四氟乙烯化學走向「平民化」：上海有機所胡金波團隊溫和條件下高效製備四氟乙烯並用於有機合成

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四氟乙烯（F2C=CF2）是一類化學工業中大量使用的原料，在常溫常壓下是無色無味的氣體，主要用於合成含氟聚合物和各類含氟精細化學品。四氟乙烯作為合成含氟材料的重要單體，工業生產中可用於製備工程塑料、特種橡膠等多種功能材料。例如四氟乙烯在特定條件下聚合可以形成聚四氟乙烯（俗稱「特氟龍」），該材料具有化學穩定性強、高潤滑不粘附、電絕緣等特點，在食品、化工、機械甚至航天軍工等領域具有重要的地位。四氟乙烯作為一種活性極高的含氟合成子，還可用於設計多種不同類型的氟烷基化反應。

工業上合成四氟乙烯的常規方法包括如下步驟：氯仿（CHCl3）與無水氟化氫反應得到二氟一氯甲烷（CHClF2），後者經高溫（> 550 ℃）裂解，最終大量製得目標產物。儘管四氟乙烯製備工藝在工業生產中簡便易行，並且可以在壓力容器中儲存，但是四氟乙烯十分不穩定，在體系壓力驟降或與空氣接觸時十分容易發生爆炸。[1]通常情況下，該氣體需在加入阻聚劑的鋼瓶中低溫貯存及運輸。由於安全原因，四氟乙烯鋼瓶的運輸和使用都受到嚴格控制，目前氣體鋼瓶僅可在工業生產中用於流水線生產，世界各國高校和研究機構一般很難獲得四氟乙烯來開展研究工作，由此限制了實驗室條件下四氟乙烯相關化學的基礎研究。如果可以發展一種方法，通過簡單安全的途徑原位製得四氟乙烯，將規避該物質的儲存與輸送過程中的安全問題，打破原料獲取的壁壘，極大推動四氟乙烯參與的合成方法學研究。

圖1. 四氟乙烯可能參與的反應

最近，中國科學院上海有機化學研究所的胡金波研究員及其團隊發展了一種溫和條件下利用二氟卡賓二聚的策略來獲取四氟乙烯的方法，該反應以商品化的TMSCF3（Ruppert-Prakash試劑）為原料，在引發劑NaI的作用下，適當升溫可高效生成四氟乙烯（70 ℃，30分鐘即可完成反應）。他們還設計了簡單易搭建的雙反應室裝置系統，可將原位製得的四氟乙烯導入待參與反應體系，由此實現了以四氟乙烯為原料設計不同類型底物的氟烷基化反應。相關工作發表在Angew. Chem. Int. Ed.上，文章的第一作者是李鈴春博士。

圖2. 實驗室條件下原位生成四氟乙烯以及四氟乙烯參與的氟烷基化反應。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

二氟卡賓通常以單線態的形式相對穩定存在，一定條件下可發生二聚生成四氟乙烯。以往報道的實驗室內從二氟卡賓供體出發製備四氟乙烯的反應包括乙二醇二甲醚溶劑配位的(CF3)2Cd?glyme與苯甲醯氯在常溫下反應、(CF3)3PF2在200 ℃高溫條件下迅速裂解等。除此之外，人們還發展了非二氟卡賓途徑合成四氟乙烯的方法，如全氟丙酸鈉（CF3CF2COONa）在250-260 ℃或聚四氟乙烯在600-650 ℃條件下發生熱分解等。這些方法需藉助高溫強熱或劇毒的重金屬試劑，為相關操作過程帶來較大的麻煩。

2011年，胡金波團隊與美國南加州大學的G. K. Surya Prakash與George A. Olah教授合作發展了TMSCF3與NaI混合在65-110 ℃的加熱條件下生成二氟卡賓的方法，用於對一系列烯、炔底物的偕二氟環丙烷化反應，當時研究者已經意識到四氟乙烯副產物的產生。2014年，加拿大渥太華大學的R. Tom Baker教授在研究過渡金屬的二氟卡賓物種時，利用該方法產生的二氟卡賓與單茂鈷前體反應，也注意到體系中會伴隨著少量四氟乙烯的生成，但這一發現在當時並未引起足夠的重視。考慮到四氟乙烯非常有用，但是普通實驗室通常難以獲取，胡金波團隊設想基於以往的研究結果，繼續發展一種方法，在相同反應體系的基礎上優化反應條件，改變二氟卡賓物種的反應途徑，從而在溫和的條件下安全高效地製備得到四氟乙烯並用於有機合成。

