康茹茹 楊敏鴿 趙小英 侯海云 劉建鵬 向紹基

(1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.浙江藍天環(huán)保高科技股份有限公司，浙江 杭州 310012)

1-溴-1-氯-2,2-二氟乙烯的合成工藝研究

康茹茹1楊敏鴿1趙小英1侯海云1劉建鵬2向紹基2

(1.西安工程大學(xué)環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2.浙江藍天環(huán)保高科技股份有限公司，浙江 杭州 310012)

以三氟二氯乙烷(HCFC-123)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物1,2,2-三氯-1,1-二氟乙烷(HCFC-122)為原料，經(jīng)鋅粉脫氯制備2-氯-1,1-二氟乙烯(HCFC-1122)，HCFC-1122與溴素加成得到1,2-二溴-2-氯-1,1-二氟乙烷(HBCFC-122B2)，HBCFC-122B2脫溴化氫后成功制得目標(biāo)產(chǎn)物1-溴-1-氯-2,2-二氟乙烯(BCFC-1112B1)。該合成方法具有原料廉價易得且適合大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點。通過對第三步消除反應(yīng)中堿的考察發(fā)現(xiàn)，以Et3N作堿時目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率最高且無副產(chǎn)物生成，該條件下制得產(chǎn)品的氣相色譜(GC)純度大于99%，收率為76%。

HCFC-122；BCFC-1112B1；溴素；消除反應(yīng)；三乙胺

0 前言

1-溴-1-氯-2,2-二氟乙烯(BCFC-1112B1)是一種重要的含氟精細化工原料。由于該分子中含有雙鍵、溴原子和氯原子，因此可以通過有機反應(yīng)合成含有二氟基團的系列化合物[1]。BCFC-1112B1主要應(yīng)用于合成含有二氟亞甲基的醫(yī)藥和農(nóng)藥中間體[2]，目前，國內(nèi)外關(guān)于BCFC-1112B1的應(yīng)用仍在源源不斷地開發(fā)中[3-4]。BCFC-1112B1與鋅粉反應(yīng)生成鋅試劑后，鋅粉可以與醛、酮、亞胺發(fā)生雷福爾馬斯基(Reformastky)反應(yīng)向有機分子中引入含有溴、氯和雙鍵的二氟亞甲基合成砌塊，同時鋅試劑還可以與鹵代芳烴或鹵代烷烴發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)生成含有二氟亞甲基的烯烴[5-6]。此外，BCFC-1112B1與有機分子可以發(fā)生加成反應(yīng)生成含有氯原子、溴原子以及二氟亞甲基的有機中間體[7-8]； BCFC-1112B1與手性硫醇發(fā)生加成反應(yīng)生成醫(yī)藥中間體[9]、與烯烴發(fā)生加成反應(yīng)用于生產(chǎn)含氟麻醉劑等[10]。

由于BCFC-1112B1用途廣泛，早在20世紀(jì)就已經(jīng)引起人們的注意，關(guān)于BCFC-1112B1的制備方法也已有報道。Makoto Fujita等人采用1,1-二溴-1-氯-2,2,2-三氟乙烷(BCFC-113B2)為原料通過鋅粉還原脫鹵反應(yīng)制備BCFC-1112B1，反應(yīng)如式1所示[5]。

(1)

Burton D. J.等人指出通過使用2-溴-2-氯-1, 1, 1-三氟乙烷(HBCFC-123B1)在有機強堿的作用下脫氟化氫制得BCFC-1112B1，反應(yīng)如式2所示[6,11]。

(2)

(Base: n-BuLi, t-BuLi, LDA, LTMP)

由上述兩種原料合成BCFC-1112B1時需要斷裂分子中的C-F鍵，而C-F鍵較強，斷裂該鍵需要的能量很高。同時存在原料昂貴不易得、低溫反應(yīng)對設(shè)備的要求高、三廢難以處理等問題，使得上述方法均難以實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。

