1,2-二氟苯的合成工藝研究進(jìn)展

陳明炎 毛崇智 王 飛 何雙材

(浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023)

0 前言

芳香族氟化物是醫(yī)藥、農(nóng)藥和液晶等合成產(chǎn)品的重要中間體，其主要合成方法分為3類，即芳胺的重氮化氟化法、鹵素交換氟化法和催化氟化或特殊氟化劑氟化法。其中最常用的合成方法是芳胺的重氮化氟化法，其反應(yīng)步驟：選擇芳香胺作為原料進(jìn)行重氮化反應(yīng)生成芳香烴重氮鎓鹽，再與氟硼酸反應(yīng)生成氟硼酸重氮鹽，最后通過加熱分解得到所需的產(chǎn)品，也可將得到的芳香烴重氮鎓鹽在含氟路易斯酸的存在下，用光照的方法使重氮鎓鹽分解，得到所需的產(chǎn)品[1-2]。

1,2-二氟苯是其中一種重要的芳香族氟化物，分子式C6H4F2，相對分子質(zhì)量114.09，CAS號367-11-3。在醫(yī)藥領(lǐng)域，1,2-二氟苯是合成二氟苯水楊酸、氟喹諾酮抗菌劑和替卡格雷的重要中間體；在農(nóng)藥領(lǐng)域，1,2-二氟苯是合成含氟苯基殺蟲劑的重要中間體；在液晶領(lǐng)域，二氟苯可合成一系列側(cè)向鄰二氟取代的負(fù)介電各向異性液晶；在高性能鋰金屬電池領(lǐng)域，1,2-二氟苯可作為一種良好的稀釋劑[3-8]。

1 1,2-二氟苯的合成

1.1 席曼反應(yīng)合成法

席曼反應(yīng)，亦稱Balz(巴爾茨)-Schiemann(席曼)反應(yīng)，是芳基重氮氟硼酸鹽受熱分解得到芳基氟的反應(yīng)，是制備芳香族氟化物的經(jīng)典反應(yīng)，也是合成1,2-二氟苯的主要方法。

根據(jù)所選起始原料的不同，席曼反應(yīng)合成1,2-二氟苯又有多種工藝路線。以鄰氯硝基苯為起始原料，其合成路線如圖1所示。

圖1 席曼反應(yīng)-鄰氯硝基苯合成路線

2000年，谷曉麗等[3]設(shè)計了一種以鄰氯硝基苯為原料制備1,2-二氟苯的工藝路線，反應(yīng)過程包括：1)鄰氯硝基苯的氟化，將一定量的二甲基亞砜(DMSO)、無水氟化鉀、鄰氯硝基苯依次加入反應(yīng)釜中，升溫至180～190 ℃，保持回流反應(yīng)5 h，反應(yīng)完畢后降溫至35 ℃，過濾除去氯化鉀及未反應(yīng)的氟化鉀，將濾液減壓精餾，在84～92 ℃/2.7 kPa收取的餾分為鄰氟硝基苯；2)鄰氟硝基苯的還原，在反應(yīng)釜中加入上述鄰氟硝基苯，在鎳存在下加氫還原，保持反應(yīng)2 h，還原后將所得物料過濾，將濾液減壓蒸餾，收取80～82 ℃/0.5 kPa的餾分得到鄰氟苯胺；3)重氮化氟化，在攪拌釜中加入濃鹽酸和水，并滴加上述鄰氟苯胺，加完保持反應(yīng)30 min后用冰鹽水冷卻至-10～-15 ℃，滴加亞硝酸鈉溶液保持反應(yīng)30 min，然后加入配制好的氟硼酸溶液，生成的結(jié)晶經(jīng)過過濾、洗滌、干燥得到2-氟-1-重氮氟硼酸鹽，將干燥的氟硼酸鹽加熱，在140～160 ℃分解，分解氣體經(jīng)冷凝后收集，將收集到的液體加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫氧化鈉水溶液進(jìn)行水蒸氣蒸餾，將分離出的油狀物用氯化鈣干燥后，常壓蒸餾收取91～93 ℃餾分，得到產(chǎn)品1,2-二氟苯。

