环境友好催化氧化2－卤代吡啶合成N－氧化－2－卤代吡啶的方法

摘要

环境友好催化氧化2－卤代吡啶合成N－氧化－2－卤代吡啶的方法，属于化工技术领域。本发明以商品2－卤代吡啶(2－氯吡啶或2－溴吡啶)为原料，使用草酸合钨季铵盐或过氧化草酸合钨季铵盐与少量硫酸为催化剂，用25％－50％双氧水溶液为氧化剂，双氧水与2－卤代吡啶的摩尔比为1－4，在50－90℃下催化氧化2－卤代吡啶合成N－氧化－2－卤代吡啶。本发明以草酸合钨季铵盐或过氧化草酸合钨季铵盐催化合成N－氧化－2－卤代吡啶的反应过程中，除反应原料外不加入任何其它有机溶剂，反应结束后以水萃取N－氧化－2－卤代吡啶，以2－卤代吡啶萃取催化剂直接用于下一次反应，实现产物、催化剂、原料的分离和回收。本发明方法生产工艺简单，经济，实现了环境友好催化合成N－氧化－2－卤代吡啶的目的。

说明书

技术领域

本发明是一种合成N-氧化-2-卤代吡啶的方法；更具体的说，本发明涉及用一种可回收和重复使用的催化剂催化氧化2-卤代吡啶合成N-氧化-2-卤代吡啶的方法。属于化工技术领域。

背景技术

N-氧化-2-卤代吡啶，特别是N-氧化-2-氯吡啶是生产2-巯基吡啶氧化物钠盐或锌盐的重要中间产物，2-巯基吡啶氧化物钠盐或锌盐作为重要的杀菌剂和防霉剂被广泛使用。

现有由2-卤代吡啶催化合成N-氧化-2-卤代吡啶的方法主要有三类。一类是以马来酸酐或邻苯二甲酸酐为催化剂，在冰乙酸和双氧水存在下催化合成得到N-氧化-2-氯吡啶。这类方法可得高产率的N-氧化-2-氯吡啶，但它缺点在于，反应过程中使用了用量为0.5-2.0摩尔/摩尔2-氯吡啶的冰乙酸和用量为0.1-0.8摩尔/摩尔2-氯吡啶的马来酸酐或邻苯二甲酸酐，在反应结束后加入的冰乙酸和催化剂变作有机酸盐与产品一同留在水相中难以回收，从而造成生产成本的提高和环境污染。

另一类是以钨酸或钨酸盐为催化剂，在双氧水存在下催化合成N-氧化-2-氯吡啶。这类反应也可得较高产率的N-氧化-2-氯吡啶，且不需加大量的冰乙酸，但它的缺点在于，反应过程中使用了昂贵的钨酸催化剂，催化剂的回收处理困难，从而造成了生产成本高，不利于大规模工业生产。

另一类是以含磺酸基的离子交换树脂为催化剂，在甲醇和双氧水的存在下催化合成得到N-氧化-2-氯吡啶，或以阴离子交换树脂作钨酸盐催化剂载体，在甲醇和双氧水的存在下催化合成N-氧化-2-氯吡啶。这类反应可以有效回收催化剂，保证了催化剂可重复使用，但它的缺点在于，催化剂为异相催化剂，反应效率低，催化氧化的转化率低于34.3％，且在反应过程中同时使用了有毒有害的甲醇，这些都造成了生产成本的提高和环境污染。

因此，需要改进现有的N-氧化-2-卤代吡啶合成方法以降低环境污染和成本。

发明内容

本发明的目的是提出一种环境友好的、经济的、操作简单的催化合成N-氧化-2-卤代吡啶的方法。系列新型催化剂草酸合钨季铵盐及过氧化草酸合钨季铵盐可以使实现这一目的成为可能。

