《应用化学》第41卷第4期封面文章：功能性全氟膦酸酯乙烯基醚的合成
文摘
科学
2024-05-28 10:00
吉林
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题目：功能性全氟膦酸酯乙烯基醚的合成
作者：宋莹莹, 葛玮, 史翔, 魏刚, 李冰, 李长坤*, 董常明*, 姜学松
文章链接：http://yyhx.ciac.jl.cn/CN/10.19894/j.issn.1000-0518.230324
DOI：10.19894/j.issn.1000-0518.230324
近年来，燃料电池在新能源领域备受关注，其中质子交换膜燃料电池是最具吸引力的燃料电池之一。质子交换膜燃料电池多使用杜邦公司生产的全氟乙烯基醚磺酸膜（Nafion），其具有良好的化学、机械和热稳定性，可以有效阻隔氢气和空气透过，且在25~80℃具有比较高的质子电导率。但在高温低湿环境下，Nafion膜的质子传导过程对水的依赖性使其电导率显著降低。因此，开发在高温低湿环境下具有良好化学和机械稳定性、较高质子电导率的燃料电池膜材料具有重要的科学意义和应用前景。据报道，磷酸基团可以通过氢键网络的形成，发生歧化解离，导致质子传导对温度和湿度的依赖性降低，进而使得质子可以通过无水传导机制进行。最近，研究发现的全氟膦酸树脂或磷酸掺杂树脂在高温低湿下具有较高的电导率和良好的燃料电池性能，成为开发高性能燃料电池用质子膜提供了重要的候选材料。全氟膦酸酯乙烯基醚兼具不饱和双键和膦酸酯功能基团，是制备全氟膦酸质子膜的关键单体。目前，关于全氟膦酸酯乙烯基醚的研究较少，且已报道的合成方法需要使用毒性大的氯气或液溴保护不饱和双键，再经自由基碘化、紫外光驱动的亚磷酸酯化、锌粉脱卤素还原和双氧水催化过氧化等，同时使用破坏臭氧层的1，1，2-三氟三氯乙烷（F-113）作为反应溶剂；反应步骤多，总收率低，难于工业化应用，如图1所示。因此，设计反应步骤少、反应条件温和以及具有工业化应用前景的新合成方法，高效合成功能性全氟膦酸酯乙烯基醚单体是制备高性能燃料电池用全氟膦酸树脂膜材料的关键，具有重要的科学意义和潜在的应用价值。
全氟碘代烷是一种重要的有机含氟中间体，关于其合成方法已有大量的文献和专利报道。本研究首先以较高产率合成了全氟乙烯基醚碘代烷。然后，将全氟乙烯基醚碘代烷与卤代膦酸酯（氯磷酸甲/乙酯或溴氟甲基膦酸二乙酯）低温下混合，然后缓慢加入金属试剂（正丁基锂或格氏试剂），一步成功合成了全氟膦酸酯乙烯基醚。该方法避免了对不饱和双键进行保护和后续脱保护的反应步骤，避开了紫外光驱动（254nm）的自由基反应，勿需使用昂贵的焦磷酸四乙酯（TEPP）和环境危害大的F-113溶剂等。总之，该研究大幅简化了反应步骤，反应条件相对温和且具有工业化应用前景，为高效合成全氟膦酸酯乙烯基醚及功能性全氟乙烯基醚类单体提供了新方法。
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图1 基于（Ⅰ）全氟羧酸酯乙烯基醚和（Ⅱ）全氟磺酰氟乙烯基醚的全氟膦酸酯乙烯基醚单体的合成路线
要点：如图1中路线Ⅰ。首先，以商业化的全氟羧酸酯乙烯基醚1为起始原料，探索了直接膦酸酯化和羰基氟化的两步合成路线，试图高效合成全氟膦酸酯乙烯醚目标分子。参考相关合成方法，采用无水THF作溶剂，在-78℃下二异丙基氨基锂（LDA）与二氟甲基膦酸二乙酯搅拌反应0.5h后加入1，反应得到目标产物2，收率20%，如表1所示。采用LiHMDS替代LDA进行反应，收率提高到35%，反应温度可升至-30℃。前述2种锂试剂参与反应的历程相同，即先与二氟甲基膦酸二乙酯形成锂盐，然后对酯键亲核进攻；因此，稳定性更好、位阻更大的LiHMDS对1直接进攻的副反应程度降低，收率提高。参考另一文献合成方法，基于卤素-金属交换反应形成的格式试剂，将1和溴氟甲基膦酸二乙酯在无水Et2O中混合，然后缓慢加入i-PrMgCl·LiCl；实验结果表明，LiCl可以减少格式试剂的缔合而增加反应活性，且Et2O作溶剂的反应效果明显优于THF，不仅成功地将收率提高到46%，而且反应温度可以提高到-15℃以提高反应速率；另外，通过镁粉原位生成格式试剂再反应，收率降为23%，这可能是由于镁粉与溴氟甲基膦酸二乙酯反应生成的格式试剂的稳定性较差而导致收率下降。表1 全氟羰基膦酸酯乙烯基醚2反应条件和收率对比
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成功合成化合物2后，为得到全氟膦酸酯乙烯基醚3，尝试通过DAST试剂脱氧氟化羰基，但在多种氟化条件下均没有得到目标产物，而是重排为含有—C（CHF2）OP（O）（OEt）2结构的化合物。因此，基于全氟羧酸酯乙烯基醚的合成路线需要进一步探讨。
