五氟吡啶的合成方法对其分子的结构和性质有重要影响。了解其合成方法及反应特性对于优化生产工艺和应用领域至关重要。
简介：
五氟吡啶，又称全氟吡啶，英文名称：Pentafluoropyridine，CAS：700-16-3，分子式：C5F5N。五氟吡啶具有六元芳环结构，其中五个氟原子取代了碳原子上的所有氢。五氟吡啶是一种重要的全氟芳香烃化合物，其分子中的氟原子和杂原子的引入显著改变了分子的结构和电子分布。这种变化使得五氟吡啶具有独特的物理化学性质，并影响其激发后的反应机制和弛豫过程。由于引入氟原子或自由基会增加原子核的质量，从而降低激发能量，因此氟代苯的吸收谱相较于苯的吸收谱出现了显著的红移现象。此外，氟原子引入芳香环或杂环中会增强 π 键及其反键特征。且随着氟原子数目的增加，C—F 键的键长逐渐变短，使得氟取代的芳香族化合物的分子结构会更稳定、芳香性更强。
1. 五氟吡啶的合成方法
（1）方法一
五氟吡啶的合成方法首次报道于20世纪60年代初，涉及全氟哌啶的脱氟过程。在这一过程中，全氟哌啶是通过吡啶与无水氟化氢的电化学合成在高温下与铁或镍等金属反应制备的。随后，通过色谱法分离得到五氟吡啶。使用铁作为还原剂时，五氟吡啶的产率为26%；而使用镍时，产率略低，为12%。
（2）方法二
1964 年和 1965 年，Chambers 等人和 Banks 等人分别发表了类似的五氟吡啶合成方法。作者们在高压釜中加热五氯吡啶和无水氟化钾，从而制备出五氟吡啶。五氯吡啶是通过吡啶与五氯化磷反应制备的。在这种情况下，得到的是产物的混合物，但可以通过蒸馏分离。
卤代产物总量约为90%，可通过改变温度和反应时间来调节产物的比例。在最佳条件下，五氟吡啶的产率为83%。该方案仍然是商业化合成五氟吡啶的黄金标准。
（3）方法三
自从 20 世纪 60 年代中期开发出商业化制备五氟吡啶的方法以来，通过其他方式制备五氟吡啶的进展甚微。近 20 年后，Banks 等人在氮气保护下，共热解五氟（三氯甲基）苯和 4-二氯氨基四氟吡啶，获得了微量五氟吡啶。同年，Coe 和 Sleigh 在铁存在下热解了多种吡咯烷。该反应生成了产物的混合物，与 Banks 的报告类似，五氟吡啶的产量非常低（<12%）。后来在 1982 年，Plevey 及其同事通过用四氟钴酸铯（III）氟化吡啶，获得了 40% 产率的五氟吡啶。尽管如此，他们也遇到了挑战，当反应规模超过 5 克时，产量出现了收益递减点。
（4）方法四
在 2004 年由 Bardin 等人发表的最后一个例子中，作者能够在铁或锌存在下通过 C5Cl4F5N脱卤得到五氟吡啶。在所有情况下，都获得了产物的混合物，并且通过 GLC 分析确定的非分离产率与在如下表。
（5）方法五
钟旭辉等人以2，4，6-三氟-3，5-二氯吡啶为原料，KF为氟化剂，多氟吡啶为目的产物，通过对氟化反应催化剂的研究，筛选新型催化剂，降低反应温度，为该类难实现氟化反应的产品工业化奠定基础。通过对试验机理的探讨，筛选了一种新型组合催化剂，四苯基溴化磷与无水AlCl3按质量比3∶1组合，应用在以2，4，6-三氟-3，5-二氯吡啶为原料、KF为氟化剂的反应中，取得了较好的实验效果；并通过优化实验得到了较好的工艺参数:配料比为KF:三氟二氯吡啶:四苯基溴化磷:AlCl3=30g:150g:3g:1g，反应温度240℃，反应时间为20h，得到3-氯四氟吡啶15%，五氟吡啶10%，催化剂选择性50%。
2. 五氟吡啶反应
（1）五氟吡啶的化学转化已得到充分记录，一些值得注意的方法包括 CF 键活化、光氧化还原反应、加氢脱氟和亲核加成。由于亲核试剂种类繁多，后者的已知化学转化已被证明非常灵活。此外，五氟吡啶具有独特的区域选择性，在温和的碱性条件下，4-对位的化学计量加成是独一无二的， O -、N -、S和C -亲核试剂种类繁多。2，6-邻位的顺序加成也可以完成，3，5-间位的取代分开进行。
（2）Vlasov等人的研究表明，在碱性条件下，五氟吡啶能够与氟化物（F?）发生可逆取代反应，这一过程在良好的亲核试剂（如苯酚）的作用下进行。进一步的研究采用了DFT建模来探讨富电子和贫电子芳香醚在五氟吡啶的2,6-邻位上的可逆取代效应。Brittain等人利用这些发现，将五氟吡啶作为多种酚类化合物的有效保护基，这些酚类化合物在温和条件下能够进行裂解或脱保护反应。
（3）全氟吡啶已被用作烷基卤化物的亲核氟化试剂（如下图，从右到左) 以及羧酸的脱氧氟化 (如下图，从左到右）用于制备多功能底物池。通过五氟吡啶和二甲氨基吡啶的加成生成空气稳定的氟化物盐，实现有机卤化物（R-X）的氟化。此外，通过羧酸与五氟吡啶的亲核加成，可以很容易地原位生成酰氟。然后酯中间体从未螯合的氟化物中裂解出来，生成苯酚作为副产物和所需的酰氟。该策略扩展为利用五氟吡啶作为偶联剂“一锅法”制备酰胺和酯。
（4）有目的地操纵五氟吡啶的最后几个例子包括位点选择性脱氟和卤素交换 (halex)，如下图所示。这两种过程都会根据不同的反应条件产生区域选择性取代。Senaweera 等人利用流动反应器设计制备脱氢氟化五氟吡啶，在低 Ir 复合物负载下实现了高光催化周转率，证明了此类有用中间体的可扩展性。在五氟吡啶的 4-对位用 LiCl实现了 halex 逆取代，并通过动力学和热力学控制实现了环上与氯的额外交换。
参考：
[1]李多多,张嵩. 五氟吡啶激发态非绝热弛豫过程中的分子结构 [J]. 物理学报, 2024, 73 (04): 125-132.
[2]钟旭辉. 多氟吡啶合成催化剂的研发与应用[D]. 湘潭大学, 2009.
[3]Gautam R, Geniza I, Iacono S T, et al. Perfluoropyridine: discovery, chemistry, and applications in polymers and material science[J]. Molecules, 2022, 27(5): 1616.
[4]https://baike.baidu.com/item/%E4%BA%94%E6%B0%9F%E5%90%A1%E5%95%B6
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