相转移催化下2,6-二氯吡啶的羟基化反应

马恩忠,田 甜

(1.天津师范大学化学与生命科学学院,天津 300387;2.南开大学滨海学院环境科学系,天津300270)

相转移催化下2,6-二氯吡啶的羟基化反应

马恩忠1,田 甜2

(1.天津师范大学化学与生命科学学院,天津 300387;2.南开大学滨海学院环境科学系,天津300270)

以2,6-二氯吡啶与氢氧化钾为原料,选用不同的溶剂和催化剂,生成2-羟基-6-氯吡啶的反应,分析了溶剂和催化剂对该反应的影响,得出用正丁醚作为溶剂,四丁基溴化铵作为相转移催化剂为最佳的结论,产品收率为86.4%,该化合物经元素分析和红外光谱得到确证.

2,6-二氯吡啶;羟基化;相转移催化;反应活性

2-羟基-6-氯吡啶是一种含多官能团的化合物,结构中存在着羟基、氯原子及吡啶型的氮原子,它可以和许多试剂发生反应而生成相应的化合物,是一种重要的有机合成中间体和精细化工原料[1],2-羟基-6-氯吡啶可以通过2,6-二氯吡啶与氢氧化钾直接作用制得,虽然反应机制不同于脂肪族卤代烃的典型亲核取代反应,是经历先进行亲核加成,而后消除机理的反应,但也同样存在影响反应的因素,如溶剂、反应温度等.在较早的研制方法中,存在着反应时间过长、压力较高、操作复杂等问题,本实验以正丁醚为溶剂,选用相转移催化法,常压下制备2-羟基-6-氯吡啶.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

1.1.1 试剂

2,6-二氯吡啶,自制[2]＞99%;氢氧化钾分析纯;四甲基溴化铵,分析纯;四丁基溴化铵,分析纯;2-甲基-2-己醇,自制 ＞99%;正丁醚,自制 ＞99%.

1.1.2 仪器

三口圆底烧瓶、回流冷凝器、油水分离器等玻璃仪器;搅拌器、旋转蒸发仪;X-4显微熔点测定仪;Yacana CDRDER M T-3元素分析仪;1730型红外付立叶光谱仪.

1.2 反应原理

2,6-二氯吡啶与氢氧化钾进行亲核性取代反应,先生成 6-氯-2-吡啶酚钾和水,6-氯-2-吡啶酚钾再与盐酸进行反应,生成2-羟基-6-氯吡啶和氯化钾。

1.3 合成步骤

1.3.1 反应

在装有搅拌器、温度计、回流冷凝器和油水分离器的的三口瓶中,加入30 mL溶剂,3.4 g(0.06 mol)研细氢氧化钾,开动搅拌,使其混合均匀后,再加入3g(0.02mol)2,6-二氯吡啶继续搅拌,加热回流2h,反应温度为回流时温度,其间不断分离出反应生成的水,以防止温度降低.

1.3.2 提取

冷却后,加入70mL水,蒸出溶剂和未反应的2,6-二氯吡啶,用体积分数为20%的 HCl酸化,将反应液pH值调至6,使生成的2-羟基-6-氯吡啶处于游离态.再用旋转蒸发仪蒸去反应液中的水.以30mL无水乙醇为溶剂,用索氏提取器进行提取.

在用无水乙醇为溶剂提取2-羟-6-氯吡啶时,可用FeCl3溶液对索氏提取器中的液体进行鉴定,直至不再显色即可停止提取[3].这样用有限的溶剂,最大限度地将2-羟基-6-氯吡啶从反应混合物中提取出来,以提高产品的收率.

1.3.3重结晶晶体

用旋转蒸发仪除去溶剂,再用氯仿对固体进行重结晶,得2-羟基-6-氯吡啶晶体.表1为不同溶剂的实验结果.

表1 不同溶剂的收率Table1 Thedifferentresolverreceivesrate

1.3.4 加入不同的催化剂后所得产率

合成2-羟基-6-氯吡啶晶体时,加入0.2g的季铵盐催化剂进行上述实验,表2为实验结果.

