1,2-二氟苯的合成工艺研究进展

陈明炎 毛崇智 王 飞 何双材

(浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023)

0 前言

芳香族氟化物是医药、农药和液晶等合成产品的重要中间体，其主要合成方法分为3类，即芳胺的重氮化氟化法、卤素交换氟化法和催化氟化或特殊氟化剂氟化法。其中最常用的合成方法是芳胺的重氮化氟化法，其反应步骤：选择芳香胺作为原料进行重氮化反应生成芳香烃重氮鎓盐，再与氟硼酸反应生成氟硼酸重氮盐，最后通过加热分解得到所需的产品，也可将得到的芳香烃重氮鎓盐在含氟路易斯酸的存在下，用光照的方法使重氮鎓盐分解，得到所需的产品[1-2]。

1,2-二氟苯是其中一种重要的芳香族氟化物，分子式C6H4F2，相对分子质量114.09，CAS号367-11-3。在医药领域，1,2-二氟苯是合成二氟苯水杨酸、氟喹诺酮抗菌剂和替卡格雷的重要中间体；在农药领域，1,2-二氟苯是合成含氟苯基杀虫剂的重要中间体；在液晶领域，二氟苯可合成一系列侧向邻二氟取代的负介电各向异性液晶；在高性能锂金属电池领域，1,2-二氟苯可作为一种良好的稀释剂[3-8]。

1 1,2-二氟苯的合成

1.1 席曼反应合成法

席曼反应，亦称Balz(巴尔茨)-Schiemann(席曼)反应，是芳基重氮氟硼酸盐受热分解得到芳基氟的反应，是制备芳香族氟化物的经典反应，也是合成1,2-二氟苯的主要方法。

根据所选起始原料的不同，席曼反应合成1,2-二氟苯又有多种工艺路线。以邻氯硝基苯为起始原料，其合成路线如图1所示。

图1 席曼反应-邻氯硝基苯合成路线

2000年，谷晓丽等[3]设计了一种以邻氯硝基苯为原料制备1,2-二氟苯的工艺路线，反应过程包括：1)邻氯硝基苯的氟化，将一定量的二甲基亚砜(DMSO)、无水氟化钾、邻氯硝基苯依次加入反应釜中，升温至180～190 ℃，保持回流反应5 h，反应完毕后降温至35 ℃，过滤除去氯化钾及未反应的氟化钾，将滤液减压精馏，在84～92 ℃/2.7 kPa收取的馏分为邻氟硝基苯；2)邻氟硝基苯的还原，在反应釜中加入上述邻氟硝基苯，在镍存在下加氢还原，保持反应2 h，还原后将所得物料过滤，将滤液减压蒸馏，收取80～82 ℃/0.5 kPa的馏分得到邻氟苯胺；3)重氮化氟化，在搅拌釜中加入浓盐酸和水，并滴加上述邻氟苯胺，加完保持反应30 min后用冰盐水冷却至-10～-15 ℃，滴加亚硝酸钠溶液保持反应30 min，然后加入配制好的氟硼酸溶液，生成的结晶经过过滤、洗涤、干燥得到2-氟-1-重氮氟硼酸盐，将干燥的氟硼酸盐加热，在140～160 ℃分解，分解气体经冷凝后收集，将收集到的液体加入质量分数为5%的氢氧化钠水溶液进行水蒸气蒸馏，将分离出的油状物用氯化钙干燥后，常压蒸馏收取91～93 ℃馏分，得到产品1,2-二氟苯。

2006年，张虹[1]对该方法进行了工艺改良，主要是将得到的粉状邻氟苯氟硼酸重氮盐不进行干燥，直接与氯代芳烃溶剂混合，进行减压蒸馏去除水分。氯代芳烃的使用量相对于粉体为0.5～10.0质量份，蒸馏时的反应温度控制在140 ℃以下，最好保持在90 ℃以下，避免副反应的发生。所用氯代芳烃溶剂的沸点最好比邻氟苯氟硼酸重氮盐的热分解温度155 ℃高，如选择二氯苯、三氯苯、四氯苯、二氯甲苯和三氯甲苯类及其他多氯烷基苯类等，考虑价格、毒性和后处理等因素，以1,2-二氯苯、1,2,3-三氯苯和3,4-二氯甲苯为最佳。该方法最终收率达78.2%。

类似的合成方法有：Paul等[9]在重氮化过程中加入三乙胺-氟化氢溶液，最终得到1,2-二氟苯的收率达55.9%；Yoneda等[10]在热解过程中加入吡啶，在20 ℃长时间(18 h以上)光照辐射的条件下得到1,2-二氟苯。

