张广宇，李伟，王飞，何双材，倪航*
(1.浙江省化工研究院有限公司,浙江 杭州 310023；
2.含氟温室气体替代及控制处理国家重点实验室，浙江 杭州 310023)
在当今数字经济快速发展的背景下，数据中心作为数据处理、储存和传递信息的载体正处于高速发展的状态。随着数据中心的发展，其能耗问题日益严峻，降低数据中心电能使用效率值（power usage effectiveness,PUE）显得尤为重要。在数据中心的能耗中，用于冷却或移热的能耗占40%左右[1]，因此亟需开发新型散热技术以降低数据中心的能耗。目前，数据中心主要有风冷与液冷两种散热途径，液体的比热容为空气的1000～3500 倍[2-3]，导热性能是空气的15～25 倍[4]，因此，与传统的风冷和自然冷却技术相比，浸没式液冷技术有着巨大的优势，开发新型的浸没式液冷技术，解决当前数据中心散热困难的技术难题，是数据中心绿色低碳发展的必然选择。
与汽车空调的冷却液不同，数据中心浸没式冷却液需要直接与电子器件接触，故对冷却液的绝缘性、传热性等性能有着严格的要求。氟原子半径小，负电荷较为集中，具有较低的原子极化率[5-7]。因此，氟取代可以显著降低化合物分子的极化率，从而降低其介电常数。研究认为，化合物中的氟元素质量百分含量和分子体积极化率是影响介电常数的主要因素[8]。通常，化合物中氟元素的质量百分含量越高，其介电常数越小；
分子体积极化率越小，其介电常数越小（较小的介电常数代表其具有更好的绝缘性能）。含氟烯烃类化合物通常具有良好的绝缘性能。由于该类化合物含有碳碳双键，与OH 自由基的反应活性较强，所以其大气寿命较短，全球增温潜能值（global warming potential,GWP）较低，是一种较为理想的液冷工质。近几年来，许多含氟烯烃类化合物已经作为浸没式液冷工质的主要成分较好地应用于数据中心液冷技术中[9]。
在该类化合物的基础上，可以通过过渡金属催化（transition-metal catalysis，TMC）或亲核烯基取代反应（nucleophilic vinylic substitution reaction，SNV）等方式实现C-F 官能化，对含氟烯烃分子进一步修饰，以提高其性能，进一步优化性能指标。与过渡金属催化相比，亲核乙烯基取代反应具有反应条件温和、绿色环保等特点，具有较大的应用价值。本文主要综述几类含氟烯烃的亲核烯基取代反应，并对该类反应的应用提出新的展望。
在烯烃中引入全氟烷基可以增加化合物的稳定性，该方法得到了越来越多的关注。在液冷工质的合成中，全氟烷基化反应在增加液冷工质的稳定性与沸点方面发挥着较大的作用。
例如，在化合物中引入三氟甲基，可以增强化合物的化学稳定性、代谢稳定性，该反应在药物合成等领域有着较大的应用价值[10-12]。目前,合成三氟甲基化合物的策略主要有两种: 三氟甲基砌块法和三氟甲基试剂法[13]。其中，三氟甲基砌块法是将含三氟甲基的有机小分子作为合成砌块,经过一系列化学反应合成含三氟甲基的目标产物；
三氟甲基试剂法利用含有三氟甲基的试剂，通过亲核取代反应[14]、亲电反应[15]与自由基反应[16]等方式直接向有机物分子中引入三氟甲基。该方法可以直接在化合物中引入三氟甲基，增强化合物的稳定性，适用于含氟烯烃型液冷工质的修饰与衍生化过程。
根据反应中间体电性的差异，可以将三氟甲基化试剂分为亲核型三氟甲基化试剂、亲电型三氟甲基化试剂、自由基型三氟甲基化试剂（Scheme 1）。其中，Ruppert-Prakash 试剂[17-18]作为重要的亲核型三氟甲基化试剂，可以较好地应用于含氟烯烃的烷基化反应中。
Scheme 1 常见三氟甲基化试剂
