張廣宇，李偉，王飛，何雙材，倪航*

(1.浙江省化工研究院有限公司,浙江 杭州 310023；2.含氟溫室氣體替代及控制處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310023)

在當(dāng)今數(shù)字經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，數(shù)據(jù)中心作為數(shù)據(jù)處理、儲(chǔ)存和傳遞信息的載體正處于高速發(fā)展的狀態(tài)。隨著數(shù)據(jù)中心的發(fā)展，其能耗問(wèn)題日益嚴(yán)峻，降低數(shù)據(jù)中心電能使用效率值（power usage effectiveness,PUE）顯得尤為重要。在數(shù)據(jù)中心的能耗中，用于冷卻或移熱的能耗占40%左右[1]，因此亟需開(kāi)發(fā)新型散熱技術(shù)以降低數(shù)據(jù)中心的能耗。目前，數(shù)據(jù)中心主要有風(fēng)冷與液冷兩種散熱途徑，液體的比熱容為空氣的1000～3500 倍[2-3]，導(dǎo)熱性能是空氣的15～25 倍[4]，因此，與傳統(tǒng)的風(fēng)冷和自然冷卻技術(shù)相比，浸沒(méi)式液冷技術(shù)有著巨大的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)新型的浸沒(méi)式液冷技術(shù)，解決當(dāng)前數(shù)據(jù)中心散熱困難的技術(shù)難題，是數(shù)據(jù)中心綠色低碳發(fā)展的必然選擇。

與汽車空調(diào)的冷卻液不同，數(shù)據(jù)中心浸沒(méi)式冷卻液需要直接與電子器件接觸，故對(duì)冷卻液的絕緣性、傳熱性等性能有著嚴(yán)格的要求。氟原子半徑小，負(fù)電荷較為集中，具有較低的原子極化率[5-7]。因此，氟取代可以顯著降低化合物分子的極化率，從而降低其介電常數(shù)。研究認(rèn)為，化合物中的氟元素質(zhì)量百分含量和分子體積極化率是影響介電常數(shù)的主要因素[8]。通常，化合物中氟元素的質(zhì)量百分含量越高，其介電常數(shù)越小；分子體積極化率越小，其介電常數(shù)越?。ㄝ^小的介電常數(shù)代表其具有更好的絕緣性能）。含氟烯烴類化合物通常具有良好的絕緣性能。由于該類化合物含有碳碳雙鍵，與OH 自由基的反應(yīng)活性較強(qiáng)，所以其大氣壽命較短，全球增溫潛能值（global warming potential,GWP）較低，是一種較為理想的液冷工質(zhì)。近幾年來(lái)，許多含氟烯烴類化合物已經(jīng)作為浸沒(méi)式液冷工質(zhì)的主要成分較好地應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心液冷技術(shù)中[9]。

在該類化合物的基礎(chǔ)上，可以通過(guò)過(guò)渡金屬催化（transition-metal catalysis，TMC）或親核烯基取代反應(yīng)（nucleophilic vinylic substitution reaction，SNV）等方式實(shí)現(xiàn)C-F 官能化，對(duì)含氟烯烴分子進(jìn)一步修飾，以提高其性能，進(jìn)一步優(yōu)化性能指標(biāo)。與過(guò)渡金屬催化相比，親核乙烯基取代反應(yīng)具有反應(yīng)條件溫和、綠色環(huán)保等特點(diǎn)，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。本文主要綜述幾類含氟烯烴的親核烯基取代反應(yīng)，并對(duì)該類反應(yīng)的應(yīng)用提出新的展望。

1 全氟烷基化反應(yīng)

在烯烴中引入全氟烷基可以增加化合物的穩(wěn)定性，該方法得到了越來(lái)越多的關(guān)注。在液冷工質(zhì)的合成中，全氟烷基化反應(yīng)在增加液冷工質(zhì)的穩(wěn)定性與沸點(diǎn)方面發(fā)揮著較大的作用。

例如，在化合物中引入三氟甲基，可以增強(qiáng)化合物的化學(xué)穩(wěn)定性、代謝穩(wěn)定性，該反應(yīng)在藥物合成等領(lǐng)域有著較大的應(yīng)用價(jià)值[10-12]。目前,合成三氟甲基化合物的策略主要有兩種: 三氟甲基砌塊法和三氟甲基試劑法[13]。其中，三氟甲基砌塊法是將含三氟甲基的有機(jī)小分子作為合成砌塊,經(jīng)過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)合成含三氟甲基的目標(biāo)產(chǎn)物；三氟甲基試劑法利用含有三氟甲基的試劑，通過(guò)親核取代反應(yīng)[14]、親電反應(yīng)[15]與自由基反應(yīng)[16]等方式直接向有機(jī)物分子中引入三氟甲基。該方法可以直接在化合物中引入三氟甲基，增強(qiáng)化合物的穩(wěn)定性，適用于含氟烯烴型液冷工質(zhì)的修飾與衍生化過(guò)程。

