2402-95-1 / 2-氯吡啶-N-氧化物的制備

背景及概述

吡啶氮氧化物及其衍生物是以吡啶為原料進行有機合成的重要中間體，它們與未氧化的母體化合物性質(zhì)差別很大，在親電取代、親核取代反應(yīng)中明顯不同。主要由于氧原子對反應(yīng)具有重要的影響，而且反應(yīng)后可通過還原的方法將其去除，所以常被作為取代、重排等反應(yīng)的定位基團。同時，很多醫(yī)藥、染料、殺菌防腐劑、催化劑等本身就是吡啶氮氧化物的衍生物，所以對該類化合物的研究具有重要意義及實用價值。

2-氯吡啶-N-氧化物是吡啶系氮氧化物中的一種重要的化合物，是重要的農(nóng)藥、醫(yī)藥及日用化工產(chǎn)品的中間體，也是合成皮膚清潔劑、洗發(fā)香波和吡硫霉凈等類防腐防霉殺菌劑的重要中間體，是合成苯脲類植物生長調(diào)節(jié)劑重要中間合成體-2-氯-4-硝基吡啶的必需原料，尤其在去頭屑止癢劑奧馬丁鋅(ZPT)和水溶防霉防腐型去頭屑止癢劑PC防腐劑生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。

制備

2-氯吡啶-N-氧化物的合成方法很多，如過氧化氫氧化法、過氧醋酸氧化法、高硼酸鈉氧化法等。本實驗以鎢酸和硫酸為催化劑，雙氧水為氧化劑，從催化劑和氧化劑的用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等方面進行對比實驗，從中摸索規(guī)律得出最佳反應(yīng)條件，以為2-氯吡啶氮氧化物的合成提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1材料與方法

1.1實驗儀器與試劑

電動攪拌器(山東鄄城縣向陽儀器廠，型號D8401)、調(diào)壓變壓器(中國天津東風電器廠，型號TDGC2-2)、水環(huán)真空泵(鄭州長城儀器廠，型號SHB-3)、熔點測定儀(北京第三光學儀器廠，型號X-4)、球形冷凝器、溫度計、四口燒瓶、水浴鍋、恒壓滴液漏斗。

2-氯吡啶(98%以上)，雙氧水(30%雙氧水)，鎢酸，濃硫酸，蒸餾水，4%稀HCl，CaO。

1.2合成反應(yīng)式，如下圖：

圖1 2-氯吡啶-N-氧化物合成反應(yīng)式

1.3實驗步驟

在裝有電動攪拌器、溫度計、球形冷凝器和恒壓滴液漏斗的250mL四口燒瓶中加入25mL2-氯吡啶、28mL蒸餾水、1.1mL98%的濃硫酸和2.2g鎢酸，開動攪拌器，再量取30mL雙氧水放入恒壓滴液漏斗中。調(diào)節(jié)水浴溫度，當反應(yīng)液溫度達到70℃時，開始滴加雙氧水，控制溫度在70～80℃，約12h滴加完畢，然后在75～80℃繼續(xù)攪拌并保溫24h，每隔3h取一次樣，共取8個樣品。反應(yīng)結(jié)束溶液變?yōu)闇\黃色透明溶液，降至室溫，用氣相色譜分析樣品，并計算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。向小燒杯中加入2.5gCaO，然后加蒸餾水，配成Ca(OH)2乳濁液，用此乳濁液調(diào)反應(yīng)液pH值至6～7，室溫下攪拌1h，有沉淀生成，此沉淀為CaWO4，過濾并洗滌沉淀，晾干備用。向濾液中加入與2-氯吡啶等物質(zhì)的量的稀鹽酸，使產(chǎn)物成鹽，用水泵減壓蒸餾將水蒸干，得到氮氧化2-氯吡啶的鹽酸鹽，為淺黃色固體，其熔點為141～143℃，與理論值一致，以此計算產(chǎn)率。

