微通道条件下4,4′-(六...烯基)二邻二甲苯的合成研究_袁艳琴.pdf

广 东 化 工 2023 年 第 4 期 26 第 50 卷 总第 486 期 微通道条件下微通道条件下 4,4-(六氟亚异丙烯基六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的合成研究二邻二甲苯的合成研究 袁艳琴(丽水学院 化学化工系，浙江 丽水 323000)摘 要以具有高传热系数和强耐腐蚀性的碳化硅微通道为反应器，对反应的停留时间、反应温度、物料配比及催化剂用量进行了优化。实验发现，实验温度为 150，实验压力为 3 atm，停留时间为 20 min，4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的最优产率为 65%，放大生产的产率为 62.7%，较好地实现了邻二甲苯的氟烷基化反应。相较于传统的间歇式合成法，微通道连续法合成 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯具有物料在线量小、反应时间短、工艺简单及反应压力小安全稳定等优点，具有较好工业化生产前景。关键词4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯；连续化合成；微通道反应器；邻二甲苯 中图分类号TQ 文献标识码A 文章编号1007-1865(2023)04-0026-03 Continuous Synthesis of 4,4-(hexafluoroisopropylidene)-bis-(o-xylene)in Microchannel Reactor Yuan Yanqin(Lishui University Department of Chemistry and Chemical Engineering,Lishui 323000,China)Abstract:Using O-xylene and amidinate salt of hexafluoroacetone hydrate as substrates and B(C6F5)3 as catalyst,a continuous synthetical method for 4,4-(hexafluoroisopropylidene)-bis-(o-xylene)in a microchannel reactor was reported.The residence time,reaction temperature,reaction pressure and catalyst dosage were optimized.The results showed that when the reaction temperature was 150,the pressure was 3 atm and the catalyst dosage was 10 mol%equivalent,the yield of process is 65%.Compared with the batch method,this continuous method for synthesizing 4,4-(hexafluoroisopropylidene)-bis-(o-xylene)has the advantages of small online amount of materials,short reaction residence time,stable and safe process,etc.,and has a high industrial application prospect.Keywords:Continuous synthesis；Microchannel reactor；4,4-(hexafluoroisopropylidene)-bis-(o-xylene)；O-xylene 由 4,4-(六氟异丙烯)二酞酸酐(六氟二酐，6-FDA)单体聚合而成的含氟类聚酰亚胺材料具有介电常数低(=2.5)，透明性高、折射率可控及摩擦力小的特点1。目前，基于 6-FDA 的含氟类聚酰亚胺材料已在柔性电路板与柔性触摸屏等高端科技领域获得重要应用，因此，4,4-(六氟异丙烯)二酞酸酐的相关合成研究是一项具有挑战意义和广阔应用前景的工作。合成 4,4-(六氟异丙烯)二酞酸酐的关键前体是 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯。目前，已报道的合成 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的方法主要有三类，如图 1 所示，第一类是以六氟丙酮为氟源2，2013 年，朱仕正课题组报道了一种以无水氢氟酸为催化剂，以高压釜为反应器，釜内压力为 20atm，110 下反应 20 小时，以 67%的中等收率合成了 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯，但该氟烷基化制备工艺存在反应温度高，釜内压力大及氢氟酸腐蚀性强等缺点。该文章中作者还以六氟环氧丙烷(HFPO)为原料，三氯化铝做催化剂，在高压釜内 20 atm 下 110 反应 16 小时来合成 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯，但收率仅为 25%(图 1a)。