使用金属三氟乙酸盐产生三氟碘甲烷的方法与流程

1.本公开涉及用于产生三氟碘甲烷(cf3i)的方法。具体地讲，本公开涉及在相转移催化剂的存在下由金属三氟乙酸盐产生三氟碘甲烷的方法。


背景技术：

2.三氟碘甲烷(cf3i)是商业应用中作为例如制冷剂或灭火剂的有用化合物。三氟碘甲烷是具有低全球变暖潜势和低臭氧损耗潜势的环境可接受的化合物。三氟碘甲烷可替代对环境更有害的物质。
3.由金属三氟乙酸盐和碘制备三氟碘甲烷的方法是已知的。例如，r.n haszeldine，酸的金属盐与卤素的反应，第一部分，金属三氟乙酸盐与碘、溴和氯的反应(reactions of metallic salts of acids with halogens.part i.the reaction of metal trifluoroacetates with iodine,bromine,and chlorine)，124，化学学会杂志(j.chem.soc.)，1951年，第124期，公开了在碘的存在下使金属三氟乙酸盐(cf3coom)脱羧碘化以制备三氟碘甲烷。r.n haszeldine的方法是在密封管或不锈钢高压釜中进行的，其中在不存在溶剂的情况下将金属三氟乙酸盐和元素碘一起加热以制备三氟碘甲烷。又如，中国专利cn102992943b公开了金属三氟乙酸盐和元素碘在液相中的反应，以产生三氟碘甲烷、二氧化碳和金属碘化物。
4.使用金属三氟乙酸盐和碘来制备三氟碘甲烷的固有限制是反应混合物是非均相的，因为两种起始反应物在大多数有机溶剂中都具有有限溶解度。反应物的有限溶解度降低了反应速率，增加了反应时间和制备成本。因此，除了需要开发更有效地使用碘的方法之外，还需要开发允许增加金属三氟乙酸盐和碘在反应溶剂中的溶解度的方法。反应速率的改善会改善由金属三氟乙酸盐产生三氟碘甲烷的效率。


技术实现要素：

5.本公开提供了通过在相转移催化剂的存在下使金属三氟乙酸盐与碘反应来产生三氟碘甲烷的方法。
6.在其一种形式中，本公开提供了一种用于产生三氟碘甲烷的方法。该方法包括提供金属三氟乙酸盐、碘、相转移催化剂和有机溶剂，以及在该相转移催化剂和该有机溶剂的存在下使该金属三氟乙酸盐与该碘反应以产生三氟碘甲烷。
7.在其一种形式中，本公开提供了一种用于产生三氟碘甲烷的方法。该方法包括将金属三氟乙酸盐、碘、相转移催化剂和有机溶剂混合；以及加热金属三氟乙酸盐、碘、相转移催化剂和有机溶剂以使金属三氟乙酸盐与碘反应以产生三氟碘甲烷和金属碘化物。
8.通过参考结合附图对实施方案的以下描述，本公开的上述和其他特征以及实现它们的方式将变得更加明显并且将更好地理解。
附图说明
9.附图示出了对应于下文实施例1至2的三氟碘甲烷的批量合成在反应器中的压力与时间的关系。该图将使用相转移催化剂的合成与不使用相转移催化剂的合成进行比较。
具体实施方式
10.本公开提供了由金属三氟乙酸盐(cf3coom)和i2反应物根据以下公式1通过脱羧碘化制备三氟碘甲烷(cf3i)的液相方法：
11.公式1：其中m可以是碱金属，诸如锂、钾、钠、铷或铯；碱土金属，诸如钙或镁；或过渡金属，诸如铁、锌或铜。因此，金属三氟乙酸盐可包括三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷、三氟乙酸铯、三氟乙酸钙、三氟乙酸镁、三氟乙酸铁、三氟乙酸锌、三氟乙酸铜或它们的组合。
12.在上文所示的脱羧碘化反应中使用相转移催化剂可显著提高反应物在所用有机溶剂中的溶剂化速率，从而直接导致反应速率提高和反应时间缩短。相转移催化剂可用于增加无机离子在两个互不溶的相(即液
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液或固
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液)之间的传输。无机离子的传输通过形成可溶于有机溶剂的络合物来实现。离子向有机溶剂的传输导致反应速率的增加和反应时间的减少，这可显著降低制备成本。不希望受任何理论的束缚，据信相转移催化剂有利于反应物在由反应物形成的非均相混合物中从一个相移动到另一个相。
13.该反应在有机溶剂中进行。可用于在液相中进行反应的有机溶剂包括二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、二甲基砜、n,n
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二甲基乙酰胺、乙腈、苯甲腈、n
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甲基
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吡咯烷酮(nmp)、环丁砜、离子液体以及它们的组合。离子液体的示例包括咪唑盐和硫酸氢己内酰铵。
14.溶剂基本上不含水。基本上不含水意味着溶剂中的水量小于约500份每百万份(ppm)、约300ppm、约200ppm、约100ppm、约50ppm、约30ppm、约20ppm或约10ppm，或小于任何两个前述值之间限定的任何值。上述ppm值是按溶剂和任何水的重量计的。优选地，溶剂中的水量小于约100ppm。更优选地，溶剂中的水量小于约50ppm。最优选地，溶剂中的水量小于约10ppm。
