2-氨基-6-羟基-3,5-二硝基吡啶的合成探索

叶福达，金宁人，刘浩杰，张清义

（浙江工业大学化学工程学院，浙江 杭州 310032）

随着人类社会的不断进步，尖端科技工业部门对纤维提出了更高的要求，高强度、高模量和耐高温的纤维已成为迫切需要发展的新材料。聚对苯撑苯并双唑（PBO）纤维的高强度、高模量、阻燃性等优良性能使其成为目前有机高性能纤维中的佼佼者。但同时也发现PBO纤维的压缩和扭曲性能较差，压缩强度仅为0.20～0.40GPa，甚至还不及芳纶的压缩强度[1]，这主要是由于分子之间缺少键合力，大分子之间容易产生滑移所致。受压时，纤维表面可见明显的折叠带，严重阻碍了其应用，因此迫切需要对PBO进行改性。荷兰的Akzo Nobel公司在PBO分子链设计的基础上加强了链间的氢键作用，开发了一种新型的液晶芳香族杂环钢棒聚合物，即聚[2,5-二羟基-1,4-苯亚乙基吡啶并二咪唑]（PIPD），简称M5[2]，见图1，其含有双向氢键网状结构而使聚合物的压缩性能和复合黏结性能均得到极大提高[3-5]。但由于图2中关键单体2,3,5,6-四氨基吡啶（TAP·3HCl）采用高价的2,6-二氨基吡啶为原料使价格极高、制备难度大，产业化及推广应用价值低[6]。

图1 PBO与PIPD分子结构图

鉴于PBO结构中亚苯基环上引入羟基只能改进其复合性能而对抗压性能无贡献的理论[7]、以及PBO的拉伸与耐热性能优于PIPD之事实[8-9]。在PIPD分子链设计的基础层面上，参照浙工大团队设计和开发的聚对亚苯基苯并咪二唑（PBIO）[10]的创新思路，将PIPD重复单元中两个咪唑环的一个变换为唑环，即一个氮氢原子—NH—变换为氧原子—O—，从而使在保证一个咪唑环上的氢原子可与上（或下）链中亚苯基环上的羟基氧、在分子链间形成—N—H···O—H氢键以改善纤维轴向抗压性能。从而实现在复合抗压性能提高的同时使其拉伸及耐热性能接近PBO而更优于M5性能，如图3所示的R基改性PPIO（R-PPIO）研发。

从聚合技术层面上看，采用AA型和BB型单体来聚合高分子，由于两种分子的比例不好控制，聚合度上不去。若分子量达不到一定要求，将严重影响其耐热性、拉伸强度和模量。所以，本文设计出如图3所示的既可用于合成AB型单体也可用于AA/BB型的复合盐单体制备所需的关键中间体AHDNP作原料来解决聚合层面上的难题。

本工作重点涉及应用于改性PPIO创新物质制备中所用的关键中间体AHDNP，研究其合成技术，关于此物质的合成国内外文献仅有一篇报道[11]，但此种工艺由于收率低，原料价格昂贵，不利于工业化生产。本工作首先在实用的基础上，研究以廉价的2,6-二氯吡啶为原料经硝化、氨解、硝化和水解4步反应合成AHDNP的新路线和新技术，见图4。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

图2 M5的合成途径

图3 R-PPIO的合成

图4 AHDNP的合成

材料：2,6-二氯吡啶（C5H3Cl2N），纯度＞98.5%，工业品; 浓硫酸（H2SO4），质量分数＞95.0%，西陇化工股份有限公司；发烟硝酸（HNO3），质量分数＞95.0%，国药集团试剂有限公司;异丙醇，分析纯，杭州双林化工试剂厂；乙醇（CH3CH2OH），分析纯，衢州巨化有限公司；氨水，含量25%～28%，杭州龙山精细化工有限公司；硝酸钾（KNO3），含量＞99.0%，上海化专实验二厂；碳酸钾（K2CO3），含量＞99.0%，江苏彤晟化学试机有限公司。

仪器设备：FT/IR Nicolet-6700型红外光谱仪，美国Thermo公司；P-230型液相色谱仪；AVANCE-Ⅲ 500MHz型核磁共振仪，瑞士Bruker公司；DECAX-60000LCQ Deca XP 液相色谱-离子阱质谱仪，美国Thermo公司。

