2-甲基-5-硝基咪唑的合成

2-甲基-5-硝基咪唑的合成

1乙二胺法、乙二醛法2-甲基-5-硝基咪唑是一種重要的精細化工原料，主要用于合成甲硝唑、硝唑和飲料添加劑二甲基丙烯酸酯。其工業(yè)合成方法有乙二胺法和乙二醛法,乙二胺法工藝流程復(fù)雜,現(xiàn)基本上被淘汰;乙二醛法流程簡單,反應(yīng)條件溫和,與乙二胺法相比有較大優(yōu)勢。但其原料乙二醛價格較貴,國內(nèi)供應(yīng)較緊,中間體2-甲基咪唑不易分離。作者以價廉易得的乙醛為原料經(jīng)硝酸氧化得乙二醛,不分離中間體乙二醛,直接與乙醛混和,同碳酸氫銨反應(yīng)得2-甲基咪唑,不分離中間體2-甲基咪唑,直接與硫酸、硝酸、尿素溶液進行硝化反應(yīng),“一鍋煮”合成2-甲基-5-硝基咪唑,其反應(yīng)方程式如下:2實驗部分2.1復(fù)合催化劑的制備原料:乙醛、濃硫酸、尿素、碳酸氫銨均為工業(yè)品,氨水、硝酸、亞硝酸鈉、硝酸銅、硼酸、亞硒酸均為化學純,自制復(fù)合催化劑CMB。儀器:WPS-1型數(shù)字熔點儀;Integral4000型液相色譜儀。2.2實驗步驟2.2.1催化氧化反應(yīng)將45%(m)的乙醛20g,0.5g亞硝酸鈉,1.0g復(fù)合催化劑CMB加入反應(yīng)瓶中,升溫至35℃、滴加35%的硝酸15g,反應(yīng)引發(fā)后,再滴加余下的45%的乙醛181g和35%的硝酸170g,控制滴加速度使溫度保持40℃,滴加完后,攪拌反應(yīng)3h,得到含乙二醛336g的氧化液,液相色譜分析乙二醛含量14.4%,乙醛含量8.3%。酸堿滴定法測得總有機酸含量(以醋酸計)為2.7%,乙二醛收率58.3%(以消耗的乙醛計)。2.2.2-甲基蒂唑的合成將16g乙醛補加到上述制得的氧化液中,使乙醛與乙二醛摩爾比為1.2∶1,然后在攪拌下滴加由170g碳酸氫銨和240g水形成的溶液,控制滴加溫度20℃,滴加完畢升溫至30℃,反應(yīng)4h,即得到含2-甲基咪唑的溶液。2.2.3-甲基-5-硝基蒂唑的合成減壓濃縮、冷卻2-甲基咪唑溶液,滴加100ml濃H2SO4,控制溫度不超過65℃,再滴加由74ml濃HNO3、43.5g尿素和168ml水的混合溶液,控制溫度不超過70℃,滴加完后升溫至100℃再滴加75.5ml濃硝酸,然后升溫回流2h,冷至室溫,氨水中和至pH=4,過濾、水洗、干燥得79.8g2-甲基-5-硝基咪唑,熔點250～253℃(文獻值251～253℃)環(huán)合、硝化兩步反應(yīng)收率為75.5%(以乙二醛計),總收率44%(以乙醛計)。3結(jié)果與討論3.1高乙二醛選擇性的反應(yīng)物理實驗結(jié)果硝酸氧化乙醛的反應(yīng)十分復(fù)雜,主要存在以下副反應(yīng):控制這兩類副反應(yīng)的發(fā)生是提高乙二醛選擇性的關(guān)鍵,通過實驗發(fā)現(xiàn),引發(fā)劑、反應(yīng)溫度、硝酸濃度、乙醛與硝酸摩爾比對氧化反應(yīng)影響很大。固定其它條件與實驗步驟所述相同,不加催化劑CMB時,分別改變引發(fā)劑用量,反應(yīng)溫度,硝酸濃度,乙醛與硝酸配比分別進行實驗。(1)底物生成乙二醛、生成醋酸由以上結(jié)果可知,不加NaNO2,乙二醛的選擇性和收率很低,生成的主要產(chǎn)物是醋酸。