2-氨基-6-羥基-3,5-二硝基吡啶的合成探索

葉福達，金寧人，劉浩杰，張清義

（浙江工業(yè)大學化學工程學院，浙江 杭州 310032）

隨著人類社會的不斷進步，尖端科技工業(yè)部門對纖維提出了更高的要求，高強度、高模量和耐高溫的纖維已成為迫切需要發(fā)展的新材料。聚對苯撐苯并雙唑（PBO）纖維的高強度、高模量、阻燃性等優(yōu)良性能使其成為目前有機高性能纖維中的佼佼者。但同時也發(fā)現PBO纖維的壓縮和扭曲性能較差，壓縮強度僅為0.20～0.40GPa，甚至還不及芳綸的壓縮強度[1]，這主要是由于分子之間缺少鍵合力，大分子之間容易產生滑移所致。受壓時，纖維表面可見明顯的折疊帶，嚴重阻礙了其應用，因此迫切需要對PBO進行改性。荷蘭的Akzo Nobel公司在PBO分子鏈設計的基礎上加強了鏈間的氫鍵作用，開發(fā)了一種新型的液晶芳香族雜環(huán)鋼棒聚合物，即聚[2,5-二羥基-1,4-苯亞乙基吡啶并二咪唑]（PIPD），簡稱M5[2]，見圖1，其含有雙向氫鍵網狀結構而使聚合物的壓縮性能和復合黏結性能均得到極大提高[3-5]。但由于圖2中關鍵單體2,3,5,6-四氨基吡啶（TAP·3HCl）采用高價的2,6-二氨基吡啶為原料使價格極高、制備難度大，產業(yè)化及推廣應用價值低[6]。

圖1 PBO與PIPD分子結構圖

鑒于PBO結構中亞苯基環(huán)上引入羥基只能改進其復合性能而對抗壓性能無貢獻的理論[7]、以及PBO的拉伸與耐熱性能優(yōu)于PIPD之事實[8-9]。在PIPD分子鏈設計的基礎層面上，參照浙工大團隊設計和開發(fā)的聚對亞苯基苯并咪二唑（PBIO）[10]的創(chuàng)新思路，將PIPD重復單元中兩個咪唑環(huán)的一個變換為唑環(huán)，即一個氮氫原子—NH—變換為氧原子—O—，從而使在保證一個咪唑環(huán)上的氫原子可與上（或下）鏈中亞苯基環(huán)上的羥基氧、在分子鏈間形成—N—H···O—H氫鍵以改善纖維軸向抗壓性能。從而實現在復合抗壓性能提高的同時使其拉伸及耐熱性能接近PBO而更優(yōu)于M5性能，如圖3所示的R基改性PPIO（R-PPIO）研發(fā)。

從聚合技術層面上看，采用AA型和BB型單體來聚合高分子，由于兩種分子的比例不好控制，聚合度上不去。若分子量達不到一定要求，將嚴重影響其耐熱性、拉伸強度和模量。所以，本文設計出如圖3所示的既可用于合成AB型單體也可用于AA/BB型的復合鹽單體制備所需的關鍵中間體AHDNP作原料來解決聚合層面上的難題。

本工作重點涉及應用于改性PPIO創(chuàng)新物質制備中所用的關鍵中間體AHDNP，研究其合成技術，關于此物質的合成國內外文獻僅有一篇報道[11]，但此種工藝由于收率低，原料價格昂貴，不利于工業(yè)化生產。本工作首先在實用的基礎上，研究以廉價的2,6-二氯吡啶為原料經硝化、氨解、硝化和水解4步反應合成AHDNP的新路線和新技術，見圖4。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

圖2 M5的合成途徑

圖3 R-PPIO的合成

圖4 AHDNP的合成

材料：2,6-二氯吡啶（C5H3Cl2N），純度＞98.5%，工業(yè)品; 濃硫酸（H2SO4），質量分數＞95.0%，西隴化工股份有限公司；發(fā)煙硝酸（HNO3），質量分數＞95.0%，國藥集團試劑有限公司;異丙醇，分析純，杭州雙林化工試劑廠；乙醇（CH3CH2OH），分析純，衢州巨化有限公司；氨水，含量25%～28%，杭州龍山精細化工有限公司；硝酸鉀（KNO3），含量＞99.0%，上海化專實驗二廠；碳酸鉀（K2CO3），含量＞99.0%，江蘇彤晟化學試機有限公司。

