相轉移催化下2,6-二氯吡啶的羥基化反應

馬恩忠,田 甜

(1.天津師范大學化學與生命科學學院,天津 300387;2.南開大學濱海學院環境科學系,天津300270)

相轉移催化下2,6-二氯吡啶的羥基化反應

馬恩忠1,田 甜2

(1.天津師范大學化學與生命科學學院,天津 300387;2.南開大學濱海學院環境科學系,天津300270)

以2,6-二氯吡啶與氫氧化鉀為原料,選用不同的溶劑和催化劑,生成2-羥基-6-氯吡啶的反應,分析了溶劑和催化劑對該反應的影響,得出用正丁醚作為溶劑,四丁基溴化銨作為相轉移催化劑為最佳的結論,產品收率為86.4%,該化合物經元素分析和紅外光譜得到確證.

2,6-二氯吡啶;羥基化;相轉移催化;反應活性

2-羥基-6-氯吡啶是一種含多官能團的化合物,結構中存在著羥基、氯原子及吡啶型的氮原子,它可以和許多試劑發生反應而生成相應的化合物,是一種重要的有機合成中間體和精細化工原料[1],2-羥基-6-氯吡啶可以通過2,6-二氯吡啶與氫氧化鉀直接作用制得,雖然反應機制不同于脂肪族鹵代烴的典型親核取代反應,是經歷先進行親核加成,而后消除機理的反應,但也同樣存在影響反應的因素,如溶劑、反應溫度等.在較早的研制方法中,存在著反應時間過長、壓力較高、操作復雜等問題,本實驗以正丁醚為溶劑,選用相轉移催化法,常壓下制備2-羥基-6-氯吡啶.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

1.1.1 試劑

2,6-二氯吡啶,自制[2]＞99%;氫氧化鉀分析純;四甲基溴化銨,分析純;四丁基溴化銨,分析純;2-甲基-2-己醇,自制 ＞99%;正丁醚,自制 ＞99%.

1.1.2 儀器

三口圓底燒瓶、回流冷凝器、油水分離器等玻璃儀器;攪拌器、旋轉蒸發儀;X-4顯微熔點測定儀;Yacana CDRDER M T-3元素分析儀;1730型紅外付立葉光譜儀.

1.2 反應原理

2,6-二氯吡啶與氫氧化鉀進行親核性取代反應,先生成 6-氯-2-吡啶酚鉀和水,6-氯-2-吡啶酚鉀再與鹽酸進行反應,生成2-羥基-6-氯吡啶和氯化鉀。

1.3 合成步驟

1.3.1 反應

在裝有攪拌器、溫度計、回流冷凝器和油水分離器的的三口瓶中,加入30 mL溶劑,3.4 g(0.06 mol)研細氫氧化鉀,開動攪拌,使其混合均勻后,再加入3g(0.02mol)2,6-二氯吡啶繼續攪拌,加熱回流2h,反應溫度為回流時溫度,其間不斷分離出反應生成的水,以防止溫度降低.

1.3.2 提取

冷卻后,加入70mL水,蒸出溶劑和未反應的2,6-二氯吡啶,用體積分數為20%的 HCl酸化,將反應液pH值調至6,使生成的2-羥基-6-氯吡啶處于游離態.再用旋轉蒸發儀蒸去反應液中的水.以30mL無水乙醇為溶劑,用索氏提取器進行提取.

在用無水乙醇為溶劑提取2-羥-6-氯吡啶時,可用FeCl3溶液對索氏提取器中的液體進行鑒定,直至不再顯色即可停止提取[3].這樣用有限的溶劑,最大限度地將2-羥基-6-氯吡啶從反應混合物中提取出來,以提高產品的收率.

1.3.3重結晶晶體

用旋轉蒸發儀除去溶劑,再用氯仿對固體進行重結晶,得2-羥基-6-氯吡啶晶體.表1為不同溶劑的實驗結果.

表1 不同溶劑的收率Table1 Thedifferentresolverreceivesrate

1.3.4 加入不同的催化劑后所得產率

合成2-羥基-6-氯吡啶晶體時,加入0.2g的季銨鹽催化劑進行上述實驗,表2為實驗結果.

表2 不同催化劑的收率Table2 Thedifferentcatalystreceivesrate

2 結果和討論

2.1 目標產物的合成

2,6-二氯吡啶難溶于水,且易隨水蒸氣揮發.因此,在含水條件下很難進行羥基反應.用難溶于水的有機化合物作為溶劑時,在相轉移催化過程中,氫氧根陰離子通過與較大的親脂性的季銨離子組成離子對,并接著發生相轉移,即從固相轉入有機相,可以使反應速度加快.以叔丁醇為溶劑時,雖然2,6-二氯吡啶溶于此溶劑,氫氧化鉀在該溶劑也有一定的溶解度,反應物處于均相,有利于反應進行.但是,由于其沸點原因,回流時溫度較低,反應物缺乏足夠的能量致使反應難以進行.2-甲基-2-己醇雖然有較高的沸點(143℃),回流時反應可以保持較高溫度,然而,由于溶劑分子中的羥基易與氫氧根形成氫鍵,這在一定程度上影響了氫氧根的活性,使得氫氧化鉀的親核能力降低,導致反應轉化率不高.

