一种二氧化锰催化芳烃或杂环芳烃三氟甲基化的方法与流程

本发明属于催化有机合成技术领域，具体涉及一种MnO₂催化芳烃或杂环芳烃三氟甲基化的方法。

背景技术：

由于均相催化剂在使用时存在催化剂难以回收、药剂费用高、引入杂质等问题，所以非均相催化剂的使用备受关注。

二氧化锰是一种颜色为棕黑色或黑色的金属锰化合物，是处中间价态的正四价，同时具有氧化性和还原性两重性质，而且在碱性条件下容易被氧化成六价锰，在酸性条件下则可以还原成二价锰。二氧化锰是一种环境友好廉价易得的过渡金属氧化物，具有独特的物理和化学性质，使它在材料领域占有重要的地位，在催化反应，电化学，分子吸附，磁学，光学，生物传感器等领域展示了广阔的应用前景。

三氟甲基（-CF₃）具有独特的化学性能及生物活性，将其引入到有机化合物中可以显著地改变该化合物的偶极矩、极性、亲脂性以及化学和代谢稳定性。因此不断寻求有效的三氟甲基化合物合成方法，成为氟化学领域研究的一个热点。其中，通过产生三氟甲基自由基形成碳碳键是三氟甲基化的重要策略。考虑二氧化锰的催化特性，试图将二氧化锰引入到三氟甲基化反应中。目前将二氧化锰应用到三氟甲基化反应的不多，该文章中二氧化锰体系也不是主要反应体系。我们以二氧化锰为催化剂，实现了对芳烃及杂环化合物的三氟甲基化，并对其机理进行了深入的探究。

由于氟原子较小的原子尺寸与强的电负性，向有机分子中引入氟原子可以显著改变分子的物理化学性质和生物化学性质，如增大分子的极性，提高分子的脂溶性，增强分子在生物体新陈代谢过程中的稳定性等。据统计，目前有30%的农业化学品和20%的药物中至少含有一个氟原子。天然的含氟有机物极少，大多数的含氟有机物需要人为引入氟原子。三氟甲基化作为一种向有机分子中引入氟原子的有效方式被广泛应用于医药，农业化学品等的生产。含三氟甲基的药物有很多，如用来治疗关节炎的新药塞来昔布，抗艾滋药物依法韦仑，治疗糖尿病的特效药捷诺维等。

工业上生产三氟甲苯常用的方法是Swarts 方法，即先将甲苯氯化得到三氯甲苯，再用路易斯酸三氟化锑或者氢氟酸将三氯甲苯氟化得到三氟甲芳烃或杂环芳烃。该方法步骤繁多，环境污染大。近些年来，苯的三氟甲基化研究有了较大发展。按照反应的底物不同，可以将反应方法大致分为两类，第一种是C-X键的三氟甲基化（X=Cl、Br、I、B(OH)₂）,第二种是C-H键的直接三氟甲基化。虽然以Cu、Ag、Pd等催化剂为代表的C-X三氟甲基化反应体系具有选择性好，产率高的优点，但是需要预先对C-H键进行功能化，使其转化成C-X键。从简化反应步骤，绿色化学，原子经济性等角度，直接C-H键的三氟甲基化更符合现代化学的要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种MnO₂催化芳烃或杂环芳烃三氟甲基化的有机合成方法，其体系简单、反应条件温和、成本低，解决了目前工业上制备存在的高污染、高成本的问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种MnO₂催化芳烃或杂环芳烃三氟甲基化的方法，是以二氧化锰作为催化剂，三氟甲烷亚磺酸钠（CF₃SO₂Na-Langlois试剂）作为三氟甲基的来源，乙腈为溶剂，在低温常压条件下催化芳烃或杂环芳烃三氟甲基化。

其具体包括如下步骤：

1）将0.1~0.2mmol二氧化锰和0.2~0.5mmol三氟甲烷亚磺酸钠于反应器中混合后，加入1~5mL乙腈和0.5~1mL芳烃或杂环芳烃；

2）将该反应器放入超声波清洗机中超声处理30s后，将反应器连接空气气球，置于集热式恒温磁力搅拌器中50℃反应24h。

所述超声处理的频率为40-60KHz。

本发明的优点在于：

（1）本发明采用二氧化锰为催化剂进行低温催化，使芳烃或杂环芳烃的三氟甲基化反应在较温和、较低的温度（<60℃）条件下即可进行，且反应后的二氧化锰环境友好廉价易得，不仅降低了成本，也更加环保。

