CN111362876A - 一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法 - Google Patents

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    • C07D233/54Heterocyclic compounds containing 1,3-diazole or hydrogenated 1,3-diazole rings, not condensed with other rings having two double bonds between ring members or between ring members and non-ring members
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    • C07D233/91Nitro radicals
    • C07D233/92Nitro radicals attached in position 4 or 5

Abstract

本发明提供了一种2‑甲基‑5‑硝基咪唑的连续合成方法,所述合成在微通道反应器中进行。本发明提供的合成方法可实现连续化合成,并且生产过程安全、平稳;同时反应时间极短且收率较高;还可以降低浓硫酸的用量,减少成本。

Description

一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法
技术领域
本发明属于有机合成技术领域,涉及一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法。
背景技术
2-甲基-5-硝基咪唑,英文名2-Methyl-5-ni-troimidazde,CAS号88054-22-2,分子式:C4H5N3O2,分子量127.114,白色或微黄色粉末,难溶于水,微溶于甲醇,易溶于稀酸、稀碱,高温下易氧化分解,熔点252-254℃。
2-甲基-5-硝基咪唑属典型的专用精细化工中间体;(1)可以用于甲硝唑的制备。甲硝唑具有强大的杀灭滴虫作用,为治疗阴道滴虫病的首选药物;可用于治疗阿米巴痢和阿米巴肝脓肿,疗效与依米丁相仿;同时甲硝唑有抗厌氧菌作用,可用于治疗厌氧菌引起的产后盆腔炎、败血症、牙周炎等;并且还可用于治疗贾第氏鞭毛虫病、酒糟鼻;用于阑尾、结肠手术、妇产科手术,可降低或避免手术感染等;甲硝唑的合成是以2-甲基-5-硝基咪唑为原料,与环氧乙烷或氯乙醇在甲酸和硫酸的作用下反应而得。(2)可以用于迪美唑的制备。迪美唑主要用作兽类抗菌药,是预防及治疗猪赤痢的首选良药,还可用作饲料添加剂,有利于促进畜禽生长,少量用于日用化工;迪美唑的合成是以2-甲基-5-硝基咪唑为原料,在甲酸存在下与硫酸二甲酯反应而得。(3)可以用于塞克硝唑的制备。塞克硝唑对泌尿生殖器内滴虫、肠道及组织内阿米巴原虫和贾第鞭毛虫等有较强的杀灭作用,用于贾第虫病及人体各部位厌氧菌感染的治疗;塞克硝唑由2-甲基-5-硝基咪唑为原料,在甲酸存在下与环氧丙烷作用而得。
迄今为止,国内外报道的制备2-甲基-5-硝基咪唑的方法主要有:(1)添加硫酸钠法。将硫酸、2-甲基咪唑、硫酸钠先后投入硝化罐中,搅拌升温,滴加硝酸,加水,用氨水调节pH为3.5-4,结晶,过滤,水洗至中性烘干得2-甲基-5-硝基咪唑,收率在60%左右;本法收率较低,滴加时间长,稍不慎,就会酿成事故。(2)溶液留底法。波兰在2-甲基-5-硝基咪唑合成及其硝化等方面做了大量的工作。有关硝化的专利曾在英、法、德、美等国申请,并获得授权。在耐酸不锈钢反应器中,投入浓硝酸,把已硝化过的套用溶液加入反应器,边搅抖、边冷却,然后加入2-甲基咪唑和浓硫酸,反应液通过搅拌,直至放热作用明显降低,反应完毕把1/3反应液留在硝化罐中,留作下次反应套用,其余析出产物,过滤,水洗至中性烘干;收率在60%-70%。(3)添加尿素法。1970年的德国BASF公司将2-甲基咪唑、硝酸、硫酸、尿素混合反应,后处理过程同以上2法相同,反应得到2-甲基-5-硝基咪唑收率为70-80%。以上三种工艺均属于间歇法生产2-甲基-5-硝基咪唑,工艺路线复杂,反应时间很长约1-3h,产品收率低,市场竞争力差。
