通过原位形成三氟乙烯基金属卤化物而合成α,β,β－三氟苯乙烯

摘要

由1，1，1，2－四氟乙烷分两步合成的α，β，β－三氟苯乙烯和其衍生物。在第一步中，1，1，1，2－四氟乙烷与碱、金属盐如氯化锌和任选的胺反应形成三氟乙烯基金属络合物。在第二步中，通过使三氟乙烯基金属络合物与芳基转移剂，比如芳基三氟甲基磺酸酯或者芳基卤在金属催化剂和任选的配位配体的存在下反应得到三氟苯乙烯或者其衍生物。两步可以在一个反应器中进行。

说明书

技术领域

本发明涉及通过原位形成三氟乙烯基金属络合物而合成α，β，β-三氟苯乙烯和相关单体的方法。

背景技术

α，β，β-三氟苯乙烯(“TFS”)可以作为单体用于制备聚合物，随后，这些聚合物可用于生产具有有利的化学和机械性能的膜。另外，如果获得的聚合物用离子交换基团官能化的话，它们又可用于形成离子交换膜。含有TFS和/或取代的TFS单体单元的聚合物膜可适用于各式各样的应用场合，特别是，包含离子交换官能度的这种聚合物膜已经用于电化学领域，比如燃料电池，如美国专利5,422,411，5,602,185和5,834,523中公开的那样。

α，β，β-三氟苯乙烯合成的最初报道是在二十世纪四十年代末和二十世纪五十年代初。虽然此后曾报道过若干种方法，但没有一种方法在经济上适宜大规模合成TFS和相关单体。可能使得这些方法一般不适合于大规模合成的典型条件包括低产率、高或低的温度、高压、使用有毒化学品和使用对环境有害的化学品，比如氯氟烃(“CFCs”)。

美国专利2,612,528公开了一种通过Friedal-Crafts酰化多步合成TFS的方法，其TFS总的制备收率为约30％。除了低收率之外，该方法还需要使用有毒的氯化剂，即，五氟化锑，并分离CFC中间体。

美国专利2,651,627和2,752,400报道了一种由三氟氯乙烯和苯通过在550-600℃下热解合成TFS的方法。该方法不仅需要高温和使用CFC作为原料，而且只能产生低于30％的低收率。在美国专利3,489,807中，在由β，β-氯氟乙基苯和2-氯-1，1-二氟乙烯合成TFS过程中也提到了在600-800℃下热解，但是，同样也报道了相对低的收率。低收率还公开在美国专利2,874,166中，它是在通过苯基锂与四氟乙烯反应合成TFS时形成的。在美国专利3,449,449中公开了在固体苯基钠与四氟乙烯高压(即，70-1400kPa)下反应形成TFS的过程中，使用-30到-100℃的深冷温度。

对于TFS的合成，Heinze和Burton(Journal of Organic Chemistry，53：2714-2720，1998)描述了在温和的温度下得到比较高的收率。但是，这一合成需要使用碘代三氟乙烯或溴代三氟乙烯作为原料。溴-和碘代三氟乙烯是第2类耗氧剂，两者都比较昂贵，并且目前只在北美洲有一个大规模销售源，即Halocarbon Products Corporation。

因此，还需要制备TFS及相关单体的改进的合成方法，特别是使用市售的、比较环保的原料在温和条件下以比较高的收率进行制备的方法。

发明内容

本发明提供由1，1，1，2-四氟乙烷(“HFC-134a”)两步合成TFS或其衍生物的方法。

第一步中，通过在HFC-134a、胺、碱和金属盐之间发生反应形成三氟乙烯基金属络合物。这通过以下反应表示，其中MX¹_n是金属盐：

胺可以以游离胺的形式，或者以与金属盐预先形成的金属盐-胺络合物的形式加入到反应混合物中。或者，胺可以原位生成。例如，如果二异丙基酰胺锂用作碱的话，将原位生成二异丙胺。