Ruppert-Prakash 试剂有着较长的研究历史，作为一种常用的亲核全氟烷基化试剂，Me3SiCF3及其同系物广泛应用于亲核取代、亲核加成等重要的反应中。由于Si-O、Si-F 的键能很大，硅原子具有较强的亲氟性和亲氧性，通常需要使用以氟或氧作为负电中心的Lewis 碱活化三氟甲基硅试剂。1989 年，Olah 等[19]以四丁基氟化铵为Lewis碱、四氢呋喃为溶剂，在室温下实现了羰基化合物的三氟甲基化反应，并且详细研究了该类反应的机理，为Ruppert-Prakash 试剂的应用提供了理论基础（Scheme 2）。
Scheme 2 羰基化合物的三氟甲基化反应及其机理
与羰基化合物的三氟甲基化反应条件类似，2016 年，Ono 等[20]以氟化氢钾为催化剂、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）为溶剂、Me3SiCF3为三氟甲基化试剂，在室温下实现了氟代烯烃的三氟甲基化反应。探索了溶剂在三氟甲基化中的作用，发现非质子极性溶剂如DMF、DMA（N,N-二甲基乙酰胺）、NMP（1-甲基2-吡咯烷酮）、CH3CN、六氟丙烯三聚体和DMI（1,3-二甲基-2-咪唑啉酮）都可用于三氟甲基化反应，而DME（乙二醇二甲醚）和六氟丙烯二聚体则无法适用于该反应。
此外，溶剂的类型也会影响三氟甲基化的结果，当使用DMF 作为溶剂时，除主要的单三氟甲基化产物外，还会以13%的产率得到双三氟甲基化的产物；
当使用DMI 作为溶剂时，双三氟甲基化反应被抑制，从而高选择性地得到单三氟甲基化的产物，这也说明DMI 的溶剂效应会影响三氟甲基化的过程（Scheme 3）。
Scheme 3 Ruppert-Prakash 试剂与六氟丙烯三聚体的反应
结合羰基化合物的三氟甲基化反应，可以推测，该反应经历了与Scheme 2 类似的Lewis 碱活化Me3SiCF3-亲核取代反应-中间体活化Me3SiCF3的催化循环过程，即氟负离子与亲氟性较强的硅原子形成高键能的Si-F 键后，游离出的三氟甲基负离子作为亲核试剂与含氟烯烃进行亲核烯基取代反应，实现烯烃的三氟甲基化（Scheme 4）。同时，除主产物外，反应中也生成了烯烃的异构化副产物，证明了亲核烯基取代反应中加成-消除机理的存在。
Scheme 4 Ruppert-Prakash 试剂与六氟丙烯三聚体的反应机理
游离出的三氟甲基负离子在室温下不稳定且易于分解[14]，故Me3SiCF3的用量可以影响反应的产率。当增大Me3SiCF3的用量时，游离出的三氟甲基负离子数量增多，反应产率明显提高。该方法可以较好地应用于氟代烯烃的衍生化反应，适用于含氟烯烃型液冷工质的衍生化反应。
与氟化钾、氟化氢钾等无机盐类似，含氟有机物也可以作为Lewis 碱活化Ruppert-Prakash试剂。2015 年，曹松等[21]报道了TBAF（四丁基氟化铵）催化的偕二氟烯烃三氟甲基化反应，该反应在温和的反应条件下顺利进行，在不使用金属催化剂的情况下，可以获得中等到良好的产率，得到偕二氟烯烃的单三氟甲基化、双三氟甲基化产物（Scheme 5）。
Scheme 5 偕二氟烯烃的全氟烷基化反应
偕二氟烯烃对亲核试剂具有独特的反应性，在有机合成中发挥着重要的作用[22-23]。与六氟丙烯三聚体不同，该类化合物烯烃端基的两个氟原子均可以被三氟甲基负离子取代。当使用1.0 mmol 的偕二氟烯烃，1.2 mmol 的三氟甲基试剂时，可以最高85%的产率得到单三氟甲基化产物；
