2-氯-5-三氯甲基吡啶的合成研究

吴浩杰 冯亚华,2* 蔡青青 周昌兵 马琴燕 祖江秀 葛天涯 王玉林* 吕 亮,2

（1.衢州学院化学与材料工程学院，324000；2.衢州恒顺化工有限公司，324002：浙江 衢州）

2-氯-5-三氯甲基吡啶（TCMP）为吡啶系衍生物的氯化产物，不仅用于杀虫剂、除草剂等农药的合成，而且也是重要的医药和染料中间体，还可以作为氮肥增效剂使用[1-2]。对其合成研究从上世纪70年代就已开始，其中以3-甲基吡啶为原料进行合成最为直接，得到了大力的研发。

Nishiyama Ryuzo等以惰性气体（氮气或四氯化碳）为稀释剂，3-甲基吡啶和氯气（摩尔比为1:4～1:8）在350～500℃下，气相反应0.5～60 s合成TCMP，收率可达30%～60%[3]。David Cartwright往四氯化碳溶解的3-甲基吡啶溶液中通入氯气，以185 nm紫外光照射，在80℃下反应3 h，TCMP收率可达10%以上[4]。关槐等用溶剂溶解3-甲基吡啶，后通入氯气，于140℃，紫外灯照射，反应8 h，转化率达77.2%[5]。K D Campbell等以脱铝丝光沸石（或负载钯）为催化剂，氯气选择性气相氯化3-甲基吡啶合成TCMP。研究发现，在250～350℃下，稀释剂（惰性气体如N2、CO2等）对3-甲基吡啶的摩尔比为10:1～300:1，氯气对3-甲基吡啶摩尔比为20:1，反应0.5～15 s，收率达65.6%以上[6]。苏莉以3-甲基吡啶为原料，通过光氯化反应合成TCMP，结果发现，温度为180℃，时间为10 h，原料与溶剂体积比为1:3，产率可达到53.1%[7]。王爽米等研究了以3-甲基吡啶为起始原料，经N-氧化、苯甲酰氯氯化、氯气氯化3步反应合成TCMP的新工艺，得出以偶氮二异丁腈为引发剂，在140℃下反应22 h，收率为40.4%[8]。

吡啶环电子结构的特殊性，其定位氯化具有一定技术难度，TCMP的技术开发对含氯吡啶类衍生物的发展具有重要意义。本研究以3-甲基吡啶和氯气为原料无溶剂催化合成TCMP。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

Agilent6890N型气相色谱仪，Agilent 6890-5795型气质联用仪，R-201型旋转蒸发仪。

3-甲基吡啶，w(C6H7N)=99%；铂络合物为自制，其余试剂皆为分析纯。

1.2 合成方法

将30 g 3-甲基吡啶，以铂络合物作为催化剂。恒温油浴加热至140℃，磁力搅拌，当温度稳定后通入氯气，调节流量，反应8 h。冷却后用CCl4萃取，可得棕黑色粘稠状液体。

反应方程式如下：

1.3 色谱-质谱条件

色谱：Rtx-5MS毛细管柱（30m×0.25 mm×0.25 μm）；流动相为高纯He气（质量分数99.999%），体积流量1mL/min；分流体积比50:1；程序升温条件：50℃（停留5 min），再以5℃/min升至150℃；汽化室温度180℃；进样量0.2μL。

质谱：离子阱温度为210℃；电子轰击源（70 eV）；扫描质量范围35～400 amu，阀值1 000，平均扫描1.17次/s。

2 结果与讨论

2.1 工艺条件的优化

分别研究了原料比、反应温度、反应时间及催化剂用量等因素对反应收率的影响，并对不同实验条件下收集的样品进行分析（主要采用GC法），并根据检测结果来优化实验条件。采用L9(34)正交实验设计，选择原料比、催化剂用量、反应温度和反应时间4个因素，每个因素确定3个水平对产物的合成进行实验（见表1和表2）。

表1 正交实验因素及水平Tab 1 Orthogonal experiment factors and levels

表2 正交实验及结果Tab 2 Orthogonal experiment and results

由表2可见，氯气与3-甲基吡啶的摩尔比为影响TCMP合成的最主要因素。在搅拌充分的前提下，适当增大原料比，可以使氯气与3-甲基吡啶充分接触，因而对反应有利。反应温度与反应时间是影响反应的主要因素。反应温度低，则氯化反应速率低，不利于深度氯化；而反应温度过高，虽能加快反应速率，但副产物会增多，故反应温度以140℃为宜。反应时间短，3-甲基吡啶不能深度氯化，反应时间过长，则会使副产物增多。在8 h后，TCMP的含量增加不明显，因此反应时间选择8 h较为适合。催化剂用量为影响反应的次要因素，其用量增加到1.5 g后对反应影响趋于稳定，故可确定其用量为1.5 g（为3-甲基吡啶质量的5%）。

结果表明，优化反应条件为A3B2C2D2，即原料氯气与3-甲基吡啶的摩尔比为8:1，催化剂用量为3-甲基吡啶质量的5%，反应温度140℃、时间8 h。在此条件下，反应产率为79.0%。

2.2 产物的鉴定

对不同合成条件下的产物进行分析，按上述条件进行测定，利用保留时间和质谱法共同定性，以外标法定量。产物的气相色谱如图1所示。其中保留时间为3.49 min的色谱峰为TCMP的目标峰（与TCMP标准物对照）。

图1 产物的气相色谱Fig 1 Gas chromatogram of product

气质联用分析可得产物中TCMP的质谱如图2。

图2 TCMP的质谱Fig 2 Mass spectrum of TCMP

图2中的碎片离子分别为：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))，与TCMP结构相符。

3 结语

综上所述，以3-甲基吡啶和氯气为原料，铂络合物作为催化剂，在优化反应条件，即原料配比n(Cl2):n(C6H7N)=8:1，催化剂用量为3-甲基吡啶质量的5%，反应温度140℃、时间8 h。在此条件下，产率可达79.0%。研究结果具有一定的工业化应用前景。

[1]苏莉.2-氯-5-三氯甲基吡啶分离提纯的研究[J].现代农药,2005,4(4):10-11.

[2]苏莉,彭汝芳,邓跃全,等.气相色谱-质谱联用分析2-氯-5-三氯甲基吡啶[J].分析试验室,2007,26(12):14-17.

[3]Nishiyama Ryuzo,Fujikawa Kanichi,Yokomichi Isao,et al.Process for producing 2-chloro-5-trichloromethylpyridine：EP,0009212[P].1979-09-13.

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

[5]关槐,楚士晋.新方法合成2-氯-5-三氯甲基吡啶[J].化工技术与开发,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]苏莉.2-氯-5-三氯甲基吡啶的定向合成与结构测定[J].农药,2007,46(5):310-311.

[8]王爽米,张剑锋.2-氯-5-三氟甲基吡啶的合成[C].厦门:中国化学会第27届学术年会,2010.