張廣宇，李偉，王飛，何雙材，倪航*

(1.浙江省化工研究院有限公司,浙江 杭州 310023；2.含氟溫室氣體替代及控制處理國家重點實驗室，浙江 杭州 310023)

在當今數(shù)字經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)處理、儲存和傳遞信息的載體正處于高速發(fā)展的狀態(tài)。隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，其能耗問題日益嚴峻，降低數(shù)據(jù)中心電能使用效率值（power usage effectiveness,PUE）顯得尤為重要。在數(shù)據(jù)中心的能耗中，用于冷卻或移熱的能耗占40%左右[1]，因此亟需開發(fā)新型散熱技術(shù)以降低數(shù)據(jù)中心的能耗。目前，數(shù)據(jù)中心主要有風冷與液冷兩種散熱途徑，液體的比熱容為空氣的1000～3500 倍[2-3]，導熱性能是空氣的15～25 倍[4]，因此，與傳統(tǒng)的風冷和自然冷卻技術(shù)相比，浸沒式液冷技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢，開發(fā)新型的浸沒式液冷技術(shù)，解決當前數(shù)據(jù)中心散熱困難的技術(shù)難題，是數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展的必然選擇。

與汽車空調(diào)的冷卻液不同，數(shù)據(jù)中心浸沒式冷卻液需要直接與電子器件接觸，故對冷卻液的絕緣性、傳熱性等性能有著嚴格的要求。氟原子半徑小，負電荷較為集中，具有較低的原子極化率[5-7]。因此，氟取代可以顯著降低化合物分子的極化率，從而降低其介電常數(shù)。研究認為，化合物中的氟元素質(zhì)量百分含量和分子體積極化率是影響介電常數(shù)的主要因素[8]。通常，化合物中氟元素的質(zhì)量百分含量越高，其介電常數(shù)越??；分子體積極化率越小，其介電常數(shù)越小（較小的介電常數(shù)代表其具有更好的絕緣性能）。含氟烯烴類化合物通常具有良好的絕緣性能。由于該類化合物含有碳碳雙鍵，與OH 自由基的反應活性較強，所以其大氣壽命較短，全球增溫潛能值（global warming potential,GWP）較低，是一種較為理想的液冷工質(zhì)。近幾年來，許多含氟烯烴類化合物已經(jīng)作為浸沒式液冷工質(zhì)的主要成分較好地應用于數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)中[9]。

在該類化合物的基礎上，可以通過過渡金屬催化（transition-metal catalysis，TMC）或親核烯基取代反應（nucleophilic vinylic substitution reaction，SNV）等方式實現(xiàn)C-F 官能化，對含氟烯烴分子進一步修飾，以提高其性能，進一步優(yōu)化性能指標。與過渡金屬催化相比，親核乙烯基取代反應具有反應條件溫和、綠色環(huán)保等特點，具有較大的應用價值。本文主要綜述幾類含氟烯烴的親核烯基取代反應，并對該類反應的應用提出新的展望。

1 全氟烷基化反應

在烯烴中引入全氟烷基可以增加化合物的穩(wěn)定性，該方法得到了越來越多的關(guān)注。在液冷工質(zhì)的合成中，全氟烷基化反應在增加液冷工質(zhì)的穩(wěn)定性與沸點方面發(fā)揮著較大的作用。

例如，在化合物中引入三氟甲基，可以增強化合物的化學穩(wěn)定性、代謝穩(wěn)定性，該反應在藥物合成等領(lǐng)域有著較大的應用價值[10-12]。目前,合成三氟甲基化合物的策略主要有兩種: 三氟甲基砌塊法和三氟甲基試劑法[13]。其中，三氟甲基砌塊法是將含三氟甲基的有機小分子作為合成砌塊,經(jīng)過一系列化學反應合成含三氟甲基的目標產(chǎn)物；三氟甲基試劑法利用含有三氟甲基的試劑，通過親核取代反應[14]、親電反應[15]與自由基反應[16]等方式直接向有機物分子中引入三氟甲基。該方法可以直接在化合物中引入三氟甲基，增強化合物的穩(wěn)定性，適用于含氟烯烴型液冷工質(zhì)的修飾與衍生化過程。

