CN104478793A - 一种2,3,5-三氯吡啶的合成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种以2-氯吡啶为原料高选择性合成2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其包括2-氯吡啶在碱催化下与水或者醇类反应生成2-烷氧基吡啶,2-烷氧基吡啶在碱基情况下和氯化剂反应生成3,5-二氯-2-烷氧基吡啶,最后氯化得到2,3,5-三氯吡啶。

Description

一种2,3,5-三氯吡啶的合成方法
技术领域
本发明涉及化学技术领域,具体涉及2,3,5-三氯吡啶的合成方法。
背景技术
2,3,5-三氯吡啶是重要的精细化工中间体,广泛应用于医药与农药研究领域。2,3,5-三氯吡啶与碱金属氢氧化物反应制备3,5-二氯-2-吡啶酚,是合成杀虫螨以及除草剂噁草醚等系列农药的重要原料。2,3,5-三氯吡啶也可以进一步进行氟化反应合成2,3-二氟-5-氯吡啶,后者是合成除草剂炔草酯的基础原料。
目前,2,3,5-三氯吡啶的合成方法按照起始原料的不同可以分为两大类种:
1.催化合环法
美国专利US 4245098,Steiner Eginhard,Martin Pierre.Process for producing2,3,5-trichloropyridine,Ciba Geigy Corp[P].,1981-01-13专利文献1公开了一种催化合环法合成2,3,5-三氯吡啶的技术,具体为在催化剂的存在下,将三氯乙醛与丙烯腈进行加成反应,生成2,4,4-二氯-4一甲酰基丁腈,然后继续发生闭环反应,脱去一分子水,得到2,3,5-三氯吡啶。该方法具有原料易得,合成步骤少等优点,但工艺操作较为烦琐,反应条件也较为苛刻,不易控制,且要应用到大量的金属盐,会污染环境,同时产品收率也不理想。
2.吡啶衍生法
吡啶衍生法又分为:1)以吡啶或低氯代吡啶为原料,经过吡啶环上的定位氯化反应合成2,3,5-三氯吡啶;2)多氯代吡啶选择性脱氯;3)吡啶环上的其他官能团转化。
2.1以吡啶或者低氯吡啶直接氯化法;
随着吡啶产能的提升和价格的走低,以吡啶为原料的合成方法越来越受到重视。但是吡啶氯化法,见美国专利US4515953,1985-05-07Marinak Michael J,Simaonso John L.Production of polychlorinated pyridine mixtures by liquid phase chlorination of pyridine orpyridine hydrochloride合成2,3,5-三氯吡啶工艺存在较多的问题:操作复杂,副产物多,产物难以分离,反应过程易结焦导致收率较低,反应设备投资大且容易被腐蚀,反应能耗大等。优点是反应原料易得、便宜。美国专利US4108856,1978-08-22,Brewer Roy Dennis,SeatonThomas.Chlorination process for producing 2,3,5-trichloropyridine,Ici Ltd,公开了一种以3,5-二氯吡啶为原料高温氯化合成2,3,5-三氯吡啶的工艺。该工艺原料转化率低,副产物多。且3,5-二氯吡啶方法本身是一种重要的中间体,价格昂贵且不易得。因此不适合工业生产。本研究课题拟开发一种以廉价易得的2-氯吡啶为原料,通过醇解、氯化制备2,3,5-三氯吡啶的新工艺。
2.2多氯吡啶脱氯法
专利WO0155-113,2001-08-02,化学工业与工程,(2004,21(2),146-148),和文献“2,3,5-三氯吡啶合成工艺研究”,(湘潭大学硕士学位论文,2007)公开了以五氯吡啶为原料,在过量锌粉存在下进行脱氯反应合成2,3,5-三氯吡啶的方法。这种方法存在的确定是原料不易得,且不具有“原子经济性”。同时,锌粉的大量使用使得该工艺不具有成本优势,后处理困难且污染严重。
2.3官能团转化
美国专利US4127575,Mcgregor Stanley D.Preparation of chlorosubstituted pyridines,1975-11-28和英国专利GB1215387,1970-12-09Maurer Manfred Process for the preparation of2-chloropyridine and its derivatives,分别公开了以三氯肼基吡啶和3,5-二氯-2-吡啶酮为原料合成。这两种方法反应步骤少,收率也比较理想,但是都存在原料昂贵且不易得等缺点。