根據(jù)反應(yīng)中間體電性的差異，可以將三氟甲基化試劑分為親核型三氟甲基化試劑、親電型三氟甲基化試劑、自由基型三氟甲基化試劑（Scheme 1）。其中，Ruppert-Prakash 試劑[17-18]作為重要的親核型三氟甲基化試劑，可以較好地應(yīng)用于含氟烯烴的烷基化反應(yīng)中。

Scheme 1 常見(jiàn)三氟甲基化試劑

Ruppert-Prakash 試劑有著較長(zhǎng)的研究歷史，作為一種常用的親核全氟烷基化試劑，Me3SiCF3及其同系物廣泛應(yīng)用于親核取代、親核加成等重要的反應(yīng)中。由于Si-O、Si-F 的鍵能很大，硅原子具有較強(qiáng)的親氟性和親氧性，通常需要使用以氟或氧作為負(fù)電中心的Lewis 堿活化三氟甲基硅試劑。1989 年，Olah 等[19]以四丁基氟化銨為L(zhǎng)ewis堿、四氫呋喃為溶劑，在室溫下實(shí)現(xiàn)了羰基化合物的三氟甲基化反應(yīng)，并且詳細(xì)研究了該類反應(yīng)的機(jī)理，為Ruppert-Prakash 試劑的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)（Scheme 2）。

Scheme 2 羰基化合物的三氟甲基化反應(yīng)及其機(jī)理

與羰基化合物的三氟甲基化反應(yīng)條件類似，2016 年，Ono 等[20]以氟化氫鉀為催化劑、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）為溶劑、Me3SiCF3為三氟甲基化試劑，在室溫下實(shí)現(xiàn)了氟代烯烴的三氟甲基化反應(yīng)。探索了溶劑在三氟甲基化中的作用，發(fā)現(xiàn)非質(zhì)子極性溶劑如DMF、DMA（N,N-二甲基乙酰胺）、NMP（1-甲基2-吡咯烷酮）、CH3CN、六氟丙烯三聚體和DMI（1,3-二甲基-2-咪唑啉酮）都可用于三氟甲基化反應(yīng)，而DME（乙二醇二甲醚）和六氟丙烯二聚體則無(wú)法適用于該反應(yīng)。

此外，溶劑的類型也會(huì)影響三氟甲基化的結(jié)果，當(dāng)使用DMF 作為溶劑時(shí)，除主要的單三氟甲基化產(chǎn)物外，還會(huì)以13%的產(chǎn)率得到雙三氟甲基化的產(chǎn)物；當(dāng)使用DMI 作為溶劑時(shí)，雙三氟甲基化反應(yīng)被抑制，從而高選擇性地得到單三氟甲基化的產(chǎn)物，這也說(shuō)明DMI 的溶劑效應(yīng)會(huì)影響三氟甲基化的過(guò)程（Scheme 3）。

Scheme 3 Ruppert-Prakash 試劑與六氟丙烯三聚體的反應(yīng)

結(jié)合羰基化合物的三氟甲基化反應(yīng)，可以推測(cè)，該反應(yīng)經(jīng)歷了與Scheme 2 類似的Lewis 堿活化Me3SiCF3-親核取代反應(yīng)-中間體活化Me3SiCF3的催化循環(huán)過(guò)程，即氟負(fù)離子與親氟性較強(qiáng)的硅原子形成高鍵能的Si-F 鍵后，游離出的三氟甲基負(fù)離子作為親核試劑與含氟烯烴進(jìn)行親核烯基取代反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)烯烴的三氟甲基化（Scheme 4）。同時(shí)，除主產(chǎn)物外，反應(yīng)中也生成了烯烴的異構(gòu)化副產(chǎn)物，證明了親核烯基取代反應(yīng)中加成-消除機(jī)理的存在。

Scheme 4 Ruppert-Prakash 試劑與六氟丙烯三聚體的反應(yīng)機(jī)理

游離出的三氟甲基負(fù)離子在室溫下不穩(wěn)定且易于分解[14]，故Me3SiCF3的用量可以影響反應(yīng)的產(chǎn)率。當(dāng)增大Me3SiCF3的用量時(shí)，游離出的三氟甲基負(fù)離子數(shù)量增多，反應(yīng)產(chǎn)率明顯提高。該方法可以較好地應(yīng)用于氟代烯烴的衍生化反應(yīng)，適用于含氟烯烴型液冷工質(zhì)的衍生化反應(yīng)。

