32315-10-9 / 三光氣

【背景及概述】^[1][2][3]

重要化學(xué)品光氣和雙光氣在醫(yī)藥、農(nóng)藥、有機中間體合成及高分子材料合成中應(yīng)用十分廣泛，但是，由于自身性質(zhì)其使用受到很大限制。光氣為氣體，雙光氣為液體、二者沸點低，揮發(fā)性大，劇毒，是非常危險的化學(xué)品，在很多國家已經(jīng)禁止或限制其使用。二者特別是光氣不易運輸儲存，只能在廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)用現(xiàn)制。因而，迫于有機化學(xué)工業(yè)的需要，急需研究其代用品，三光氣就是其理想代用品。

三光氣是化學(xué)名為二(三氯甲基)碳酸酯的通俗命名，簡稱BTC，其英文命名為Bis(Trichloromethyl)Carbonate，分子式為CO(OCCl₃)₂。CA登記號為32315-10-9。三光氣為白色晶體，熔沸點高，揮發(fā)性低，低毒性，即使在沸點也僅有少量分解，在工業(yè)上僅把它當(dāng)一般毒性物質(zhì)處理；它的合成和參加化學(xué)反應(yīng)所要求的條件都十分溫和，而且選擇性強、收率高、使用安全方便、易運輸儲存。在醫(yī)藥、農(nóng)藥、有機化工和高分子材料等方面可完全取代光氣或雙光氣參與相關(guān)化學(xué)品的合成，這正在得到廣泛的應(yīng)用。三光氣是1880 年首次發(fā)現(xiàn)制得，早在1900年就有使之與胺、醇、酚反應(yīng)的報道，但未引起注意。直到1987年用BTC 作光氣的代用品的論文發(fā)表后才引起重視，近十多年來才有大量文獻報道實驗室和工業(yè)制備BTC 的方法及其在合成重要類型有機化合物中的廣泛應(yīng)用。

【理化性質(zhì)】^[1]

1.物理性質(zhì)

BTC為白色晶體；分子量為296。75；熔點為79～83 ℃；沸點：203 ℃/0.1 MPa，124 ℃/6。6kPa ；固體密度為1.78 g/cm³；熔融密度1.629 g/cm³，可溶于四氯化碳、乙烷、苯、氯仿、乙醚和四氫呋喃等，室溫保存。BTC 穩(wěn)定性很強，在沸點時僅有少量分解，生成氯甲酸三氯甲酯和光氣。

2.化學(xué)活性

BTC 在輔助親核劑Nu（如吡啶，三乙胺等）作用下（與胺反應(yīng)不需要輔助親核試劑），一分子BTC 可生成三分子的活性中間體(ClCONu⁺Cl^-)，可與各種親核體在溫和的條件下就能進行反應(yīng)，反應(yīng)歷程如下圖所示：

【反應(yīng)機理】[2]

三光氣在三乙胺、吡啶、二異丙基乙基胺和二甲基甲酰胺等親核試劑（Nu）作用下，與作用物發(fā)生如下的反應(yīng)：

正是基于這一機理，三光氣可以和醇、醛、胺、酰胺、羧酸、酚、羥胺等多種化合物反應(yīng)，其替代光氣、雙光氣的反應(yīng)類型有氯甲基化、脲化、碳酸酯化、異氰酸酯化、氯化、異腈化、成環(huán)反應(yīng)、醇的氧化等，廣泛用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、顏料及多種高分子材料的合成生產(chǎn)。

【合成】[3]

