劑種類對反響的影響23249正交實驗結(jié)果與分析242410GCMS分析一2625本章小結(jié)26第三章氟代乙酸乙酯的合成研究2931引言29311反響方程式2932實驗內(nèi)容30321主要實驗試劑一30322實驗儀器實驗裝置圖3033實驗方法3 1331實驗步驟3 I332分析檢測3 l333單

19、因素實驗32VlII萬方數(shù)據(jù)目錄334正交實驗3334結(jié)果與討論34341反響時間對反響的影響34342反響溫度對反響的影響35343催化劑用量對反響的影響35344氟化鉀用量對反響的影響36345溶劑用量對反響的影響37346氟化試劑種類對反響的影響37347溶劑種類對反響的影響38348催化劑種類對反響的影響38349正交實驗結(jié)果與分析4035產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征4136本章小結(jié)42第四章氟代碳酸乙烯酯的合成研究4341引言43411反響方程式4442實驗內(nèi)容44421實驗儀器及裝置圖44422主要實驗試劑4543實驗方法45431實驗步驟45432分析檢測46433單因素實驗47434正交試驗設(shè)

20、計4845結(jié)果與討論48451反響時間對反響的影響48452反響溫度對反響的影響49453氟化鉀用量對反響的影響49454溶劑用量對反響的影響50萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文455氟化試劑種類對反響的影響51456溶劑種類對反響的影響51457催化劑種類對反響的影響52458含水量對反響中的影響5445。9正交試驗分析54451 0產(chǎn)物結(jié)構(gòu)分析5546本章小結(jié)56結(jié)論58參考文獻一61攻讀學(xué)位期間發(fā)表的論文一67學(xué)位論文獨創(chuàng)性聲明68學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)聲明68致謝69X萬方數(shù)據(jù)CatalogueAbstract(chinese)IAbstract IllSymbolic Account

21、VCatalogue(Chinese、VIICatalogue XIChapter 1 Introduction111 Property and application oforganic fluoride1111 Property oforganic fluoride1112 Application oforganic fluoride一1 12 Synthesis Methods2121 Direct Fluorination2122 BalzSchiemann Fluorination3123 Electrochemical Fluorination 3124 Nucleaphlic f

22、lrorination3 13 Halogenexchange flrorination 3 131 Fluorination agent4132 Solvents5 133 Catalysts614 Ionic Liquid9141 Summary ofIonic Liquids9142 Application oflls on fluorination10 15 Meaning and methord ofthe Paperl l1!；1 Methord。11Chapter 2 Synthesis ofMethyl fluoroacetate 13 21 Forword13 22 Form

23、ula 1422 22 Experiment14221 Reagent14222 Device1 523 Methods 16231 Process ofExperiments16萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文232 Analysis 16233 Single factor Experiment 17 234 Orthgonal Experiment 1 824 Results and Discussion19241 Influence ofReaction time 19242 Influence ofReaction Temperature 19 243 Influence ofCata

24、lyst Dosage 20 244 Influence ofKF Dosage 21 245 Influence of Solvent Dosage 21 246 Influence ofFluorination agents。 22 247 Influence of Solvents 23248 Influence ofCatalyst 23 249Analysis ofOrthgonal Experiment 24 2410 Analysis GCMS 2625 Brief Summary26Chapter 3 Synthesis ofEthyl fluoroacetate -29 31

25、 Forword 29311 Formula 2932 Experiment 30321 Reagent 30322 Device 3033 Methods 3 1 331 Process ofExperiments3 1 332 Analysis 3 1333 Single factor Experiment ， 。 32334 Orthgonal Experiment 3334 Results and Discussion 34 341Influence ofReaction time34342 Influence of Reaction Temperature 35 343 Influe

26、nce ofCatalyst Dosage 36344 Influence ofKF Dosage 36345 Influence of Solvent Dosage 37 346 Influence ofFluorination agents 37XIl萬方數(shù)據(jù)347 Influence of Solvents 一38348 Influence of Catalyst 38 349 Analysis ofOrthgonal Experiment 4035 Analysis GCMS 4136 Brief Summary 42 Chapter 4 Synthesis ofFluoro ethy