與氟化鉀、氟化氫鉀等無(wú)機(jī)鹽類似，含氟有機(jī)物也可以作為L(zhǎng)ewis 堿活化Ruppert-Prakash試劑。2015 年，曹松等[21]報(bào)道了TBAF（四丁基氟化銨）催化的偕二氟烯烴三氟甲基化反應(yīng)，該反應(yīng)在溫和的反應(yīng)條件下順利進(jìn)行，在不使用金屬催化劑的情況下，可以獲得中等到良好的產(chǎn)率，得到偕二氟烯烴的單三氟甲基化、雙三氟甲基化產(chǎn)物（Scheme 5）。

Scheme 5 偕二氟烯烴的全氟烷基化反應(yīng)

偕二氟烯烴對(duì)親核試劑具有獨(dú)特的反應(yīng)性，在有機(jī)合成中發(fā)揮著重要的作用[22-23]。與六氟丙烯三聚體不同，該類化合物烯烴端基的兩個(gè)氟原子均可以被三氟甲基負(fù)離子取代。當(dāng)使用1.0 mmol 的偕二氟烯烴，1.2 mmol 的三氟甲基試劑時(shí)，可以最高85%的產(chǎn)率得到單三氟甲基化產(chǎn)物；當(dāng)使用1.0 mmol 的偕二氟烯烴，3.0 mmol 的三氟甲基試劑時(shí)，可以獲得較好產(chǎn)率的雙三氟甲基化產(chǎn)物。與三氟甲基相比，氟原子的吸電子能力更強(qiáng)，因此偕二氟烯烴更易被親核試劑進(jìn)攻，三氟甲基化的過(guò)程更易進(jìn)行。與Scheme 3 中六氟丙烯三聚體相比，當(dāng)使用相似量的三氟甲基試劑時(shí)，Scheme 5 中偕二氟烯烴的三氟甲基化產(chǎn)物的產(chǎn)率明顯較高。

Scheme 6 Cs2CO3 催化的三氟甲基化反應(yīng)

Scheme 7 高選擇性的三氟甲基化反應(yīng)

五氟乙基在許多藥物和農(nóng)用化學(xué)品中發(fā)揮著重要的作用，構(gòu)建Cvinyl-CF2CF3鍵的方法也得到了越來(lái)越多的關(guān)注[24]。在與含氟烯烴的三氟甲基化反應(yīng)相似的條件下，偕二氟烯烴也可與三甲基硅基五氟乙基試劑反應(yīng)，得到五氟乙基化產(chǎn)物；當(dāng)五氟乙基化試劑用量增多時(shí)，也會(huì)得到雙五氟乙基化的產(chǎn)物。

含氟有機(jī)化合物四丁基氟化銨也可以作為引發(fā)劑促進(jìn)三氟甲基化與五氟乙基化反應(yīng)，全氟烷基化反應(yīng)拓展到芳香體系中，進(jìn)一步擴(kuò)大了該反應(yīng)在有機(jī)合成中的應(yīng)用范圍。

除含氟化合物外，一些其他的Lewis 堿也可以作為引發(fā)劑促進(jìn)三氟甲基化反應(yīng)。鄧清海等[25]報(bào)道了不含氟的Lewis 堿催化含氟烯烴的三氟甲基化反應(yīng)。在篩選了多種不含氟的Lewis 堿后，發(fā)現(xiàn)由于硅原子具有較好的親氧性[26-28]，催化量的含氧陰離子鹽可以較好地活化Me3SiCF3，以保持足夠高的親核陰離子濃度，促進(jìn)偕二氟烯烴的親核加成反應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)三氟甲基化反應(yīng)進(jìn)行。

與羰基化合物的三氟甲基化反應(yīng)類似，該反應(yīng)也經(jīng)歷了Lewis 堿活化Me3SiCF3的過(guò)程，隨后游離出三氟甲基負(fù)離子與偕二氟烯烴進(jìn)行親核烯基取代反應(yīng)，得到碳負(fù)離子中間體。與前述各類三氟甲基化反應(yīng)類似，由于Si-F 鍵鍵能大于Si-C 鍵，所以另一分子的Me3SiCF3可以較好地與碳負(fù)離子中間體反應(yīng)，以促進(jìn)碳負(fù)離子中間體的β-氟消除反應(yīng)，生成最終產(chǎn)物。使用Cs2CO3作為催化劑，可以減少含氟化合物的用量，一定程度上減少對(duì)于環(huán)境的危害。該反應(yīng)可以較為容易地放大到克量級(jí)，并以中等至優(yōu)異的產(chǎn)率制備多種單氟烯烴。

