CN117820294A - 一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-h-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及有机化学合成技术领域，公开了一种3‑溴‑1‑(3‑氯‑2‑吡啶基)‑1‑H‑吡唑‑5‑甲酸类化合物的制备方法，以3‑卤代‑1‑(3‑氯吡啶‑2‑基)‑4,5‑二氢‑1H‑吡唑‑5‑甲酸乙酯类化合物为原料，以钯碳为催化剂，向其中加入溶剂和助催化剂，在混合气体的氛围下密封反应，反应完成后过滤回收催化剂，滤液经中和、萃取、蒸馏和重结晶后即可得到目标产物。本发明解决了现有3‑溴‑1‑(3‑氯‑2‑吡啶基)‑1‑H‑吡唑‑5‑甲酸类化合物制备方法氧化剂消耗量大、无法回收从而导致生产成本较大的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及有机化学合成技术领域，具体涉及一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法。
背景技术
氯虫苯甲酰胺是美国杜邦公司开发的一类新型高效、低毒的邻甲酰氨基苯甲酰胺类杀虫剂，中文别名3-溴-N-[4-氯-2-甲基-6-[(甲氨基甲酰基)苯]-1-(3-氯吡啶-2-基)-1H-吡唑-5-甲酰胺。氯虫苯甲酰胺具体广谱杀虫的特性，主要用于防治多种作物的鳞翅目害虫，对其他害虫也有较好的防效，因此该产品具有广阔的市场前景。
3-溴-1-(3-氯吡啶-2-吡啶基)-1H-吡啶-5-甲酸是合成氯虫苯甲酰胺的关键中间体，目前其主流合成工艺多采用过硫酸盐等强氧化剂，与3-卤代-1-(3-氯吡啶-2-基)-4,5-二氢-1H-吡唑-5-甲酸乙酯发生氧化脱氢反应生产制备。如现有技术中公开号为CN115557931A的中国专利提供的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1H-吡唑-5-甲酸的高效合成方法，以2-(3-氯吡啶-2-基)-5-羟基吡唑-3-甲酸乙酯为原料，先进行溴化反应，再与硫酸和过硫酸钾进行氧化反应，最后分离回收得到3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1H-吡唑-5-甲酸盐，该方法反应简单，仅需要一种溶剂，简化了溶剂的回收工艺，绿色环保。
但是上述现有技术还存在以下问题：1、作为氧化剂的过硫酸盐是危险化学品，其运输、储存和反应过程中均存在较大风险，同时过硫酸盐也是高污染物，其反应产生的废水废盐较多且难处理，增加了工业生产的难度和成本；2、过硫酸盐作为氧化剂是消耗品，增加了生产成本。
发明内容
本发明意在提供一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，以解决现有3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物制备方法氧化剂消耗量大、无法回收从而导致生产成本较大的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，以化合物Ⅰ为原料，向其中加入溶剂、助催化剂和钯碳，在混合气体的氛围下密封反应，反应完成后过滤回收催化剂钯碳，滤液经中和、萃取、蒸馏和重结晶后得到产品；
所述化合物Ⅰ的结构式如下所示：
本方案的原理及优点是：
本申请中将金属钯负载于活性炭形成钯碳作为催化剂，相比于现有技术中采用过硫酸盐作为氧化脱氢反应的催化剂，钯碳可以回收重复使用，大大降低了生产成本。同时使用钯碳作为催化剂，反应过程中不会产生高污染的废水废盐，更加清洁环保并简化了后处理工序，更有大规模推广使用的价值。最后使用钯碳作为催化剂，反应条件更加温和可控，不会出现氧化反应中剧烈放热现象，降低了生产制备的危险性。
优选的，作为一种改进，所述化合物Ⅰ中R1为H或烷基，所述烷基中碳链长度为1～5；R2为H或任意一种卤族元素；R3和R4为任意一种卤族元素。
本申请中，所提供的制备方法可适用于多种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备生产。
优选的，作为一种改进，所述钯碳中金属钯与原料的质量比为1％～4％。