加入NaNO2后,NaNO2與HNO3反應(yīng)生成HNO2進而分解生成NO和NO2,由NO2引發(fā)氧化反應(yīng)朝生成乙二醛的方向進行。加入量以0.5～1.0g為佳。(2)反應(yīng)溫度對氧化反應(yīng)的影響(3)氧化溫度對反應(yīng)的影響由上述結(jié)果知,反應(yīng)溫度或硝酸濃度低時,乙二醛的選擇性雖高,但轉(zhuǎn)化率過低導(dǎo)致乙二醛的收率低。溫度過低時,易出現(xiàn)氧化反應(yīng)停止的現(xiàn)象,需加入引發(fā)劑和升高溫度重新引發(fā)反應(yīng),當硝酸濃度過大或反應(yīng)溫度過高時,副反應(yīng)嚴重,氧化液中的有機酸含量高,對后面的環(huán)化反應(yīng)和硝化反應(yīng)產(chǎn)生影響。反應(yīng)溫度為38～40℃,硝酸濃度以35%為宜。(4)原料的乙醛比例低,原料配比低由實驗結(jié)果可知,乙醛與硝酸配比低時,乙二醛選擇性較低,這是因為硝酸將生成的乙二醛繼續(xù)氧化成乙醛酸、草酸,配比高時,由于乙醛沸點低,易揮發(fā)造成收率低。以乙醛/硝酸為2.0∶1(mol)為宜。(5)復(fù)合催化劑的制備硝酸氧化乙醛生成乙二醛的催化劑有很多,如硝酸銅、亞硒酸、硼酸,但這些催化劑的催化效果并不十分明顯。作者采用自制的復(fù)合催化劑CMB,由以上結(jié)果可知,采用催化劑CMB,乙二醛的選擇性及收率分別為84.2%和58.3%。催化氧化乙醛生成乙二醛的選擇性大大提高。3.2-甲基蒂唑收率的影響因素乙醛、乙二醛的化學性質(zhì)較活潑,易發(fā)生氧化、聚合、縮合反應(yīng)。通過實驗發(fā)現(xiàn),堿的強度、反應(yīng)溫度、時間、乙醛與乙二醛的配比對2-甲基咪唑收率(以乙二醛計)有較大的影響,固定其它條件與實驗步驟與前述相同,分別改變堿的種類、反應(yīng)溫度、時間、乙醛與乙二醛的配比進行條件實驗。(1)幾種反應(yīng)物堿對2-甲基蒂唑收率的影響由上述結(jié)果可知,加入堿的堿性越強,乙醛、乙二醛自身縮合等副反應(yīng)越嚴重,2-甲基咪唑收率越低,適宜的堿為堿性較弱的NH4HCO3。(2)反應(yīng)溫度對硝化反應(yīng)的影響由上述結(jié)果可知,溫度過高或過低,收率均低,適宜的溫度是30～35℃,另外反應(yīng)溫度過高,副反應(yīng)多,雜質(zhì)多,反應(yīng)液顯褐色,給硝化反應(yīng)的合成及分離提純帶來困難。(3)反應(yīng)時間對環(huán)合反應(yīng)的影響結(jié)果如下由上述結(jié)果可知,隨著反應(yīng)時間的增加,收率提高,當反應(yīng)時間4h后收率提高已非常緩慢,適宜的反應(yīng)時間為4h。(4)-甲基蒂唑收率低由上可知,乙醛/乙二醛摩爾比較低時,由于乙醛的揮發(fā)性大,在堿性條件下易進行自身縮合副反應(yīng),使得參與環(huán)合反應(yīng)的乙醛相對不足,因此,2-甲基咪唑收率低。隨著摩爾比的提高,收率不斷提高,當配比達1.2∶1(mol/mol)后,收率又下降,這是由于乙醛過量太多,乙醛的自身縮合等副反應(yīng)嚴重。因此,適宜的乙醛/乙二醛配比為1.2∶1(mol/mol)。3.3硝化反應(yīng)生成nox氣體先將硫酸加入到2-甲基咪唑溶液中,再滴加由硝酸和尿素形成的混合液,一方面使可使NOX氣體分解成N2,以減輕污染,另一方面避免了局部過熱