本发明的技术方案：一种催化氧化2-卤代吡啶合成N-氧化-2-卤代吡啶的方法，以2-卤代吡啶为原料，以草酸合钨季铵盐或过氧化草酸合钨季铵盐为催化剂，以硫酸为助催化剂，用市售质量浓度25％-50％双氧水为氧化剂，在50-90℃催化合成N-氧化-2-卤代吡啶；催化剂用量为0.01-0.1摩尔/摩尔2-卤代吡啶，助催化剂硫酸用量为0.04-0.2摩尔/摩尔2-卤代吡啶；双氧水的用量为1-4摩尔/摩尔2-卤代吡啶；按配比将催化剂加到2-卤代吡啶中，搅拌中逐渐加入硫酸溶液，再加入双氧水，并加热到反应温度，并保持此温度，随着反应的进行，反应体系由最初的水油两相体系逐渐变为均相体系，当以草酸合钨季铵盐催化时，体系中双氧水含量低于1％时停止反应，或当以过氧化草酸合钨季铵盐催化时反应9小时作为反应终点，冷却至室温，用氢氧化钠溶液调节pH值3，同时加入反应原料2-卤代吡啶质量1-3倍的去离子水和与2-卤代吡啶原料等质量的2-卤代吡啶，混匀后静置分层；分离水相，水相中含N-氧化-2-卤代吡啶产品，水相中残留的2-卤代吡啶可用减压蒸馏法回收；有机层相含2-卤代吡啶及催化剂，可不经处理直接用于下一次反应。

使用草酸合钨季铵盐或过氧化草酸合钨季铵盐作为催化剂，草酸合钨季铵盐分子式为[R₁NR₂R₃R₄]₂[WO₃(C₂O₄)]、[C₅H₅NR]₂[WO₃(C₂O₄)]；过氧化草酸合钨季铵盐分子式为[R₁NR₂R₃R₄]₂[WO₅(C₂O₄)]、[C₅H₅NR]₂[WO₅(C₂O₄)]，式中R₁、R₂、R₃、R₄为相同或不同，代表C₁-C₂₂的烷基或芳烷基，R代表C₁-C₂₂的烷基或芳烷基。

选用催化剂在反应之初直接加入；或通过加入等当量的钨酸钠或钨酸、草酸和氯化、溴化或硫酸化季铵盐在反应体系中直接反应得到。

2-卤代吡啶选用2-氯吡啶或2-溴吡啶。

本发明提供的催化氧化N-氧化-2-卤代吡啶的方法，以商品2-卤代吡啶(2-氯吡啶或2-溴吡啶)为原料，使用草酸合钨季铵盐或过氧化草酸合钨季铵盐与少量硫酸为催化剂，用25％-50％双氧水溶液为氧化剂，双氧水与2-卤代吡啶的摩尔比为1-4，在50-90℃下催化氧化2-卤代吡啶合成N-氧化-2-卤代吡啶。

催化剂草酸合钨季铵盐及过氧化草酸合钨季铵盐是分子式为[R₁NR₂R₃R₄]₂[WO₃(C₂O₄)]、[C₅H₅NR]₂[WO₃(C₂O₄)]、[R₁NR₂R₃R₄]₂[WO₅(C₂O₄)]或[C₅H₅NR]₂[WO₅(C₂O₄)]的配合物，比如：

