2-氨基-6-羥基-3,5-二硝基吡啶的合成探索

葉福達(dá)，金寧人，劉浩杰，張清義

（浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江 杭州 310032）

隨著人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，尖端科技工業(yè)部門對(duì)纖維提出了更高的要求，高強(qiáng)度、高模量和耐高溫的纖維已成為迫切需要發(fā)展的新材料。聚對(duì)苯撐苯并雙唑（PBO）纖維的高強(qiáng)度、高模量、阻燃性等優(yōu)良性能使其成為目前有機(jī)高性能纖維中的佼佼者。但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)PBO纖維的壓縮和扭曲性能較差，壓縮強(qiáng)度僅為0.20～0.40GPa，甚至還不及芳綸的壓縮強(qiáng)度[1]，這主要是由于分子之間缺少鍵合力，大分子之間容易產(chǎn)生滑移所致。受壓時(shí)，纖維表面可見明顯的折疊帶，嚴(yán)重阻礙了其應(yīng)用，因此迫切需要對(duì)PBO進(jìn)行改性。荷蘭的Akzo Nobel公司在PBO分子鏈設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上加強(qiáng)了鏈間的氫鍵作用，開發(fā)了一種新型的液晶芳香族雜環(huán)鋼棒聚合物，即聚[2,5-二羥基-1,4-苯亞乙基吡啶并二咪唑]（PIPD），簡稱M5[2]，見圖1，其含有雙向氫鍵網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而使聚合物的壓縮性能和復(fù)合黏結(jié)性能均得到極大提高[3-5]。但由于圖2中關(guān)鍵單體2,3,5,6-四氨基吡啶（TAP·3HCl）采用高價(jià)的2,6-二氨基吡啶為原料使價(jià)格極高、制備難度大，產(chǎn)業(yè)化及推廣應(yīng)用價(jià)值低[6]。

圖1 PBO與PIPD分子結(jié)構(gòu)圖

鑒于PBO結(jié)構(gòu)中亞苯基環(huán)上引入羥基只能改進(jìn)其復(fù)合性能而對(duì)抗壓性能無貢獻(xiàn)的理論[7]、以及PBO的拉伸與耐熱性能優(yōu)于PIPD之事實(shí)[8-9]。在PIPD分子鏈設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)層面上，參照浙工大團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)和開發(fā)的聚對(duì)亞苯基苯并咪二唑（PBIO）[10]的創(chuàng)新思路，將PIPD重復(fù)單元中兩個(gè)咪唑環(huán)的一個(gè)變換為唑環(huán)，即一個(gè)氮?dú)湓印狽H—變換為氧原子—O—，從而使在保證一個(gè)咪唑環(huán)上的氫原子可與上（或下）鏈中亞苯基環(huán)上的羥基氧、在分子鏈間形成—N—H···O—H氫鍵以改善纖維軸向抗壓性能。從而實(shí)現(xiàn)在復(fù)合抗壓性能提高的同時(shí)使其拉伸及耐熱性能接近PBO而更優(yōu)于M5性能，如圖3所示的R基改性PPIO（R-PPIO）研發(fā)。

從聚合技術(shù)層面上看，采用AA型和BB型單體來聚合高分子，由于兩種分子的比例不好控制，聚合度上不去。若分子量達(dá)不到一定要求，將嚴(yán)重影響其耐熱性、拉伸強(qiáng)度和模量。所以，本文設(shè)計(jì)出如圖3所示的既可用于合成AB型單體也可用于AA/BB型的復(fù)合鹽單體制備所需的關(guān)鍵中間體AHDNP作原料來解決聚合層面上的難題。

本工作重點(diǎn)涉及應(yīng)用于改性PPIO創(chuàng)新物質(zhì)制備中所用的關(guān)鍵中間體AHDNP，研究其合成技術(shù)，關(guān)于此物質(zhì)的合成國內(nèi)外文獻(xiàn)僅有一篇報(bào)道[11]，但此種工藝由于收率低，原料價(jià)格昂貴，不利于工業(yè)化生產(chǎn)。本工作首先在實(shí)用的基礎(chǔ)上，研究以廉價(jià)的2,6-二氯吡啶為原料經(jīng)硝化、氨解、硝化和水解4步反應(yīng)合成AHDNP的新路線和新技術(shù)，見圖4。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

