相转移催化合成3,4—二氟苯腈的研究

相转移催化合成3，4—二氟苯腈的研究

摘要：以3，4-二氯苯腈为原料，采用相转移催化合成了3，4-二氟苯腈。考察了不同相转移催化剂、物质的量比、温度、水对反应的影响。结果表明，双-（N-双（二甲胺基）亚甲基）-氯化亚铵盐为最优催化剂，反应体系水含量控制在0.05%以下，在投料比为n（3，4-二氯苯腈）∶n（KF）∶n（催化剂）=1：3：0.1，140℃反应3 h，190℃反应5 h，3，4-二氯苯腈转化率为99%，产物3，4-二氟苯腈的收率为81%，纯度为99%；相比于先前的报道，本工艺使用新颖的N-烷基共轭季铵盐催化剂，采用分段升温法，明显降低了反应温度，缩短了反应时间，有效减少了脱卤、聚合、焦化等副反应的产生，进一步提高了3，4-二氟苯腈的收率。

关键词：3，4-二氯苯腈；3，4-二氟苯腈；相转移催化；氟化钾

3，4-二氟苯腈可用于合成多种医药、染料、液晶材料的中间体，也是选择性除草剂氰氟草酯的重要中间体。氰氟草酯是用于水稻的选择性除草剂，对移栽和直播水稻均相当安全，是国际上公认的优良的水稻除草剂。随着氰氟草酯的专利过期，国内氰氟草酯生产得到了快速发展，极大推动了3，4-二氟苯腈的市场需求。

文献报道3，4-二氟苯腈的合成路线较多，其中最具经济性的路线是采用3，4-二氯苯腈为原料，通过卤素交换法氟化合成。该路线一般以氟化钾为氟化试剂，在高沸点非质子极性溶剂、相转移催化剂存在下进行高温氟化反应，反应式如下：

由于氰基的吸电性，使苯环的邻对位氯原子比较容易氟化，但间位取代氯原子呈现惰性，难以活化氟代。而一般市售相转移催化剂催化活性低、高温热稳定性差，导致这一氟化反应过程温度高、耗时长，且反应体系聚合、脱卤、焦化现象严重，收率低，生产过程能耗高，污染严重。

因此，设计合成一种热稳定性好、活性高的相转移催化剂，并对3，4-二氟苯腈的合成工艺进行改进是我们的研究重点。本文以3，4-二氯苯腈为起始原料，通过相转移催化合成3，4-二氟苯腈，考察了不同的相转移催化剂、投料比、体系水含量对反应的影响。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

3，4-二氯苯腈、1，3-二甲基-2-咪唑啉酮、喷雾干燥氟化钾均为工业级；四丁基氯化铵、四苯基溴化膦、18-冠-6醚、聚乙二醇-1000、甲苯、环己烷均为分析级（国药集团）；双-（N-双（二甲胺基）亚甲基）一氯化亚铵盐为自制，制备方法参照文献。S212系列电子恒速搅拌器（上海申生科技有限公司）；DL31型全自动卡尔费休水分测定仪（梅特勒-托利多（常州）称重设备系统有限公司）；

70A型气相色谱仪（安捷伦科技有限公司（中国））；60-5973GC/MS型气质联用仪（安捷伦科技有限公司（中国））；WP-400SY型（400 MHz）核磁共振仪（瑞士Brucker Biospin公司）。

1.2 买验方法

在带有机械搅拌和回流分水装置的2 L三口烧瓶中加入3，4-氯苯腈300 g，1，3-二甲基-2-咪唑啉酮900 g，环己烷120 g，升温至回流，待分水器无水分出后，加入喷雾干燥氟化钾300 g，催化剂43 g，升温至140℃反应3 h后，取样，继续升温至190℃反应5 h，取样。反应样品过滤后用气相色谱分析。

将全部滤液转移至减压精馏塔中，控制真空度-0.08～-0.09 MPa，塔釜温度130～150℃，塔顶收集90～105℃的馏分，气相色谱分析纯度，计算收率。

2 结果与讨论

2.1 相转移催化剂对反应的影响

研究表明，在卤交换法合成含氟芳香族化合物的过程中加入一定量的相转移催化剂可以有效的促进氟化反应的进行，降低反应温度，缩短反应时间，提高氟化物的选择性和产率。而N-烷基共轭季铵盐是近年来新发展的一种新颖相转移催化剂，可以应用于卤素交换法制备芳香族含氟化合物，相比其他常用的相转移催化剂，如季铵盐、季磷盐、冠醚和聚醚类催化剂，N-烷基共轭离子型季铵盐催化剂具有活性高、热稳定性好的特点，特别适用于一些较难氟代的芳香族含氟化合物的合成。不同相转移催化剂对3，4-二氟苯腈合成收率的影响见表1所示。