27、lene carbonate 43 41 Forword 43411 Formula 4442 Experimen 44421 Device 44 422 Reagent 4543 Methods： ：45431 Process ofExperiments 45432 Analysis 46433 Single factor Experiment 47434 Orthgonal Experiment 4845 Results and Discussion 48451 Influence of Reaction time 48 452 Influence ofReaction Temperatu

28、re 49 453 Influence ofKF Dosage 49 454 Influence ofSolvent Dosage 50455 Influence ofFluorination agents 51456 Influence of Solvents 5 1 457 Influence ofCatalyst 52458 Influence ofWater dosage 54459 Analysis ofOrthgonal Experiment 54 4510 Analysis GCMS 5546 Brief Summary 56 Conclusion 58 References 6

29、0 Published Papers during the Study for MasterS degree 67Statement ofOriginal Creation 68Statement ofAuthorization Copyright 。 。 68萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文Acknowledgement 69XIV萬方數(shù)據(jù)第一章緒論第一章緒論11有機氟化物的性質(zhì)及應(yīng)用111有機氟化物的性質(zhì)20世紀30年代初，氟氯烷烴(CFCs)被用作制冷劑標志著有機氟化物工業(yè)應(yīng)用的 開始。在過去的一個世紀，不斷出現(xiàn)的含氟藥物，含氟農(nóng)藥和含氟材料將有機氟化物 的研究推向一個更前沿的領(lǐng)域【l翻

30、。氟是一個較為特殊的元素，不僅具有較小的原子半徑(范德華原子半徑為147pm)， 同時還具有較大的電負性(398)，氟原子與碳原子成鍵時，氟原子的2s和2p軌道與碳 原子的2s和2p軌道具有完美的重疊，這導(dǎo)致所形成的CF鍵高度極化，具有優(yōu)良的熱力 學(xué)穩(wěn)定性和動力學(xué)穩(wěn)定性，這顯著地增強了有機氟化物的穩(wěn)定性和生理活性。有機氟 化物還具有較高的脂溶性和疏水性，這有利于加快其在生物體內(nèi)吸收與傳遞速度，改 變生理作用。112有機氟化物的應(yīng)用受引入的氟原子或是含氟基團的影響，有機氟化物展現(xiàn)了其一系列特殊的性質(zhì)，在多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。 1在醫(yī)藥方面的應(yīng)用在藥物分子中引入氟原子或是含氟基團能夠顯著改善其電

31、子效應(yīng)，代謝阻礙效應(yīng) 和脂溶性，使其具有特殊的藥用和生物活性。目前國際上使用的藥物中大約有20的 藥物為含氟化合物。目前，含氟藥物根據(jù)其用途的不同大致可以分為五大類：a含氟抗 腫瘤藥物，如5氟尿嘧啶，雙呋氟尿嘧啶，氟鐵龍和氟他胺等；b含氟抗生素藥物， 如5氟胞嘧啶，氟氯青霉素，氟代喹諾酮酸等；c含氟抗寄生蟲藥物，如甲氟喹，氟代 咪唑，氟乙酰胺等；d含氟非甾體藥物如氟吡洛芬，氟苯水楊酸；e含氟抗精神病類 如氟哌啶醇，五氟利多，含氟的5羥色胺，多巴胺D2受體拮抗藥等3。5】。2在外表活性劑方面的應(yīng)用 外表活性劑結(jié)構(gòu)中的氫原子被氟原子或是含氟官能團所取代的外表活性劑稱為氟外表活性劑。氟外表活性劑是一

32、種特種外表活性劑，具有優(yōu)良的外表活性，良好的熱萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性。同時，這種類型的外表活性劑既具有憎水性又具有憎油性【67】。 3在液晶材料中的應(yīng)用在液晶材料中引入氟原子或是含氟的基團，能夠顯著的改善液晶介電各向異性， 提高液晶分子對光熱的穩(wěn)定性，有利于增加液晶中其它成分的溶解性【8-91。 4在農(nóng)藥方面的應(yīng)用在農(nóng)藥分子的適當(dāng)部位，用氟取代氫，將氟原子引入到具有生物活性的化合物中， 能夠有效的調(diào)高生物活性，同時又不會對哺乳動物造成癌致畸作用。目前市面上的含 氟農(nóng)藥主要有幾大類：a含氟除草劑，如氰氟草酯，氟嘧黃隆，氟胺草酯；b含氟抗 菌劑，如氟硅唑，氟環(huán)唑，氟啶胺

