氯甲基吡啶类化合物的液相氟化法 本发明涉及氯甲基吡啶类化合物的液相氟化法。
一氟甲基吡啶、二氟甲基吡啶和三氟甲基吡啶类化合物是用于合成高效、低毒含氟农药及杀鼠剂等的重要中间体。到目前为止，合成方法主要有两种，一种是由吡啶与CF3I等经催化反应制备，但反应很困难，产率很低。另一种是由氯甲基吡啶经过氟化反应得到主要生成产物为三氟甲基吡啶。例如以SbF3作为氟化剂，在80～120℃时通入氯气置换出氟离子，与2-氯-5-三氯甲基吡啶反应，制得的2-氯-5-三氟甲基吡啶的产率为37.8％[黄俊玲等，《农药》，1989,(1),1]。以AlCl3或CrF3作为催化剂，反应温度350℃，一步气相法可制备2-氯-5-三氟甲基吡啶，但是该法的催化剂较难获得，并且反应温度过高[JP62/12758,21 Jan 1987]。除此之外，液相氟化的方法已开始应用于邻氯三氯甲苯的氟化反应[《农药》，1994,(4),1]。
本发明的目的是提供一种氯甲基吡啶类化合物的液相氟化法。
本发明提供了一种氯甲基吡啶类化合物的液相氟化方法。主要是将氯甲基吡啶类化合物在催化剂的存在下与无水氟化氢发生氟化反应。反应一般是在高压下进行。将原料、催化剂、无水氟化氢等加入高压釜中，加热搅拌，升温到反应温度，反应2-40小时，还可延长反应时间。
具体来说，本发明是在100～250℃、压力为2～15MPa和催化剂的存在下，分子通式为的氯甲基化合物与无水氟化氢的摩尔比为1∶2-15，推荐摩尔比例为1∶5-15；催化剂与氯甲基化合物的重量比为1-10％，推荐重量比为4-6％；发生氟化反应2-40小时，推荐反应4-20小时，而实验室反应一般4-6小时即可。得到了可用分子通式描述为的纯度较高的一氟、二氟或三氟甲基吡啶类化合物，式中m=0、1或2,n=1、2或3,m＜n,R1=H、HS、CH3O、(CH3)2N或卤素。所述的催化剂是SbCl5,KBF4,CuCl2或FeCl3，推荐使用三氯化铁。增加氟化氢的用量有益于提高产率。
反应后可经后处理如下：冷却降温，放气泄压，副产物氯化氢和过量地氟化氢用碱如氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用碱如碳酸钠水溶液中和氟化氢后，用有机溶剂如乙酸乙酯萃取。干燥萃取液，过滤，滤液蒸馏，回收萃取溶剂。再升温蒸出产物粗品，最后减压精馏可以得到高纯度的氟化产物。工业生产中可以将过量的氟化氢回收套用。氯化氢可制成工业盐酸加以利用。
反应可用方程式举例描述如下：
上述反应推荐的反应条件是在130～150℃、压力为2～7MPa和催化剂的存在下，与无水氟化氢的在催化剂的作用下反应4-20小时得到了在200～240℃、压力为6～13MPa和催化剂的存在下，与无水氟化氢反应4-20小时，得到了。其中m、n、催化剂和其它反应条件如前所述，。
本发明还研究了具体反应条件如温度、催化剂的种类、反应物的用量对反应结果的影响，分别如表1、表2、表3等所示。
表1反应温度对结果的影响批号 原料 (克)催化剂 反应条件 反应粗品中氟化物含量 (％)温度℃压力MPa时间Hrs 0F HF 4F 3F 2F 1F 0F 09 173 200 KBF4 130 3.2 6.0 -- 0.97 26.78 69.27 0.18 13 173 200 KBF4 140 4.1 6.0 -- 2.13 84.90 11.68 0.04 16 173 200 KBF4 150 5.0 6.0 -- 3.01 92.12 2.79 -- 06 173 200 KBF4 180 8.0 6.0 1.04 97.37 0.80 0.30 --
从表1中09批、13批、16批的有关数据可以看出，对于反应来说，采用同样的催化剂在相同的反应时间条件下，反应温度在130℃时主要为1F化合物，第一步氟化是比较容易的，当选用140℃反应时，1F化合物开始转化成2F化合物，当反应温度升高到150℃时1F化合物明显地转化为2F化合物，只有当温度升高到180℃时主要产物才会是3F化合物。同样的，对于反应也是随温度的升高，氟化程度越高。说明氟化过程是分步进行的，能级分布也比较明显，每步反应的活化能逐级上升，要上第三个氟是比较困难的。
