用碱金属氟化物氟化卤代芳族化合物的卤素交换反应迄今已有 广泛研究。典型的研究包括氯代芳族化合物与氟化钾、氟化铷或氟化 铯的反应，该反应通过在没有辅助稀释剂或溶剂存在时将反应物加热 至很高温度(大于400℃)而进行，或者在一种质子惰性溶剂如环丁 砜中在大约200-230℃的温度下进行。通过将相应的氯或溴取代的化 合物与碱金属卤化物如氟化钾在190-400℃下在苯基氰溶剂中并在密 封高压釜中和自生压力下反应生成有机氟化合物如五氟代苯基氰、四 氟化邻苯二甲腈和五氟化吡啶的研究也有报道。
在一些交换反应中使用催化剂也已进行了研究。这些催化剂包括 季铵盐、羰基金属化合物、冠醚和穴状化合物。
卤素交换反应在大多数情况下反应缓慢并趋向于形成混合产 物，在该混合产物中多氟化芳族化合物的产率相对较低，特别是如果 所用的卤代芳族化合物为不含活泼官能团如硝基或羰基的多卤代芳 族化合物时，情况更是如此。例如，用六氯代苯与氟化钾反应，典型 的产物混合物为含有六氟代苯与多种氯氟代苯的多产物混合物。
因此需要一种简易的工业方法，使得广泛应用于各种卤代芳族化 合物的卤素交换反应能在大规模的反应装置中在相对缓和的反应条 件下进行并使目标产物能得到商业可接受的产率。另外，在相对缓和 的反应条件下可以大规模高产率地生产氟化的全卤代芳族化合物如 一氯五氟苯、一溴五氟苯和六氟代苯的方法的提供将是对本领域特别 受欢迎的贡献。
相信本发明能最高效地满足这些需要。另外，本发明将使多种重 要的工业最终产物的更有效、低成本的生产成为可能。
发明简述
本发明提供一种新的以碱金属氟化物为氟源的催化卤素交换反 应。该方法能在相对缓和的反应条件下生产多种氟化芳族化合物。另 外，该方法可以使用含有一个或多个氟以外的卤素原子的卤代芳族化 合物作为起始原料，包括分子中不含活性基团的化合物和带有一个或 多个活性基团的化合物。事实上，该方法特别适用于分子中不含活性 基团的全卤代芳族化合物如六氯代苯、六溴代苯、五氯一氟苯、四氯 二氟苯、三氯三氟苯和二氯四氟苯的多氟化。另外，该催化方法可以 在比现有方法常规需要的碱金属过剩量小的条件下进行。
本发明可产生的重要进步至少部分原因是由于在该方法中使用 了一种氨基鏻催化剂。作为这些进步的一个例子，50升规模的对比 研究表明，在用六氯代苯和氟化钾反应生成一氯五氟苯和六氟代苯的 反应中，按照本发明的氨基鏻催化剂包括四(二乙基氨基)溴化鏻的使 用产生了下列的产率方面的进步：
a)基于原料投料量的目标产物的产量增加了12％-25％。
b)基于六氯代苯投入量的目标产物的产量增加了35％-95％。
c)目标产物的摩尔产量增加了49％-86％。
因此，按照本发明的一种具体实施方式提供的卤素交换方法，该 方法包括在一个或多个反应温度下加热一种搅拌的，由含有(i)至少一 种细碎的碱金属氟化物，(ii)至少一种具有一个芳环和至少一个原子 序数大于9的卤素原子的卤代芳族化合物，和(iii)氨基鏻催化剂的组 分形成的混合物，使得在该温度下所说卤代芳族化合物的至少一个所 说卤素原子被一个氟原子取代。
在本发明的优选具体实施方式中，所述(i)至少一种细碎的碱金属 氟化物主要是或者只是氟化钾。
在本发明的一种优选的具体实施方式中，该方法的进行使用的用 于卤素交换的起始卤代芳族化合物为至少一种在芳环上不含任何活 性官能团的卤代芳族化合物，原子序数大于9的卤素原子键合在其芳 环上。
一种特别优选的具体实施方式包括使用起始卤代芳族组分进行 卤素交换过程，该起始卤代芳族组分为一种或多种卤代芳族化合物， 在其芳环上不仅不含任何活性官能团，而且也不含氢原子，原子序数 大于9的卤素原子键合在其芳环上。特别优选的这类卤代芳族化合物 是分子式为C6ClnBrmFp的全卤代芳族化合物，其中n为0-6，m为 0-6，p为0-5，并且n，m和p的总数为6。m为0的化合物使用特别 成功。
在另一种优选的具体实施方式中，本发明方法中所述的混合物至 少在加热之前是一种以固体为主的混合物。
另一种优选的具体实施方法包括进行本发明的方法使得基本无 水的搅拌的混合物当将其加热至一个或多个温度时主要是一种固体 分散在连续的液相中的混合物。这些含有至少一种非卤素的、极性 的、无水或基本无水的质子惰性溶剂的连续液相的操作构成了本发明 附加的优选具体实施方式。
在本发明更为优选的具体实施方式中，所说质子惰性溶剂主要是 或完全是(a)苯基氰，(b)至少一种液态的烷基苯基氰，(c)硝基苯，(d) 至少一种液态的烷基一硝基苯，或(e)为(a)、(b)、(c)、(d)中的至少二 种的混合物。
在本发明另一优选的具体实施方式中，形成一种全卤代苯的气相 混合物，以使至少一种较高挥发性的全卤代苯组分与所说气相混合物 的一种或多种较低挥发性的全卤代苯组分分离并回收；并且将所说一 种或多种较低挥发性的全卤代苯组分的至少一部分循环返回到当前 或以后的卤素交换反应中。
用于本发明各种具体实施方式的优选的催化剂组分是四(二烃基 氨基)鏻卤化物。
本发明的这些和其它的具体实施方式、特性和优点通过后面的描 述、附图和权利要求书将会进一步明确。
附图的简要说明
图1简要描述了一种用于进行不使用辅助溶剂/稀释剂的方法的 间歇式工业装置。
本发明的进一步描述
本发明方法的基本原料为一种或多种含有一个或多个氟以外的 连于芳环的卤素原子的卤代芳族化合物，一个或多个锂以外的碱金属 (优选原子序数为19或以上的碱金属)的碱金属氟化物，以及一种 或多种氨基鏻催化剂。一种或多种辅助溶剂或稀释剂的使用是非强制 性的，但是是优选的。 卤代芳族化合物组分
任何在芳环上具有一个除氟以外的可取代的卤素原子的芳香族 化合物都可作为本方法的候选组分。该化合物可以含有一个碳环芳香 核(即至少一个苯环体系)或者一个杂芳香环体系。该化合物也可含 有一个或多个活性基团如硝基、亚硝基、羰基、氰基和磺酸基，或者 也可不含任何这些基团。该化合物含有一个或多个在芳环上的氯、溴 或碘原子或者氯、溴和/或碘原子的任何结合，也可含有在一个或多 个侧链上和/或在与芳环体系键合或稠合的一个或多个非芳香的碳环 或杂环上的一个或多个这种卤素原子。另外该化合物可以在包括一个 或多个连于芳环的氟原子的分子的任何位置上含有一个或多个氟原 子，形成具有至少一个含有至少一个除氟以外的可取代的连于芳环的 卤素原子的芳环的化合物。在卤素取代的、最好是氟取代的芳环中的 杂原子是1-3个氮原子(例如，该化合物为芳环卤代的吡啶、芳环卤 代的哒嗪、芳环卤代的嘧啶、芳环卤代的吡嗪、芳环卤代的三嗪，其 中至少一个连于芳环的卤素原子不是氟原子；或者该化合物至少具有 这些环体系)。可存在于该化合物的侧链或其它环体系的其它杂原子 包括一个或多个氮、氧、硫、磷、硼或者硅原子，或者是这些原子的 二个或多个的结合。一般来说，该卤代芳族化合物组分可以在分子中 含有50个以下的碳原子，优选的是在分子中含有20个以下的碳原 子。
优选的是在分子中不含任何活性基团的卤代芳族化合物，因为它 们通常比分子中含有活性官能团的对应物更不容易进行卤素交换反 应。
在碳环和杂环芳族化合物中，碳环卤代芳族化合物是优选的组 分。如上所述，与原子序数大于9的卤素原子键合的芳环上不含任何 活性基团，并且芳环上不含任何氢原子的卤代芳族化合物构成了本方 法的卤代芳族化合物组分或原料的另一优选的种类。特别优选的这类 卤代芳族化合物是分子式为C6ClnBrmFp的全卤代芳族化合物，其中 n为0-6，m为0-6，p为0-5，并且n，m和p的总数为6。m为0的 化合物是特别合乎需要的组分，因为其在该方法中具有良好的反应性 并且通常成本较低。而且目前特别紧迫需要的方法是，从多氯代类似 物如六氯代苯、五氯一氟苯、四氯二氟苯、三氯三氟苯，或二氯四氟 苯，或者它们的任意二个或多个的混合物中有效地生产多氟苯，特别 是一氯五氟苯和六氟代苯；这一需要已由本发明满足。
本发明也可满足从多溴代类似物如六溴代苯、五溴一氟苯、四溴 二氟苯、三溴三氟苯，或二溴四氟苯，或者它们的任意二个或多个的 混合物中有效地生产一溴五氟苯的方法的需要。
本发明使用的可以转化为芳环氟化化合物的其它卤代芳族化合 物包括，例如，一、二、三、四和五氯代苯，其溴和碘的类似物；单 和多氯化、溴化、碘化的萘、四氢萘、苊、联二苯和联三苯；烷基和 卤代烷基取代的前述物质的类似物；氯、溴和碘取代的二芳基醚和单 烷基单芳基醚；2-氯硝基苯；4-氯硝基苯；2，4-二硝基氯代苯；3，4- 二氯硝基苯；3-氯-4-氟硝基苯；2，4，6-三氯嘧啶；四氯嘧啶；2-氯苯 基氰；4-氯苯基氰；五氯苯基氰；四氯间苯二甲腈；2-氯吡啶；2，5- 二氯吡啶；五氯吡啶；4-氯邻苯二甲酸酐；以及其它类似的化合物， 如凯尔达等在美国专利USP4,684,734中所涉及到的化合物。 碱金属氟化物组分