根據(jù)反應中間體電性的差異，可以將三氟甲基化試劑分為親核型三氟甲基化試劑、親電型三氟甲基化試劑、自由基型三氟甲基化試劑（Scheme 1）。其中，Ruppert-Prakash 試劑[17-18]作為重要的親核型三氟甲基化試劑，可以較好地應用于含氟烯烴的烷基化反應中。

Scheme 1 常見三氟甲基化試劑

Ruppert-Prakash 試劑有著較長的研究歷史，作為一種常用的親核全氟烷基化試劑，Me3SiCF3及其同系物廣泛應用于親核取代、親核加成等重要的反應中。由于Si-O、Si-F 的鍵能很大，硅原子具有較強的親氟性和親氧性，通常需要使用以氟或氧作為負電中心的Lewis 堿活化三氟甲基硅試劑。1989 年，Olah 等[19]以四丁基氟化銨為Lewis堿、四氫呋喃為溶劑，在室溫下實現(xiàn)了羰基化合物的三氟甲基化反應，并且詳細研究了該類反應的機理，為Ruppert-Prakash 試劑的應用提供了理論基礎（Scheme 2）。

Scheme 2 羰基化合物的三氟甲基化反應及其機理

與羰基化合物的三氟甲基化反應條件類似，2016 年，Ono 等[20]以氟化氫鉀為催化劑、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）為溶劑、Me3SiCF3為三氟甲基化試劑，在室溫下實現(xiàn)了氟代烯烴的三氟甲基化反應。探索了溶劑在三氟甲基化中的作用，發(fā)現(xiàn)非質(zhì)子極性溶劑如DMF、DMA（N,N-二甲基乙酰胺）、NMP（1-甲基2-吡咯烷酮）、CH3CN、六氟丙烯三聚體和DMI（1,3-二甲基-2-咪唑啉酮）都可用于三氟甲基化反應，而DME（乙二醇二甲醚）和六氟丙烯二聚體則無法適用于該反應。

此外，溶劑的類型也會影響三氟甲基化的結(jié)果，當使用DMF 作為溶劑時，除主要的單三氟甲基化產(chǎn)物外，還會以13%的產(chǎn)率得到雙三氟甲基化的產(chǎn)物；當使用DMI 作為溶劑時，雙三氟甲基化反應被抑制，從而高選擇性地得到單三氟甲基化的產(chǎn)物，這也說明DMI 的溶劑效應會影響三氟甲基化的過程（Scheme 3）。

Scheme 3 Ruppert-Prakash 試劑與六氟丙烯三聚體的反應

結(jié)合羰基化合物的三氟甲基化反應，可以推測，該反應經(jīng)歷了與Scheme 2 類似的Lewis 堿活化Me3SiCF3-親核取代反應-中間體活化Me3SiCF3的催化循環(huán)過程，即氟負離子與親氟性較強的硅原子形成高鍵能的Si-F 鍵后，游離出的三氟甲基負離子作為親核試劑與含氟烯烴進行親核烯基取代反應，實現(xiàn)烯烴的三氟甲基化（Scheme 4）。同時，除主產(chǎn)物外，反應中也生成了烯烴的異構(gòu)化副產(chǎn)物，證明了親核烯基取代反應中加成-消除機理的存在。

Scheme 4 Ruppert-Prakash 試劑與六氟丙烯三聚體的反應機理

游離出的三氟甲基負離子在室溫下不穩(wěn)定且易于分解[14]，故Me3SiCF3的用量可以影響反應的產(chǎn)率。當增大Me3SiCF3的用量時，游離出的三氟甲基負離子數(shù)量增多，反應產(chǎn)率明顯提高。該方法可以較好地應用于氟代烯烴的衍生化反應，適用于含氟烯烴型液冷工質(zhì)的衍生化反應。