表2无水氟化氢浓度对反应结果的影响 批 号 原料 (克) 催 化 剂 反应条件 反应粗品中氟化物含量 (％)温度℃压力 MPa时间Hrs 0F HF 4F 3F 2F 1F 0F 09-01 173 200 KBF4 130 3.2 6.0 -- 0.97 26.78 69.27 0.18 09-02 -- 100 -- 130 1.8 6.0 -- 3.00 33.98 62.98 -- 10-01 173 200 CuCl2 130 2.9 6.0 -- 0.58 7.28 88.53 2.52 10-02 -- 100 -- 130 1.7 6.0 -- 2.26 35.66 61.94 0.09
从表2中09-01、09-02或10-01、10-02很容易发现在相同的温度条件下，分别采用同样的催化剂，反应6小时后冷却放气泄压，取样分析。再补加无水氟化氢继续反应6小时。从前后的分析结果可以看出增加氟化氢的浓度，产物中1F化合物明显转变成2F化合物。但转化不完全，说明浓度的影响不如温度的影响。
表3催化剂对反应结果的影响 批 号 原料 (克)催化剂 反应条件 反应粗品中氟化物含量 (％)温度 ℃压力MPa时间 Hrs 0F HF 4F 3F 2F 1F 0F 14 173 200 SbCl5 150 4.5 6.0 -- 3.36 70.46 24.36 -- 16 173 200 KBF4 150 5.0 6.0 -- 3.01 92.12 2.79 -- 17 173 200 CuCl2 150 4.7 6.0 -- 15.09 81.92 0.26 -- 11 173 200 FeCl3 150 5.5 6.0 2.22 95.02 1.63 0.59 --
从表1、表2、表3中可以看出只要有催化剂的存在下氟化反应很容易发生。不管什么条件下0F化合物的含量都很低或没有。说明上第一个氟很容易。从表3的有关数据看出在相同的温度条件下，氟化催化剂三氯化铁的催化活性最高。
我们分别采用2-氯-4-三氯甲基吡啶和2-氯-5-三氯甲基吡啶作为原料研究了不同原料对氟化反应的影响，从上面的实验过程可以发现2-氯-4-三氯甲基吡啶的氟化要比2-氯-5-三氯甲基吡啶的氟化难得多。要达到相同的氟化程度，2-氯-4-三氯甲基吡啶的氟化反应温度要高出约50℃以上，而且反应时间也要长许多。说明吡啶环上4号位的三氯甲基要比5号位的三氯甲基更难氟化，所需的活化能更高。
本发明采用液相氟化的方法，筛选出制备三氟甲基吡啶、二氟一氯甲基吡啶、一氟二氯甲基吡啶类化合物的催化剂和反应工艺条件，操作简便，反应中过量的HF可循环套用，产生的HCl可进一步制成工业品，本发明的产率可达60％以上，较之以前的气相氟化法或其它方法有突破性进展，并为工业化生产作好了准备。
实施例1
2-氯-4-一氟二氯甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的2-氯-4-三氯甲基吡啶175克，无水氟化氢200克，催化剂五氯化锑8克。加热搅拌，升温到200℃后保温16小时，最高压力为9MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到pH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，减压精馏收集115～120℃/-0.0985MPa的馏分112.5克，产物2-氯-4-一氟二氯甲基吡啶的含量为98％。反应得率为69.23％。
实施例2
2-氯-4-二氟一氯甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的2-氯-4-三氯甲基吡啶175克，无水氟化氢200克，催化剂五氯化锑8克。加热搅拌，升温到215℃后保温16小时，最高压力为11MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，减压精馏收集90～95℃/-0.0935MPa的馏分90.5克，产物2-氯-4-二氟一氯甲基吡啶的含量为98％。反应得率为60.33％。
实施例3
2-氯-4-三氟甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的2-氯-4-三氯甲基吡啶175克，无水氟化氢200克，催化剂五氯化锑8克。加热搅拌，升温到230℃后保温16小时，最高压力为13MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，精馏收集140～145℃的馏分13.8克，产物2-氯-4-三氟甲基吡啶的含量为98％。反应得率为10.04％。
实施例4