在中國專利CN102992945B的基礎(chǔ)上[12]，以HFC-123生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物HCFC-122為原料經(jīng)鋅粉脫氯制備HCFC-1122，HCFC-1122與溴素加成得到HBCFC-122B2，HBCFC-122B2脫溴化氫后成功制得目標(biāo)產(chǎn)物BCFC-1112B1。著重討論第三步消除反應(yīng)中對堿的考察，以及在該工藝條件下放大制備BCFC-1112B1。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

氣相色譜(GC)定性分析采用氣相色譜儀天美7890檢測；色譜-質(zhì)譜聯(lián)用(GC-MS)定性分析采用Voyager質(zhì)譜儀Trace 2000氣相色譜儀測定；核磁共振(NMR)的測定采用Varian 400 MHz核磁共振儀，NMR的測定溶劑為氘代氯仿(CDCl3)，核磁共振氟譜(19F-NMR)定標(biāo)為三氟乙醇，化學(xué)位移為-78×10-6。

工業(yè)級1,2,2-三氯-1,1-二氟乙烷其GC質(zhì)量含量大于95%，由浙江藍天環(huán)保高科技股份有限公司提供；反應(yīng)所用溶劑及其他試劑均是分析純：N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、鹽酸、二氯甲烷(DCM)、溴素(Br2)、氫氧化鈉(NaOH)、三乙胺(Et3N)、甲苯、乙醇(C2H5OH)等。

1.2 BCFC-1112B1的主要合成工藝

BCFC-1112B1的主要合成工藝見式3：

(3)

1.3 HBCFC-122B2的制備[13]

1.3.1 反應(yīng)裝置

在裝有機械攪拌器、恒壓滴液漏斗的500 mL三口瓶上接入兩級回流冷凝管，其中第一級回流冷凝管采用自來水冷卻，第二級回流冷凝管采用冷凍機循環(huán)酒精冷凝，控制酒精溫度為-20～-10 ℃，生成的HCFC-1122經(jīng)回流冷凝管導(dǎo)出到第二個250 mL 三口反應(yīng)瓶中，在第二個安裝好帶有回流冷凝管和機械攪拌裝置的反應(yīng)瓶中加入溶劑、溴素，把第一個反應(yīng)瓶中生成的HCFC-1122導(dǎo)入第二個反應(yīng)瓶中，并攪拌反應(yīng)直到反應(yīng)液的紅色(溴素)消失，然后減壓蒸餾得到HBCFC-122B2。采用油浴加熱反應(yīng)瓶、電子溫控儀控制反應(yīng)溫度。

1.3.2 實驗操作

將上述裝置接入雙排管后在氮氣氛下加入250 mL DMF、活化過的鋅粉65 g(1 mol)和1.0 g連二亞硫酸鈉。于70 ℃溫度下0.5 h內(nèi)向反應(yīng)體系滴加83 g(0.5 mol) HCFC-122，滴加完畢后繼續(xù)反應(yīng)1 h[6, 13]。生成的HCFC-1122導(dǎo)入第二個反應(yīng)瓶中，在第二個反應(yīng)瓶中加入80 mL二氯甲烷和72 g溴素(0.45 mol)，于45 ℃溫度下攪拌反應(yīng)直到反應(yīng)液的紅色(溴素)消失。用水泵減壓蒸餾收集60～65 ℃之間的餾分。

得到HBCFC-122B2產(chǎn)品104.6 g，GC純度大于99%，產(chǎn)率81%。得到的產(chǎn)物經(jīng)GC-MS、NMR結(jié)構(gòu)鑒定為HBCFC-122B2。

1.4 BCFC-1112B1的合成工藝研究

1.4.1 BCFC-1112B1的小試合成工藝研究

使用水泵將各史萊克管(Schlenk)抽成真空后分別加入需要考察的堿(2.4 mmol)、相轉(zhuǎn)移催化劑(2滴)及對應(yīng)的溶劑(1 mL)。于50 ℃溫度下磁力攪拌下向反應(yīng)管中緩慢滴加2 mmol原料HBCFC-122B2。滴加完成后保溫反應(yīng)3 h直接取氣相做GC檢測，隨后升溫至90 ℃繼續(xù)反應(yīng)2 h，再次取氣相做GC檢測。停止反應(yīng)并向反應(yīng)液中加入2 mL二甲基亞砜使得反應(yīng)液成均相，同時向反應(yīng)液中加入三氟乙醇后取樣進行19F-NMR分析。

