卤素交换氟化反应技术研究

论文摘要

卤素交换氟化反应是制备含氟化合物的重要方法之一,具有原料来源广、工艺简单、易于工业化等优点。本研究以含氟化合物的开发为目的和主线,并以此带动相应氟化反应理论与新技术的研究。在加热源、氟化试剂、反应溶剂、相转移催化剂、副反应以及宏观反应动力学等方面进行了较为系统地研究。研究表明,微波是一种节能高效的加热方式,在微波作用下的卤素交换氟化反应具有反应速度快、转化率高、选择性好的优点,其反应时间可较常规加热缩短50%以上;同时也系统地研究了氟化剂种类及制备方式对其反应活性的影响,并利用微波加热的膨化作用制备出了一种活性较高的KF,其活性与喷雾干燥KF相差不大;溶剂对反应具有重要的作用,在此系统地研究了强极性非质子溶剂和中等极性非质子溶剂的应用情况,发现一些中等极性的非质子溶剂如硝基芳烃和氯代芳烃类溶剂在氯代苯甲醛类化合物的氟化反应中具有比强极性非质子溶剂更好的使用效果。此外,对绿色反应溶剂—离子液体在氟化中的应用也作了初步研究,研究结果表明离子液体介质的氟化反应具有反应效率高、体系简单、产物易分离的特点。更为重要的是,离子介质有机合成技术和微波有机合成技术具有很好的兼容性,一方面,离子液体可以在微波作用下高效、快速合成。另一方面,离子液体可以显著提高氟化反应体系的微波吸收效果,加快反应速率;相转移催化剂对卤素交换反应来说几乎是不可或缺的,季鎓盐、聚醚都可依具体情况加以选择应用,但将二者按适当的比例复配,则可以产生“协同效应”,其在氯代苯甲醛及二苯甲酮类化合物的氟化中具有显著的效果。高分子相转移催化剂往往具有稳定性高、催化性能好的特点,作者所合成的高分子咪唑盐相转移催化剂在硝基氯苯类化合物的氟化反应中表现出比常规相转移催化剂更好的催化效果;采用副反应放大和GC-MS联用技术研究了副反应,发现副产物来源主要是水分、溶剂以及反应物本身。系统地研究了常规加热和微波加热下的反应动力学,得出了一些重要的基础数据,并依据过渡态理论探讨了反应物结构与活性的关系以及微波加速机理中“非热效应”的存在性。但受目前技术条件的限制,还不能就微波“非热效应”的存在性给予十分肯定的答复。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 含氟化合物制备方法概述
• 1.2 卤素交换氟化反应研究现状
• 1.2.1 氟化试剂
• 1.2.2 反应溶剂
• 1.2.3 催化剂
• 1.2.4 新技术手段在卤素交换氟化中的应用
• 1.3 本论文研究的目的和意义
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 参考文献
• 2 卤素交换氟化制备含氟化合物研究
• 2.1 氟化剂
• 2.1.1 氟化剂种类与反应活性的关系
• 2.1.2 氟化剂制备方法与反应活性的关系
• 2.2 反应溶剂
• 2.2.1 强极性非质子溶剂
• 2.2.2 中等极性非质子溶剂
• 2.3 催化剂
• 2.3.1 季鎓盐类相转移催化剂
• 2.3.2 聚醚类相转移催化剂
• 2.3.3 高分子相转移催化剂
• 2.3.4 相转移催化剂的复配
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 3 卤素交换氟化反应动力学研究
• 3.1 非依时计量学卤素交换氟化反应动力学研究
• 3.1.1 动力学实验
• 3.1.2 氟化反应动力学模型的建立
• 3.1.3 数据记录与处理
• 3.2 依时计量学卤素交换氟化反应动力学研究
• 3.2.1 动力学实验
• 3.2.2 氟化反应动力学模型的建立
• 3.2.3 数据记录与处理
• 3.3 反应底物结构与活性的关系
• 3.3.1 量子化学计算法
• 3.3.2 化学动力学法
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 4 微波技术与离子液体在卤素交换氟化反应中的应用
• 4.1 微波有机合成技术
• 4.1.1 微波反应器
• 4.1.2 微波在氟化反应中的应用
• 4.1.3 溶剂对微波效应的影响
• 4.1.4 微波有机合成技术面临的困难与挑战
• 4.2 离子液体绿色有机合成技术
• 4.2.1 离子液体的制备
• 4.2.2 离子液体在卤素交换氟化反应中的应用
• 4.3 微波与离子液体相结合技术
• 4.3.1 离子液体的微波合成
• 4.3.2 微波与离子液体结合技术在氟化反应中的应用
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 5 微波氟化反应动力学及加速机理研究
• 5.1 “非热效应”论证原理
• 5.2 动力学实验
• 5.3 实验数据与处理
• 5.3.1 常规加热条件实验数据
• 5.3.2 微波加热条件实验数据
• 5.4 微波非热效应的证明
• 5.5 微波非热效应证明中存在的问题
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 6 副反应研究
• 6.1 副反应研究实验
• 6.1.1 仪器与试剂
• 6.1.2 实验方法
• 6.1.3 副产物的GC-MS数据
• 6.2 水对反应的复杂影响
• 6.2.1 体系水含量对反应结果的影响
• 6.2.2 来自水分的副反应
• 6.3 来自溶剂的副反应
• 6.4 脱氯副反应
• 6.5 醛基副反应
• 6.6 本章小结
• 参考文献
• 7 结束语
• 7.1 本论文主要结论
• 7.2 本课题的创新点
• 7.3 本课题的发展趋势
• 致谢
• 作者在博士期间发表的论文