相轉(zhuǎn)移催化下2,6-二氯吡啶的羥基化反應(yīng)

馬恩忠,田 甜

(1.天津師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,天津 300387;2.南開大學(xué)濱海學(xué)院環(huán)境科學(xué)系,天津300270)

相轉(zhuǎn)移催化下2,6-二氯吡啶的羥基化反應(yīng)

馬恩忠1,田 甜2

(1.天津師范大學(xué)化學(xué)與生命科學(xué)學(xué)院,天津 300387;2.南開大學(xué)濱海學(xué)院環(huán)境科學(xué)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(yīng),分析了溶劑和催化劑對該反應(yīng)的影響,得出用正丁醚作為溶劑,四丁基溴化銨作為相轉(zhuǎn)移催化劑為最佳的結(jié)論,產(chǎn)品收率為86.4%,該化合物經(jīng)元素分析和紅外光譜得到確證.

2,6-二氯吡啶;羥基化;相轉(zhuǎn)移催化;反應(yīng)活性

2-羥基-6-氯吡啶是一種含多官能團(tuán)的化合物,結(jié)構(gòu)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(fā)生反應(yīng)而生成相應(yīng)的化合物,是一種重要的有機(jī)合成中間體和精細(xì)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(yīng)機(jī)制不同于脂肪族鹵代烴的典型親核取代反應(yīng),是經(jīng)歷先進(jìn)行親核加成,而后消除機(jī)理的反應(yīng),但也同樣存在影響反應(yīng)的因素,如溶劑、反應(yīng)溫度等.在較早的研制方法中,存在著反應(yīng)時間過長、壓力較高、操作復(fù)雜等問題,本實驗以正丁醚為溶劑,選用相轉(zhuǎn)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(zhuǎn)蒸發(fā)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(yīng)原理

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

1.3 合成步驟

1.3.1 反應(yīng)

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(xì)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(xù)攪拌,加熱回流2h,反應(yīng)溫度為回流時溫度,其間不斷分離出反應(yīng)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(yīng)的2,6-二氯吡啶,用體積分?jǐn)?shù)為20%的 HCl酸化,將反應(yīng)液pH值調(diào)至6,使生成的2-羥基-6-氯吡啶處于游離態(tài).再用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去反應(yīng)液中的水.以30mL無水乙醇為溶劑,用索氏提取器進(jìn)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(jìn)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(yīng)混合物中提取出來,以提高產(chǎn)品的收率.

1.3.3重結(jié)晶晶體

用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑,再用氯仿對固體進(jìn)行重結(jié)晶,得2-羥基-6-氯吡啶晶體.表1為不同溶劑的實驗結(jié)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(chǎn)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(jìn)行上述實驗,表2為實驗結(jié)果.

表2 不同催化劑的收率Table2 Thedifferentcatalystreceivesrate

2 結(jié)果和討論

2.1 目標(biāo)產(chǎn)物的合成

2,6-二氯吡啶難溶于水,且易隨水蒸氣揮發(fā).因此,在含水條件下很難進(jìn)行羥基反應(yīng).用難溶于水的有機(jī)化合物作為溶劑時,在相轉(zhuǎn)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(fā)生相轉(zhuǎn)移,即從固相轉(zhuǎn)入有機(jī)相,可以使反應(yīng)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(yīng)物處于均相,有利于反應(yīng)進(jìn)行.但是,由于其沸點原因,回流時溫度較低,反應(yīng)物缺乏足夠的能量致使反應(yīng)難以進(jìn)行.2-甲基-2-己醇雖然有較高的沸點(143℃),回流時反應(yīng)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(dǎo)致反應(yīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移催化的循環(huán)機(jī)制[4],氫氧根與季銨離子形成離子對進(jìn)入溶劑,而且活性得到提高,有利于對2,6-二氯吡啶進(jìn)行親核取代反應(yīng).

除溶劑和溫度影響著反應(yīng)外,氫氧根在溶劑中的反應(yīng)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(chǎn)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(tuán),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(zhuǎn)移條件下,氫氧根表現(xiàn)出更強(qiáng)的反應(yīng)活性[5—6].

2.2 目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)表征

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

表3 產(chǎn)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(fā)現(xiàn)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(nèi)酰胺型的互變異構(gòu)體.此外,在生成物中未發(fā)現(xiàn)有2,6-二羥基吡啶,從反應(yīng)機(jī)理分析2,6-二氯吡啶與氫氧化鉀發(fā)生雙分子的親核取代反應(yīng)[7],在堿性條件下,先生成的2-羥基-6-氯吡啶負(fù)離子不再與氫氧根反應(yīng),因此,吡啶環(huán)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(jié)語

綜上所述,由于2,6-二氯吡啶的羥基化反應(yīng)受到一些條件的影響,因此,在制備時需要認(rèn)真考慮,避免采用不適宜的反應(yīng)條件造成對反應(yīng)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(zhuǎn)移催化劑,可以有效地促進(jìn)產(chǎn)物的合成.

[1] 周健,劉尚遠(yuǎn),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(xué)學(xué)報:自然科學(xué)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(jié)構(gòu)的測定研究[J].化學(xué)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(yīng)的影響[J].天津化工,1999,(1):7-9.

[4] 范如霖,徐傳寧.有機(jī)合成中的相轉(zhuǎn)移催化作用 [M].上海:科學(xué)技術(shù)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(jī)合成中的相轉(zhuǎn)移催化作用 [M].上海:科學(xué)技術(shù)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(jī)合成方面的研究.

(責(zé)任編校 李宏偉)