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安全专辑[4] 一万倍的小心!三氟甲基潜在的剧烈爆炸性!

 liuherotao007 2023-07-04 发布于安徽

LAH还原氰基的爆炸事故

先来看一个例子,就是下图所示的氰基还原。乍一看,没啥稀奇的,很常见很普通的反应嘛,无非就是留意一下LAH的高活性而已。

事实果真如此吗?那么,来看看实验人员是如何进行操作的。

首先穿好防护服,站在通风柜一侧1.5m远的地方,隔着厚厚的金属墙和有机玻璃,通过一根2m长的管子用注射器小心加入甲醇淬灭反应

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为什么要如此小心谨慎

这就是今天我们要讨论的一个安全话题,和三氟甲基以及其他含氟化合物相关的潜在安全隐患

回到开头那个反应。在氩气保护下于0−5°C在2.5 L乙醚中进行上述还原反应,机械搅拌。当向反应中滴加冷的甲醇淬灭反应时,第一滴甲醇加入后,在容器内产生明亮的橙红色火光,爆炸发生,反应器随之被摧毁,通风柜的保护玻璃护罩被打破,一名研究人员被碎片严重割伤,并被火焰烧伤

再来看几起相关的安全事故。

1951年,在用LAH还原全氟琥珀酰胺时发生爆炸。氮气保护下,1.12 mol的LAH在1.0 L乙醚还原全氟琥珀酰胺。当向反应中加入2滴水淬灭反应时,发生剧烈爆炸,随后发生火灾

1955年,在3L乙醚中用LAH还原2.2 mol的含氟酰胺,在准备淬灭反应的过程中,再次发生了爆炸。在反应过程中形成的泥状沉淀物堵塞了机械搅拌器。当试图通过手动旋转打开时,导致了剧烈的气泡冲出,随后发生了爆炸。烧瓶被毁了,大火也严重损坏了通风柜

含氟化合物的独特安全隐患

在下图所示的一系列氰基还原反应中,均没有观察到安全事故,唯独开头所示的含有三氟甲基的底物发生了爆炸。通过进一步对照实验,确认与LAH等试剂反应时,含有三氟甲基的底物可能比不含氟的类似物的热稳定性更差,更具爆炸性。

而在另一篇文章中,作者认为所有含氟化合物用LAH进行还原时都具有潜在的爆炸性,并建议在防护罩保护下进行实验操作。

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鉴于上述安全问题,最后采用瑞尼镍催化氢气还原的条件进行了氰基的还原反应。

含三氟甲基的格氏试剂的爆炸性

含有三氟甲基的底物不仅对LAH敏感,在此类化合物的格氏试剂的制备过程中也存在特有的安全隐患。

1990年的一篇文章报道了在以商业规模制备4-三氟甲基苯基氯化镁的过程中发生的一起事故,导致了一个化工厂的破坏和人员伤亡。

此外,辉瑞公司在1971报告了3-三氟甲基苯基溴化镁制备过程中的严重分解事故,对实验室造成了大面积的损害

三氟甲基格氏试剂不稳定的原因
针对含三氟甲基底物的格氏试剂的制备,默克公司曾专门发表文章对其安全性和制备方法进行了研究。
用传统的镁粉合成了如下所示的一系列格氏试剂,RSST和DTA分析结果表明,格氏试剂是否含有三氟甲基,其放热性质具有显著的差异。
不含三氟甲基的格氏试剂1819在测试中没有表现出放热性质。含三氟甲基的格氏试剂10151617则表现出显著的放热活性。
此外,RSST和DTA的结果表明,一旦这些化合物开始发生放热反应,就会导致一个不可控的反应,从而存在导致爆炸的可能性

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进一步的对照实验表明,当使用传统的镁粉方法合成三氟甲基格氏试剂时,如果有残留的镁粉存在,则会观察到放热活性,而没有残留镁粉时,则没有观察到放热活性。
因此,与传统的镁粉方法相比,不使用镁粉的Knochel方法(i-PrMgBr)更具安全性
另外,文章提到,此类格氏试剂在THF中的稳定性高于在Et2O中,因此,THF是制备此类试剂的首选溶剂
最后,在制备此类试剂时,一定注意避免试剂从溶剂中脱离的现象,因为这也可能是造成震爆的原因。
三氟甲基格氏试剂稳定性与浓度的关系
尽管上面提到,默克的研究表明Knochel方法是相对更安全的方法。但在2009年,勃林格殷格翰公司在OPRD上发表的文章表明,即使采用Knochel方法,制备此类试剂也存在显著的安全隐患。

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ARSST测试结果表明,上图所示的溶液在测试中观察到一个高度放热现象。温升峰值速率(dT/dt)达到3200 °C/min,压升峰值速率(dP/dt)达到6000 psi/min

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进一步的研究结果表明,此类化合物的稳定性与浓度具有高度的相关性,浓度越高,放热越显著,越不稳定。

当浓度增加到1.5 M时,出现了极端放热事件,而0.5 M浓度的格氏溶液表现出非常低的分解曲线。

浓度和安全性的这一关系,在安全这个系列已经多次提到。

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对2-三氟甲基苯基格氏试剂溶液的分解产物进行了HPLC和19FNMR分析,表明三氟甲基经历了一个或多个分解途径,在分解混合物中存在氟离子。根据氟离子含量和分解混合物中总氟含量的计算表明,近四分之一到三分之一的有机氟已转化为氟离子。

虽然这些分解途径不容易理解,但文章推测能量释放可能主要是由于氟化镁的高晶格能导致的(氟化镁的晶格能为-2957 kJ/mol)。

经过上述评估和优化,成功地在0.6 M浓度的THF中生产了83 L(50 mol)的2-三氟甲基苯基溴化镁溶液。

最后,作者总结道,尽管Knochel方法在制备格氏试剂时具有更好的安全性,但对于三氟甲基底物来说,依然存在很高的安全隐患,应该进行充分的安全评估,建议在较低浓度下进行此类反应。

Summary

从上面三篇文章来看,含三氟甲基的底物,或者其他含氟底物,在进行与LAH或格氏试剂相关的反应时,务必当心其潜在的安全隐患,进行充分的安全评估,并在低浓度下进行,或者寻找合适的替代方法。

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参考文献:ACS Chem. Health Saf. 2020, 27, 4, 235–239
J. Org. Chem. 2003, 68, 3695
Org. Process Res. Dev. 2009, 13, 6, 1426–1430
注:文中图片可能源于参考文献,如有侵权,请联系删除。

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