Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПЕРФТОРДОДЕКАНА

Предлагаемое изобретение относится к способам получения перфторалканов, в частности перфтордодекана, которые могут быть использованы для создания смазок, изоляционных материалов, а также в медицине.

Так при производстве хладагентов широко применяются фреоны (R-14, R-116, R-218, R-C318), в составе специальных растворителей для фторорганических соединений применяются такие фторалканы, как перфторгексан и перфтороктан.

Наибольший интерес для рассматриваемого объекта представляет применение перфторалканов, и непосредственно перфтордодекана, в медицине в качестве контрастных агентов в МРТ-диагностике в составе наноэмульсий (US 2012088261 (A1), C12Q 1/02, 2012).

Перфторалканы, как известно, представляют собой алканы, в которых атомы водорода полностью замещены атомами фтора. Объектом предлагаемого изобретения является перфтордодекан, имеющий следующую структурную формулу:

Одним из известных методов получения перфторалканов является метод прямого фторирования фтором, осуществляемый в среде гелия, что, в свою очередь, способствует понижению температуры реакции (Современные методы фторирования органических соединений, Г.Г. Фурин, А.А. Файзильберг, Москва, Наука, 2000, 239 стр.). Основной недостаток данного метода - это опасность его осуществления из-за использования высоко реакционноспособного фтора. В качестве фторирующего агента при получении перфторалканов фторированием алканов также предлагается использовать трифторид кобальта (Haszeldine R.N.; Smith F.; Journal of the Chemical Society; (1950); p. 3617-3621). Но из-за труднодоступности трифторида кобальта данный процесс является неэкономичным и промышленно вряд ли осуществимым.

Наиболее применимым методом синтеза перфторалканов является метод, основанный на реакции нуклеофильного замещения галогена перфторалкилгалогенидов. Этот метод применен в известном способе (CN 105481637, С07С 17/20, 2015) и рассматривается, в том числе на примере синтеза перфтордодекана. В цитируемом способе для синтеза перфтордодекана в качестве исходного перфторалкилгалогенида используется перфтордодецилбромид, а в качестве фторирующего реагента используется фторид натрия, предварительно обработанный фтор-азотной газовой смесью под давлением. Исходный перфтордодецилбромид добавляют к фториду натрия в молярном соотношении, соответственно равном 0,5-1:1, и реакцию проводят в растворе диоксана при 150-200°С в течение 5-10 часов. Целевой перфторалкан выделяют перегонкой. Основные недостатки данного способа заключаются в использовании высоко реакционноспособного фтора и довольно жестких условий проведения реакции (высокое давление и высокая температура).

Еще один метод, применямый для синтеза перфторалканов, это метод гомосочетания. Он применен в другом известном способе получения перфторалканов, включая перфтордодекан (CN 102643157, С07С 17/269, 2012). В этом способе реакцию гомосочетания перфторалкилгалогенидов предлагается осуществлять в среде уксусного ангидрида в присутствии магниевого, медного или цинкового порошка. Для этого перфторалкил йодид растворяют в уксусном ангидриде в молярно-объемном соотношении 1:40 моль/мл - 1:150 моль/мл, добавляют металлический порошок (магния или меди, или цинка) в молярном соотношении к перфторалкил иодиду, равном 0.6-1:1 и нагревают реакционную массу при 60°С-90°С в течение 3-5 часов. Получаемый перфторалкан выделяют перегонкой при пониженном давлении. Недостаток рассматриваемого способа - использование пожароопасных металлических порошков и уксусного ангидрида, который относится к прекурсорам наркотических средств.

Метод гомосочетания применяется и в способе получения перфтордодекана из перфторгексилиодида, осуществляемом в присутствии кадмия в растворе ацетонитрила (Nair, Haridasan K.; Burton, Donald J.; Journal of Fluorine Chemistry; vol. 60; nb. 1; (1993); p. 1-12). Процесс синтеза, согласно цитируемой публикации, проводят по следующей схеме: к суспензии порошкообразного кадмия в ацетонитриле при перемешивании в атмосфере азота добавляют перфторгексилиодид в количестве, соответствующем мольному соотношению последнего к кадмию, равном 0.896:1, затем полученную реакционную массу кипятят 30-35 минут, охлаждают до комнатной температуры и добавляют в смесь 1,1,2-трифтор-1,2,2,-трихлорэтана с 2-х молярной соляной кислотой, после чего перемешивают и отфильтровывают выпавший осадок, а фильтрат отделяют от водного слоя, концентрируют на роторном испарителе и полученный твердый продукт подвергают возгонке при температуре 50°С/0.005 мм рт.ст. Для охлаждения приемника при сублимации используется смесь сухого льда с изопропанолом. Выход перфтордодекана 67%.

Основной недостаток данного способа - это использование в процессе высокотоксичного кадмия, а также 1,1,2-трифтор-1,2,2,-трихлорэтана (CFCl₂CF₂Cl) в качестве экстрагента и пожароопасного ацетонитрила. Кроме того, способ трудоемок из-за использования стадии возгонки при высоком вакууме (0.005 мм рт.ст).

Целью предлагаемого способа является устранение указанных выше недостатков аналогов и разработка технологичного процесса, удовлетворяющего требованиям по безопасности и экологии, а также обеспечивающего получение чистого перфтордодекана с высоким выходом.