草酸合钨十六烷基三甲基季铵盐[C₁₆H₃₃N(CH₃)₃]₂[WO₃(C₂O₄)]、

草酸合钨二十二烷基三甲基季铵盐[C₂₂H₄₅N(CH₃)₃]₂[WO₃(C₂O₄)]、

草酸合钨双十八烷基二甲基季铵盐[(C₁₈H₃₇)₂N(CH₃)₂]₂[WO₃(C₂O₄)]、

草酸合钨四丁基季铵盐[(C₄H₉)₄N]₂[WO₃(C₂O₄)]、

草酸合钨十二烷基二甲基苄基季铵盐[C₁₂H₂₅N(C₆H₅CH₂)(CH₃)₂]₂[WO₃(C₂O₄)]、

草酸合钨丁基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₃CH₃]₂[WO₃(C₂O₄)]、

草酸合钨十二烷基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₁₁CH₃]₂[WO₃(C₂O₄)]、

草酸合钨十六烷基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₁₅CH₃]₂[WO₃(C₂O₄)]、

过氧化草酸合钨十六烷基三甲基季铵盐[C₁₆H₃₃N(CH₃)₃]₂[WO₅(C₂O₄)]、

过氧化草酸合钨二十二烷基三甲基季铵盐[C₂₂H₄₅N(CH₃)₃]₂[WO₅(C₂O₄)]、

过氧化草酸合钨双十八烷基二甲基季铵盐[(C₁₈H₃₇)₂N(CH₃)₂]₂[WO₅(C₂O₄)]、

过氧化草酸合钨四丁基季铵盐[(C₄H₉)₄N]₂[WO₅(C₂O₄)]、

过氧化草酸合钨十二烷基二甲基苄基季铵盐[C₁₂H₂₅N(C₆H₅CH₂)(CH₃)₂]₂[WO₅(C₂O₄)]、

过氧化草酸合钨丁基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₃CH₃]₂[WO₅(C₂O₄)]、

过氧化草酸合钨十二烷基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₁₁CH₃]₂[WO₅(C₂O₄)]、

过氧化草酸合钨十六烷基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₁₅CH₃]₂[WO₅(C₂O₄)]等。

催化剂一般是在反应之初直接加入或通过加入等当量的钨酸钠或钨酸与草酸和季铵型阳离子表面活性剂在反应体系中直接反应得到。

本发明的具体步骤为：将2-卤代吡啶与催化剂混合，然后加入计算量硫酸溶液，加入双氧水。其间不加入任何其它有机溶剂，逐渐升温至反应温度。随着反应的进行，反应体系由最初的两相反应体系逐渐变为均相体系。当以草酸合钨季铵盐催化时，体系中双氧水含量低于1％时停止反应。冷却至室温，用氢氧化钠溶液调节至合适pH值，同时加入定量的去离子水与2-卤代吡啶，混匀后静置分层。分离有机层得到2-卤代吡啶与草酸合钨季铵盐催化剂。当以过氧化草酸合钨季铵盐催化时，反应9小时作为反应终点。重复上述操作，分离有机层得到2-卤代吡啶与过氧化草酸合钨季铵盐。有机层无需进一步处理可直接用于下一次反应，从而实现催化剂与产物分离并被重复使用。分离水层得到N-氧化-2-卤代吡啶溶液，水层可以通过进一步减压蒸馏，回收水层中存在的少量2-卤代吡啶，然后直接用于下一步反应或通过进一步分馏得到N-氧化-2-卤代吡啶纯品。反应方程式为式I或式II。

式I 2-卤代吡啶催化反应方程式I

式II 2-卤代吡啶催化反应方程式II

本发明所用催化剂可选择在反应之初直接加入或通过加入等当量的钨酸钠或钨酸、草酸和相应的氯化、溴化或硫酸化季铵盐在反应体系中直接反应得到。催化剂易溶于2-卤代吡啶等有机溶剂不溶于水。在反应初需要通过加入硫酸以释放出H₂[WO₃(C₂O₄)]、H₂WO₄或H₂[WO₅(C₂O₄)]、H₂WO₆成分来实现其催化功能，在双氧水存在下与硫酸协同催化氧化2-卤代吡啶生成N-氧化-2-卤代吡啶。在反应体系由两相变为均相之前，催化剂中季铵盐阳离子成分同时起相转移剂的作用促进反应进行，反应结束后，调节体系pH值，不仅可重新恢复催化剂初始形态，还可根据具体实验需要，通过改变体系反应结束后的双氧水含量，实现草酸合钨季铵盐与过氧化草酸合钨季铵盐催化剂的互变。以水萃取产品用于进一步反应，以2-卤代吡啶萃取催化剂直接用于下一次反应，实现反应体系中产品、原料、催化剂分离。