硝化反应是一个剧烈的放热反应,控制不好就会造成冲料,严重的会造成爆炸。同时,对于在微反应器内合成2-甲基-5-硝基咪唑的研究,国内外暂无报道。
因此,需要提供一种安全、平稳、可连续生产2-甲基-5-硝基咪唑的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法。本发明提供的合成方法可实现连续化合成,并且生产过程安全、平稳;同时反应时间极短且收率较高;还可以降低浓硫酸的用量,减少成本。
为达此目的,本发明采用以下技术方案:
第一方面,本发明提供了一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法,所述合成在微通道反应器中进行。
本发明利用微通道反应器制备2-甲基-5-硝基咪唑,持液量小,而换热面积足够大,能够将硝化反应释放出的大量热量带走,进而提高了反应的安全性;同时本发明提供的制备方法可以提高反应的选择性。
本发明的反应时间明显减少,反应时间由传统的1-3h缩短到3min以内,反应的选择性及其收率都得到了明显的提高,产物含量由传统的80%提高到90%以上。
优选地,所述合成方法包括如下步骤:
(1)将乙二醛与乙醛的混合液和碳酸氢铵水溶液分别输送至第一微通道反应器中进行环合反应,然后进行后处理,得到2-甲基咪唑;
(2)将2-甲基咪唑的硫酸混合液与浓硝酸分别输送至第二微通道反应器中进行硝化反应,得到所述2-甲基-5-硝基咪唑。
本发明的反应如下:
(1)
Figure BDA0002474123210000031
(2)
Figure BDA0002474123210000032
优选地,步骤(1)所述环合反应的温度为分段控温,第一段的温度为10-15℃,例如11℃、12℃、13℃、14℃等,第二段的温度为30-60℃,例如35℃、40℃、45℃、50℃、55℃等。当然温度不局限于整数温度,在范围内皆可。
本发明提供的制备方法控制两步反应的反应温度,同时限定环合反应为分段控温等,本发明通过控制反应的反应温度和反应时间等参数因素,使得本发明提供的制备方法具有反应时间短,生产效率高且产率高的优点,同时本发明通过对各步骤的限定,可以减少2-甲基-5-硝基咪唑的合成中浓硫酸的用量,较现有技术而言,本发明中的浓硫酸的用量降低了5-10%左右。
在本发明中,通过设置分段反应,控制分段反应的温度,可以抑制副反应的发生,对于产率的提升有明显效果。
优选地,步骤(1)所述环合反应的总时间为35-75s,例如40s、45s、50s、55s、60s、65s、70s等,时间并不局限于列举,在范围内皆可。
优选地,所述第一段的时间为14-30s,例如15s、18s、20s、22s、25s、28s等,所述第二段的时间为21-45s,例如22s、25s、28s、30s、32s、35s、38s、40s、42s等,时间并不局限于列举,在范围内皆可。
优选地,步骤(1)所述后处理包括依次进行减压蒸馏和离心分离。
优选地,在所述碳酸氢铵水溶液中,所述碳酸氢铵的浓度为21.7%。
优选地,所述乙二醛和乙醛的摩尔比为1:1.2。
优选地,所述乙二醛与乙醛的混合液与所述碳酸氢铵水溶液的体积比为30:7。
优选地,所述碳酸氢铵水溶液的输送速度为3.5-7.0mL/min,例如3.8mL/min、4.0mL/min、4.2mL/min、4.5mL/min、4.8mL/min、5.0mL/min、5.2mL/min、5.5mL/min、5.8mL/min、6.0mL/min、6.2mL/min、6.5mL/min、6.8mL/min等,本发明的输送速度并不局限于列举,在范围内皆可。
优选地,所述乙二醛与乙醛的混合液的输送速度为15-30mL/min,例如18mL/min、20mL/min、22mL/min、25mL/min、28mL/min等,本发明的输送速度并不局限于列举,在范围内皆可。
优选地,步骤(2)所述硝化反应的温度为80-110℃,例如85℃、90℃、95℃、100℃、105℃等,时间为52-83s,例如55s、58s、60s、62s、65s、68s、70s、72s、75s、78s、80s、82s等,时间并不局限于列举,在范围内皆可。
