對氟苯甲醛合成方法研究

任建軍，張偉

（濟源市恒順新材料有限公司， 河南 濟源 459000）

對氟苯甲醛是一種重要的精細化工中間體, 被用作合成多種醫(yī)藥[1-4]、農(nóng)藥、表面活性劑、聚合物單體、防霉劑的主要原料。如在醫(yī)藥中用于合成降血壓藥瑞舒伐他丁、抗精神病藥氟哌啶醇、氟哌利多, 在農(nóng)藥中用于合成菊酯類農(nóng)藥氟氯氰菊酯和氟氯苯菊酯, 合成中間體間苯氧基對氟苯甲醛、以及聚合物單體對氟苯乙烯, 其中對氟苯乙烯可廣泛用于制造記錄材料、熱塑性樹脂的涂層、液晶材料等。

合成對氟苯甲醛的主要方法有：氟苯甲?；╗5]、對氯苯甲醛氟化法[6]、對氟甲苯側(cè)鏈氯化法[7]、對氟甲苯間接電化學氧化法[8]等。氟苯甲?；óa(chǎn)生的鄰位異構(gòu)體分離困難；對氯苯甲醛氟化法設(shè)備要求高，產(chǎn)品純度低；對氟甲苯側(cè)鏈氯化法一般用氯氣做氯化劑，因原料種類少，工藝簡單，原料價廉易得等優(yōu)點[9-11]，是目前工業(yè)化最常用的合成路線。但液氯有毒且運輸半徑小，使其使用受限；對氟甲苯間接電化學氧化法反應(yīng)選擇性較低，終點不好控制[12]。本研究采用對氟甲苯做原料，N-氯代丁二酰亞胺(NCS)作為氯化劑，反應(yīng)生成二氯芐取代物，水解生成對氟苯甲醛。該方法N-氯代丁二酰亞胺為固體，運輸方便，適合于周邊沒有液氯的企業(yè)。

本實驗以對氟甲苯為原料，以N-氯代丁二酰亞胺(NCS)作為氯化劑，制備對氟苯甲醛，通過篩選得出最佳工藝條件。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

1.1.1 主要原料

對氟甲苯，工業(yè)級，江蘇萬隆化學有限公司；N-氯代丁二酰亞胺，試劑級，南京化學試劑有限公司；偶氮二異丁腈，試劑級，南京化學試劑有限公司；四丁基溴化銨，試劑級，南京化學試劑有限公司；乙酸乙酯，試劑級，南京化學試劑有限公司。

1.1.2 主要儀器

254 nm 紫外燈，GC7890 氣相色譜儀，DN 25×500 精餾塔，500 mL 四口瓶，1 000 mL 四口瓶，1 000 mL 分液漏斗，1 500 W 電加熱套，全自動油浴鍋。

1.2 合成路線

1.3 實驗步驟

1.3.1 對氟甲苯氯化

向500 mL 四口燒瓶中投入110.0 g 對氟甲苯，通入氮氣置換燒瓶內(nèi)空氣10 min，升溫至90 ℃后，先加入16.4 g 偶氮二異丁腈，再加入360.1 g N-氯代丁二酰亞胺，進行氯化反應(yīng)，用液相監(jiān)控反應(yīng)進程。

當對氟甲苯剩余量小于1%時，停止反應(yīng)，向燒瓶中加入適量水，攪拌0.5 h 后，倒入1 000 mL分液漏斗，靜置1～2 h，分離出下層對氟二氯芐，并轉(zhuǎn)移至干凈的1 000 mL 燒瓶中。

1.3.2 對氟二氯芐水解

對氟二氯芐中加入215 g 四丁基溴化銨，升溫至130 ℃，滴加269.6 g 水，保溫回流進行水解反應(yīng)。

GC 跟蹤反應(yīng)進程，當對氟二氯芐反應(yīng)結(jié)束后，降溫至45 °C。

1.3.3 對氟苯甲醛萃取、精餾

水解液加入質(zhì)量分數(shù)為45%的碳酸氫鈉水溶液和乙酸乙酯萃取，分離出上層有機相，干燥除水，減壓蒸除乙酸乙酯后，經(jīng)精餾得到對氟苯甲醛，計算收率。

2 結(jié)果討論

為了提高對氟苯甲醛的純度與收率，針對氯化反應(yīng)、水解反應(yīng)的催化劑用量、反應(yīng)溫度、萃取溶劑用量、碳酸氫鈉水溶液濃度進行了優(yōu)化篩選，以期得到最佳工藝條件。