2016年，余志群等[11]发明了一种以邻二苯胺为原料，管式双重氮化反应制备1,2-二氟苯的方法。其合成路线如图2所示。

图2 席曼反应-邻二苯胺合成路线

此反应主要过程：将物料苯二胺、盐酸水溶液和氟硼酸水溶液混合后储存于第一储罐，物料亚硝酸钠的水溶液储存在第二储罐中，并且分别通过输液泵输送到混合器中混合后添加入管式反应器中，于0～100 ℃进行重氮化反应，反应停留时间为1～150 s，反应后所得反应混合物冷却至-5～-10 ℃，过滤得到湿重氮盐和滤液，将湿重氮盐干燥，投入裂解釜进行裂解，收集目标馏分，再经蒸馏得到二氟苯；苯二胺、盐酸水溶液中的HCl、氟硼酸水溶液中的HBF4、亚硝酸钠水溶液中的亚硝酸钠物质的量比为1.0 ∶2.5～25.0 ∶2.0～5.0 ∶2.0～3.0。

虽然席曼反应是生产1,2-二氟苯的主要方法，但是大规模反应仍存在很多问题：1)重氮中间体的热不稳定性；2)大容器中混合和未混合层之间的相互作用所带来的困难；3)热解过程中会产生大量三氟化硼有毒蒸汽；4)重氮氟硼酸盐的不均匀加热或水解，导致不可控的热分解反应和较多的副产物。其主要的副产物如图3所示。

图3 席曼反应-主要副产物

1.2 共裂解反应合成法

共裂解反应(co- pyrolysis)合成法越来越多地被应用于小分子烯烃环合制备环状化合物，1,2-二氟苯的合成路线如图4所示。

图4 共裂解反应合成路线

Volchkov等[12]报道了一种两步合成1,2-二氟苯的方法：1)1,3-丁二烯和三氟氯乙烯在管式反应器中，于440～480 ℃高温共裂解得到中间体4-氯-4,5,5-三氟环己烯，中间体收率仅为37%～45%；2)中间体4-氯-4,5,5-三氟环己烯在氢氧化钾水溶液中脱酸得到1,2-二氟苯，1,2-二氟苯收率可达83%。该反应的优点在于绿色无污染，共裂解反应过程中不需要使用催化剂，且管式反应器可持续生产；缺点在于单程转化率低，反应温度高，因而能耗较大。

1.3 氟气氟化法

氟气氟化法是常用的化合物分子中引入氟元素的合成方法。何建明等[13]的发明公开了一种1,2-二氟苯的合成方法，该方法以2-(三甲基硅)苯基三氟甲磺酸酯为原料，在氟化钾作用下生成苯炔后直接与通入的氟气进行氟化反应制得产物1,2-二氟苯，氟气由氟烃类化合物高温裂解产生。此发明是种新的制备方法，但其原料价格高，中间产物苯炔活性极高且不易保存，反应可行性低。反应路线如图5所示。

图5 氟气氟化法-2-(三甲基硅)苯基三氟甲磺酸酯合成路线

Paul等[14]直接用氟气氟化氟苯得到二氟苯。该方法以三氯氟甲烷作为溶剂、三氟甲磺酸作为催化剂，在-30 ℃下缓慢通入氟气质量分数为10%的氟氮混合气，反应得到产物1,2-二氟苯，其收率为7%。反应路线如图6所示。

图6 氟气氟化法-氟苯合成路线

1.4 其他氟化剂氟化法

Janmanchi等[15]报道了一种由氟化铜和氟化铝制备合成的氟化剂Al2CuF8进行氟氯离子交换反应，得到一系列氟苯化合物，其中1,2-二氟苯的收率为16%。反应式如图7所示。

图7 氟化剂氟化-金属氟化物

目前报道较多的是由氟苯作为原料与不同的氟化剂进行氟化反应。Dominic等[16]报道了在乙腈溶剂中使用含氟硫酸铯(1)氟化氟苯，1,2-二氟苯的最终收率仅为8%。Gakh等[17]报道了在乙腈溶剂中使用硝酸氟(2)氟化氟苯，二氟苯最终的收率达48%～76%。Bardin等[18]报道了在三氟化硼乙醚和1,1,1,3,3-五氟丙烷的混合溶剂中溶解氟苯，再在0～25 ℃下缓慢通入二氟化氙(3)，得到产物1,2-二氟苯的收率为8%。反应式如图8所示。

图8 氟化剂氟化-其他氟化剂

2 总结与比较

介绍了合成1,2-二氟苯的3种可行的工艺路线：席曼反应合成法、共裂解反应合成法、氟气或其他氟化剂氟化法，对各工艺路线的总结评价如表1所示。

表1 1,2-二氟苯合成工艺路线总结评价

3 结语

目前工业上主要采用席曼反应合成法来制得1,2-二氟苯，其工艺路线较成熟，但大规模生产仍存在较多问题：重氮中间体的热不稳定性、反应物料层混合不均匀、热解过程中会产生大量三氟化硼有毒蒸汽、不可控的热分解反应导致较多的副产品。而共裂解反应合成法利用管式反应器可实现连续化生产、绿色无污染，具有较大的潜力，但该方法单程转化率低、能耗高，需要寻找合适的催化剂提升反应选择性和原子利用率。