在本发明中,硝化反应的温度可以控制在80-110℃,生产过程更加安全,同时产物的产率较高。
优选地,所述第二微通道反应器还包括盘管,所述硝化反应的时间为82-131s,例如85s、88s、90s、92s、95s、100s、105s、110s、115s、120s、125s等,时间并不局限于列举,在范围内皆可。
设置盘管一方面可以降温,另一方面可以增加反应时间。
优选地,所述盘管置于温度为20-25℃的冷井中。
优选地,所述2-甲基咪唑的硫酸混合液的输送速度为8.4-17mL/min,例如9mL/min、10mL/min、11mL/min、12mL/min、13mL/min、14mL/min、15mL/min、16mL/min等,本发明的输送速度并不局限于列举,在范围内皆可。
优选地,所述浓硝酸的输送速度为4-8mL/min,例如4.5mL/min、5mL/min、5.5mL/min、6mL/min、6.5mL/min、7mL/min、7.5mL/min等,本发明的输送速度并不局限于列举,在范围内皆可。
优选地,步骤(2)还包括反应后进行后处理。
优选地,步骤(2)的后处理包括利用氨水调节pH值为3.5-4,例如3.6、3.7、3.8、3.9等,然后过滤、水洗、烘干,得到所述2-甲基-5-硝基咪唑。
相对于现有技术,本发明具有以下有益效果:
(1)本发明提供的制备方法反应温度较低,无需加压高温,因此,本发明的制备方法具有足够高的安全性;同时,本发明通过控制分段反应以及反应温度、时间等参数,使得本发明提供的制备方法既可以减少副反应的发生,又可以增加反应的选择性且提高反应产率;
(2)本发明的反应时间极短,且产率较高,反应时间由传统的1-3h缩短到3min以内,反应的选择性及其收率都得到了明显的提高,产物含量由传统的80%提高到89%以上,甚至是90%以上。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了,所述实施例仅仅是帮助理解本发明,不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法如下:
(1)2-甲基咪唑的合成:
哈氏合金材质微反应器,10片伞形通道,通道尺寸1mm,微反应器总持液量23.2mL,乙二醛和乙醛的摩尔比为1:1.2,碳酸氢铵和乙二醛和乙醛混合液以体积比7:30进料。将碳酸氢铵加热溶于水中配置成21.7%的碳酸氢铵水溶液,并保存于20℃的水浴锅中,用泵将物料以3.5mL/min的速度输送进入微通道反应器,40%的乙二醛和40%的乙醛的混合液用另一泵以15mL/min输送至微通道反应器中,进行分段控温,前段4片温度控制在15℃,停留时间30s,后段温度控制在30℃,停留时间35s(总停留时间为75s),进行环合反应,得到2-甲基咪唑。
之后将收集到的产物进行浓缩,于减压下浓缩,冷却至室温,析出结晶即为2-甲基咪唑;含量92.3%,收率83%,经离心分离即可;母液经进一步分离处理可得到含量89.4%的产品,反应收率80.1%。
(2)2-甲基-5-硝基咪唑的合成
碳化硅材质微反应器,10片伞形通道,通道尺寸1mm,微反应器总持液量17.2mL,硫酸和硝酸的摩尔比为1.5:1,其中2-甲基咪唑、硫酸钠的混合液和浓硝酸的进料体积比为21:10。将精制的2-甲基咪唑和硫酸钠溶于浓硫酸中,以8.4mL/min输送至微通道反应器中,将浓硝酸以4mL/min输送至微通道反应器中,反应温度80℃,反应停留时间83s,微通道反应器后面增加5m盘管,停留时间48s,总停留时间131s,盘管至于20℃的冷井中,得到粗至的2-甲基-5-硝基咪唑。
加水,用氨水调节其pH值至4,趁热过滤、水洗、烘干,得2-甲基-5-硝基咪唑;含量99.1%,收率90.5%。
实施例2
一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法如下:
(1)2-甲基咪唑的合成:
哈氏合金材质微反应器,10片伞形通道,通道尺寸1mm,微反应器总持液量23.2mL,乙二醛和乙醛的摩尔比为1:1.2,碳酸氢铵和乙二醛和乙醛混合液以体积比7:30进料。将碳酸氢铵加热溶于水中配置成21.7%的碳酸氢铵水溶液,并保存于20℃的水浴锅中,用泵将物料以7mL/min的速度输送进入微通道反应器,40%的乙二醛和40%的乙醛混合液用另一泵以30mL/min输送至微通道反应器中,进行分段控温,前段4片温度控制在10℃,停留时间14s,后段温度控制在30℃,停留时间22s(总停留时间为36s),进行环合反应,得到2-甲基咪唑。
之后将收集到的产物进行浓缩,于减压下浓缩,冷却至室温,析出结晶即为2-甲基咪唑;含量90.7%,收率80.6%,经离心分离即可;母液经进一步分离处理可得到含量87.1%的产品,反应收率79.7%。
(2)2-甲基-5-硝基咪唑的合成
碳化硅材质微反应器,10片伞形通道,通道尺寸1mm,微反应器总持液量17.2mL,硫酸和硝酸的摩尔比为1.5:1,其中2-甲基咪唑、硫酸钠的混合液和浓硝酸的进料体积比为21:10。将精制的2-甲基咪唑和硫酸钠溶于浓硫酸中,以17mL/min输送至微通道反应器中,将浓硝酸以8mL/min输送至微通道反应器中,反应温度100℃,反应停留时间41s,微通道反应器后面增加5m盘管,停留时间24s,总停留时间65s,盘管至于20℃的冷井中,得到粗至的2-甲基-5-硝基咪唑。
加水,用氨水调节其pH值至4,趁热过滤、水洗、烘干,得2-甲基-5-硝基咪唑;含量98.1%,收率88.3%。
实施例3
一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法如下:
(1)2-甲基咪唑的合成:
哈氏合金材质微反应器,10片伞形通道,通道尺寸1mm,微反应器总持液量23.2mL,乙二醛和乙醛的摩尔比为1:1.2,碳酸氢铵和乙二醛和乙醛混合液以体积比7:30进料。将碳酸氢铵加热溶于水中配置成21.7%的碳酸氢铵水溶液,并保存于20℃的水浴锅中,用泵将物料以5.5mL/min的速度输送进入微通道反应器,40%的乙二醛和40%的乙醛混合液用另一泵以23.5mL/min输送至微通道反应器中,进行分段控温,前段4片温度控制在15℃,停留时间19s,后段温度控制在50℃,停留时间29s(总停留时间48s),进行环合反应,得到2-甲基咪唑。
之后将收集到的产物进行浓缩,于减压下浓缩,冷却至室温,析出结晶即为2-甲基咪唑;含量91.8%,收率82.3%,经离心分离即可;母液经进一步分离处理可得到含量88.5%的产品,反应收率80.0%。
(2)2-甲基-5-硝基咪唑的合成
碳化硅材质微反应器,10片伞形通道,通道尺寸1mm,微反应器总持液量17.2mL,硫酸和硝酸的摩尔比为1.5:1,其中2-甲基咪唑、硫酸钠的混合液和浓硝酸的进料体积比为21:10。将精制的2-甲基咪唑和硫酸钠溶于浓硫酸中,以13.5mL/min输送至微通道反应器中,将浓硝酸以6.5mL/min输送至微通道反应器中,反应温度90℃,反应停留时间52s,微通道反应器后面增加5m盘管,停留时间30s,总停留时间82s,盘管至于20℃的冷井中,得到粗至的2-甲基-5-硝基咪唑。
加水,用氨水调节其pH值至4,趁热过滤、水洗、烘干,得2-甲基-5-硝基咪唑;含量98.7%,收率89.9%。
实施例4
一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法如下:
(1)2-甲基咪唑的合成:
与实施例1的区别在于,后段温度控制在40℃。
之后将收集到的产物进行浓缩,于减压下浓缩,冷却至室温,析出结晶即为2-甲基咪唑;含量92.1%,收率80.4%,经离心分离即可;母液经进一步分离处理可得到含量88.4%的产品,反应收率79.3%。
(2)2-甲基-5-硝基咪唑的合成
与实施例1的区别在于,反应温度为70℃,得到的2-甲基-5-硝基咪唑;含量97.1%,收率89.5%。
实施例5
一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法如下:
(1)2-甲基咪唑的合成:
与实施例1的区别在于,后段温度控制在30℃。
之后将收集到的产物进行浓缩,于减压下浓缩,冷却至室温,析出结晶即为2-甲基咪唑;含量91.7%,收率81.8%,经离心分离即可;母液经进一步分离处理可得到含量88.2%的产品,反应收率80.6%。