2-氯-5--氟二氯甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的2-氯-5-三氯甲基吡啶175克，无水氟化氢200克，催化剂五氯化锑8克。加热搅拌，升温到130℃后保温4小时，最高压力为2.9MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，减压精馏收集112～114℃/-0.098Mpa的馏分103克，产物2-氯-5-一氟二氯甲基吡啶的含量为98％。反应得率为63.38％。
实施例5
2-氯-5-二氟一氯甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的2-氯-5-三氯甲基吡啶175克，无水氟化氢200克，催化剂无水氯化铜8克。加热搅拌，升温到140℃后保温4小时，最高压力为4.8MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，减压精馏收集95～100℃/-0.0950Mpa的馏分98克，产物2-氯-5-二氟一氯甲基吡啶的含量为98％。反应得率为65.33％。19F-NMR:-27ppm。
实施例6
2-氯-5-三氟甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的2-氯-5-三氯甲基吡啶175克，无水氟化氢200克，催化剂三氯化铁8克。加热搅拌，升温到150℃后保温6小时，最高压力为6.0MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，精馏收集148～152℃馏分86.8克，产物2-氯-5-三氟甲基吡啶的含量为98％。反应得率为63.13％。19F-NMR:-13ppm。
实施例7
4-三氟甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的4-三氯甲基吡啶150克，无水氟化氢200克，催化剂五氯化锑8克。加热搅拌，升温到200℃后保温6小时，最高压力为9MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，减压精馏收集的馏分56.5克，产物4-三氟甲基吡啶的含量为98％。反应得率为50.35％
实施例8
3-三氟甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的3-三氯甲基吡啶200克，无水氟化氢100克，催化剂五氯化锑8克。加热搅拌，升温到150℃后保温6小时，最高压力为6.0MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，减压精馏收集馏分78克，产物3-三氟甲基吡啶的含量为98％。反应得率为69.51％。
实施例9
2-巯基-5-三氟甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的2-巯基-5-三氯甲基吡啶175克，无水氟化氢200克，催化剂五氯化锑4克。加热搅拌，升温到150℃后保温6小时，最高压力为6.0MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，浓缩得黄色固体121克，产物2-巯基-5-三氟甲基吡啶的含量为98％。反应得率为88.26％。
实施例10
2-甲氧基-5-三氟甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的2-甲氧基-5-三氯甲基吡啶175克，无水氟化氢200克，催化剂五氯化锑8克。加热搅拌，升温到150℃后保温6小时，最高压力为6.0MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，减压精馏收集馏分81.5克，产物2-甲氧基-5-三氟甲基吡啶的含量为98％。反应得率为60.28％。
实施例11
2-(N、N-二甲氨基)-5-三氟甲基吡啶的制备
在0.5升高压釜中加入含量为98％的2-(N、N-二甲氨基)-5-三氯甲基吡啶183克，无水氟化氢200克，催化剂五氯化锑15克。加热搅拌，升温到150℃后保温6小时，最高压力为6.0MPa。反应结束后冷却到室温。将釜内的反应副产物氯化氢和过量的原料氟化氢用氢氧化钠水溶液吸收。釜内物料用N2压入2升冰水中。用5％碳酸钠水溶液中和到PH=8～9，用乙酸乙酯萃取水溶液，萃取液用无水硫酸钠干燥4小时，过滤，滤液蒸馏回收乙酸乙酯，减压精馏收集馏分98克，产物2-(N、N-二甲氨基)-5-三氟甲基吡啶的含量为98％。反应得率为67.50％。