氟化学领域重大突破:萤石活化直接制备含氟化合物

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牛津大学Véronique Gouverneur教授Michael A. Hayward教授题组从萤石出发,直接实现了碳氟键和硫氟键的构建。反应的热力学驱动力为磷酸钙的晶格能大于氟化钙,将CaF2和磷酸盐混在一起机械球磨,可以得到新的无机盐Fluoromix,其主要成分为K3(HPO4)F和K2-xCay(PO3F)a(PO4)b,可以作为亲核氟化试剂。
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萤石:氟化学工业源头


萤石是氟化学工业的源头,人类利用氟资源的方式主要是利用萤石(CaF2)和硫酸制备氟化氢,氟化氢又可以电解制备氟气。目前几乎所有的含氟化学品都是从HF和F2这两种高危险性的试剂制备得到的。若能直接从萤石出发构建C-F键制备含氟化合物,避开HF这一高污染步骤,那么氟资源利用率将大为提升。2009年,10000个科学难题由科学出版社出版,其中化学卷第265页即提及:“直接活化萤石中的氟-钙键,并可以用于形成碳-氟键,那么将成为人类利用氟资源过程中的一个里程碑”。[1]

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CaF2参与有机反应一直是氟化学界的重大挑战,其主要原因有两个:①CaF2溶解度十分差;②Ca-F键键能大,氟与钙结合作用十分强。牛津大学Véronique Gouverneur教授和Michael A. Hayward教授课题组受钙盐生物矿化的启示,实现了CaF2作为氟源的C-F键和S-F键构建,为这一重大挑战提供了解决方案。
CaF2熔点高达1420°C,并且溶解度极差,除用于制备氟化氢外,其直接参与反应的例子十分少。仅有的几个例子为LiPF6, PF5, POF3, or Ca(SO3F)2等的制备,但反应条件十分苛刻。磷酸钙生物矿化作用(Calcium phosphate (bio)mineralization)是生物体内骨骼和牙齿形成的重要环节,这为作者提供了活化钙-氟键的灵感。CaF2的晶格能为2640 kJ mol−1,若能生成晶格能更大的钙盐,则可获得热力学上的驱动力。Ca3(PO4)2的晶格能约为3534 kJ mol−1(每个钙离子),因此可以使用常见的磷酸盐如磷酸钾等来实现钙-氟键的活化,并产生KF等常见的亲核氟化试剂。


反应探索


以CaF2作为氟源,加入K3PO4,能观察到少量氟化产物的生成,这证明了该策略的可行性。

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经过大量条件优化,Gouverneur教授课题组从CaF2出发经球磨得到了一种新的无机盐,该产品能作为氟化试剂(Fluoromix),能以93%的收率得到目标产物。

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反应普适性研究


Fluoromix表现出了十分好的亲核氟化能力,能以较高收率实现从磺酰氯到磺酰氟的转变。Fluoromix可以用于制备各类生物活性分子,还可以用于PyFluor和SulfoxFluor这两个脱氧氟化试剂的合成。除构建S-F键外,Fluoromix也能用于SN2亲核取代反应和芳香亲核取代反应构建C-F键

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机理研究


通过控制实验和PXRD研究,推测Fluoromix的主要成分可能是K3(HPO4)FK2-xCay(PO3F)a(PO4)b

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总结:萤石(CaF2)直接用于C-F键和S-F键构建解决了氟化学界一直以来的挑战,兼具学术和工业价值,为相关产业升级和理论研究提供了新的思路。


参考文献:

[1] 胡金波,“有机化合物的直接氟化”,10000个科学难题-化学卷,263-266页,“10000个科学难题”化学编委会主编,科学出版社,2009年。

[2] Calum Patel et al., Fluorochemicals from fluorspar via a phosphate-enabled mechanochemical process that bypasses HF. Science, 381, 302-306(2023). DOI:10.1126/science.adi1557。

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