同時(shí)，該工作通過(guò)NOESY(1H-19F)譜圖進(jìn)一步研究了反應(yīng)中的E/Z 選擇性，通過(guò)研究不同類型的偕二氟烯烴的三氟甲基化反應(yīng)，可以發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)物以三氟甲基與芳基異側(cè)的構(gòu)型為主。針對(duì)該現(xiàn)象，對(duì)反應(yīng)的中間體進(jìn)行了構(gòu)象分析（Scheme 7），Scheme 6 中的碳負(fù)離子中間體可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)形成Scheme 7 中A、B 兩種構(gòu)象。在構(gòu)象A 中，三氟甲基基團(tuán)與芳基相鄰，由于三氟甲基基團(tuán)與芳基間的電子與空間排斥，該構(gòu)象的穩(wěn)定性較差；而在構(gòu)象B 中，三氟甲基基團(tuán)與芳基距離較大，較為穩(wěn)定，故碳負(fù)離子中間體傾向于經(jīng)構(gòu)象B 進(jìn)行β-氟消除反應(yīng)，進(jìn)而以較好的E/Z 選擇性得到三氟甲基化產(chǎn)物。

通過(guò)上述各類方法，可以獲得較好的產(chǎn)率，得到含氟烯烴的三氟甲基化產(chǎn)物，并且該類方法均無(wú)需使用金屬催化，在較為溫和的條件下即可得到三氟甲基化產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)了Cvinyl-CF3鍵與Cvinyl-CF2CF3的構(gòu)建和含氟烯烴的官能化。

2 烷基化反應(yīng)

與三氟甲基化反應(yīng)類似，使用格氏試劑或甲基鋰等試劑作為烷基化試劑，通過(guò)含氟烯烴的親核烯基取代反應(yīng)，可以實(shí)現(xiàn)烷基化反應(yīng)，該類方法也有較長(zhǎng)的研究歷史，是比較經(jīng)典的有機(jī)合成方法之一。Dixon[29]報(bào)道了芳基鋰試劑與全氟乙烯的反應(yīng)，蔣錫夔等[30]報(bào)道了芳基格氏試劑與全氟乙烯的反應(yīng)（Scheme 8）。與上述方法類似，通過(guò)烷基鋰試劑或烷基格氏試劑與全氟烯烴的反應(yīng)，可以在含氟烯烴中引入烷基。

Scheme 8 全氟烯烴的芳基化反應(yīng)

通過(guò)烷基化反應(yīng)，可以進(jìn)一步增加含氟烯烴的支鏈，不僅對(duì)研究含氟化合物的性質(zhì)和反應(yīng)性有一定的作用，而且對(duì)設(shè)計(jì)新的功能性含氟化合物有重要意義。同時(shí)，對(duì)于液冷工質(zhì)領(lǐng)域而言，盡管全氟化合物（PFCs）具有優(yōu)異的絕緣性能，但具有持久性和生物累積性，有一定的弊端，因此，作為PFCs 的潛在代替品，氫氟化合物具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

Ogoshi 等[31]分別使用烷基格氏試劑甲基氯化鎂與乙基鋅作為烷基化試劑，在氯化鋰或碘化鋰催化下，實(shí)現(xiàn)了全氟乙烯的烷基化反應(yīng)（Scheme 9）。使用叔丁基異腈作為非質(zhì)子溶劑，碘化鋰作為催化劑，乙基鋅試劑作為烷基化試劑，以中等的產(chǎn)率實(shí)現(xiàn)全氟乙烯的烷基化反應(yīng)。然而，當(dāng)使用格氏試劑乙基氯化鎂和叔丁基氯化鎂作為烷基化試劑時(shí)，僅以13%和22%的產(chǎn)率得到其烷基化產(chǎn)物，對(duì)于格氏試劑的應(yīng)用還有待于進(jìn)一步探索。

Scheme 9 全氟乙烯的烷基化反應(yīng)

Nishida 等[32-33]以六氟丙烯三聚體為原料，以格氏試劑或甲基鋰試劑作為烷基化試劑，實(shí)現(xiàn)了全氟烯烴的甲基化反應(yīng)（Scheme 10），并且結(jié)合核磁共振譜圖[34]與密度泛函理論（density functional theory，DFT）計(jì)算，確定了產(chǎn)物結(jié)構(gòu)并詳細(xì)地研究了該反應(yīng)的機(jī)理和副產(chǎn)物產(chǎn)生的途徑，為今后的研究提供了理論支持。