发明内容
本发明旨在开发一种以价廉易得的2-氯吡啶(I)为原料高选择性合成2,3,5-三氯吡啶(II)的新工艺制备方法。
为了解决上述技术问题,本发明提供的技术方案为,2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其包括以下步骤:
(1)2-氯吡啶I的水解或醇解反应:加热或者回流状态下,2-氯吡啶I在碱催化下与水或者醇类反应生成中间体2-烷氧基吡啶III,
其中,2-烷氧基吡啶III中的R基选自H、甲基、乙基、异丙基、正丁基、叔丁基,或者5C、6C、7C、8C的直链、支链烷基;反应温度从60℃到溶剂的沸点;
(2)2-烷氧基吡啶III的氯化:2-烷氧基吡啶III在碱性环境下和氯化剂反应,温度控制在10~30℃反应得到3,5-二氯-2-烷氧基吡啶IV,碘单质为催化剂;
3)3,5-二氯-2-烷氧基吡啶进行Vielsmeyer-Haack氯化反应,在氯源下DMF为催化剂最终得到2,3,5-三氯吡啶。
本发明优选的一技术方案,所述步骤(1)中的醇为正丁醇或异丙醇,醇和原料的摩尔比为3.0~10.0。
本发明优选的一技术方案,所述步骤(1)中的碱催化剂选自碱金属或碱土金属氢氧化物。
本发明优选的一技术方案,所述步骤(1)反应温度从60℃-100℃。
本发明优选的一技术方案,所述步骤(1)中对于醇解反应,反应结束后直接在反应液中加水,产物从反应体系中析出。
本发明优选的一技术方案,所述步骤(1)中对于水解反应,反应结束后直接在反应液中加入矿物酸,如盐酸、硫酸,将pH值调至6~8,产物部分析出,通过过滤收集,滤液产物进一步用氯仿萃取,乙醇重结晶精制。
本发明优选的一技术方案,所述步骤(2)中氯化反应所用的碱选自碱金属氧化物、碱土金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐和有机胺,且碱和反应底物的标准摩尔比为1.5~3。
本发明优选的一技术方案,所述步骤(2)中的氯化剂选自氯气、碱金属的次氯酸盐,碱金属如钠,钾,或者盐酸和过氧化氢的混合物进行反应。
本发明优选的一技术方案,所述步骤(3)中的氯源选自三氯氧磷,二氯亚砜,草酰氯。
本发明优选的一技术方案,所述步骤(3)反应在50~80℃温度范围内进行。
本发明提供了一种以2-氯吡啶为原料合成2,3,5-三氯吡啶的方法,该法具有产物收率高,选择性好,反应条件温和及产物分离纯化容易的优点:在步骤(1)中,醇解反应或水解反应得到的产品纯度分别大于98%和95%;在步骤(2)中,得到3,5-二氯-2-烷氧基吡啶IV收率大于90%,纯度大于96%;在步骤(3)中,得到2,3,5-三氯吡啶II,收率大于90%,纯度不小于98%。
具体实施方式:
为进一步理解本发明,下面结合具体实施例对本发明优选方案进行描述,但是应当理解,这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点,而不是对本发明权利要求的限制。
实施例1:2-氯吡啶的水(醇)解反应生成2-烷氧基吡啶
2-氯吡啶的水(醇)解反应:加热或者回流状态下,原料(I)在碱催化下与水或者醇类反应生成中间体(III)。
此处R基团可以是H或者甲基,乙基,异丙基,正丁基,叔丁基和其他5碳到8碳的直链、支链烷基。反应温度从60℃到各种溶剂的沸点,一般情况下不超过100℃。考虑到醇解反应的适宜温度和后续反应所产生的氯代烷烃的回收,优选的醇为正丁醇或异丙醇,优选的醇和原料的摩尔比为3.0~10.0。一般的碱金属和碱土金属氢氧化物都可以促进此反应,优选的碱是NaOH、KOH、Ca(OH)2等。碱用量和原料的摩尔比为1.0~3.0。反应以原料完全转化为终点,通常的反应时间为2~15小时。对于醇解反应(R为烷基),反应结束后直接在反应液中加水,产物从反应体系中析出。过滤得到产物,收率约为85~95%,纯度大于98%,无需进一步纯化或者精制可直接用于下步反应。对于水解反应,反应结束后直接在反应液中加入矿物酸(盐酸、硫酸等)将pH值调至6~8,产物部分析出,通过过滤收集。滤液中的产物进一步用氯仿萃取,收率约为75%。产物颜色较深,需要在乙醇中进一步重结晶精制,经过重结晶精制后的产品纯度大于95%,收率约为65%。考虑到水解产物的收率较低,分离纯化较为复杂,且产物稳定性较差,因此本发明不再以此中间体为原料进行后续反应。
实施例2:2-烷氧基吡啶氯化得到3,5-二氯-2-烷氧基吡啶