从表1可以看出，不加入催化剂反应物分子很难与氟化钾发生反应。四丁基氯化铵在本实验条件下容易分解，无法起到催化氟化的作用。季磷盐和聚醚类催化剂虽然热稳定性较好，但催化活性不高。聚乙二醇-1000只能使部分的3，4-二氟苯腈转化为中间体3-氯-4-氟苯腈。18-冠-6醚和四苯基溴化磷只能催化氟化3，4-二氯苯腈4号位的氯，而难以使3号间位上的氯获得转化。而N-烷基共轭季铵盐催化剂双-（N-双（二甲胺基）亚甲基）一氯化亚胺盐在该反应温度下具有良好的热稳定性和催化活性，能够使大部分的3，4-二氯苯腈催化氟化为最终产物3，4-二氟苯腈，且反应收率高达81%，显示出了其优越的催化能力。下文中的反应均采用双-（N-双（二甲胺基）亚甲基）-氯化亚胺盐为相转移催化剂。

2.2 催化剂用量对反应的影响

考察了双-（N-双（二甲胺基）亚甲基）-氯化亚铵盐催化剂用量对3，4-二氟苯腈合成的影响，结果见表2。

由表2可看出，催化剂用量过少，反应不够彻底，中间体3-氯-4-氟苯腈反应缓慢。当n（催化剂）∶n（3，4-二氯苯腈）超过0.1：1后，催化剂用量增加对反应收率影响不明显。因此，n（催化剂）∶n（3，4-二氯苯腈）=0.1：1已经

可以满足反应的要求。

2.3 氟化钾用量对反应的影响

在卤交换法合成含氟芳香族化合物的反应中，氟化钾用量对反应具有较大的影响。因为反应中生成的KCl容易覆盖在KF的表面，会使氟化反应受到抑制，因此需要使用过量的KF以保证反应的正常进行。KF用量对相转移催化合成3，4-二氟苯腈的影响见表3。由表3可以看出，3，4-二氟苯腈的收率随着KF用量的增加而增加，当n（KF）∶n（3，4-二氯苯腈）大于3：1后，再增加氟化钾用量，反应收率并未提高反而有所下降，可能是因为过量的KF固体导致反应体系黏度增加，搅拌不均匀，从而引起聚合焦化等副反应增加。综合成本因素，n（KF）∶n（3，4-二氯苯腈）=3∶1较为合适。

2.4 温度对反应的影响

对于卤交换法合成含氟芳香族化合物，一般温度越高，反应越容易进行，但高温也会导致反应体系聚合、脱卤、焦化现象严重，氟代物产率低且生产能耗巨大。另外由于氰基的吸电子作用，苯环上对位氯原子的反应活性要高于间位氯原子，对位氯原子可以在相对较低的温度下被催化氟代。因此采用分段升温法可以有效减少产品在高温下的反应时间，减少聚合、脱卤、焦化等副反应的产生，从而进一步提高氟代物的产率。温度对相转移催化合成3，4-二氟苯腈的影响见表4。

由表4可知，在双-（N-双（二甲胺基）亚甲基）一氯化亚胺盐（CNC）催化剂的存在下，3，4-二氯苯腈在140℃反应3h就可完全转化为中间体3-氯-4氟苯腈，收率高达95%。高温阶段反应温度低于190℃，反应不彻底，中间体难以完全转化为最终产物3，4-二氟苯腈。反应温度高于200℃，则脱卤和焦化等副反应增加，从而使3，4-二氟苯腈的选择性下降。因此，最佳反应温度应为190～200℃。

2.5 体系水含量对反应的影响

卤交换法合成含氟芳香族化合物的反应对体系中的水分非常敏感，本文以环己烷为共沸除水剂对体系进行脱水，用卡尔费休水分测定仪测定反应体系中的水分，研究水分对反应的影响，结果见表5。

由表5可以看出，当水含量低于0.05%时，反应能够正常进行，3，4-二氟苯腈的收率可达81%以上；水含量逐渐增加，3，4-二氯苯腈的转化率逐渐降低，3，4-二氟苯腈的选择性和收率降低。虽然C-F键在热力学上强度大，但氟的强电负性使氟成为容易离去的基团之一，氟的强吸电性可使某些副反应的过渡态稳定，在动力学上易被OH-、-NH2等强亲核性基团取代。因此体系中的水会向二氟苯腈或其脱卤产生的芳基自由基亲核进攻，从而产生苯酚类和二苯醚类副产物，从而影响氟代产物3，4-二氟苯腈的产率。当水含量过高时，由于水的氢键作用使强亲核性的F溶剂化，F的活性降低，导致反应速率减小，反应甚至停止。

因此为获得较高的反应选择性和收率，反应体系的含水量应该控制在0.05%以下。

3 结论

（1）以3，4-二氯苯腈为起始原料，采用自制合成的N-烷基共轭季铵盐双-（N-双（二甲胺基）亚甲基）-氯化亚胺为相转移催化剂，合成了3，4-二氟苯腈且收率较高。在n（3，4-二氯苯腈）∶n（KF）∶n（催化剂）=1：3：0.1，体系含水量控制在0.05%以下，140℃反应3 h，190℃反应5 h条件下，3，4-二氯苯腈转化率可达99%，产物3，4-二氟苯腈的收率为81%，纯度为99%。

（2）使用高活性的相转移催化剂，采用分段升温法，降低了反应温度，显著缩短了产品在高温下的反应时间，减少了聚合、脱卤、焦化等副反应的产生，进一步提高了氟代物的产率。