在至少一个烷基链碳上含氟烃的合成方法

专利名称：在至少一个烷基链碳上含氟烃的合成方法
技术领域：
本发明涉及一种采用至少部分呈配盐形式的含氟反应物，通过更高原子序数的卤素与氟之间的交换，合成在烷基链碳上氟化的烃化合物的方法。更具体地，本发明还涉及能够得到在有不饱和性或双键基团的碳原子上氟化的衍生物的方法。
含氟化合物一般很难得到。氟的反应性使得很难甚至不可能直接地得到含氟衍生物。
生产含氟衍生物使用最多的一种技术是让含卤素的衍生物，一般是含氯衍生物进行反应，以便让卤素与无机氟进行交换，一般与高原子量的碱金属氟化物进行交换。
一般地，使用的氟化物是氟化钾，这在经济上可达到令人满意的兼顾效应。
在这些条件下，描述过许多方法，例如像附加证书N°2353516与《化学工业》(1978)-56文章中所描述的方法，并在工业上实施得到了芳基氟化物，即接枝吸电子基团的芳基氟化物。
除了基体特别适合这类合成的情况之外，这种技术的主要缺陷将在下面予以分析。
该反应需要如像氟化钾的碱金属氟化物之类的试剂，从适合这类合成应该满足的规格来说，这些试剂就相对昂贵了；这些试剂应该很纯、干燥，还呈适当的物理形式。
另外，对于任何一类产品，尤其是带易卤代碳的产品(即该碳带一个或多个用于与氟交换的卤素原子)，这种反应都不能进行。
还使用如液体氢氟酸或用偶极非质子传递溶剂稀释的氢氟酸之类的试剂。不过，氢氟酸是一种活性过强的反应物，它往往导致发生不需要的聚合反应或得到焦油。
在这种情况下，特别是希望得到在因吸电子类型基团的存在而电子不足的烷基类(其中包括芳烷基)碳上氟化的衍生物的情况下，本领域技术人员面临这些措词不大令人鼓舞的抉择；或者选择非常苛刻的条件，而往往得到焦油，或者处在温和的反应条件下，在较好的情况下还是见到未变化的基体。最后，应该指出在呈氧化物或氟化物的重元素存在下，使用氢氟酸的盐作为试剂时，建议用某些其他的化合物进行这些交换。在所使用的元素中，应该列举锑和如银或水银(汞)之类的重金属。
另外一个问题在于该反应的选择性当在同一个碳原子上有多个待交换的卤素原子时，往往很难只是交换一部分原子。
因此，本发明的一个目的是提供一种方法，该方法能够使如氯之类的重卤素与氟之间进行交换，因此大大改善了该反应的专一性。
本发明的另一目的是提供一种方法，该方法使用特别温和的反应条件，能够使如氯之类的重卤素与氟之间进行交换。本发明的另一目的是提供一种方法，该方法能够使用其形态不太关键的氟化物源。
本发明的另外一个目的是提供一种方法，该方法能够从两个或三个可能的卤素原子中只交换一个卤素原子。
本发明的另外一个目的是提供一种方法，该方法能够从三个可能卤素原子中只交换两个卤素原子。
本发明的另外一个目的是提供一种只在下述情况下才交换分子或原子的方法，这种交换能够得到仅带一个氟原子，还伴随有一个或两个与氟不同的其他卤素原子的碳原子。
本发明的另外一个目的是提供一种只在下述情况下才交换分子或原子的方法，这种交换能够得到仅带两个氟原子，还伴随有一个与氟不同的其他卤素原子的碳原子。
本发明的另外一个目的是提供一种方法，该方法能够避免使用大量昂贵或有毒的金属，如汞和/或银。
本发明的另外一个目的是提供一种方法，该方法能够减少昂贵或有毒的金属(如汞和/或银)的量，以便金属与其卤素原子有待交换的基体之摩尔比值至多等于0.5值，有利地等于0.2，优选地等于0.1。
