4-氟苯甲醛的合成工艺研究

余昌富 蒋成君

（1.台州经纬化工股份有限公司，浙江 台州 317100；浙江科技学院生物与化学工程学院，浙江 杭州 310023）

4-氟苯甲醛是一种用途广泛的中间体，广泛用于医药、农药及染料等的合成。合成4-氟苯甲醛的方法主要有对氟甲苯侧链氯化法、对氟甲苯间接电化学氧化法、氟苯法、4-氯苯甲醛法［1-2］。对氟甲苯侧链氯化法以对氟甲苯为原料，经氯化得对氟二氯苄，水解得4-氟苯甲醛，在氯化时易得到一氯、二氯、三氯的混合物，通常需要通过控制氯化的深度来控制二氯化物的比例［3-4］。对氟甲苯间接电化学氧化法以对氟甲苯为原料，用锰盐做媒介间接电氧化合成4-氟苯甲醛。此法采用锰盐作为媒介，锰盐的循环量过大，生产1t 4-氟苯甲醛需要250m3的锰盐电解液［5-6］。也有用二氧化锰焙烧制得的三氧化二锰作氧化剂，在硫酸溶液中氧化对氟甲苯合成4-氟苯甲醛，这个工艺产生大量的锰盐固废［7］。氟苯法以氟苯和一氧化碳为原料，AlCl3和无水HCl为催化剂，在1.0～3.5MPa的一氧化碳压力下反应合成4-氟苯甲醛，此工艺在高压釜中进行，AlCl3和无水HCl对高压釜的腐蚀性较大，并且一氧化碳为无色、无臭、无刺激性的气体，吸入容易引起中毒［8］。4-氯苯甲醛法以4-氯苯甲醛为原料，氟化钾氟化，得4-氟苯甲醛［9-10］；4-氯苯甲醛法的主要缺点是反应需要较高的温度，醛基在较高的温度下不稳定，本文以4-氟苯甲醛法为原料，采用卤素交换氟化，反应蒸馏一步合成4-氟苯甲醛。

1 实验

1.1 试剂与仪器

4-氯苯甲醛（南京凯达化工有限公司），氟化钾（南通明鑫化工有限公司），其它均为分析纯化学试剂，电动搅拌仪（巩义市予华仪器有限责任公司），温度控制仪（杭州仪表电机有限公司），气相色谱仪（温岭福立分析仪器有限公司）。

1.2 4-氟苯甲醛的合成

实验装置如图1所示，采用无极恒速搅拌装置搅拌反应物料，由数显调节仪控制油浴温度，在250mL四口烧瓶中加入一定量的无水氟化钾、催化剂、4-氯苯甲醛，在氮气保护下搅拌升温到190℃，边反应边进行蒸馏，每隔0.5h取样，气相色谱分析，直到没有产物蒸出，收集所有馏分，计算收率。

1.3 色谱分析条件

色谱柱为PEG-20M通用型毛细管柱，进样口温度为250℃，检测器温度为250℃，柱温为180℃。

图1 反应装置图Fig.1 Diagram of reaction installation

2 结果与讨论

2.1 溶剂对反应的影响

由于苯环上的醛基吸电子能力较弱，对处于其对位上的氯原子活化作用不强，反应较为困难，通常需要较高的温度。为增加KF在体系中的溶解度，又要求溶剂具有相当的极性。

以n（KF）：n（PCAD）：n（Ph4PBr）=3：1：0.05，反应温度为190℃，考察不同溶剂对反应的影响，结果如表1所示。

表1 溶剂对反应收率的影响Tab.1 Effect of solvents on yield

卤素交换氟化是一个平衡反应，本文采用反应蒸馏技术使得反应产生的4-氟苯甲醛不断蒸出。从表1可以看出，不同溶剂对反应的影响非常大，以二甲基亚砜为溶剂时收率仅有21.0％，这可能是因为二甲基亚砜在较高的反应温度和强碱F-的作用下会发生严重的分解反应。在这些溶剂中以1，3-二甲基丙撑脲为最好，收率可以为89.3％。这可能是因为1，3-二甲基丙撑脲结构中的羰基具有强烈的吸电子效应，是一种很好的非质子极性溶剂，对氟化钾有极强的溶解，并对氟化钾具有活化性质。采用环丁砜为溶剂，卤素交换氟化对氯苯甲醛，收率为72.8％。

2.2 催化的选择与用量

由于该反应为非均相反应，为增强相间传递而加入相转移催化以改善反应，以n（KF）：n（PCAD）=3：1，反应温度为190℃，反应溶剂为1，3-二甲基丙撑脲，考察几种常用催化剂对反应的影响。

表2 催化剂对反应收率的影响Tab.2 Effect of catalysts on yield

从表2中可以看出，催化剂的用量对反应的收率没有影响。四苯基膦盐催化的反应收率在90％左右，而季胺盐催化的反应收率小于70％，四苯基膦盐较季铵盐在这个反应中具有更佳的催化效果，其中以四苯基二氟化氢膦盐为催化剂时反应的收率可以达到90.6％，这可能是因为四苯基二氟化氢膦盐具有较高的热稳定性以及优良的溶解性。实验中发现当氟化钾的水分较少以及晶型为无定形时，四苯基膦盐单独使用足以催化反应。但是当水分含量太多时，由于氢键作用而使KF的活性降低，导致反应速率减小，甚至停止，研究发现，当KF的含水量大于2％时，反应几乎不进行，另一方面，水分的增加使得水解副产物酚及其衍生物的量大大增加，从而导致了反应选择性的下降。

2.3 投料比对反应的影响

对于卤素交换反应来说，由于反应过程中有KCl生成。生成的KCl易于覆盖在KF的表面，氟化反应就会受到抑制。因此，必须使用过量的KF以保证有充足的新鲜KF参与反应。同时，由于KF价格较为便宜。从经济方面考虑，也应使用过量的KF。以保证PCAD保持较高的转化率。四苯基二氟化氢膦盐为催化剂，反应温度为190℃，反应溶剂为1，3-二甲基丙撑脲，考察投料摩尔比对反应收率的影响，结果如表3所示。

表3 投料摩尔比对产物收率的影响Tab.3 Effect ofmolar ratio between PCAD and KF on yield

从表3可以看出，当n（KF）：n（PCAD）=1时收率仅为56.9，这可能是因为生成的KCl覆盖在KF的表面，导致反应较难进行。n（KF）：n（PCAD）=3即可，多则效果增加不明显。

3 结论

采用卤素交换氟化反应，反应蒸馏技术一步合成4-氟苯甲醛（PFAD）是一种可行的方法。在以1，3-二甲基丙撑脲为溶剂，Ph4PHF2为催化剂，n（KF）：n（PCAD）：n（Ph4PHF2）=3：1：0.1，在此条件下，反应与蒸馏同时进行，4-氟苯甲醛的收率可达90.6％。

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