本发明属于化学合成技术领域，具体涉及一种催化氟化高效制备磺酰氟类化合物的方法。
背景技术：
含氟化合物中由于氟元素的引入通常表现出独特的性质，在高分子材料、液晶、药物以及电池领域中有着重要的应用，而氟化技术是获取该类物质的一个重要途径(t.ritteretal,org.processres.dev.,2014,18,474；j.-b.huetal,chem.rev.,2015,115(2),765；t.ritter,nature,2011,473,470.)。磺酰氟类化合物更是由于其独特的理化性质而被广泛使用到各个领域。如苯甲基磺酰氟是丝氨酸蛋白酶的抑制剂，可抑制胰蛋白酶，糜蛋白酶和ache的活性，用于生物医药领域。丹磺酰氟作为一种杀菌剂被广泛使用。全氟烷烃类磺酰氟作为氟聚合物的封端物质被广泛使用，也可作为特种表面活性剂的原料。双氟磺酰亚胺锂则是一种新型锂电池电解质，相比传统锂电池电解质在高低温稳定性、电池循环寿命等各方面具有显著的性能优势，表现出了良好的应用前景。
常见的将磺酰氯制备成磺酰氟的方法是使用当量或过量的金属或铵的氟化物作为氟化剂，在极性溶剂中完成(organicsynthesesvolume90pages130-144；journaloforganicchemistryvolume78issue22pages11262-11270；wo2004026830；journalofthechemicalsociety,perkintransactions2:physicalorganicchemistry(1972-1999)issue11pages1919-23；journalofthechemicalsociety,chemicalcommunicationsissue10pages793-4；chemistrylettersissue6pages761-4)。wo2015188121发展出一种以氟化氢钾与磺酰氯反应制备磺酰氟化合物的方法。ru2183621发展出一种以氟化氢为氟化剂，在三氟化铬和氟化镁催化下，于80-200度反应制备磺酰氟化合物的方法。
双氟磺酰亚胺是一种含氟的无机强酸化合物，主要用作关键中间体制备双氟磺酰亚胺锂盐(d.v.rajender,coord.chem.rev.,1997(158),413.；j.p.guretin,inorg.syn.,1968(11),138.；m.berranetal,z.anorg.allg.chem.,2005,631,55.)。ca2527802a1报道了使用无水氟化氢气体与双氯磺酰亚胺反应制备双氟磺酰亚胺的方法，在120～130℃下反应12小时仅得到55％的收率。cn106219503a报道了使用氟化氢与醚络合物作为氟化试剂的方法，该方法基于以醚作为质子受体与氟化氢络合来增强氟离子亲核性的原理，可以将反应的收率显著提升至94～98％，但缺陷是hfsi作为强的质子给体也会与醚发生溶剂化作用而不稳定并发生分解。
技术实现要素：
为了解决上述技术问题，本发明的第一个方面提供了一种催化氟化高效制备磺酰氟类化合物的方法，包括将磺酰氯类化合物与氟化氢在催化剂磺酸类衍生物的作用下进行反应，得到磺酰氟类化合物。
作为一种优选的技术方案，所述催化剂磺酸类衍生物选自磺酸类化合物、硫酸酯类化合物、磺酸酯类化合物、氨基磺酸酯类化合物、环状硫酸酯类化合物、环状磺酸酯类化合物、环状氨基磺酸酯类化合物中的至少一种。
作为一种优选的技术方案，所述催化剂磺酸类衍生物选自磺酸类化合物、硫酸酯类化合物、磺酸酯类化合物、氨基磺酸酯类化合物中的至少一种。
作为一种优选的技术方案，所述催化剂磺酸类衍生物为硫酸酯类化合物和/或磺酸酯类化合物。