本发明的另外一个目的是提供一种方法，该方法能够完全避免使用昂贵或有毒的金属，如汞和/或银，以便在反应混合物中不添加上述任何元素；换言之，每种所述金属的浓度不超过10-3M，有利地10-4M，优选地10-5M。
这些目的与随后体现出的其他目的都可通过用于合成含氟衍生物的方法达到，所述的合成方法包括处理一种基体的步骤，该基体含有至少一种sp3杂化的易卤代碳，该碳带有至少两种卤素，其中至少一种卤素是原子序数大于氟原子序数的卤素，这种易卤代碳与至少一个具有不饱和性的低杂化原子连接，并受到包括至少一种确定的化合物的反应物的作用，所述确定的化合物选自由Bronstedt碱与一定数量n的氢氟酸结合所构成的化合物，其中n至少等于3，而至多等于20，有利地等于15，优选地等于10。
本发明不涉及所述的易卤代碳带硫族元素的这种情况。
除了具有不饱和性的低杂化原子进入碳-碳键(炔属碳-碳键，优选地是烯属碳-碳键，其烯属键有利地进入具有芳族特性环中)之外，例如作为说明可以指出，有利地，所述具有不饱和性的低杂化原子是进入下述双键中的原子[其中*C是易卤代碳]低杂化原子及其不饱和性交换反应的难易程度(容易=1；不太容易=2，但是选择性更好；相对困难=3)，-*C-CR”=NR’2 已经与HF构成碱HF介质[该顺序甚至可以存在于取代的吡啶中]*-*C-CR”=S’ 1-*C-C=N-NH-R’ 2 已经与HF构成碱HF介质*-*C-CR”=N-O-R’ 2 已经与HF构成碱HF介质*-*C-CR”=PR’ 2 已经与HF构成碱HF介质*-*C-N=NR’ 2 有时不稳定的化合物，这限制了可接受操作条件的范围-*C-CF=CF22-*C-CR=”O 3 反应困难
-*C-N=O 2可导致非常复杂的混合*不过该反应一般以明显过量的反应物进行尤其是当强反应物必不可少时，优选使用不同的碱以达到反应物过量(对应于或不对应于化学计量)。给出交换反应的化学计量几乎是不可能的；作为提示，如果提出每个碱HF化合物只交换一个氟时，这时非常希望至少使用该化学计量，有利地至少一倍半，优选地是至少五倍，更优选地是至少10倍。作为上限只有一个一般为约100的经济限度(在本发明书中，使用术语“约”为的是说明这种事实，当一个数的右边最远的一个或多个数字是零时，这些零是位置零，不是有效数字，当然除非另外作出说明)。
在涉及优选基体的化学式Ⅰ中，R”相应于R10,R’相应于R5。
事实上，在本发明的研究工作中，曾证明因诱导作用而带吸电子基团的某些碳原子(在本发明说明书中，因为带有卤素而命名为易卤代碳原子)，对于所述易卤代碳中处于α位时，在易卤代碳的至少一个取代基在这些操作条件下是稳定的不饱和性载体的条件下，能够与上述类型的反应物进行反应。
需要强调的是本发明不涉及易卤代碳带有硫族元素的情况。
反应温度从反应混合物的熔点变到其分解点或沸点，一般为0-150℃，有利地是20-100℃。
一般地在大气压下操作，但是有可能在达到20×105帕的压力下进行操作。
在优选的碱中，可以列举有利地是元素周期分类表中至少是第二周期，一般是第六周期以下的ⅤB族元素的三价含烃衍生物的碱[法国化学学会学报，补编，1966年，1月，第1期]。除了下面详细说明的之外，作为这样一些化合物的实例，可以给出三价衍生物，当这些衍生物被三取代时，它们事实上是pnictines，即构成下面将更详细描述主题的pnictines。