氟化钾、氟化铷和氟化铯是本发明实践中使用的优选的碱金属卤 化物，因为它们在该交换反应中具有较高的反应性。然而氟化钠也是 可以使用的，特别是当卤代芳族化合物组分在卤代芳环上带有活性官 能团，以及仅仅希望芳环氯、芳环溴或芳环碘被部分取代的情况下更 是如此。
可以使用任何二种或多种碱金属氟化物的组合，包括氟化锂存在 时的组合。因此，如果需要，也可以使用氟化钾、氟化铷和/或氟化 铯与氟化钠或氟化锂的混合物，或者与氟化钠和氟化锂二者都存在的 混合物，尽管这不是推荐方案。为了增强其反应性，碱金属氟化物应 该是细碎的状态或者是粉末无水形式。氟化钾是优选的氟化试剂，因 为它是最经济有效的试剂。使氟化试剂成为合适的无水状态的一种传 统方法是将氟盐在合适的挥发性烃类如苯中形成淤浆，该挥发性烃类 与水形成一种共沸物，加热该混合物以脱水，同时对蒸气进行适当控 制和处理。
用于本方法的氟化钾的一种特别有用的形式是用由T.P.Smyth， A.Carey和B.K.Hodnett在Tetrahedron，Volume51，No.22，pp. 6363-6376(1995)中所描述的方法制得的KF的活泼形式。简单地说， 该方法包括将KF从甲醇溶液中通过缓慢蒸发溶剂进行重结晶，然后 在100℃下干燥。氟化钾的另一种有用的形式是分散在CaF2上的KF。 这种材料由J.H.Clark，A.J.Hyde和D.K.Smith在J.Chem.Soc.Chem. Commun，1986，791中进行了描述。也可使用其它的KF的活泼形式， 例如喷雾干燥KF(N.Ishikawa等，Chem.Letts，1981，761)和冷冻干 燥KF(Y.Kimura等，Tetrahedron Letters，1989，1271)。对其它的碱 金属氟化物如氟化铯和/或氟化钠采用一种或多种上述活化方法相信 也是可能的。
为了增强其反应性，装进反应混合物中的碱金属氟化物优选的是 细碎的或者是粉末状的无水或基本无水的形式，即它的含水量，如果 有的话，应该不大于3000百万分之份量(ppm)重。氟化钾是优选的 氟化试剂，因为它是最经济有效的试剂，而且最优选的是其含水量， 如果有的话，低于1000ppm。碱金属氟化物颗粒通常应具有至少 0.20m2/g的平均表面积。在这方面，碱金属氟化物颗粒的平均表面积 越大越好。因此优选的是碱金属氟化物颗粒开始时具有至少0.40m2/g 的平均表面积，更优选具有至少0.80m2/g的平均表面积。例如，在本 发明的实践中装入反应器时发现，具有1000ppm的典型水含量和 0.85m2/g平均表面积的喷雾干燥氟化钾的反应速率在相同条件下是 具有0.25m2/g平均表面积的喷雾干燥氟化钾的反应速率的将近4倍。
碱金属氟化物相对于所用的卤代芳族化合物组分的比例是可以 变化的。理论上，所用碱金属氟化物的量相对于所用卤代芳族化合物 的量没有上限。如果相对于卤代芳族化合物中存在的可取代卤素的量 使用非常大过量的碱金属氟化物，则卤代芳族化合物将成为限制试 剂，而过量的碱金属氟化物将大量留存。当反应在没有辅助稀释剂的 情况下进行时，过量的碱金属氟化物可以起促进搅拌或反应混合物的 其它搅拌的作用，因此从这个意义上来说合适的过量碱金属氟化物的 使用可以是有益的。然而另一方面，如果过量的碱金属氟化物超过一 定的水平，则不符合常识和实际。因此，相对于每摩尔的所用起始卤 代芳族化合物组分中的可取代卤素，碱金属氟化物的量通常不超过10 或15摩尔，并且在大多数情况下要比这一量少。另一方面，如果所 用卤代芳族化合物组分中可取代卤素的量超过了所用碱金属氟化物 的摩尔量，则碱金属氟化物将成为控制试剂。因此当在任何给定的反 应中选择所用比例时，在大多数情况下都应考虑这一因素。一般来 说，经常使用的反应物的比例范围是，每摩尔的所用卤代芳族化合物 组分中的可取代卤素使用0.8-5摩尔的碱金属氟化物，而且在一些优 选的情况下如使用辅助稀释剂的情况下，反应物的加入比例为每摩尔 的所用卤代芳族化合物组分中的可取代卤素使用1-3摩尔的碱金属氟 化物。 氨基鏻催化剂组分
本发明的基本催化剂组分为至少一种氨基鏻催化剂组分。如果 需要，也可以含有一种或多种其它的助催化剂，只要至少一种氨基鏻 催化剂组分同时或以任何顺序加入到反应区域或反应混合物中。目前 认为使用氨基鏻催化剂而不使用助催化剂是优选的。
该氨基鏻催化剂优选的是以四(二烃基氨基)鏻卤化物的形式加 入。这种化合物可以用分子式
(R2N)4PX
来表示，其中R分别为一种烃基，优选的是一种烷基；X为卤 素原子，优选氟或溴原子，最优选溴原子。这些氨基鏻化合物的例子 有：
四(二乙基氨基)氟化鏻
四(二丁基氨基)溴化鏻
三(二乙基氨基)(二丙基氨基)碘化鏻
四(二丁基氨基)碘化鏻
三(二丁基氨基)(二乙基氨基)碘化鏻
三(二丙基氨基)(二庚基氨基)碘化鏻
四(二丙基氨基)溴化鏻
三(二乙基氨基)(二己基氨基)碘化鏻
三(二乙基氨基)(二丁基氨基)碘化鏻
三(二丙基氨基)(庚基丙基氨基)碘化鏻
四(二丙基氨基)碘化鏻
三(二丙基氨基)(乙基丙基氨基)碘化鏻
四(二乙基氨基)碘化鏻
四(二乙基氨基)溴化鏻
四(二苯基氨基)溴化鏻
四(二间甲苯基氨基)溴化鏻
四(二苄基氨基)溴化鏻
四(二环己基氨基)溴化鏻
四(二辛基氨基)溴化鏻
四(二癸基氨基)溴化鏻
四(二乙基氨基)氯化鏻
四(二丙基氨基)氯化鏻
四(二丁基氨基)氯化鏻
四(二己基氨基)氯化鏻
加入到反应器中的一种优选的氨基鏻催化剂组由氯化和/或溴化 的四(二烷基氨基)鏻组成。在这些化合物中，氨基鏻催化剂组分更优 选的是一种或多种四(二烷基氨基)溴化鏻，其中的烷基可以相同或不 同，每个烷基具有12个以下的碳原子。在本发明中最优选的化合物 是四(二乙基氨基)溴化鏻。这些化合物的制备方法可以参看Koidan， Marchenko，Kudryavtsev和Pinchuk的文献Zh.Obshch.Khim.， 1982，52， 2001，其英语翻译版本可从Plenum出版公司获得。
用于制备四(二乙基氨基)溴化鏻的方法包括下列四个步骤(其中 Et代表一个乙基)：
1) PCl3+6HN(Et)2+CCl4→(Et2N)3P�-CCl3Cl�→ (Et2N)3P＝CCl2
2) (Et2N)3P�-CCl3Cl�+NH3→(Et2N)3P＝NH・HCl+CHCl3
3) (Et2N)3P＝NH・HCl+NaOH→(Et2N)3P＝NH+NaCl+ H2O
4) (Et2N)3P＝NH+2NaOH+2EtBr→[(Et2N)]4PBr+ 2NaBr+2H2O
在该方法中，先将四氯化碳和三氯化磷加入到反应器中，然后在 低温下(最高30℃)缓慢加入二乙胺。这将导致二氯亚甲基氨基磷中 间体的形成。然后将氨(气体)加入到反应器中，形成亚氨基氯化氢 氨基磷中间体。搅拌一段时间以后，将反应器中的物质过滤。然后将 浓缩的滤液用氢氧化钠溶液处理，形成不含碱的亚氨基氨基磷化合 物。将其用二氯甲烷萃取。萃取液用氯化钙干燥并蒸去二氯甲烷。将 固体产物与氢氧化钠和溴乙烷混合并加入反应器，便得到四(二乙基 氨基)溴化鏻产物。将产物用二氯甲烷萃取。将萃取物干燥并蒸去二 氯甲烷。然后将粗产物从二氯甲烷和乙醚的混合物中重结晶。然后将 该重结晶的、湿的产物干燥。
这些连续操作中典型的原料加入量如下：四氯化碳3985克(25.7 摩尔)，三氯化磷270克(1.96摩尔)，二乙胺880克(12.39摩尔)， 氨气40克(2.35摩尔)，50％氢氧化钠315克，二氯甲烷472克，氯化 钙(无水)23.6克，20％氢氧化钠534克，溴乙烷230克(2.12摩尔)， 二氯甲烷1643克，氯化钙(无水)82.1克，二氯甲烷450克，乙醚450 克。典型的产物产量为每批300克(0.754摩尔)。
氨基鏻催化剂以催化有效量使用，该用量典型的范围为3-6摩尔 ％，优选4-5摩尔％，以同在反应区域中的卤代芳族化合物的总量(摩尔) 为基准。 助催化剂组分
四(二烃基氨基)卤化鏻催化剂以单催化剂组分直接加入或者间接 (即将其与一种或多种要加入到反应体系中的其它组分混合后)加入而 使用是有效的。这种催化剂操作模式是优选的。然而如上所述，如果需 要，也可以使用一种或多种助催化剂组分。
