[发明专利]一种由半导体催化芳烃或杂环芳烃三氟甲基化的方法

说明书

技术领域

本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种由半导体催化芳烃或杂环芳烃三氟甲基化的方法。

背景技术

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。

目前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苯。该方法步骤繁多，环境污染大。近些年来，芳烃与杂环芳烃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。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。

光催化技术是利用光作为驱动力，可以克服一些传统热反应过程中需要的苛刻条件，或者完成一些热力学禁阻的反应。2011年，MacMillan等人首次成功将光催化技术应用到了芳烃与杂环芳烃的三氟甲基化反应中( David A.Nagib, MacMillan. Trifluoromethylation of arenes and heteroarenes by means of photoredox catalysis. Nature 480. 224-228 (2011))，其利用联吡啶钌作为光催化剂，以三氟甲烷磺酰氯为三氟甲基来源，在可见光下实现了芳烃与杂环芳烃C-H键的直接三氟甲基化，不仅条件温和，适用于在反应的后续过程中引入三氟甲基，同时产率高，底物适用性好。该反应体系虽然极大地发挥了光催化技术的优势，然而却受限于两点使其难以大规模实际应用：第一，以昂贵且毒性较大的均相催化剂联吡啶钌作为光催化剂，催化剂难以分离；第二，以不稳定的三氟甲烷磺酰氯作为三氟甲基来源，三氟甲烷磺酰氯极易水解，难以在普通大气环境中操作。

半导体光催化剂近40年来发展迅速，其光催化作用机制是建立在光激发后产生具有还原性的光生电子与氧化性的光生空穴，利用电子与空穴完成氧化还原反应，电子与空穴的还原与氧化能力受限于半导体自身的能带结构。与均相的光敏剂如染料，联吡啶钌等相比，半导体不仅同样可以引发氧化还原反应，同时具有非均相催化剂稳定且易分离的优点，更适合大规模的实际生产应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种由半导体催化芳烃或杂环芳烃三氟甲基化的方法，其是利用半导体作为可见光催化剂，三氟甲基亚磺酸钠（CF₃SO₂Na）作为三氟甲基前驱体，乙腈作为溶剂，实现芳烃与杂环芳烃C-H键的直接三氟甲基化。其为芳烃与杂环芳烃三氟甲基化这一重要的有机反应提供了一种更加温和有效的催化方法，并进一步丰富了半导体光催化技术在有机合成领域的应用。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种由半导体催化芳烃或杂环芳烃三氟甲基化的方法，是采用三氟甲基亚磺酸钠作为三氟甲基来源，乙腈作为溶剂，在室温下，以可见光作为驱动力，采用半导体光催化剂催化芳烃或杂环芳烃的C-H键直接进行三氟甲基化反应。

所述半导体光催化剂需具备合适的能带位置，即其导带电势E_CB<-0.33 vsNHE，价带电势E_VB>0.6V，适用的半导体光催化剂包括硫化镉、石墨相氮化碳。

该方法的操作包括以下步骤：

1）在0.3-0.8mmol三氟甲基亚磺酸钠中加入1-5mL乙腈，搅拌使三氟甲基亚磺酸钠溶解；

2）将步骤1）所得溶液移至装有10-20mg半导体光催化剂的反应器中，并向反应器中鼓入氧气30min，使溶液中氧气达到饱和，再加入0.2-0.5mL的芳烃或杂环芳烃，混匀后将反应器密封，300W氙灯下可见光光照24h。