與氟化鉀、氟化氫鉀等無機鹽類似，含氟有機物也可以作為Lewis 堿活化Ruppert-Prakash試劑。2015 年，曹松等[21]報道了TBAF（四丁基氟化銨）催化的偕二氟烯烴三氟甲基化反應，該反應在溫和的反應條件下順利進行，在不使用金屬催化劑的情況下，可以獲得中等到良好的產(chǎn)率，得到偕二氟烯烴的單三氟甲基化、雙三氟甲基化產(chǎn)物（Scheme 5）。

Scheme 5 偕二氟烯烴的全氟烷基化反應

偕二氟烯烴對親核試劑具有獨特的反應性，在有機合成中發(fā)揮著重要的作用[22-23]。與六氟丙烯三聚體不同，該類化合物烯烴端基的兩個氟原子均可以被三氟甲基負離子取代。當使用1.0 mmol 的偕二氟烯烴，1.2 mmol 的三氟甲基試劑時，可以最高85%的產(chǎn)率得到單三氟甲基化產(chǎn)物；當使用1.0 mmol 的偕二氟烯烴，3.0 mmol 的三氟甲基試劑時，可以獲得較好產(chǎn)率的雙三氟甲基化產(chǎn)物。與三氟甲基相比，氟原子的吸電子能力更強，因此偕二氟烯烴更易被親核試劑進攻，三氟甲基化的過程更易進行。與Scheme 3 中六氟丙烯三聚體相比，當使用相似量的三氟甲基試劑時，Scheme 5 中偕二氟烯烴的三氟甲基化產(chǎn)物的產(chǎn)率明顯較高。

Scheme 6 Cs2CO3 催化的三氟甲基化反應

Scheme 7 高選擇性的三氟甲基化反應

五氟乙基在許多藥物和農(nóng)用化學品中發(fā)揮著重要的作用，構(gòu)建Cvinyl-CF2CF3鍵的方法也得到了越來越多的關(guān)注[24]。在與含氟烯烴的三氟甲基化反應相似的條件下，偕二氟烯烴也可與三甲基硅基五氟乙基試劑反應，得到五氟乙基化產(chǎn)物；當五氟乙基化試劑用量增多時，也會得到雙五氟乙基化的產(chǎn)物。

含氟有機化合物四丁基氟化銨也可以作為引發(fā)劑促進三氟甲基化與五氟乙基化反應，全氟烷基化反應拓展到芳香體系中，進一步擴大了該反應在有機合成中的應用范圍。

除含氟化合物外，一些其他的Lewis 堿也可以作為引發(fā)劑促進三氟甲基化反應。鄧清海等[25]報道了不含氟的Lewis 堿催化含氟烯烴的三氟甲基化反應。在篩選了多種不含氟的Lewis 堿后，發(fā)現(xiàn)由于硅原子具有較好的親氧性[26-28]，催化量的含氧陰離子鹽可以較好地活化Me3SiCF3，以保持足夠高的親核陰離子濃度，促進偕二氟烯烴的親核加成反應，進而促進三氟甲基化反應進行。

與羰基化合物的三氟甲基化反應類似，該反應也經(jīng)歷了Lewis 堿活化Me3SiCF3的過程，隨后游離出三氟甲基負離子與偕二氟烯烴進行親核烯基取代反應，得到碳負離子中間體。與前述各類三氟甲基化反應類似，由于Si-F 鍵鍵能大于Si-C 鍵，所以另一分子的Me3SiCF3可以較好地與碳負離子中間體反應，以促進碳負離子中間體的β-氟消除反應，生成最終產(chǎn)物。使用Cs2CO3作為催化劑，可以減少含氟化合物的用量，一定程度上減少對于環(huán)境的危害。該反應可以較為容易地放大到克量級，并以中等至優(yōu)異的產(chǎn)率制備多種單氟烯烴。