这些助催化剂材料的一种类型由一种或多种冠醚或穴状化合物组 成。这些化合物，有时称为“笼状化合物”，可对进一步增强碱金属氟 化物的反应性有帮助。关于这方面可以参见埃文斯等的美国专利 USP4,174,349。对冠醚和穴状化合物的充分描述可参见下列文献：埃文斯 等的美国专利USP3,687,978及其中所引相关参考文献；J.J.Christensen 等的Chem.Rev.， 1974，74，351；J.S.Bradshaw等的Heterocycl.Chem.， 1974，11，649；C.J.Pedersen等的Angew.Chem.Int.Ed.Engl.， 1972，11， 16；缩写名为KRYPTOFIX的PCR技术公报；以及J.Org.Chem.， 1977，Vol 42，No.10，2A。冠醚或穴状化合物以催化有效量使用，典型的用量范围为 每摩尔反应混合物中的卤代芳族化合物使用0.01-1摩尔的冠醚或穴状化 合物。
另一种可使用的助催化剂由，(i)至少一种硼、铝、锡、磷、钛、锆、 铪、或硅的多价无机氟化物，或(ii)至少一种该多价无机氟化物和碱金属 氟化物的复盐，或(iii)所说(i)和(ii)的结合，所组成；其前提条件是(i)，(ii)， 和(iii)的无机氟化物处于稳定的价态，使得(i)，(ii)，和(iii)在可能的情况 下没有氧化的性质。Bennett等在美国专利USP3,453,337中报道，在六氯 代苯与KF或NaF的非催化反应中，上述(i)，(ii)和(iii)类化合物的存在可 在使用较温和的反应条件和较短的反应时间时增加产物的产量。合适的 多价化合物的例子还包括LiBF4，NaBF4，KBF4，K2SnF6，KPF6，K2SiF6， Na2TiF6，K2TiF6，Na2ZrF6，K2ZrF6，Na2HfF6，K2HfF6。这些化合物可以 按照装于反应混合物中的碱金属氟化物的重量的50％以下或更多的催化 有效量使用。典型的用量范围为所用碱金属氟化物重量的2-25％。
可以考虑使用的其它助催化剂包括季铵盐，例如由J.Dockx的 Synthesis，1973，441；C.M.Starks和C.Liotta的Phase Transfer Catalysis， 1978，Academic Press，New York；和W.P.Weber和G.W.Gokel的Phase Transfer Catalysis in Organic Synthesis，1977，Springer-Verlag，Berlin- Heidelberg-New York所描述的例子；以及金属羰基化合物，例如由M.F. Semmelhack和H.T.Hall的J.Am.Chem.Soc.，1974，96，7091中所描述的 化合物。
氨基鏻催化剂和上述助催化剂(如果使用)其功能和组成都可以变 化。在功能方面，它们可用于促进或增强氟化交换反应，例如(a)通过提 高反应速率而不影响产率或选择性，(b)通过提高产率或选择性或二者都 提高而不影响反应速率，或者(c)通过提高反应速率并改善产率或选择性 或二者都改善。因此此处所用术语“催化剂”或“助催化剂”表示用该 方式使用的材料以某种途径或其它途径改善或增强了反应过程，使得该 材料或其衍生物在反应混合物中的包括或存在产生了至少一种有益的使 用效果。产生其效果的机理不很重要，只要其使用的优点超过了其缺点 (如果有缺点的话)。
关于催化剂和助催化剂的组成，此处所定义的材料其组成是其与该 方法中所用的任何其它物质结合之前的组成。在将其加入和/或混合到该 方法中所用的一种或多种其它组分之后和/或在反应进行过程中，该催化 剂的组成可能发生变化，如果这样，不管是否补充和不管会发生多大变 化，最终变化的材料会全部或部分地与催化剂的功能相对应。 操作条件
该方法可以通过将细碎的基本无水的碱金属氟化物、在一个芳环上 含有至少一个原子序数大于9的卤素原子的卤代芳族化合物以及一种氨 基鏻催化剂进行干混合，在一个或多个反应温度下加热该混合物使得该 卤代芳族化合物的至少一个该卤素原子在该温度下被氟原子所取代。另 一方面，上述组分可在与一种辅助溶剂/稀释剂混合时加热至一个或多个 这样的反应温度。所用的溶剂或稀释剂优选的是极性的质子惰性溶剂， 例如环丁砜(四亚甲基砜)，N，N-二甲基甲酰胺，N，N-二甲基乙酰胺， 二甲基砜，二甲基亚砜，三甘醇二甲醚(三乙二醇二甲基醚)，N-甲基 吡咯烷二酮，或苯基氰，或这些材料的二种或多种的混合物，以及在所 选择的反应温度下为液态的类似的极性的质子惰性溶剂，更优选的是在 10℃或10℃以下仍为液态的这种溶剂。苯基氰以及环上被取代的液态烷 基苯基氰(如邻甲基苯基氰和间甲基苯基氰)特别是苯基氰本身是优选 的溶剂。另一种优选的质子惰性溶剂是硝基苯，因为它具有优良的溶解 能力和相对低的成本。该方法中可用的其它溶剂/稀释剂是至少在所用反 应温度下(优选的是在低于反应温度时)为液态的卤代芳族化合物。其 例子包括六氟代苯，八氟甲苯，全氟十氢萘，二氯四氟苯，三氯三氟苯， 和四氯二氟苯。这些化合物中的后三种是特别合乎需要的溶剂/稀释剂， 因为它们在制备一氯五氟苯时不仅能作为溶剂/稀释剂，而且能作为很好 的反应物。
不管反应混合物有没有溶剂/稀释剂，该反应混合物在反应过程中都 应充分搅拌，以使混合物中的不同原料能密切接触。因此强烈推荐使用 机械搅拌设备如机械搅拌机，摇摆式高压釜或类似的装置。
反应温度典型的范围为150℃-350℃，优选为170℃-250℃。当该方 法使用一种液态质子惰性溶剂或稀释剂以淤浆形式进行时，优选的是在 200℃-240℃范围内的一个或多个温度下进行。反应可在大气压，低于大 气压或者高于大气压的压力下进行。在大多数情况下，在封闭体系中在 自生压力下进行反应是合乎需要的，也是方便的。反应时间典型的范围 为2-48小时，优选的范围为5-20小时。基于这些公开描述可以领会，上 面所给出的任何比例范围和/或反应条件都是可以偏离的，只要这种偏离 是必需的或者是合乎需要的。
下面的实施例1-12描述了在不用辅助溶剂或稀释剂的条件下 进行的本发明的卤素交换方法。这些实施例和所有随后的实施例都是 对本发明的说明而非限定。
实施例1-12
采用图1示意的类型的设备，该设备包括一个容量为50升的并 配有一个电加热系统(未画出)的不锈钢反应器(316S)10、底部出 料阀12、蒸气冷凝器14、接收器16、真空系统18、一个通过辅助操 作系统控制的压力释放系统(未画出)、打破真空的氮气导入管20、 压力测量/调控器22、温度测量/调控器24，和固体进料入口26。反 应器10可在高达125psi的工作压力下使用，真空系统18所具有的控 制能力达10mmHg。搅拌器28优选的是改良的带有刀刃的框式搅拌 器，以减少半熔化的糊状反应物料的粘着特别是在反应器壁上的粘 着。该设备也应包含一个喷雾干燥器(未画出)。
在该设备的操作中每批使用新制备的无水氟化钾。它可按常规方 法制备，即先制备40％重量/体积的氟化钾溶液，将该溶液加热至沸 点温度，并将该溶液通过一个干燥喷雾器泵送到一个操作温度为 350-400℃，例如370℃的干燥器中。将该干粉末置于一合适的容器中 并立即使用。另外也可使用前面描述过的一种活化形式的KF，或者 一种可从商业上得到的喷雾干燥KF(研磨过的或未研磨过的)。在 反应开始前，应首先使反应器10和辅助操作系统干净和干燥，确定 所有系统都可操作，所有原料都可以使用。另外应检查系统确保底部 阀门12是关闭的。如果对容器的干燥性有所怀疑，应将反应器在完 全真空状态下在105℃加热2小时。2小时以后应将容器在真空下冷 却至室温，然后在室温下通入氮气打破真空，此时便可开始反应过 程。