在所述的Ⅴ族元素的含烃衍生物中，优选的衍生物是用含烃的残基通过完全或部分氢取代，由氢的磷族元素化物衍生得到的衍生物，而所述的含烃残基可能通过双键(如在亚胺中)或三键(如在腈中)与ⅤB族原子相连。
不过，有利地，Ⅴ族元素的含烃衍生物用一价含烃残基，有利地用烷基，通过完全或部分氢取代，由氢的磷族元素化物衍生得到[在本说明书中，烷基是在忽略醇官能(即ol)后取自醇的含烃残基的最接近词源的词意]；与术语磷族元素化物类似，这些烷基化合物在本发明中是以术语pnictines表示的。
于是，在氮的情况下，氮化氢(氨)的取代得到胺，在磷的情况下，磷化氢的取代得到膦，在砷的情况下，砷化氢的取代得到胂，而在锑的情况下，锑化氢(或锑化物)的取代得到锑化三氢。它们有利地选自磷的含烃衍生物，例如膦。
另外，碱越弱，交换越好，越完全。因此，伯胺、仲胺，优选地是叔胺得到含有不多HF基团的(至多是5，一般还要少)，比芳族杂环类碱弱的反应物，所述杂环类碱中的这个杂原子或至少其中一个杂原子选自Ⅴ族。
由碱与不连续数的HF单元构成的这些化合物在下面将以配合物“HF碱”或“碱HF”术语表示。
本发明不涉及与金属氟化物的交换(具体是如KF、CsF等碱金属氟化物)，这可表达为其量[一种或多种阳离子(碱金属、铵)的量(以当量表示)]应该至少等于呈游离质子状的氢量，已进入的卤氢酸的量，或配合物“碱-HF”，其中包括“F-(HF)”的量的一倍(有利地至少等于4/3倍，优选地是约为2倍)。
可以给出下述经验规律如果这些碱构成了用每个碱官能团有5个以上HF定义的化合物(强反应物的实例是确定的吡啶.10HF化合物)，而这是一种强反应物，它能够在非常温和条件下在同一碳原子上交换两个重卤素原子，甚至在不太苛刻的条件(温度与压力)下交换三个重卤素原子。如果不是，则涉及一种选择性更好的反应物，这种反应物在温和的条件下一般在碳上只交换单个氟，在比较严格的条件下在所述的易卤代碳上交换两个氟。本发明在用氟置换氯方面尤其令人感兴趣。
于是，这些交换反应基本上是相继进行的(事实上在易卤代碳上每个补加的氟原子减慢了比氟更重的卤素原子与氟原子的交换)，由于对操作条件与对选择反应物发挥作用，这样能够实现有选择的或完全的交换。由于一般能够找到在比氟更重的所有卤素被氟置换之前停止交换反应的条件，结果是可能存在两种选择性。一方面，可能只交换有限数量的比氟更重的卤素，另一方面，可能处理已经部分氟化的混合物，并且明显地触及没有达到所要求氟原子数的分子。
一般地，比氟更重的卤素原子与氟交换的能力随其原子序数增加。
明显地，可以改变化学计量及其过量，以便限制每个分子交换的卤素原子数。
这里每个分子可以有多个易卤代碳原子。可取的是两个易卤代碳原子彼此不干扰。
下面将说明在上述反应物的作用下最适合于重卤素与氟交换的碳原子，甚至分子的类型学。对于所述的碳来说，下面的每个特征使本发明的意义变得更明确。
于是，特别有意义的是可能剩余的易卤代碳键有利地是与选自由诱导作用而吸电子的基团形成的键。选自吸电子基团的所述的基团有利地是卤素。
因此，还特别有意义的是，可能剩余的易卤代碳键有利地是与其他有不饱和性的低杂化原子形成的键。
有利地，选择所述低杂化原子作为载体的所述不饱和性，以便抑制加成反应或聚合反应。于是芳族不饱和性是特别适合的。
当所述起始的易卤代碳有至少两个原子序数高于氟的卤素时，本发明是特别有用的。