同時，該工作通過NOESY(1H-19F)譜圖進一步研究了反應中的E/Z 選擇性，通過研究不同類型的偕二氟烯烴的三氟甲基化反應，可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物以三氟甲基與芳基異側(cè)的構(gòu)型為主。針對該現(xiàn)象，對反應的中間體進行了構(gòu)象分析（Scheme 7），Scheme 6 中的碳負離子中間體可以通過旋轉(zhuǎn)形成Scheme 7 中A、B 兩種構(gòu)象。在構(gòu)象A 中，三氟甲基基團與芳基相鄰，由于三氟甲基基團與芳基間的電子與空間排斥，該構(gòu)象的穩(wěn)定性較差；而在構(gòu)象B 中，三氟甲基基團與芳基距離較大，較為穩(wěn)定，故碳負離子中間體傾向于經(jīng)構(gòu)象B 進行β-氟消除反應，進而以較好的E/Z 選擇性得到三氟甲基化產(chǎn)物。

通過上述各類方法，可以獲得較好的產(chǎn)率，得到含氟烯烴的三氟甲基化產(chǎn)物，并且該類方法均無需使用金屬催化，在較為溫和的條件下即可得到三氟甲基化產(chǎn)物，實現(xiàn)了Cvinyl-CF3鍵與Cvinyl-CF2CF3的構(gòu)建和含氟烯烴的官能化。

2 烷基化反應

與三氟甲基化反應類似，使用格氏試劑或甲基鋰等試劑作為烷基化試劑，通過含氟烯烴的親核烯基取代反應，可以實現(xiàn)烷基化反應，該類方法也有較長的研究歷史，是比較經(jīng)典的有機合成方法之一。Dixon[29]報道了芳基鋰試劑與全氟乙烯的反應，蔣錫夔等[30]報道了芳基格氏試劑與全氟乙烯的反應（Scheme 8）。與上述方法類似，通過烷基鋰試劑或烷基格氏試劑與全氟烯烴的反應，可以在含氟烯烴中引入烷基。

Scheme 8 全氟烯烴的芳基化反應

通過烷基化反應，可以進一步增加含氟烯烴的支鏈，不僅對研究含氟化合物的性質(zhì)和反應性有一定的作用，而且對設計新的功能性含氟化合物有重要意義。同時，對于液冷工質(zhì)領(lǐng)域而言，盡管全氟化合物（PFCs）具有優(yōu)異的絕緣性能，但具有持久性和生物累積性，有一定的弊端，因此，作為PFCs 的潛在代替品，氫氟化合物具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

Ogoshi 等[31]分別使用烷基格氏試劑甲基氯化鎂與乙基鋅作為烷基化試劑，在氯化鋰或碘化鋰催化下，實現(xiàn)了全氟乙烯的烷基化反應（Scheme 9）。使用叔丁基異腈作為非質(zhì)子溶劑，碘化鋰作為催化劑，乙基鋅試劑作為烷基化試劑，以中等的產(chǎn)率實現(xiàn)全氟乙烯的烷基化反應。然而，當使用格氏試劑乙基氯化鎂和叔丁基氯化鎂作為烷基化試劑時，僅以13%和22%的產(chǎn)率得到其烷基化產(chǎn)物，對于格氏試劑的應用還有待于進一步探索。

Scheme 9 全氟乙烯的烷基化反應

Nishida 等[32-33]以六氟丙烯三聚體為原料，以格氏試劑或甲基鋰試劑作為烷基化試劑，實現(xiàn)了全氟烯烴的甲基化反應（Scheme 10），并且結(jié)合核磁共振譜圖[34]與密度泛函理論（density functional theory，DFT）計算，確定了產(chǎn)物結(jié)構(gòu)并詳細地研究了該反應的機理和副產(chǎn)物產(chǎn)生的途徑，為今后的研究提供了理論支持。