1.溶劑法

由于四氯化碳溶解氯能力強，又能吸收光電子自由基引發(fā)氯化，更重要是其相對揮發(fā)度比碳酸二甲醋高，蒸發(fā)過程中可迅速移除反應(yīng)熱，從而保證了安全生產(chǎn)。1 9 8 7 年報道溶劑法，將05 mol (45.09 )DMC 溶解于250 mL，外浴10 ~ 20 ℃ 攪拌下用光照通氯氣，反應(yīng)大約2 8 h 完成，反應(yīng)完成后減壓下蒸出溶劑， 得到結(jié)晶性的固體產(chǎn)品，產(chǎn)品真空干燥后得產(chǎn)品14 309（熔點79 ℃），產(chǎn)率97%。1993 年，有人將外浴改為內(nèi)部冷卻裝置改進了之前的方法，反應(yīng)溫度控制在5-10 ℃ ， 反應(yīng)時間縮短為18 h，產(chǎn)率為9 %，反應(yīng)的時間縮短為75 h。

2.本體法

采取在災(zāi)光和紫外光以及中、低溫混合引發(fā)劑的條件下完成氯化反應(yīng)，把反應(yīng)的整個過程分為低、中高溫三個階段，得到的產(chǎn)品幾近純品，熔點80-83 ℃ ， 產(chǎn)率90 % 以上。在此過程中利用了BTC 與甲醇反應(yīng)再次生成DMC。從反應(yīng)的整個過程來看只消耗了甲醇和氯氣 而且可以根據(jù)需要制備DMC，因此此工藝是三光氣合成的理想工藝。但到現(xiàn)在為止循環(huán)工藝的研究再未見報道，更沒有工業(yè)化生產(chǎn)。主要的原因在于三光氣與甲醇反應(yīng)過于復(fù)雜、反應(yīng)時間過長，因此要實現(xiàn)循環(huán)法制備三光氣任務(wù)仍很繁重。

【應(yīng)用】^[2]

1.合成異氰酸酯

光氣和伯胺進行羰基化反應(yīng)，可制備各種異氰酸酯，但是由于光氣難以準確計量，常有副反應(yīng)產(chǎn)生。三光氣是固體，可以準確計量，且采用三光氣代替光氣，其安全性大大提高，因此可以安全地替代光氣。三光氣與胺類化合物的反應(yīng)是應(yīng)用較廣的一個領(lǐng)域，該反應(yīng)選擇性強，有些官能團不需要保護，可直接生成異氰酸酯、脲等化合物。三光氣和各種伯胺進行羰基化反應(yīng)，可合成各種異氰酸酯，反應(yīng)只需準確控制三光氣和胺的配比，就可以得到目標(biāo)產(chǎn)物，且無副產(chǎn)物出現(xiàn)。如三光氣與2，4-二氨基甲苯反應(yīng)可合成2，4-二甲基二異氰酸酯（TDI）；三光氣與4，4’-二氨基二苯基甲烷反應(yīng)可生成4，4’-二苯基甲烷二異氰酸酯（MDI）；三光氣與六亞甲基二胺可生成六亞甲基二異氰酸鈉（HDI）。BTC 進行羰基化反應(yīng)中還能進行環(huán)化縮合反應(yīng)。此類反應(yīng)中，三光氣應(yīng)用很廣，既可以用來制備N-羰基酸酐，也可用來制備各種重要的雜環(huán)化合物和環(huán)狀碳酸酯化合物。前者可用于制備活性氨基酸和多肽化合物，后者可用于制備各種醫(yī)藥、農(nóng)藥中間體。

2.合成聚碳酸酯

合成聚碳酸酯的傳統(tǒng)工藝是以光氣、雙酚A 為原料，二氯甲烷為溶劑來制備。目前聚碳酸酯的合成方法是用酸二苯酯與單體雙酚進行酯交換，它替代了常規(guī)的光氣合成路線，同時實現(xiàn)了兩個綠色學(xué)目標(biāo)：一是不使用有毒有害的原料；二是由于反應(yīng)在熔融狀態(tài)下進行，不使用作為溶劑的可疑的致癌物（甲基氯化物）。如：三光氣與1，4-對苯二酚反應(yīng)可制備熱致變性聚碳酸酯；4，4’-二羥基聯(lián)苯、4，4’-二羥基二苯醚、4，4’-二羥基二苯酮、雙酚A 和4，4’-二羥基二苯砜等二元酚在三光氣存在下能生成熱致變液晶聚碳酸酯；用三光氣與雙酚A 的0，0’-亞甲基橋二聚物進行溶液縮聚作用能生成雙酚A 聚碳酸酯共聚物；以三光氣和雙酚A 為單體，采用界面縮聚的方法合成高分子質(zhì)量的聚碳酸酯；用三光氣還可制備熱塑性聚碳酸酯及聚碳酸酯—苯乙烯—丙烯腈的三元共聚物及其他高分子聚合物、官能團聚苯乙烯等。