圖2 M5的合成途徑

圖3 R-PPIO的合成

圖4 AHDNP的合成

材料：2,6-二氯吡啶（C5H3Cl2N），純度＞98.5%，工業(yè)品; 濃硫酸（H2SO4），質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞95.0%，西隴化工股份有限公司；發(fā)煙硝酸（HNO3），質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞95.0%，國藥集團(tuán)試劑有限公司;異丙醇，分析純，杭州雙林化工試劑廠；乙醇（CH3CH2OH），分析純，衢州巨化有限公司；氨水，含量25%～28%，杭州龍山精細(xì)化工有限公司；硝酸鉀（KNO3），含量＞99.0%，上海化專實(shí)驗(yàn)二廠；碳酸鉀（K2CO3），含量＞99.0%，江蘇彤晟化學(xué)試機(jī)有限公司。

儀器設(shè)備：FT/IR Nicolet-6700型紅外光譜儀，美國Thermo公司；P-230型液相色譜儀；AVANCE-Ⅲ 500MHz型核磁共振儀，瑞士Bruker公司；DECAX-60000LCQ Deca XP 液相色譜-離子阱質(zhì)譜儀，美國Thermo公司。

1.2 合成方法

1.2.1 純度分析條件

分析儀器為P-230型液相色譜儀，ODS C8色譜柱，柱溫 30℃，流動(dòng)相為50%甲醇水溶液，紫外檢測器檢測波長為254nm，流動(dòng)相流速為1.0 mL/min。

1.2.2 2,6-二氯-3-硝基吡啶的合成

在帶有回流裝置的四口燒瓶中，加入35mL濃硫酸，用冰水浴控制溫度低于10℃條件下，緩慢分批加入12.5g（0.085mol）2,6-二氯吡啶，加畢繼續(xù)攪拌溶解，待原料完全溶解，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加15mL混酸（發(fā)煙硝酸與濃硫酸的體積比為1∶1）1.5h。滴加完畢后撤去冰水浴，用加熱套緩慢升溫至100℃，保溫反應(yīng)5h。反應(yīng)完畢，待反應(yīng)液自然冷卻至室溫后，將其在玻璃棒攪拌條件下倒入碎冰中，有大量紅棕色氣體溢出，同時(shí)有大量黃綠色固體析出，抽濾，水洗3遍，干燥得12.88g黃綠色固體，純度96.89%，收率為76.44%。

1.2.3 2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的合成

在帶有回流裝置的四口燒瓶中加入8g 2,6-二氯- 3-硝基吡啶和100mL無水乙醇，攪拌，待固體完全溶解完畢，開始緩慢滴加88mL 25%氨水2h。滴加完畢后，加熱升溫至45℃，保溫反應(yīng)3.5h，反應(yīng)過程中不斷有黃色晶體生成。反應(yīng)完畢后，在冰水浴中繼續(xù)冷卻結(jié)晶，抽慮，水洗3遍，干燥得黃色粒狀晶體4.36g，純度為99.48%，收率為60.55%。

1.2.4 ACDNP的合成

在燒瓶中加入17.17 mL濃硫酸，用冰水浴控制溫度低于10℃的條件下，緩慢加入3.0g 2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶和迅速加入2.15gKNO3，加畢，繼續(xù)攪拌，待完全溶解后，撤去冰水浴，用加熱套升溫至40℃，并保溫反應(yīng)6h。反應(yīng)完畢后，將反應(yīng)液自然冷卻至室溫，緩慢加入到碎冰中，抽濾，水洗3遍，干燥，得到黃色粉末固體3.35g，純度為95.59%，收率為88.6%。

1.2.5 AHDNP的合成

在燒瓶中加入1.2g ACDNP，再加入含有2.0g K2CO3的50mL堿性水溶液，加畢，在攪拌條件下升溫至70℃，保溫反應(yīng)2h。反應(yīng)完畢，析出棕黃色針狀晶體，抽濾，水洗3遍，干燥得到純度為95.50%的黃色針狀晶體1.01g，產(chǎn)率為90.83%，用40g/L的K2CO3水溶液重結(jié)晶后，純度為98.13%，精制收率90.36%，總產(chǎn)率為82.07%。IR（KBr，cm-1）：3576.7，3374.5，3081.7，1686.8，1656.4，1603.9，1312.6，1245.8；質(zhì)譜（MS，m/z）：200.2，170.1，142.2，171.1；13C NMR（400 MHz，DMSO，TMS，δ）：115.18，128.67，133.67，155.68，162.28。譜圖分別見圖5和圖6。