15.该反应在相转移催化剂的存在下进行。可用于在液相中进行反应的相转移催化剂包括季铵盐和季鏻盐。季铵盐的非限制性示例是四甲基氯化铵。季鏻盐的非限制性示例是四苯基溴化鏻。一般来讲，季盐对极性和非极性反应介质均具有亲和力。这种性质使得季盐可以在含有无机离子物质的两个互不溶的相中以亚化学计量的量使用。当反应温度低于150℃时，季铵盐是优选的，而当反应温度高于150℃时，季鏻盐是优选的，其中季铵盐更可能分解。
16.例如，该相转移催化剂可以如下金属三氟乙酸盐的摩尔百分比提供用于反应：低至约0.5％、约1％、约2％、约5％、约10％、约15％、约20％或约25％，或高达约30％、约35％、约40％、约45％、或约50％，或在任何两个前述值之间限定的任何范围内，诸如约5％至约50％、约2％至约45％、约5％至约40％、约10％至约35％、约15％至约30％。优选地，该催化剂以金属三氟乙酸盐的约0.5％至约35％的摩尔百分比提供。更优选地，该催化剂以金属三氟乙酸盐的约10％至约30％的摩尔百分比提供。最优选地，该催化剂以金属三氟乙酸盐的约20％至约30％的摩尔百分比提供。
17.金属三氟乙酸盐和碘易于以商业数量获得。例如，三氟乙酸钾和碘可购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(sigma
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aldrich corp.,st.louis,mo)。溶剂也可易于以商业数量获得。例如，环丁砜也可购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(sigma
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aldrich corp.,st.louis,mo)。相转移催化剂还易于以商业数量获得。例如，四苯基溴化鏻可购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(sigma
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aldrich corp.,st.louis,mo)。
18.例如，这些反应物可以如下金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比提供用于反应：低至约0.1:1、约0.2:1、约0.3:1、约0.4:1、约0.5:1、约0.6:1、约0.7:1、约0.8:1、约0.9:1、约0.95:1、约0.99:1或约1:1，或高达约1.01:1、约1.05:1、约1.1:1、约1.2:1、约1.3:1、约1.4:1、约1.5:1、约1.6:1、约1.8:1、约2.0:1，或在任何两个前述值之间限定的任何范围内，诸如约0.1:1至约2.0:1、约0.5:1至约1.5:1、约0.6:1至约1.4:1、约0.7:1至约1.3:1、约0.8:1至约1.2:1、约0.9:1至约1.1:1、约0.95:1至约1.05:1、约0.99:1至约1.01:1、约1:1至约2:1、约0.8:1至约1.5:1或约0.95:1至约1.2:1。优选地，金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比为约0.8:1至约1.5:1。更优选地，金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比为约1:1至约1.2:1。最优选地，金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比为约1:1。
19.例如，该反应可在如下温度下进行：低至约100℃、约110℃、约120℃、约130℃、约140℃、约150℃、约160℃、或约170℃的温度下，或在高达约180℃、约190℃、约200℃、约210℃、约220℃、约230℃、约240℃，或约250℃的温度下，或在任何两个前述值之间限定的任何范围内，诸如约100℃至约250℃、约110℃至约240℃、约120℃至约230℃、约130℃至约220℃、约140℃至约210℃、约150℃至约200℃，约160℃至约190℃、约170℃至约180℃、约120℃至约130℃、约110℃至约180℃、或约120℃至约250℃，或在任何两个前述值之间限定的任何范围内，诸如约100℃至约250℃、约110℃至约240℃、约120℃至约230℃、约130℃至约220℃、约140℃至约210℃、约150℃至约200℃、约160℃至约190℃、约170℃至约180℃、约120℃至约130℃、约110℃至约180℃、或约120℃至约250℃。优选地，将反应物加热至约100℃至约250℃的温度。更优选地，将反应物加热至约110℃至约200℃的温度。最优选地，将反应物加热至约120℃至约190℃的温度。