2006年，張虹[1]對該方法進(jìn)行了工藝改良，主要是將得到的粉狀鄰氟苯氟硼酸重氮鹽不進(jìn)行干燥，直接與氯代芳烴溶劑混合，進(jìn)行減壓蒸餾去除水分。氯代芳烴的使用量相對于粉體為0.5～10.0質(zhì)量份，蒸餾時的反應(yīng)溫度控制在140 ℃以下，最好保持在90 ℃以下，避免副反應(yīng)的發(fā)生。所用氯代芳烴溶劑的沸點(diǎn)最好比鄰氟苯氟硼酸重氮鹽的熱分解溫度155 ℃高，如選擇二氯苯、三氯苯、四氯苯、二氯甲苯和三氯甲苯類及其他多氯烷基苯類等，考慮價格、毒性和后處理等因素，以1,2-二氯苯、1,2,3-三氯苯和3,4-二氯甲苯為最佳。該方法最終收率達(dá)78.2%。

類似的合成方法有：Paul等[9]在重氮化過程中加入三乙胺-氟化氫溶液，最終得到1,2-二氟苯的收率達(dá)55.9%；Yoneda等[10]在熱解過程中加入吡啶，在20 ℃長時間(18 h以上)光照輻射的條件下得到1,2-二氟苯。

2016年，余志群等[11]發(fā)明了一種以鄰二苯胺為原料，管式雙重氮化反應(yīng)制備1,2-二氟苯的方法。其合成路線如圖2所示。

圖2 席曼反應(yīng)-鄰二苯胺合成路線

此反應(yīng)主要過程：將物料苯二胺、鹽酸水溶液和氟硼酸水溶液混合后儲存于第一儲罐，物料亞硝酸鈉的水溶液儲存在第二儲罐中，并且分別通過輸液泵輸送到混合器中混合后添加入管式反應(yīng)器中，于0～100 ℃進(jìn)行重氮化反應(yīng)，反應(yīng)停留時間為1～150 s，反應(yīng)后所得反應(yīng)混合物冷卻至-5～-10 ℃，過濾得到濕重氮鹽和濾液，將濕重氮鹽干燥，投入裂解釜進(jìn)行裂解，收集目標(biāo)餾分，再經(jīng)蒸餾得到二氟苯；苯二胺、鹽酸水溶液中的HCl、氟硼酸水溶液中的HBF4、亞硝酸鈉水溶液中的亞硝酸鈉物質(zhì)的量比為1.0 ∶2.5～25.0 ∶2.0～5.0 ∶2.0～3.0。

雖然席曼反應(yīng)是生產(chǎn)1,2-二氟苯的主要方法，但是大規(guī)模反應(yīng)仍存在很多問題：1)重氮中間體的熱不穩(wěn)定性；2)大容器中混合和未混合層之間的相互作用所帶來的困難；3)熱解過程中會產(chǎn)生大量三氟化硼有毒蒸汽；4)重氮氟硼酸鹽的不均勻加熱或水解，導(dǎo)致不可控的熱分解反應(yīng)和較多的副產(chǎn)物。其主要的副產(chǎn)物如圖3所示。

圖3 席曼反應(yīng)-主要副產(chǎn)物

1.2 共裂解反應(yīng)合成法

共裂解反應(yīng)(co- pyrolysis)合成法越來越多地被應(yīng)用于小分子烯烴環(huán)合制備環(huán)狀化合物，1,2-二氟苯的合成路線如圖4所示。