Scheme 10 六氟丙烯三聚體與的甲基化反應(yīng)

該工作詳細(xì)研究了六氟丙烯三聚體的甲基化反應(yīng)，并結(jié)合核磁共振氟譜與B3LYP-GIAO 計(jì)算方法提供的核磁共振屏蔽數(shù)據(jù)，仔細(xì)分析產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，推測(cè)其產(chǎn)生的機(jī)理，探究甲基化試劑的種類與用量對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響。

以六氟丙烯三聚體全氟（4-甲基-3-異丙基-2-戊烯）為例（Scheme 10），當(dāng)使用甲基氯化鎂或甲基鋰作為甲基化試劑時(shí)，六氟丙烯三聚體會(huì)經(jīng)歷途徑A 或B 兩種β-氟消除途徑，得到不同的甲基化產(chǎn)物，CH3Li 用量的增加會(huì)導(dǎo)致單甲基化化合物的產(chǎn)率顯著降低，環(huán)化產(chǎn)物的產(chǎn)率急劇增加。同時(shí)，當(dāng)甲基化試劑用量加大時(shí)，會(huì)得到多種多甲基化產(chǎn)物，這也說(shuō)明甲基化試劑具有較高的活性，且其用量與種類對(duì)于反應(yīng)結(jié)果有重要的影響。

該工作系統(tǒng)性地研究了含氟烯烴的甲基化過(guò)程，證明了烯烴的氟取代對(duì)于甲基化反應(yīng)的影響，同時(shí)，結(jié)合核磁共振氟譜與DFT 計(jì)算，分析甲基化過(guò)程中產(chǎn)物與副產(chǎn)物的產(chǎn)生途徑，為含氟烯烴的甲基化反應(yīng)提供了理論支持和參考依據(jù)。

在金屬催化劑存在下，含氟烯烴也可以與格氏試劑進(jìn)行偶聯(lián)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)含氟烯烴的烷基化反應(yīng)。曹松等[35]報(bào)道了銅催化的含氟烯烴偶聯(lián)反應(yīng)，在25 mol%的CuCN 存在下，偕二氟烯烴可以順利地進(jìn)行烷基化反應(yīng)，從而以良好到優(yōu)異的產(chǎn)率得到各類烷基化的含氟烯烴，并且該反應(yīng)具有優(yōu)異的Z 立體選擇性，產(chǎn)物均為單一構(gòu)型（Scheme 11）。與Scheme 7 中高選擇性的三氟甲基化反應(yīng)相似，該反應(yīng)的Z/E 選擇性也是由取代基的空間位阻控制。

Scheme 11 含氟烯烴的偶聯(lián)反應(yīng)

在無(wú)過(guò)渡金屬催化的條件下，伯烷基格氏試劑與偕二氟烯烴反應(yīng)，得到Z、E 兩種構(gòu)型的烷基化產(chǎn)物，且Z/E 比約為1：1。而在銅催化的條件下，會(huì)以較好的選擇性得到Z 構(gòu)型的產(chǎn)物。

通過(guò)上述各類反應(yīng)，可在含氟烯烴中引入各類烷基，拓展其應(yīng)用價(jià)值與應(yīng)用范圍。同時(shí)，通過(guò)該方法，可以增長(zhǎng)含氟化合物的碳鏈長(zhǎng)度，在提高其沸點(diǎn)、增加其穩(wěn)定性方面有重要的用途。

3 總結(jié)與展望

含氟烯烴類化合物具有特殊的性質(zhì)，在制冷工業(yè)、藥物化學(xué)、農(nóng)藥化學(xué)品等領(lǐng)域有著重要的作用。本文主要綜述了各類含氟烯烴的C-F 官能化反應(yīng)，包括三氟甲基化反應(yīng)、五氟乙基化反應(yīng)以及烷基化反應(yīng)，通過(guò)上述方法可在較為溫和的條件下實(shí)現(xiàn)含氟烯烴的官能化反應(yīng)，在含氟烯烴中引入三氟甲基、五氟乙基等全氟烷烴和甲基、乙基等各類烷基，改善了含氟烯烴的應(yīng)用性能，使其能夠更好地應(yīng)用于浸沒(méi)式液冷等領(lǐng)域中，為含氟烯烴的設(shè)計(jì)改進(jìn)方向與其在浸沒(méi)式液冷工質(zhì)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。