2-氯-5-三氯甲基吡啶的合成研究

吳浩杰 馮亞華,2* 蔡青青 周昌兵 馬琴燕 祖江秀 葛天涯 王玉林* 呂 亮,2

（1.衢州學院化學與材料工程學院，324000；2.衢州恒順化工有限公司，324002：浙江 衢州）

2-氯-5-三氯甲基吡啶（TCMP）為吡啶系衍生物的氯化產物，不僅用于殺蟲劑、除草劑等農藥的合成，而且也是重要的醫藥和染料中間體，還可以作為氮肥增效劑使用[1-2]。對其合成研究從上世紀70年代就已開始，其中以3-甲基吡啶為原料進行合成最為直接，得到了大力的研發。

Nishiyama Ryuzo等以惰性氣體（氮氣或四氯化碳）為稀釋劑，3-甲基吡啶和氯氣（摩爾比為1:4～1:8）在350～500℃下，氣相反應0.5～60 s合成TCMP，收率可達30%～60%[3]。David Cartwright往四氯化碳溶解的3-甲基吡啶溶液中通入氯氣，以185 nm紫外光照射，在80℃下反應3 h，TCMP收率可達10%以上[4]。關槐等用溶劑溶解3-甲基吡啶，后通入氯氣，于140℃，紫外燈照射，反應8 h，轉化率達77.2%[5]。K D Campbell等以脫鋁絲光沸石（或負載鈀）為催化劑，氯氣選擇性氣相氯化3-甲基吡啶合成TCMP。研究發現，在250～350℃下，稀釋劑（惰性氣體如N2、CO2等）對3-甲基吡啶的摩爾比為10:1～300:1，氯氣對3-甲基吡啶摩爾比為20:1，反應0.5～15 s，收率達65.6%以上[6]。蘇莉以3-甲基吡啶為原料，通過光氯化反應合成TCMP，結果發現，溫度為180℃，時間為10 h，原料與溶劑體積比為1:3，產率可達到53.1%[7]。王爽米等研究了以3-甲基吡啶為起始原料，經N-氧化、苯甲酰氯氯化、氯氣氯化3步反應合成TCMP的新工藝，得出以偶氮二異丁腈為引發劑，在140℃下反應22 h，收率為40.4%[8]。

吡啶環電子結構的特殊性，其定位氯化具有一定技術難度，TCMP的技術開發對含氯吡啶類衍生物的發展具有重要意義。本研究以3-甲基吡啶和氯氣為原料無溶劑催化合成TCMP。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

Agilent6890N型氣相色譜儀，Agilent 6890-5795型氣質聯用儀，R-201型旋轉蒸發儀。

3-甲基吡啶，w(C6H7N)=99%；鉑絡合物為自制，其余試劑皆為分析純。

1.2 合成方法

將30 g 3-甲基吡啶，以鉑絡合物作為催化劑。恒溫油浴加熱至140℃，磁力攪拌，當溫度穩定后通入氯氣，調節流量，反應8 h。冷卻后用CCl4萃取，可得棕黑色粘稠狀液體。

反應方程式如下：

1.3 色譜-質譜條件

色譜：Rtx-5MS毛細管柱（30m×0.25 mm×0.25 μm）；流動相為高純He氣（質量分數99.999%），體積流量1mL/min；分流體積比50:1；程序升溫條件：50℃（停留5 min），再以5℃/min升至150℃；汽化室溫度180℃；進樣量0.2μL。

質譜：離子阱溫度為210℃；電子轟擊源（70 eV）；掃描質量范圍35～400 amu，閥值1 000，平均掃描1.17次/s。

2 結果與討論

2.1 工藝條件的優化

分別研究了原料比、反應溫度、反應時間及催化劑用量等因素對反應收率的影響，并對不同實驗條件下收集的樣品進行分析（主要采用GC法），并根據檢測結果來優化實驗條件。采用L9(34)正交實驗設計，選擇原料比、催化劑用量、反應溫度和反應時間4個因素，每個因素確定3個水平對產物的合成進行實驗（見表1和表2）。