当所述的易卤代碳是三卤代甲基，即它有三个有利地选自氯和氟的卤素原子时，稍后公开的本发明内容是特别有意义的。
于是，为了解述以上内容，即使是浅薄的，也可指出这些基体有利地是下述化学式Ⅰ的分子(Ⅰ)
其中R选自含烃的残基(具体是芳基或烷基)、卤素、吸电子基团(优选地通过诱导作用)；相同或不同的X和X’选自卤素，优选地选自氯(当然条件是R、X和X’不可能同时是氟，以及它们中的一个代表至少一个与氟交换时比氟重的卤素)；z选自r等于零的三价类金属，或r等于1的四价类金属(一方面分别是磷，有利地是氮，另一方面是碳，优选地是碳)；z’选自类金属，有利地是硫族元素(s和t等于零)，氮和磷(s等于零)和碳(s和t等于1)。
根据Z和Z’的意义，r、s和t可以取值为零或1。
令人惊奇地，尤其是当该化合物是化学式Ⅱ，优选地当Ar是碳环时，R可以是氢，导致交换容易进行。
对于给出或未给出一种对称分子，R还可以是-Z(R10)r=Z’(R11)s-(R5)t类型，其中包括Ar(R11)s类型。
R5可以是氢或任何基团，有利地为烃基(即含有碳和氢)。
R10可以独自取与R5同样的值。
R11可以独自取与R5同样的值。
不过根据本发明，有利地R10和R5连接起来以便构成芳环，这意味着Z是碳。
化学式(Ⅰ)因而变为R-CXX’-Ar(R11)s(化学式Ⅱ)或r代表视具体情况而定取代的芳族环。它具体地代表视具体情况而定取代的苯环(如苯基或萘基)，视具体情况而定取代的杂环，R11这时代表在易卤代碳邻位视具体情况而存在的取代基(CXX’)。
其中Ar为五节链，优选地有两个杂原子的化合物(希望有两个氮原子)是特别有意义的；当Z(R10)r=Z’(R11)s-(R5)t是吸电子的(如在像吡啶之类的具有六节链的杂环情况下)，应该指出这种交换比较困难，特别对于在同一碳上第三个氟原子更是如此。在部分选择性交换的情况下这是特别有利的。
R和R5,R10和R11每个基团通常包含至多30个(至多20个碳原子)，有利地20个(至多15个碳原子)，优选地15个碳和/或氮原子(至多12个碳原子)。基体分子的总碳数很少超过50个，有利地至多30个。
R5代表视具体情况而定取代的苯环、视具体情况而定取代的杂环，有利地具有5节链的杂环，优选地具有两个杂原子的杂环(希望具有两个氮原子)；给电子剂或弱吸电子剂，应该包括吸电子能力与二氯代苯基相同或较之更弱的吸电子剂(对于非吸电子芳基或对于富电子的芳基也都适合的定义)。另外，还给出了“吸电子剂”或“明显吸电子剂”定义。
为了帮助本领域技术人员根据所了解到的情况确定待选择的条件，在下面将寻找在大多数所了解的情况中可使用的经验规律。
如果希望进行完全的交换，就要在苛刻的条件或非常苛刻的条件下使用强反应物。相互地，在温和条件下弱反应物一般在单交换时导致交换的选择性非常好(得到在易卤代碳上单氟化产物)。弱的反应物与苛刻条件以及强的反应物与温合条件一般得到中间结果。
这些规律有待由被取代基体的能力调整。总的来说，越多的易卤代碳取代基成为给予体，这种基体进行交换越容易(即在易卤代碳上最后氟的数将越容易达到)。
弱反应物的实例是三乙基胺.3HF化合物。强反应物的实例是吡啶.10HF化合物，温和条件θ=熔点至多为50℃；苛刻的条件θ=50℃-100℃(或如果在所研究的压力下更低则在沸点)；非常苛刻的条件θ=100℃-150℃，并且如有必要，压力高于大气压；由于在使用本发明的反应物时交换是连续的，其选择性基于下列事实在易卤代碳上的氟越多，该反应越难以进行，该反应也就越慢。
