CN108610282A - 一种通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法 - Google Patents

一种通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3‑二氯吡啶的方法，包括以下步骤：i、从天然石墨出发得到氧化石墨并超声剥离，再将氧化石墨与氧化铜进行分子组装，得到石墨烯‑氧化铜复合催化剂；ii、在第一反应釜中加入2‑氯‑3‑氨基吡啶和浓盐酸，降温至‑5°C，缓慢滴加亚硝酸钠水溶液，控温‑5°C待用；iii、在第二反应釜中加入盐酸和所述复合催化剂，在氮气保护下滴加第一反应釜中的混合液，滴加后逐渐升温至40°C，反应1小时，使用二氯甲烷萃取，将有机相旋蒸得到2,3‑二氯吡啶粗品。本发明中方法制备2,3‑二氯吡啶能够减少生产成本并且所使用的石墨烯‑氧化铜复合催化剂能够多次重复利用，减少了废液中铜带来的重金属污染。

Description

一种通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法
技术领域
本发明涉及吡啶衍生物的制备技术领域，具体涉及一种通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法。
背景技术
2,3-二氯吡啶是一种十分重要的精细化工中间体，在农药合成中用量很大。例如在新型杀虫剂氯虫苯甲酰胺的合成过程中，2,3-二氯吡啶是关键中间体。2007年杜邦公司的氯虫酰胺杀虫剂开始上市，并得到市场的广泛认可，2008年销售额为5500万美元，2011年超过6亿美元，2014年进一步增加至12亿美元。此外2,3-二氯吡啶在多种医药及农药的制备中都有广泛的应用，可以用来合成抗生素、治疗心血管等疾病的药物、农用杀虫剂、除草剂以及杀菌剂等。据统计2,3-二氯吡啶的市场需求每年增长15％以上。
合成2,3-二氯吡啶的主要方法有：吡啶直接氯代法、2-氯吡啶法、3-氯吡啶法、2,3,6-三氯吡啶还原法、3-氨基吡啶法等。吡啶直接氯代法优点是原料吡啶供应充裕，但由于最终得到组成复杂的混合物，不易分离导致杂质较多，转化率低。2-氯吡啶法优点是起始原料吡啶来源丰富，缺点是分离目标产物困难，收率低。3-氯吡啶法的起始原料3-氯吡啶价格较高，并有产物收率不高的问题。2,3,6-三氯吡啶还原法对操作条件和反应设备均有较高要求，带来很大的安全操作难度。以上几种路线都不宜大规模工业生产。3-氨基吡啶合成法收率好，原料价格相对较低，反应条件温和易控制，适宜工业生产。但是目前生产1吨2,3-二氯吡啶要产生50吨含重金属离子废水，不符合绿色环保要求的问题，
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种既降低生产成本，又减少了废液中铜带来的重金属污染的2,3-二氯吡啶制备方法。
本发明主要是在现有的3-氨基吡啶合成法基础上进行工艺改进。
本发明为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法，包括以下特征步骤：
i、从天然石墨出发得到氧化石墨并超声剥离，再将氧化石墨与氧化铜进行分子组装，得到石墨烯-氧化铜复合催化剂；
ii、在第一反应釜中加入2-氯-3-氨基吡啶和浓盐酸，降温至-5℃，缓慢滴加亚硝酸钠水溶液，控温-5℃待用；
iii、在第二反应釜中加入盐酸和所述复合催化剂，在氮气保护下滴加第一反应釜中的混合液，滴加后逐渐升温至40℃，反应1小时，使用二氯甲烷萃取，将有机相旋蒸得到2,3-二氯吡啶粗品，之后重结晶提纯得到目标产物。
进一步的，还包括
步骤iv、利用步骤i中反应的碱性废液调节步骤iii中强酸性残液的pH值至弱酸性并过滤出所述复合催化剂备用。
进一步的，步骤i中所述从天然石墨出发得到氧化石墨并超声剥离是指利用浓硫酸-高锰酸钾体系处理天然石墨得到氧化石墨，然后在水合肼存在下超声1小时；