33、，氟啶酰菌胺等； c含氟殺蟲劑，如氟鈴脲，氟酰 脲，氟蟲腈，氟蟲雙酰胺等】0_】。5在染料方面的應(yīng)用在染料分子中，引入氟原子能夠有效地提高活性染料的固色率，增加鍵的穩(wěn)定性， 調(diào)高其耐堿穩(wěn)定性，同時，由于受氟原子的高電負性的影響，含氟染料的反響性染色 溫度會比含氯染料低，具有節(jié)能的好處12m】。12有機氟化物的合成方法含氟化合物的合成方法有很多，最主要的大致可分為四種：直接氟氣法，重氮法， 電化學(xué)氟化法，親核取代法。121直接氟氣法氟氣直接氟化法是指采用單質(zhì)氟直接同烴類反響生成相應(yīng)的氟化物。不過由于單 質(zhì)氟是非?；顫姷脑兀诜错懼?，采用它作為氟化試劑，在反響中會有大量的 熱量放出，工業(yè)化生

34、產(chǎn)有發(fā)生爆炸的危險。同時由于反響太劇烈，容易造成明顯的CC 鍵的斷裂，并且難于控制反響中引入氟原子的數(shù)目及位置14-15】。采用惰性氣體對單質(zhì)氟進行稀釋，并且在低溫下反響，雖然有些化合物也可以直 接氟化，但是，生成的氟化物往往會比擬復(fù)雜，這會加大純化的難度，同時由于反響 太過劇烈，對整個反響的設(shè)各也提出很高的要求，這些不利因素都限制了該方法的實 際應(yīng)用。2萬方數(shù)據(jù)第一章緒論CxHy+F2CF4+HF+engergy圖11直接氟氣法反響式Fig l一1 Formula of direct fluorination122 BalzSchiemann氟化法BalzSchiemann氟化法是將苯胺類化

35、合物經(jīng)重氮化反響生成重氮鹽，再受熱分解生 成相應(yīng)的氟化物。到目前為止，人們對該反響的研究比擬多，也取得了一定進展。但 是，該方法存在合成步驟較長，反響中生成的中間體一重氮鹽不穩(wěn)定，重氮鹽的精致比 較麻煩，原子經(jīng)濟效率不高，重復(fù)性較差等缺點，限制了該方法的應(yīng)用。艿 型蚓 墜鄴囟 苧一It由N2+BF4F圖12 BalzSchiemann氟化法反響式Figl一2 Formula ofBalzSchiemann fluorination12-3電化學(xué)氟化法電化學(xué)氟化法是指在無水HF液體中電解有機化合物，在陽極(鎳電極)生成氟 化物，陰極釋放出氫氣。該方法較多是用于鹵代烴、磺酰鹵、醚、羧酸和胺的氟化。

36、 由于這種方法具有能耗低，污染小，可在常溫，常壓下進行等優(yōu)點，近年來，該方法 獲得了快速的開展。但是該方法仍然存在選擇性差的缺點。124親核取代法氟是電負性最大的元素，氟原子具有很強的親核性，可以作為一個強的親核試劑 發(fā)生親核反響。與前面所講的氟化方法相比擬，親核取代法具有較好的區(qū)域選擇性。 親核取代反響主要包括鹵素交換反響15】和脫硝基取代反響1 61。13鹵素交換反響鹵素交換反響是親核取代反響的一種，也是目前引入氟原子的一種重要方法。鹵萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文素交換氟化法是指氟化試劑中的氟同其他鹵化物中鹵素原子發(fā)生交換反響生成相應(yīng)的 氟化物。目前，對于鹵素交換反響的研究，主要是集中

37、在氟化試劑，反響溶劑，新型 的相轉(zhuǎn)移催化劑等方面的研究。131氟化試劑在鹵素交換反響中，所采用的氟化劑可分為兩大類，無機氟化劑和有機氟化劑。 無機氟化劑包括KF，CsF，NaF，CaF2，AgF，NI-14F等，有機氟化劑包括四丁基氟化 銨，四甲基氟化銨等含氟季銨鹽。Pinaki S等1采用KF和CsF作為氟化試劑，對含有氯原子或是溴原子的鹵化物進 行鹵素交換反響，在3075minl為合成氟乙酸甲酯等一系列氟化物，取得了較好的收率。 Hu等18采用具有高活性的無水四丁基氟化銨作為氟化劑，合成一系列的氟化物， 并且比照了不同氟化劑的氟化反響的效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)無水四丁基氟化銨相比于其他的氟化試劑可在

