2402-95-1 / 2-氯吡啶-N-氧化物的制備

背景及概述

吡啶氮氧化物及其衍生物是以吡啶為原料進行有機合成的重要中間體，它們與未氧化的母體化合物性質差別很大，在親電取代、親核取代反應中明顯不同。主要由于氧原子對反應具有重要的影響，而且反應后可通過還原的方法將其去除，所以常被作為取代、重排等反應的定位基團。同時，很多醫藥、染料、殺菌防腐劑、催化劑等本身就是吡啶氮氧化物的衍生物，所以對該類化合物的研究具有重要意義及實用價值。

2-氯吡啶-N-氧化物是吡啶系氮氧化物中的一種重要的化合物，是重要的農藥、醫藥及日用化工產品的中間體，也是合成皮膚清潔劑、洗發香波和吡硫霉凈等類防腐防霉殺菌劑的重要中間體，是合成苯脲類植物生長調節劑重要中間合成體-2-氯-4-硝基吡啶的必需原料，尤其在去頭屑止癢劑奧馬丁鋅(ZPT)和水溶防霉防腐型去頭屑止癢劑PC防腐劑生產中應用廣泛。

制備

2-氯吡啶-N-氧化物的合成方法很多，如過氧化氫氧化法、過氧醋酸氧化法、高硼酸鈉氧化法等。本實驗以鎢酸和硫酸為催化劑，雙氧水為氧化劑，從催化劑和氧化劑的用量、反應溫度、反應時間等方面進行對比實驗，從中摸索規律得出最佳反應條件，以為2-氯吡啶氮氧化物的合成提供基礎數據。

1材料與方法

1.1實驗儀器與試劑

電動攪拌器(山東鄄城縣向陽儀器廠，型號D8401)、調壓變壓器(中國天津東風電器廠，型號TDGC2-2)、水環真空泵(鄭州長城儀器廠，型號SHB-3)、熔點測定儀(北京第三光學儀器廠，型號X-4)、球形冷凝器、溫度計、四口燒瓶、水浴鍋、恒壓滴液漏斗。

2-氯吡啶(98%以上)，雙氧水(30%雙氧水)，鎢酸，濃硫酸，蒸餾水，4%稀HCl，CaO。

1.2合成反應式，如下圖：

圖1 2-氯吡啶-N-氧化物合成反應式

1.3實驗步驟

在裝有電動攪拌器、溫度計、球形冷凝器和恒壓滴液漏斗的250mL四口燒瓶中加入25mL2-氯吡啶、28mL蒸餾水、1.1mL98%的濃硫酸和2.2g鎢酸，開動攪拌器，再量取30mL雙氧水放入恒壓滴液漏斗中。調節水浴溫度，當反應液溫度達到70℃時，開始滴加雙氧水，控制溫度在70～80℃，約12h滴加完畢，然后在75～80℃繼續攪拌并保溫24h，每隔3h取一次樣，共取8個樣品。反應結束溶液變為淺黃色透明溶液，降至室溫，用氣相色譜分析樣品，并計算反應的轉化率。向小燒杯中加入2.5gCaO，然后加蒸餾水，配成Ca(OH)2乳濁液，用此乳濁液調反應液pH值至6～7，室溫下攪拌1h，有沉淀生成，此沉淀為CaWO4，過濾并洗滌沉淀，晾干備用。向濾液中加入與2-氯吡啶等物質的量的稀鹽酸，使產物成鹽，用水泵減壓蒸餾將水蒸干，得到氮氧化2-氯吡啶的鹽酸鹽，為淺黃色固體，其熔點為141～143℃，與理論值一致，以此計算產率。

2結果與討論

2.1不同催化劑用量對反應產率的影響

在2-氯吡啶-N-氧化反應中，催化劑的使用至關重要，反應的產率與催化劑的用量密切相關，由氣相色譜測定未反應的2-氯吡啶的剩余量計算反應的轉化率。其他條件:25mL2-氯吡啶，2.2g鎢酸，30mL雙氧水，28mL蒸餾水，反應溫度為70～80℃，反應時間為12h。催化劑硫酸的用量以濃硫酸與2-氯吡啶的體積分數0.2∶1.0～0.3∶1.0為宜，超過0.3∶1.0時，副反應迅速增加，反應的產率明顯下降。本實驗使用了另一種催化劑鎢酸，并探討了鎢酸用量對產率的影響，n1為N-氧化-2-氯吡啶，n2為2-氯吡啶，下同。其他條件:25mL 2-氯吡啶，30mL雙氧水，28mL蒸餾水，1.1mL98%的濃硫酸，反應溫度為70～80℃，反應時間為12h。在此反應條件下鎢酸的加入量在2.2～3.0g時反應的產率最高，即2-氯吡啶與鎢酸的物質的量比在18.5∶1～20.8∶1為反應最佳。若實驗不使用鎢酸或其加入量太少，會使反應的轉化率明顯降低。相反，使用過量的鎢酸也會對反應產生干擾，使反應的選擇性降低，而且鎢酸價格昂貴，大量使用成本太高，最好反應后將鎢酸予以回收，這樣既可以降低成本，又能減少重金屬對環境的污染。

2.2雙氧水的用量對反應的影響

雙氧水是反應的氧化劑，它的加入量也是影響反應的一個關鍵因素。從理論上講如果反應能夠完全發生，則所需原料中雙氧水與2-氯吡啶為等物質的量比即可，但實際操作中要使2-氯吡啶較大程度地轉化為N-氧化-2-氯吡啶，則通常需加入過量的氧化劑。本實驗在一定條件下改變雙氧水的用量進行不同的試驗，其他條件:25mL2-氯吡啶，2.2g鎢酸，28mL蒸餾水，1.1mL98%的濃硫酸，反應溫度為70～80℃，反應時間為12h。在反應中雙氧水與2-氯吡啶物質的量比為1.3∶1～1.5∶1時，反應可達到較高的產率，雙氧水的用量過大，對反應產率的提高并沒有明顯的貢獻。

2.3溫度對反應的影響

2-氯吡啶的氮氧化反應比較特殊，此反應對溫度特別敏感，當反應溫度過高時會使反應液的顏色加深，從而使終產物顏色較深;而溫度太低，又會使反應速度減慢甚至不發生反應。本實驗確認將最佳溫度定為70～80℃。

2.4保溫時間對反應產率的影響

在2-氯吡啶-N-氧化反應中，反應的產率與溫度及保溫時間的長短顯著相關，實驗結果見表4。在一定范圍內，保溫時間的長短與反應產率成正比;但當保溫時間超過30h時，反應產率基本保持不變。在不同的保溫時間取樣，然后由氣相色譜測定得。其他條件:25mL2-氯吡啶，30mL雙氧水，2.2g鎢酸，28mL蒸餾水，1.1mL98%的濃硫酸，反應溫度為70～80℃，反應時間為12h。

參考文獻

[1]王長守，黃建良，張志杰.催化氧化法制備2-氯吡啶-N-氧化物[J].陜西化工，1999，28:26-30