2-烷氧基吡啶(III)可以和各种适合的氯化剂如氯气,碱金属(如钠,钾等)次氯酸盐或者盐酸和过氧化氢的混合物进行反应。本发明优选的氯化剂为氯气,氯气和底物(III)的摩尔比为2.5~4。本发明反应所用的催化剂为碘单质,催化剂的用量为底物0.1mol%~2mol%。在不使用催化剂的情况下,氯化反应的速度略有降低。氯化反应所用的碱可以是碱金属,碱土金属的氧化物,氢氧化物,碳酸盐和有机胺,如MgO,CaO,NaOH,KOH,Ca(OH)2,Na2CO3,K2CO3,CaCO3,NaHCO3。本发明优选的碱为NaHCO3。碱和反应底物的标准摩尔比为1.5~3。粉末状碱可以在通入氯气之前一次性加入,也可以分5~10批逐步投入反应体系。优化的方法是将NaHCO3配制成饱和水溶液通过滴加的方式连续加入。氯化反应所用溶剂为蒸馏水,水和底物的摩尔比为10~30,优选的比例为15~20。对于以水为介质的反应,乳化剂(0.1wt%)的加入可以在一定程度缩短反应时间,但是在本发明中,乳化剂如十二烷基磺酸钠的加入在缩短反应时间(约12%)的同时,造成了反应后处理时油水分层耗时长,界面不清楚等问题,因此不建议使用。氯化反应是放热反应,需要用水浴将反应温度控制在10~30℃,优选的温度范围是20~26℃。在10~30℃温度范围内,持续通入氯气直到原料完全被转化,且单氯代中间产物5-氯-2-烷氧基吡啶和3-氯-2-烷氧基吡啶的总含量小于5%,或者目标产物3,5-二氯-2-烷氧基吡啶的含量大于94%时即可终止反应。
反应结束后,将反应体系的pH值用10%的Na2CO3水溶液调至6~7,静置分层得到淡黄色水相和黄色的油相。油相再用10%的硫代硫酸钠水溶液洗涤一次,经过无水硫酸钠干燥得到淡黄色的油状粗产品。粗产品在经减压蒸馏得到淡黄色或无色油状目标产物3,5-二氯-2-烷氧基吡啶。收率大于90%,纯度大于96%。
实施例3:3,5-二氯-2-烷氧基吡啶Vielsmeyer-Haack氯化
3,5-二氯-2-烷氧基吡啶通过熟知的Vielsmeyer-Haack进行氯化反应。以三氯氧磷,二氯亚砜或草酰氯作为氯源(chlorine source),DMF为催化剂。在本发明实施过程中发现三氯氧磷在反应过程中会导致的底物部分分解。而以氯化亚砜、草酰氯作为氯化剂则可以使反应在温和的条件下进行,有效地避免了底物的分解,显著地提高收率。一般情况下,氯化剂和底物的摩尔比为3~15,优选的摩尔比为5~10,催化剂二甲基甲酰胺用量为0.01~0.1mol%。反应在50~80℃温度范围内进行,用GC检测反应进行,以原料完全消耗为反应终点,通常反应时间为2~8h。反应结束后的物料经减压蒸馏回收过量的氯化剂后,再用水淬灭,中和至pH 7~8。分出的油相粗产品再经干燥,减压蒸馏得到白色或淡黄色固体产物2,3,5-三氯吡啶,收率大于90%,纯度不小于98%。
实施例4
2-正丁氧基吡啶合成
在配备有温度计、回流冷凝管和机械搅拌的1L反应器中,加入227g(2.0mol)2-氯吡啶,400g正丁醇和134.4g氢氧化钾(2.4mol)。反应混合物在100℃下充分搅拌12小时,HPLC显示2-氯吡啶完全转化。反应液冷却到室温,过滤除去生成的氯化钾沉淀,滤饼用正丁醇洗涤(100mLx2)。合并的滤液在减压下蒸馏分别得到550mL正丁醇和275克2-正丁氧基吡啶(91%),纯度大于98%。
对比实施例A
2-羟基吡啶合成
在配备有温度计、回流冷凝管和机械搅拌的1L反应器中,加入227克(2.0mol)2-氯吡啶,200克叔丁醇,200毫升水和134.4g氢氧化钾(2.4mol)。反应混合物在回流状态下充分搅拌18小时,HPLC显示2-氯吡啶完全转化。反应液冷却到室温,反应液用浓盐酸调至5~6,过滤除去氯化钾沉淀,滤饼用叔丁醇洗涤(100mL)。合并的滤液浓缩除去溶剂后减压下蒸馏得到124克2-羟基吡啶(65%),纯度大于99%。
实施例5
氯化反应
在配备有温度计、回流冷凝管和机械搅拌的2L反应器中,加入302g(2.0mol)2-正丁氧基吡啶,600g蒸馏水。在25~30℃,充分搅拌的条件下通入氯气(0.25mol/h)的同时,通过注射泵向反应液中滴加碳酸氢钠的饱和水溶液,并调节滴加速度以保持反应体系pH值在3~4。用HPLC检测反应进程,约26小时后,2-正丁氧基吡啶含量降至2%,且延长时间后不再明显减少,停止氯气的通入,继续碱的滴加至反应体系pH值为6~7,继续搅拌30分钟,静置分层。分出的下层油相干燥后,进行减压蒸馏得到416克(95%)淡黄色的2-正丁氧基-3,5-二氯吡啶油状产物。