20.压力不是关键性的。便利的操作压力在约10kpa至约4,000kpa的范围内，并且优选地为约环境压力，或约100kpa至约250kpa的范围内。
21.该反应在液相反应器中进行。该液相反应器可以是半成批或连续搅拌槽反应器(cstr)。该反应可以批量方法或连续方法进行。
22.可冷凝并收集该反应的挥发性产物，包括三氟碘甲烷，从而将三氟碘甲烷与非挥发性金属碘化物副产物分离。
23.该反应的挥发性有机产物的组成可通过气相色谱(gc)和气相色谱
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质谱(gc
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ms)分析来测量。可将通过gc分析提供的挥发性有机化合物中的每一者的曲线图面积合并，以提供挥发性有机化合物中的每一者的总挥发性有机化合物的gc面积百分比(gc面积％)作为反应中产生的挥发性有机化合物的相对浓度的量度。
24.尽管已经相对于示例性设计描述了本发明，但是可以在本公开的实质和范围内进一步修改本发明。此外，本技术旨在涵盖本发明所属领域的已知或惯常实践内的与本公开的此类偏离。
25.如本文所用，短语“在任意两个前述值之间限定的任意范围内”字面上是指任意范围可选自在此类短语之前列出的任意两个值，而无论这些值是在列表的较低部分中还是在列表的较高部分中。例如，一对值可选自两个较低值、两个较高值、或者较低值和较高值。
26.实施例
27.实施例1
28.不含催化剂的cf3coom脱羧碘化
29.在该实施例中，展示了由三氟乙酸钾(cf3cook)和元素碘制备三氟碘甲烷以用于比较目的。将20g量的三氟乙酸钾和38g量的元素碘加入到得自美国伊利诺伊州莫林市的parr仪器公司(parr instrument company,moline,il)的300ml反应器中。该反应器配备有冷凝器。将该反应器加压测试至300psig，然后排空。将60ml量的环丁砜加入到该反应器中，以形成三氟乙酸钾与元素碘的摩尔比为约0.88:1的反应混合物。反应物和溶剂购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(sigma
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aldrich corp.,st.louis,mo)，并且无需进一步纯化即可使用。
30.将反应物混合物加热至约175℃。在该反应中不使用相转移催化剂或金属催化剂。随着反应的进行，产生了挥发性气体产物和副产物。随着反应的进行，测量该反应器中的压力。该反应器中随时间推移的压力在图中示出。将离开冷凝器的挥发性气体收集在用干冰冷却的产物收集圆筒中。
31.通过气相色谱(gc)测量在产物收集圆筒中收集的挥发性气体中的有机化合物的组成。将通过gc分析提供的有机化合物中的每一者的曲线图面积合并，以提供有机化合物中的每一者的总有机化合物的gc面积百分比(gc面积％)作为有机化合物的相对浓度的量度。结果示于下表中。
32.实施例2
33.使用相转移催化剂将cf3coom脱羧碘化
34.在该实施例中，展示了三氟乙酸钾(cf3cook)和碘(i2)根据上述公式1制备三氟碘甲烷。将20g量的三氟乙酸钾、13.8g量(25摩尔％)的四苯基溴化鏻(tppb)和36.7g量的碘(i2)加入到得自美国伊利诺伊州莫林市的parr仪器公司(parr instrument company,moline,il)的300ml反应器中。该反应器配备有冷凝器。将该反应器加压测试至300psig，然后排空。将环丁砜的60ml量的环丁砜加入到该反应器中，以形成三氟乙酸钾与元素碘的摩尔比为约0.91:1的反应混合物。反应物和溶剂购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(sigma
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aldrich corp.,st.louis,mo)，并且无需进一步纯化即可使用。相转移催化剂购自美国密苏里州圣路易斯市的西格玛奥德里奇公司(sigma
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aldrich corp.,st.louis,mo)，并且无需进一步纯化即可使用。将反应物混合物加热至约175℃。随着反应的进行，产生了挥发性气体产物和副产物。随着反应的进行，测量该反应器中的压力。该反应器中随时间推移的压力在图中示出。将离开冷凝器的挥发性气体收集在用干冰冷却的产物收集圆筒中。
35.通过气相色谱(gc)测量在产物收集圆筒中收集的挥发性气体中的有机化合物的组成。将通过gc分析提供的有机化合物中的每一者的曲线图面积合并，以提供有机化合物中的每一者的总有机化合物的gc面积百分比(gc面积％)作为有机化合物的相对浓度的量度。结果示于下表中。
36.如下表所示，当与不存在相转移催化剂的反应相比时，使用相转移催化剂导致对三氟碘甲烷的更高选择性，其中副产物三氟甲烷(chf3)的产生减少。如图所示，使用相转移催化还导致反应时间显著减少。chf3的形成归因于反应容器中水分的存在。
