趙 斌 郝歆愚 王秀娜 張 蓉 靳 焜 李亞明

(大連理工大學(xué)化工學(xué)院，精細(xì)化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024)

0 前言

聯(lián)苯類化合物是重要的精細(xì)化工中間體，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)藥物、香料、染料和功能聚合物等[1]。由于傳統(tǒng)的Ullmann[2]銅催化合成聯(lián)苯類化合物的方法需要催化計(jì)量銅和高溫高壓，因而溫和條件下聯(lián)苯類化合物的合成方法引起了化學(xué)家的興趣。多氟聯(lián)芳基化合物在醫(yī)藥和功能材料領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，近年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究人員的廣泛關(guān)注[3-7]。

含氟聯(lián)苯類化合物如十氟聯(lián)苯(又稱全氟聯(lián)苯)，廣泛應(yīng)用于制備燃料電池質(zhì)子交換膜[8-10]、氣體分離膜[11]、光波導(dǎo)材料[12-13]和有機(jī)發(fā)光二極管等[14-15]。此外，十氟聯(lián)苯也可用于無色透明聚酰亞胺的制備[16-17]，無色透明聚酰亞胺在柔性顯示器件、光學(xué)透鏡和增透膜等領(lǐng)域作為塑料基板等有著重要的應(yīng)用。

有關(guān)十氟聯(lián)苯的合成方法主要有以下進(jìn)展。2006年，F(xiàn)agnou等[18]以Pd(OAc)2為催化劑、以五氟苯和五氟溴苯為原料，在80 ℃條件下以較高的收率得到了十氟聯(lián)苯。2009年，Liu等[19]報(bào)道了銅催化的五氟苯甲酸鉀與五氟碘苯脫羧偶聯(lián)得到十氟聯(lián)苯的方法。2012年，Zhang等[20]以Pd(OAc)2-Ag2CO3為催化劑、異丙基二硫醚為添加劑，通過五氟苯之間的自偶聯(lián)得到了十氟聯(lián)苯。2020年，Marder等[21]報(bào)道了氟化芳基硼酸酯自偶聯(lián)得到多氟聯(lián)苯的方法，以2，3，4，5，6-五氟苯硼酸頻哪醇酯為原料、以Pd(OAc)2-Ag2O為催化劑在75 ℃條件下反應(yīng)以高收率得到了十氟聯(lián)苯。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料與儀器

1.1.1試驗(yàn)原料

五氟苯甲酸，純度98%，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；叔丁醇鉀，純度98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；五氟溴苯，純度99%，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；五氟碘苯，純度98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1，10-菲啰啉，純度99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；碘化亞銅，98%，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；二乙二醇二甲醚，純度99.5%，薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司；二甲基亞砜(DMSO)，分析純，西隴科學(xué)股份有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析純，西隴科學(xué)股份有限公司；無水硫酸鈉，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；氯化鈉，分析純，天津市東麗區(qū)天大化學(xué)試劑廠；其他所用試劑均為商業(yè)可得的國產(chǎn)工業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

1.1.2試驗(yàn)儀器

核磁共振波譜儀，Bruker Avance NEO600M，TMS為內(nèi)標(biāo)，瑞士布魯克公司；氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，HP6890GC/5973MSD，美國安捷倫公司。

1.2 試驗(yàn)方法

選擇廉價(jià)易得的銅催化五氟苯甲酸脫羧偶聯(lián)路線制備十氟聯(lián)苯，合成路線見圖1，所得十氟聯(lián)苯的結(jié)構(gòu)采用核磁共振碳譜(13C-NMR)和氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(GC-MS)確認(rèn)。

圖1 十氟聯(lián)苯的合成路線

1.3 試驗(yàn)過程

1.3.1五氟苯甲酸鉀的合成

將五氟苯甲酸2.121 g(10 mmol)、乙醇10 mL置于50 mL圓底燒瓶中，在室溫?cái)嚢柘?，?0 min內(nèi)滴加叔丁醇鉀(1.122 g，10 mmol)的乙醇溶液10 mL。滴加完畢后，繼續(xù)于室溫下攪拌反應(yīng)3 h。反應(yīng)完畢后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去大部分乙醇。加入20 mL乙醚，過濾收集固體，并依次用乙醇(5 mL×2)和乙醚(10 mL×2)洗滌，在真空干燥箱中于30 ℃干燥2 h，得到2.253 g白色固體，產(chǎn)物收率為89.9%。

1.3.2十氟聯(lián)苯的合成

在N2保護(hù)下，將五氟苯甲酸鉀375 mg(1.5 mmol)、五氟溴苯247 mg(1.0 mmol)、CuI 38 mg(0.2 mmol)、1，10-菲啰啉36 mg(0.2 mmol)、二乙二醇二甲醚2 mL加入至25 mL Schlenk管中，于130 ℃攪拌反應(yīng)36 h。反應(yīng)完畢后，冷卻至室溫，用30 mL乙酸乙酯稀釋，過濾除去殘?jiān)玫接袡C(jī)相。依次用水(30 mL×3)、飽和食鹽水洗滌有機(jī)相。用無水硫酸鈉干燥有機(jī)相，過濾后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑，所得的粗產(chǎn)品經(jīng)柱層析純化(純石油醚)得到216 mg白色固體，產(chǎn)物收率為64.7%。13C-NMR(151 MHz，CDCl3)δ：145.63，143.99，143.66，141.95，138.98，137.31，101.70；GC-MS(m/z) ∶334.1(M+)。

