一种3,4,5,6-四氯吡啶甲酸的制备方法及其应用
文献发布时间：2023-06-19 19:30:30
技术领域
本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种3,4,5,6-四氯吡啶甲酸的制备方法及其应用。
背景技术
3,4,5,6-四氯吡啶甲酸是生产毒莠定、二氯吡啶酸、氯氨吡啶酸等除草剂的关键中间体，其制备方法一般是以3,4,5,6-四氯氰基吡啶为原料，经过水解反应得到产品。通常在酸性或碱性条件下，3,4,5,6-四氯氰基吡啶中的氰基很容易水解成酰胺，但要完全转化成羧酸，则需要更高的活化能，同时也带来很多的副反应。
RU2273635C2公开了一种以3,4,5,6-四氯氰基吡啶为原料制备3,4,5,6-四氯吡啶甲酸的工艺，反应温度为120℃-140℃，产品含量92％-97％。但该工艺产生的废酸量大，能耗较高，且得到的3,4,5,6-四氯吡啶甲酸纯度较低，对下游产品的质量影响很大。
关于3,4,5,6-四氯吡啶甲酸制备方法的报道较少，鉴于现有的制备方法存在的问题，有必要开发出一种产生的废酸少、能耗低、产品纯度高的3,4,5,6-四氯吡啶甲酸的制备方法。
发明内容
发明要解决的问题
本发明旨在提供一种3,4,5,6-四氯吡啶甲酸的制备方法及其应用，具体地，该制备方法产生的废酸少、能耗低、产品纯度和收率高，适合工业化生产，可用于毒莠定、二氯吡啶酸、氯氨吡啶酸等除草剂的合成。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，本发明提供了一种3,4,5,6-四氯吡啶甲酸(即化合物3)的制备方法，其包括以下步骤：
(1)化合物1与硫酸水溶液1反应，得到含化合物2的反应液；
(2)所述含化合物2的反应液与亚硝酰硫酸反应，得到重氮盐溶液；
(3)所述重氮盐溶液与硫酸水溶液2反应，得到含化合物3的反应液。
优选地，步骤(1)中所述硫酸水溶液1中的硫酸与所述化合物1的摩尔比为1.5-9：1，更优选1.7-5.8：1，进一步优选2.0-3.0：1；
优选地，步骤(1)中所述硫酸水溶液1中的水与所述化合物1的摩尔比为1-2：1，更优选1-1.5：1，进一步优选1：1。
优选地，步骤(1)中所述硫酸水溶液1的浓度为90％-94％。
优选地，步骤(1)中所述加热的温度为50℃-110℃，更优选70℃-110℃，进一步优选70℃-90℃。
优选地，步骤(1)中所述反应的时间为1h-4h，进一步优选2h-4h。
优选地，步骤(2)中所述亚硝酰硫酸与步骤(1)中所述化合物1的摩尔比为1-1.5：1，进一步优选1.2-1.5：1。
优选地，步骤(2)中所述反应的温度为-5℃至90℃，更优选20℃至60℃，进一步优选30℃至60℃。
优选地，步骤(2)中所述反应的时间为0.5h-6h。
优选地，步骤(2)还包括向所述重氮盐溶液中加入尿素的步骤。
更优选地，所述尿素的摩尔量为所述亚硝酰硫酸的0.02-0.03倍，进一步优选0.026倍。
优选地，步骤(3)中所述重氮盐溶液与硫酸水溶液2接触的步骤为：向所述硫酸水溶液2中滴加所述重氮盐溶液；更优选地，所述滴加的时间为0.5h-2h，进一步优选1h。
优选地，步骤(3)中所述硫酸水溶液2中的硫酸与步骤(1)中所述化合物1的摩尔比为1-2：1，更优选1.65：1。
优选地，步骤(3)中所述硫酸水溶液2的浓度为65％-80％。
优选地，步骤(3)中所述加热的温度为90℃-110℃，进一步优选100℃-110℃。
优选地，所述制备方法还包括在步骤(3)之后进行后处理的步骤。
更优选地，所述后处理的步骤为：将所述含化合物3的反应液冷却至室温，和冷水混合，过滤，水洗，烘干，即得化合物3；进一步地，所述冷水为0℃-20℃的水，优选0℃-10℃的水。
另外，本发明还提供了一种式4所示的毒莠定、式5所示的二氯吡啶酸或式6所示的氯氨吡啶酸的制备方法，其包括以下步骤：
其中，化合物3由上述制备方法得到。
发明的效果
本发明的3,4,5,6-四氯吡啶甲酸(即化合物3)的制备方法利用亚硝酰硫酸与四氯吡啶甲酰胺中间体进行重氮化反应，再进一步水解得到目标产物，同时对反应的各种参数进行了优化。与现有技术相比，本发明的制备方法酸的用量少，产生的废酸量小，反应温度低，能耗低，产物的纯度和收率高，适合工业化生产。
