CuI催化五氟苯甲酸盐与五氟卤苯脱羧偶联制备十氟联苯的研究

赵 斌 郝歆愚 王秀娜 张 蓉 靳 焜 李亚明

(大连理工大学化工学院，精细化工国家重点实验室，辽宁 大连 116024)

0 前言

联苯类化合物是重要的精细化工中间体，广泛应用于生产药物、香料、染料和功能聚合物等[1]。由于传统的Ullmann[2]铜催化合成联苯类化合物的方法需要催化计量铜和高温高压，因而温和条件下联苯类化合物的合成方法引起了化学家的兴趣。多氟联芳基化合物在医药和功能材料领域中发挥着重要作用，近年来受到了学术界和工业界研究人员的广泛关注[3-7]。

含氟联苯类化合物如十氟联苯(又称全氟联苯)，广泛应用于制备燃料电池质子交换膜[8-10]、气体分离膜[11]、光波导材料[12-13]和有机发光二极管等[14-15]。此外，十氟联苯也可用于无色透明聚酰亚胺的制备[16-17]，无色透明聚酰亚胺在柔性显示器件、光学透镜和增透膜等领域作为塑料基板等有着重要的应用。

有关十氟联苯的合成方法主要有以下进展。2006年，Fagnou等[18]以Pd(OAc)2为催化剂、以五氟苯和五氟溴苯为原料，在80 ℃条件下以较高的收率得到了十氟联苯。2009年，Liu等[19]报道了铜催化的五氟苯甲酸钾与五氟碘苯脱羧偶联得到十氟联苯的方法。2012年，Zhang等[20]以Pd(OAc)2-Ag2CO3为催化剂、异丙基二硫醚为添加剂，通过五氟苯之间的自偶联得到了十氟联苯。2020年，Marder等[21]报道了氟化芳基硼酸酯自偶联得到多氟联苯的方法，以2，3，4，5，6-五氟苯硼酸频哪醇酯为原料、以Pd(OAc)2-Ag2O为催化剂在75 ℃条件下反应以高收率得到了十氟联苯。

1 试验部分

1.1 试验原料与仪器

1.1.1试验原料

五氟苯甲酸，纯度98%，萨恩化学技术(上海)有限公司；叔丁醇钾，纯度98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；五氟溴苯，纯度99%，萨恩化学技术(上海)有限公司；五氟碘苯，纯度98%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；1，10-菲啰啉，纯度99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；碘化亚铜，98%，萨恩化学技术(上海)有限公司；二乙二醇二甲醚，纯度99.5%，萨恩化学技术(上海)有限公司；二甲基亚砜(DMSO)，分析纯，西陇科学股份有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析纯，西陇科学股份有限公司；无水硫酸钠，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；氯化钠，分析纯，天津市东丽区天大化学试剂厂；其他所用试剂均为商业可得的国产工业级产品。

1.1.2试验仪器

核磁共振波谱仪，Bruker Avance NEO600M，TMS为内标，瑞士布鲁克公司；气相色谱-质谱联用仪，HP6890GC/5973MSD，美国安捷伦公司。

1.2 试验方法

选择廉价易得的铜催化五氟苯甲酸脱羧偶联路线制备十氟联苯，合成路线见图1，所得十氟联苯的结构采用核磁共振碳谱(13C-NMR)和气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)确认。

图1 十氟联苯的合成路线

1.3 试验过程

1.3.1五氟苯甲酸钾的合成

将五氟苯甲酸2.121 g(10 mmol)、乙醇10 mL置于50 mL圆底烧瓶中，在室温搅拌下，于30 min内滴加叔丁醇钾(1.122 g，10 mmol)的乙醇溶液10 mL。滴加完毕后，继续于室温下搅拌反应3 h。反应完毕后，旋转蒸发除去大部分乙醇。加入20 mL乙醚，过滤收集固体，并依次用乙醇(5 mL×2)和乙醚(10 mL×2)洗涤，在真空干燥箱中于30 ℃干燥2 h，得到2.253 g白色固体，产物收率为89.9%。

1.3.2十氟联苯的合成

在N2保护下，将五氟苯甲酸钾375 mg(1.5 mmol)、五氟溴苯247 mg(1.0 mmol)、CuI 38 mg(0.2 mmol)、1，10-菲啰啉36 mg(0.2 mmol)、二乙二醇二甲醚2 mL加入至25 mL Schlenk管中，于130 ℃搅拌反应36 h。反应完毕后，冷却至室温，用30 mL乙酸乙酯稀释，过滤除去残渣得到有机相。依次用水(30 mL×3)、饱和食盐水洗涤有机相。用无水硫酸钠干燥有机相，过滤后用旋转蒸发仪除去溶剂，所得的粗产品经柱层析纯化(纯石油醚)得到216 mg白色固体，产物收率为64.7%。13C-NMR(151 MHz，CDCl3)δ：145.63，143.99，143.66，141.95，138.98，137.31，101.70；GC-MS(m/z) ∶334.1(M+)。