在另一个实施方案的第一步中，通过在HFC-134a、碱和金属盐之间进行反应而形成三氟乙烯基金属络合物，其中反应温度大于-68℃。在更具体的实施方案中，反应温度为约15℃-约25℃。

第二步包括，使如上制备的三氟乙烯基金属络合物与芳族转移剂(ArX²)在金属催化剂和配位配体的存在下反应形成TFS或者其衍生物。这由以下反应表示：

芳族转移剂的X²基团可以是任意的各种各样的适当的转移剂离去基团，比如卤素、三氟甲基磺酸酯(即，-OSO₂CF₃)，或者本领域技术人员公知的其他适当的基团。在这点上，已经观察到使用芳族碘化物会获得较高的收率。通常，芳基将是碳环芳基，比如苯基或者萘基，尽管也可以使用杂环芳基，比如噻嗯基。正如以下更详细讨论的，芳族转移剂可以任选被取代。

为了形成TFS，芳族转移剂是苯基卤化物(比如苯基碘化物)。金属催化剂可以是钯、镍或者铂，呈零价氧化态或者被原位还原成这一氧化态。二(二亚苄基丙酮)钯(O)是金属催化剂的一个实例，它易于处理并且对温度和空气稳定。配位配体可以是单或者多齿膦、胂或者本领域技术人员公知的其他配体。该配体可以是，例如三苯基膦。

在合成TFS或者其衍生物的过程中，进行这两个步骤时可以不分离三氟乙烯基金属络合物中间体。此外，通过与第一芳族转移剂一起加入第二芳族转移剂可以合成两种或多种TFS单体(或者其衍生物)的混合物。

通过参考以下详细说明，本发明的这些及其他的方面将显而易见。

优选实施方案的详细说明

α，β，β-三氟苯乙烯(TFS)具有以下结构(I)：

这里使用的“TFS的衍生物”包括具有以下结构(II)的化合物：

其中，Ar表示芳族碳环或者杂环片断，任选被一个或多个取代基取代，但是不包括结构(I)。典型的芳族碳环片断包括苯基和1-和2-萘基，同时，典型的芳族杂环片断包括噻嗯基、呋喃基和吡咯基。当被两个或多个取代基取代时，取代基可以相同或者不同。取代基包括不具有酸性氢的任何片断。典型的取代基包括但是不局限于，羟基、氰基、硝基、卤素、卤代烷基如三氟甲基、卤代烯基如-CF＝CF₂、烷氧基如甲氧基、和芳氧基如苯氧基。

这里使用的“烷基”意思是包含有1-10个碳原子的直链或者支链、非环状或者环状、不饱和或者饱和脂肪族烃基。典型的饱和直链烷基包括甲基、乙基、正丙基、正丁基、正戊基、正己基等；同时饱和的支链烷基包括异丙基、仲丁基、异丁基、叔丁基、异戊基等。典型的饱和环状烷基包括环丙基、环丁基、环戊基、环己基、-CH₂环丙基、-CH₂环丁基、-CH₂环戊基、-CH₂环己基等；同时不饱和环状烷基包括环戊烯基和环己烯基等。环状烷基，也称为“碳环”，包括二-和多-碳环，比如十氢萘和金刚烷基。不饱和烷基在相邻碳原子之间包含至少一个双或者三键(分别称为“烯基”或者“炔基”)。典型的直链和支链烯基包括乙烯基、丙烯基、1-丁烯基、2-丁烯基、异丁烯基、1-戊烯基、2-戊烯基、3-甲基-1-丁烯基、2-甲基-2-丁烯基、2，3-二甲基-2-丁烯基等；同时典型的直链和支链炔基包括乙炔基、丙炔基、1-丁炔基、2-丁炔基、1-戊炔基、2-戊炔基、3-甲基-1-丁炔基等。