在其中X和X’代表比氟重的卤素的化学式(Ⅰ)的情况下，可以说明反应方程式。
导致在易卤代碳上有一个氟的反应
导致在碳-易卤代上有二个氟的反应
其中R代表比氟重的卤素；导致在易卤代碳上有三个氟的反应
下述非限制性的实施例说明本发明。
HF-碱溶液的制备-一般的操作方式如下所述合成不同的HF-碱介质在x摩尔有机碱(吡啶、三乙胺、二噁烷等)或无机碱(KF、bu4NF等)中在搅拌下(视具体情况而定冷却到-20℃)滴加Y摩尔无水氢氟酸。在加完无水氢氟酸后，将反应介质加热到室温，不经任何处理便可使用。因此，HF-碱配合物具有(HF)y-碱x结构。
反应后，氟化反应粗产物用与所研究的HF-碱介质不混溶的，又适于溶解得到产物(例如仅CH2Cl2(无冰或水))的无水有机相处理时，得到两相最低极性的相(例如CH2Cl2)，这种相含有交换后得到的产物，与最强极性的相“HF-碱”，这种相经视具体情况而定再调制成起始浓度(以HF计)以及(例如通过蒸馏)除去由该反应带入的氢卤酸后可以循环使用。这种循环使用适合于本发明的方法，是本方法的附带优点。
实施例1用三氯甲苯进行Cl-F交换1a)氯原子的交换反应方程式采用的操作方式将1.95克(0.01摩尔)三氯-甲苯在20℃加到21克(0.13摩尔)[HF]3-三乙胺配合物中。
然后将反应介质搅拌加热到70℃，历时10小时。
这时将反应粗产物倒入CH2Cl2(200毫升)与冰(200克)的混合物中。
该有机相每次用50毫升水洗涤4次，用硫酸镁干燥。蒸去溶剂(CH2Cl2)，采用气相色谱法分析残余物，生成的产物用RMN19F鉴定。
这时得到2个产物的混合物Φ-CCl2F86％Φ-CClF28％三氯甲苯的转化率是100％。
因此，在这些反应条件下进行氯原子的单交换。
1b)2个氯原子的交换采用的操作方式将1.95克(0.01摩尔)三氯-甲苯加到冷却到0℃的11.2克(0.04摩尔)[HF]10-吡啶配合物1(由77.3克吡啶和200克无水氢氟酸制备)中。
然后将反应介质再加热到室温并搅拌2小时。
这时将反应粗产物倒入CH2Cl2(200毫升)与冰(200克)的混合物中。
该有机相每次用100毫升水洗涤4次，用硫酸镁干燥。蒸去溶剂(CH2Cl2)得到一种油，采用气相色谱法分析，所得到产物的结构用RMN19F鉴定。
这时得到2个产物的混合物Φ-CClF292％Φ-CF38％三氯甲苯的转化率是100％。
因此，在这些反应条件下进行氯原子的双-交换。
1c)3个氯原子的交换反应方程式采用的操作方式将1.95克(0.01摩尔)三氯-甲苯加到冷却到0℃的11.2克(0.04摩尔)[HF]10-吡啶配合物1(由77.3克吡啶和200克无水氢氟酸制备)中。
然后将反应介质再加热到50℃并搅拌24小时。
这时将反应粗产物倒入CH2Cl2(200毫升)与冰(200克)的混合物中。
该有机相每次用100毫升水洗涤4次，用硫酸镁干燥。蒸去溶剂(CH2Cl2)得到一种油，采用气相色谱法分析，所得到产物的结构用RMN19F鉴定。
这时得到2个产物的混合物Φ-CClF215％Φ-CF384％三氯甲苯的转化率是100％。
因此，在这些反应条件下进行氯原子的三-交换。
由三氯甲苯得到的结果汇集于下表中。