催化剂草酸合钨季铵盐或过氧化草酸合钨季铵盐用量为0.01-0.1摩尔/摩尔2-卤代吡啶都可以进行反应，最佳用量范围为0.018-0.06摩尔/摩尔2-卤代吡啶。

硫酸用量为0.04-0.2摩尔/摩尔2-卤代吡啶都可进行反应，最佳用量范围为0.09-0.15摩尔/摩尔2-卤代吡啶。

双氧水用量为1-4摩尔/摩尔2-卤代吡啶都可以满足反应需要，最佳用量范围为1.2-1.8摩尔/摩尔2-卤代吡啶。

反应温度在50-90℃都可顺利进行，最佳反应温度在70-85℃。

反应结束后pH值小于1或大于7都会导致催化剂钨基无法完全与草酸根配位，从而造成催化剂的损失，增加生产成本，pH值应保持在1-7之间，最佳范围在2-4之间。反应结束后加入水质量为所加入2-卤代吡啶的1-3倍，可以满足分离产物的要求，过多水量的加入会增加后处理的费用，反应结束后分离的水层中有少量2-卤代吡啶可通用减压蒸馏回收，分离的有机层中约含有1％-2％的水，但少量水的存在不影响下一次的反应。

本发明的有益效果：本发明以草酸合钨季铵盐或过氧化草酸合钨季铵盐催化合成N-氧化-2-卤代吡啶的反应过程中，除反应原料外不加入任何其它有机溶剂，反应结束后以水萃取N-氧化-2-卤代吡啶，以2-卤代吡啶萃取催化剂直接用于下一次反应，实现产物、催化剂、原料的分离和回收。本发明方法生产工艺简单，经济，实现了环境友好催化合成N-氧化-2-卤代吡啶的目的。

具体实施方式

以下的实施例用来说明本发明，但决不是对本发明范围的限制。

实施例1

用草酸合钨十六烷基三甲基季铵盐[C₁₆H₃₃N(CH₃)₃]₂[WO₃(C₂O₄)]作为催化剂催化合成N-氧化-2-氯吡啶：

将4克(0.0045mol)催化剂草酸合钨十六烷基三甲基季铵盐[C₁₆H₃₃N(CH₃)₃]₂[WO₃(C₂O₄)]加到24克(0.21mol)2-氯吡啶中，搅拌中逐渐加入10％硫酸溶液20克(0.02mol)，22克(0.32mol)50％双氧水，并加热到80℃，并保持此反应温度，随着反应的进行，反应体系由最初的水油两相体系逐渐变为均相体系，当体系双氧水含量低于1％时，停止反应，冷却至室温，用氢氧化钠溶液调节pH值等于3，加入50克去离子水和24克2-氯吡啶，混匀后静置分层。分离水相，N-氧化-2-氯吡啶产率为83％，水相中残留的2-氯吡啶可用减压蒸馏法回收，有机层相(25.1克2-氯吡啶、0.41克N-氧化-2-氯吡啶、0.30克水、3.61克催化剂)可不经处理直接用于下一次反应。

实施例2

用草酸合钨十六烷基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₁₅CH₃]₂[WO₃(C₂O₄)]作为催化剂催化合成N-氧化-2-氯吡啶：

