一种2-氯-3-氨基吡啶的制备方法
技术领域
本发明属于精细化工领域,具体涉及一种2-氯代吡啶化合物的制备方法,特别是涉及一种以2-吡啶酮为原料的2-氯-3-氨基吡啶的制备方法。
背景技术
氨基吡啶类化合物是一类具有杂环结构的环氨物质,在有机化工的许多领域有着广泛的应用。由吡啶代替苯环而得到的新化合物具有更高的生物活性,或更低的毒性,或更高的内吸性和选择性,因此吡啶类中间体得到迅速地发展。
2-氯-3-氨基吡啶是一类非常有用的吡啶类衍生物,它是一种重要的医药和农药中间体。它可以作为粘度调节剂,可以合成抗消化性溃疡药哌仑西平、二氮杂卓类抗艾滋病药、白细胞三烯生物合成抑制剂,并可用作杀虫剂的药物中间体。另外,它及其衍生物也可用作食品添加剂、超高效酰化催化剂等物质的原料,还可直接用作药物及分析检测试剂。因此,对2-氯-3-氨基吡啶合成的研究具有重要意义,前景十分广阔。
目前,2-氯-3-氨基吡啶的制备方法主要有以下几种:
(1)以3-氨基吡啶为原料,先在双氧水和盐酸的作用下发生氯化反应,反应结束后,调节反应液到碱性,即得到主产物2-氯-3-氨基吡啶和副产物2,5-二氯-3-氨基吡啶(Schich O.V.,et al.Ber Dt Chem Ges,1936,69:2593~2610)。在专利CN 101514185A中公开了一种2-氯-3-氨基吡啶的生产方法,该方法在得到主产物2-氯-3-氨基吡啶后,将副产物2,5-二氯-3-氨基吡啶催化氢化还原成原料3-氨基吡啶;
(2)以2-氯-3-硝基吡啶为原料,通过氯化亚锡还原来制备2-氯-3-氨基吡啶(Swinehart C.F.,et al.US3837882,1974);
(3)以2-氯烟酰胺为原料,通过霍夫曼降解反应而制备2-氯-3-氨基吡啶(Jose V.C.,et al.ES548693,1986);
(4)以2-氯-3-硝基吡啶为原料,以Pd-Fe/TiO2为催化剂进行催化氢化而制备2-氯-3-氨基吡啶(李隽.化学世界,2010,12:748-751)。
以上的几种制备2-氯-3-氨基吡啶的方法中,方法(1)的缺点是3-氨基吡啶一步法氯化必然得到一定量的副产物如4-氯-3-氨基吡啶、2,5-二氯-3-氨基吡啶等,导致产品的色泽较深,难以精制提纯。虽然可以用有机溶剂多次重结晶,但品质仍然无法满足高要求,而且反复结晶导致产品收率低,成本增加,操作繁琐。CN 101514185A虽然将副产物2,5-二氯-3-氨基吡啶转化成原料3-氨基吡啶,但需要将其先从产品中分离出来,再用催化氢化的方法将其还原成原料3-氨基吡啶,操作困难,实际应用价值不大。方法(2)中所使用的化学还原法对设备的腐蚀和环境的污染都十分严重,目前已限制开发。方法(3)中,原料2-氯烟酰胺来源有限,价格昂贵,且操作较为麻烦。方法(4)中,需要使用贵金属催化剂,增加了制备成本。
发明内容
本发明的目的是在现有技术的基础上,提供一种2-氯代吡啶化合物的制备方法,该方法操作简便、成本较低。
本发明的目的可以通过以下措施达到:
一种2-氯-3-氨基吡啶的制备方法:以2-吡啶酮为原料,经硝化反应和N烷基化反应进行氨基保护得到N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮,然后再采用氯化剂进行氯代反应得到2-氯-3-硝基吡啶,最后经过还原得到2-氯-3-氨基吡啶;其化学反应式为:
其中R代表甲基或乙基。
本发明的制备方法具体包括以下步骤:
①N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮的制备:先将2-吡啶酮硝化获得3-硝基-2-吡啶酮,再与烷基碘进行N烷基化反应,得到N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮;所述烷基为甲基或乙基;
②2-氯-3-硝基吡啶的制备:N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮在90℃~130℃下缓慢加入氯化剂进行氯代反应和脱烷基保护反应,得到2-氯-3-硝基吡啶;
