二氟乙酸乙酯的合成研究
刘波;吕太勇;罗源军;庹洪;张鸣;李斌
【摘 要】二氟乙酸乙酯是一类用途极广的含氟精细化学品,市场前景广阔,具有较高的开发价值.虽然合成该化合物的方法较多,但都有各自的不足,为了解决上述问题,开展了温和条件下合成二氟乙酸乙酯的研究工作.以四氟乙烯为原料进行试验,以85.3％的收率成功得到1,1,2,2-四氟乙基乙基醚,该中间体在酸性条件下与二氧化硅反应以91.7％的收率成功得到了目标产物二氟乙酸乙酯.结果表明:该合成方法具有反应条件温和、收率高、反应步骤少等特点,适用于工业化生产. 【期刊名称】《有机氟工业》
【年(卷),期】2017(000)001
【总页数】4页(P26-29)
【关键词】二氟乙酸乙酯;四氟乙烯;氢氟醚;含氟精细化学品
【作 者】刘波;吕太勇;罗源军;庹洪;张鸣;李斌
【作者单位】复兴大学中昊晨光化工研究院有限公司,四川富顺643201;中昊晨光化工研究院有限公司,四川富顺643201;中昊晨光化工研究院有限公司,四川富顺643201;中昊晨光化工研究院有限公司,四川富顺643201;中昊晨光化工研究院有限公司,四川富顺643201;中昊晨光化工研究院有限公司,四川富顺643201
【正文语种】中 文
二氟乙酸乙酯是一类用途极广的含氟精细化学品，常作为CF2HCO-的引用试剂用于一些新型医药、农药、功能材料等重要中间体的合成，同时也是二氟乙醇及二氟乙酸的重要原料。该化合物因其应用广泛、市场前景广阔且工业需求量越来越大，故而具有较高的开发价值[1-2]。
目前，合成该化合物的方法较多，主要有以下几种：1)1,1,2,2-四氟乙基乙基醚经过高温催化裂解得到二氟乙酰氟，再与乙醇进行酯化反应得到目标产物二氟乙酸乙酯[3]；2)利用二氟乙腈催化水解、醇解得到二氟乙酸乙酯[4]；3)利用二氟乙酸与乙醇发生酯化反应得到二
氟乙酸乙酯[5]；4)二氯乙酰氯与二乙胺作用生成二氯乙酰二乙胺，经过氟化得到二氟乙酰二乙胺，再经过酸催化醇解得到目标产物[6]。上述合成方法均存在各种缺点。采用催化裂解的话，反应条件苛刻，同时副反应多、产物选择性差；采用水解、醇解的话，反应原料不易得，且需要在催化条件下完成；采用先成酸再酯化的方法合成步骤多、工艺流程长，同时需要采用特殊的反应设备； 采用二氯乙酰氯为原料的方法，氟化时利用环丁砜作为溶剂，容易产生三氧化硫气体，对环境不利，同时反应原料二乙胺的回收较困难，不利于降低成本。
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为了克服以上方法的不足，提供了一种更优的合成二氟乙酸乙酯的方法。此方法以四氟乙烯为起始原料，首先制备原料1,1,2,2-四氟乙基乙基醚；该原料在酸的催化下与三氧化二铝、水或者二氧化硅等作用，从而成功合成二氟乙酸乙酯。本研究报道的方法具有工艺简单、原料便宜易得、反应条件温和易于控制、产物收率高、副产物少等优点，易于工业化生产。
1.1 试验仪器与试剂
Bruker NMR-400 MHz核磁共振仪，CDCl3为氘代溶剂，TMS为内标。
四氟乙烯，中昊晨光化工研究院有限公司；氘代氯仿，百灵威公司。其他原料均为商业可得的国产工业级，未经过处理直接使用。
1.2 试验方法
1.2.1 1,1,2,2-四氟乙基乙基醚的制备
制备1,1,2,2-四氟乙基乙基醚作为最终产物的中间体,反应式如下：
在50 L高压反应釜内加入氢氧化钾2.4 kg(43 mol)；用氮气置换3次，抽空排氧吸入乙醇19.8 kg (430 mol)；继续抽真空换氮气，在氧含量合格后，用四氟乙烯单体加压至1.1 MPa，升温至50 ℃左右，观察反应情况，若反应缓慢则逐步升温至85 ℃，待压力降至0.9 MPa开始补充新鲜的四氟乙烯，维持反应温度，不断补充四氟乙烯直至不再有压降，反应约5 h。反应完成后，停止反应，收集反应液，将反应液加水洗涤、分液并收集下层有机相。将得到的有机相通过精馏纯化得到无透明的1,1,2,2-四氟乙基乙基醚52.2 kg，产率85.3%，沸点56.6 ℃。所得产品经核磁共振(NMR)表征如下：1H-NMR (CDCl3) δ (1×10-6) ∶1.31(t,J=7.2 Hz,-OCH2CH3,3H);4.02(q,J=6.8 Hz,-OCH2CH3,2H);5.52～5.80(m,-CF2
H,1H)；13C-NMR(CDCl3)δ(×10-6) ∶14.7,60.7(t,J=6 Hz),105.3～111.1(m),114.7～120.6(m)；19F-NMR(CDCl3)δ(1×10-6) ∶-137.2(t,J=3.76 Hz，-CF2CF2H),-91.9(d,J=7.52 Hz，-CF2CF2H)。测试结果与文献数据匹配[7-8]。