本申请中，催化剂添加量与原料的质量比直接关系到反应的速度和产物纯度，上述质量比为较优的实施范围，若催化剂量不足则会导致反应速率降低，反应制备时间过长。若催化剂使用过量，如与原料的质量比大于4％，则也不会显著提高反应速率，造成原料浪费。
优选的，作为一种改进，所述助催化剂为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢钙、碳酸钠、碳酸钾、碳酸铵、碳酸铯、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或几种，所述助催化剂的添加量为原料质量的10％～15％。
本申请中，助催化剂可以加快反应速率。本方案中选用的助催化剂均为常见的无机盐，原料来源广泛价格便宜，更加适合工业化的应用。
优选的，作为一种改进，所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙腈、丙酮、甲醇、乙醇中的一种或几种，所述溶剂的添加量为原料质量的4～10倍。
本申请中，选用常见的极性溶液作为本反应中的溶剂并控制溶剂的添加量可以保证原料充分溶解，使原料可以与催化剂、助催化剂充分接触反应，提高反应速率和效率。
优选的，作为一种改进，反应体系中含水量小于10％，氧气含量小于等于0.2％。
本申请中，反应体系中若含有水分会影响反应的选择性和反应速率，降低反应产物的转化率。本技术方案与现有技术的区别还在于，反应体系中对氧气的含量要求严苛，因为氧气会严重影响反应的选择性，导致不能生成目标产物。
优选的，作为一种改进，所述混合气体包括氢气和惰性气体，所述惰性气体包括氮气、氩气或二氧化碳中的一种或几种；所述氢气与惰性气体的体积比为0～10:90～100。
本申请中，混合气体中惰性气体用于保证反应原料不受反应环境的影响，混合气体中加入氢气可以加快反应速率，若氢气加入过量则会导致副反应增加，产生加氢产物，降低反应物纯度。
优选的，作为一种改进，所述密封反应温度为100～160℃，反应时间为15～25h。
本申请中，密封反应温度影响着反应的进程，本申请中反应温度需要综合考虑反应速率和溶剂的沸点，若温度太高会导致溶剂挥发，或温度太低则会影响反应速率。
优选的，作为一种改进，所述过滤、中和、萃取、蒸馏和重结晶的具体步骤为：反应完成后将反应溶液冷却至室温，将反应溶液过滤得到滤液和催化剂，催化剂回收使用；向滤液中加入水和酸中和滤液，再向滤液中加入萃取剂进行萃取，得到萃取有机相和萃余水相，萃余水相作废水处理，萃取有机相减压蒸馏得到粗品，向粗品中加入乙醇&水混合溶液重结晶，最终得到目标产物。
本申请中，通过过滤、中和、萃取、蒸馏和重结晶步骤，可以将催化剂等回收重新利用并提高目标产物的纯度。经过精制后的目标产物纯度可以达到98～99％，不需要进行进一步加工即可直接作为氯虫苯甲酰胺的中间体使用。
优选的，作为一种改进，中和后的滤液pH值为3～4，所述酸包括硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、甲酸、乙酸和草酸中的任意一种或组合。
本申请中，过滤后调整溶液pH值为酸性可以更好的萃取出目标产物，保证萃取得到的产物纯度保持较高水平。
具体实施方式：
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
实施例1
一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，本实施例的目标产物是3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸，其原料的结构式如下所示，即相当于化合物Ⅰ中R1和R2为H，R3为Cl，R4为Br。
具体反应步骤为：取10g3-溴-1-(3-氯吡啶-2-基)-4,5-二氢-1H-吡唑-5-甲酸作原料，100gN,N-二甲基乙酰胺作溶剂，1.25g的碳酸钾作助催化剂，3.5g的钯碳(5％wt.Pd)作催化剂，将上述物质加入带有搅拌装置的烧瓶中。需要注意的是，本方案中的溶剂在使用前均需要经过回流和蒸馏提纯，保证反应体系中不含有水分。随后先向烧瓶中通入氮气15min确保将烧瓶内的空气排出，再向其中通入氢气置换部分氮气，最后保证烧瓶中混合气体含有5％体积的H2和95％体积的N2。将烧瓶密封后加热至100℃，搅拌反应至反应完成。