作为一种优选的技术方案，所述催化剂磺酸类衍生物为磺酸酯类化合物。
作为一种优选的技术方案，所述催化剂磺酸类衍生物与磺酰氯类化合物的摩尔百分比为0.1～20％，优选为0.5～5％。
作为一种优选的技术方案，所述氟化氢选自气体氟化氢、液体氟化氢、氟化氢溶液中的至少一种。
作为一种优选的技术方案，所述氟化氢的摩尔数为磺酰氯类化合物摩尔数的0.5～20倍，优选为1～5倍。
作为一种优选的技术方案，所述反应温度为0～300℃，优选为60～120℃。
作为一种优选的技术方案，所述反应在常压或加压下进行，优选为常压。
有益效果：本发明提供了一种新颖的催化技术，具有广泛的底物适用性，并表现出高效的催化效率和收率。
具体实施方式
为了下面的详细描述的目的，应当理解，本发明可采用各种替代的变化和步骤顺序，除非明确规定相反。此外，除了在任何操作实例中，或者以其他方式指出的情况下，表示例如说明书和权利要求中使用的成分的量的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此，除非相反指出，否则在以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是根据本发明所要获得的期望性能而变化的近似值。至少并不是试图将等同原则的适用限制在权利要求的范围内，每个数值参数至少应该根据报告的有效数字的个数并通过应用普通舍入技术来解释。
尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。
为了解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种催化氟化高效制备磺酰氟类化合物的方法，包括将磺酰氯类化合物与氟化氢在催化剂磺酸类衍生物的作用下进行反应，得到磺酰氟类化合物。
所述催化氟化的反应式(1)为：
其中，磺酰氯类化合物中r为含碳基团、含氧基团、含氮基团中的一种。
磺酰氯类化合物
当r为含碳基团时，所述磺酰氯类化合物指烷烃类磺酰氯或芳烃类磺酰氯或带有取代基的烷烃类磺酰氯或带有取代基的芳烃类磺酰氯。
作为r为含碳基团的实例，可以列举的有甲磺酰氯、乙磺酰氯、丙磺酰氯、2-甲氧基乙磺酰氯、乙烯磺酰氯、苯磺酰氯、对氟苯磺酰氯、吡啶-3-磺酰氯、5-二甲氨基-1-萘磺酰氯、苯甲基磺酰氯等。
当r为含氧基团时，所述磺酰氯类化合物指氯磺酸酯。
作为r为含氧基团的实例，可以列举的有氯磺酸甲酯、氯磺酸乙酯、氯磺酸烯丙酯、氯磺酸苯酯等。
当r为含氮基团时，所述磺酰氯类化合物指氯磺酰胺。
作为r为含氮基团的实例，可以列举的有二甲基氨磺酰氯、二乙基氨磺酰氯、双氯磺酰亚胺、吡咯烷-1-磺酰氯、4-吗啉磺酰氯、氯磺酰异氰酸酯等。
催化剂磺酸类衍生物
所述催化剂磺酸类衍生物的结构式(2)为：
其中：x为含碳基团、含氧基团、含氮基团中的一种，y为氢原子或碳原子数为1～12的基团。
所述催化剂磺酸类衍生物中x基团与硫原子相连原子为碳，y基团为氢原子时，催化剂指磺酸类化合物。
作为磺酸类化合物的实例，可以列举的有甲烷磺酸、丙烷磺酸、苯磺酸、对甲苯磺酸等。
所述催化剂磺酸类衍生物中x基团与硫原子相连原子为碳，y基团为碳原子数为1～12的基团时，催化剂指磺酸酯类化合物。
作为磺酸酯类化合物的实例，可以列举的有甲磺酸甲酯、环己基磺酸乙酯、对甲基苯磺酸甲酯、三氟甲磺酸乙酯、乙二醇单甲醚甲磺酸酯等。
进一步地，所述磺酸酯类化合物也包括有机醇与磺酰氯类化合物原位生成的磺酸酯类化合物，例如甲磺酰氯中加入催化量的甲醇，生成甲磺酸甲酯催化剂。