2 結(jié)果與討論

2.1 AHDNP的定性與表征

2.1.1 紅外圖譜解析

圖5 AHDNP的FT-IR

紅外圖譜主要吸收峰歸屬分析：3576.7cm-1（O—H伸縮振動(dòng)），3374.5cm-1（N—H伸縮振動(dòng)），3081.7cm-1（吡啶環(huán)上=C—H伸縮振動(dòng)），1686.8cm-1和1656.4cm-1（吡啶環(huán)上C=C和C=N的伸縮振動(dòng)），1603.9cm-1（吡啶環(huán)上—NO2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)），1312.6cm-1（吡啶環(huán)上—NO2對(duì)稱伸縮振動(dòng)），1245.8cm-1（吡啶環(huán)上=C—O伸縮振動(dòng)）。結(jié)果表明與產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式完全一致。

2.1.2 質(zhì)譜MS剖析

圖3的質(zhì)譜峰數(shù)據(jù)與分析的物質(zhì)斷裂碎片m/z數(shù)據(jù)一致，符合推斷的斷裂方式。

2.1.3 核磁13C NMR剖析和定性

通過對(duì)圖7的13C NMR核磁共振圖譜分析及歸屬剖析可得，合成的物質(zhì)和目標(biāo)化合物結(jié)構(gòu)一致，分析見表1。

圖7 AHDNP的碳譜圖

經(jīng)以上FT-IR、MS和13C NMR的綜合定性為AHDNP。

2.2 AHDNP合成技術(shù)

2.2.1 2,6-二氯-3-硝基吡啶合成實(shí)驗(yàn)正交實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)

在2,6-二氯吡啶使用混酸進(jìn)行單硝化初步試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇反應(yīng)溫度（100℃，110℃，120℃）、反應(yīng)時(shí)間（5h，6h，7 h）、混酸的體積比（0.8∶1，1∶1，1.2∶1）、混酸滴加時(shí)間（0.5h，1.0h，1.5h），設(shè)計(jì)四因子三水平的正交試驗(yàn)L9(34)，獲得產(chǎn)物折百后的收率36.94%～72.09%、純度57.91%～95.02%，經(jīng)結(jié)果的極差計(jì)算因子水平的變化趨勢見圖8。

從而獲得單硝化過程因素的影響次序?yàn)椋夯焖岬捏w積比C＞反應(yīng)溫度A＞滴加時(shí)間D＞反應(yīng)時(shí)間B。對(duì)應(yīng)平均收率的極差分別為14.54%、12.9%、11.53%和9.07%，最大值與最小值之比只有1.6。可見，4個(gè)因素的不同水平對(duì)結(jié)果均有顯著影響。

圖8 因素水平對(duì)收率指標(biāo)平均值影響的趨勢圖

混酸的體積比C是硝化過程中的關(guān)鍵影響因子，隨著混酸的體積比增加，目標(biāo)產(chǎn)物的收率是先增加后降低。在發(fā)煙硝酸與濃硫酸的體積比為1∶1時(shí)，硝化效果最好，目標(biāo)產(chǎn)物的收率能達(dá)到72.09%，即硝化過程在混酸的體積比適中時(shí)條件下進(jìn)行最好。此外，反應(yīng)溫度也對(duì)硝化過程也很重要，溫度為100℃最佳，即較低的溫度有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。滴加時(shí)間為1.5h，反應(yīng)時(shí)間為5h為佳，若反應(yīng)時(shí)間過長副產(chǎn)物會(huì)更多。工藝優(yōu)化組合為A1B1C2D3

按獲得的較佳反應(yīng)條件A1B1C2D3（即混酸體積比為1∶1、反應(yīng)溫度100℃、滴加時(shí)間1.5h、反應(yīng)時(shí)間5h）進(jìn)行合成2,6-二氯-3-硝基吡啶的驗(yàn)證及優(yōu)化試驗(yàn)，取得收率為78.53%。

2.2.2 2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的合成與再硝化技術(shù)