在一批操作开始时，应活动反应搅拌器28以确定搅拌器能平稳 运转。通过进料口26向带有正运转的搅拌器的反应器中加入21千克 干燥的氟化钾粉末。然后通过该进料口加入15千克六氯苯，接着加 入0.96千克四(二乙基氨基)溴化鏻。将进料口26和阀门30关闭。将 反应器中的物料在1小时内加热至180℃。在加热速度如此快的情况 下确保对该特定的反应混合物进行有效搅拌是很重要的。在加热过程 中反应器中的压力逐渐升高。当反应器的物料达到180℃时，调整反 应器的加热控制器时升温速率为每6小时4℃。将反应器中的物料按 此升温速率加热42小时(温度增加7次总共增加了28℃)。该方法 在这一阶段的缓慢加热对确保该特殊反应混合物的充分混合是很重 要的。此时反应混合物的温度达到近208℃，而且反应器内部的压力 每小时都发生着变化。当压力在连续两次每小时一次的测量之间没有 发生变化时，就可以认为反应已进行完全。当压力在70-100psi的范 围内恒定不变时，将关闭加热系统并冷却反应器。此时小心打开阀门 30将压力从反应器泄至冷凝器14并从那里再进入接收器16。当反应 器中的压力达到环境大气压时，将氮气通过氮气导管20缓慢地导入。 将真空系统18打开使反应器的真空度为725mmHg。通过观察蒸馏回 收到接收器16的速率将导入反应器的氮气缓慢减少以确保蒸馏回收 不过度。当持续调控蒸馏回收速率时逐渐增加真空度直至达到最大 (平稳)真空度。当系统达到室温时通入氮气打破真空，关闭真空系 统，然后停止氮气的通入。然后通过阀12从反应器回收反应混合产 物。将反应器用沸腾的苛性碱溶液洗涤，并用水冲洗和干燥。按照 该方法逐渐进行12批操作。所用设备如前所描述，只是在实施例1 和2中采用低速的框式搅拌器。由于反应混合物的粘稠性，部分混合 物易于粘附于反应器壁上。这一问题可通过在余下的操作中改变所用 搅拌器包括使用前述刀刃式框式搅拌器而得到减轻。这12次运转操 作的条件和结果列于表1中，其中的对比例没有使用催化剂。表中的 简称是：HCB为六氯代苯，CPFB为一氯五氟苯，DCTFB为二氯四 氟苯。
表1   实施例    编号     KF   加入量    千克     HCB    加入量     千克    催化剂    加入量     千克     摩尔比，     KF∶HCB  反应时间    小时     HFB     产率     千克     CPFB     产率     千克    DCTFB    产率    千克     HCB    转化率      ％   HFB+CPFB  ％摩尔产率     34.0     15.0     无     11.1∶1     24     2.5     2.5     -     -      49     1     15.4     11.0     0.97     6.866∶1     60     2.555     2.608     0.7353     77.64      69     2     15.4     11.0     0.98     6.866∶1     82     2.4336     2.8137     0.6253     77.67      70     3     15.4     11.0     0.98     6.866∶1     32     3.0964     2.9500     0.7906     90.21      81     4     21.0     15.0     1.30     6.867∶1     22.5     3.7200     4.0000     1.2090     85.98      76     5     21.0     15.0     1.03     6.867∶1     20     3.7011     4.2515     0.1900     78.95      78     6     21.0     15.0     1.03     6.867∶1     46     4.5472     2.8490     1.8282     88.96      73     7     21.0     15.0     0.942     6.867∶1     38     3.9763     4.1376     0.1900     81.09      79     8     21.0     15.0     0.96     6.867∶1     44     3.9861     3.8378     0.7416     83.16      77     9     21.0     15.0     0.96     6.867∶1     29.5     2.7824     4.1454     1.9082     83.86      67     10     21.0     15.0     0.96     6.867∶1     34.5     3.1420     4.1447     1.7954     86.54      71     11     21.0     15.0     0.96     6.867∶1     46     4.3521     4.1302     1.2931     94.41      83     12     21.0     15.0     0.96     6.867∶1     46     4.4160     4.3008     1.1232     95.19      86
-对比例
在表1中，反应时间是指反应温度达到190℃时的时间；产物产 量以千克表示，它是通过对从相应反应混合物中闪蒸出的六氟苯、一 氯五氟苯和二氯四氟苯馏份的分析而得到的。从实施例1-12的混合 产物的分级蒸馏结果与这些分析结果十分吻合。实施例1-12产出了 104.765千克混合氯氟苯。而体相分馏所得分离和回收的结果为：
41.085千克六氟苯
43.020千克一氯五氟苯
11.440千克二氯四氟苯
每种产物的最低纯度为99％。
值得注意的是在本发明的上述实施例中，本发明的催化方法是在 最高温度为208℃并且没有任何辅助溶剂或稀释剂的条件下进行的。 六氯代苯与氟化钾的常规的无催化剂无溶剂的反应包括采用20升的 高压釜，在温度为450℃，压力高达1,500psi，并且使用过量85％的 KF的条件下进行。基于所加入的总的起始原料的目标产物的批产率 为约12％。
不背离本发明范围的对本发明方法的任何改进是可能的。按照说 明而非限制的方式，可以有下列的改进：
(a)催化剂或催化剂残渣可重复使用。
(b)当目标产物为多氟化芳族化合物时，所形成的每分子中 含有少于目标数量的氟原子的中间体可重复使用。
(c)如果目标产物具有适当高的挥发性，它会在反应进程中 例如基本上在其刚一形成时从反应器中离去，从而阻止或至少降低了 过度氟化。
(d)特殊过程例如共沸蒸馏干燥或高温喷雾干燥，可将使用 前的碱金属氟化物进行干燥。
(e)可使用多步干燥过程将使用前的碱金属氟化物进行干 燥。
(f)碱金属氟化物在其使用前的一个或多个阶段可降低其颗 粒大小或将其制成胶态。
(g)可将一个或多个干燥阶段与一个或多个降低其颗粒大小 阶段相结合对使用前的碱金属氟化物进行处理。
(h)无论在操作过程中是否使用辅助溶剂，碱金属氟化物都 可以是一种优化的混合物，该混合物是由主要量的干燥细碎的氟化钾 和少量的增强反应性的干燥细碎的氟化铯组成。
(i)当产生的目标产物所具有的一种或多种中间体是液体并 且其沸点等于或低于所选定的反应温度时，该中间体可作为溶剂或稀 释剂。
(j)用于任一给定条件下的选定组份的比率可以并且应该在 确定大规模工业设备操作模式之前通过仔细设计中型试验并按规模 放大而得以优化。
(k)除了一种或多种单碱金属氟化物例如氟化钾以外或作为 其替代物，碱金属试剂可以是或者包括一种更复杂的碱金属盐例如复 盐，其例子包括KBF4、CsBF4、NaBF4、K3AlF6、K2SnF6、Cs2SnF6、 KPF6、CsPF6、K2SiF6、Cs2SiF6、Na2TiF6、Na2ZrF6、K2ZrF6、Na2HfF6、 K2HfF6。
(l)除了一种或多种上述类型的氨基鏻催化剂以外或作为其 替代物，相应的氨基鉮化合物[(R2N)4As]X或氨基锑化合物 [(R2N)4Sb]X也可用作催化剂或助催化剂成份，其中R和X如前面所定义。
(m)简单的季铵盐例如四乙基溴化铵、四乙基氯化铵、四苯 基氯化铵、四乙基碘化铵、和四苯基碘化铵可用作助催化剂组分。