38、溫和的條件下獲得較高的收率。除了采用單一氟化劑外，也有文獻報道采用復(fù)合氟化劑，提高反響的速率和產(chǎn)率。 Junko掣191采用無水KF和CaF2粉末作為復(fù)合氟化劑，對溴苯的鹵化物進行氟交換反響， 發(fā)現(xiàn)在相同的條件下取得了比采用單一氟化物更加優(yōu)異的產(chǎn)率。除了上述的無機氟化劑和有機氟化劑外，采用HFBase作為氟化試劑的報道也比擬 多20-22】，如，Laurent采用3HFEt3N作為氟化劑，在反響溫度為20。C下反響4h，獲得了 901拘產(chǎn)率23。采用CsF，四丁基氟化銨作為氟化劑時，雖然其反響活性比擬高，但是，價格比 較貴，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。綜合本錢價格和反響活性兩方面考慮，采用活性較好并且

39、價格廉價的KF作為氟化劑是比擬適宜的。鹵素交換反響是固液兩相的反響，KF在溶劑或是反響物中的溶解度非常小，為了 能夠加快反響的速率，提高KF的比外表積，增加KF的反響活性就成為了研究氟化反響 的一個重點。目前，使用最多的KF是經(jīng)過噴霧枯燥形成的氟化鉀(SDKF)，它是通過將30 的I江水溶液經(jīng)過300500。C的噴霧枯燥形成的，所得到的KF的外表積為13m3g，相 比普通的KF，其反響活性有了較大的提高24。Kimura等251將KF水溶液先進行冷凍至形成固體，在室溫下進行真空升華，除去KF4zkq 20210924萬方數(shù)據(jù)第一章緒論中的水分，所得到的KF的比外表積遠遠大于普通蒸除水分的KF。

40、有文獻報道26271，向燒瓶中參加一定量的氟化鉀和無水甲醇，機械攪拌下回流15h， 使其分散成細小的顆粒，回流約一段時間后，參加一定量經(jīng)過枯燥除水過的甲苯，先 常壓蒸餾將甲醇、甲苯及少量的水分蒸出，約蒸出一定量的餾分后， 參加反響所需的 溶劑繼續(xù)蒸餾，這樣可以得到無水并且顆粒較小的KF。132反響溶劑鹵素交換反響往往是固液兩相的反響，不采用溶劑進行反響，反響往往也能進行， 但是效果一般不是很理想，因為在反響過程中，往往由于攪拌不均勻，導(dǎo)致整個反響 過程中的傳質(zhì)傳熱不夠理想而影響反響的進行。如Boudakian在1966年公布的專利中，在無溶劑的條件下合成硝基氟苯，該反響需要290反響24h，并

41、且最終獲得的產(chǎn)率比較低281。鹵素交換反響中的溶劑往往是采用極性的非質(zhì)子性溶劑，這主要是考慮到KF在極 性溶劑中的溶解度相比于在非極性溶劑中溶解度大，同時，由于F。易與含有活潑氫的 化合物形成氫鍵，不僅降低KF的反響活性，阻礙氟化反響的進行，而且有可能產(chǎn)生不 期望的副反響。目前使用較多的極性非質(zhì)子性溶劑有，N，N二甲基甲酰胺(DMF)，N， N二甲基乙酰胺(DMAC)，二甲基亞砜(DMSO)，N甲基吡咯烷酮(NMP)，環(huán)丁砜 (TMS02)，1，3二甲基二咪唑啉酮(DMI)等。由于這些極性溶劑在高溫下會發(fā)生部 分分解，所以也有人采用中等極性的硝基苯作為反響的溶劑，如，梁政勇等【29】采用硝 基