儀器設備：FT/IR Nicolet-6700型紅外光譜儀，美國Thermo公司；P-230型液相色譜儀；AVANCE-Ⅲ 500MHz型核磁共振儀，瑞士Bruker公司；DECAX-60000LCQ Deca XP 液相色譜-離子阱質譜儀，美國Thermo公司。

1.2 合成方法

1.2.1 純度分析條件

分析儀器為P-230型液相色譜儀，ODS C8色譜柱，柱溫 30℃，流動相為50%甲醇水溶液，紫外檢測器檢測波長為254nm，流動相流速為1.0 mL/min。

1.2.2 2,6-二氯-3-硝基吡啶的合成

在帶有回流裝置的四口燒瓶中，加入35mL濃硫酸，用冰水浴控制溫度低于10℃條件下，緩慢分批加入12.5g（0.085mol）2,6-二氯吡啶，加畢繼續(xù)攪拌溶解，待原料完全溶解，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加15mL混酸（發(fā)煙硝酸與濃硫酸的體積比為1∶1）1.5h。滴加完畢后撤去冰水浴，用加熱套緩慢升溫至100℃，保溫反應5h。反應完畢，待反應液自然冷卻至室溫后，將其在玻璃棒攪拌條件下倒入碎冰中，有大量紅棕色氣體溢出，同時有大量黃綠色固體析出，抽濾，水洗3遍，干燥得12.88g黃綠色固體，純度96.89%，收率為76.44%。

1.2.3 2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的合成

在帶有回流裝置的四口燒瓶中加入8g 2,6-二氯- 3-硝基吡啶和100mL無水乙醇，攪拌，待固體完全溶解完畢，開始緩慢滴加88mL 25%氨水2h。滴加完畢后，加熱升溫至45℃，保溫反應3.5h，反應過程中不斷有黃色晶體生成。反應完畢后，在冰水浴中繼續(xù)冷卻結晶，抽慮，水洗3遍，干燥得黃色粒狀晶體4.36g，純度為99.48%，收率為60.55%。

1.2.4 ACDNP的合成

在燒瓶中加入17.17 mL濃硫酸，用冰水浴控制溫度低于10℃的條件下，緩慢加入3.0g 2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶和迅速加入2.15gKNO3，加畢，繼續(xù)攪拌，待完全溶解后，撤去冰水浴，用加熱套升溫至40℃，并保溫反應6h。反應完畢后，將反應液自然冷卻至室溫，緩慢加入到碎冰中，抽濾，水洗3遍，干燥，得到黃色粉末固體3.35g，純度為95.59%，收率為88.6%。

1.2.5 AHDNP的合成

在燒瓶中加入1.2g ACDNP，再加入含有2.0g K2CO3的50mL堿性水溶液，加畢，在攪拌條件下升溫至70℃，保溫反應2h。反應完畢，析出棕黃色針狀晶體，抽濾，水洗3遍，干燥得到純度為95.50%的黃色針狀晶體1.01g，產率為90.83%，用40g/L的K2CO3水溶液重結晶后，純度為98.13%，精制收率90.36%，總產率為82.07%。IR（KBr，cm-1）：3576.7，3374.5，3081.7，1686.8，1656.4，1603.9，1312.6，1245.8；質譜（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。譜圖分別見圖5和圖6。

2 結果與討論

2.1 AHDNP的定性與表征

2.1.1 紅外圖譜解析

圖5 AHDNP的FT-IR

紅外圖譜主要吸收峰歸屬分析：3576.7cm-1（O—H伸縮振動），3374.5cm-1（N—H伸縮振動），3081.7cm-1（吡啶環(huán)上=C—H伸縮振動），1686.8cm-1和1656.4cm-1（吡啶環(huán)上C=C和C=N的伸縮振動），1603.9cm-1（吡啶環(huán)上—NO2不對稱伸縮振動），1312.6cm-1（吡啶環(huán)上—NO2對稱伸縮振動），1245.8cm-1（吡啶環(huán)上=C—O伸縮振動）。結果表明與產物結構式完全一致。