构成本发明的一个具体实施方式的这种改进的例子涉及从六氯 代苯合成一氯五氟代苯和/或六氟代苯。在该方法中所使用的碱金属 氟化物组分优选的是包括氟化钾，所使用的氨基鏻催化剂优选的是至 少一种四(二烷基氨基)卤化鏻(特别是四(二乙基氨基)溴化鏻)， 并且将由六氯代苯、氟化钾、和氨基鏻催化剂组分形成的搅拌混合物 在温度范围为170-240℃(优选范围为200-230℃)的一个或多个反应 温度下加热到至少大部分反应发生。在该特殊的具体实施方式中，搅 拌的混合物含有悬浮或分散于连续液中的固体，该连续液体优选的是 含有一种主要量(在反应初始时优选为60体积％或更高)的至少一 种氯氟全卤代苯，该氯氟全卤代苯至少在该搅拌混合物处于温度范围 为170-240℃的一个或多个反应温度时呈液体状态。此类氯氟全卤代 苯的例子包括二氯四氟代苯(在一个大气压下的沸点近似为151℃)、 三氯三氟代苯(熔点近似为62℃)和四氯二氟代苯(熔点近似为138 ℃)。在这些化合物中，二氯四氟代苯是特别合乎需要的，因为它在 室温下呈液态并且在温度范围为170-240℃和适当的高压下仍可保持 液体状态。
一种优选的具体实施方式是采用用至少一种质子惰性溶剂或稀 释剂的淤浆法进行本发明的卤素交换反应。当采用淤浆法进行卤素交 换过程时，在达到卤原子交换反应开始的温度以前，该反应混合物应 该是无水的或基本无水的，并且优选该反应混合物从开始就应该是无 水的或基本无水的。本文中所用涉及反应混合物例如反应剂、催化剂 和溶剂的混合物的术语“基本无水的”是指在等于或高于160℃开始 交换反应的混合物中的总含水量低于2000ppm(wt/wt)并且优选为低 于1500ppm。一般来说，水含量越低越好。过量的水将会断送该反应。 因此需要使用无水的或基本无水的碱金属氟化物(其含水量如上述注 释不得超过3000ppm)，而且还要确定所使用的其它组分是充分干燥 的(例如其含水量，如果有的话，应足够的地低以保持整个混合物的 总含水量低于2000ppm(wt/wt)并且优选为低于1500ppm。)。例如， 如果工业级的极性质子惰性溶剂中含有超量的水，就需要将该溶剂通 过共沸蒸馏的方法或用分子筛进行干燥以达到比如说100ppm，优选 为低于50ppm(wt/wt)的含水量的水平。通常在绝对无水的条件下生 产、保存和使用化学药品是非常困难的。因此这里所使用的术语“无 水”是熟悉本领域的技术人员所能理解的。如果刚好所使用的物质是 绝对零水含量，那么它当然是无水的。但是即使不是零水含量，只要 水含量处于不具有影响力的痕量范围并且水含量在制造商的说明书 所指定的范围内和/或指示是无水的，该物质就被认为是无水的。供 应商，Aldrich化学品公司，在其1996-1997年的精细化学药品分类手 册第1773页中定义一组所列的“无水溶剂”具有少于0.005％的含水 量，该定义不是对上文的普遍性的限定。其他供应商可为其无水级产 品指定最大的含水量，因此在无水和基本无水之间没有一个十分清楚 的界限。
下列实施例13-21描述了在质子惰性溶剂中以淤浆法进行本发 明的卤素交换方法的过程。在这些实施例中所有给出的份数都以重量 计。
实施例13
所使用的反应设备是一个配有加热装置、机械搅拌器、进料和出 料口、和一个用于将反应器中蒸发出来的产物转移到分馏柱的中间部 分的顶部接取管的反应器。该柱按顺序配有一条用于收集一氯五氟代 苯的顶部的管和一条用于将从冷凝器到出口的冷凝底物回流到低于 液面的反应器中的管线。将285份的六氯代苯、406份的无水球磨氟 化钾粉末、600份的环丁砜和80份的四(二乙基氨基)溴化鏻的混 合物在搅拌下在200℃加热40小时同时不断地转移和分馏挥发物。柱 的顶部馏出物是一氯五氟代苯，柱的底部物不断地回流到低于淤浆表 面的反应器中。
实施例14
将285份的六氯代苯、用T.P.Smyth，A.Carey和B.K.Hodnett(上 述引文中)方法活化的406份的无水球磨氟化钾粉末、80份的四(二 乙基氨基)溴化鏻、600份的三甘醇二甲醚和80份的氟硼酸钾的混 合物在上述的反应器中在搅拌下在195-200℃加热40小时。挥发性的 一氯五氟代苯如实施例1一样不断地从顶部分馏出来。
实施例15
以相同的方式重复实施例13的过程，只是在起始的反应混合物 中还包括80份的18-冠-6-醚。
实施例16
以相同的方式重复实施例13的过程，只是在起始的反应混合物 中还包括80份的穴状化合物222。
实施例17
以相同的方式重复实施例14的过程，只是在起始的反应混合物 中还包括80份的18-冠-6-醚。
实施例18
以相同的方式重复实施例13的过程，只是在起始的反应混合物 中还包括150份五氯一氟代苯，四氯二氟代苯和三氯三氟代苯的混合 物(从前面反应的反应混合物中回收的)，并且将450份的经喷雾干 燥的氟化钾加入到反应器中。
实施例19
以相同的方式重复实施例13的过程，只是在起始的反应混合物 中还包括80份的18-冠-6-醚和150份的二氯四氟代苯并且将450份的 经喷雾干燥的氟化钾加入到反应器中。
下面的实施例20描述了一种用于预处理季鏻催化剂以除去至少 一部分，特别是卤化季铵盐杂质的优选方法。有关该方法的进一步的 描述列在与本发明同时申请并且结合在此的申请(序列号为Case OR-7060)中。在实施例21和22中使用了该预处理和纯化了的催化 剂，而在实施例23中使用了原始的未被处理的催化剂。对照采用相 同方式的实施例22和23，可以看出当实施本发明的任何具体实施方 式时，使用预处理和纯化了的催化剂具有优势。 实施例20
向一个含有156克的四氢呋喃的1升烧瓶中在搅拌的同时加入 38.9克的四(二乙基氨基〕溴化鏻催化剂(Chordip Limited，England，75％纯度)。将渣状不溶物(2.8克〕过滤掉，并且 用1H-NMR测定为主要是四乙基溴化铵。然后向该催化剂的四氢呋喃 溶液中加入245克的无水乙醚将四(二乙基氨基〕溴化鏻催化剂沉淀 出来。将固体催化剂过滤并在50℃的完全真空下干燥1小时。用 31P-NMR分析该纯化的催化剂(29.8克)发现其纯度至少为95％。
实施例21
向一个1升不锈钢搅拌压力反应器中加入从实施例20获得的溶 于421克苯基氰(Aldrich，＜50ppm水)中的12克纯化的催化剂，164 克的喷雾干燥的氟化钾(Hashimoto Chemical Corporation，日本， 0.87m2/g)和115克的六氯代苯。反应器的顶部装有一根外径为1/2 英寸的填有15英寸长的Pro-Pak填料的柱、空气冷却的部分冷凝器(也 就是已知的锁式回转冷凝器)、空气冷却的全冷凝器和带有背压控制 阀的产物接收器。加热该反应混合物淤浆并且将其保持在218-220℃ 温度下5小时，同时保持该体系的压力为14psig和该柱的蒸馏温度为 140℃。该蒸馏的全卤代苯主要为一氯五氟代苯和一些六氟代苯，它 们在刚一形成时就被蒸至反应器的顶部并在那里得到冷凝和回收。同 时，其它冷凝的全卤代苯通过锁式回转冷凝器回到反应混合物中。在 5小时反应的终止阶段，停止加热并且将留在反应器中的挥发性产物 通过不断增加该体系的真空度的方式蒸馏以使反应中形成的所有的 挥发性产物得到回收。用气相色谱分析整个的蒸馏混合物。以六氯代 苯为基准的产率为六氟代苯2.5％、一氯五氟代苯58.6％、二氯四氟 代苯23.8％和三氯三氟代苯7.5％。
实施例22
向一个1升不锈钢搅拌压力反应器中加入从实施例20获得的溶 于420克苯基氰(Aldrich，＜50ppm水)中的12克纯化的四(二乙基 氨基〕氯化鏻催化剂。然后将164克的喷雾干燥的氟化钾(Hashimoto Chemical Corporation，日本，0.87m2/g)和115克的六氯代苯加入到 反应器中。将该反应混合物在220℃反应5.5个小时。然后停止加热 并通过简单的不断增加该体系的真空度的方式蒸馏以转移反应中形 成的所有的挥发性产物。用气相色谱分析该蒸馏混合物。以六氯代苯 为基准的产率为六氟代苯24.4％、一氯五氟代苯39.9％、二氯四氟代 苯21.9％和三氯三氟代苯8.1％。
实施例23
向一个1升不锈钢搅拌压力反应器中加入从实施例20获得的溶 于420克苯基氰(Aldrich，＜50ppm水)中的15.1克纯化的四(二乙基 氨基〕氯化鏻催化剂(Chordip Limited，75％纯度)。然后将164克的 喷雾干燥的氟化钾(Hashimoto Chemical Corporation，日本， 0.87m2/g)和115克的六氯代苯加入到反应器中。将该反应混合物在 220℃反应6.5个小时。然后停止加热并通过简单的不断增加该体系的 真空度的方式蒸馏以转移反应中形成的所有的挥发性产物。用气相色 谱分析该蒸馏混合物。以六氯代苯为基准的产率为六氟代苯34.7％、 一氯五氟代苯37.7％、二氯四氟代苯12.3％和三氯三氟代苯3.9％。