所述催化剂磺酸类衍生物中x基团与硫原子相连原子为氧，y基团为氢原子或碳原子数为1～12的基团时，催化剂指硫酸酯类化合物。
作为硫酸酯类化合物的实例，可以列举的有硫酸二甲酯、硫酸二乙酯、硫酸甲乙酯、硫酸二异丙酯、硫酸二丁酯等。
所述催化剂磺酸类衍生物中x基团与硫原子相连原子为氮，y基团为氢原子或碳原子数为1～12的基团时，催化剂指氨基磺酸(酯)类化合物。
作为氨基磺酸(酯)类化合物的实例，可以列举的有氨基磺酸、n-甲基氨基磺酸、n-二甲氨基磺酸甲酯、环拉酸、吗啉磺酸乙酯等。
其中，“氨基磺酸(酯)类化合物”指氨基磺酸类化合物或氨基磺酸酯类化合物。
进一步地，当x为含碳基团、含氧基团、含氮基团中的一种，y为氢原子或碳原子数为1～12的基团，且x基团与y基团以共价键相连时，催化剂指环状磺酸酯类化合物或环状硫酸酯类化合物或环状氨基磺酸酯类化合物。
作为x基团与y基团以共价键相连的实例，可以列举的有1，3-丙烷磺内酯、1,4-丁烷磺内酯、硫酸亚乙酯、4-甲基硫酸亚乙酯、硫酸-1，3-丙烯酯、安赛蜜等。
作为一种优选的实施方式，所述催化剂磺酸类衍生物选自磺酸类化合物、硫酸酯类化合物、磺酸酯类化合物、氨基磺酸酯类化合物、环状硫酸酯类化合物、环状磺酸酯类化合物、环状氨基磺酸酯类化合物中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述催化剂磺酸类衍生物选自磺酸类化合物、硫酸酯类化合物、磺酸酯类化合物、氨基磺酸酯类化合物中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述催化剂磺酸类衍生物为硫酸酯类化合物和/或磺酸酯类化合物。
优选地，所述磺酸酯类化合物选自甲磺酸甲酯、正丁基磺酸乙酯、苯磺酸甲酯、环己基磺酸乙酯、对甲基苯磺酸甲酯、三氟甲磺酸乙酯、乙二醇单甲醚甲磺酸酯中的至少一种。
优选地，所述硫酸酯类化合物选自硫酸二甲酯、硫酸二乙酯、硫酸甲乙酯、硫酸二异丙酯、硫酸二丁酯中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述催化剂磺酸类衍生物为磺酸酯类化合物。
本申请人发现，氟化氢在低温下能形成较强的氢键而具备氟化活性，但温度高时氢键被破坏而活性大幅下降；路易斯碱(如吡啶、有机胺等)能与氟化氢形成强络合物而表现出较好的氟化活性，但氟化反应生成的氯化氢与路易斯碱成盐而使其失去催化活性。磺酸类衍生物既能与氟化氢在较高温度下络合，满足反应活性要求，又能避免与氯化氢反应成盐，所以达到催化效果。
作为一种优选的实施方式，所述催化剂磺酸类衍生物与磺酰氯类化合物的摩尔百分比为0.1～20％，优选为0.5～5％。
作为一种优选的实施方式，所述氟化氢选自气体氟化氢、液体氟化氢、氟化氢溶液中的至少一种。
所述氟化氢溶液无特别限制，可以溶解氟化氢且不损害本发明目的即可。可以举例的有乙腈溶液、乙酰胺溶液、四氢呋喃溶液、乙醚溶液、乙酸乙酯溶液等。
作为一种优选的实施方式，所述氟化氢的摩尔数为磺酰氯类化合物摩尔数的0.5～20倍，优选为1～5倍。
作为一种优选的实施方式，所述反应温度为0～300℃，优选为60～120℃。
作为一种优选的实施方式，所述反应在常压或加压下进行，优选为常压。
本申请人发现，加压条件下氟化氢损耗量更低，但对设备要求高。
作为一种优选的实施方式，所述反应在无溶剂或有机溶剂中进行，优选在无溶剂下进行。
作为一种优选的实施方式，所述有机溶剂选自脂肪族溶剂、脂肪族卤化物溶剂、酯类溶剂、腈类溶剂、芳香族溶剂、醚类溶剂、酰胺类溶剂、酮类溶剂、脲类溶剂、水中的至少一种。
作为脂肪族溶剂的实例，可以列举的有戊烷、已烷、庚烷、环已烷、石油醚等。