37.表
38.相转移催化剂cf3i(gc面积％)chf3(gc面积％)其他(gc面积％)无62.85％35.35％1.79％tppb63.17％30.84％5.99％
39.方面
40.方面1是用于制备三氟碘甲烷(cf3i)的方法，所述方法包括提供金属三氟乙酸盐、碘、相转移催化剂和有机溶剂；以及在所述相转移催化剂和所述有机溶剂的存在下使所述金属三氟乙酸盐与所述碘反应以产生三氟碘甲烷。
41.方面2是根据方面1所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述相转移催化剂以所述金属三氟乙酸盐的约0.5％至约50％的摩尔百分比提供用于所述反应。
42.方面3是根据方面1所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述相转移催化剂以所述金属三氟乙酸盐的约0.5％至约35％的摩尔百分比提供用于所述反应。
43.方面4是根据方面1所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述相转移催化剂以所述金属三氟乙酸盐的约10％至约30％的摩尔百分比提供用于所述反应。
44.方面5是根据方面1所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述相转移催化剂以所述金属三氟乙酸盐的约20％至约30％的摩尔百分比提供用于所述反应。
45.方面6是根据方面1至5中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷、三氟乙酸铯、三氟乙酸钙、三氟乙酸镁、三氟乙酸铁、三氟乙酸锌和三氟乙酸铜中的至少一者。
46.方面7是根据方面1至5中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷和三氟乙酸铯中的至少一者。
47.方面8是根据方面1至5中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸钾和三氟乙酸钠中的至少一者。
48.方面9是根据方面1至5中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述金属三氟乙酸盐由三氟乙酸钾组成。
49.方面10是根据方面1至9中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述有机溶剂包含按体积计小于约500ppm的水。
50.方面11是根据方面1至9中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述有机溶剂包含按体积计小于约100ppm的水。
51.方面12是根据方面1至9中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述有机溶剂包含按体积计小于约50ppm的水。
52.方面13是根据方面1至9中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述有机溶剂包含按体积计小于约10ppm的水。
53.方面14是根据方面1至13中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述有机溶剂为选自离子液体和极性非质子溶剂中的至少一者。
54.方面15是根据方面14所述的方法，其中所述有机溶剂为选自咪唑盐、硫酸氢己内酰铵、环丁砜、n,n
‑
二甲基甲酰胺、n,n
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二甲基乙酰胺、乙腈、苯甲腈、n
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甲基
‑2‑
吡咯烷酮和二甲基砜中的至少一者。
55.方面16是根据方面15所述的方法，其中所述有机溶剂由环丁砜组成。
56.方面17是根据方面1至16中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，所述相转移催化剂为选自季铵盐和季鏻盐中的至少一者。
57.方面18是根据方面17所述的方法，其中所述相转移催化剂包括四苯基溴化鏻。
58.方面19是根据方面1至18中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比为约0.1:1至约2.0:1。
59.方面20是根据方面1至18中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比为约0.8:1至约1.5:1。
60.方面21是根据方面1至18中任一项所述的方法，其中在所述提供步骤中，金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比为约1:1至约1.2:1。
61.方面22是根据方面1至21中任一项所述的方法，其中在所述反应步骤中，所述金属三氟乙酸盐、所述碘、所述相转移催化剂和所述有机溶剂处于约100℃至约250℃的温度下。