目前最有效的进行卤素交换以产生环上至少带有三个，优选至少 带有四个，并且更优选至少带有五或六个氟原子的全卤代苯的方式是 一种方法，该方法包括将含有(i)至少一种具有原子序数为19或更 高的细碎的碱金属氟化物，(ii)分子式为C6FnX6-n的全卤代苯，其 中n为0-4，每个X是独立的一个氯或溴原子，(iii)一种四(二烃 基氨基)卤化鏻，最优选的是四(二乙基氨基)氯或溴化鏻，和(iv) 至少一种不含卤原子的极性的质子惰性溶剂，优选苯基氰和/或在温 度至少低至20℃时呈液体状态的烷基取代的苯基氰，和/或硝基苯组 分的淤浆在加热的条件下形成在每个分子上至少带有三个，优选至少 带有四个，并且更优选至少带有五或六个氟原子的全卤代苯。产生在 环上至少带有五或六个氟原子的全卤代苯的最有效的方式是一种方 法，该方法包括：
a)将由含有(i)-(iv)的上述组分所形成的上述淤浆在一个 或多个反应温度下加热，在该温度下所形成的气相中含有至少一种每 分子具有至少5个氟原子的全卤代苯；和
b)不断将来自淤浆的气相组分转移；
c)将环上带有至少5个氟原子的全卤代苯与气相组分分离；和
d)将全部或至少部分气相组分残留物，如果有的话，回流到该 淤浆中。
在一种优选的具体实施方式中，步骤c)和d)连续进行以使反应 区域处于稳定状态。在将该淤浆加热至选定的反应温度之前，该淤浆 的起始含水重量低于1500ppm也是优选的。淤浆优选的是每摩尔用于 形成该淤浆的全卤代苯含有5-8摩尔的所说的碱金属氟化物和0.05- 0.3摩尔的所说的催化剂。当该方法用于生产一氯五氟代苯作为主要 产品时，优选的起始原料是六氯代苯，并且保持反应区域的反应条件 以使当反应的淤浆处于选定温度(最优选不超过250℃)时，以淤浆 中的液体的总重量为基准的在淤浆液相中的一氯五氟代苯的量，如果 有的话，平均不超过5％。在这种情况下气相通常由蒸馏的极性质子 惰性溶剂、六氟代苯、一氯五氟代苯、二氯四氟代苯和三氯三氟代苯 所组成，并且最优选在气相中的全卤代苯中一氯五氟代苯以最大量存 在。
由于氨基鏻催化剂在卤素交换反应中的令人意外的效果的发现 使得本发明与即使不是全部也是绝大部分的现有卤素交换技术相比 可以用更高效率和更低成本生产重要的工业终端产品。 五氟苯基有机金属化合物的制备
五氟苯基有机金属化合物是通过包括下列步骤的方法进行有效 制备的，该方法包括的步骤有：(A)用本发明的卤素交换法制备环 上带有5个氟原子的全卤代苯，优选一氯五氟代苯，和(B)将由方 法(A)中所制备和回收的全卤代苯与格氏试剂在形成五氟代苯格氏 试剂的条件下进行反应，优选格氏交换反应。步骤(A)和(B)可 在给定的工业设备中连续地相继进行，或可在不同时间分别进行，并 且也可在不同设备中进行。
另外，在步骤(B)中由方法(A)中所制备和回收的全卤代苯 可在小心控制的条件下(例如，在非常低的温度下如-78℃下)与分 子式为MR的烷基碱金属化合物在形成五氟苯基碱金属化合物如 C6F5Li、C6F5Na或C6F5K的条件下进行反应，其中M为碱金属如锂、 钠和钾，R为具有4-12个碳原子的烷基。由于这些碱金属化合物会发 生爆炸，因此在可变通的条件下，不推荐使用该方法。    
在格氏交换反应中，优选将一氯五氟代苯与C3-C20的烃基卤化镁 格氏试剂在一种醚溶剂和无水反应条件下进行反应。优选的C3-C20 的烃基卤化镁格氏试剂是其中的卤原子为溴或碘和其中的烃基为烷 基、烯基、环烷基、环烯基、芳基或芳烷基的那些格氏试剂，并且具 有2-10个碳原子的格氏试剂是更为优选的。最优选的是异丙基卤化 镁，特别是异丙基溴化镁。当比例可变时，每摩尔的烃基卤化镁格氏 试剂最好使用1-2摩尔的一氯五氟代苯。有关这种优选的卤素交换方 法的进一步的描述参见Krzystowczyk等人的EP728,760A2(于1996 年8月28日公开)。
部分基于上述的Krzystowczyk等人的欧洲专利出版物中所描述 的卤素交换方法的实施例24描述了实施该方法的一种优选过程。
实施例24
在一个干箱中，将31.45克(0.155摩尔)实施例21中制备的一氯 五氟代苯和64.42克溶于2摩尔醚溶液中的异丙基溴化镁(iPrMgBr)(0.141 摩尔)装入费歇尔-坡特反应器中并且将其加热到60℃保持4.5小时。五氟 苯基溴化镁就形成了。正象目前已知的那样，该制备五氟苯基格氏试剂 的方法是已公开的方法中最经济有效的工业化生产方法。
当在格氏交换反应中使用一溴五氟代苯时，可用乙基溴化镁作为 起始的格氏试剂。然而正象Tamborski等在J.Organometal. Chem.，1971， 26，153-156中所描述的那样，在用于上述过程时可望使用 较短的反应时间。
本发明通过将例如按上述实施例21中卤交换方法所制备和回收 的全卤代苯与烷基碱金属例如丁基锂或乙基钠在-78℃下在无水的链 烷或环烷烃介质中(例如己烷或庚烷)在惰性气体保护下进行反应， 获得反应最完全的五氟苯基碱金属化合物。另外，可使用金属钠与一 氯五氟代苯或一溴五氟代苯在惰性烃类或醚的反应介质中在-78℃下 的反应来制备该碱金属的五氟代苯基碱金属化合物。在这个过程中任 何所形成的固体可通过过滤或其它方法转移掉。在搅拌所得的反应混 合物和保持该混合物在-78℃下时，少量的碱金属缓慢地溶入到一氯 五氟苯或一溴五氟代苯的烃或醚溶液中是正常情况。 五氟苯基硼化合物的制备
制备五氟代苯基硼化合物的方法包括下列步骤，这些步骤即可连 续进行也可分两或三步在不同时间在指定的反应装置中或不同的生 产地点进行：
A)通过本发明的卤素交换方法制备环上带有5个氟原子的全卤 代苯，优选一氯五氟代苯；
B)采用前面所述方法将A〕中所得到的全卤代苯转化成五氟苯 基有机金属化合物；和
C〕通过将五氟苯基有机金属化合物与三卤化硼或其醚合物优选 三氟化硼或其醚合物进行反应，将B〕中所得的五氟苯基有机金属化 合物转化成五氟苯基硼化合物。
在进行该方法时，在步骤A〕优选形成一氯五氟代苯，在步骤B) 中优选在乙醚中形成五氟苯基溴化镁格氏试剂，并且在步骤C)中通 过将格氏试剂与三氟化硼醚合物在乙醚中的反应优选形成三(五氟苯 基)硼(也就是已知的三(五氟苯基)硼)。
实施例25在部分基于上述Krzystowczyk等的欧洲申请专利出版物 基础上对从五氟苯基溴化镁合成三(五氟苯基)硼进行了描述。
实施例25
向一四颈圆低烧瓶中加入在上述实施例24中形成的131毫摩尔的五 氟苯基溴化镁的乙醚溶液。向该溶液中加入5.84克(41.4毫摩尔)的三 氟化硼乙醚同时将温度保持在0℃。将所得的溶液升至室温并搅拌16小 时得到三(五氟苯基)硼。上述方法是迄今为止已公开的方法中最经济 有效的用于生产三(五氟苯基)硼的工业化方法。 四(五氟苯基)硼阴离子的制备
制备四(五氟代苯基)硼阴离子的方法包括下列步骤，这些步骤即 可连续也可间断地在指定的生产装置中进行，或以两或多步骤在不同 时间和不同的生产地点分别进行：
A)通过本发明的卤素交换方法制备环上带有5个氟原子的全卤 代苯，优选一氯五氟代苯；
B)采用前面所述方法将A〕中所得到的全卤代苯转化成五氟苯 基有机金属化合物，
C〕通过有机金属化合物与三卤化硼或其醚合物，优选上述的三 氟化硼或其醚合物的反应将B〕中所得的五氟苯基有机金属化合物转 化成五氟苯基硼化合物。
D)将步骤C)中获得的五氟苯基硼在合适的溶剂或稀释剂中转 化成单配位的络合物，该络合物含有不稳定的四(五氟苯基)硼阴离 子。
在进行该方法时，优选在步骤C)中将五氟苯基格氏试剂与三氟 化硼或三氟化硼醚合物以每摩尔的三氟化硼使用4.1-4.5摩尔的格氏 试剂的比例进行混合，同时维持反应温度在25-45℃。该反应的产物 是醚可溶络合物(C6F5)4BMgX。另外，优选在步骤D)中通过将烃基卤 化铵水溶液缓慢地加入到步骤C〕中形成的络合物醚溶液中，同时保 持反应温度低于或等于5℃并搅拌该混合物而将烃基氯或溴化铵如 N，N-二甲基氯代苯铵或三丁基氯化铵和步骤C〕中形成的络合物的醚 溶液混合在一起。在该反应中使用过量的烃基氯化铵是可合乎需要 的。
