2，2-双（三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烷制备方法研究进展

徐卫国，张建君

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

2，2-双（三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烷（简称Dioxolane 456）是一种无色液体，具有轻度毒性，致死浓度4300 ppm，不腐蚀皮肤，不刺激眼睛[1]。 Dioxolane 456具有五元杂环结构（图 1），属于环状缩醛化合物，分子式：C5H4F6O2，分子量：210，英文名：2，2-bis（trifluoromethyl）-1，3-dioxole，CAS 号：1765-26-0，沸点：106 ℃（760 mmHg），密度：（25 ℃）1.53 g/cm3，折光指数（n20D）：1.312，结构式如下：

图1 Dioxolane 456的结构

Dioxolane 456可以作为锂离子电池用非水电解质溶液的溶剂以提高电池的安全性[2]，改善电池充放电循环特性[3]，也可作为锂硫电池[4]、锂氧电池[5]的添加剂。

1 Dioxolane 456的应用

1.1 制备NMR透视显像剂PBDD

1991年，DuPont公司[6]报道了一种可用作NMR透视显像剂的新化合物PBDD。它是以Dioxolane 456为原料，经光二聚反应制备中间物4，4’-双 [2，2-双 （三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烷]，然后用氟气氟化而成（scheme_1）。

在反应器中加入2，2-双 （三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烷（Dioxolane 456） 42.0 g（0.2 mol）和5滴汞，搅拌和氮气流下，将其回流到一装有螺旋形低压汞灯、外径28 mm的石英管中反应32.5 h。随着反应的进行，物料的沸点从106℃上升至155℃，经GC检测还有8.5 g（20%）的原料Dioxolane 456未反应。反应混合物经精馏得到24.8 g（收率74%）内消旋型和外消旋型的产物4，4’-双 [2，2-双 （三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烷]，沸点 54 ℃～100 ℃（20 mmHg）。

将混有 200 mL KrytoxTM油的 4，4’-双 [2，2-双 （三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烷]17 g（0.042 mol）泵入一内衬氟化乙烯、丙烯共聚物，内部装有外径1/4英寸（1 in=25.4 mm）的冷却盘管，外部装有450 W的中压汞灯的氟化反应器中，控制反应温度约8℃，通氟气前先用200 mL/min氮气吹扫1 h除去系统中的空气，所用的氟气浓度及时间如下：10/50 的 F2/N2（30 min），25/50 的F2/N2（50 min） ，35/50 的 F2/N2（60 min） ，45/50 的F2/N2（90 min） ，100/150 的 F2/N2（60 min）。 氟化产物进行减压精馏（135℃/70 mmHg），收集130℃的馏份 4.33 g为目标产物全氟-4，4’-双 [2，2-双（三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烷]（BPDD）， 收率19.6%。

1.2 制备无定型含氟聚合物的关键单体PDD

4，5-二氟-2，2-二 （三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烯（PDD）是无定形氟树脂TeflonRAF的重要单体。 1991年，DuPont公司[7]公开一种 2，2-双（三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烷（BTD）经氯化、氟化、消去反应制备PDD的方法（scheme_2）。

氯化： 催化剂有 CoCl2/C，FeCL3/C，ZnCl3/C，NiCl3/C，LaCl3/C，CrCl3/C，SnCl3/C，CuCl2/C 等。反应器加热至400℃，氮气以50 mL/min的速率吹扫除去水蒸气，25.7 mL/min的速率通入氯气，选择不同的反应温度（150℃～300℃），关闭氮气，以一定的比列通入2，2-双（三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烷（Dioxolane 456），可得各类氯代的产物。

氟化：催化剂有 Cr2O3，CoCl2/C，FeCl3/C，ZnCl3/C，NiCl3/C，LaCl3/C，CrCl3/C，SnCl3/C，CuCl2/C 等。反应器加热至400℃，氮气以50 mL/min的速率吹扫除去水蒸气，降低反应器温度至200℃，HF和氮气以1∶4的比例通入，逐渐降低氮气的通入量，直至HF充满反应器，升高反应器温度至350℃，保持15～30 min，再降低反应器温度至设定的各种反应温度（150℃～300℃），一定比例通入 2，2-双 （三氟甲基）-4，4，5，5-四氯-1，3-二氧杂环戊烷。可得各类氟取代物。

消去：24.9 g镁粉加入至395 mL的四氢呋喃中，加热至60℃，再加入2.75 mL 1，2-二溴乙烷，反应液冷却至35℃～40℃，加入133 g 2，2-双（三氟甲基）-4，5-二氯-4，5-二氟-1，3-二氧杂环戊烷，搅拌15 min，蒸馏，直至釜温达到70℃，蒸馏物沸点直至45℃时停止。加入100 mL冰水洗涤蒸馏物，下层有机物经气相色谱分析，产物4，5-二氟-2，2-二 （三氟甲基）-1，3-二氧杂环戊烯的纯度99%以上。

2 制备

2.1 以三氟乙酸为原料

2014年，日本株式会社丰田中央研究所[8]报道了一种以三氟乙酸和氯乙醇酯化生成的三氟乙酸氯乙酯为起始原料制备Dioxolane 456的方法（scheme_3）。