2.1.2 質譜MS剖析

圖3的質譜峰數據與分析的物質斷裂碎片m/z數據一致，符合推斷的斷裂方式。

2.1.3 核磁13C NMR剖析和定性

通過對圖7的13C NMR核磁共振圖譜分析及歸屬剖析可得，合成的物質和目標化合物結構一致，分析見表1。

圖7 AHDNP的碳譜圖

經以上FT-IR、MS和13C NMR的綜合定性為AHDNP。

2.2 AHDNP合成技術

2.2.1 2,6-二氯-3-硝基吡啶合成實驗正交實驗的設計

在2,6-二氯吡啶使用混酸進行單硝化初步試驗的基礎上，選擇反應溫度（100℃，110℃，120℃）、反應時間（5h，6h，7 h）、混酸的體積比（0.8∶1，1∶1，1.2∶1）、混酸滴加時間（0.5h，1.0h，1.5h），設計四因子三水平的正交試驗L9(34)，獲得產物折百后的收率36.94%～72.09%、純度57.91%～95.02%，經結果的極差計算因子水平的變化趨勢見圖8。

從而獲得單硝化過程因素的影響次序為：混酸的體積比C＞反應溫度A＞滴加時間D＞反應時間B。對應平均收率的極差分別為14.54%、12.9%、11.53%和9.07%，最大值與最小值之比只有1.6。可見，4個因素的不同水平對結果均有顯著影響。

圖8 因素水平對收率指標平均值影響的趨勢圖

混酸的體積比C是硝化過程中的關鍵影響因子，隨著混酸的體積比增加，目標產物的收率是先增加后降低。在發(fā)煙硝酸與濃硫酸的體積比為1∶1時，硝化效果最好，目標產物的收率能達到72.09%，即硝化過程在混酸的體積比適中時條件下進行最好。此外，反應溫度也對硝化過程也很重要，溫度為100℃最佳，即較低的溫度有利于硝化反應的進行。滴加時間為1.5h，反應時間為5h為佳，若反應時間過長副產物會更多。工藝優(yōu)化組合為A1B1C2D3

按獲得的較佳反應條件A1B1C2D3（即混酸體積比為1∶1、反應溫度100℃、滴加時間1.5h、反應時間5h）進行合成2,6-二氯-3-硝基吡啶的驗證及優(yōu)化試驗，取得收率為78.53%。

2.2.2 2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的合成與再硝化技術

（1）2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的合成

采用無水乙醇作為溶劑，25%氨水作氨解試劑，對2,6-二氯-3-硝基吡啶的選擇氨解反應作工藝優(yōu)化，選擇溶劑使用量（80mL、100 mL、120mL）、反應溫度（30℃、45℃、60℃）、反應時間（2.5h、3.5h、4.5h）、氨水的用量（34mL、44mL、54mL），設計4因子3水平的正交試驗L9(34)，目標產物的收率40.34～57.01%、純度94.25～99.38%，獲得氨解過程因素的影響次序為：反應溫度A＞氨水用量C＞反應時間B＞無水乙醇用量D。平均收率的極差最大為9.53%，最小為2.22%（屬實驗誤差范圍）。

可見，反應溫度是氨解硝化過程中的關鍵影響因子，隨著反應溫度升高，目標產物的收率是先增加再降低。在而反應溫度在45℃時，氨解效果最好，目標產物的收率能達到57.09%，溫度過低，則反應不完全；若溫度過高，則易導致氨氣跑出，即氨解反應在溫度適中時條件下進行最好。工藝優(yōu)化組合為A2B2C2D2：即溶劑100mL、溫度45℃、時間3.5h、氨水44mL的條件為較優(yōu)。

考慮到乙醇用量D影響最小，屬實驗誤差范圍，從溶劑用量的經濟性考慮，選擇50 mL的工藝，并對投料放大一倍、選擇：原料8.0g、反應溫度為45℃、100 mL無水乙醇、反應時間3.5h、氨水用量88 mL較佳條件進行驗證和優(yōu)化實驗，合成得到的2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶，純度99.48%、收率為60.55%。

（2）ACNDP硝化合成2-氨基-6-氯-3,5-二硝基吡啶技術

由于得到的產物純度為95.59%，收率為88.6%，結果比較令人滿意，而且提高的空間不大，所以不做正交優(yōu)化試驗。

2.2.3 AHDNP合成技術

（1）水解反應體系中水解試劑及用量對產物生成的影響

首先，研究堿性大小對反應產物收率和純度的影響，實驗設計成只改變K2CO3的用量，而其他條件不變，實驗結果見表2。通過分析可知，當K2CO3的用量為2g時，收率和純度均最大。可能的原因：加入K2CO3質量太少，反應物還沒有完全轉化，所以收率和純度均較小；加入K2CO3質量太多，由于堿性太強，一部分產物被破壞和另一部分損失在濾液中，所以收率降低。綜合收率和濃度兩個因素，選擇K2CO3的用量為2g為最佳反應條件。