Для достижения вышеназванной цели предлагается Способ получения перфтордодекана гомосочетанием 1-иодперфторгексана, осуществляемый в присутствии трифенилфосфина при мольном соотношении 1-иодперфторгексана к трифенилфосфину, равном 1.05-2.1:1, при кипячении реакционной смеси в течение 15-19 часов в атмосфере аргона с последующим разбавлением ее толуолом, фильтрацией осадка и промывкой его толуолом, затем последовательной обработкой выделенного толуольного раствора водным раствором разбавленной соляной кислоты, разбавленным водным раствором гидроокиси натрия и водой до установления нейтрального рН, последующим концентрированием раствора на роторном испарителе и перегонкой при 175-180°С.

В предлагаемом способе, в отличие от прототипа, гомосочетание протекает в присутствии трифенилфосфина, играющего роль акцептора атомов иода. Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что основная стадия процесса осуществляется в отсутствии растворителя, в то время как в способе-прототипе процесс на всех стадиях осуществляется с использованием растворителей (1,1,2-трифтор-1,2,2,-трихлорэтана и ацетонитрила). Толуол в качестве растворителя в предлагаемом способе используется только на стадии обработки реакционной смеси.

При выборе оптимальных условий осуществления предлагаемого способа были осуществлены другие варианты реакционной среды при использовании таких растворителей как диоксан или толуол при сохранении других условий процесса. Но в обоих случаях был выделен практически только исходный продукт-иодперфторгексан.

Существенную роль на эффективность предлагаемого способа оказывают температурно-временные режимы: кипячение реакционной смеси в течение 15-19 часов; а также изменение соотношения реагентов. Так при осуществлении реакции в течение 10 часов выход конечного продукта снижается до 52%, что подтверждено дополнительным примером.

Процесс осуществляется в атмосфере аргона для предотвращения протекания побочных процессов.

При соблюдении всех признаков способа получается продукт с температурой плавления 75-77°С и выходом 88-93%. Строение и степень чистоты целевого продукта подтверждены данными ¹⁹F ЯМР:

¹⁹F-NMR (283 MHz, CDCl₃) δ, m.d: -80.62--80.94 (m, 3F), -111.20 (t, J=15.5 Hz, 2F), -121.19--121.76 (m, 4F), -122.58--123.03 (m, 2F), -126.12 (m, 2F).

Ниже предлагаемое изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1.

Раствор 7.87 г (30.00 ммоль) трифенилфосфина в 14.05 г (31.50 ммоль) 1-иодперфторгексана (мольное соотношение 1:1,05) перемешивают при кипячении с обратным холодильником в атмосфере аргона. Реакцию проводят в течение 19 часов, после чего добавляют толуол (80 мл) к реакционной смеси. Полученное твердое вещество отфильтровавают, промывают два раза толуолом и выделяют трифенилфосфин дийодид (Ph₃PI₂) (8.87 г, 64%). Затем органический слой последовательно промывают 5%-ной соляной кислотой, затем 5%-ной гидроокисью натрия NaOH и водой до нейтрального рН, после чего концентрируют на роторном испарителе. Полученный маслообразный продукт перегоняют при 175-180°С и получают перфтордодекан в виде белого твердого вещества (8.83 g, m. p. 75-77°С). Выход 93%.

Пример 2. Процесс синтеза проводят аналогично примеру 1, но только реакцию гомосочетания проводят в течение 15 часов, после чего добавляют толуол и обрабатывают реакцию как в примере 1, выход перфтордодекана - 8.46 гр (89%).

Пример 3

Раствор 5.25 г (20.00 ммоль) трифенилфосфина в 18.73 г (42.00 ммоль) 1-иодперфторгексана (мольное соотношение 1:2.1) перемешивают при кипячении с обратным холодильником в атмосфере аргона. Реакцию проводят в течение 15 часов, после чего добавляют толуол (80 мл) к реакционной смеси. Полученное твердое вещество отфильтровают, промывают два раза толуолом. Затем органический слой последовательно промывают 5%-ной соляной кислотой, затем 5%-ной гидроокисью натрия NaOH и водой до нейтрального рН, после чего концентрируют на роторном испарителе. Полученный маслообразный продукт перегоняют при 175-180°С и получают перфтордодекан в виде белого твердого вещества (8.69 г, т. пл. 75-77°С). Выход 68%.

Пример 4

Раствор 5.25 г (20.00 ммоль) трифенилфосфина в 18.73 г (42.00 ммоль) 1-иодперфторгексана (мольное соотношение 1:2.1) перемешивают при кипячении с обратным холодильником в атмосфере аргона. Реакцию проводят в течение 10 часов, после чего добавляют толуол (80 мл) к реакционной смеси. Полученное твердое вещество отфильтровавают, промывают два раза толуолом. Затем органический слой последовательно промывают 5%-ной соляной кислотой, затем 5%-ной гидроокисью натрия NaOH и водой до нейтрального рН после чего концентрируют на роторном испарителе. Полученный маслообразный продукт перегоняют при 175-180°С и получают перфтордодекан в виде белого твердого вещества (6.71 г, т. пл. 75-77°С). Выход 52%.

Данный пример приводится для обоснования интервала времени (15-19 часов), выбранного для оптимального проведения процесса гомосочетания. Как видно из последнего примера, в случае проведения стадии синтеза в течение 10 часов, при сохранении всех остальных параметров процесса, происходит резкое снижение выхода целевого продукта (до 52%).