（1）2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的合成

采用無水乙醇作為溶劑，25%氨水作氨解試劑，對(duì)2,6-二氯-3-硝基吡啶的選擇氨解反應(yīng)作工藝優(yōu)化，選擇溶劑使用量（80mL、100 mL、120mL）、反應(yīng)溫度（30℃、45℃、60℃）、反應(yīng)時(shí)間（2.5h、3.5h、4.5h）、氨水的用量（34mL、44mL、54mL），設(shè)計(jì)4因子3水平的正交試驗(yàn)L9(34)，目標(biāo)產(chǎn)物的收率40.34～57.01%、純度94.25～99.38%，獲得氨解過程因素的影響次序?yàn)椋悍磻?yīng)溫度A＞氨水用量C＞反應(yīng)時(shí)間B＞無水乙醇用量D。平均收率的極差最大為9.53%，最小為2.22%（屬實(shí)驗(yàn)誤差范圍）。

可見，反應(yīng)溫度是氨解硝化過程中的關(guān)鍵影響因子，隨著反應(yīng)溫度升高，目標(biāo)產(chǎn)物的收率是先增加再降低。在而反應(yīng)溫度在45℃時(shí)，氨解效果最好，目標(biāo)產(chǎn)物的收率能達(dá)到57.09%，溫度過低，則反應(yīng)不完全；若溫度過高，則易導(dǎo)致氨氣跑出，即氨解反應(yīng)在溫度適中時(shí)條件下進(jìn)行最好。工藝優(yōu)化組合為A2B2C2D2：即溶劑100mL、溫度45℃、時(shí)間3.5h、氨水44mL的條件為較優(yōu)。

考慮到乙醇用量D影響最小，屬實(shí)驗(yàn)誤差范圍，從溶劑用量的經(jīng)濟(jì)性考慮，選擇50 mL的工藝，并對(duì)投料放大一倍、選擇：原料8.0g、反應(yīng)溫度為45℃、100 mL無水乙醇、反應(yīng)時(shí)間3.5h、氨水用量88 mL較佳條件進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，合成得到的2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶，純度99.48%、收率為60.55%。

（2）ACNDP硝化合成2-氨基-6-氯-3,5-二硝基吡啶技術(shù)

由于得到的產(chǎn)物純度為95.59%，收率為88.6%，結(jié)果比較令人滿意，而且提高的空間不大，所以不做正交優(yōu)化試驗(yàn)。

2.2.3 AHDNP合成技術(shù)

（1）水解反應(yīng)體系中水解試劑及用量對(duì)產(chǎn)物生成的影響

首先，研究堿性大小對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物收率和純度的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成只改變K2CO3的用量，而其他條件不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。通過分析可知，當(dāng)K2CO3的用量為2g時(shí)，收率和純度均最大。可能的原因：加入K2CO3質(zhì)量太少，反應(yīng)物還沒有完全轉(zhuǎn)化，所以收率和純度均較小；加入K2CO3質(zhì)量太多，由于堿性太強(qiáng)，一部分產(chǎn)物被破壞和另一部分損失在濾液中，所以收率降低。綜合收率和濃度兩個(gè)因素，選擇K2CO3的用量為2g為最佳反應(yīng)條件。

表2 K2CO3用量對(duì)產(chǎn)物AHDNP生成的影響

研究水解反應(yīng)環(huán)境的酸堿度對(duì)產(chǎn)物生成的影響，特設(shè)計(jì)了一個(gè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)的方案是只把 2.0g K2CO3換成2.0g NaOH，其他條件不變。反應(yīng)結(jié)束后得到的反應(yīng)液中沒有產(chǎn)物。

為闡明2.0gNaOH得不到AHDNP，以及表2實(shí)驗(yàn)3比實(shí)驗(yàn)2收率降低5.31%之實(shí)質(zhì)是由K2CO3用量引起還是實(shí)驗(yàn)誤差導(dǎo)致，特設(shè)計(jì)反證試驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)2制備的AHDNP，在70℃條件下，選擇不同用量的NaOH進(jìn)行產(chǎn)品AHDNP破壞實(shí)驗(yàn)，其現(xiàn)象和結(jié)果詳見表3。