步骤i中将氧化石墨与氧化铜进行分子组装得到石墨烯-氧化铜复合催化剂是指在所述超声1小时后加入氧化铜继续超声振荡30分钟制得石墨烯-氧化铜复合催化剂。
进一步的，在进行所述步骤ii时，
将400ml 3.5mol/L的工业盐酸置于第一反应釜中，用冰盐浴降温到-5℃，开启电磁搅拌，缓慢加入129g 1mol的2-氯-3-氨基吡啶，继续搅拌使2-氯-3-氨基吡啶充分溶解；
然后将70g 1mol的亚硝酸钠溶于150ml水形成的溶液缓慢滴加到第一反应釜中，控制温度在0～-5℃，滴加完毕后，保温-5℃待用。
进一步的，在进行所述步骤iii时，
在第二反应釜中，加入500ml工业盐酸和10g所述复合催化剂，开启搅拌并且冰水浴降温到0～5℃；
在氮气保护下缓慢滴加第一反应釜中的混合液到第二反应釜中，滴加结束后逐渐升温至15℃，反应2小时，使用TLC跟踪反应；
用二氯甲烷萃取，将有机相旋蒸得到2,3-二氯吡啶粗品，之后重结晶提纯得到目标产物。
本发明的有益效果是：
目前氯化铜与氧化亚铜的市场售价均在每吨4万元左右，若以年产300吨2,3-二氯吡啶为例，通过现有工艺使用氯化铜催化剂，用量为反应物2-氯-3-氨基吡啶的0.2倍，每年需消耗氯化亚铜60吨，成本240万元。而通过本发明中方法，自制石墨烯-氧化铜复合催化剂的成本，根据实验结果计算为9.2万元/吨。石墨烯-氧化铜复合催化剂用量为反应物的0.1倍，并可回收重复使用7次，平均进行1次反应催化剂约损耗45％，则进行每次反应，催化剂的实际消耗量为反应物的0.06倍，每年催化剂用量为20吨，催化剂生产总成本为185万元。催化剂回收工序发生的资金消耗按20-25万估算，则采用自制催化剂每年可节约资金30万元。
并且，年产300吨2,3-二氯吡啶每年可减少废水中排放的铜离子超过30吨。
附图说明
下面结合附图对本发明的通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法作进一步说明。
图1是本发明中制备方法的工艺流程图；
图2是本发明的自制复合催化剂用量对反应收率的影响曲线图；
图3是本发明涉及的自制复合催化剂重复使用实验结果曲线图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例对本发明的技术方案和应用作进一步说明，实施例中除特别注明之外的化学药品均为国产AR试剂。
实施例1：2,3-二氯吡啶的合成
利用浓硫酸-高锰酸钾体系处理天然石墨得到氧化石墨，然后在水合肼存在下超声1小时，加入氧化铜继续超声振荡30分钟制得石墨烯-氧化铜复合催化剂。复合催化剂中铜的质量分数约为50-55％。
将400ml工业盐酸(3.5mol)置于1000ml三口瓶中，用冰盐浴降温到-5℃，开启电磁搅拌，缓慢加入129g(1mol)2-氯-3-氨基吡啶，继续搅拌使2-氯-3-氨基吡啶充分溶解；然后将70g NaNO2(1mol)溶于150ml水形成的溶液缓慢滴加到上述三口瓶中，控制温度在0～-5℃，滴加完毕后，保温-5℃待用。
另取2000ml三口瓶，加入500ml工业盐酸和10g自制复合催化剂，开启搅拌并且冰水浴降温到0～5℃，在氮气保护下缓慢滴加1号三口瓶中的混合液到此反应瓶中，滴加结束后逐渐升温至40℃，反应1小时，使用TLC跟踪反应，反应完毕后，用二氯甲烷萃取，将有机相旋蒸得到2,3-二氯吡啶粗品，之后重结晶提纯得到最终产品。产物为白色晶体123g，收率83％。熔点：64.5～66.8℃(文献值：64～67℃)。核磁数据(400MHz,溶剂为CDCl3)：1H NMR:δ8.10(s,1H),8.02(d,J＝4.4Hz,1H),7.12–7.03(m,1H),6.98(dd,J＝8.1,0.9Hz,1H),3.67(s,2H).与标准谱图吻合。
实施例2：自制催化剂用量对反应收率的影响
本实施例固定其它反应条件不变，考察催化剂用量对反应收率的影响。