Scheme 10 六氟丙烯三聚體與的甲基化反應

該工作詳細研究了六氟丙烯三聚體的甲基化反應，并結(jié)合核磁共振氟譜與B3LYP-GIAO 計算方法提供的核磁共振屏蔽數(shù)據(jù)，仔細分析產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，推測其產(chǎn)生的機理，探究甲基化試劑的種類與用量對反應結(jié)果的影響。

以六氟丙烯三聚體全氟（4-甲基-3-異丙基-2-戊烯）為例（Scheme 10），當使用甲基氯化鎂或甲基鋰作為甲基化試劑時，六氟丙烯三聚體會經(jīng)歷途徑A 或B 兩種β-氟消除途徑，得到不同的甲基化產(chǎn)物，CH3Li 用量的增加會導致單甲基化化合物的產(chǎn)率顯著降低，環(huán)化產(chǎn)物的產(chǎn)率急劇增加。同時，當甲基化試劑用量加大時，會得到多種多甲基化產(chǎn)物，這也說明甲基化試劑具有較高的活性，且其用量與種類對于反應結(jié)果有重要的影響。

該工作系統(tǒng)性地研究了含氟烯烴的甲基化過程，證明了烯烴的氟取代對于甲基化反應的影響，同時，結(jié)合核磁共振氟譜與DFT 計算，分析甲基化過程中產(chǎn)物與副產(chǎn)物的產(chǎn)生途徑，為含氟烯烴的甲基化反應提供了理論支持和參考依據(jù)。

在金屬催化劑存在下，含氟烯烴也可以與格氏試劑進行偶聯(lián)反應，實現(xiàn)含氟烯烴的烷基化反應。曹松等[35]報道了銅催化的含氟烯烴偶聯(lián)反應，在25 mol%的CuCN 存在下，偕二氟烯烴可以順利地進行烷基化反應，從而以良好到優(yōu)異的產(chǎn)率得到各類烷基化的含氟烯烴，并且該反應具有優(yōu)異的Z 立體選擇性，產(chǎn)物均為單一構(gòu)型（Scheme 11）。與Scheme 7 中高選擇性的三氟甲基化反應相似，該反應的Z/E 選擇性也是由取代基的空間位阻控制。

Scheme 11 含氟烯烴的偶聯(lián)反應

在無過渡金屬催化的條件下，伯烷基格氏試劑與偕二氟烯烴反應，得到Z、E 兩種構(gòu)型的烷基化產(chǎn)物，且Z/E 比約為1：1。而在銅催化的條件下，會以較好的選擇性得到Z 構(gòu)型的產(chǎn)物。

通過上述各類反應，可在含氟烯烴中引入各類烷基，拓展其應用價值與應用范圍。同時，通過該方法，可以增長含氟化合物的碳鏈長度，在提高其沸點、增加其穩(wěn)定性方面有重要的用途。

3 總結(jié)與展望

含氟烯烴類化合物具有特殊的性質(zhì)，在制冷工業(yè)、藥物化學、農(nóng)藥化學品等領(lǐng)域有著重要的作用。本文主要綜述了各類含氟烯烴的C-F 官能化反應，包括三氟甲基化反應、五氟乙基化反應以及烷基化反應，通過上述方法可在較為溫和的條件下實現(xiàn)含氟烯烴的官能化反應，在含氟烯烴中引入三氟甲基、五氟乙基等全氟烷烴和甲基、乙基等各類烷基，改善了含氟烯烴的應用性能，使其能夠更好地應用于浸沒式液冷等領(lǐng)域中，為含氟烯烴的設計改進方向與其在浸沒式液冷工質(zhì)領(lǐng)域的應用提供了新的思路。