微波促进卤素交换氟化反应合成2-氟苯腈及机理探讨

背景及概述

2-氟苯腈(OFBN)是重要的精细化工中间体，在医药、染料和农药等方面有着广泛地应用。目前关于2-氟苯腈的合成方法主要有邻氟苯甲酸高温脱水法、邻甲苯胺法和邻氯苯腈氟化法。

制备

邻氟苯甲酸法是通过邻氟苯甲酸在尿素或氨基磺酸高温脱水制得2-氟苯腈[1]，该法具有设备简单、操作简便、反应速度快和产率高等优点，由于反应需在高温下进行，反应物升华严重、管道易堵塞，给实际操作带来诸多不便，未见工业化报道。邻甲苯胺法以邻甲苯胺为原料，通过希曼反应制得邻氟甲苯，再经侧链氯化水解合成邻氟苯甲醛肟，然后脱水合成2-氟苯腈，该方法合成步骤多、重氮化时使用氟硼酸具有一定的危险性、氯化过程中氯代产物分布难以控制、后处理繁杂、劳动保护及“三废”问题严重。邻氯苯腈法是以环丁砜和二甲亚砜等强极性非质子溶剂为反应介质，通过邻氯苯腈(OCBN)与氟化钾卤素交换合成2-氟苯腈，该方法在高温(350℃)及压力0.3～2.5MPa下进行，对设备要求较高，反应剧烈，存在一定危险性。微波是一种清洁、高效的加热源，可以大大降低反应的活化能，缩短反应的诱导期，使那些在常规加热下不能进行的反应在微波下可以顺利进行，显著提高反应速率，缩短反应时间，节能安全。

本文以邻氯苯腈和氟化钾为原料，利用相转移催化剂的“热点”效应，在微波反应器中经卤素交换合成2-氟苯腈。考察了加热方式、溶剂及其用量、催化剂、物料摩尔比、温度和时间等因素对氟化反应的影响。

图1 卤素交换氟化反应机理

实验步骤：

四苯基溴化膦的制备

在配有回流冷凝器、温度计和磁力搅拌的四口烧瓶中依次加入三苯基膦42.0g(0.16mol)、溴苯35mL(0.16mol)、正辛醇30mL和NiCl2粉末10.4g(0.08mol)，130℃下回流2h，采用梯度(20℃/h)升温至195℃反应6h，反应完全后冷却至室温，加入60mL蒸馏水，趁热过滤，合并有机相，浓缩后得白色针状晶体，重结晶得产品。熔点为295～300℃(文献值为295℃［1］)，产品经红外光谱表征为四苯基溴化膦。

2-氟苯腈的制备

在四口烧瓶中依次加入称量好的无水氟化钾、催化剂、邻氯苯腈与DMPU，放置于微波反应器中，在一定微波功率下加热回流反应，用气相色谱跟踪氟化反应的进程，反应完毕，冷却至室温，减压抽滤，用溶剂DMPU洗涤滤饼2～3次，滤液减压蒸馏，收集馏分，利用GC进行分析并计算收率。

卤素交换氟化反应机理

卤素交换氟化反应是典型的SN2亲核取代，邻氯苯腈(OCBN)中的氯原子受到邻位强吸电子基团—CN的影响而被活化，被氟离子取代而生成2-氟苯腈(OFBN)。卤素交换氟化反应机理如图1所示。卤素交换氟化体系中包含了溶解、离子交换、扩散和萃取等4个主要过程。首先是KF固相溶解于微量水并快速达到溶解平衡，接着相转移催化剂Ph4PBr与KF在微水相中发生离子交换，氟离子经过扩散作用被萃取到有机相中，与邻氯苯腈在有机相中进行卤素交换反应，此过程中催化剂阳离子与底物的离去基团阳离子结合为Ph4PCl，Ph4PCl再次进入微水相继续与氟离子进行离子交换，催化剂阳离子不停地往返并通过相界面把氟离子萃取到有机相反应中心使反应不断的进行下去。

结论

(1)微波是一种高效的加热方式，可以加快卤素交换氟化反应的速度，提高原料转化率和氟代产物收率，具有普适性。

(2)以邻氯苯腈与KF为原料、DMPU作为反应介质、四苯基溴化膦为相转移催化剂，通过卤素交换合成2-氟苯腈。合适的工艺条件:n(邻氯苯腈)∶n(KF)=1∶3、n(邻氯苯腈)=50mmol、溶剂V(DMPU)=20mL、微波功率为300W、反应温度为210℃、反应时间为4h，此时，邻氯苯腈转化率达85.8%，2-氟苯腈收率达71.5%。

参考文献

[1]吕早生，胡亚，赵金龙，等．卤素交换氟化合成氟乙酸甲酯［J］．化学与生物工程，2012，29(11):18－20.