此外，“芳基”意思指芳族碳环片断，比如苯基和萘基，“烷氧基”和“芳氧基”分别系指-O-烷基和-O-芳基。

在本发明的方法中，在比较温和的条件下合成TFS或者其衍生物的过程中，1，1，1，2-四氟乙烷(“HFC-134a”)用作原料。作为原料，HFC-134a在经济上合算并且对环境友好。在Banger等人的文章(Chemical Communications，1997，139-140)中，已经报道了HFC-134a作为全氟乙烯基-金属衍生物的原料。但是，Banger等人在合成全氟乙烯基金属衍生物时使用极低的温度(即，-78℃)，因为很清楚，三氟乙烯基锂在较高的温度下会分解(参见，例如D.J.Burton等人，Tetrahedron，2993，1994)。

在本发明方法的一个实施方案中，TFS单体和其衍生物可以分两步合成。第一步中，使HFC-134a与碱、胺和金属盐反应形成三氟乙烯基金属络合物。第二步中，将芳族转移剂、金属催化剂和配位配体结合在一起并加热。冷却到室温后，通常可以以约75-85％的收率分离得到TFS单体或者其衍生物。

应当理解的是，各种各样的碱都可以用于第一步中，只要该碱能够使HFC-134a去质子化。典型的碱包括但是不局限于，烷基和芳基锂试剂(比如二异丙基酰胺锂或者叔丁基锂)、烷基和芳基格利雅试剂、以及钠或者钾金属。

典型的金属盐，M(X¹)_n，包括但是不局限于，锌盐、汞盐、铟盐、镁盐、镉盐、铊盐、烷基锡盐、芳基锡盐、烷基铅盐或者芳基铅盐。金属盐可以是金属卤化物(即，X¹＝卤化物)，其中所述卤化物是氯化物、溴化物或者碘化物，但是也可以使用其他的金属盐，比如金属乙酸盐(X¹＝乙酸盐)或者金属三氟甲基磺酸盐(X¹＝三氟甲基磺酸盐)。此外，X¹基团不必都相同，虽然它们通常是相同的，n表示与金属M相连的电子给体X¹基团的数目。金属盐优选无水，但是可以存在少量水。尽管如此，但在第一步中，在没有水的情况下倾向于观察到较高的收率。无水氯化锌是一种典型的试剂，因为它能有效反应，并且比上述其他盐更经济和/或更环保。

正如本领域技术人员所理解的那样，适当的胺包括烷基、芳基和杂芳胺。在这一点上，“杂芳胺”意思指具有至少一个氮原子并包含至少一个碳原子的5-10元芳族杂环，包括单环和双环系统。典型的杂芳胺包括但是不局限于吡咯、吲哚、氮杂吲哚、吡啶、喹啉、异喹啉、吡唑、咪唑、苯并咪唑、哒嗪、嘧啶、吡嗪、噌啉、酞嗪、和喹唑啉。

此外，胺可以是单或者多齿胺。不局限于上述普遍性，胺可以是例如四甲基乙二胺(“TMEDA”)、二异丙胺、三乙胺、或者2，2′-二吡啶基。或者，所述胺不必独立地加入到反应混合物中，尽管此时或者倾向于观察到较低的收率或者反应必须在较低的温度下操作。虽然如此，即使在反应混合物中不存在任何胺，在温度高于-68℃的情况下仍然可以观察到可接受的收率。然而，如果二异丙基酰胺锂(“LDA”)用作碱的话，即使不把胺独立地加入到反应混合物中，在较高的温度也可观察到比较高的收率。不受缚于理论，我们相信，之所以观察到较高的收率是因为当LDA与HFC-134a反应时会原位生成胺，换句话说是二异丙胺。

胺和金属盐可以作为单独的组分加入到反应混合物中，或者可以以预制的金属盐-胺络合物，比如ZnCl₂·TMEDA络合物的形式加入到反应混合物中。

在上述实施方案中，THF用作溶剂，但是很清楚可以使用其他的溶剂。

根据选定的碱，在不显著影响收率的情况下，用以形成三氟乙烯基金属络合物的反应温度可以发生变化。例如，反应可以在室温(即15-25℃)以及低温，如-90℃下进行而不显著影响收率。但是，本发明方法的优点在于它能够使得在合成TFS单体和其衍生物的过程中使用更切合实际的条件。