利用类似的反应方法成功合成了1,1,2,2-四氟乙基甲基醚、1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚、1H,1H,5H-八氟戊基-1,1,2,2-四氟乙基醚等其他一系列氢氟醚类化合物。
1.2.2 二氟乙酸乙酯的制备
将得到的1,1,2,2-四氟乙基乙基醚用浓硫酸催化，并与二氧化硅反应制备二氟乙酸乙酯，反应式如下：
it于500 mL的三口瓶中加入磁力搅拌子，加入1,1,2,2-四氟乙基乙基醚146 g(1.0 mol)，然后加入30 g(0.5 mol)二氧化硅，升温至回流，搅拌下缓慢滴加含49 g(0.50 mol)浓硫酸，整个滴加及反应过程持续约3 h，反应过程中产生的四氟化硅用氢氧化钠水溶液吸收。反应完成后，停止反应，过滤掉未反应的二氧化硅粉末，收集滤液，用水洗涤萃取3次，有机相用无水硫酸钠干燥，将得到的有机相精馏纯化得到无透明的二氟乙酸乙酯113.7 g，产率91.7
%。沸点97 ℃。所得产品经NMR表征如下：1H-NMR(CDCl3)δ(1×10-6) ∶1.32(t,J=7.2 Hz,-OCH2CH3,3H)，4.30(q,J=7.2 Hz,-OCH2CH3,2H);5.74(t,J=13.2 Hz,-CF2H,1H)；13C-NMR(CDCl3)δ(1×10-6) ∶13.9,63.0，104.4(t,J=247.5 Hz),162.4(t,J=28.4 Hz)；19F-NMR(CDCl3)δ(1×10-6) ∶-126.9(s,-CF2H)。测试结果与文献数据匹配[9-10]。
2.1 碱对1,1,2,2-四氟乙基乙基醚收率的影响
1,1,2,2-四氟乙基乙基醚的合成是一类碱协助的乙醇对四氟乙烯的亲核加成反应。试验表明：在1,1,2,2-四氟乙基乙基醚的制备过程中，当反应温度一定(85 ℃)、反应时间一定(5 h)、四氟乙烯的反应压力一定(1.1 MPa)时，碱的种类及用量对反应收率的影响很大，甚至直接关乎反应是否能够迅速顺利完成，如表1所示。
由表1可见：在没有强碱的作用下该加成反应不能发生；在乙醇钠这类碱金属醇盐的催化作用下四氟乙烯和乙醇的反应产率较低，推测可能是乙醇钠遇水易分解失去催化作用造成的；对于氟化钾和氢氧化钾均能很好地催化该反应，但是相同条件下使用氢氧化钾的效果更佳；通过对氢氧化钾用量的筛选及经济性考虑，决定选择反应底物10%当量的氢氧化钾作为最优条件。
2.2 反应助剂对二氟乙酸乙酯收率的影响
试验表明：在制备二氟乙酸乙酯的过程中，当反应条件(1,1,2,2-四氟乙基乙基醚用量为1 mol、浓硫酸用量0.5 mol、反应时间3 h)一定时，反应助剂的种类及用量对反应收率的影响很大。通过对反应助剂H2O、Al2O3以及SiO2的筛选，得表2数据。
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由表2可见：在没有任何助剂的作用下该反应收率非常低；在H2O、Al2O3以及SiO2这3种助剂的对比试验中，SiO2效果最佳；通过对SiO2用量的筛选并从反应的经济性考虑，选择反应底物50%当量的SiO2作为最优条件。使用SiO2的好处是既可以促进反应的进行，同时还可以有效地防止玻璃反应器皿被腐蚀。
2.3 浓硫酸用量对二氟乙酸乙酯收率的影响
虽然催化剂本身的质量和化学性质在反应前后都没有发生变化，但是可以有效地提高化学反应的速率。为了证实浓硫酸的用量对反应收率的影响，固定反应条件，即1,1,2,2-四氟乙基乙基醚用量为1 mol、二氧化硅用量为0.5 mol、反应时间为3 h，然后做了以下对比试验，相关数据如表3所示。
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由表3可见：无浓硫酸时该反应不能进行；通过对浓硫酸用量的筛选并从反应的经济性考虑，选择反应底物50%当量的浓硫酸作为反应最优条件，在该条件下反应收率可达91.7%。
以四氟乙烯为起始原料，经过连续的加成反应和脱氟反应成功实现了二氟乙酸乙酯在温和条件下的化学合成。通过对反应条件的摸索和控制，出了每一步反应所需要的最优条件，对于第一步加成反应制备氢氟醚的反应，当反应温度为85 ℃、反应时间为5 h、四氟乙烯的反应压力为1.1 MPa、KOH用量为10%时，可以得到最优产率85.3%；对于第二步脱氟反应，当1,1,2,2-四氟乙基乙基醚用量为1 mol、二氧化硅用量为0.5 mol、反应时间为3 h、催化剂浓硫酸用量为50%时，可以以91.7%的最高产率得到二氟乙酸乙酯，因此，可以计算出目标化合物的总收率为78.2%。结果表明：该合成方法具有反应条件温和、收率高、反应步骤少等特点，适用于工业化生产。
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