表2 K2CO3用量對產物AHDNP生成的影響

研究水解反應環(huán)境的酸堿度對產物生成的影響，特設計了一個對比實驗。實驗的方案是只把 2.0g K2CO3換成2.0g NaOH，其他條件不變。反應結束后得到的反應液中沒有產物。

為闡明2.0gNaOH得不到AHDNP，以及表2實驗3比實驗2收率降低5.31%之實質是由K2CO3用量引起還是實驗誤差導致，特設計反證試驗，用實驗2制備的AHDNP，在70℃條件下，選擇不同用量的NaOH進行產品AHDNP破壞實驗，其現象和結果詳見表3。

表3 堿用量對產物AHDNP的破壞影響

由表3可知，隨著NaOH用量增加，產品逐漸被破環(huán)，顏色逐漸加深。可能的原因是AHDNP分子可互變?yōu)閮弱０罚瑑弱０锋I極易在強堿性條件下水解，破壞了吡啶環(huán)（如圖9）。因此，在設計反應時，保證反應能進行的情況下，酸堿度應盡量控制在弱堿性。

圖9 AHDNP與NaOH的反應

（2）水解反應溫度對產物的影響

為研究溫度對反應的影響，通過改變溫度而其他條件不變來研究對產物收率和純度的影響，實驗結果見表4。由實驗結果可知，隨著溫度的升高，反應物的收率先增大后減小，反應物的純度也是先增大后減小。可能的原因：溫度太低，反應速度慢，反應不完全，導致產率和純度低；溫度太高，產物可能發(fā)生了內酰胺水解副反應而且副產物溶解在水中，也導致產率下降。綜合收率和純度兩個因素考慮，故選擇溫度為70℃。

（3）pH值對產品析出及晶體形成的影響

為研究pH值對產物在黃色澄清透明反應液中的結晶情況、產物收率和純度的影響，將同一鍋反應液分成3份，分別用濃HCl調節(jié)pH值，在酸性、中性和堿性條件下析出產物，結果見表5。

可以看出，隨著pH值的增大，收率減小，而 純度變大。可能的原因為：pH值小時，產品以鹽酸鹽的形式析出，損失在濾液里比較少，收率較高，但是帶氨基的副產物同樣也可能被析出，導致純度降低；pH值較大時，產品被奪去一個質子而呈負離子存在，溶解度明顯變大，分子之間的氫鍵結合力更加牢固，因此可形成針狀結晶，純度也較高，但產品損失在濾液里比較多，收率相對較小。

表4 反應溫度對產品收率和純度的影響

表5 pH值對晶體形成的影響

（4）AHDNP精制工藝分析

為得到更高純度的產物，選擇了去離子水、40g/L的K2CO3水溶液和80g/L的K2CO3水溶液來對產物進行精制研究，見表6。

表6 精制溶劑對產物純度和收率的影響

可見，用去離子水精制，產物的純度提高太小；用80g/L的K2CO3水溶液來精制，由于產物在其溶液中溶解度大，配制的飽和溶液濃度過大，導致產物結晶太快，晶體中可能包裹了雜質，得到的精制產品純度提高不明顯，同時產物損失在溶液里也較多，收率也不高；而用40g/L的K2CO3水溶液來精制，得到的收率和純度均令人滿意。

3 結 論

在對高性能纖維的現狀及發(fā)展進行分析的基礎上，創(chuàng)新研究了制備PPIO關鍵中間體AHDNP的路線及其工藝優(yōu)化，獲得以下結論。

（1）以2-氨基-6-氯-3,5-二硝基吡啶為原料，堿性水溶液為反應體系，成功合成出PPIO制備中所用的關鍵中間體，精制后經FT-IR、MS、13C NMR 定性為目標產物AHDNP。AHDNP粗品經過堿性水溶液精制后純度為98.13%。

（2）工藝優(yōu)化后，獲得合成2,6-二氯-3-硝基吡啶的較佳反應條件，即混酸體積比為1∶1、反應溫度100℃、滴加時間1.5h、反應時間5h，取得收率為78.53%；獲得氨解反應得2-氨基-6-氯-3-硝基吡啶的較佳反應條件，即溶劑量使用量100mL、反應溫度45℃、反應時間3.5h、氨水的用量88mL，取得收率為60.55%。

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