第二类是以六氟环氧丙烷为氟源，曹伟等人3在专利 CN 104370669 A 中公布了一种先用无水氟化氢在反应器中与邻二甲苯混合，再加入SbClF4、TiClF3等路易斯催化剂，促进六氟环氧丙烷异构化为六氟丙酮后发生烷基化反应，得到二芳基六氟丙烷化合物产物(图 1b)，但该方法同样使用了高毒性高腐蚀性的无水氟化氢及昂贵的路易斯催化剂，使该方法无法进行工业化生产。第三类是以二氯六氟丙烷为氟源。尚振华4等人报道了一种以离子液体为反应溶剂，在路易斯酸催化下，由邻二甲苯与 2,2-二氯六氟丙烷经加热发生烷基化反应得到 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的方法。反应温度约 85，反应收率约 64%。但该方法路易斯酸昂贵，且原料 2,2-二氯六氟丙烷为非商品化药品，不易制备(图 1c)。图图 1 4,4-(六氟亚异丙烯基六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的合成方法二邻二甲苯的合成方法 Fig.1 Traditional synthesis method of 4,4-(hexafluoroisopropylidene)-bis-(o-xylene)可以看出，上述三类方法是间歇式釜式反应，存在反应时间长，副反应难控制，收率偏低等问题，另外，反应过程中温度高热量释放难以控制，使反应物及溶剂大量蒸发产生暴沸和高压蒸汽，存在较大的安全隐患，反应中也会产生副反应，降低产物的选择性与反应收率。因此，4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的合成需要传质、传热优良的反应设备来优化工艺条件。微通道反应器是一种为一种连续流反应器，其内在管径为微米或毫米级，具有高换热面积，高换热效率、可精准控制反应时间和底物比例，传质与传热迅速、实验操作安全、对环境友好、能连续化生产等优点，将微通道反应器应用于有机合成的研究越来越收到关注5。从现有关于 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的合成文献中可以看出，邻二甲苯与氟化试剂在催化剂下合成 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的同时会生产等物质的量的水，随着反应不断进行，为防止酸度下降和路易斯酸的分解，反应中需添加大量的缚水剂。采用微通道反应器时，由于微管效应，无需加入大量的缚水剂，不仅可以省去大量添加缚水剂，减少环境污染，同时还可以提升反应速率，减少催化剂用量。相信在不久的将来，微通道流动化学技术必然会替代传统的间歇釜式制备方式，将成为化工生产领域的一个收稿日期 2022-12-25 基金项目 浙江遂昌县丽水学院县校合作科技计划项目 作者简介 袁艳琴(1977-)，女，江西樟树人，高级实验师，本科，主要从事有机合成方法学。2023 年 第 4 期 广 东 化 工 第 50 卷 总第 486 期 27 发展新方向。因此，为了安全、高效合成 6-FDA 关键中间体，本团队开发了一种以六氟丙酮单水合 DBU 盐为原料，以三(五氟苯基)硼烷强路易斯酸为催化剂，三氟乙酸酐为脱水剂，在连续流微反应器中发生氟烷基化反应得到 6-FDA 关键前体4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的合成工艺，并对其进行了合成优化研究(图 2)。相比于传统间歇式高压釜式反应，用微反应器技术能对工艺进行精准化操控，使工艺更简单，副反应减少，提高了反应收率，且在实际生产中可通过增加微反应器中的微管道数量的方式，从而能大大缩短生产的时间。图图 2 六氟丙酮单水合六氟丙酮单水合 DBU 盐合成盐合成 4,4-(六氟亚异丙烯基六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯二邻二甲苯 Fig.2 Snythesis of 4,4-(hexafluoroisopropylidene)-bis-(o-xylene)using amidinate salt of hexafluoroacetone hydrate as substrate 1 实验部分实验部分 1.1 仪器与试剂 仪器：GC-2010岛津气相色谱仪(日本岛津公司)、HPLC-20AT高效液相色谱仪(日本岛津公司)、康宁微通道Low-flow反应器(每块模板设计流量10 mL，设计压力10 atm，设计温度-20200，康宁反应器技术有限公司)、精睿四氟泵JJRZ-02004E(流量范围 0.0120 mL，设计压力 20 atm，杭州精进科技有限公司)、PL602-L 型电子天平(梅特勒-托利多仪器有限公司)、DLSB-5/20B 低温冷却液循环泵(郑州长城科工贸有限公司)。六氟丙酮单水合 DBU 盐(自制，纯度 98.5%)；三氟乙酸酐(分析纯)，三(五氟苯基)硼烷(购于上海贤鼎生物科技有限公司，分析纯)；二甲苯，二氯甲烷，DBU(购于探索平台，分析纯)。1.2 实验步骤 合成 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的微通道反应器装置如图 3 所示。该微通道反应器主要分为原料配制段、预热段、反应区及收集段，共由 10 块碳化硅片组成，其中两种物料先由预热段碳化硅片进行提前预热，后进入反应区进行混合加热反应，反应区共 8 块芯片，可依据实际需要自由调节数量。