62.方面23是根据方面1至21中任一项所述的方法，其中在所述反应步骤中，所述金属三氟乙酸盐、所述碘、所述相转移催化剂和所述有机溶剂处于约110℃至约200℃的温度下。
63.方面24是根据方面1至21中任一项所述的方法，其中在所述反应步骤中，所述金属三氟乙酸盐、所述碘、所述相转移催化剂和所述有机溶剂处于约120℃至约190℃的温度下。
64.方面25是用于制备三氟碘甲烷(cf3i)的方法，所述方法包括将金属三氟乙酸盐、碘、相转移催化剂和有机溶剂混合；以及加热所述金属三氟乙酸盐、所述碘、所述相转移催化剂和所述有机溶剂以使所述金属三氟乙酸盐与所述碘反应以产生三氟碘甲烷和金属碘化物。
65.方面26是根据方面25所述的方法，还包括将所述三氟碘甲烷与所述金属碘化物分离。
66.方面27是根据方面25或26中任一项所述的方法，其中所述方法是连续方法。
67.方面28是根据方面25或26中任一项所述的方法，其中所述方法是批量方法。
68.方面29是根据方面25至28中任一项所述的方法，其中所述相转移催化剂以所述金属三氟乙酸盐的约0.5％至约50％的摩尔百分比提供用于所述反应。
69.方面30是根据方面25至28中任一项所述的方法，其中所述相转移催化剂以所述金属三氟乙酸盐的约0.5％至约35％的摩尔百分比提供用于所述反应。
70.方面31是根据方面25至28中任一项所述的方法，其中所述相转移催化剂以所述金属三氟乙酸盐的约10％至约30％的摩尔百分比提供用于所述反应。
71.方面32是根据方面25至28中任一项所述的方法，其中所述相转移催化剂以所述金属三氟乙酸盐的约20％至约30％的摩尔百分比提供用于所述反应。
72.方面33是根据方面25至32中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷、三氟乙酸铯、三氟乙酸钙、三氟乙酸镁、三氟乙酸铁、三氟乙酸锌和三氟乙酸铜中的至少一者。
73.方面34是根据方面25至32中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐为选自
三氟乙酸锂、三氟乙酸钾、三氟乙酸钠、三氟乙酸铷和三氟乙酸铯中的至少一者。
74.方面35是根据方面25至32中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐为选自三氟乙酸钾和三氟乙酸钠中的至少一者。
75.方面36是根据方面25至32中任一项所述的方法，其中所述金属三氟乙酸盐由三氟乙酸钾组成。
76.方面37是根据方面25至36中任一项所述的方法，其中所述有机溶剂包含按体积计小于约500ppm的水。
77.方面38是根据方面25至36中任一项所述的方法，其中所述有机溶剂包含按体积计小于约100ppm的水。
78.方面39是根据方面25至36中任一项所述的方法，其中所述有机溶剂包含按体积计小于约50ppm的水。
79.方面40是根据方面25至36中任一项所述的方法，其中所述有机溶剂包含按体积计小于约10ppm的水。
80.方面41是根据方面25至40中任一项所述的方法，其中所述有机溶剂为选自离子液体和极性非质子溶剂中的至少一者。
81.方面42是根据方面41所述的方法，其中所述有机溶剂为选自咪唑盐、硫酸氢己内酰铵、环丁砜、n,n
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二甲基甲酰胺、n,n
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二甲基乙酰胺、乙腈、苯甲腈、n
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮和二甲基砜中的至少一者。
82.方面43是根据方面42所述的方法，其中所述有机溶剂由环丁砜组成。
83.方面44是根据方面25至43中任一项所述的方法，其中所述相转移催化剂为选自季铵盐和季鏻盐中的至少一者。
84.方面45是根据方面44所述的方法，其中所述相转移催化剂包括四苯基溴化鏻。
85.方面46是根据方面25至45中任一项所述的方法，其中金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比为约0.1:1至约2.0:1。
86.方面47是根据方面25至45中任一项所述的方法，其中金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比为约0.8:1至约1.5:1。
87.方面48是根据方面25至45中任一项所述的方法，其中金属三氟乙酸盐与碘的摩尔比为约1:1至约1.2:1。
88.方面49是根据方面25至48中任一项所述的方法，其中将所述金属三氟乙酸盐、所述碘、所述相转移催化剂和所述有机溶剂加热至100℃至250℃的温度。
89.方面50是根据方面25至48中任一项所述的方法，其中将所述金属三氟乙酸盐、所述碘、所述相转移催化剂和所述有机溶剂加热至约110℃至约200℃的温度。
90.方面51是根据方面25至48中任一项所述的方法，其中将所述金属三氟乙酸盐、所述碘、所述相转移催化剂和所述有机溶剂加热至约120℃至约190℃的温度。