3.合成氯甲酸酯

以三光氣和醇或仲胺為原料，在溶劑存在下反應(yīng)生成氯甲酸酯。Eckert 曾用叔醇和官能化的胺化物為溶劑，可以高產(chǎn)率地合成氯甲酸酯。其首先和親核試劑反應(yīng)，形成不穩(wěn)定的中間體，該中間體再與羥基化合物反應(yīng)生成氯甲酸酯。三光氣氯甲酰化反應(yīng)可用在有機合成，制備各種重要的化學(xué)中間體。如：β-內(nèi)酰胺抗生素前驅(qū)體的合成、陽離子類脂化合物的合成、活性氨基甲酸酯的合成等。

4.合成酰氯和酸酐

由于三光氣分子中氯含量很高，是一種很好的氯化劑，可用于氯化反應(yīng)。三光氣和羧酸反應(yīng)可制備各種酰氯和酸酐，尤其是芳香酰氯和酸酐。用三光氣合成酰氯和酸酐，其反應(yīng)溫和、后處理方便、污染小、產(chǎn)率高。

5.合成醫(yī)藥及醫(yī)藥中間體

三光氣可用來代替光氣和二光氣合成藥物及醫(yī)藥中間體。如采用三光氣代替氯甲酸三氯甲酯與三苯基氮卓反應(yīng)合成甲酰胺苯卓，用于抗抑郁和鎮(zhèn)痛藥卡馬西平的合成；用三光氣與N-乙基氧哌嗪反應(yīng)合成N-乙基氧哌嗪酰氯，用于氧哌嗪青霉素側(cè)鏈中間體的合成；用三光氣替代光氣和氯甲酸三氯甲酯與鄰氨基苯甲酰胺作用用于降壓藥物喹唑啉二酮的合成。

6.合成農(nóng)藥

三光氣與醇反應(yīng)制得氯甲酸酯，再進一步與相應(yīng)的胺反應(yīng)可制備一系列的氨基甲酸酯類農(nóng)藥。三光氣與二級胺反應(yīng)得氨基酰氯，再與另一分子胺反應(yīng)可制得許多脲類除草劑，如利谷隆等。三光氣與2，6-二氟苯甲酰胺反應(yīng)可制得對應(yīng)的酰基異氰酸酯，它再與合適的胺反應(yīng)，可制備一系列苯甲酰脲類殺蟲劑。同樣，三光氣與磺酰胺也可制得磺酰脲類除草劑。此外，三光氣與1，2-二胺、二醇（硫醇）、氨基醇、氨基酸、氨基酰胺、鄰氨基酚和鄰苯二酚等1，2-雙官能團化合物反應(yīng)生成五元雜環(huán)化合物，它是許多農(nóng)藥的重要中間體。再如利用三光氣與2-氨基-5-甲氧基苯酚環(huán)化反應(yīng)，合成具有殺真菌活性的天然產(chǎn)物6-甲氧基-2，3-二氫苯并噻唑。

【主要參考資料】

[1] 王正平, 劉天才. 三光氣的合成及應(yīng)用[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報, 2001, 22(2): 74-77.

[2] 季寶, 翟現(xiàn)明, 許毅. 三光氣的反應(yīng)機理和應(yīng)用[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟, 2009 (10): 136-137.

[3] 薛建, 莫衛(wèi)民, 孫楠, 等. 三光氣的性質(zhì)與制備[J]. 聊城大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2003, 16(4): 107-110.