实施例26和27分别描述了四(五氟代苯基)硼N，N-二甲基苯铵 和四(五氟代苯基)硼三烷基铵络合物的制备，它们是典型的含有一种 不稳定的四(五氟代苯基)硼阴离子和一种可与第4族过渡金属键合 成金属茂的配位体(如甲基)发生不可逆反应以形成离子型催化剂组 分的阳离子。
实施例26
将三氟化硼乙醚(138.7克，0.98摩尔)加入到在实施例24中形成 的五氟苯基氯化镁(3326克4.17摩尔)的乙醚溶液中，并以使该混 合物达到回流温度的速度加入。将该混合物加入回流18小时。然后 将该混合物冷却到-10℃并且将先前由浓盐酸、水和N，N-二甲基苯胺 形成的N，N-二甲基氯代苯铵(1142克，2.06摩尔)缓慢地加入同时保持 温度为0℃。加入后，将该混合物在-5℃-0℃下搅拌1小时。然后将 该两相分离，将有机相用水洗涤并用MgSO4干燥。在搅拌下加入己 烷四(五氟苯基)硼N，N-二甲基苯铵沉淀出来并将其过滤回收。
实施例27
四(五氟苯基)硼三丁基铵通过用2.06摩尔的三丁基氯化铵替代N，N- 二甲基氯代苯铵而得到制备。 活性聚合催化剂的制备
用于制备适用于形成可聚合的单烯烃、双烯烃和炔单体的均聚物 和共聚物的一种活性聚合催化剂的方法，该方法包括下列步骤，这些 步骤即可连续也可间断地以两或多步骤在不同时间的一个生产地点 或两个或多个不同的生产地点分别进行：
A)通过本发明的卤交换方法制备环上带有5个氟原子的全卤代 苯，优选一氯五氟代苯，
B)采用上述方法将A〕中所得到的全卤代苯转化成五氟苯基有 机金属化合物，
C〕通过有机金属化合物与三卤化硼或其醚合物优选上述的三氟 化硼或其醚合物反应，将B〕中所得的五氟苯基有机金属化合物转化 成五氟苯基硼化合物。
D)将步骤C)中获得的五氟苯基硼在合适的溶剂或稀释剂转化 成单配位的络合物，其中该络合物含有如上所述的不稳定的四(五氟 苯基)硼阴离子。
E〕适过一种过程形成一种活泼的催化剂，该过程包括在一种合适 的溶剂或稀释剂中将(i)含有第4族过渡金属的环戊二烯基金属化合物和 (ii)至少一种含有所说络合物的第二组分在一定的条件下混合一段时间， 所说条件和时间应使所说络合物的阳离子与环戊二烯基化合物的至少一 种配体不可逆地反应，并使五氟代苯基阴离子与从环戊二烯基金属化合 物产生的阳离子形成一种非配位的离子对。
在本发明的方法中，优选在上述步骤H)中形成的混合物还包括至少 一种其它组分，该其它组分为(C)至少一种分子式为R3M的有机金属加合 物，其中每个R独立地为一种烃基或一种烷氧基，其前提条件是至少一 个R为烃基，M为铝或硼原子；或者(D)一种催化剂载体；或者(E)，(C) 和(D)的结合。更优选的是，所述的其他组分为一种颗粒形式的无机氧化 物。
下列实施例进一步地描述了活性催化剂的制备和将这种催化剂用于 不饱和单体的聚合以形成有用的聚合物。实施例28-50部分地基于美国专 利USP5,198,140上的实施例，实施例51-56部分地基于美国专利 5,153,157。
实施例28
向一个具有干燥氮气保护的1升不锈钢高压釜中加入400毫升干燥 脱氧的己烷和溶于30毫升甲苯的15毫克二(环戊二烯基)二甲基铪溶液， 然后再加入含有12毫克二(环戊二烯基)二甲基铪的50毫升甲苯溶液和在 上述实施例27中形成的30毫克四(五氟苯基)硼三(正丁基)铵。将该高压 釜用90psig的乙烯加压并在60℃搅拌1小时。将高压釜放气并打开，回 收所形成的聚乙烯。
实施例29
向实施例15的先用干燥氮气进行换气的高压釜中加入400毫升干燥 脱氧的己烷和溶于25毫升甲苯的9毫克二(叔丁基环戊二烯基)二甲基锆 和在上述实施例26中形成的2.9毫克四(五氟苯基)硼N，N-二甲基苯铵溶 液，然后再加入100毫升的1-丁烯，将该高压釜用65psig的乙烯加压并 在50℃搅拌1小时。将高压釜放气、冷却并将其中的物质干燥，回收在 该过程所形成的乙烯-1-丁烯共聚物。
实施例30
向一个具有干燥氮气保护的1升不锈钢高压釜中加入400毫升干燥 脱氧的己烷和溶于25毫升甲苯的15毫克二(环戊二烯基)二甲基铪溶液， 然后加入含有17毫克二(环戊二烯基)二甲基铪的50毫升甲苯溶液和在上 述实施例27中形成的42毫克四(五氟苯基)硼三(正丁基)铵。再加入200 毫升的丙烯，将该高压釜用50psig的乙烯加压并在60℃搅拌15分钟。 将高压釜放气并打开，残留于反应物中的己烷通过在空气流下蒸除，回 收所形成的乙烯和丙烯共聚物。
实施例31-38
采用实施例28-30的方法制备一系列催化剂组合物和进行所有按照 本发明的聚合作用。表1列出了进行相应的聚合作用所使用的原料。在 进行每次表2列出的实施例中，阴离子源即可以是在上述实施例27中制 备的四(五氟苯基)硼三丁基铵(BAPFB)又可以是在上述实施例26中制备 的四(五氟苯基)硼N，N-二甲基苯铵(MAPFB)。将第四族金属茂和阴离子 源溶于适量的甲苯中并加入到每次的实施例反应物中。
表2  实施例    第四族过滤金属化合物(毫克)  阴离子源(毫克)  辅助稀释剂   温度    时间             单体    31      (Cp)2Hf(Me)2(36)    MAPFB(11)     无-   50℃   15分钟   丙烯(400mL)，乙烯(120psig)    32      (Cp)2Hf(Me)2(12)    BAPFB(30)     正己烷   50℃   60分钟   1-丁烯(50mL)，乙烯(65psig)    33      (Cp)2Hf(Me)2(19)    BAPFB(15)     正己烷   50℃   45分钟   1-丁烯(50mL)，丙烯   (25mL)，乙烯(60psig)    34      (Cp)2Hf(Me)2(72)    MAPFB(16)     正己烷   50℃   10分钟   1，4-己二烯(100mL)，丙烯   (50mL)，乙烯(90psig)    35      (Cp)2Hf(Me)2(27)    BAPFB(30)     正己烷   50℃   60分钟   1-己烯(100mL)，   乙烯(65psig)    36      (Cp)2Hf(Me)2(72)    MAPFB(22)     正己烷   40℃   65分钟   丙烯(200mL)    37      (Cp)2Hf(Me)2(77)    MAPFB(22)     无-   40℃   90分钟   丙烯(400mL)    38      rac-(Me)2(SiH)(In)2Hf(Me)2    MAPFB(5)     无-   40℃   270分钟   丙烯(500mL)
-丙烯本体聚合作用 实施例39
向一个聚合容器中加入溶于50毫升甲苯中的0.22克四(五氟苯基) 硼三丁基铵(按上述实施例27制得)，然后加入0.1克二(五甲基环戊二 烯基)二甲基锆。将该容器用橡胶隔板盖住，并在室温下搅拌10分钟。然 后将该容器用乙烯充压至1.5个大气压并剧烈搅拌。15分钟后将反应容 器泄压并加入甲醇破坏催化剂。从所得混合物中回收线性聚乙烯。
实施例40
重复实施例39的步骤，所作的改变为：使用0.34克上述实施例27 中制得的阴离子源，所用的第4族茂金属为0.13克(环戊二烯基)(五甲基 环戊二烯基)二甲基锆，10分钟后用甲醇终止反应。制得聚乙烯。
实施例41
通过进行实施例39的步骤制备聚乙烯，所作的改变为：使用0.18 克上述实施例27中制得的相同的阴离子源，所用的第4族茂金属为0.12 克二[1，3-二(三甲基硅基)环戊二烯基]二甲基锆，10分钟后用甲醇终止反 应。
实施例42
重复实施例39的步骤，所不同的是使用0.34克上述实施例27中制 得的阴离子源和0.1克二(环戊二烯基)二甲基锆，10分钟后用甲醇终止反 应。回收在聚合中制得的聚乙烯。
实施例43
向一个聚合容器中加入溶于100毫升甲苯中的0.12克四(五氟苯基) 硼三丁基铵(按上述实施例27制得)和0.04克二(环戊二烯基)二甲基锆。 将该容器用橡胶隔板盖住，并在60℃下搅拌3分钟。然后向该容器中加 入3毫升1-己烯和1.5个大气压的乙烯。20分钟后将反应容器泄压并加 入甲醇破坏催化剂。从所得混合物中回收乙烯-己烯共聚物。 实施例44
通过在一种聚合容器中将550毫克二(三甲基硅基环戊二烯基)二甲 基铪与溶于50毫升甲苯的800毫克四(五氟代苯基)硼N，N-二甲基苯铵 (按上述实施例26制得)反应制得一种符合本发明的活性催化剂。在向 该溶液中通入乙烯时发生放热反应生成聚乙烯。