表1 正交實驗因素及水平Tab 1 Orthogonal experiment factors and levels

表2 正交實驗及結果Tab 2 Orthogonal experiment and results

由表2可見，氯氣與3-甲基吡啶的摩爾比為影響TCMP合成的最主要因素。在攪拌充分的前提下，適當增大原料比，可以使氯氣與3-甲基吡啶充分接觸，因而對反應有利。反應溫度與反應時間是影響反應的主要因素。反應溫度低，則氯化反應速率低，不利于深度氯化；而反應溫度過高，雖能加快反應速率，但副產物會增多，故反應溫度以140℃為宜。反應時間短，3-甲基吡啶不能深度氯化，反應時間過長，則會使副產物增多。在8 h后，TCMP的含量增加不明顯，因此反應時間選擇8 h較為適合。催化劑用量為影響反應的次要因素，其用量增加到1.5 g后對反應影響趨于穩定，故可確定其用量為1.5 g（為3-甲基吡啶質量的5%）。

結果表明，優化反應條件為A3B2C2D2，即原料氯氣與3-甲基吡啶的摩爾比為8:1，催化劑用量為3-甲基吡啶質量的5%，反應溫度140℃、時間8 h。在此條件下，反應產率為79.0%。

2.2 產物的鑒定

對不同合成條件下的產物進行分析，按上述條件進行測定，利用保留時間和質譜法共同定性，以外標法定量。產物的氣相色譜如圖1所示。其中保留時間為3.49 min的色譜峰為TCMP的目標峰（與TCMP標準物對照）。

圖1 產物的氣相色譜Fig 1 Gas chromatogram of product

氣質聯用分析可得產物中TCMP的質譜如圖2。

圖2 TCMP的質譜Fig 2 Mass spectrum of TCMP

圖2中的碎片離子分別為：230.81(M+)、194.02(M+-Cl)、167.01(M+-Cl(HCN))、133.13(M+-Cl2(HCN))、97.08(M+-Cl3(HCN))、62.04(M+-Cl4(HCN))，與TCMP結構相符。

3 結語

綜上所述，以3-甲基吡啶和氯氣為原料，鉑絡合物作為催化劑，在優化反應條件，即原料配比n(Cl2):n(C6H7N)=8:1，催化劑用量為3-甲基吡啶質量的5%，反應溫度140℃、時間8 h。在此條件下，產率可達79.0%。研究結果具有一定的工業化應用前景。

[1]蘇莉.2-氯-5-三氯甲基吡啶分離提純的研究[J].現代農藥,2005,4(4):10-11.

[2]蘇莉,彭汝芳,鄧躍全,等.氣相色譜-質譜聯用分析2-氯-5-三氯甲基吡啶[J].分析試驗室,2007,26(12):14-17.

[3]Nishiyama Ryuzo,Fujikawa Kanichi,Yokomichi Isao,et al.Process for producing 2-chloro-5-trichloromethylpyridine：EP,0009212[P].1979-09-13.

[4]David Cartwright.Process for preparing 2-chloro-5-trichloromethylpyridine:US,4324627[P].1982-04-13.

[5]關槐,楚士晉.新方法合成2-氯-5-三氯甲基吡啶[J].化工技術與開發,2004,33(5):10-11.

[6]K D Campbell,D A Livingston,H S Wan,et al.Vapor phase catalytic chlorination ofβ-picoline:EP,1740543A1[P].2007-01-10.

[7]蘇莉.2-氯-5-三氯甲基吡啶的定向合成與結構測定[J].農藥,2007,46(5):310-311.

[8]王爽米,張劍鋒.2-氯-5-三氟甲基吡啶的合成[C].廈門:中國化學會第27屆學術年會,2010.