当使用1.0 mmol 的偕二氟烯烃，3.0 mmol 的三氟甲基试剂时，可以获得较好产率的双三氟甲基化产物。与三氟甲基相比，氟原子的吸电子能力更强，因此偕二氟烯烃更易被亲核试剂进攻，三氟甲基化的过程更易进行。与Scheme 3 中六氟丙烯三聚体相比，当使用相似量的三氟甲基试剂时，Scheme 5 中偕二氟烯烃的三氟甲基化产物的产率明显较高。
Scheme 6 Cs2CO3 催化的三氟甲基化反应
Scheme 7 高选择性的三氟甲基化反应
五氟乙基在许多药物和农用化学品中发挥着重要的作用，构建Cvinyl-CF2CF3键的方法也得到了越来越多的关注[24]。在与含氟烯烃的三氟甲基化反应相似的条件下，偕二氟烯烃也可与三甲基硅基五氟乙基试剂反应，得到五氟乙基化产物；
当五氟乙基化试剂用量增多时，也会得到双五氟乙基化的产物。
含氟有机化合物四丁基氟化铵也可以作为引发剂促进三氟甲基化与五氟乙基化反应，全氟烷基化反应拓展到芳香体系中，进一步扩大了该反应在有机合成中的应用范围。
除含氟化合物外，一些其他的Lewis 碱也可以作为引发剂促进三氟甲基化反应。邓清海等[25]报道了不含氟的Lewis 碱催化含氟烯烃的三氟甲基化反应。在筛选了多种不含氟的Lewis 碱后，发现由于硅原子具有较好的亲氧性[26-28]，催化量的含氧阴离子盐可以较好地活化Me3SiCF3，以保持足够高的亲核阴离子浓度，促进偕二氟烯烃的亲核加成反应，进而促进三氟甲基化反应进行。
与羰基化合物的三氟甲基化反应类似，该反应也经历了Lewis 碱活化Me3SiCF3的过程，随后游离出三氟甲基负离子与偕二氟烯烃进行亲核烯基取代反应，得到碳负离子中间体。与前述各类三氟甲基化反应类似，由于Si-F 键键能大于Si-C 键，所以另一分子的Me3SiCF3可以较好地与碳负离子中间体反应，以促进碳负离子中间体的β-氟消除反应，生成最终产物。使用Cs2CO3作为催化剂，可以减少含氟化合物的用量，一定程度上减少对于环境的危害。该反应可以较为容易地放大到克量级，并以中等至优异的产率制备多种单氟烯烃。
同时，该工作通过NOESY(1H-19F)谱图进一步研究了反应中的E/Z 选择性，通过研究不同类型的偕二氟烯烃的三氟甲基化反应，可以发现，产物以三氟甲基与芳基异侧的构型为主。针对该现象，对反应的中间体进行了构象分析（Scheme 7），Scheme 6 中的碳负离子中间体可以通过旋转形成Scheme 7 中A、B 两种构象。在构象A 中，三氟甲基基团与芳基相邻，由于三氟甲基基团与芳基间的电子与空间排斥，该构象的稳定性较差；
而在构象B 中，三氟甲基基团与芳基距离较大，较为稳定，故碳负离子中间体倾向于经构象B 进行β-氟消除反应，进而以较好的E/Z 选择性得到三氟甲基化产物。
通过上述各类方法，可以获得较好的产率，得到含氟烯烃的三氟甲基化产物，并且该类方法均无需使用金属催化，在较为温和的条件下即可得到三氟甲基化产物，实现了Cvinyl-CF3键与Cvinyl-CF2CF3的构建和含氟烯烃的官能化。
与三氟甲基化反应类似，使用格氏试剂或甲基锂等试剂作为烷基化试剂，通过含氟烯烃的亲核烯基取代反应，可以实现烷基化反应，该类方法也有较长的研究历史，是比较经典的有机合成方法之一。Dixon[29]报道了芳基锂试剂与全氟乙烯的反应，蒋锡夔等[30]报道了芳基格氏试剂与全氟乙烯的反应（Scheme 8）。与上述方法类似，通过烷基锂试剂或烷基格氏试剂与全氟烯烃的反应，可以在含氟烯烃中引入烷基。
Scheme 8 全氟烯烃的芳基化反应
通过烷基化反应，可以进一步增加含氟烯烃的支链，不仅对研究含氟化合物的性质和反应性有一定的作用，而且对设计新的功能性含氟化合物有重要意义。同时，对于液冷工质领域而言，尽管全氟化合物（PFCs）具有优异的绝缘性能，但具有持久性和生物累积性，有一定的弊端，因此，作为PFCs 的潜在代替品，氢氟化合物具有一定的发展潜力。