芳族转移剂(ArX²)可以是芳族卤化物(即，X²＝氟、氯、溴或者碘)、三氟甲基磺酸酯(即，X²＝-OSO₂CF₃)、或者本领域技术人员公知的其他芳族转移剂。为了得到TFS，芳基为苯基。或者，为了获得TFS衍生物，芳基可以是取代的苯基、萘基、取代的萘基、杂芳基或者取代的杂芳基。为此，“杂芳基”意思是指具有至少一个选自氮、氧和硫的杂原子且包含至少一个碳原子的5-10元芳族杂环，包括单环和双环系统。典型的杂芳基包括但是不局限于呋喃基、苯并呋喃基、噻吩基、苯并噻吩基、吡咯基、吲哚基、异氮茚基、氮杂吲哚基、吡啶基、喹啉基、异噻啉基、恶唑基、异恶唑基、苯并恶唑基、吡唑基、咪唑基、苯并咪唑基、噻唑基、苯并噻唑基、异噻唑基、哒嗪基、嘧啶基、吡嗪基、三嗪基、噌啉基、酞嗪基、和喹唑啉基。

此外，不同芳族转移剂的组合可以加入到反应混合物中以获得TFS单体和/或其衍生物的混合物。例如，如果芳族转移剂是苯基碘化物和被三氟甲基取代的苯基碘化物(在邻、间或者对位取代)且这两种转移剂加在一起作为芳族转移剂时，将生成TFS和F₃CC₆H₄CF＝CF₂的混合物。

金属催化剂可以是任意的钯、镍或者铂金属催化剂，其中金属为零价氧化态。或者，金属催化剂可以为+2或者+4价氧化态，然后原位还原为零价氧化态。例如，金属催化剂可以是二(二亚苄基丙酮)钯。

配位配体可以是选自单或者多齿膦和胂的任何配体。如果在反应混合物中不加入配位配体，仍然可能高收率地获得TFS和其衍生物。三苯基膦作为配位配体时可以高收率地获得TFS和其衍生物，它不仅具有经济效益并且比较环保。

在第一步中，与“单-络合物”一起，可以形成少量的二(三氟金属络合物)。这可由以下示意图表示：

生成的“二络合物”不是很明显，因为与单络合物类似，它在第二步制备TFS或者其衍生物的反应中也会与芳族转移剂反应。

TFS及其衍生物的分离和纯化可以通过，例如首先在真空下闪蒸蒸馏反应混合物来完成，以便将溶剂和产物与反应过程中形成的金属盐分离开来。然后可以通过分压分馏分离出TFS单体。根据溶剂的相对挥发度，可以直接通过分馏将TFS或者相关单体从反应混合物中分离出来。

然后所述单体可以聚合形成适合用于例如电化学燃料电池中的膜等应用场合的聚合物。所述聚合物可以是均聚物或者共聚物。共聚物可以是无规、嵌段或者接枝共聚物。

实施例1

三氟乙烯基氯化锌

组装一个250毫升三颈圆底烧瓶，使其装备有干冰/异丙醇冷凝器、隔膜和低温温度计，同时加热并用氮气吹扫。向其中加入ZnCl₂(3.42克，25.0毫摩尔)和THF(15.0毫升)。使用冷水浴将溶液冷却到12-15℃，并且将气态的HFC-134a(2.5毫升，30.0毫摩尔)冷凝在饱和溶液中。在35分钟内通过套管慢慢地向反应混合物中加入LDA，同时保持温度为15-20℃。套管顶端浸于溶液表面以下以避免中间体乙烯基锂在顶端由于气态HFC-134a与LDA的反应而发生分解。反应混合物在20℃下搅拌1小时，然后使其沉降2小时。此时记录锌试剂的¹⁹F NMR，表明生成了三氟乙烯基锌络合物，同时还有痕量未反应的HFC-134a。从比单络合物高的磁场方向上出现的肩峰来看，与单三氟乙烯基锌络合物一起还形成了少量的二(三氟乙烯基)锌产物。单/二的比例大约为90∶10。三氟乙烯基氯化锌的估计收率为73％。