表2 不同催化剂的收率Table2 Thedifferentcatalystreceivesrate

2 结果和讨论

2.1 目标产物的合成

2,6-二氯吡啶难溶于水,且易随水蒸气挥发.因此,在含水条件下很难进行羟基反应.用难溶于水的有机化合物作为溶剂时,在相转移催化过程中,氢氧根阴离子通过与较大的亲脂性的季铵离子组成离子对,并接着发生相转移,即从固相转入有机相,可以使反应速度加快.以叔丁醇为溶剂时,虽然2,6-二氯吡啶溶于此溶剂,氢氧化钾在该溶剂也有一定的溶解度,反应物处于均相,有利于反应进行.但是,由于其沸点原因,回流时温度较低,反应物缺乏足够的能量致使反应难以进行.2-甲基-2-己醇虽然有较高的沸点(143℃),回流时反应可以保持较高温度,然而,由于溶剂分子中的羟基易与氢氧根形成氢键,这在一定程度上影响了氢氧根的活性,使得氢氧化钾的亲核能力降低,导致反应转化率不高.

在选用正丁醚为溶剂时,虽然氢氧化钾难以溶入溶剂,但溴化季铵盐在正丁醚中有较大的溶解度,氢氧化钾可以与溴化季铵盐形成固—液相转移催化的循环机制[4],氢氧根与季铵离子形成离子对进入溶剂,而且活性得到提高,有利于对2,6-二氯吡啶进行亲核取代反应.

除溶剂和温度影响着反应外,氢氧根在溶剂中的反应活性也随着它与之配对的季铵离子的大小而变化.从表2中的产品收率可知,在选用四甲基溴化铵为催化剂时,其催化作用不及四丁基溴化铵,真正原因是正丁醚与四丁基铵离子都带有相同基团,正丁醚对四丁基溴化铵具有良好的相溶性.此外,一与四丁基铵离子形成离子对的氢氧根,所受到的静电吸引力较小,在相转移条件下,氢氧根表现出更强的反应活性[5—6].

2.2 目标产物的结构表征

选用正丁醚为溶剂、四丁基溴化铵为相转移催化剂,氢氧化钾与2,6-二氯吡啶反应制得的2-羟基-6-氯吡啶的分析,如表3～表5.

表3 产物的熔点Table3 Meltingpointofproduct

表4 元素分析Table4 Elementanalysis

表5 红外光谱Table5 Infraredspectrum

在红外谱图中,未发现明显的羰基伸缩振动吸收峰,表明在2-羟基-6-氯吡啶中几乎不存内酰胺型的互变异构体.此外,在生成物中未发现有2,6-二羟基吡啶,从反应机理分析2,6-二氯吡啶与氢氧化钾发生双分子的亲核取代反应[7],在碱性条件下,先生成的2-羟基-6-氯吡啶负离子不再与氢氧根反应,因此,吡啶环上的6位氯原子得以保留,没有2,6-二羟基吡啶的生成,这对2-羟基-6-氯吡啶的纯化非常便利.

3 结语

综上所述,由于2,6-二氯吡啶的羟基化反应受到一些条件的影响,因此,在制备时需要认真考虑,避免采用不适宜的反应条件造成对反应不利的影响.选用正丁醚作为溶剂,四丁基溴化铵作为溶剂相转移催化剂,可以有效地促进产物的合成.

[1] 周健,刘尚远,赵增国.3,5,6-三氯-2-羟基吡啶合成新工艺[J].天津师范大学学报:自然科学版,2006,26(1):12.

[2] 赵增国,张和,王桂林.2,6-二氯吡啶的定向合成及结构的测定研究[J].化学通报,1998(9):35-36.

[3] 马恩忠.2-羟基吡啶的合成及溶剂对该反应的影响[J].天津化工,1999,(1):7-9.

[4] 范如霖,徐传宁.有机合成中的相转移催化作用 [M].上海:科学技术出版社,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,徐传宁.有机合成中的相转移催化作用 [M].上海:科学技术出版社,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

马恩忠(1957—),男,副教授,主要从事有机合成方面的研究.

(责任编校 李宏伟)