③2-氯-3-氨基吡啶的制备:2-氯-3-硝基吡啶经过还原剂还原得到2-氯-3-氨基吡啶。
在步骤①中,所述硝化反应的温度优选为20℃~60℃,最好控制在30~40℃。硝化反应在浓硫酸和发烟硝酸中进行。具体的反应物配比和操作方法可按本领域中的一般硝化反应进行。
N烷基化反应中采用的烷基碘为碘甲烷或碘乙烷。N烷基化反应进一步包括如下步骤:3-硝基-2-吡啶酮溶解在溶剂中,然后加入碱溶液和烷基碘,进行反应,反应后减压浓缩得到浓缩液,向浓缩液中加入水和苯,分液,取有机相,干燥,浓缩得到N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮粗品;最后,用苯与正己烷的混合溶液进行重结晶从而得到N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮。
N烷基化反应的溶剂采用N,N-二甲基甲酰胺(DMF),重结晶所用的苯与正己烷混合溶剂的体积比可以为0.5∶1~2∶1,其中优选1∶1。
步骤①N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮的制备方法进一步可以包括以下步骤:
硝化反应:首先将2-吡啶酮加入到浓硫酸中,再加入发烟硝酸和浓硫酸的混合液,控制温度,搅拌反应1~2小时。反应结束后,向体系中加入冰块和氢氧化钠水溶液。混合液用甲苯萃取三次,合并有机相,滤去析出的晶体;母液减压蒸除溶剂,用甲醇重结晶得到3-硝基-2-吡啶酮。
氨基保护:将3-硝基-2-吡啶酮溶解在N,N-二甲基甲酰胺,然后分别加入氢氧化钾水溶液和烷基碘,反应2h后,减压蒸除部分N,N-二甲基甲酰胺得到浓缩液,向浓缩液中加入水和苯,分液,取有机相,干燥,浓缩得到N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮粗品。最后,用苯与正己烷的混合溶液进行重结晶从而得到N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮。
在步骤②中,N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮可以是N-甲基-3-硝基-2-吡啶酮或N-乙基-3-硝基-2-吡啶酮。所述氯化剂为三光气;N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮与三光气的摩尔比可以为1∶0.34~1∶0.5,其中优选1∶0.42。
步骤②中,氯代反应结束后可进一步进行后处理以得到纯度较高的2-氯-3-硝基吡啶,具体步骤可以为:氯代反应结束后,加入碱液进行处理,调节pH值为弱碱性后再进行水蒸气蒸馏,得到2-氯-3-硝基吡啶。上述碱液可以为KOH、NaOH、K2CO3或Na2CO3的水溶液,其中优选氢氧化钠。碱液质量浓度可以是20~80%,其中优选碱液质量浓度40~50%。
本发明中的弱碱性是指一般意义上的弱碱性,其可以为7<pH值≤8。
步骤②2-氯-3-硝基吡啶的制备方法进一步可以包括以下步骤:
向反应容器中加入N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮,搅拌加热溶解;然后缓慢加入三光气,不断搅拌,反应物料为液态。反应结束后,加入碱液进一步处理,再进行水蒸气蒸馏,得到2-氯-3-硝基吡啶。
在步骤③中,还原剂采用TiCl4和Mg,反应物2-氯-3-硝基吡啶、TiCl4和Mg的摩尔比为1∶0.1∶0.2~1∶0.25∶0.65,其中优选1∶0.15∶0.3~1∶0.20∶0.49,最优为1∶0.18∶0.40。
步骤③的还原反应具体可包括如下步骤:在-5℃~5℃、氮气保护下将TiCl4加入到无水四氢呋喃中,不断搅拌,得到黄色悬浮液;向该体系中加入镁,回流反应后得到黑色悬浮液。然后在-5℃~5℃下,向该悬浮液中加入2-氯-3-硝基吡啶,搅拌反应;反应结束后,向体系中加入氨的水溶液。然后经乙醚萃取、干燥、浓缩得到2-氯-3-氨基吡啶。
