2-氯吡啶-N-氧化物的制备

背景及概述

吡啶氮氧化物及其衍生物是以吡啶为原料进行有机合成的重要中间体，它们与未氧化的母体化合物性质差别很大，在亲电取代、亲核取代反应中明显不同。主要由于氧原子对反应具有重要的影响，而且反应后可通过还原的方法将其去除，所以常被作为取代、重排等反应的定位基团。同时，很多医药、染料、杀菌防腐剂、催化剂等本身就是吡啶氮氧化物的衍生物，所以对该类化合物的研究具有重要意义及实用价值。

2-氯吡啶-N-氧化物是吡啶系氮氧化物中的一种重要的化合物，是重要的农药、医药及日用化工产品的中间体，也是合成皮肤清洁剂、洗发香波和吡硫霉净等类防腐防霉杀菌剂的重要中间体，是合成苯脲类植物生长调节剂重要中间合成体-2-氯-4-硝基吡啶的必需原料，尤其在去头屑止痒剂奥马丁锌(ZPT)和水溶防霉防腐型去头屑止痒剂PC防腐剂生产中应用广泛。

制备

2-氯吡啶-N-氧化物的合成方法很多，如过氧化氢氧化法、过氧醋酸氧化法、高硼酸钠氧化法等。本实验以钨酸和硫酸为催化剂，双氧水为氧化剂，从催化剂和氧化剂的用量、反应温度、反应时间等方面进行对比实验，从中摸索规律得出反应条件，以为2-氯吡啶氮氧化物的合成提供基础数据。

1材料与方法

1.1实验仪器与试剂

电动搅拌器(山东鄄城县向阳仪器厂，型号D8401)、调压变压器(中国天津东风电器厂，型号TDGC2-2)、水环真空泵(郑州长城仪器厂，型号SHB-3)、熔点测定仪(北京第三光学仪器厂，型号X-4)、球形冷凝器、温度计、四口烧瓶、水浴锅、恒压滴液漏斗。

2-氯吡啶(98%以上)，双氧水(30%双氧水)，钨酸，浓硫酸，蒸馏水，4%稀HCl，CaO。

1.2合成反应式，如下图：

图1 2-氯吡啶-N-氧化物合成反应式

1.3实验步骤

在装有电动搅拌器、温度计、球形冷凝器和恒压滴液漏斗的250mL四口烧瓶中加入25mL2-氯吡啶、28mL蒸馏水、1.1mL98%的浓硫酸和2.2g钨酸，开动搅拌器，再量取30mL双氧水放入恒压滴液漏斗中。调节水浴温度，当反应液温度达到70℃时，开始滴加双氧水，控制温度在70～80℃，约12h滴加完毕，然后在75～80℃继续搅拌并保温24h，每隔3h取一次样，共取8个样品。反应结束溶液变为浅黄色透明溶液，降至室温，用气相色谱分析样品，并计算反应的转化率。向小烧杯中加入2.5gCaO，然后加蒸馏水，配成Ca(OH)2乳浊液，用此乳浊液调反应液pH值至6～7，室温下搅拌1h，有沉淀生成，此沉淀为CaWO4，过滤并洗涤沉淀，晾干备用。向滤液中加入与2-氯吡啶等物质的量的稀盐酸，使产物成盐，用水泵减压蒸馏将水蒸干，得到氮氧化2-氯吡啶的盐酸盐，为浅黄色固体，其熔点为141～143℃，与理论值一致，以此计算产率。

2结果与讨论

2.1不同催化剂用量对反应产率的影响

在2-氯吡啶-N-氧化反应中，催化剂的使用至关重要，反应的产率与催化剂的用量密切相关，由气相色谱测定未反应的2-氯吡啶的剩余量计算反应的转化率。其他条件:25mL2-氯吡啶，2.2g钨酸，30mL双氧水，28mL蒸馏水，反应温度为70～80℃，反应时间为12h。催化剂硫酸的用量以浓硫酸与2-氯吡啶的体积分数0.2∶1.0～0.3∶1.0为宜，超过0.3∶1.0时，副反应迅速增加，反应的产率明显下降。本实验使用了另一种催化剂钨酸，并探讨了钨酸用量对产率的影响，n1为N-氧化-2-氯吡啶，n2为2-氯吡啶，下同。其他条件:25mL 2-氯吡啶，30mL双氧水，28mL蒸馏水，1.1mL98%的浓硫酸，反应温度为70～80℃，反应时间为12h。在此反应条件下钨酸的加入量在2.2～3.0g时反应的产率最高，即2-氯吡啶与钨酸的物质的量比在18.5∶1～20.8∶1为反应。若实验不使用钨酸或其加入量太少，会使反应的转化率明显降低。相反，使用过量的钨酸也会对反应产生干扰，使反应的选择性降低，而且钨酸价格昂贵，大量使用成本太高，反应后将钨酸予以回收，这样既可以降低成本，又能减少重金属对环境的污染。

2.2双氧水的用量对反应的影响

双氧水是反应的氧化剂，它的加入量也是影响反应的一个关键因素。从理论上讲如果反应能够完全发生，则所需原料中双氧水与2-氯吡啶为等物质的量比即可，但实际操作中要使2-氯吡啶较大程度地转化为N-氧化-2-氯吡啶，则通常需加入过量的氧化剂。本实验在一定条件下改变双氧水的用量进行不同的试验，其他条件:25mL2-氯吡啶，2.2g钨酸，28mL蒸馏水，1.1mL98%的浓硫酸，反应温度为70～80℃，反应时间为12h。在反应中双氧水与2-氯吡啶物质的量比为1.3∶1～1.5∶1时，反应可达到较高的产率，双氧水的用量过大，对反应产率的提高并没有明显的贡献。

2.3温度对反应的影响

2-氯吡啶的氮氧化反应比较特殊，此反应对温度特别敏感，当反应温度过高时会使反应液的颜色加深，从而使终产物颜色较深;而温度太低，又会使反应速度减慢甚至不发生反应。本实验确认将温度定为70～80℃。

2.4保温时间对反应产率的影响

在2-氯吡啶-N-氧化反应中，反应的产率与温度及保温时间的长短显著相关，实验结果见表4。在一定范围内，保温时间的长短与反应产率成正比;但当保温时间超过30h时，反应产率基本保持不变。在不同的保温时间取样，然后由气相色谱测定得。其他条件:25mL2-氯吡啶，30mL双氧水，2.2g钨酸，28mL蒸馏水，1.1mL98%的浓硫酸，反应温度为70～80℃，反应时间为12h。