三唑官能化的4,4’-二氟二苯砜类化合物及其合成方法

摘要

本发明涉及一种三唑官能化的4,4’-二氟二苯砜类化合物及其制备方法，该化合物的结构式为：。该类化合物以4,4’－二氟二苯砜为原料，通过溴代、偶联、点击等反应合成，分四个步骤，包括3,3’-二溴-4,4’-二氟二苯砜的合成，3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜合成，3,3’-二乙炔基-4,4’-二氟二苯砜的合成，三唑官能化的4,4’-二氟二苯砜的合成。本发明所合成的化合物可与双酚类化合物进行缩聚，得到高分子聚砜材料，聚砜的骨架结构使其具有优异的阻醇效果以及抗氧化、抗酸催化水解性能，以及优良的力学性能和热稳定性，而且三唑碱性官能团提供质子缺陷，可用于制备酸-碱两性高温质子导电材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种4,4’-二氟二苯砜类化合物及其合成方法，特别是一种三唑官能化的4,4’-二氟二苯砜类化合物及其合成方法。

背景技术

燃料电池(FC)是一种将储存在燃料和氧化剂中化学能转变为电能的高效能量转化装置，是一种很有前途的高效绿色能源。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)采用聚合物膜作为电解质，具有低温启动、能量转化率高、无电解液泄露、寿命长等优点，是公认的最有希望成为军事、电动汽车、航天和区域性电站的首选电源。电催化剂和质子交换膜是质子交换膜燃料电池的关键材料。其中，阳极电催化剂的作用是催化燃料的氧化反应；阴极电催化剂的作用是催化氧气的还原反应质子交换膜的作用是隔离燃料和氧化剂，并提供质子的迁移通道。

阻碍PEMFC推广使用的最主要障碍是PEMFC的昂贵价格，特别是电催化剂和质子交换膜这两种核心材料的高昂价格。但是，若能将PEMFC的工作温度提高到120至180℃，则电极反应速度将大大加快，可以降低电催化剂中的Pt用量，甚至可以使用其它廉价的电催化剂替代昂贵的Pt催化剂，大大降低PEMFC的成本。PEMFC在高温工作时，电催化剂对氢气中的CO等杂质的耐受性将大大提高，可以简化氢气的纯化工艺，甚至可以直接利用重整气作燃料，扩大氢气的来源。同时，在水的气态温区工作的PEMFC，其水热管理将更为便捷。因此，开发高效、低成本的新型质子交换膜，特别是耐高温、能在无水条件下运行的非氟质子交换膜便成为燃料电池技术亟待解决的关键问题。

传统质子交换膜与高温质子交换膜的对比，传统的必须含有溶剂水，而且质子电导率受含水量影响非常大，含水量降低将会使电导率急剧下降。高温质子交换膜是无水条件，但需要质子授体和接受质子的物质，并且质子能在授体和受体之间循环迁移。在酸-碱复合质子交换膜中，酸性基团提供传导质子，碱性基团形成质子缺陷。在氢键供体和授体间形成氢键网络，便于质子传输。

聚芳醚砜是一类在分子主链上含有砜基的芳香族高性能热塑性工程塑料，具有优异的阻醇效果以及抗氧化、抗酸催化水解性能，另外还具有优良的力学性能和热稳定性，因此可以用于制备酸碱两性高温质子导电材料。

发明内容

本发明的目的之一在于提供了一种三唑官能化的4,4’-二氟二苯砜类化合物。

本发明的目的之二在于提供该类化合物的合成方法。

为达到上述目的，本发明采用如下反应机理：

根据上述反应机理，本发明采用如下技术方案：

 一种三唑官能化的4,4’-二氟二苯砜类化合物，其特征在于结构式为：

。

一种制备上述的三唑官能化的4,4’-二氟二苯砜类化合物的方法，该方法的具体步骤为：

a.    将4,4’-二氟二苯砜及N-溴代丁二酰亚胺按 1：2.2~1:2.5 的摩尔比混合后，加入催化剂用量的浓硫酸，常温反应，通过点板确定结束后，将溶液倒入冰水中，沉淀物用用水、正己烷洗涤，分离提纯得到3,3’-二溴-4,4’-二氟二苯砜，其结构式为：；

b.    在密闭条件和惰性气氛下，将步骤a所得3,3’-二溴-4,4’-二氟二苯砜和三甲基硅乙炔按 1：2.2～1：3的摩尔比溶于四氢呋喃中，再加入催化剂用量的CuI、PdCl₂(PPh₃)₂ 和Et₃N，搅拌反应至反应物反应完全，过滤旋干，分离提纯得3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜，其结构式为：；

c.    将步骤b所得3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜及四丁基氟化氨按 1：2～1：2.5的摩尔比溶于四氢呋喃中，常温搅拌反应至反应物反应完全，萃取，有机层用饱和食盐水洗涤，经干燥、分离提纯后得3,3’-二乙炔基-4,4’-二氟二苯砜，其结构式为：；

d.    在惰性气氛子下，将步骤c所得3,3’-二乙炔基-4,4’-二氟苯砜和特戊酸叠氮甲酯或叠氮基三甲基硅烷按 1：2~1:2.5的摩尔比溶于四氢呋喃中，再依次加入催化剂用量的CuSO₄、NaAsc，搅拌反应至反应物反应完全，萃取后，有机层再用5%的氨水清洗，无水MgSO₄干燥，过滤旋干，分离提纯得三唑官能化4,4’-二氟二苯砜。