本发明的有益效果:
(1)以2-吡啶酮为原料的新合成方法,不但价廉易得,降低了生产成本;而且选择性高,副产物少,简化了纯化步骤,有效地保证了2-氯代产物的获得。
(2)以三光气作为氯代试剂,不但避免了常规氯化试剂如HCl/H2O2、Cl2、PCl5、POCl3等对设备的腐蚀性;而且降低了生成多氯代化物的可能性,因为三光气只发生在与吡啶氮相连的酮羰基上,脱去一个CO2分子,从而形成C-Cl键。此外,使用三光气作为氯代试剂,还可以在发生氯代反应的同时脱去氨基上的烷基保护,因为脱氮上烷基保护通常采用氯甲酸酯类试剂如CCl3CH2OCOCl、CH3CHClOCOCl、CH2=CHOCOCl,而三光气的结构中正好含有氯甲酸酯这样的结构,从而避免了使用两步法来合成2-氯-3-硝基吡啶,简化了实验操作。
(3)本发明通过TiCl4与Mg反应生成钛悬浮液的方法来还原硝基,与传统的金属还原如铁粉、锌粉、锡粉相比,大大提高了反应收率;另外,与钛的价格相比,TiCl4便宜很多,因此该还原法降低了生产成本。
具体实施方式
实施例1:N-烷基-3-硝基-2-吡啶酮的制备
将2-吡啶酮(100g,1.05mol)加入到盛有浓硫酸(200mL)的四口烧瓶中,再将发烟硝酸(67mL)和浓硫酸(100mL)的混合液加入到上述四口烧瓶中。整个过程温度控制在40℃以下,并在此条件下搅拌2h。然后,向反应液中加入冰(900g)和40%NaOH(150mL)溶液。混合液用甲苯(1000mL×3)萃取,合并有机相并滤除析出的晶体。将滤液浓缩冷却后析出3-硝基-2-吡啶酮;用甲醇进行重结晶除去所含的少量溶解度相对较高的5-硝基-2-吡啶酮,得到3-硝基-2-吡啶酮31.6g,m.p.224~225℃。
将3-硝基-2-吡啶酮(28g,0.2mol)溶解到DMF(20mL)中,然后分别加入10%的KOH(16.8g,0.3mol)水溶液和碘甲烷(24.9g,0.4mol),反应1-2小时后,旋蒸除去约为初始量1/3的DMF。然后将200mL水和500mL苯加入到浓缩液中。静置分层,分出苯层并加MgSO4进行干燥,再蒸发除去苯。得到的粗产物用苯-正己烷重结晶(体积比1∶1)。得到N-甲基-3-硝基-2-吡啶酮22.1g,收率71.7%,含量为98.4%,,m.p.121~123℃。
实施例2:3-硝基-2-氯吡啶的制备
向装有回流冷凝管、温度计和搅拌浆的四口烧瓶中加入N-甲基-3-硝基-2-吡啶酮(20g,0.13mol),加热至130℃使其溶解;然后搅拌下缓慢加入三光气(16.2g,0.054mol),反应物料为液态。氯代反应结束后,加入适量40%NaOH水溶液(w/w)进行处理,调节PH为弱碱性再进行水蒸气蒸馏,得到2-氯-3-硝基吡啶19.25g,收率为93%,含量为98.6%。
实施例3:2-氯-3-氨基吡啶的制备
氮气气氛中,将TiCl4(2mL,0.018mol)缓慢加到不断搅拌的无水四氢呋喃(50mL)中,温度控制在0℃。再向得到的黄色悬浮液中加Mg(0.95g,0.04mol),然后回流3h,得到黑色悬浮液。
在0℃下,将2-氯-3-硝基吡啶(16g,0.1mol)分批加到上述的悬浮液中。反应混合物在室温下搅拌1h,然后加入水(500mL)和25%氨水溶液(500mL)。混合液用乙醚(500mL×5)萃取。有机相用MgSO4干燥后进行蒸发,得到2-氯-3-氨基吡啶12.7g,收率为98%,含量为99.1%。
比较例1:制备方法同实例2,将三光气的量为12.8g,所得到的2-氯-3-硝基吡啶的含量为97.8%,收率为51%。
比较例2:制备方法同实例2,将氯代原料换成N-乙基-3-硝基-2-吡啶酮,所得到的2-氯-3-硝基吡啶含量为97.3%,收率为60%。
比较例3:制备方法同实例3,还原剂换成锌粉,所得到的2-氯-3-氨基吡啶含量为98.7%,收率为35%。