1.2 合成方法

1.2.1 纯度分析条件

分析仪器为P-230型液相色谱仪，ODS C8色谱柱，柱温 30℃，流动相为50%甲醇水溶液，紫外检测器检测波长为254nm，流动相流速为1.0 mL/min。

1.2.2 2,6-二氯-3-硝基吡啶的合成

在带有回流装置的四口烧瓶中，加入35mL浓硫酸，用冰水浴控制温度低于10℃条件下，缓慢分批加入12.5g（0.085mol）2,6-二氯吡啶，加毕继续搅拌溶解，待原料完全溶解，用恒压滴液漏斗缓慢滴加15mL混酸（发烟硝酸与浓硫酸的体积比为1∶1）1.5h。滴加完毕后撤去冰水浴，用加热套缓慢升温至100℃，保温反应5h。反应完毕，待反应液自然冷却至室温后，将其在玻璃棒搅拌条件下倒入碎冰中，有大量红棕色气体溢出，同时有大量黄绿色固体析出，抽滤，水洗3遍，干燥得12.88g黄绿色固体，纯度96.89%，收率为76.44%。

1.2.3 2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的合成

在带有回流装置的四口烧瓶中加入8g 2,6-二氯- 3-硝基吡啶和100mL无水乙醇，搅拌，待固体完全溶解完毕，开始缓慢滴加88mL 25%氨水2h。滴加完毕后，加热升温至45℃，保温反应3.5h，反应过程中不断有黄色晶体生成。反应完毕后，在冰水浴中继续冷却结晶，抽虑，水洗3遍，干燥得黄色粒状晶体4.36g，纯度为99.48%，收率为60.55%。

1.2.4 ACDNP的合成

在烧瓶中加入17.17 mL浓硫酸，用冰水浴控制温度低于10℃的条件下，缓慢加入3.0g 2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶和迅速加入2.15gKNO3，加毕，继续搅拌，待完全溶解后，撤去冰水浴，用加热套升温至40℃，并保温反应6h。反应完毕后，将反应液自然冷却至室温，缓慢加入到碎冰中，抽滤，水洗3遍，干燥，得到黄色粉末固体3.35g，纯度为95.59%，收率为88.6%。

1.2.5 AHDNP的合成

在烧瓶中加入1.2g ACDNP，再加入含有2.0g K2CO3的50mL碱性水溶液，加毕，在搅拌条件下升温至70℃，保温反应2h。反应完毕，析出棕黄色针状晶体，抽滤，水洗3遍，干燥得到纯度为95.50%的黄色针状晶体1.01g，产率为90.83%，用40g/L的K2CO3水溶液重结晶后，纯度为98.13%，精制收率90.36%，总产率为82.07%。IR（KBr，cm-1）：3576.7，3374.5，3081.7，1686.8，1656.4，1603.9，1312.6，1245.8；质谱（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。谱图分别见图5和图6。

2 结果与讨论

2.1 AHDNP的定性与表征

2.1.1 红外图谱解析

图5 AHDNP的FT-IR

红外图谱主要吸收峰归属分析：3576.7cm-1（O—H伸缩振动），3374.5cm-1（N—H伸缩振动），3081.7cm-1（吡啶环上=C—H伸缩振动），1686.8cm-1和1656.4cm-1（吡啶环上C=C和C=N的伸缩振动），1603.9cm-1（吡啶环上—NO2不对称伸缩振动），1312.6cm-1（吡啶环上—NO2对称伸缩振动），1245.8cm-1（吡啶环上=C—O伸缩振动）。结果表明与产物结构式完全一致。