圖3. TMSCF3為氟烷基供體形成二氟卡賓及四氟乙烯。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

作者通過調節TMSCF3/NaI的比例以及反應溫度，開始對產生四氟乙烯的條件進行考察。為了方便計算反應後四氟乙烯的產量，他們將反應後的體系以液氮冷卻並加入n-Bu4NBr3，隨後封閉耐壓封管升溫繼續反應，最終以19F NMR表徵計算BrCF2CF2Br的產量來推算產生四氟乙烯的效率。反應在70 ℃的條件下，使用相比於TMSCF35 mol%的NaI作為引發劑，以BrCF2CF2Br 75%的19FNMR產率得到優化條件。其中溶劑THF與NaI需充分乾燥，否則將伴隨著副產物CF3H產生。

圖4. 製備四氟乙烯的反應條件優化。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

為了避免體系中TMSCF3可作為三氟甲基化試劑以及其他副產物參與後續的競爭反應，他們設計了簡單的雙反應室系統，該裝置以兩個耐壓封管組成，製備四氟乙烯的反應在A中進行，反應結束後通過體系A、B存在的壓力差將四氟乙烯導入B中，兩者在耐壓封管的支管口處以硬質橡膠管連接，並通過三通閥控制氣體通量。

圖5. 反應裝置圖。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

作者還以該方法製備得到的四氟乙烯設計了如下反應。首先他們將亞銅鹽與1,10-菲啰啉配體混合，並在CsF存在的情況下通入四氟乙烯，可以原位生成五氟乙基亞銅物種，這種氟烷基亞銅試劑可進一步與碘代芳香烴底物反應，最終以理想的收率得到五氟乙基芳香烴產物。反應中1,10-菲啰啉配體可避免四氟乙烯對五氟乙基亞銅物種進一步插入。該反應具有很好的底物普適性，也是首次報道的以四氟乙烯為前體形成五氟乙基金屬物種的工作。其中親核試劑CsF可以換作苯酚鈉，在上述反應條件下與四氟乙烯反應原位得到PhOCF2CF2Cu(phen)物種，進而參與後續的偶聯過程。

圖6. 五氟乙基亞銅參與的碘代芳香烴的五氟乙基化反應。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

圖7. 苯氧基四氟乙基亞銅參與的碘代芳香烴的1,1,2,2-四氟乙基化反應。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

除此之外，他們還以不同的含O-、S-及N-親核試劑在無過渡金屬參與的條件下與四氟乙烯反應，均得到了滿意的效果。

圖8. 含O、S及N親核試劑參與的1,1,2,2-四氟乙基化反應。圖片來源：Angew. Chem. Int. Ed.

該研究工作在線發表後，美國化學會旗下《化學與工程新聞》（C&EN）周刊對此進行了亮點報道。[2]該報道評價認為上海有機所「發展了一個快速製備四氟乙烯的突破性方法（developed a breakthrough procedure to generate CF2=CF2on the fly…）」，是「把四氟乙烯安全應用於有機合成的一種便捷的方法（a convenient approach to safely using tetrafluoroethylene in organic synthesis）」；利用易得的Me3SiCF3（經由四氟乙烯）來開展五氟乙基化和四氟乙基化反應是「新版的氟烷基化反應（a new edition of fluoroalkyl addition）」。該報道還援引作者的預期，認為該發現將會加速四氟乙烯化學的發展。

——總結——

胡金波團隊發展了一種在實驗室條件下快速溫和製備四氟乙烯的方法，並可有效用於開展四氟乙烯參與的全氟烷基化及多氟烷基化反應。四氟乙烯可原位定量製備，使其試劑化，解決了以往該物質在存儲及運輸中存在諸多安全隱患，從而限制其在基礎實驗室內使用的問題，為進一步拓展四氟乙烯相關的氟烷基化反應及其他化學起到了重要的推動作用。

TMSCF3as a Convenient Source of CF2=CF2for Pentafluoroethylation, (Aryloxy)tetrafluoroethylation, and Tetrafluoroethylation

Angew. Chem. Int. Ed.,2017,56, 9971, DOI: 10.1002/anie.201705734

導師介紹

胡金波

http://www.x-mol.com/university/faculty/15613

參考資料：

1. D. A. Hercules, D. D. DesMarteau, R. E. Fernandez, J. L. Clark, Jr., J. S. Thrasher inHandbook of Fluoropolymer Science and Technology, 1st ed. (Eds.: D.W. Smith, Jr., S. T. Iacono, S. S. Iyer), Wiley, Hoboken, 2014, pp. 413-431

2. http://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/cen-09530-scicon6

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