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(xué)院化學(xué)與材料工程學(xué)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(chǎn)物，不僅用于殺蟲(chóng)劑、除草劑等農(nóng)藥的合成，而且也是重要的醫(yī)藥和染料中間體，還可以作為氮肥增效劑使用[1-2]。對(duì)其合成研究從上世紀(jì)70年代就已開(kāi)始，其中以3-甲基吡啶為原料進(jìn)行合成最為直接，得到了大力的研發(fā)。

Nishiyama Ryuzo等以惰性氣體（氮?dú)饣蛩穆然迹橄♂寗?-甲基吡啶和氯氣（摩爾比為1:4～1:8）在350～500℃下，氣相反應(yīng)0.5～60 s合成TCMP，收率可達(dá)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(yīng)3 h，TCMP收率可達(dá)10%以上[4]。關(guān)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(yīng)8 h，轉(zhuǎn)化率達(dá)77.2%[5]。K D Campbell等以脫鋁絲光沸石（或負(fù)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(fā)現(xiàn)，在250～350℃下，稀釋劑（惰性氣體如N2、CO2等）對(duì)3-甲基吡啶的摩爾比為10:1～300:1，氯氣對(duì)3-甲基吡啶摩爾比為20:1，反應(yīng)0.5～15 s，收率達(dá)65.6%以上[6]。蘇莉以3-甲基吡啶為原料，通過(guò)光氯化反應(yīng)合成TCMP，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度為180℃，時(shí)間為10 h，原料與溶劑體積比為1:3，產(chǎn)率可達(dá)到53.1%[7]。王爽米等研究了以3-甲基吡啶為起始原料，經(jīng)N-氧化、苯甲酰氯氯化、氯氣氯化3步反應(yīng)合成TCMP的新工藝，得出以偶氮二異丁腈為引發(fā)劑，在140℃下反應(yīng)22 h，收率為40.4%[8]。

吡啶環(huán)電子結(jié)構(gòu)的特殊性，其定位氯化具有一定技術(shù)難度，TCMP的技術(shù)開(kāi)發(fā)對(duì)含氯吡啶類衍生物的發(fā)展具有重要意義。本研究以3-甲基吡啶和氯氣為原料無(wú)溶劑催化合成TCMP。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

Agilent6890N型氣相色譜儀，Agilent 6890-5795型氣質(zhì)聯(lián)用儀，R-201型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀。

3-甲基吡啶，w(C6H7N)=99%；鉑絡(luò)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(luò)合物作為催化劑。恒溫油浴加熱至140℃，磁力攪拌，當(dāng)溫度穩(wěn)定后通入氯氣，調(diào)節(jié)流量，反應(yīng)8 h。冷卻后用CCl4萃取，可得棕黑色粘稠狀液體。

反應(yīng)方程式如下：

1.3 色譜-質(zhì)譜條件

色譜：Rtx-5MS毛細(xì)管柱（30m×0.25 mm×0.25 μm）；流動(dòng)相為高純He氣（質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(jìn)樣量0.2μL。

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

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝條件的優(yōu)化

分別研究了原料比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及催化劑用量等因素對(duì)反應(yīng)收率的影響，并對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下收集的樣品進(jìn)行分析（主要采用GC法），并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件。采用L9(34)正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇原料比、催化劑用量、反應(yīng)溫度和反應(yīng)時(shí)間4個(gè)因素，每個(gè)因素確定3個(gè)水平對(duì)產(chǎn)物的合成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表1和表2）。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素及水平Tab 1 Orthogonal experiment factors and levels

表2 正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果Tab 2 Orthogonal experiment and results

由表2可見(jiàn)，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(dāng)增大原料比，可以使氯氣與3-甲基吡啶充分接觸，因而對(duì)反應(yīng)有利。反應(yīng)溫度與反應(yīng)時(shí)間是影響反應(yīng)的主要因素。反應(yīng)溫度低，則氯化反應(yīng)速率低，不利于深度氯化；而反應(yīng)溫度過(guò)高，雖能加快反應(yīng)速率，但副產(chǎn)物會(huì)增多，故反應(yīng)溫度以140℃為宜。反應(yīng)時(shí)間短，3-甲基吡啶不能深度氯化，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則會(huì)使副產(chǎn)物增多。在8 h后，TCMP的含量增加不明顯，因此反應(yīng)時(shí)間選擇8 h較為適合。催化劑用量為影響反應(yīng)的次要因素，其用量增加到1.5 g后對(duì)反應(yīng)影響趨于穩(wěn)定，故可確定其用量為1.5 g（為3-甲基吡啶質(zhì)量的5%）。

結(jié)果表明，優(yōu)化反應(yīng)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(zhì)量的5%，反應(yīng)溫度140℃、時(shí)間8 h。在此條件下，反應(yīng)產(chǎn)率為79.0%。

2.2 產(chǎn)物的鑒定

對(duì)不同合成條件下的產(chǎn)物進(jìn)行分析，按上述條件進(jìn)行測(cè)定，利用保留時(shí)間和質(zhì)譜法共同定性，以外標(biāo)法定量。產(chǎn)物的氣相色譜如圖1所示。其中保留時(shí)間為3.49 min的色譜峰為TCMP的目標(biāo)峰（與TCMP標(biāo)準(zhǔn)物對(duì)照）。

圖1 產(chǎn)物的氣相色譜Fig 1 Gas chromatogram of product

氣質(zhì)聯(lián)用分析可得產(chǎn)物中TCMP的質(zhì)譜如圖2。

圖2 TCMP的質(zhì)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(jié)構(gòu)相符。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，以3-甲基吡啶和氯氣為原料，鉑絡(luò)合物作為催化劑，在優(yōu)化反應(yīng)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(zhì)量的5%，反應(yīng)溫度140℃、時(shí)間8 h。在此條件下，產(chǎn)率可達(dá)79.0%。研究結(jié)果具有一定的工業(yè)化應(yīng)用前景。

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

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

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

[5]關(guān)槐,楚士晉.新方法合成2-氯-5-三氯甲基吡啶[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā),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(jié)構(gòu)測(cè)定[J].農(nóng)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(guó)化學(xué)會(huì)第27屆學(xué)術(shù)年會(huì),2010.