42、苯作為反響溶劑合成對氟苯甲醛，獲得了788的產(chǎn)率，而同等條件下，采用DMSO 作為溶劑時僅有125的產(chǎn)率。也有報道雖然沒有參加傳統(tǒng)意義上的催化劑，但是，利用催化劑的低熔點的特性， 通過加大催化劑的量，使其在反響過程中同時起催化劑和溶劑的作用。Pinald S等30。31 采用TBAB和HTPB作為催化劑，對脂肪族鹵代烴的氟化反響，他加大催化劑的使用 量，使整個反響體系在到達反響溫度時，處于熔融的狀態(tài)，這時的季銨鹽催化劑同時 起到催化劑和溶劑的作用。zkq 20210924萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文133催化劑氟化反響研究的初期，一般反響中是沒有添加催化劑的，但是，由于鹵素交換氟 化反響往

43、往是固液兩相的反響，參加催化劑有利于改善相間的傳質(zhì)能力，提高反響的 速度，縮短反響時間。氟化反響中的催化劑大致可以分為四大類，分別為嗡鹽型催化 劑，冠醚型催化劑，醚類催化劑，聚合物負載的催化劑。(1)翁鹽型催化劑 嗡鹽類催化劑是應(yīng)用較為廣泛的一類催化劑，一般以Q+X表示。嗡鹽型包括季銨鹽型，季鱗鹽型，季紳鹽型等。在氟化反響中，應(yīng)用最多的是季銨鹽和季鱗鹽型催化劑。嗡鹽催化劑是具有雙親結(jié)構(gòu)的化合物，同時具備親水性和親油性，在氟化反響的 過程中，主要是扮演“搬運工的角色，源源不斷的將水相中的F。輸送至油性，同時 將有機相中陰離子X帶回水相，直至反響物消耗完為止。嗡鹽型催化劑的催化劑機理可以用下列圖表

44、示W(wǎng)ater：KF+R4N+X=；=蘭=KX+RdN+F。SurfaceOrganic：RX+RaN+F。=；=RF+R4N+X圖13相轉(zhuǎn)移催化機理Fi913 Definition of Phase Transfer Catalysis季銨鹽型催化劑具有較好的催化活性，并且價格相對來說較為廉價，在有機合成 中具有廣泛的應(yīng)用。Yoel等p21采用四甲基氯化銨作為相轉(zhuǎn)移催化劑，在120C反響35h， 合成3氯一4一氟硝基苯，轉(zhuǎn)化率到達998，選擇性為99。汪樹清等331采用四丁基溴 化銨作為催化劑催化氯乙酸乙酯和氟化鉀反響合成氟代乙酸乙酯，加熱回流8h，產(chǎn)率為735。唐渝等34】采用十六烷基三甲基

45、溴化銨作為催化劑，DMF作為溶劑，用2，3，5，6四氯二苯甲腈和KF在110。C反響4h，獲得的產(chǎn)物收率有703。 季鱗鹽是另一類應(yīng)用較多的嗡鹽型催化劑，相比季銨鹽的催化劑，兩者的催化活性相類似，但是季鱗鹽的熱穩(wěn)定性要優(yōu)于季銨鹽型催化劑。Hiroyuki掣351，采用四苯 基溴化磷作為催化劑，催化合成2,4二氟苯磺酰氟，收率為74。李斌棟等采用四苯基溴化磷作為催化劑，在210C的條件下合成了9種芳香化合物，收率到達76以卜。zkq 20210924萬方數(shù)據(jù)第一章緒論近年來，為了提高嗡鹽型催化劑的熱穩(wěn)定性，增加其催化活性，人們研究了共軛離子型嗡鹽型催化劑在氟化反響中的應(yīng)用38】。 (2)冠醚型催

46、化劑冠醚類催化劑是一類具有獨特的分子空腔結(jié)構(gòu)的大環(huán)狀大分子多元醚化合物，它 們的結(jié)構(gòu)中含有多個OCH2CH2的結(jié)構(gòu)的重復(fù)單元。冠醚類催化劑的催化原理主要是 利用冠醚分子中的氧原子與金屬離子形成配位陽離子，并將客體分子帶入另一相中釋 放，進而使兩相間的反響得以發(fā)生。David等391采用18冠6作為催化劑，催化合成4一 氟3氯1一(2，3，5一三苯甲?；鵅D一呋喃核糖基)一1,6二氫一6一噠嗪酮。冠醚類催化劑具有非常高的催化活性，但是由于其價格比擬昂貴，并且毒性比擬 大，這些缺點也限制了冠醚類催化劑的應(yīng)用。(3)開鏈聚醚類催化劑 開鏈聚醚類催化劑的催化效果不如季銨鹽等催化劑，但是它具有具有較高的