1-原料罐，2-催化剂罐，3-计量泵，4-计量泵，5-预热区，6-预热区，7-反应区，8-产品罐 图图 3 连续流反应装置流程示意图连续流反应装置流程示意图 Fig.3 Flow chart of target compound synthesis process 反应进行前，调节制冷系统温度，将微反应器温度升至实验所需，接收瓶降温至-50，待稳定后，将配置好的两组混合溶液由 2 台四氟柱塞泵按既定的速度分别泵入各自预热器，物料经预热器预热后进入反应器，充分反应后进入接收瓶进行冷却，蒸馏除去反应混合物中未反应的邻二甲苯，将蒸馏残留物慢慢倒入 1 升碎冰中，粗产物固体析出；过滤出固体产物，水洗到中性，干燥，然后用二氯甲烷重结晶，得到白色结晶状固体，熔点为 85，经核磁共振分析确定产物为 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯。依照上述操作，考察了反应停留时间、反应温度、原料配比、催化剂用量对反应的影响，优化连续法合成 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的工艺条件。1.3 分析方法 采用高效气相色谱法进行定量分析，根据气相色谱测定的各组分峰面积计算出六氟环氧丙酮的转化率及4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的含量。测试条件：进样口温度250，检测器温度150，初始柱温130，先恒温2 min，再以10/min的速率升温至 200 保持 10 min，进样量 0.4 L。采用核磁共振波谱仪对产物进行分子结构测定，磁场频率 300 MHz，测试温度 25，溶剂为氘代乙腈，扫描次数为 32 次，弛豫时间2 s。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 传统釜式反应条件下的微通道可行性实验 采用已报道的釜式反应常用条件应用于微通道反应器中，将单水合六氟丙酮 DBU 盐(3.4 g，0.01 mol)及催化剂 B(C6F5)3(0.512 g，0.001 mol)溶解在邻二甲苯中配成溶液(100 mL)，将三氟乙酸酐(2.521 g，0.012 mol)溶于邻二甲苯中配成溶液(100 mL)。通过加热油的循环将预热模块的温度控制在 90(此时油浴的温度为 9095)，初设停留时间 10 min，待反应模块温度稳定在 120 后，将背压阀调至 3 atm，启动进样泵，两个泵同时以 4.0 mL/min 的流量泵入原料。待反应稳定后，高效气相检测产物，与原料气相谱图比较，产物混合物气相色谱图中在出峰时间为 7.8 min 处出现一新峰，产物混合物经后处理分离纯化后得到 12.6 g 白色固体。谱图数据：FT-IR(vmax，cm-1)：3015(w，Ar-H)，2959(m，C-H)，1467(s，Ar-H)，1171(vs，C-F)，1125(vs，C-F)，965(s)；1H NMR:3.3(s，12H，4CH3)，8.0(s，6H，6Ar-H)；19 F NMR:-64.0(s，6F，2CF3)；MS m/z(ion，%)：360(M+，100)，345(M+-CH3，12)，341(M+-F，25)，291(M+-CF3，67)，276(M+-CF3-CH3，56)。从核磁共振、红外谱图及质谱谱图的数据可以确定产物为 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯，且纯产物的色谱出峰时间与混合物的出峰时间吻合，证明出峰时间为 7.8 min 处的峰为产物峰。由上述结果可知用微通道反应器制备 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯效果较好，反应的收率可到 35%，且副反应较少，可以证明微通道制备 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯方法可行。考虑到传统釜式反应影响反应产率的主要因素有反应温度、反应时间及反应压力等，这些因素类比到微通道反应器中即为微管温度、停留时间及微通道反应器内的压力，将这三个因素与催化剂用量放在一起进行变量优化控制，探究微通道反应器中如反应温度，反应停留温度，反应压力、催化剂用量及原料的配比等因素对反应的影响。2.2 与压力对反应的影响 从已报道的专利及相关文献中可以看出，采用釜式间歇法合成的温度都较高，且时间较长，但连续化因反应停留时间短，选择低温氟化试剂势必无法完全转化，上述可行性实验表明120 下氟烷化反应转化率并未达到文献的收率。优化实验首先以 2.1 中的可行性实验条件为基础，进行温度优化，通过改变油浴温度，在 100，120，140，150，160 等不同温度下考察温度对反应的影响，实验结果见表 1。表表 1 反应温度的优化反应温度的优化 Table.1 Effects of reaction temperature yield 序号 反应温度/压力/atm 催化剂 产率/%1 100 3 B(C6F5)3 11 2 120 3 B(C6F5)3 35 3 140 3 B(C6F5)3 38 4 150 3 B(C6F5)3 49 5 160 3 B(C6F5)3 48 6 170 3 B(C6F5)3 45 6 150 2 B(C6F5)3 36 7 150 4 B(C6F5)3 49 8 150 5 B(C6F5)3 49 由表1的实验结果可以看出：随着反应温度的升高，原料转化率持续提高；当温度150，反应产率有明显的提高，反应产率最高可达49%；但当温度进一步提升时到160 和170 时，副产物增多，反应产率有所降低，因而反应的较佳温度为150。广 东 化 工 2023 年 第 4 期 28 第 50 卷 总第 486 期 反应对压力也有一定的敏感度，当实验在2 atm压力下反应时，收率仅有36%，而在4 atm及更大压力作用下，反应收率与3 atm压力作用下效果相当。