在装有搅拌器、温度计和回流冷凝器的反应瓶中，先加入15.15 g三氟乙酸氯乙酯，再加入 CsF（15.42 g，1.2 eq.），然后加入无水 THF（30 mL）。将上述混合物冷却至-78℃后，加入TMSCF3（14 mL，1.1 eq.），继续搅拌 10 min 后将反应温度慢慢升至室温反应3 h。精馏后可得到43%收率的Dioxolane 456。

2.2 以六氟丙酮和环氧乙烷为原料

1967 年，DuPont公司[9]和 Dow 化学公司[10]分别报道了六氟丙酮和环氧乙烷制备Dioxolane 456的方法（scheme_4）。反应必须在催化剂下进行，所用的催化剂有氯化锂、碱土金属氯化物、氟化铯、氟化钠、氟化钕、醋酸钠、醋酸钾、碱土金属碳酸盐、吡啶及季铵盐等。

将经130℃干燥24 h的氯化锂0.5 g放入一衬有Hastelloy C的振荡管中，冷却至-50℃抽真空后，加入110份六氟丙酮和29份环氧乙烷。封管后，于120℃反应12 h，可得到90%收率的Dioxolane 456。

2.3 以六氟丙酮和乙二醇为原料

1973年，美国联合碳化物公司[11]报道了六氟丙酮和乙二醇的反应产物半缩酮 HOC（CF3）2OCH2CH2OH与光气反应生成氯甲酸酯HOC（CF3）2OCH2CH2O2CCl，最后经环合制备 Dioxolane 456 的方法（scheme_5）。

在搅拌下，控制反应温度0℃，于1 h内将20 g（0.12 mol）六氟丙酮加入到用40 mL乙二醇二甲醚稀释的乙二醇（7.45 g，0.12 mol）中，加毕于室温下继续反应1 h。反应物于0℃下滴加11.9 g光气（0.12 mol），然后于25℃下用氮气吹扫生成的氯化氢。得到的氯甲酸酯加入100 mL乙醚，滴加24.3 g三乙胺（0.24 mol），可以观察到三乙胺盐酸盐沉淀的生成和二氧化碳气体的产生。最后，经过滤、脱去溶剂，得到12.5 g无色的Dioxolane 456，收率 60%。

2.4 以六氟丙酮和氯乙醇为原料

1994年，日本旭硝子公司公开了一种六氟丙酮与氯乙醇的反应产物经气相高温分解[12]和碱脱氯化氢[13]二种方法制备Dioxolane 456的方法（scheme_6）。

气相高温分解反应是在装有填料的固定床反应器或流化床反应器中进行。填料可以是硅胶、氧化铝、分子筛、碳酸钾、碳酸钠、五氧化二磷等。合适的分解温度为150℃～400℃，较好的分解温度为250℃～350℃。

装有搅拌器、温度计、气体导入口和用干冰-酒精为冷却介质的回流冷凝器的2 L四口反应瓶中，投入氯乙醇 870 g（10.8 mol），用冰浴控制反应温度2℃～5℃，以3 g/min的速度通往六氟丙酮气体，通入六氟丙酮 1792 g（10.8 mol）后，于室温下继续反应30 min，得到纯度99%以上的液体产物 2650 g，收率 99.5%。

内装有石英砂和滴加漏斗、氮气吹扫管和气体出口的500 mL烧瓶作为物料的气化器，气化器用覆套式电阻加热器加热，温度为220℃。分解反应器为一装有活性氧化铝的填料塔，反应温度320℃。液体产物的滴加速度为1 g/min，氮为200 mL/min，共投入液体产物890 g。反应后的气体经干冰-酒精冷阱冷却，收集到纯度88.7%的Dioxolane 456，经常压精馏，收集106℃馏份的Dioxolane 456，纯度99.9%。以六氟丙酮计，收率75.3%。

六氟丙酮与氯乙醇的反应产物半缩酮脱氯化氢的碱可以是氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钾等的水溶液，NaOH水溶液浓度为5%～30%，最好为20%～30%，反应温度为0℃～80℃，最好为5℃～30℃。

装有搅拌器、温度计和滴加漏斗的2 L四口反应瓶中，投入30%NaOH水溶液700 mL，冰浴冷却，剧烈搅拌下滴加1195 g六氟丙酮与氯乙醇的反应产物半缩酮，滴加速度为100 g/h。加毕于室温下继续搅拌反应30 min，静置后分层，下层的有机物就是目标产物Dioxolane 456，纯度96%以上。经常压精馏，收集106℃馏份的Dioxolane 456，纯度99.9%。以六氟丙酮计，收率88.7%。

3 结语

制备无定型含氟聚合物的关键单体PDD的原料Dioxolane 456有三氟乙酸和氯乙醇原料路线、六氟丙酮和环氧乙烷原料路线、六氟丙酮和乙二醇原料路线和六氟丙酮和氯乙醇路线4种制备方法。第1条路线使用了有毒且不易操作的氟化铯，收率较低，羰基的半缩酮化需要较低的温度。第2条路线因所用到的环氧乙烷非常宽的爆炸范围，是一个高度危险反应。第3条路线要用到高毒性的光气，具有中毒的风险。第4条路线具体反应条件温和，产品收率较高等诸多优点，具有非常好的工业开发价值。