Ogoshi 等[31]分别使用烷基格氏试剂甲基氯化镁与乙基锌作为烷基化试剂，在氯化锂或碘化锂催化下，实现了全氟乙烯的烷基化反应（Scheme 9）。使用叔丁基异腈作为非质子溶剂，碘化锂作为催化剂，乙基锌试剂作为烷基化试剂，以中等的产率实现全氟乙烯的烷基化反应。然而，当使用格氏试剂乙基氯化镁和叔丁基氯化镁作为烷基化试剂时，仅以13%和22%的产率得到其烷基化产物，对于格氏试剂的应用还有待于进一步探索。
Scheme 9 全氟乙烯的烷基化反应
Nishida 等[32-33]以六氟丙烯三聚体为原料，以格氏试剂或甲基锂试剂作为烷基化试剂，实现了全氟烯烃的甲基化反应（Scheme 10），并且结合核磁共振谱图[34]与密度泛函理论（density functional theory，DFT）计算，确定了产物结构并详细地研究了该反应的机理和副产物产生的途径，为今后的研究提供了理论支持。
Scheme 10 六氟丙烯三聚体与的甲基化反应
该工作详细研究了六氟丙烯三聚体的甲基化反应，并结合核磁共振氟谱与B3LYP-GIAO 计算方法提供的核磁共振屏蔽数据，仔细分析产物的结构，推测其产生的机理，探究甲基化试剂的种类与用量对反应结果的影响。
以六氟丙烯三聚体全氟（4-甲基-3-异丙基-2-戊烯）为例（Scheme 10），当使用甲基氯化镁或甲基锂作为甲基化试剂时，六氟丙烯三聚体会经历途径A 或B 两种β-氟消除途径，得到不同的甲基化产物，CH3Li 用量的增加会导致单甲基化化合物的产率显著降低，环化产物的产率急剧增加。同时，当甲基化试剂用量加大时，会得到多种多甲基化产物，这也说明甲基化试剂具有较高的活性，且其用量与种类对于反应结果有重要的影响。
该工作系统性地研究了含氟烯烃的甲基化过程，证明了烯烃的氟取代对于甲基化反应的影响，同时，结合核磁共振氟谱与DFT 计算，分析甲基化过程中产物与副产物的产生途径，为含氟烯烃的甲基化反应提供了理论支持和参考依据。
在金属催化剂存在下，含氟烯烃也可以与格氏试剂进行偶联反应，实现含氟烯烃的烷基化反应。曹松等[35]报道了铜催化的含氟烯烃偶联反应，在25 mol%的CuCN 存在下，偕二氟烯烃可以顺利地进行烷基化反应，从而以良好到优异的产率得到各类烷基化的含氟烯烃，并且该反应具有优异的Z 立体选择性，产物均为单一构型（Scheme 11）。与Scheme 7 中高选择性的三氟甲基化反应相似，该反应的Z/E 选择性也是由取代基的空间位阻控制。
Scheme 11 含氟烯烃的偶联反应
在无过渡金属催化的条件下，伯烷基格氏试剂与偕二氟烯烃反应，得到Z、E 两种构型的烷基化产物，且Z/E 比约为1：1。而在铜催化的条件下，会以较好的选择性得到Z 构型的产物。
通过上述各类反应，可在含氟烯烃中引入各类烷基，拓展其应用价值与应用范围。同时，通过该方法，可以增长含氟化合物的碳链长度，在提高其沸点、增加其稳定性方面有重要的用途。
含氟烯烃类化合物具有特殊的性质，在制冷工业、药物化学、农药化学品等领域有着重要的作用。本文主要综述了各类含氟烯烃的C-F 官能化反应，包括三氟甲基化反应、五氟乙基化反应以及烷基化反应，通过上述方法可在较为温和的条件下实现含氟烯烃的官能化反应，在含氟烯烃中引入三氟甲基、五氟乙基等全氟烷烃和甲基、乙基等各类烷基，改善了含氟烯烃的应用性能，使其能够更好地应用于浸没式液冷等领域中，为含氟烯烃的设计改进方向与其在浸没式液冷工质领域的应用提供了新的思路。
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