在選用正丁醚為溶劑時,雖然氫氧化鉀難以溶入溶劑,但溴化季銨鹽在正丁醚中有較大的溶解度,氫氧化鉀可以與溴化季銨鹽形成固—液相轉移催化的循環機制[4],氫氧根與季銨離子形成離子對進入溶劑,而且活性得到提高,有利于對2,6-二氯吡啶進行親核取代反應.

除溶劑和溫度影響著反應外,氫氧根在溶劑中的反應活性也隨著它與之配對的季銨離子的大小而變化.從表2中的產品收率可知,在選用四甲基溴化銨為催化劑時,其催化作用不及四丁基溴化銨,真正原因是正丁醚與四丁基銨離子都帶有相同基團,正丁醚對四丁基溴化銨具有良好的相溶性.此外,一與四丁基銨離子形成離子對的氫氧根,所受到的靜電吸引力較小,在相轉移條件下,氫氧根表現出更強的反應活性[5—6].

2.2 目標產物的結構表征

選用正丁醚為溶劑、四丁基溴化銨為相轉移催化劑,氫氧化鉀與2,6-二氯吡啶反應制得的2-羥基-6-氯吡啶的分析,如表3～表5.

表3 產物的熔點Table3 Meltingpointofproduct

表4 元素分析Table4 Elementanalysis

表5 紅外光譜Table5 Infraredspectrum

在紅外譜圖中,未發現明顯的羰基伸縮振動吸收峰,表明在2-羥基-6-氯吡啶中幾乎不存內酰胺型的互變異構體.此外,在生成物中未發現有2,6-二羥基吡啶,從反應機理分析2,6-二氯吡啶與氫氧化鉀發生雙分子的親核取代反應[7],在堿性條件下,先生成的2-羥基-6-氯吡啶負離子不再與氫氧根反應,因此,吡啶環上的6位氯原子得以保留,沒有2,6-二羥基吡啶的生成,這對2-羥基-6-氯吡啶的純化非常便利.

3 結語

綜上所述,由于2,6-二氯吡啶的羥基化反應受到一些條件的影響,因此,在制備時需要認真考慮,避免采用不適宜的反應條件造成對反應不利的影響.選用正丁醚作為溶劑,四丁基溴化銨作為溶劑相轉移催化劑,可以有效地促進產物的合成.

[1] 周健,劉尚遠,趙增國.3,5,6-三氯-2-羥基吡啶合成新工藝[J].天津師范大學學報:自然科學版,2006,26(1):12.

[2] 趙增國,張和,王桂林.2,6-二氯吡啶的定向合成及結構的測定研究[J].化學通報,1998(9):35-36.

[3] 馬恩忠.2-羥基吡啶的合成及溶劑對該反應的影響[J].天津化工,1999,(1):7-9.

[4] 范如霖,徐傳寧.有機合成中的相轉移催化作用 [M].上海:科學技術出版社,1982:114-115.

[5] Ugelstad J,Ellingsen T,Berge A.The Effect of the Solvent on the Reactivity of Potassium and Quaternary Ammonium Phenoxides in Nucleophilic Substitution Reactions.Part III[J].Acta Chem Scand,1966,20,1593-1598.

[6] 范如霖,徐傳寧.有機合成中的相轉移催化作用 [M].上海:科學技術出版社,1982:117-118.

[7] Morrison R T,Boyd R N.O rganic Chemistry[M].3rded,Boston,A llyn&Bacon,1973:688-695.

Phase-transfer catalytic hydroxylation of 2,6-dichloropyridine

M A Enzhong1,T IAN Tian2

(1.College of Chemistry and Life Science,Tianjin No rmal University,Tianjin 300387,China;2.Department of Environmental Science,Nankai University Binhai College,Tianjin 300270,China)

The reactionsof 2,6-dichlo ropyridine and po tassium hydroxide,w hich resulted in the fo rmation of the co rresponding p roduct 2-hydroxy-6-chlo ropyridine w ith different solvents and catalysts were investigated.The effects of solventsand catalystson theoutcomeof the reaction were studied.Butyl ether is introduced asa solvent,tetrabutyl ammonium bromide an excellent catalytic system for the synthesisof 2-hydroxy-6-chloropyridine,and thismethod gave 2-hydroxy-6-chlo ropyridine in 86.4%yield.This compound was comfirmed by IR and elemental analysis.

2,6-dichloropyridine;hydroxylation;phase-transfer catalysis;reaction activity

Q968.1

A

1671-1114(2010)01-0055-02

2009-09-10

馬恩忠(1957—),男,副教授,主要從事有機合成方面的研究.

(責任編校 李宏偉)