（2）本发明采用非均相反应体系，反应条件温和，可有效避免目前工业三氟甲基化反应中使用强酸、重金属带来的污染。

（3）本发明方法操作简单易行，具有很好的重复性，且反应过程简单、对环境友好，有利于大规模的工业生产，适于推广应用。

（4）本发明方法可用于对具有生物活性、药物活性的有机化合物进行三氟甲基修饰，具有良好的实际应用前景和经济效益。

附图说明

图1为实施例1反应后分离测得三氟甲苯纯品¹⁹F NMR图谱。

图2为实施例2三氟甲烷亚磺酸钠热重测试。

图3为实施例3以底物苯为例不同温度对三氟甲苯产率的变化关系图。

图4为实施例4以底物苯为例不同反应时间与三氟甲苯产率的变化关系图。

图5为实施例5所得以三氟甲氧基苯为内标物测得三氟甲芳烃或杂环芳烃的核磁¹⁹F NMR产率。

图6为实施例6反应过程中捕获的中间产物三氟甲基自由基的ESR图。

具体实施方式

为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。

实施例1（底物以苯为例）

（1）称取0.2mmol二氧化锰作为催化剂，0.5mmol三氟甲烷亚磺酸钠作为三氟甲基源，于反应器中混合后，加入1mL乙腈为溶剂及0.5mL反应物苯，封上封口膜；

（2）将该反应器放入超声波清洗机中50KHz超声处理30s后，将反应器连接空气气球，置于集热式恒温磁力搅拌器中50℃反应24h；

（3）反应完全后离心，将上清液过柱分离得到纯净的三氟甲苯后测得¹⁹F NMR图谱（见图1）。

实施例2（底物以苯为例）

（1）称取0.2mmol二氧化锰作为催化剂，0.5mmol三氟甲烷亚磺酸钠作为三氟甲基源，于反应器中混合后，加入1mL乙腈为溶剂及0.5mL苯，封上封口膜；

（2）将该反应器放入超声波清洗机中50KHz超声处理30s后，将反应器连接空气气球，置于集热式恒温磁力搅拌器中反应24h，温度分别为25℃,40℃,50℃,60℃；

（3）反应完全后离心，将上清液用GC（产物量已标定）检测；

结果显示（见图2），随着反应温度升高产率逐渐升高，但并不是无限的升高，在50℃达到最高。

实施例3

（1）分别称取10-20mg三氟甲烷亚磺酸钠记为1，2，在空气和氮气氛围下进行热重测试结果见图3中的曲线1,2；

（2）称取10mg三氟甲烷亚磺酸钠和10mg二氧化锰的混合物在空气氛围下进行热重测试，结果见图3中的曲线3；

（3）测试结果表明三氟甲基源三氟甲烷亚磺酸钠的分解温度为150-190℃远大于反应所需要的温度50℃。

实施例4（底物以苯为例）

（1）称取0.2mmol二氧化锰作为催化剂，0.5mmol三氟甲烷亚磺酸钠作为三氟甲基源，于反应器中混合后，加入1mL乙腈为溶剂及0.5mL底物苯，封上封口膜；

（2）将该反应器放入超声波清洗机中50KHz超声处理30s后，将反应器连接空气气球，置于集热式恒温磁力搅拌器中50℃分别反应6、12、18、24h。

由不同反应时间与三氟甲苯产率的变化关系图（见图4）可以看出，随反应时间的延长，三氟甲苯产率提高。

实施例5

（1）称取0.2mmol二氧化锰作为催化剂，0.5mmol三氟甲烷亚磺酸钠作为三氟甲基源，于反应器中混合后，加入1mL乙腈为溶剂及0.5mL反应物芳烃和杂环芳烃，封上封口膜；

（2）将该反应器放入超声波清洗机中50KHz超声处理30s后，将反应器连接空气气球，置于集热式恒温磁力搅拌器中50℃反应24h；

（3）反应完全后离心，取0.7mL上清液和10uL三氟甲氧基苯（内标）混合均匀后加入到核磁管中，测得各产物的¹⁹F NMR图谱如图5，得到氟谱产率。

实施例6

（1）称取0.1mmol二氧化锰作为催化剂，0.2mmol三氟甲烷亚磺酸钠作为三氟甲基源，于离心管中混合后，加入1mL乙腈，并标为A；

（2）称取1mg 2-甲基-2-亚硝基丙烷二聚物（MNP）于离心管中，加入1mL乙腈，并标为B；

（3）取0.5mL B于A中，加热2h后由电子顺磁共振（ESR）测定三氟甲基的自由基，结果见图6。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。