反应完成后待反应液冷却至室温，将反应液过滤得到滤液和催化剂，将催化剂回收供下次使用。向滤液中先加入200g水，再加入硫酸中和滤液pH值至3。本发明中中和后的滤液pH值在3～4内均可以满足制备要求，除了硫酸本实施例中还可以加入盐酸、硝酸、磷酸或草酸等质子酸及其组合形成的混合酸中和滤液。混合均匀后再向滤液中加入乙酸乙酯300g萃取，共萃取三次。本实施例中萃取剂还可以选用氯仿或二氯甲烷等溶剂，萃取时保持萃取剂与滤液的体积比在1:1～3之间，以保证可以将滤液中的有机相萃取出来，提高产物的收率。将多次萃取得到的萃取有机相合并，减压蒸馏分离萃取剂和产物，萃取剂回收利用，向产物中再加入25％的乙醇/水溶液，搅拌溶解重结晶析出，得到最终产物3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于，原料和目标产物不同。具体的，本实施例的目标产物为3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1H-吡唑-5-甲酸乙酯，原料为3-溴-1-(3-氯吡啶-2-基)-4,5-二氢-1H-吡唑-5-甲酸乙酯，其原料的结构式如下所示，即相当于化合物Ⅰ中R1为乙基，R2为H，R3为Cl，R4为Br。
具体反应步骤为：取10g3-溴-1-(3-氯吡啶-2-基)-4,5-二氢-1H-吡唑-5-甲酸乙酯作原料，100gN,N-二甲基乙酰胺作溶剂，1.25g的碳酸钾作助催化剂，3.5g的钯碳(5％wt.Pd)作催化剂(其中钯的添加量为原料的1.75％)，将上述物质加入带有搅拌装置的烧瓶中。先向烧瓶中通入氮气15min确保将烧瓶内的空气排出，再向其中通入氢气置换部分氮气，最后保证烧瓶中混合气体含有5％体积的H2和95％体积的N2。将烧瓶密封后加热至100℃，搅拌反应至反应完成。
反应完成后待反应液冷却至室温，将反应液过滤得到滤液和催化剂，将催化剂回收供下次使用。向滤液中先加入200g水，再加入适量硫酸中和滤液pH值至3。混合均匀后再向滤液中加入乙酸乙酯300g萃取，共萃取三次，将萃取得到的萃取有机相合并，减压蒸馏分离萃取剂和产物，萃取剂回收利用，向产物中再加入25％的乙醇/水溶液，搅拌溶解重结晶析出，得到最终产物3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸乙酯。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于，混合气体的组分比例不同。具体的，本实施例中混合气体中包括10％体积的H2和90％体积的N2。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于，反应温度不同。具体的，本实施例中反应温度为160℃。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于，催化剂添加量不同。具体的，本实施例中钯的添加量为原料质量的3.25％。
实施例6
本实施例与实施例1的区别在于，反应气体氛围不同。具体的，本实施例中反应气体氛围为100％氮气。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于，混合气体的组分比例不同。具体的，本对比例中混合气体中包括20％体积的H2和80％体积的N2。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于，反应气体氛围不同。具体的，本对比例中反应气体氛围为100％氢气。
对比例3
本对比例与实施例6的区别在于，反应溶剂中未经过回流和蒸馏提纯。本对比例中溶剂N,N-二甲基乙酰胺约含有10％左右的水分。
对比例4
本对比例与实施例1的区别在于，反应气体氛围不同。具体的，本对比例中反应气体氛围为100％氧气。
对比例5
本对比例与实施例1的区别在于，反应温度不同。具体的，本对比例中反应温度为60℃。
对比例6
本对比例与实施例1的区别在于，催化剂添加量不同。具体的，本对比例中钯的添加量为原料质量的0.35％。
上述实施例和对比例的实验条件及实验结果记录于下表1中，其中金属钯添加量为其与原料添加量的比值：
表1：实施例&对比例实验条件及结果记录表
实验结果分析：
采用本发明技术方案的实施例，在反应约20个小时后，原料的转化率可以达到98％以上，并且反应的选择性可以达到70％以上，最高可达到85％。