47、化學(xué)穩(wěn)定性，毒性小，合成方便，價格低廉的優(yōu)點，因此受到了較多的研究，其催化機理 是由于鏈節(jié)可以折疊成螺旋狀并自由滑動的鏈，位于內(nèi)側(cè)的氧原子與金屬陽離子配位， 形成穩(wěn)定的配合物，溶于有機相中，從而使親核試劑裸露出來，使其具有較高的反響活性，同時從水相轉(zhuǎn)移至有機相，形成目標產(chǎn)物。其催化機理如下列圖所示：HO(CH3CH20)nH+M+Nu；=r文、：，、。Lpu圖l一4醚類催化劑催化機理Fi914 Catalyst mechanism of PEGGanapati D等40】以對甲苯磺酰氯和KF為原料，PEG400作為催化劑，在室溫下 合成了對甲苯磺酰氟，產(chǎn)率到達90。低分子量的聚乙二醇由于其羥基

48、密度較大，易 吸水，有可能增加氟化反響中的副反響的發(fā)生的幾率，人們更親睞于采用相對分子質(zhì)量更大的聚乙二醇作為催化劑。羅軍41等考察了不同分子量的聚乙二醇對對氯硝基苯 氟化反響的影響，發(fā)現(xiàn)，不同分子量的聚乙二醇對原料的轉(zhuǎn)化率無明顯的影響，但是 對產(chǎn)物的選擇性的影響具有非常大的影響，低分子量的聚乙二醇作催化劑時，其選擇zkq 20210924萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文性僅為421，而采用高分子量的聚乙二醇作為催化荊時，其選擇性高達967。 (4)負載型催化劑為能夠提高催化劑在高溫條件下的催化性能，方便催化劑的重復(fù)使用，人們將傳 統(tǒng)的催化劑如，季銨鹽，季鱗鹽，聚乙二醇等催化劑負載在高分子上，開

49、發(fā)出一類新 型的催化劑一負載型催化劑。Liang等開發(fā)出一類新型的咪唑聚合物催化劑，這種催化劑展現(xiàn)了優(yōu)越的化學(xué)和 熱穩(wěn)定性，將其應(yīng)用于對氯硝基苯的氟化反響中能夠獲得928的產(chǎn)率。該種催化劑 的制備方法如圖15所示：2 Br(CH2)4Br7氣N一俐也一今7巡蚴巫一(cH2)4一g一HQ l卟e一也一gH2cH2。FMiyajima等【43】采用聚苯乙烯對季鱗鹽進行負載，合成了聚苯乙烯負載的季鱗鹽 催化劑(結(jié)構(gòu)式如下圖)，將其應(yīng)用于2，4二硝基氯苯的氟化反響中，可獲得較好的PhP一Ph c1IPh圖16聚苯乙烯負載季磷鹽催化劑Figl-6 Polymer-Suppror quaternaryVi

50、nod等刪采用聚合物負載聚乙二醇(n=5)，合成了一類負載型聚乙二醇催化劑， 這種催化劑能夠明顯的促進親核氟化反響的進行。下列圖是負載型聚乙二醇催化劑的結(jié) 構(gòu)：zkq 20210924萬方數(shù)據(jù)第一章緒論Q圖17聚合物負載聚乙二醇Figl-7 Polymer-Suppror pentaerhylene Glycol除了上述的催化劑外，近年來，還出現(xiàn)了一類復(fù)合催化劑，它們在氟化反響中也 有較好的催化效果45。461。14離子液體141離子液體的簡介近年來，隨著環(huán)境問題的日益嚴重， 人們的環(huán)保意識在逐漸增強，尋找綠色的反 應(yīng)介質(zhì)和催化劑成為了當(dāng)今研究的熱點。 離子液體作為一種環(huán)境友好型的化學(xué)物質(zhì)，

51、越來越受到人們的親睞，對離子液體的性質(zhì)和應(yīng)用也開展了大量的研究。表1-1局部組成室溫離子液體的陰陽離子Figl1 Structure offamiliar cations and anions ofionic liquids陽離子陰離子zkq 20210924萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文離子液體是一類在室溫或是接近室溫(低于100。C)下呈現(xiàn)液體狀態(tài)，且完全由體 積相對較大、不對稱的有機陽離子和體積相對較小的無機陰離子組合而成的物劇47】。 離子液體的種類繁多，通過改變陰陽離子的不同組合，能夠設(shè)計出各種各樣的離子液 體。離子液體的非揮發(fā)性，獨特的物理性質(zhì)，如高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，較寬的