1.4.2 放大實驗制備BCFC-1112B1

向裝有溫度計、恒壓滴液漏斗和冷凝管的250 mL 三口燒瓶中加入0.6 mol三乙胺和70 mL蒸餾水。于80 ℃溫度及磁力攪拌下向反應(yīng)瓶中滴加0.5 mol HBCFC-122B2，滴加過程中有大量氣泡生成且內(nèi)溫降低。滴加完成后保溫反應(yīng)3 h，取氣相做GC分析。將冷凝管改為精餾柱后收集41～43 ℃的餾分。

得到BCFC-1112B1產(chǎn)品67.7 g，GC純度大于99%，收率76%。得到的產(chǎn)物經(jīng)GC-MS、NMR結(jié)構(gòu)鑒定為BCFC-1112B1。

2 結(jié)果與討論

以HBCFC-122B2為原料通過消除反應(yīng)合成BCFC-1112B1，通過考察堿及溫度對反應(yīng)的影響，從而確定最佳合成工藝，并放大實驗成功制備出BCFC-1112B1。

堿對反應(yīng)的影響列于表1和表2，表1為氣相GC結(jié)果分析，表2為液相19F-NMR結(jié)果。

從表1可以看出，在50 ℃溫度下反應(yīng)3 h后，各組反應(yīng)液中均有原料存在。當(dāng)升溫至90 ℃繼續(xù)反應(yīng)2 h后原料反應(yīng)完全。對比第一組至第四組發(fā)現(xiàn)：在NaOH和Et3N分別作堿時目標(biāo)產(chǎn)物的氣相質(zhì)量含量可大于99%且沒有其他氣相雜質(zhì)；當(dāng)以Na2CO3和K2CO3分別作堿時發(fā)現(xiàn)氣相中無目標(biāo)產(chǎn)物而僅含雜質(zhì)，該數(shù)據(jù)說明以NaOH和Et3N作堿時反應(yīng)較佳。對比第四組和第五組的反應(yīng)發(fā)現(xiàn)，在Et3N中加入溶劑水后、目標(biāo)產(chǎn)物的氣相質(zhì)量含量仍可大于99%，而由于水的加入溶解了銨鹽更利于反應(yīng)的放大。

表2液相19F-NMR結(jié)果說明：以Na2CO3和K2CO3分別作堿時無目標(biāo)產(chǎn)物的生成且產(chǎn)生大量雜質(zhì)；以NaOH為堿時，原料反應(yīng)完全但目標(biāo)產(chǎn)物的含量極低，主要生成大量副產(chǎn)物；以Et3N作堿時原料反應(yīng)且無副產(chǎn)物的出現(xiàn)。

綜上所述，以HBCFC-122B2為原料通過消除反應(yīng)合成BCFC-1112B1時最優(yōu)堿為Et3N，此時目標(biāo)產(chǎn)物的選擇率大于99%。以HBCFC-122B2為原料放大生產(chǎn)BCFC-1112B1時，產(chǎn)品GC純度大于99%，收率達76%。

表1 氣相GC結(jié)果分析

注：a 統(tǒng)計氣相中質(zhì)量含量超過1%的雜質(zhì)。

表2 液相19F-NMR結(jié)果b

注：b 將加入的三氟乙醇量定為100，化學(xué)位移的單位為1×10-6。

2.5 核磁共振、質(zhì)譜結(jié)構(gòu)表征

2.5.1 HBCFC-122B2的表征

MS(Mr=257.8)，m/z(% 相對強度)，EI：50.1(3.6)，63.1(7.7)，70.0(4.1)，79.0(13.9)，81.0(9.8)，90.9(2.8)，98.0(42.1)，100.0(13.9)，126.9(14.9)，128.9(21.4)，130.9(7.9)，141.9(5.1)，143.9(5.1)，159.9(5.1)，176.9(78.4)，178.9(100)，180.9(25.4)，257.8(1.3)。