从实施例6和实施例1的实验数据对比可知，向反应体系中添加适量氢气可以有效的加快反应速度并提高反应的选择性。
从对比例1与实施例的实验数据对比可以得知，当氢气的添加量稍稍过量时，反应速率仍有提升，但是反应的选择性下降，说明当氢气过量后会导致加氢副产物增加。
从对比例2与实施例的实验数据对比可以得知，当氢气的添加量严重过量后，不仅不会加快反应速度和提高反应的选择性，反而会影响反应的选择性和反应速度。当反应氛围全部为氢气时，反应的选择性会收到极大的影响，副反应产物增加。
从对比例3的实验数据与实施例的对比可知，当反应体系中含有水分时，反应的进程和选择性均收到极大的影响。
从对比例4的实验数据与实施例的对比可知，当反应体系中含有氧气时，会对反应的选择性有极大的影响。
从对比例5和对比例6的实验数据与实施例的对比可知，当反应温度降低或催化剂的使用量减少后，反应速率下降明显。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (10)
1.一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：以化合物Ⅰ为原料，向其中加入溶剂、助催化剂和钯碳，在混合气体的氛围下密封反应，反应完成后过滤回收催化剂钯碳，滤液经中和、萃取、蒸馏和重结晶后得到产品；
所述化合物Ⅰ的结构式如下所示：
2.根据权利要求1所述的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：所述化合物Ⅰ中R1为H或烷基，所述烷基中碳链长度为1～5；R2为H或任意一种卤族元素；R3和R4为任意一种卤族元素。
3.根据权利要求2所述的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：所述钯碳中金属钯与原料的质量比为1％～4％。
4.根据权利要求3所述的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：所述助催化剂为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸氢钙、碳酸钠、碳酸钾、碳酸铵、碳酸铯、氢氧化钠、氢氧化钾中的一种或几种，所述助催化剂的添加量为原料的质量的10％～15％。
5.根据权利要求4所述的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：所述溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、乙腈、丙酮、甲醇、乙醇中的一种或几种，所述溶剂的添加量为原料质量的4～10倍。
6.根据权利要求1所述的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：反应体系中含水量小于10％，氧气含量小于等于0.2％。
7.根据权利要求1所述的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：所述混合气体包括氢气和惰性气体，所述惰性气体包括氮气、氩气或二氧化碳中的一种或几种；所述氢气与惰性气体的体积比为0～10:90～100。
8.根据权利要求7所述的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：所述密封反应温度为100～160℃，反应时间为15～25h。
9.根据权利要求1所述的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：所述过滤、中和、萃取、蒸馏和重结晶的具体步骤为：反应完成后将反应溶液冷却至室温，将反应溶液过滤得到滤液和催化剂，催化剂回收使用；向滤液中加入水和酸中和滤液，再向滤液中加入萃取剂进行萃取，得到萃取有机相和萃余水相，萃余水相作废水处理，萃取有机相减压蒸馏得到粗品，向粗品中加入乙醇&水混合溶液重结晶，最终得到目标产物。
10.根据权利要求9所述的一种3-溴-1-(3-氯-2-吡啶基)-1-H-吡唑-5-甲酸类化合物的制备方法，其特征在于：中和后的滤液pH值为3～4，所述酸包括硫酸、盐酸、硝酸、磷酸、甲酸、乙酸和草酸中的任意一种或组合。
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