实施例6
氯化
在配备有温度计、回流冷凝管和机械搅拌的1L反应器中,加入329g(1.5mol)2-正丁氧基-3,5-二氯吡啶,535克(4.5mol)氯化亚砜和4.38克N’N-二甲基甲酰胺。反应混合物在78~80℃下充分搅拌约26小时后,HPLC检测表明原料完全转化。减压蒸馏除去生成的氯丁烷和未反应的氯化亚砜,剩余物在冰浴下用水淬灭,并用饱和碳酸氢钠水溶液中和至pH~7,过滤收集析出的沉淀,并用蒸馏水淋洗滤饼。滤饼干燥后得到260克(95%)淡黄色2,3,5-三氯吡啶粗品。粗品经过进一步减压蒸馏,得到235克(86%)2,3,5-三氯吡啶白色固体,纯度大于97%。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上,然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰,因此,本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容,而应包括各种不背离本发明的替换及修饰,并为本专利申请权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其包括以下步骤:
(1)2-氯吡啶I的水解或醇解反应:加热或者回流状态下,2-氯吡啶I在碱催化下与水或者醇类反应生成中间体2-烷氧基吡啶III,
其中,2-烷氧基吡啶III中的R基选自H、甲基、乙基、异丙基、正丁基、叔丁基,或者5C、6C、7C、8C的直链、支链烷基;反应温度从60℃到溶剂的沸点;
(2)2-烷氧基吡啶III的氯化:2-烷氧基吡啶III在碱性环境下和氯化剂反应,温度控制在10~30℃反应得到3,5-二氯-2-烷氧基吡啶IV,碘单质为催化剂;
(3)3,5-二氯-2-烷氧基吡啶进行Vielsmeyer-Haack氯化反应,在氯源下DMF为催化剂最终得到2,3,5-三氯吡啶。
2.根据权利要求1所述的2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其特征在于,所述步骤(1)中的醇为正丁醇或异丙醇,醇和原料的摩尔比为3.0~10.0。
3.根据权利要求1所述的2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其特征在于,所述步骤(1)中的碱催化剂选自碱金属或碱土金属氢氧化物。
4.根据权利要求1所述的2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其特征在于,所述步骤(1)反应温度从60℃-100℃。
5.根据权利要求1所述的2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其特征在于,所述步骤 (1)中对于醇解反应,反应结束后直接在反应液中加水,产物从反应体系中析出。
6.根据权利要求1所述的2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其特征在于,所述步骤(1)中对于水解反应,反应结束后直接在反应液中加入矿物酸,如盐酸、硫酸,将pH值调至6~8,产物部分析出,通过过滤收集,滤液产物进一步用氯仿萃取,乙醇重结晶精制。
7.根据权利要求1所述的2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其特征在于,所述步骤(2)中氯化反应所用的碱选自碱金属氧化物、碱土金属氧化物、氢氧化物、碳酸盐和有机胺,且碱和反应底物的标准摩尔比为1.5~3。
8.根据权利要求1所述的2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其特征在于,所述步骤(2)中的氯化剂选自氯气、碱金属的次氯酸盐,碱金属如钠,钾,或者盐酸和过氧化氢的混合物进行反应。
9.根据权利要求1所述的2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其特征在于,所述步骤(3)中的氯源选自三氯氧磷,二氯亚砜,草酰氯。
10.根据权利要求1所述的2,3,5-三氯吡啶的合成方法,其特征在于,所述步骤(3)反应在50~80℃温度范围内进行。
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