52、 液體狀態(tài)范圍，較寬的電化學(xué)窗口，優(yōu)良的溶解性481，這些性質(zhì)使得離子液體在有機合成14953J，別離純化及電化學(xué)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用。142離子液體在氟化反響中的應(yīng)用傳統(tǒng)的氟化反響一般是采用堿金屬氟化物作為氟化試劑，極性的非質(zhì)子型溶劑作 為反響的介質(zhì)，參加適量的相轉(zhuǎn)移催化劑，在一定溫度下進行反響。在這個過程中采 用的極性非質(zhì)子型溶劑如DMSO，DMF，NMP等，雖然能夠加速反響的進行，但是其 相對較高的沸點，會增加產(chǎn)物別離純化的難度，同時，溶劑的熱不穩(wěn)定性，會造成溶 解在高溫反響時發(fā)生分解，造成溶劑的回收較為困難。離子液體由于其優(yōu)越的物理化學(xué)性質(zhì)，它對無機鹽和有機物均有較好的溶解性， 同時，

53、大多數(shù)的離子液體往往具有較好的相轉(zhuǎn)移催化的功能，將離子液體應(yīng)用于有機 氟化反響中，能夠有效地促進氟化反響的進行。Christopher等【54】采用BmimPF6作為溶劑對一系列的鹵素化合物進行氟代反響，取得里較為理想的效果，但是，在實驗中， 也發(fā)現(xiàn)，長時間的高溫反響，離子液體會有局部發(fā)生分解。Kim551等采用BmimX(x 為BF4，PF6，NTf2，SbF6，oTt)作為溶劑，KF作為氟化試劑，對甲磺酰萘進行氟取代反響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的反響條件下，采用離子液體作為反響介質(zhì)的效果要遠遠優(yōu) 于采用乙腈作為反響介質(zhì)時的產(chǎn)率，同時發(fā)現(xiàn)，適量水的存在有利于反響的進行。Sandip 等【56】在咪

54、唑環(huán)的側(cè)鏈引入叔丁醇官能團，合成了一類叔丁醇烷基咪唑型的離子液體，在室溫下進行親核氟化反響，取得了較為理想的效果。Vinod HJadhav等壚7J在咪唑型 離子液體的支鏈上引入低分子量的聚乙二醇，合成了一類聚乙二醇的咪唑離子液體， 結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該類離子液體在氟化反響中具有較好的催化效果。近年來，為了提高離子 液體在氟化反響中的熱穩(wěn)定性及重復(fù)使用，將傳統(tǒng)的離子液體負載于聚合物中是目前 研究的一個熱點。Kimt581等合成了一類聚苯乙烯負載的咪唑型離子液體催化劑(結(jié)構(gòu) 如下列圖所示)，這種催化劑在氟化反響中具有較好的催化效果。第一章緒論曠ep。岔 X圖1-8聚合物負載離子液體Figl-8 poly

55、mer-supposed imidazolium salts15本課題研究的目的意義及實驗方案氟代乙酸甲酯，氟代乙酸乙酯和氟代碳酸乙烯酯是一類重要的有機氟化物，是重 要的化工中間體，醫(yī)藥中間體及電子化學(xué)品。氟代乙酸酯和氟代碳酸乙烯酯的工業(yè)化 生產(chǎn)具有較大經(jīng)濟價值及市場前景。本課題將通過篩選催化活性高的離子液體作為反響的催化劑，合成氟代乙酸甲酯， 氟代乙酸乙酯和氟代碳酸乙烯酯，并對氟代乙酸甲酯，氟代乙酸乙酯和氟代碳酸乙烯 酯的合成工藝進行優(yōu)化。151實驗方案(1)采用離子液體作為催化劑合成氟代乙酸甲酯，篩選催化活性高的離子液體，通 過單因素實驗考察反響時間，反響溫度，催化劑的用量，溶劑用量，溶劑