圖4 共裂解反應(yīng)合成路線

Volchkov等[12]報道了一種兩步合成1,2-二氟苯的方法：1)1,3-丁二烯和三氟氯乙烯在管式反應(yīng)器中，于440～480 ℃高溫共裂解得到中間體4-氯-4,5,5-三氟環(huán)己烯，中間體收率僅為37%～45%；2)中間體4-氯-4,5,5-三氟環(huán)己烯在氫氧化鉀水溶液中脫酸得到1,2-二氟苯，1,2-二氟苯收率可達(dá)83%。該反應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)在于綠色無污染，共裂解反應(yīng)過程中不需要使用催化劑，且管式反應(yīng)器可持續(xù)生產(chǎn)；缺點(diǎn)在于單程轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)溫度高，因而能耗較大。

1.3 氟氣氟化法

氟氣氟化法是常用的化合物分子中引入氟元素的合成方法。何建明等[13]的發(fā)明公開了一種1,2-二氟苯的合成方法，該方法以2-(三甲基硅)苯基三氟甲磺酸酯為原料，在氟化鉀作用下生成苯炔后直接與通入的氟氣進(jìn)行氟化反應(yīng)制得產(chǎn)物1,2-二氟苯，氟氣由氟烴類化合物高溫裂解產(chǎn)生。此發(fā)明是種新的制備方法，但其原料價格高，中間產(chǎn)物苯炔活性極高且不易保存，反應(yīng)可行性低。反應(yīng)路線如圖5所示。

圖5 氟氣氟化法-2-(三甲基硅)苯基三氟甲磺酸酯合成路線

Paul等[14]直接用氟氣氟化氟苯得到二氟苯。該方法以三氯氟甲烷作為溶劑、三氟甲磺酸作為催化劑，在-30 ℃下緩慢通入氟氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的氟氮混合氣，反應(yīng)得到產(chǎn)物1,2-二氟苯，其收率為7%。反應(yīng)路線如圖6所示。

圖6 氟氣氟化法-氟苯合成路線

1.4 其他氟化劑氟化法

Janmanchi等[15]報道了一種由氟化銅和氟化鋁制備合成的氟化劑Al2CuF8進(jìn)行氟氯離子交換反應(yīng)，得到一系列氟苯化合物，其中1,2-二氟苯的收率為16%。反應(yīng)式如圖7所示。

圖7 氟化劑氟化-金屬氟化物

目前報道較多的是由氟苯作為原料與不同的氟化劑進(jìn)行氟化反應(yīng)。Dominic等[16]報道了在乙腈溶劑中使用含氟硫酸銫(1)氟化氟苯，1,2-二氟苯的最終收率僅為8%。Gakh等[17]報道了在乙腈溶劑中使用硝酸氟(2)氟化氟苯，二氟苯最終的收率達(dá)48%～76%。Bardin等[18]報道了在三氟化硼乙醚和1,1,1,3,3-五氟丙烷的混合溶劑中溶解氟苯，再在0～25 ℃下緩慢通入二氟化氙(3)，得到產(chǎn)物1,2-二氟苯的收率為8%。反應(yīng)式如圖8所示。

圖8 氟化劑氟化-其他氟化劑

2 總結(jié)與比較

介紹了合成1,2-二氟苯的3種可行的工藝路線：席曼反應(yīng)合成法、共裂解反應(yīng)合成法、氟氣或其他氟化劑氟化法，對各工藝路線的總結(jié)評價如表1所示。

表1 1,2-二氟苯合成工藝路線總結(jié)評價

3 結(jié)語

目前工業(yè)上主要采用席曼反應(yīng)合成法來制得1,2-二氟苯，其工藝路線較成熟，但大規(guī)模生產(chǎn)仍存在較多問題：重氮中間體的熱不穩(wěn)定性、反應(yīng)物料層混合不均勻、熱解過程中會產(chǎn)生大量三氟化硼有毒蒸汽、不可控的熱分解反應(yīng)導(dǎo)致較多的副產(chǎn)品。而共裂解反應(yīng)合成法利用管式反應(yīng)器可實(shí)現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)、綠色無污染，具有較大的潛力，但該方法單程轉(zhuǎn)化率低、能耗高，需要尋找合適的催化劑提升反應(yīng)選擇性和原子利用率。