在N2保護(hù)下，將五氟苯甲酸鉀300 mg(1.2 mmol)、五氟碘苯294 mg(1.0 mmol)、CuI 38 mg(0.2 mmol)、1,10-菲啰啉36 mg(0.2 mmol)、二乙二醇二甲醚2 mL加入至25 mL Schlenk管中，于130 ℃攪拌反應(yīng)24 h。反應(yīng)完畢后，冷卻至室溫，用30 mL乙酸乙酯稀釋，過濾得到有機(jī)相，依次用水(30 mL×3)、飽和食鹽水洗滌。用無水硫酸鈉干燥有機(jī)相，過濾后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑，所得的粗產(chǎn)品經(jīng)柱層析純化(純石油醚)得到253 mg白色固體，產(chǎn)物收率為75.8%。

2 結(jié)果與討論

以銅催化五氟苯甲酸鉀與五氟溴苯脫羧偶聯(lián)制備十氟聯(lián)苯為模型反應(yīng)進(jìn)行反應(yīng)條件優(yōu)化。

2.1 五氟苯甲酸鉀用量對反應(yīng)的影響

選定反應(yīng)溫度130 ℃，反應(yīng)時(shí)間24 h，溶劑為二乙二醇二甲醚，催化劑為CuI，催化劑物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%，配體為1,10-菲啰啉，不同五氟苯甲酸鉀用量對反應(yīng)的影響見表1。

表1 五氟苯甲酸鉀用量對反應(yīng)的影響

由表1可見，當(dāng)n(五氟苯甲酸鉀) ∶n(五氟溴苯)=1 ∶1時(shí)，十氟聯(lián)苯收率為50.0%，增加五氟苯甲酸鉀用量，十氟聯(lián)苯收率提高，當(dāng)n(五氟苯甲酸鉀) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0時(shí)，十氟聯(lián)苯收率最高，達(dá)到61.7%。所以確定適宜的原料配比n(五氟苯甲酸鉀) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0。

2.2 催化劑用量對反應(yīng)的影響

選定反應(yīng)溫度130 ℃，反應(yīng)時(shí)間24 h，溶劑為二乙二醇二甲醚，n(五氟苯甲酸鉀) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0，催化劑為CuI，配體為1,10-菲啰啉，不同催化劑用量對反應(yīng)的影響見表2。

表2 催化劑用量對反應(yīng)的影響

由表2可見，碘化亞銅物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%時(shí)，十氟聯(lián)苯收率更高。所以碘化亞銅物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%比較適宜。

2.3 溶劑對反應(yīng)的影響

選定反應(yīng)溫度130 ℃，反應(yīng)時(shí)間24 h，n(五氟苯甲酸鉀) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0，催化劑為CuI，催化劑物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%，配體為1,10-菲啰啉，不同溶劑對反應(yīng)的影響見表3。

表3 溶劑對反應(yīng)的影響

由表3可見，該脫羧偶聯(lián)反應(yīng)中溶劑對反應(yīng)收率有著顯著的影響。以DMF和DMSO為溶劑時(shí)收率很低，而以二乙二醇二甲醚為溶劑時(shí)收率較高，明顯高于前兩者，達(dá)到61.7%。所以確定適宜的反應(yīng)溶劑為二乙二醇二甲醚。

2.4 反應(yīng)溫度和時(shí)間對反應(yīng)的影響

選定二乙二醇二甲醚為溶劑，n(五氟苯甲酸鉀) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0，催化劑為CuI，催化劑物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%，配體為1,10-菲啰啉，不同反應(yīng)溫度和時(shí)間對反應(yīng)的影響見表4。

表4 反應(yīng)溫度和時(shí)間對反應(yīng)的影響

由表4可見，溫度過高或過低都會(huì)對反應(yīng)產(chǎn)生不利的影響。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為24 h、反應(yīng)溫度為130 ℃時(shí)，十氟聯(lián)苯收率更高。隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，十氟聯(lián)苯收率也在提高。在反應(yīng)溫度為130 ℃、反應(yīng)時(shí)間為36 h時(shí)，十氟聯(lián)苯的收率最高，達(dá)到64.7%。所以選擇反應(yīng)溫度為130 ℃，反應(yīng)時(shí)間為36 h。

3 結(jié)論

研究了十氟聯(lián)苯的合成方法。以五氟苯甲酸和五氟溴苯為原料，碘化亞銅作為催化劑，二乙二醇二甲醚為溶劑，銅催化脫羧偶聯(lián)得到了十氟聯(lián)苯。產(chǎn)物結(jié)構(gòu)經(jīng)13C-NMR和GC-MS表征。對反應(yīng)條件進(jìn)行了研究，確定了適宜的溶劑、五氟苯甲酸鉀用量、催化劑用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間，較優(yōu)條件為：n(五氟苯甲酸鉀) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0、溶劑為二乙二醇二甲醚、催化劑物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%、反應(yīng)溫度為130 ℃、反應(yīng)時(shí)間為36 h。在此條件下，十氟聯(lián)苯收率為64.7%。此外，對于五氟苯甲酸鉀與五氟碘苯銅催化脫羧偶聯(lián)得到十氟聯(lián)苯的合成方法，在n(五氟苯甲酸鉀) ∶n(五氟碘苯)=1.2 ∶1.0、溶劑為二乙二醇二甲醚、催化劑為CuI、催化劑物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為20%、反應(yīng)溫度為130 ℃、反應(yīng)時(shí)間為24 h的條件下，十氟聯(lián)苯收率達(dá)到75.8%。