因此，反应较佳的反应压力为 3 atm。2.3 停留时间对反应的影响 微通道反应停留时间与釜式反应时间相同，都是评价反应的一个重要参数。在反应温度为 150，反应压力为 3 atm，以 10%摩尔当量的三(五氟苯基)硼烷 B(C6F5)3为催化剂的条件下，采用 2.1 中各反应试剂比例，分别考察了停留时间为 5，10，15，20，25，30 min 对反应的影响，结果如表 3 所示。从图 4 的实验数据可以看出，微通道反应与传统釜式相比，反应周期大大缩短。反应时间在 520 min 之间，反应收率随反应时间增加而增大，这是因为随着反应时间的延长，中间产物和邻二甲苯继续反应生成目标产物；反应在 20 min 以后，随着反应时间的进一步增加，可以发现反应收率略有下降，可能原因是随时间的增加生成的产物会进一步转化为其他副产物。根据图4数据也可以看出停留时间的增加有利于产物的收率的提高，但停留时间长会增加设备的复杂性，导致设备成本的提高，影响生产的效益。因此，确定最佳停留时间为20 min。图图 4 停留时间对反应的影响停留时间对反应的影响 Fig.4 Effects of residence time on yield of process 2.4 催化剂摩尔用量对反应的影响 表表 2 反应催化剂对反应的影响反应催化剂对反应的影响 Tab.2 Effects of reaction catalyst 序号 反应温度/压力/atm 催化剂/mol%产率/%1 150 3 2.5 mol%B(C6F5)3 34 2 150 3 5 mol%B(C6F5)3 61 3 150 3 10 mol%B(C6F5)3 65 4 150 3 15 mol%B(C6F5)3 65 5 150 3 10 mol%SbF5 42 6 150 3 10 mol%BF3Et2O 35 7 150 3 10 mol%CF3SO3H 45 在单水合六氟丙酮 DBU 盐与邻二甲苯发生氟烷基反应阶段，为使原料转化完全，通常要使用较强的路易斯酸催化剂来活化羰基底物。最后对催化剂种类与用量进行了优化，以更好的节约反应成本。根据实验 2.1、2.2、2.3 中探索出的最佳条件，即反应条件固定为反应压力为 3 atm，停留时间 20 min，反应温度 150，改变催化剂种类与用量来考察催化剂对该氟烷基化反应的影响，实验结果见表 2。从表 2 数据可以看出，催化剂的增加有利于产物的收率的提高，B(C6F5)3用量由 2.5 mol%增加到 10 mol%，反应产率由 35%提升到 65%，而催化剂用量增加至 15 mol%时，反应产率也仅仅为 65%，产率增加不明显。最后，对反应中的催化剂也做了一些的拓展，可以看出 SbF5，BF3，CF3SO3H 等催化剂只展现出了中等产率的催化效果，所有的催化剂中，B(C6F5)3的催化性能表现最好。2.5 优化条件验证 采用上述实验得到的优化工艺参数对连续法合成4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯工艺稳定性进行放大验证。将反应底物放大到0.1摩尔级，将单水合六氟丙酮DBU盐(34 g，0.1 mol)及催化剂 B(C6F5)3(5.12 g，0.01 mol)溶解在邻二甲苯中配成溶液 A(500 mL)，将三氟乙酸酐(2521 g，0.12 mol)溶于邻二甲苯中配成溶液B(500 mL)。通过循环油浴加热将预热模块的温度控制在120(此时油浴的温度为120125)，停留时间设定为20 min，待反应模块温度稳定在150 后，将背压阀调至3 atm压力，启动进样泵，两个泵同时以 4.0 mL/min 的流量泵入原料，进行优化条件放大量复证，让微通道反应器持续稳定运行2 h，共收集反应液 1000 mL，柱层析分离纯化得到 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯 22.6 g，气谱分析 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯含量为 98.1%，反应收率 62.7%，放大后的产率与优化时的产率相差不大，因而可以证明优化得到的实验条件具有较好普适性，可以用于剂量放大的制备实验。3 结论结论 利用微通道反应器为反应新型载体，探索开发了一种连续法合成 4,4-(六氟亚异丙烯基)二邻二甲苯的新工艺。在优化的实验条件下，反应收率可以稳定在 60%以上。与传统釜式间歇法工艺相比，微通道连续法工艺具有在线存储量小、反应停留时间短、反应收率高、实验安全性高等优点。通过放大实验可以看出，基于连续化合成工艺可实现实验室到工业化生产无缝衔接，实验优化的参数可直接用于工业连续化生产。参考文献参考文献 1庞勃，吴志强，周会会，等无色透明聚酰亚胺薄膜近五年的研究进展J高分子通报，2019(10)：163-171 2Zhu S Z，Zhao J W，Zhang Y X A new synthetic route of 4,4-hexafluoroisopropylidene-2,2-bis-(phthalic acid anhydride)and characterizationof 4,4-hexafluoroisopropylidene-2,2-bis-(phthalic acid anhydride)-containing polyimidesJ J Fluorine Chem，2003(123)：221-225 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