作为脂肪族卤化物溶剂的实例，可以列举的有二氯甲烷、二氯乙烷、氯仿、氟三氯甲烷、1,1,2－三氯乙烷、2-氯-1,2-二溴-1，1,2-三氯乙烷、1,2-二溴六氟丙烷、1,2-二溴四氟乙烷、1,1-二氟四氯乙烷、1,2-二氟四氯乙烷、七氟-2,3,3-三氯丁烷、1,1,1,3-四氯四氟丙烷、硝基甲烷、1,1,1-三氯五氟丙烷、1,1,1-三氯三氟乙烷、聚氯三氟乙烯等。
作为酯类溶剂的实例，可以列举的甲酸甲酯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸丙酯、丙酸甲酯、乙酸异丙酯、γ-丁内酯、碳酸亚丙基酯等。
作为腈类溶剂的实例，可以列举的有乙腈、丙腈等。
作为芳香族溶剂的实例，可以列举的有苯、甲苯、乙苯、丙苯、二甲苯、氯苯、二氯苯、氟苯、三氟甲苯、对氯三氟甲苯、溴苯、硝基苯等。
作为醚类溶剂的实例，可以列举的有乙醚、二丙醚、四氢呋喃、2-甲基四氢呋喃、乙二醇二甲醚、二乙二醇二甲醚等。
作为酰胺类溶剂的实例，可以列举的有n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜(dmso)、n,n-二乙基甲酰胺、六甲基邻酰胺(hmpa)等。
作为酮类溶剂的实例，可以列举的有1-甲基-2-吡咯烷酮、1,3-二甲基-2咪唑烷酮等。
作为脲类溶剂的实例，可以列举的有四甲基脲、1,3-二甲基亚丙基脲等。
本申请人发现，所述催化氟化反应在无溶剂下进行能够提高反应速率及产率，本申请人猜测非极性有机溶剂会降低氟化氢在反应液中的溶解度，极性有机溶剂会弱化磺酸酯与氟化氢的络合从而降低催化活性。
下面通过实施例对本发明进行具体描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的专业技术人员根据上述本发明的内容做出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。
另外，如果没有其它说明，所用原料都是市售得到的。
实施例
实施例1
一种苯甲基磺酰氟的制备方法，包括以下步骤：在500ml的ptfe反应器中加入381.2g苯甲基磺酰氯，开启搅拌。投入19g甲基磺酸甲酯催化剂并升温至100℃，开始匀速通入60g无水氟化氢气体，维持反应温度在100±5℃，反应8小时，停止反应，加水洗涤分液，有机相减压蒸馏，收集100-102℃/10mmhg的馏分313.5g，纯度98.0％，收率90.0％。
1hnmr(cdcl3)：7.50(m，5h)，4.60(d，2h)；19f-nmr(cdcl3)：60.2；gc-ms：174，91，65，39。
实施例2
一种苯磺酰氟的制备方法，包括以下步骤：在500ml的ptfe反应器中加入353.2g苯磺酰氯，开启搅拌。投入14g氨基磺酸作为催化剂，升温至120℃，开始匀速通入80g无水氟化氢气体，维持反应温度在120±5℃，反应8小时，停止反应，加水洗涤分液，有机相减压蒸馏，收集90-92℃/10mmhg的馏分262.7g，纯度98.3％，收率80.6％。
1hnmr(cdcl3)：8.00(m，2h)，7.70(m，3h)；19f-nmr(cdcl3)：64.8；gc-ms：160，93，77，65，51，50。
实施例3
一种正丁基磺酰氟的制备方法，包括以下步骤：在500ml的ptfe反应器中加入313.2g正丁基磺酰氯，开启搅拌。投入4.6g乙醇，升温至80℃，生成少量正丁基磺酸乙酯作为氟化催化剂。开始匀速通入60g无水氟化氢气体，维持反应温度在80±5℃，反应8小时，停止反应。加水洗涤分液，有机相减压精馏，收集60-62℃/13mmhg的馏分242.7g，纯度99.3％，收率87.2％。