56、種類對反響 的影響，通過正交實驗優(yōu)化氟代乙酸甲酯的合成工藝。(2)采用離子液體作為催化劑合成氟代乙酸乙酯，篩選催化活性高的離子液體，通 過單因素實驗考察反響時間，反響溫度，催化劑的用量，溶劑用量，溶劑種類對反響 的影響，通過正交實驗優(yōu)化氟代乙酸乙酯的合成工藝。(3)采用離子液體作為催化劑合成氟代碳酸乙烯酯，篩選催化活性高的離子液體， 考察反響時間，反響溫度，催化劑的用量，溶劑用量，溶劑種類對反響的影響，通過 正交實驗優(yōu)化氟代乙酸乙酯的合成工藝。第二章氟代乙酸甲酯的合成研究第二章氟代乙酸甲酯的合成研究21引言氟代乙酸甲酯是一個重要的化工中間體，在染料，醫(yī)藥，農(nóng)藥等領(lǐng)域均具有非常廣泛的應(yīng)用，是合成

57、抗癌藥物5一氟尿嘧啶的重要原料15一，。 鹵素交換氟化反響是指采用鹵化物(鹵素一般是指氯原子和溴原子)同無機金屬氟化物或是有機氟化物發(fā)生親核取代反響。由于這種方法具有較好的位置專一性，能 夠在有機物的特定位置上引入氟原子，目前，鹵素交換氟化法是引入氟原子的一個重 要方法。鹵素交換反響是固液兩相問的反響，反響過程中往往需要添加適量的相轉(zhuǎn)移催化 劑，改善固液兩相間的傳質(zhì)性能。目前，在合成氟代乙酸甲酯的反響過程中所采用的 催化劑大多是季銨鹽型的催化劑，但是這種類型的催化劑的耐熱性較差容易受熱分解。 由于離子液體具有良好的熱穩(wěn)定性，選擇性溶解能力，非揮發(fā)性，易于回收等突出 優(yōu)點，近年來，離子液體越來越

58、多的應(yīng)用于非均相相轉(zhuǎn)移催化有機合成反響中。同傳 統(tǒng)的季銨鹽催化劑相比擬，離子液體的耐熱性更好，離子液體的分解溫度一般是高于300。本章以實驗室自行合成的離子液體作為催化劑，催化氯乙酸甲酯和氟化鉀反響，合 成氟代乙酸甲酯，對氟代乙酸甲酯合成工藝進行優(yōu)化。表2-1原料和產(chǎn)物的性能Fi921 Property of raw material and product廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文211反響方程式CICH2COOCH3FCH2COOCH3Solvent圖21氯乙酸甲酯氟化反響方程式Fi921 Formula ofMethyl chloroacetates fluorination22實驗內(nèi)容2

59、21實驗試劑表2-2實驗試劑Table 2-2 Reagents注：1氟化反響中所用的溶劑均是蒸餾后，采用活化過的4A分子篩進行除水 2氟化反響中所用的氟化試劑均是在150。C的烘箱中烘一天。3實驗中所用的離子液體均是在真空枯燥箱中枯燥24h。14萬方數(shù)據(jù)第二章氟代乙酸甲酯的合成研究222實驗儀器及裝置圖(1)實驗儀器表23主要儀器Table23 Main device(2)實驗裝置圖圖22實驗裝置圖Fi92-2 Reaction device萬方數(shù)據(jù)廣東工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文23實驗方法231實驗步驟在帶有枯燥管，回流冷凝管的單口燒瓶中參加549(005m01)的氯乙酸甲酯， 018819(0

60、001m01)氯代戊基甲基咪唑鹽(PmimC1)，5829(01m01)KF，25mlDMF， 待油浴溫度升至110*C時，將燒瓶放入油浴中，攪拌反響25h。反響完畢，冷卻至室溫， 過濾，取濾液進行GC分析。232分析與檢測2321 GC分析： 選用氯乙酸乙酯作為內(nèi)標物，通過內(nèi)標標準曲線法計算氟代乙酸甲酯的產(chǎn)率。色譜分析的條件如下所示：柱子：PEG-20M(polyethylene glycol 20M)50m*025mm載氣：N2；燃燒氣：H2；助燃氣：Air 色譜柱溫度：105 氣化室溫度：190 FID檢測器溫度：200在以上分析條件下，得各物質(zhì)的氣相色譜圖如下：；獸L。袱R=5675m