4-氟苯甲醛的合成工藝研究

余昌富 蔣成君

（1.臺州經緯化工股份有限公司，浙江 臺州 317100；浙江科技學院生物與化學工程學院，浙江 杭州 310023）

4-氟苯甲醛是一種用途廣泛的中間體，廣泛用于醫(yī)藥、農藥及染料等的合成。合成4-氟苯甲醛的方法主要有對氟甲苯側鏈氯化法、對氟甲苯間接電化學氧化法、氟苯法、4-氯苯甲醛法［1-2］。對氟甲苯側鏈氯化法以對氟甲苯為原料，經氯化得對氟二氯芐，水解得4-氟苯甲醛，在氯化時易得到一氯、二氯、三氯的混合物，通常需要通過控制氯化的深度來控制二氯化物的比例［3-4］。對氟甲苯間接電化學氧化法以對氟甲苯為原料，用錳鹽做媒介間接電氧化合成4-氟苯甲醛。此法采用錳鹽作為媒介，錳鹽的循環(huán)量過大，生產1t 4-氟苯甲醛需要250m3的錳鹽電解液［5-6］。也有用二氧化錳焙燒制得的三氧化二錳作氧化劑，在硫酸溶液中氧化對氟甲苯合成4-氟苯甲醛，這個工藝產生大量的錳鹽固廢［7］。氟苯法以氟苯和一氧化碳為原料，AlCl3和無水HCl為催化劑，在1.0～3.5MPa的一氧化碳壓力下反應合成4-氟苯甲醛，此工藝在高壓釜中進行，AlCl3和無水HCl對高壓釜的腐蝕性較大，并且一氧化碳為無色、無臭、無刺激性的氣體，吸入容易引起中毒［8］。4-氯苯甲醛法以4-氯苯甲醛為原料，氟化鉀氟化，得4-氟苯甲醛［9-10］；4-氯苯甲醛法的主要缺點是反應需要較高的溫度，醛基在較高的溫度下不穩(wěn)定，本文以4-氟苯甲醛法為原料，采用鹵素交換氟化，反應蒸餾一步合成4-氟苯甲醛。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

4-氯苯甲醛（南京凱達化工有限公司），氟化鉀（南通明鑫化工有限公司），其它均為分析純化學試劑，電動攪拌儀（鞏義市予華儀器有限責任公司），溫度控制儀（杭州儀表電機有限公司），氣相色譜儀（溫嶺福立分析儀器有限公司）。

1.2 4-氟苯甲醛的合成

實驗裝置如圖1所示，采用無極恒速攪拌裝置攪拌反應物料，由數顯調節(jié)儀控制油浴溫度，在250mL四口燒瓶中加入一定量的無水氟化鉀、催化劑、4-氯苯甲醛，在氮氣保護下攪拌升溫到190℃，邊反應邊進行蒸餾，每隔0.5h取樣，氣相色譜分析，直到沒有產物蒸出，收集所有餾分，計算收率。

1.3 色譜分析條件

色譜柱為PEG-20M通用型毛細管柱，進樣口溫度為250℃，檢測器溫度為250℃，柱溫為180℃。

圖1 反應裝置圖Fig.1 Diagram of reaction installation

2 結果與討論

2.1 溶劑對反應的影響

由于苯環(huán)上的醛基吸電子能力較弱，對處于其對位上的氯原子活化作用不強，反應較為困難，通常需要較高的溫度。為增加KF在體系中的溶解度，又要求溶劑具有相當的極性。

以n（KF）：n（PCAD）：n（Ph4PBr）=3：1：0.05，反應溫度為190℃，考察不同溶劑對反應的影響，結果如表1所示。

表1 溶劑對反應收率的影響Tab.1 Effect of solvents on yield

鹵素交換氟化是一個平衡反應，本文采用反應蒸餾技術使得反應產生的4-氟苯甲醛不斷蒸出。從表1可以看出，不同溶劑對反應的影響非常大，以二甲基亞砜為溶劑時收率僅有21.0％，這可能是因為二甲基亞砜在較高的反應溫度和強堿F-的作用下會發(fā)生嚴重的分解反應。在這些溶劑中以1，3-二甲基丙撐脲為最好，收率可以為89.3％。這可能是因為1，3-二甲基丙撐脲結構中的羰基具有強烈的吸電子效應，是一種很好的非質子極性溶劑，對氟化鉀有極強的溶解，并對氟化鉀具有活化性質。采用環(huán)丁砜為溶劑，鹵素交換氟化對氯苯甲醛，收率為72.8％。

2.2 催化的選擇與用量

由于該反應為非均相反應，為增強相間傳遞而加入相轉移催化以改善反應，以n（KF）：n（PCAD）=3：1，反應溫度為190℃，反應溶劑為1，3-二甲基丙撐脲，考察幾種常用催化劑對反應的影響。

表2 催化劑對反應收率的影響Tab.2 Effect of catalysts on yield

從表2中可以看出，催化劑的用量對反應的收率沒有影響。四苯基膦鹽催化的反應收率在90％左右，而季胺鹽催化的反應收率小于70％，四苯基膦鹽較季銨鹽在這個反應中具有更佳的催化效果，其中以四苯基二氟化氫膦鹽為催化劑時反應的收率可以達到90.6％，這可能是因為四苯基二氟化氫膦鹽具有較高的熱穩(wěn)定性以及優(yōu)良的溶解性。實驗中發(fā)現當氟化鉀的水分較少以及晶型為無定形時，四苯基膦鹽單獨使用足以催化反應。但是當水分含量太多時，由于氫鍵作用而使KF的活性降低，導致反應速率減小，甚至停止，研究發(fā)現，當KF的含水量大于2％時，反應幾乎不進行，另一方面，水分的增加使得水解副產物酚及其衍生物的量大大增加，從而導致了反應選擇性的下降。

2.3 投料比對反應的影響

對于鹵素交換反應來說，由于反應過程中有KCl生成。生成的KCl易于覆蓋在KF的表面，氟化反應就會受到抑制。因此，必須使用過量的KF以保證有充足的新鮮KF參與反應。同時，由于KF價格較為便宜。從經濟方面考慮，也應使用過量的KF。以保證PCAD保持較高的轉化率。四苯基二氟化氫膦鹽為催化劑，反應溫度為190℃，反應溶劑為1，3-二甲基丙撐脲，考察投料摩爾比對反應收率的影響，結果如表3所示。

表3 投料摩爾比對產物收率的影響Tab.3 Effect ofmolar ratio between PCAD and KF on yield

從表3可以看出，當n（KF）：n（PCAD）=1時收率僅為56.9，這可能是因為生成的KCl覆蓋在KF的表面，導致反應較難進行。n（KF）：n（PCAD）=3即可，多則效果增加不明顯。

3 結論

采用鹵素交換氟化反應，反應蒸餾技術一步合成4-氟苯甲醛（PFAD）是一種可行的方法。在以1，3-二甲基丙撐脲為溶劑，Ph4PHF2為催化劑，n（KF）：n（PCAD）：n（Ph4PHF2）=3：1：0.1，在此條件下，反應與蒸餾同時進行，4-氟苯甲醛的收率可達90.6％。

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