实施例2用二氯甲苯进行Cl-F交换2a)氯原子的交换反应方程式采用的操作方式将0.35克(2.17毫摩尔)二氯-甲苯在20℃加到4.6克(0.03摩尔)[HF]3-三乙胺配合物中。
然后将反应介质加热到70℃并在70℃下搅拌14小时。
这时将反应粗产物倒入CH2Cl2(50毫升)与冰(50克)的混合物中。
该有机相每次用20毫升水洗涤4次，用硫酸镁干燥。蒸去溶剂(CH2Cl2)，采用气相色谱法分析残余物，生成的产物结构用RMN19F鉴定。
这时主要得到Φ-CHClF产物，其选择性约40％。
二氯甲苯的转化率是50％。
2b)2个氯原子的交换反应方程式采用的操作方式将1.6克(0.01摩尔)二氯-甲苯加到冷却到0℃的11.2克(0.04摩尔)[HF]10-吡啶1配合物(由77.3克吡啶和200克无水氢氟酸制备)中。
然后反应介质在25℃搅拌14小时。
这时将反应粗产物倒入CH2Cl2(200毫升)与冰(150克)的混合物中。
该有机相每次用50毫升水洗涤4次，用硫酸镁干燥。蒸去溶剂(CH2Cl2)，其残余物采用气相色谱法分析，生成的产物结构用RMN19F鉴定。
这时主要得到化合物Φ-CHF2，其选择性约为70％。
二氯甲苯的转化率是100％。
权利要求
1.用于合成含氟衍生物的方法，其特征在于该方法包括下述步骤，其中基体包含至少一个有至少两个卤素并且至少其中一个是原子序数大于氟的卤素的sp3杂化的易卤代碳，所述的易卤代碳与至少一个有不饱和性的低杂化原子连接，该基体受到一种反应物的作用，该反应物包含至少一种选自由Bronstedt碱与一定数目n的氢氟酸结合所构成的化合物，n至少等于3，而至多等于20，有利地等于15，优选地等于10，其条件是所述的易卤代碳不带硫族元素。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于易卤代碳上视具体情况存在的残余的键有利地是与选自通过诱导作用吸电子和芳基的基团形成的键。
3.根据权利要求1和2中任一项的方法，其特征在于所述的有不饱和性的低杂化原子是sp2杂化碳原子。
4.根据权利要求1-3中任一项的方法，其特征在于所述选自吸电子基团的基团是卤素。
5.根据权利要求1-4中任一项的方法，其特征在于所述的易卤代碳带有至少两个原子序数高于氟原子序数的卤素。
6.根据权利要求1-5中任一项的方法，其特征在于所述的易卤代碳带有三个选自氯和氟的卤素。
7.根据权利要求1-6中任一项的方法，其特征在于所述带有不饱和性的低杂化原子属于芳环。
8.根据权利要求1-7中任一项的方法，其特征在于所述带有不饱和性的低杂化原子属于富含电子或贫电子的芳环。
9.根据权利要求1-8中任一项的方法，其特征在于所述带有不饱和性的低杂化原子属于含杂原子的芳环。
10.根据权利要求1-9中任一项的方法，其特征在于所述带有不饱和性的低杂化原子属于五员或六员芳环。
11.根据权利要求1-10中任一项的方法，其特征在于所述带有不饱和性的低杂化原子属于包括五个其他本身视具体情况而定被取代的碳链的芳环。
全文摘要
用于合成含氟衍生物的方法。该方法包括下列步骤,其中基体包含至少一种有至少两个卤素并且至少其中一个是原子序数大于氟的卤素的sp
文档编号C07C17/20GK1218447SQ9719452
公开日1999年6月2日 申请日期1997年5月6日 优先权日1996年5月10日
发明者L·圣－扎尔米斯 申请人:罗狄亚化学公司