1hnmr(cdcl3)：3.38(t，2h)，1.65(m，4h)，1.00(t，3h)；19f-nmr(cdcl3)：61.3。
实施例4
一种双氟磺酰亚胺的制备方法，包括以下步骤：在1000ml的ptfe反应器中加入1000.0g双氯磺酰亚胺，开启搅拌。投入20g硫酸二甲酯作为催化剂，升高反应温度至90℃，开始匀速通入360g无水氟化氢气体，维持反应温度在90±5℃，反应12小时，停止反应。通入氮气吹扫4小时除去氟化氢，减压精馏，收集60-62℃/20mmhg的馏分，得到中馏分765.5g，含量99.5％，收率90.0％。
1h-nmr(cdcl3)：7.81，s，1h。19f-nmr(cdcl3)：58.9。
实施例5
一种双氟磺酰亚胺的制备方法，包括以下步骤：在1000ml的高压釜中加入1000.0g双氯磺酰亚胺，开启搅拌。投入20g1,3-丙烷磺内酯作为催化剂，投入280g液体氟化氢，闭釜升温至90℃，维持反应温度在90±5℃，反应6小时，泄压，通入氮气吹扫4小时除去氟化氢，减压精馏，收集60-62℃/20mmhg的馏分，得到产品731.5g，含量99.6％，收率86.1％。
实施例6
一种乙烯基磺酰氟的制备方法，包括以下步骤：在1000ml的高压釜中加入506.2g乙烯基磺酰氯，开启搅拌。投入25g苯磺酸甲酯作为催化剂，投入120g液体氟化氢，闭釜升温至100℃，维持反应温度在100±5℃，反应6小时，泄压，加水洗涤，分液后有机相，减压蒸馏，收集53-54℃/70mmhg的馏分，得到产品336.4g，含量98.2％，收率75.0％。
1hnmr(cdcl3)：6.72(m，2h)，6.40(m，1h)；19f-nmr(cdcl3)：58.0。
实施例7
一种氟磺酸甲酯的制备方法，包括以下步骤：在500ml的ptfe反应器中加入261.0g氯磺酸甲酯，开启搅拌。投入10g硫酸双三氟乙醇酯，升温至80℃，匀速通入约40g无水氟化氢气体，维持反应温度在80±5℃，反应8小时，停止反应，氮气脱除氟化氢，常压蒸馏，收集92-93℃的馏分173.4g，纯度99.1％，收率75.9％。
1hnmr(cdcl3)：4.13(s，3h)；13c-nmr(cdcl3)：62.5；19f-nmr(cdcl3)：28.8。
实施例8
一种5-二甲氨基-1-萘磺酰氟的制备方法，包括以下步骤：在1000ml的ptfe反应器中加入135.0g5-二甲氨基-1-萘磺酰氯，200g四氢呋喃，开启搅拌。投入10gn-二甲氨基磺酸甲酯，升温至60℃，匀速滴加100g含20％氟化氢的四氢呋喃溶液，回流反应8小时，停止反应。加入乙酸乙酯和水，分层后蒸馏脱除溶剂，然后加入甲苯回流，冷却结晶，干燥后得到5-二甲氨基-1-萘磺酰氟92.5g，纯度99.2％，收率73.0％。
13c-nmr(cdcl3)：152.5，138.8，132.0，131.2，128.2，123.5，119.0，116.0，45.0；19f-nmr(cdcl3)：64.9。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对发明作其他形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或更改为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改，等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。