本发明所合成的三唑官能化4,4’-二氟二苯砜可与双酚类化合物进行缩聚，得到含有碱性官能团的聚砜材料，用于制备酸-碱两性高温质子导电材料。

附图说明

图1为3,3’-二溴-4,4’-二氟二苯砜的¹H NMR图谱

图2为3,3’-二溴-4,4’-二氟二苯砜的质谱图

图3为3,3’-三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜的¹H NMR图谱

图4为3,3’-二乙炔基-4,4’-二氟二苯砜的¹H NMR图谱

图5为3,3’-二乙炔基-4,4’-二氟二苯砜的质谱图

图6为三唑官能化的4,4’ -二氟二苯砜的¹H NMR图谱。

具体实施方法

下面结合实施实例对本发明进行详细说明。

实施例一

本实施例以4,4’－二氟二苯砜为原料，通过溴代、偶联、点击等反应合成目标产物，第（1）步是3,3’-二溴-4,4’-二氟二苯砜的合成，第（2）步是3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜合成，第（3）步是3,3’-二乙炔基-4,4’-二氟二苯砜的合成，第（4）步是三唑官能化的4,4’ -二氟二苯砜的合成。

实验步骤：

（1）在50ml圆底烧瓶中加入18.32 g 4,4’-二氟二苯砜及45 ml浓H₂SO₄，常温搅拌，使4,4’-二氟二苯砜完全溶解，然后在上述溶液中加入28.26 g NBS。点板跟踪反应进程，约6 h后反应结束，将反应后溶液倒入盛有350 g冰水的烧杯中，待冰块全部融化后得黄白色浑浊混合物。混合物用砂芯漏斗低压抽滤，接着先后用水、正己烷洗涤，得到淡黄色固体。甲苯重结晶得白色固体，产率92.5％，表征见图1和图2。

（2）将2 g 3,3’-二溴-4,4’-二氟二苯砜加入封管中，用N₂气充换气4~5次，然后在N₂保护下依次加入0.056 g CuI、0.2 g PdCl₂(PPh₃)₂、16 ml Et₃N、 9 ml THF和1.192 g三甲基硅乙炔，45 ℃反应，点板观察反应进程，7 h反应完全，将反应装置移出油浴后自然冷却至室温，然后产物用砂芯漏斗抽滤，并用二氯甲烷冲洗两次，得滤液。将滤液加一定量硅胶，40 ℃旋蒸，柱层析分离得3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜，过柱淋洗液为石油醚：二氯甲烷=8:5，产率为64.64﹪，表征见图3。

（3）将1.5 g 3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜溶于15 ml THF中，然后加入向溶液中再加入1.197g四丁基氟化氨，常温搅拌反应，反应完全后加入50 ml乙酸乙酯和15 ml水，并进行分液操作。下层为无色透明的水相，上层为棕亮色有机相。有机相加入适量无水Na₂SO₄进行干燥处理。干燥完成后过滤，将滤液加一定量硅胶，40 ℃旋蒸，柱层析分离得3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜，过柱淋洗液为石油醚：二氯甲烷=8:5，产率为54.03﹪，表征见图4和图5。

（4）将0.5 g 3,3’-二乙炔基-4,4’-二氟二苯砜加入圆底烧瓶中，充换氮气，在氮气保护下依次加入0.0264 g CuSO₄，1.64 g NaAsc, 5 ml THF和0.649 g特戊酸叠氮甲酯，点板观察反应进程，直到反应完全，加入乙酸乙酯和水分层，有机层再用5%的氨水清洗，无水MgSO₄干燥，过滤旋干，柱层析分离得三唑官能化4,4’-二氟二苯砜，结构式为，过柱淋洗液为二氯甲烷：乙酸乙酯=40：1，产率为74.21﹪，表征见图6。

实施例二

（1）3,3’-二溴-4,4’-二氟二苯砜的合成：同实施例一

（2）3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜合成：同实施例一

（3）取1.2 g 3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜溶于15 ml THF中，然后加入向溶液中再加入1.508 g KOH，常温搅拌反应，反应完全后加入50 ml乙醚和15ml水，并进行分液操作。有机相加入适量无水Na₂SO₄进行干燥处理。干燥完成后过滤，将滤液加一定量硅胶，40℃旋蒸，柱层析分离得3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜，过柱淋洗液为石油醚：二氯甲烷=8:5，产率为40.8﹪。

（4）三唑官能化4,4’-二氟二苯砜的合成：同实施例一

实施例三

（1）3,3’-二溴-4,4’-二氟二苯砜的合成：同实施例一

（2）3,3’-二三甲基硅基乙炔基-4,4’-二氟二苯砜合成：同实施例一

（3）3,3’-二乙炔基-4,4’-二氟二苯砜的合成：同实施例一

（4）将0.5 g 3,3’-二乙炔基-4,4’-二氟二苯砜加入圆底烧瓶中，充换氮气，在氮气保护下依次加入0.0264 g CuSO₄，1.64 g NaAsc, 5mlTHF和0.476 g叠氮基三甲基硅烷，点板观察反应进程，直到反应完全，加入乙酸乙酯和水分层，有机层再用5%的氨水清洗，无水MgSO₄干燥，过滤旋干，柱层析分离得三唑官能化4,4’-二氟二苯砜。

本发明所合成的化合物可与双酚类化合物进行缩聚，得到高分子聚砜材料，聚砜的骨架结构使其具有优异的阻醇效果以及抗氧化、抗酸催化水解性能，以及优良的力学性能和热稳定性，而且三唑碱性官能团提供质子缺陷，可用于制备酸-碱两性高温质子导电材料。