2.1.2 质谱MS剖析

图3的质谱峰数据与分析的物质断裂碎片m/z数据一致，符合推断的断裂方式。

2.1.3 核磁13C NMR剖析和定性

通过对图7的13C NMR核磁共振图谱分析及归属剖析可得，合成的物质和目标化合物结构一致，分析见表1。

图7 AHDNP的碳谱图

经以上FT-IR、MS和13C NMR的综合定性为AHDNP。

2.2 AHDNP合成技术

2.2.1 2,6-二氯-3-硝基吡啶合成实验正交实验的设计

在2,6-二氯吡啶使用混酸进行单硝化初步试验的基础上，选择反应温度（100℃，110℃，120℃）、反应时间（5h，6h，7 h）、混酸的体积比（0.8∶1，1∶1，1.2∶1）、混酸滴加时间（0.5h，1.0h，1.5h），设计四因子三水平的正交试验L9(34)，获得产物折百后的收率36.94%～72.09%、纯度57.91%～95.02%，经结果的极差计算因子水平的变化趋势见图8。

从而获得单硝化过程因素的影响次序为：混酸的体积比C＞反应温度A＞滴加时间D＞反应时间B。对应平均收率的极差分别为14.54%、12.9%、11.53%和9.07%，最大值与最小值之比只有1.6。可见，4个因素的不同水平对结果均有显著影响。

图8 因素水平对收率指标平均值影响的趋势图

混酸的体积比C是硝化过程中的关键影响因子，随着混酸的体积比增加，目标产物的收率是先增加后降低。在发烟硝酸与浓硫酸的体积比为1∶1时，硝化效果最好，目标产物的收率能达到72.09%，即硝化过程在混酸的体积比适中时条件下进行最好。此外，反应温度也对硝化过程也很重要，温度为100℃最佳，即较低的温度有利于硝化反应的进行。滴加时间为1.5h，反应时间为5h为佳，若反应时间过长副产物会更多。工艺优化组合为A1B1C2D3

按获得的较佳反应条件A1B1C2D3（即混酸体积比为1∶1、反应温度100℃、滴加时间1.5h、反应时间5h）进行合成2,6-二氯-3-硝基吡啶的验证及优化试验，取得收率为78.53%。

2.2.2 2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的合成与再硝化技术

（1）2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的合成

采用无水乙醇作为溶剂，25%氨水作氨解试剂，对2,6-二氯-3-硝基吡啶的选择氨解反应作工艺优化，选择溶剂使用量（80mL、100 mL、120mL）、反应温度（30℃、45℃、60℃）、反应时间（2.5h、3.5h、4.5h）、氨水的用量（34mL、44mL、54mL），设计4因子3水平的正交试验L9(34)，目标产物的收率40.34～57.01%、纯度94.25～99.38%，获得氨解过程因素的影响次序为：反应温度A＞氨水用量C＞反应时间B＞无水乙醇用量D。平均收率的极差最大为9.53%，最小为2.22%（属实验误差范围）。

可见，反应温度是氨解硝化过程中的关键影响因子，随着反应温度升高，目标产物的收率是先增加再降低。在而反应温度在45℃时，氨解效果最好，目标产物的收率能达到57.09%，温度过低，则反应不完全；若温度过高，则易导致氨气跑出，即氨解反应在温度适中时条件下进行最好。工艺优化组合为A2B2C2D2：即溶剂100mL、温度45℃、时间3.5h、氨水44mL的条件为较优。

考虑到乙醇用量D影响最小，属实验误差范围，从溶剂用量的经济性考虑，选择50 mL的工艺，并对投料放大一倍、选择：原料8.0g、反应温度为45℃、100 mL无水乙醇、反应时间3.5h、氨水用量88 mL较佳条件进行验证和优化实验，合成得到的2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶，纯度99.48%、收率为60.55%。

（2）ACNDP硝化合成2-氨基-6-氯-3,5-二硝基吡啶技术

由于得到的产物纯度为95.59%，收率为88.6%，结果比较令人满意，而且提高的空间不大，所以不做正交优化试验。

2.2.3 AHDNP合成技术

（1）水解反应体系中水解试剂及用量对产物生成的影响

首先，研究碱性大小对反应产物收率和纯度的影响，实验设计成只改变K2CO3的用量，而其他条件不变，实验结果见表2。通过分析可知，当K2CO3的用量为2g时，收率和纯度均最大。可能的原因：加入K2CO3质量太少，反应物还没有完全转化，所以收率和纯度均较小；加入K2CO3质量太多，由于碱性太强，一部分产物被破坏和另一部分损失在滤液中，所以收率降低。综合收率和浓度两个因素，选择K2CO3的用量为2g为最佳反应条件。