2.1 氯化反應(yīng)溫度對反應(yīng)收率的影響

氯化反應(yīng)受反應(yīng)溫度影響較大[13]，反應(yīng)溫度低，反應(yīng)速率慢，易生成各種雜質(zhì)；反應(yīng)溫度過高，易產(chǎn)生聚合等反應(yīng)生成各種雜質(zhì)。

從圖1 可以看出，氯化反應(yīng)溫度在80 ℃時，反應(yīng)收率只有65%，隨著反應(yīng)溫度逐步升高，收率提高。當溫度升到95 ℃時，反應(yīng)收率達到最高98%，隨后隨著反應(yīng)溫度的升高，收率不升反而降低。從反應(yīng)收率考慮，氯化反應(yīng)最佳反應(yīng)溫度是95 ℃。

圖1 氯化反應(yīng)溫度對收率的影響

2.2 N-氯代丁二酰亞胺加入量對反應(yīng)收率的影響

氯化劑N-氯代丁二酰亞胺在氯化反應(yīng)時是需要過量的，N-氯代丁二酰亞胺的加入量對反應(yīng)收率影響很大。

從圖2 可以看出，當m（N-氯代丁二酰亞胺）∶m（對氟甲苯）=2.5∶1 時，反應(yīng)收率為73.3%；當m（N-氯代丁二酰亞胺）∶m（對氟甲苯）=2.7∶1時，反應(yīng)收率達到97.8%；隨著N-氯代丁二酰亞胺加入量繼續(xù)增加，反應(yīng)收率無顯著提高。從經(jīng)濟性考慮，N-氯代丁二酰亞胺的最佳加入量為m（N-氯代丁二酰亞胺）∶m（對氟甲苯）=2.7∶1。

圖2 N-氯代丁二酰亞胺加入量對反應(yīng)收率的影響

2.3 偶氮二異丁腈加入量對反應(yīng)收率的影響

偶氮二異丁腈是氯化反應(yīng)常用的偶氮類引發(fā)劑，對于氯化反應(yīng)的引發(fā)、降低反應(yīng)溫度、提高反應(yīng)收率有顯著影響。

從圖3 可以看出，當引發(fā)劑偶氮二異丁腈加入量在m（偶氮二異丁腈）∶m（對氟甲苯）=0.05∶1時，反應(yīng)收率為65%，隨著偶氮二異丁腈加入量提高，反應(yīng)收率隨之提高，當m（偶氮二異丁腈）∶m（對氟甲苯）=0.075∶1 時，反應(yīng)收率達到97.5%。偶氮二異丁腈加入量繼續(xù)提高時，反應(yīng)收率沒有顯著提高。從反應(yīng)收率和經(jīng)濟性考慮，引發(fā)劑偶氮二異丁腈最佳加入量是m（偶氮二異丁腈）∶m（對氟甲苯）=0.1∶1。

圖3 偶氮二異丁腈加入量對反應(yīng)收率的影響

2.4 水解反應(yīng)溫度對反應(yīng)收率的影響

水解反應(yīng)的反應(yīng)溫度對反應(yīng)收率影響較大，主要影響水解反應(yīng)程度和雜質(zhì)的含量。

從圖4 看出，當水解反應(yīng)的反應(yīng)溫度在115 ℃時，反應(yīng)收率只有65%，隨著反應(yīng)溫度的提高，反應(yīng)收率隨之提高。反應(yīng)溫度在125 ℃時，反應(yīng)收率達到97.0%；反應(yīng)溫度在130 ℃時，反應(yīng)收率達到最高97.5%；反應(yīng)溫度在140 ℃時，反應(yīng)收率顯著降低。從反應(yīng)收率考慮，水解反應(yīng)反應(yīng)溫度在125～135 ℃比較合適，最佳反應(yīng)溫度為130 ℃。

圖4 水解反應(yīng)溫度對反應(yīng)收率的影響

2.5 四丁基溴化銨加入量對反應(yīng)收率的影響

在水解反應(yīng)時，催化劑能降低反應(yīng)活化能[14-15],顯著降低反應(yīng)溫度，加快反應(yīng)速率，提高反應(yīng)收率。四丁基溴化銨是常用的相轉(zhuǎn)移催化劑，能加快水相與有機相間的反應(yīng)速率。