表3 堿用量對(duì)產(chǎn)物AHDNP的破壞影響

由表3可知，隨著NaOH用量增加，產(chǎn)品逐漸被破環(huán)，顏色逐漸加深。可能的原因是AHDNP分子可互變?yōu)閮?nèi)酰胺，內(nèi)酰胺鍵極易在強(qiáng)堿性條件下水解，破壞了吡啶環(huán)（如圖9）。因此，在設(shè)計(jì)反應(yīng)時(shí)，保證反應(yīng)能進(jìn)行的情況下，酸堿度應(yīng)盡量控制在弱堿性。

圖9 AHDNP與NaOH的反應(yīng)

（2）水解反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物的影響

為研究溫度對(duì)反應(yīng)的影響，通過改變溫度而其他條件不變來研究對(duì)產(chǎn)物收率和純度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，隨著溫度的升高，反應(yīng)物的收率先增大后減小，反應(yīng)物的純度也是先增大后減小。可能的原因：溫度太低，反應(yīng)速度慢，反應(yīng)不完全，導(dǎo)致產(chǎn)率和純度低；溫度太高，產(chǎn)物可能發(fā)生了內(nèi)酰胺水解副反應(yīng)而且副產(chǎn)物溶解在水中，也導(dǎo)致產(chǎn)率下降。綜合收率和純度兩個(gè)因素考慮，故選擇溫度為70℃。

（3）pH值對(duì)產(chǎn)品析出及晶體形成的影響

為研究pH值對(duì)產(chǎn)物在黃色澄清透明反應(yīng)液中的結(jié)晶情況、產(chǎn)物收率和純度的影響，將同一鍋反應(yīng)液分成3份，分別用濃HCl調(diào)節(jié)pH值，在酸性、中性和堿性條件下析出產(chǎn)物，結(jié)果見表5。

可以看出，隨著pH值的增大，收率減小，而 純度變大。可能的原因?yàn)椋簆H值小時(shí)，產(chǎn)品以鹽酸鹽的形式析出，損失在濾液里比較少，收率較高，但是帶氨基的副產(chǎn)物同樣也可能被析出，導(dǎo)致純度降低；pH值較大時(shí)，產(chǎn)品被奪去一個(gè)質(zhì)子而呈負(fù)離子存在，溶解度明顯變大，分子之間的氫鍵結(jié)合力更加牢固，因此可形成針狀結(jié)晶，純度也較高，但產(chǎn)品損失在濾液里比較多，收率相對(duì)較小。

表4 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品收率和純度的影響

表5 pH值對(duì)晶體形成的影響

（4）AHDNP精制工藝分析

為得到更高純度的產(chǎn)物，選擇了去離子水、40g/L的K2CO3水溶液和80g/L的K2CO3水溶液來對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行精制研究，見表6。

表6 精制溶劑對(duì)產(chǎn)物純度和收率的影響

可見，用去離子水精制，產(chǎn)物的純度提高太小；用80g/L的K2CO3水溶液來精制，由于產(chǎn)物在其溶液中溶解度大，配制的飽和溶液濃度過大，導(dǎo)致產(chǎn)物結(jié)晶太快，晶體中可能包裹了雜質(zhì)，得到的精制產(chǎn)品純度提高不明顯，同時(shí)產(chǎn)物損失在溶液里也較多，收率也不高；而用40g/L的K2CO3水溶液來精制，得到的收率和純度均令人滿意。

3 結(jié) 論

在對(duì)高性能纖維的現(xiàn)狀及發(fā)展進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新研究了制備PPIO關(guān)鍵中間體AHDNP的路線及其工藝優(yōu)化，獲得以下結(jié)論。

（1）以2-氨基-6-氯-3,5-二硝基吡啶為原料，堿性水溶液為反應(yīng)體系，成功合成出PPIO制備中所用的關(guān)鍵中間體，精制后經(jīng)FT-IR、MS、13C NMR 定性為目標(biāo)產(chǎn)物AHDNP。AHDNP粗品經(jīng)過堿性水溶液精制后純度為98.13%。

（2）工藝優(yōu)化后，獲得合成2,6-二氯-3-硝基吡啶的較佳反應(yīng)條件，即混酸體積比為1∶1、反應(yīng)溫度100℃、滴加時(shí)間1.5h、反應(yīng)時(shí)間5h，取得收率為78.53%；獲得氨解反應(yīng)得2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的較佳反應(yīng)條件，即溶劑量使用量100mL、反應(yīng)溫度45℃、反應(yīng)時(shí)間3.5h、氨水的用量88mL，取得收率為60.55%。

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