考虑到商业化的全氟磺酰氟乙烯基醚4是制备Nafion膜的重要单体，以其为起始原料，设计了全氟乙烯基醚碘化-膦酸酯化的两步合成路线，如图1中路线Ⅱ。参考文献，通过4的NaBH4还原和碘化反应，以较高产率制备了全氟乙烯基醚碘代烷5a。然后，以5a为底物探索了目标产物的合成方法。基于经典的Michaelis-Arbuzov反应，将5a与亚磷酸三乙酯混合，在无溶剂或加入各种Lewis酸进行反应时，底物5a的双键消失，碘端基没有发生变化，未能如期得到目标产物。这主要是因为全氟烷基的强吸电子作用使Rf-I中的碳-碘键活性下降，反应难以进行。表2 反应条件优化
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为此，基于金属试剂-卤化物的交换反应，使5a和7a在锂试剂或格氏试剂存在下进行膦酸酯化反应，成功合成了目标单体。进一步，以5a和7a为底物，对反应条件进行了优化，如表2所示。实验发现5a和7a作为反应物，无水Et2O作溶剂，低温下加入金属试剂如i-PrMgCl、i-PrMgCl·LiCl或者n-BuLi等中的一种，均可以得到目标产物6a（Entries 3-5），但不同的金属试剂收率差别较大，对反应比和金属试剂的筛选结果如辅助材料表S3所示，同时加料顺序非常关键。实验表明，只有反应底物充分混合后，再加入金属试剂才能获得目标产物，这是由于5a或7a与金属试剂反应生成的全氟镁/锂试剂极不稳定。最后，加入金属试剂时，反应活性相对高的7a与金属试剂迅速反应，再原位与5a反应生成目标产物。此外，对反应温度进行了优化，发现在-78~-30℃范围内反应收率总体相差不大，但高于-30 ℃时TLC观察到副反应增多，收率显著下降。当反应温度升至-20℃时，6a的分离收率降为19%。对反应溶剂的考察发现，Et2O为最优溶剂，MTBE作溶剂时收率略低于Et2O，而THF作溶剂时无法获得6a（Entry 1），这是由于极性大的溶剂不利于7a与金属试剂反应生成高活性的磷酸二乙酯负离子（参见下面的反应机理）。
同时，基于Michaelis-Becker反应机理，采用7c替代7a作为反应物，筛选了强碱对反应的影响。当使用NaH、NaOEt、Cs2CO3和DBU等强碱时，TLC显示产物的不饱和双键消失，即均无法得到目标产物。然而，使用NaHMDS或LiHMDS先与7c混合并攫取氢质子，或将其最后滴加进反应体系，控制反应温度在-10 ℃及以下，反应均可以进行，得到产物6a（Entries 10-12）。但是，在相同反应条件下，最后加入NaHMDS或LiHMDS，反应收率明显高于先与7c混合组（Entries 10，12）。另外，溶剂筛选的实验发现，THF作溶剂时只有少量产物生成，MTBE作溶剂收率略有提高，Et2O作溶剂收率最高可达25%。这些结果亦说明极性溶剂不利于高活性的磷酸二乙酯负离子的生成与反应。
底物范围考察
表3 底物适用范围
要点：在反应条件优化后，对底物进行了拓展。首先，对含膦酸酯基团的底物进行了考察，用氯代磷酸酯7b搭配i-PrMgCl、i-PrMgCl·LiCl或n-BuLi，反应可以顺利进行。在强碱NaHMDS或LiHMDS的作用下，二氟甲基膦酸二乙酯7d与全氟乙基醚卤代烷同样可以反应得到目标产物。随后，对全氟乙基醚卤代烷底物亦进行了考察。当卤代烷为全氟乙基醚溴代烷烃5b，与氯代/溴代膦酸酯搭配格式试剂/n-BuLi可以顺利反应，得到对应的全氟膦酸酯乙烯基醚。同时，5b与7c/7d在NaHMDS或LiHMDS作用下亦得到相应的目标产物（表3）。
要点：基于上述实验结果，可以推测如下的反应机理。首先，7c作为反应底物，反应按经典的Michaelis-Becker机理进行，如图2A所示。即NaHMDS夺去亚磷酸二乙酯的氢质子，产生的高活性磷酸二乙酯负离子对全氟卤代烷中亲电位点—CF2X进攻，形成C—P键，进而得到目标产物。对于7a作为底物，推测的反应机理如图2B所示。即7a与金属试剂发生X-Li/X-MgX交换形成锂/镁试剂Ⅱ，形成的Ⅱ中间体C—P键断裂，释放二氟卡宾，伴随生成的磷酸二乙酯负离子Ⅲ与全氟碘代烷进行亲核反应，形成新的C—P键，得到最终产物。为验证此机理，对正丁基锂作用下7a与5a的反应体系进行了高分辨质谱测试，发现体系中含有产物Ⅵ（［M+Na］+：217.0964；［2M+Na］+ 411.2093）和V（［M+Na］+ 347.0594；［2M+Na］+：671.1308）的质谱峰，证明7a与金属试剂发生X-Li交换和二氟卡宾释放过程的存在，同时说明该副反应也是导致目标产物收率较低的主要原因。此外，选用7d搭配NaHMDS与5a进行反应，同样得到6a产物，进一步证明Ⅱ结构的负离子在碱性环境下释放二氟卡宾，使得产物中不再含有7a/7d结构中的CF2基团。7b作为底物时，全氟烷基锂/镁试剂直接亲核进攻得到目标产物。以全氟乙烯基醚卤代烷作为底物，与卤代膦酸酯/亚磷酸二乙酯低温混合后，缓慢滴加金属试剂，一步法成功合成了全氟膦酸酯乙烯基醚。该合成方法避免了使用毒性大的氯气或液溴保护不饱和双键、自由基碘化、过氧化以及脱保护反应等，且无需使用破坏臭氧层的F-113溶剂，反应步骤简洁、条件相对温和，为高效制备双功能性全氟膦酸酯乙烯基醚单体提供了新策略。