实验结果如附图2所示，随着催化剂的量的增加，反应的收率不断增加。当2-氯-3-氨基吡啶与催化剂的摩尔比达到1:0.1后，再继续增加催化剂的量，反应的收率基本保持不变。从节约成本的角度考虑，我们确定催化剂的用量为2-氯-3-氨基吡啶的0.1倍。同时，平行实验结果表明，在此条件下所能达到的产率(80-85％)略高于传统工艺(使用0.2倍当量的氯化亚铜催化剂，产率78％)。
实施例3：自制催化剂的回收与重复使用
传统生产工艺中，桑德迈尔反应结束后，经水蒸气蒸馏或萃取分离得到目标产品，其余残液作为三废外排，大量的含铜废水被白白的放掉，既带来经济损失，又会造成环境污染，故本发明探索了自制复合催化剂的回收与重复利用情况，当桑德迈尔反应完成后，利用第一步反应的碱性废液调节强酸性残液的pH值至弱酸性，过滤出催化剂，并根据实际消耗补加部分新催化剂后用于下一次反应。固定催化剂用量为反应物的0.1倍当量，重复进行8次反应，实验结果如附图3所示。
由实验结果可知，催化剂回收重复使用7次时，仍保持较好的活性，反应收率可以达到75-80％，保持在工艺允许的范围内，当重复达到8次时，反应收率明显下降，这是由于重复使用次数过多，导致催化剂性能达到临界点，造成催化活性下降。实验证实平均进行1次反应催化剂约损耗45％。因此平均每次反应消耗复合催化剂的量为反应物的0.06倍，比传统工艺节省铜盐用量60％以上。
本发明的不局限于上述实施例，本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，另外凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法，包括以下特征步骤：
i、从天然石墨出发得到氧化石墨并超声剥离，再将氧化石墨与氧化铜进行分子组装，得到石墨烯-氧化铜复合催化剂；
ii、在第一反应釜中加入2-氯-3-氨基吡啶和浓盐酸，降温至-5°C，缓慢滴加亚硝酸钠水溶液，控温-5°C待用；
iii、在第二反应釜中加入盐酸和所述复合催化剂，在氮气保护下滴加第一反应釜中的混合液，滴加后逐渐升温至40°C，反应1 小时，使用二氯甲烷萃取，将有机相旋蒸得到2,3-二氯吡啶粗品，之后重结晶提纯得到目标产物。
2.根据权利要求1所述通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法，其特征在于：还包括
步骤iv、利用步骤i中反应的碱性废液调节步骤iii中强酸性残液的pH值至弱酸性并过滤出所述复合催化剂备用。
3.根据权利要求1或2所述通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法，其特征在于：步骤i中所述从天然石墨出发得到氧化石墨并超声剥离是指利用浓硫酸-高锰酸钾体系处理天然石墨得到氧化石墨，然后在水合肼存在下超声1小时；
步骤i中将氧化石墨与氧化铜进行分子组装得到石墨烯-氧化铜复合催化剂是指在所述超声1小时后加入氧化铜继续超声振荡30分钟制得石墨烯-氧化铜复合催化剂。
4.根据权利要求3所述通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法，其特征在于：在进行所述步骤ii时，
将400ml 3.5mol/L的工业盐酸置于第一反应釜中，用冰盐浴降温到-5℃，开启电磁搅拌，缓慢加入129g 1mol的2-氯-3-氨基吡啶，继续搅拌使2-氯-3-氨基吡啶充分溶解；
然后将70g 1mol的亚硝酸钠溶于150ml 水形成的溶液缓慢滴加到第一反应釜中，控制温度在0~-5℃，滴加完毕后，保温-5℃待用。
5.根据权利要求4所述通过桑德迈尔反应催化剂制备2,3-二氯吡啶的方法，其特征在于：在进行所述步骤iii时，
在第二反应釜中，加入500ml 工业盐酸和10g所述复合催化剂，开启搅拌并且冰水浴降温到0~5℃；
在氮气保护下缓慢滴加第一反应釜中的混合液到第二反应釜中，滴加结束后逐渐升温至15°C，反应2 小时，使用TLC跟踪反应；
用二氯甲烷萃取，将有机相旋蒸得到2,3-二氯吡啶粗品，之后重结晶提纯得到目标产物。
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