在N2保护下，将五氟苯甲酸钾300 mg(1.2 mmol)、五氟碘苯294 mg(1.0 mmol)、CuI 38 mg(0.2 mmol)、1,10-菲啰啉36 mg(0.2 mmol)、二乙二醇二甲醚2 mL加入至25 mL Schlenk管中，于130 ℃搅拌反应24 h。反应完毕后，冷却至室温，用30 mL乙酸乙酯稀释，过滤得到有机相，依次用水(30 mL×3)、饱和食盐水洗涤。用无水硫酸钠干燥有机相，过滤后用旋转蒸发仪除去溶剂，所得的粗产品经柱层析纯化(纯石油醚)得到253 mg白色固体，产物收率为75.8%。

2 结果与讨论

以铜催化五氟苯甲酸钾与五氟溴苯脱羧偶联制备十氟联苯为模型反应进行反应条件优化。

2.1 五氟苯甲酸钾用量对反应的影响

选定反应温度130 ℃，反应时间24 h，溶剂为二乙二醇二甲醚，催化剂为CuI，催化剂物质的量分数为20%，配体为1,10-菲啰啉，不同五氟苯甲酸钾用量对反应的影响见表1。

表1 五氟苯甲酸钾用量对反应的影响

由表1可见，当n(五氟苯甲酸钾) ∶n(五氟溴苯)=1 ∶1时，十氟联苯收率为50.0%，增加五氟苯甲酸钾用量，十氟联苯收率提高，当n(五氟苯甲酸钾) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0时，十氟联苯收率最高，达到61.7%。所以确定适宜的原料配比n(五氟苯甲酸钾) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0。

2.2 催化剂用量对反应的影响

选定反应温度130 ℃，反应时间24 h，溶剂为二乙二醇二甲醚，n(五氟苯甲酸钾) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0，催化剂为CuI，配体为1,10-菲啰啉，不同催化剂用量对反应的影响见表2。

表2 催化剂用量对反应的影响

由表2可见，碘化亚铜物质的量分数为20%时，十氟联苯收率更高。所以碘化亚铜物质的量分数为20%比较适宜。

2.3 溶剂对反应的影响

选定反应温度130 ℃，反应时间24 h，n(五氟苯甲酸钾) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0，催化剂为CuI，催化剂物质的量分数为20%，配体为1,10-菲啰啉，不同溶剂对反应的影响见表3。

表3 溶剂对反应的影响

由表3可见，该脱羧偶联反应中溶剂对反应收率有着显著的影响。以DMF和DMSO为溶剂时收率很低，而以二乙二醇二甲醚为溶剂时收率较高，明显高于前两者，达到61.7%。所以确定适宜的反应溶剂为二乙二醇二甲醚。

2.4 反应温度和时间对反应的影响

选定二乙二醇二甲醚为溶剂，n(五氟苯甲酸钾) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0，催化剂为CuI，催化剂物质的量分数为20%，配体为1,10-菲啰啉，不同反应温度和时间对反应的影响见表4。

表4 反应温度和时间对反应的影响

由表4可见，温度过高或过低都会对反应产生不利的影响。当反应时间为24 h、反应温度为130 ℃时，十氟联苯收率更高。随着反应时间的延长，十氟联苯收率也在提高。在反应温度为130 ℃、反应时间为36 h时，十氟联苯的收率最高，达到64.7%。所以选择反应温度为130 ℃，反应时间为36 h。

3 结论

研究了十氟联苯的合成方法。以五氟苯甲酸和五氟溴苯为原料，碘化亚铜作为催化剂，二乙二醇二甲醚为溶剂，铜催化脱羧偶联得到了十氟联苯。产物结构经13C-NMR和GC-MS表征。对反应条件进行了研究，确定了适宜的溶剂、五氟苯甲酸钾用量、催化剂用量、反应温度和反应时间，较优条件为：n(五氟苯甲酸钾) ∶n(五氟溴苯)=1.5 ∶1.0、溶剂为二乙二醇二甲醚、催化剂物质的量分数为20%、反应温度为130 ℃、反应时间为36 h。在此条件下，十氟联苯收率为64.7%。此外，对于五氟苯甲酸钾与五氟碘苯铜催化脱羧偶联得到十氟联苯的合成方法，在n(五氟苯甲酸钾) ∶n(五氟碘苯)=1.2 ∶1.0、溶剂为二乙二醇二甲醚、催化剂为CuI、催化剂物质的量分数为20%、反应温度为130 ℃、反应时间为24 h的条件下，十氟联苯收率达到75.8%。