2結(jié)果與討論

2.1不同催化劑用量對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

在2-氯吡啶-N-氧化反應(yīng)中，催化劑的使用至關(guān)重要，反應(yīng)的產(chǎn)率與催化劑的用量密切相關(guān)，由氣相色譜測定未反應(yīng)的2-氯吡啶的剩余量計算反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。其他條件:25mL2-氯吡啶，2.2g鎢酸，30mL雙氧水，28mL蒸餾水，反應(yīng)溫度為70～80℃，反應(yīng)時間為12h。催化劑硫酸的用量以濃硫酸與2-氯吡啶的體積分數(shù)0.2∶1.0～0.3∶1.0為宜，超過0.3∶1.0時，副反應(yīng)迅速增加，反應(yīng)的產(chǎn)率明顯下降。本實驗使用了另一種催化劑鎢酸，并探討了鎢酸用量對產(chǎn)率的影響，n1為N-氧化-2-氯吡啶，n2為2-氯吡啶，下同。其他條件:25mL 2-氯吡啶，30mL雙氧水，28mL蒸餾水，1.1mL98%的濃硫酸，反應(yīng)溫度為70～80℃，反應(yīng)時間為12h。在此反應(yīng)條件下鎢酸的加入量在2.2～3.0g時反應(yīng)的產(chǎn)率最高，即2-氯吡啶與鎢酸的物質(zhì)的量比在18.5∶1～20.8∶1為反應(yīng)最佳。若實驗不使用鎢酸或其加入量太少，會使反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率明顯降低。相反，使用過量的鎢酸也會對反應(yīng)產(chǎn)生干擾，使反應(yīng)的選擇性降低，而且鎢酸價格昂貴，大量使用成本太高，最好反應(yīng)后將鎢酸予以回收，這樣既可以降低成本，又能減少重金屬對環(huán)境的污染。

2.2雙氧水的用量對反應(yīng)的影響

雙氧水是反應(yīng)的氧化劑，它的加入量也是影響反應(yīng)的一個關(guān)鍵因素。從理論上講如果反應(yīng)能夠完全發(fā)生，則所需原料中雙氧水與2-氯吡啶為等物質(zhì)的量比即可，但實際操作中要使2-氯吡啶較大程度地轉(zhuǎn)化為N-氧化-2-氯吡啶，則通常需加入過量的氧化劑。本實驗在一定條件下改變雙氧水的用量進行不同的試驗，其他條件:25mL2-氯吡啶，2.2g鎢酸，28mL蒸餾水，1.1mL98%的濃硫酸，反應(yīng)溫度為70～80℃，反應(yīng)時間為12h。在反應(yīng)中雙氧水與2-氯吡啶物質(zhì)的量比為1.3∶1～1.5∶1時，反應(yīng)可達到較高的產(chǎn)率，雙氧水的用量過大，對反應(yīng)產(chǎn)率的提高并沒有明顯的貢獻。

2.3溫度對反應(yīng)的影響

2-氯吡啶的氮氧化反應(yīng)比較特殊，此反應(yīng)對溫度特別敏感，當反應(yīng)溫度過高時會使反應(yīng)液的顏色加深，從而使終產(chǎn)物顏色較深;而溫度太低，又會使反應(yīng)速度減慢甚至不發(fā)生反應(yīng)。本實驗確認將最佳溫度定為70～80℃。

2.4保溫時間對反應(yīng)產(chǎn)率的影響

在2-氯吡啶-N-氧化反應(yīng)中，反應(yīng)的產(chǎn)率與溫度及保溫時間的長短顯著相關(guān)，實驗結(jié)果見表4。在一定范圍內(nèi)，保溫時間的長短與反應(yīng)產(chǎn)率成正比;但當保溫時間超過30h時，反應(yīng)產(chǎn)率基本保持不變。在不同的保溫時間取樣，然后由氣相色譜測定得。其他條件:25mL2-氯吡啶，30mL雙氧水，2.2g鎢酸，28mL蒸餾水，1.1mL98%的濃硫酸，反應(yīng)溫度為70～80℃，反應(yīng)時間為12h。

參考文獻

[1]王長守，黃建良，張志杰.催化氧化法制備2-氯吡啶-N-氧化物[J].陜西化工，1999，28:26-30