将3.61克(0.0039mol)催化剂草酸合钨十六烷基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₁₅CH₃]₂[WO₃(C₂O₄)]加到24克(0.21mol)2-氯吡啶中，搅拌中逐渐加入10％硫酸溶液18.6克(0.019mol)，25克(0.37mol)50％双氧水，并加热到85℃，并保持此反应温度，随着反应的进行，反应体系由最初的水油两相体系逐渐变为均相体系，当体系双氧水含量低于1％时，停止反应，冷却至室温，用氢氧化钠溶液调节pH值等于3，加入40克去离子水和24克2-氯吡啶，混匀后静置分层。分离水相，N-氧化-2-氯吡啶产率为82％，水相中残留的2-氯吡啶可用减压蒸馏法回收，有机层相(25.5克2-氯吡啶、0.45克N-氧化-2-氯吡啶、0.22克水、3.32克催化剂)可不经处理直接用于下一次反应。

实施例3

用过氧化草酸合钨十六烷基三甲基季铵盐[C₁₆H₃₃N(CH₃)₃]₂[WO₅(C₂O₄)]作为催化剂催化合成N-氧化-2-氯吡啶：

将5克(0.0054mol)催化剂过氧化草酸合钨十六烷基三甲基季铵盐[C₁₆H₃₃N(CH₃)₃]₂[WO₅(C₂O₄)]加到24克(0.21mol)2-氯吡啶中，搅拌中逐渐加入10％硫酸溶液25克(0.025mol)，22克50％双氧水(0.32mol)，并加热到75℃，并保温反应9h，停止反应，冷却至室温，用氢氧化钠溶液调节pH值等于3，加入50克去离子水和24克2-氯吡啶，混匀后静置分层。分离水相，N-氧化-2-氯吡啶产率为76％，水相中残留的2-氯吡啶可用减压蒸馏法回收，有机层相(26.3克2-氯吡啶、0.43克N-氧化-2-氯吡啶、0.29克水、4.55克催化剂)可不经处理直接用于下一次反应。

实施例4

用过氧化草酸合钨十六烷基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₁₅CH₃]₂[WO₅(C₂O₄)]作为催化剂催化合成N-氧化-2-氯吡啶：

将4.5克(0.0047mol)催化剂过氧化草酸合钨十六烷基吡啶季铵盐[C₅H₅N(CH₂)₁₅CH₃]₂[WO₅(C₂O₄)]加到24克(0.21mol)2-氯吡啶中，搅拌中逐渐加入10％硫酸溶液25克(0.025mol)，28克(0.41mol)50％双氧水，并加热到70℃，并保温反应9h，停止反应，冷却至室温，用氢氧化钠溶液调节pH值等于3，加入60克去离子水和24克2-氯吡啶，混匀后静置分层。分离水相，N-氧化-2-氯吡啶产率为72％，水相中残留的2-氯吡啶可用减压蒸馏法回收，有机层相(27.6克2-氯吡啶、0.45克N-氧化-2-氯吡啶、0.28克水、4.08克催化剂)可不经处理直接用于下一次反应。

实施例5

将草酸、钨酸钠、十六烷基三甲基氯化铵直接加入反应体系与体系中双氧水反应得到过氧化草酸合钨十六烷基三甲基季铵盐

[C₁₆H₃₃N(CH₃)₃]₂[WO₅(C₂O₄)]催化合成N-氧化-2-氯吡啶：

将0.6克(0.0048mol)草酸、1.49克(0.0045mol)二水合钨酸钠溶于10克水中，十六烷基三甲基氯化铵(70％)4.12克(0.009mol)溶于24克(0.21mol)2-氯吡啶中，在搅拌条件下，将上述两种物料混合，再加入10％硫酸溶液20克(0.02mol)，50％双氧水22克(0.32mol)，并加热到80℃，保温反应9h，停止反应，冷却至室温，用氢氧化钠溶液调节pH值等于3，加入50克去离子水和24克2-氯吡啶，混匀后静置分层。分离水相，N-氧化-2-氯吡啶产率为81％，水相中残留的2-氯吡啶可用减压蒸馏法回收，有机层相(25.4克2-氯吡啶、0.36克N-氧化-2-氯吡啶、0.35克水、3.58克催化剂)直接用于下一次反应。