实施例2-9

按照实施例1中给出的通用方法，如下表所示，改变碱、金属盐、胺和/或温度来重复反应。

  No  碱  M(X¹)_n  胺  温度  收率  2  LDA  ZnCl₂  TMEDA  20℃  76％  2  LDA  ZnCl₂  TMEDA  20℃  76％  3  LDA  ZnCl₂  二异丙胺  20℃  75％  4^a  LDA  ZnCl₂  TMEDA  -26℃  84％  5^b  LTMP  ZnCl₂  TMEDA  20℃  82％  6  t-BuLi  ZnI₂  无  -58℃  76％  7  LDA  ZnI₂  未加入  -26℃  58％  8  LDA  ZnI₂  TMEDA  -26℃  83％  9^f  LTMP  Bu₃SnCl  无  -26℃  68％

a 金属盐和胺以预制的ZnCl₂·TMEDA络合物的形式加入；

b LTMP是锂-2，6-四甲基-4-甲氧基哌啶。LTMP的结构是：

实施例10

用于TFS和其衍生物的通用方法

根据实施例1制备三氟乙烯基氯化锌。将实施例1所述反应中的干冰/异丙醇冷凝器和温度计替换为活塞和柱塞。将三氟乙烯基氯化锌溶液真空浓缩到几乎为其原始体积的一半。在这一浓缩过程中，蒸发掉过量的HFC-134a。在小心地将真空替换为氮气之后，用装有氮气进口的冷凝器替代活塞。然后加入碘代苯(大约为0.8当量)和四(三苯基磷)钯(Pd(PPh₃)₄)(大约1.5mol％)。使用油浴将反应混合物在60℃加热。使用¹⁹F NMR，通过取出少许等分量的反应混合物来监测反应的进展。当三氟乙烯基氯化锌到TFS的转化结束之后，将反应混合物用戊烷或者己烷研磨若干次，在加入硅胶之后，将合并的提取液在旋转蒸发器上蒸发。在蒸发溶剂之前加入硅胶是用来吸收TFS产物，从而防止产物由于其挥发性而受到损失。溶剂蒸发之后，进行硅胶柱层析，根据TFS的挥发性使用戊烷或者己烷作为洗脱液。

实施例11-21

按照实施例10中给出的通用方法，改变芳基卤来重复反应。

  No.  ArX²  产品  收率  11  碘代苯  TFS  69％  12  1-碘-4-硝基苯  p-O₂NC₆H₄CF＝CF₂  37％  13  1-碘-4-三氟甲基苯  p-F₃CC₆H₄CF＝CF₂  66％  14  1-碘-3-三氟甲基苯  m-F₃CC₆H₄CF＝CF₂  67％  15  1-碘-2-三氟甲基苯  o-F₃CC₆H₄CF＝CF₂  67％  16  4-碘苯甲醚  p-MeOC₆H₄CF＝CF₂  82％  17  3-碘苯甲醚  m-MeOC₆H₄CF＝CF₂  85％  18^a  11-溴-4-碘代苯  p-BrC₆H₄CF＝CF₂  75％  19^a  1，4-二碘代苯  p-F₂C＝FCC₆H₄CF＝CF₂  71％  20  1-碘代萘  C₁₀H₇CF＝CF₂  83％  21  2-碘代噻吩  2-(1，1，2-三氟  乙烯基)噻吩  59％

a不是如通用方法中所述将反应混合物在60-70℃下加热，而是在室温下搅拌混合物直到反应基本上完成。

虽然已经阐明并描述了本发明的特定步骤、要素、实施方案和应用，但当然应当理解，本发明并不局限于此，因为所属技术领域的专业人员可以进行改进，特别是在考虑到上述教导的时候。因此，附加的权利要求将企图覆盖这种改进，因为引入那些步骤或者要素在本发明的精神和范围内。