实施例45-50
通过将下列组分在甲苯中混合，按照本发明制得六种活性催化剂：
试验45：40毫克四(五氟代苯基)硼N，N-二甲基苯铵(按上述实 施例26制得)和17毫克1-二(环戊二烯基)锆-3-二甲基硅杂环丁烷。
试验46：80毫克四(五氟代苯基)硼N，N-二甲基苯铵(按上述实 施例26制得)和36毫克1-二(环戊二烯基)钛-3-二甲基硅杂环丁二烯。
试验47：85毫克四(五氟代苯基)硼三丁基铵(按上述实施例27 制得)和34毫克二(环戊二烯基)锆-2，3-二甲基1，3-丁二烯。
试验48：39毫克四(五氟代苯基)硼N，N-二甲基苯铵(按上述实 施例26制得)和20毫克1-二(环戊二烯基)铪-3-二甲基硅杂环丁烷
试验49：41毫克四(五氟代苯基)硼三丁基铵(按上述实施例27 制得)和21毫克二(环戊二烯基)铪-2，3-二甲基1，3-丁二烯。
试验50：75毫克四(五氟代苯基)硼N，N-二甲基苯铵(按上述实 施例26制得)和53毫克(五甲基环戊二烯基)(四甲基环戊二烯基亚甲基) 苄基铪。
通过将乙烯通入每个该六个相应的催化剂溶液而制得聚乙烯。
实施例51
向含有干燥氮气气氛的高压釜中加入含有0.2毫摩尔三乙基硼的甲 苯溶液(20毫升)，然后加入含有5毫升甲苯、3毫克二(环戊二烯基) 二甲基锆和1.5毫克上述实施例26制得的四(五氟代苯基)硼N，N-二甲基 苯铵的溶液。将该容器中用90psi的乙烯充压并在40℃搅拌1小时。将 该容器泄压并打开，从高压釜中回收线性聚乙烯。
实施例52
重复实施例51的操作，所不同的是所用的甲苯溶液由5毫升甲苯、 4毫克二(环戊二烯基)二甲基铪和1.5毫克上述实施例26制得的四(五氟 代苯基)硼N，N-二甲基苯铵形成。制得线性聚乙烯。
实施例53
重复实施例51的操作，所不同的是向高压釜中加入由20毫升甲苯 和0.2毫摩尔三乙基铝形成的溶液，然后加入由10毫升甲苯、3毫克二(环 戊二烯基)二甲基锆和3毫克上述实施例26制得的四(五氟代苯基)硼N，N- 二甲基苯铵所形成的溶液。制得线性聚乙烯。
实施例54
重复实施例51的操作，所不同的是在加入三乙基铝的甲苯溶液以 后，使用一种由20毫升甲苯、3毫克二(环戊二烯基)二甲基铪和6毫克 上述实施例26制得的四(五氟代苯基)硼N，N-二甲基苯铵所形成的溶液。 制得线性聚乙烯。
实施例55
向一个1升的含有干燥氮气气氛的不锈钢高压釜中加入0.2毫升溶 于己烷中的35重量％的三乙基铝溶液，然后加入10毫升由10毫升甲苯、 36毫克二(环戊二烯基)二甲基铪和11毫克上述实施例26制得的四(五氟 代苯基)硼N，N-二甲基苯铵所形成的溶液。将丙烯(400毫升)加入到该 高压釜中，并将物料加热至40℃。将该容器中用200psi的乙烯充压并在 40℃搅拌0.5小时。将该容器泄压并打开，从高压釜中回收乙烯和丙烯的 共聚物。
实施例56
重复实施例43的步骤，所不同的是用0.2毫摩尔三乙基硼代替三乙 基铝，而且接着所用溶液为由10毫升甲苯、24毫克二(环戊二烯基)二甲 基铪和8毫克上述实施例26制得的四(五氟代苯基)硼N，N-二甲基苯铵所 形成的溶液。产物为乙烯-丙烯共聚物。
实施例57-71
通过实施PCT公开申请WO91/09882A1(于1991年7月11日公开) 的15个实施例中所详细描述的方法制备负载型催化剂组合物并将其用作 聚合催化剂，但在每种情况下都使用上述实施例26制得的四(五氟代苯 基)硼N，N-二甲基苯铵。在每个实例中在没有损失操作效果的情况下催化 剂的单位消耗大大降低。
另一种制备负载型催化剂的方法包括：将按照本发明的上述方法制 得的五氟苯基硼化合物，优选这样制得的三(五氟代苯)基硼在一定的条件 下与一种金属/非金属氧化物载体的羟基反应以形成一种载体键合的阴离 子活化剂，然后将所说载体键合的阴离子活化剂与一种合适的第4族过 渡金属的茂金属接触，使该活化剂质子化该茂金属，从而得到含有一种 过渡金属阳离子和一种载体键合阴离子的负载型离子催化剂体系。该载 体应含有其pKa值等于或小于无定型二氧化硅的pKa值，即其pKa值小于 或等于11的表面羟基。符合该条件的氧化硅-氧化铝是优选的载体材料。 为了完成在制备这类负载型催化剂时所用的详细的相关步骤和材料，应 参看于1996年2月15日公开的PCT公开专利申请WO96/04319A1。实 施例72-92描述了这一方法。
实施例72-92
通过实施PCT公开申请WO96/04319A1(于1996年2月15日公开) 的实施例1-21中所详细描述的方法制备负载型催化剂组合物并将其用作 聚合催化剂，但在每种情况下在形成该催化剂时都使用三(五氟代苯基) 硼，所用的三(五氟代苯基)硼按照上述实施例25的方法制备。在每个实 例中在没有损失操作效果的情况下催化剂的单位消耗大大降低。
另一类可在本发明中高效低耗地使用的催化剂是通过含有下列 顺序进行的步骤的方法制得的催化剂，这些步骤即可连续也可间断地 在指定的生产装置中进行，或以两或多步骤在不同时间和不同的生产 地点分别进行：
A)通过本发明的卤素交换方法制备环上带有5个氟原子的全 卤代苯，优选一氯五氟代苯；
B)采用前面所述方法将A〕中所得到的全卤代苯转化成五氟 苯基有机金属化合物，
C〕通过有机金属化合物与三卤化硼或其醚合物，优选上述的 三氟化硼或其醚合物的反应将B〕中所得的五氟苯基有机金属化合物 转化成五氟苯基硼化合物。
D)将从C)得到的所说五氟代苯基硼化合物与一种分子式为 LMX2的茂金属在一定条件下接触，其中L为一种具有约束几何构型 金属活性位置并含50个以下非氢原子的离域π键基团的衍生物，M 为一种第4族的金属，每个X分别为氢化物或者一种具有20个以下 碳、硅或锗原子的烃基、硅烷基或锗烷基基团，以形成一种具有分子 式为LMXXA的限定电荷分离结构的催化剂，其中A为从所说五氟 代苯基硼化合物形成的阴离子。
在适合用于本方法的五氟代苯基硼化合物中，三(五氟代苯基)硼是 最优选的反应试剂。作为十分详细的制备和使用该催化剂的描述，合适 的分子式为LMX2的茂金属的例子可参见于1992年12月30日公开的 EP520,732A1和J.C.Stevens于1992年7月21日公布的USP5,132,380。
实施例93-207进一步描述了分子式为LMXXA的活性催化剂的制 备以及这些催化剂在不饱和单体的聚合形成有用聚合材料中的应用。
实施例93-207
通过EP520,732A1(于1992年12月30日公开)的前115个实施例 中所详细描述的方法制备催化剂组合物并将其用作聚合催化剂，但在每 种情况下都使用三(五氟代苯基)硼，所用的三(五氟代苯基)硼按照上述实 施例25的方法制备。在每个实例中在没有损失操作效果的情况下催化剂 的单位消耗大大降低。
应该理解的是，在说明书和权利要求书中的任何地方用化学名称或 分子式表示的组分，不论其用单数还是复数表示，都用其与用化学名称 或化学类型(如，另一种反应物，一种溶剂，或一种稀释剂)表示的其 它物质接触之前存在的状态来定义。不论其在所形成的混合物或溶液或 反应介质中是否发生了任何初步的变化、转化和/或反应，因为这种变化、 转化和/或反应是在将这些特定的反应物和/或组分在符合所公开的条件 下结合在一起时自然产生的结果。因此反应物和其它材料定义为联系进 行一种所希望的化学反应或形成一种用于进行所希望的反应的混合物而 将其结合在一起的组分。因此，即使权利要求书中可用现在时(“含有”， 或“是”)来定义物质、成分和/或组分，所引用的并不是按照本说明书 的刚好在其与一种或多种其它物质或组分第一次接触、掺合或混合时所 存在的物质或组分。事实上物质或组分通过在这些接触、掺合或混合过 程中的化学反应或转化或形成复合物或假设某些其它化学形态的形成会 失去其本来的定义，因此应全面地准确理解和鉴别说明书和权利要求 书。用化学名称或分子式来定义组分排除了其在反应过程中一种组分转 化为一种或多种转换中间体进入或参加反应而发生变化的可能性。简单 地说，没有表示或推断所命名的组分必须以其原来的化学组成、结构或 形式参加反应。
本发明在实际实施时容许考虑其变化。因此前面的描述不想将本发 明限定为，也不能解释为将本发明限定为该特殊的范例。另外，本发明 如何覆盖其保护范围将有权利要求书和法律来决定。
可以理解，说明书中给出的数值范围可以推论进行合理的变化。