四丁基溴化銨作為水解反應(yīng)催化劑，是直接參與反應(yīng)的，所以和對氟二氯芐的摩爾比應(yīng)該在1∶1左右，從圖5 可以看出，當m（四丁基溴化銨）∶m（對氟二氯芐）=0.5∶1 時，反應(yīng)收率只有46%，隨著四丁基溴化銨加入量的增加，反應(yīng)收率隨之提高；當m（四丁基溴化銨）∶m（對氟二氯芐）=1∶1 時，反應(yīng)收率達到98.5%，之后隨著四丁基溴化銨加入量的增加，反應(yīng)收率沒有明顯提高，還有少量降低。從反應(yīng)收率和經(jīng)濟性考慮，四丁基溴化銨最佳加入量是m（四丁基溴化銨）∶m（對氟二氯芐）=1∶1。

圖5 四丁基溴化銨加入量對反應(yīng)收率的影響

2.6 碳酸氫鈉水溶液濃度對萃取收率的影響

碳酸氫鈉水溶液能調(diào)整水解反應(yīng)液水相比重，提高萃取時水相/有機相的分離時間和分離效果。不加碳酸氫鈉水溶液萃取時，水相和有機相不易分離，水相比重比有機相小，處于上層，不利于工業(yè)化多次萃取分離。

從圖6 可以看出，當碳酸氫鈉水溶液濃度是35%時，萃取收率只有76.5%，隨著濃度的提高，萃取收率隨之提高。當碳酸氫鈉水溶液濃度達到45%時，萃取水相比重大于有機相比重，處于下層，萃取收率達到97.9%，之后隨著碳酸氫鈉水溶液濃度的提高，反應(yīng)速率顯著降低。從萃取收率和便于工業(yè)化考慮，碳酸氫鈉水溶液最佳濃度是45%。

圖6 碳酸氫鈉水溶液濃度對反應(yīng)收率的影響

2.7 乙酸乙酯用量對成品收率的影響

萃取劑乙酸乙酯的用量對成品速率影響很大。萃取劑乙酸乙酯的用量少時，萃取不徹底，成品收率很低；隨著萃取劑乙酸乙酯的用量增加，成品收率顯著提高。

從圖7 可以看出，當萃取劑乙酸乙酯的用量在m（乙酸乙酯）∶m（對氟苯甲醛）=0.3∶1 時，成品收率只有62.3%；當乙酸乙酯的用量在m（乙酸乙酯）∶m（對氟苯甲醛）=0.5∶1 時，成品收率達到97.2%；繼續(xù)提高乙酸乙酯的用量，成品收率無顯著提高。從經(jīng)濟性考慮，乙酸乙酯的最佳用量為m（乙酸乙酯）∶m（對氟苯甲醛）=0.5∶1。

圖7 乙酸乙酯用量對反應(yīng)收率的影響

3 結(jié) 論

以對氟甲苯為原料，N-氯代丁二酰亞胺為氯化劑，在催化劑偶氮二異丁腈作用下進行氯化，在催化劑四丁基溴化銨作用下滴水進行水解，在碳酸氫鈉溶液中用乙酸乙酯進行萃取，干燥脫水，減壓蒸去溶劑乙酸乙酯，精餾制備成品對氟苯甲醛。通過探討氯化反應(yīng)、水解反應(yīng)的溫度、時間、催化劑的使用量對收率的影響，得出最佳反應(yīng)條件：

3.1 氯化反應(yīng)最佳條件

氯化反應(yīng)反應(yīng)溫度95 ℃，m（N-氯代丁二酰亞胺）∶m（偶氮二異丁腈）∶m（對氟甲苯）=2.7∶0.1∶1 時，為氯化反應(yīng)最佳反應(yīng)條件。

3.2 水解反應(yīng)最佳條件

水解反應(yīng)反應(yīng)溫度125～135 ℃，m（四丁基溴化銨）∶m（對氟二氯芐）=1∶1 時，為水解反應(yīng)最佳反應(yīng)條件。

3.3 萃取最佳條件

碳酸氫鈉水溶液濃度為45%，m（乙酸乙酯）∶m（對氟苯甲醛）=0.5∶1 時，為萃取最佳條件。

按以上最佳條件，對氟苯甲醛的全程收率可達到93%（以對氟甲苯計）以上，對氟苯甲醛的純度可達到99.8%以上。

該方法原料易得，無需依托氯堿企業(yè)，氯化液無需分餾，反應(yīng)收率高，對氟苯甲醛純度高，易于工業(yè)化生產(chǎn)。