表2 K2CO3用量对产物AHDNP生成的影响

研究水解反应环境的酸碱度对产物生成的影响，特设计了一个对比实验。实验的方案是只把 2.0g K2CO3换成2.0g NaOH，其他条件不变。反应结束后得到的反应液中没有产物。

为阐明2.0gNaOH得不到AHDNP，以及表2实验3比实验2收率降低5.31%之实质是由K2CO3用量引起还是实验误差导致，特设计反证试验，用实验2制备的AHDNP，在70℃条件下，选择不同用量的NaOH进行产品AHDNP破坏实验，其现象和结果详见表3。

表3 碱用量对产物AHDNP的破坏影响

由表3可知，随着NaOH用量增加，产品逐渐被破环，颜色逐渐加深。可能的原因是AHDNP分子可互变为内酰胺，内酰胺键极易在强碱性条件下水解，破坏了吡啶环（如图9）。因此，在设计反应时，保证反应能进行的情况下，酸碱度应尽量控制在弱碱性。

图9 AHDNP与NaOH的反应

（2）水解反应温度对产物的影响

为研究温度对反应的影响，通过改变温度而其他条件不变来研究对产物收率和纯度的影响，实验结果见表4。由实验结果可知，随着温度的升高，反应物的收率先增大后减小，反应物的纯度也是先增大后减小。可能的原因：温度太低，反应速度慢，反应不完全，导致产率和纯度低；温度太高，产物可能发生了内酰胺水解副反应而且副产物溶解在水中，也导致产率下降。综合收率和纯度两个因素考虑，故选择温度为70℃。

（3）pH值对产品析出及晶体形成的影响

为研究pH值对产物在黄色澄清透明反应液中的结晶情况、产物收率和纯度的影响，将同一锅反应液分成3份，分别用浓HCl调节pH值，在酸性、中性和碱性条件下析出产物，结果见表5。

可以看出，随着pH值的增大，收率减小，而 纯度变大。可能的原因为：pH值小时，产品以盐酸盐的形式析出，损失在滤液里比较少，收率较高，但是带氨基的副产物同样也可能被析出，导致纯度降低；pH值较大时，产品被夺去一个质子而呈负离子存在，溶解度明显变大，分子之间的氢键结合力更加牢固，因此可形成针状结晶，纯度也较高，但产品损失在滤液里比较多，收率相对较小。

表4 反应温度对产品收率和纯度的影响

表5 pH值对晶体形成的影响

（4）AHDNP精制工艺分析

为得到更高纯度的产物，选择了去离子水、40g/L的K2CO3水溶液和80g/L的K2CO3水溶液来对产物进行精制研究，见表6。

表6 精制溶剂对产物纯度和收率的影响

可见，用去离子水精制，产物的纯度提高太小；用80g/L的K2CO3水溶液来精制，由于产物在其溶液中溶解度大，配制的饱和溶液浓度过大，导致产物结晶太快，晶体中可能包裹了杂质，得到的精制产品纯度提高不明显，同时产物损失在溶液里也较多，收率也不高；而用40g/L的K2CO3水溶液来精制，得到的收率和纯度均令人满意。

3 结 论

在对高性能纤维的现状及发展进行分析的基础上，创新研究了制备PPIO关键中间体AHDNP的路线及其工艺优化，获得以下结论。

（1）以2-氨基-6-氯-3,5-二硝基吡啶为原料，碱性水溶液为反应体系，成功合成出PPIO制备中所用的关键中间体，精制后经FT-IR、MS、13C NMR 定性为目标产物AHDNP。AHDNP粗品经过碱性水溶液精制后纯度为98.13%。

（2）工艺优化后，获得合成2,6-二氯-3-硝基吡啶的较佳反应条件，即混酸体积比为1∶1、反应温度100℃、滴加时间1.5h、反应时间5h，取得收率为78.53%；获得氨解反应得2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的较佳反应条件，即溶剂量使用量100mL、反应温度45℃、反应时间3.5h、氨水的用量88mL，取得收率为60.55%。

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