超臨界條件下鹵素交換氟化制備對氟苯甲醛

呂早生，帥清昱，張路平，武燕娟，任肖麗，陶 康

（武漢科技大學化學工程與技術學院，湖北武漢430081）

對氟苯甲醛是一種重要的芳香族氟化合物，因為它的甲酰基可以很容易轉化成其它的有用基團，所以可用于化工中間體的合成［1］；同時，對氟苯甲醛還是重要的化工原料，廣泛應用于化妝品和塑料添加劑、植物保護劑、殺菌劑、除臭劑等領域［2－3］。鹵素交換氟化法［4］因工藝簡單、安全可靠、原料易得等優點成為含氟芳香族化合物的主要工業合成方法。

超臨界流體兼具氣體和液體特性［5］，而二氧化碳的臨界條件相對溫和（TC＝31.1℃，PC＝7.38MPa）。因此，超臨界二氧化碳（scCO2）特別適合作為一種綠色介質取代傳統的有機揮發溶劑［6－7］。

作者在超臨界二氧化碳（scCO2）環境中，以對氯苯甲醛（PCAD）和四丁基氟化銨（TBAF）為原料、以甲醇為助溶劑、以四苯基溴化膦（Ph4PBr）為相轉移催化劑合成對氟苯甲醛，并對氟化工藝進行研究。合成路線如下：

1 實驗

1.1 試劑與儀器

對氯苯甲醛、四苯基溴化膦，工業級；四丁基氟化銨，分析純；二氧化碳（≥99.9%），武漢天天氣體公司；其它試劑均為分析純，經重蒸后用4A分子篩干燥7d以上。

Agilent HP6890plus型氣相色譜儀（30m×0.53 mm，FID）；CJ－0.5型高壓反應釜。

1.2 對氟苯甲醛的制備

在高壓釜中加入對氯苯甲醛7.00g（0.05mol）、四苯基溴化膦2.00g（0.005mol）、四丁基氟化銨20.00g（0.075mol）和10mL甲醇，用二氧化碳置換裝置中的空氣并在超臨界二氧化碳（scCO2）環境中反應4h，控制反應壓力為8.0MPa、反應溫度為120℃。反應完畢，冷卻，用真空泵抽濾得到產品，再用適量的甲醇稀釋濾液，進行GC分析。

2 結果與討論

2.1 助溶劑種類對對氟苯甲醛收率的影響

分別選用10mL極性質子溶劑甲醇、強極性非質子溶劑乙腈和弱極性非質子溶劑DMF進行反應，考察助溶劑種類對對氟苯甲醛收率的影響，結果見表1。

由表1可以看出，甲醇作為反應助溶劑時收率最高。這是因為，甲醇的極性較大，二氧化碳在超臨界狀態下對極性分子的溶解性要大于非極性分子，醇類因為會影響超臨界體系的極性，作為共溶劑能夠很好地與反應物和二氧化碳互溶。因此，選擇甲醇作為反應的助溶劑。

2.2 反應時間對對氟苯甲醛收率的影響

固定其它條件不變，考察反應時間對對氟苯甲醛收率的影響，結果見圖1。

圖1 反應時間對對氟苯甲醛收率的影響Fig.1 Effect of reaction time on yield of 4－fluorobenzaldehyde

由圖1可以看出，對氟苯甲醛的收率隨反應時間的延長先升高后降低，在反應時間為4h時，收率達到最高。這是因為，四丁基氟化銨本身不穩定，容易分解，并且隨著反應時間的延長副產物生成幾率增大，導致對氟苯甲醛的收率下降。故，選擇反應時間為4h。

2.3 原料物質的量比對對氟苯甲醛收率的影響

固定其它條件不變，考察原料物質的量比n（TBAF）∶n（PCAD）對對氟苯甲醛收率的影響，結果見圖2。

圖2 原料物質的量比對對氟苯甲醛收率的影響Fig.2 Effect of material molar ratio on yield of 4－fluorobenzaldehyde

為了使原料有較高的轉化率，選擇投入過量的四丁基氟化銨。由圖2可以看出，對氟苯甲醛的收率先隨著原料物質的量比的增大而升高，在物質的量比大于1.5∶1后，繼續增加四丁基氟化銨的用量，對氟苯甲醛收率升幅不明顯，考慮到四丁基氟化銨價格較高，選擇n（TBAF）∶n（PCAD）為1.5∶1。

2.4 反應溫度對對氟苯甲醛收率的影響

固定其它條件不變，考察反應溫度對對氟苯甲醛收率的影響，結果見圖3。

圖3 反應溫度對對氟苯甲醛收率的影響Fig.3 Effect of reaction temperature on yield of 4－fluorobenzaldehyde

由圖3可以看出：升高反應溫度，促進了分子熱運動的加劇，有利于反應的進行，對氟苯甲醛收率升高；當反應溫度為120℃時，收率達到最高；超過120℃后，再升高反應溫度，容易造成結焦，副產物增加，反而導致收率下降。故，選擇反應溫度為120℃。

2.5 反應壓力對對氟苯甲醛收率的影響

固定其它條件不變，考察反應壓力對對氟苯甲醛收率的影響，結果見圖4。

圖4 反應壓力對對氟苯甲醛收率的影響Fig.4 Effect of reaction pressure on yield of 4－fluorobenzaldehyde

由圖4可以看出：隨著反應壓力的增大，在超臨界二氧化碳體系中反應物的溶解度也增大，有利于反應的進行，對氟苯甲醛收率不斷升高；在反應壓力為9.0 MPa時達到最高，為48.1%；但反應壓力超過9.0 MPa后，再增大反應壓力，收率反而下降。故，選擇反應壓力為9.0MPa。

3 結論

在超臨界二氧化碳介質中，以對氯苯甲醛（PCAD）和四丁基氟化銨（TBAF）為原料、以甲醇為助溶劑、以四苯基溴化膦（Ph4PBr）為相轉移催化劑，鹵素交換氟化反應合成對氟苯甲醛的優化工藝條件為：反應時間4h、n（TBAF）∶n（PCAD）∶n（Ph4PBr）＝1.5∶1∶0.1、反應溫度120℃、反應壓力9.0MPa，在此條件下，對氟苯甲醛的收率達到48.1%。

［1］ 葉立峰，曾瑜，周文軍，等.對氟苯甲醛合成工藝進展［J］.化工生產與技術，2009，16（1）：5－7.

［2］ YOSHIDA Y，KIMURA Y.Process for producing fluorobenzalde－hydes：US，4845304［P］.1989－07－04.

［3］ FURUYA T，KAMLET A S，RITTER T.Catalysis for fluorination and trifluoromethylation［J］.Nature，2011，473（7348）：470－477.

［4］ FURUYA T，KUTTRUFF C A，RITTER T.Carbon－fluorine bond formation［J］.Current Opinion in Drug Discovery and Development，2008，11（6）：803－819.

［5］ 楊美健，張廣信，陶敏莉.超臨界二氧化碳中的甲苯選擇性氧化反應［J］.化學工業與工程，2010，27（5）：424－428.

［6］ JIANG H F.Transition metal－catalyzed organic reactions in supercritical carbon dioxide［J］.Curr Org Chem，2005，9（3）：289－297.

［7］ LICENCE P，KE J，SOKOLOVA M，et al.Chemical reactions in supercritical carbon dioxide：From laboratory to commercial plant［J］.Green Chem，2003，5：99－104.