1H-NMR(400 MHz，CDCl3，TMS)：δ為5.892～5.928(dd，-CHClBr，3JHF=5.6 Hz，3JHF=8.8 Hz，1H)×10-6。

19F-NMR(376.4MHz，CDCl3, CF3CH2OH)：δ為-53.329～-52.886(dd，-C-1F，3JHF=5.6 Hz，2JFF=161.1 Hz，1F)；-56.658～-56.207(dd，-C-2F，3JHF=8.7 Hz，2JFF=161.1 Hz，1F)×10-6。

2.5.2 BCFC-1112B1的表征

MS(Mr=177.9)，m/z(% 相對強度)，EI：51.0(8.4)；84.0(15.8)；86.0(9.2)；97.0(35.0)；99.0(10.6)；125.9(10.6)；127.9(14.0)；175.9(75.2)；177.9(100)；179.9(25.2)。

19F-NMR(376.4 MHz, CF3CH2OH)：δ為-83.663(d，=C-1F，2JFF=30.1 Hz，1F)；-84.738(d，=C-2F，2JFF=30.1 Hz，1F)×10-6。

3 結(jié)論

通過對堿的考察發(fā)現(xiàn)，由HBCFC-122B2發(fā)生消除反應(yīng)合成BCFC-1112B1時最優(yōu)堿為Et3N，溶劑為H2O，此時80 ℃溫度下反應(yīng)3 h原料可轉(zhuǎn)化完全，產(chǎn)品的GC純度大于99%，收率可達76%。

使用三氟二氯乙烷(HCFC-123)生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物1,2,2-三氯-1,1-二氟乙烷(HCFC-122)為原料，經(jīng)鋅粉脫氯制備2-氯-1,1-二氟乙烯(HCFC-1122)，HCFC-1122與溴素加成得到1,2-二溴-2-氯-1,1-二氟乙烷(HBCFC-122B2)，HBCFC-122B2脫溴化氫后成功制得目標(biāo)產(chǎn)物1-溴-1-氯-2,2-二氟乙烯(BCFC-1112B1)。通過對堿的考察得到該工藝的最佳合成條件。該方法中的原料HCFC-122來源于工業(yè)副產(chǎn)，這樣既降低了生產(chǎn)成本，又實現(xiàn)了資源的有效回收利用，同時反應(yīng)條件溫和更適用于工業(yè)化生產(chǎn)。

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Study on the Process for Preparing 1-Bromo-1-Chloro-2, 2-Difluoroethene

Kang Ruru1, Yang Minge1, Zhao Xiaoying1, Hou Haiyun1, Liu Jianpeng2, Xiang Shaoji2

(1.College of Environment and Chemical Engineering of Xi′an Polytechnic University, Xi′an 710048, China；2.Zhejing Lantian Environmental Protection Hi-Tech Co., Ltd., Hangzhou 310012, China)

1, 2, 2-Trichloro-1, 1-difluoroethane, as the by-product of the production of 2, 2-dichloro-1, 1, 1-trifluoroethane, is used as raw material to produce 2-chloro-1, 1-difluoroethene by Zn power dechlorination. Then, 2-chloro-1, 1-difluoroethene reacts with bromine to prepare 1, 2-dibromo-2-chloro-1, 1-difluoroethane. Next, the target production is synthesized by dehydrobromination of 1, 2-dibromo-2-chloro-1, 1-difluoroethane. The studied technique has the feature of cheap starting material and it is easy to be industrialized. We studied the effects of base in the elimination to find that, with triethylamine, the highest product rate was obtained and no by-product was formed. 1-Bromo-1-chloro-2, 2-difluoroethene of GC purity of 99% and 76% yield was prepared under the experimental conditions.

HCFC-122; BCFC-1112B1; bromine; elimination; triethylamine

康茹茹(1991—)，女，西安工程大學(xué)碩士(在讀)，研究方向為有機氟化工。