(2)2-甲基-5-硝基咪唑的合成
与实施例1的区别在于,反应温度为110℃,得到的2-甲基-5-硝基咪唑;含量96.9%,收率86.3%。
实施例6
(1)2-甲基咪唑的合成:
与实施例1相同。
(2)2-甲基-5-硝基咪唑的合成
与实施例1的区别在于,去掉后面的盘管,得到的2-甲基-5-硝基咪唑;含量98.5%,收率87.1%。
实施例7
(1)2-甲基咪唑的合成:
与实施例1的区别在于,反应器不分段控温,反应温度30℃,停留时间为75s;
之后将收集到的产物进行浓缩,于减压下浓缩,冷却至室温,析出结晶即为2-甲基咪唑;含量83.3%,收率76%,经离心分离即可;母液经进一步分离处理可得到含量81.1%的产品,反应收率74.6%。
(2)2-甲基-5-硝基咪唑的合成
与实施例1相同,得到的2-甲基-5-硝基咪唑;含量89.7%,收率80.1%。
由实施例可知,本发明提供的合成方法反应时间极短可以在3min内完成,且收率较高,产物含量较高;还可以降低浓硫酸的用量,减少成本。
申请人声明,本发明通过上述实施例来说明本发明的2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法,但本发明并不局限于上述详细方法,即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了,对本发明的任何改进,对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等,均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (10)

1.一种2-甲基-5-硝基咪唑的连续合成方法,其特征在于,所述合成在微通道反应器中进行。
2.根据权利要求1所述的连续合成方法,其特征在于,所述合成方法包括如下步骤:
(1)将乙二醛与乙醛的混合液和碳酸氢铵水溶液分别输送至第一微通道反应器中进行环合反应,然后进行后处理,得到2-甲基咪唑;
(2)将2-甲基咪唑的硫酸混合液与浓硝酸分别输送至第二微通道反应器中进行硝化反应,得到所述2-甲基-5-硝基咪唑。
3.根据权利要求2所述的连续合成方法,其特征在于,步骤(1)所述环合反应的温度为分段控温,第一段的温度为10-15℃,第二段的温度为30-60℃。
4.根据权利要求2或3所述的连续合成方法,其特征在于,步骤(1)所述环合反应的总时间为35-75s;
优选地,所述第一段的时间为14-30s,所述第二段的时间为21-45s。
5.根据权利要求2-4中的任一项所述的连续合成方法,其特征在于,步骤(1)所述后处理包括依次进行减压蒸馏和离心分离。
6.根据权利要求2-5中的任一项所述的连续合成方法,其特征在于,在所述碳酸氢铵水溶液中,所述碳酸氢铵的浓度为21.7%;
优选地,所述乙二醛和乙醛的摩尔比为1:1.2;
优选地,所述乙二醛与乙醛的混合液与所述碳酸氢铵水溶液的体积比为30:7。
7.根据权利要求2-6中的任一项所述的连续合成方法,其特征在于,所述碳酸氢铵水溶液的输送速度为3.5-7.0mL/min;
优选地,所述乙二醛与乙醛的混合液的输送速度为15-30mL/min。
8.根据权利要求2-7中的任一项所述的连续合成方法,其特征在于,步骤(2)所述硝化反应的温度为80-110℃,时间为52-83s;
优选地,所述第二微通道反应器还包括盘管,所述硝化反应的时间为82-131s;
优选地,所述盘管置于温度为20-25℃的冷井中。
9.根据权利要求2-8中的任一项所述的连续合成方法,其特征在于,所述2-甲基咪唑的硫酸混合液的输送速度为8.4-17mL/min;
优选地,所述浓硝酸的输送速度为4-8mL/min。
10.根据权利要求2-9中的任一项所述的连续合成方法,其特征在于,步骤(2)还包括反应后进行后处理;
优选地,步骤(2)的后处理包括利用氨水调节pH值为3.5-4,然后过滤、水洗、烘干,得到所述2-甲基-5-硝基咪唑。
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