具体实施方式
在本发明中，使用“数值A～数值B”表示的数值范围是指包含端点数值A、B的范围。
在本发明中，使用“常温”、“室温”时，其温度可以是10℃-40℃，或者10℃-30℃。
在本发明中，所述冷水是指温度为0℃-20℃的水，进一步是指温度为0℃-10℃的水。
在本发明中，“TCPN”为3,4,5,6-四氯氰基吡啶的缩写。
在本发明中，“TCPA”为3,4,5,6-四氯吡啶甲酸的缩写。
亚硝酰硫酸是一种重要的重氮化原料，主要用于染料、医药行业。亚硝酰硫酸可取代重氮化反应中的原料亚硝酸钠，有效增加重氮盐的稳定性，使得大部分重氮化反应可以在常温下进行，无需在0℃以下进行，反应后不产生无机盐，不仅可以提高产品质量及产品稳定性，而且可以降低废酸排放量，降低生产及处理成本。
本发明中3,4,5,6-四氯吡啶甲酸的制备方法使用了亚硝酰硫酸进行重氮化，其具体步骤包括：
(1)化合物1与硫酸水溶液1反应，得到含化合物2的反应液；
(2)所述含化合物2的反应液与亚硝酰硫酸反应，得到重氮盐溶液；
(3)所述重氮盐溶液与硫酸水溶液2反应，得到含化合物3的反应液。
在一些实施方式中，步骤(1)中所述硫酸水溶液1中的硫酸与所述化合物1的摩尔比为1.5-9：1；在一些优选的实施方式中，所述摩尔比为1.7-5.8：1；在一些更优选的实施方式中，所述摩尔比为2.0-3.0：1。
在一些实施方式中，步骤(1)中所述硫酸水溶液1中的水与所述化合物1的摩尔比为1-2：1；在一些优选的实施方式中，所述摩尔比为1-1.5：1，例如1：1。
在一些实施方式中，步骤(1)中所述硫酸水溶液1的浓度为90％-94％。
在一些实施方式中，步骤(1)中所述加热的温度为50℃-110℃；在一些优选的实施方式中，步骤(1)中所述加热的温度为70℃-110℃；在一些更优选的实施方式中，所述加热的温度为70℃-90℃。
在一些实施方式中，步骤(1)中所述反应的时间为1h-4h；在一些优选的实施方式中，所述反应的时间为2h-4h。
在一些实施方式中，步骤(2)中所述亚硝酰硫酸与步骤(1)中所述化合物1的摩尔比为1-1.5：1；在一些优选的实施方式中，所述摩尔比为1.2-1.5：1。
在一些实施方式中，步骤(2)中所述反应的温度为-5℃至90℃；在一些优选的实施方式中，所述反应的温度为20℃至60℃；在一些更优选的实施方式中，所述反应的温度为30℃至60℃。
在一些实施方式中，步骤(2)中所述反应的时间为0.5h-6h。
在一些实施方式中，步骤(2)还包括向所述重氮盐溶液中加入尿素的步骤。
在一些实施方式中，所述尿素的摩尔量为所述亚硝酰硫酸的0.02-0.03倍，例如0.026倍。
在一些实施方式中，步骤(3)中所述重氮盐溶液与硫酸水溶液2接触的步骤为：向所述硫酸水溶液2中滴加所述重氮盐溶液；在一些实施方式中，所述滴加的时间为0.5h-2h，例如1h。
在一些实施方式中，步骤(3)中所述硫酸水溶液2中的硫酸与步骤(1)中所述化合物1的摩尔比为1-2：1，例如1.65：1。
在一些实施方式中，步骤(3)中所述硫酸水溶液2的浓度65％-80％。
在一些实施方式中，步骤(3)中所述加热的温度为90℃-110℃；在一些优选的实施方式中，所述加热的温度为100℃-110℃。
在一些实施方式中，所述制备方法还包括在步骤(3)之后进行后处理的步骤。
在一些优选的实施方式中，所述后处理的步骤为：将所述含化合物3的反应液冷却至室温，和冷水混合，过滤，水洗，烘干，即得化合物3；在一些实施方式中，所述冷水为0℃-20℃的水或者为0℃-10℃的水。
另外，本发明还提供了上述制备方法的应用，即上述制备方法可应用于式4所示的毒莠定、式5所示的二氯吡啶酸或式6所示的氯氨吡啶酸的合成，其包括以下步骤：
其中，化合物3由上述制备方法得到。
实施例
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1
(1)3,4,5,6-四氯氰基吡啶水解
向带有机械搅拌、温度计、回流冷凝管的500ml反应瓶中依次加入硫酸(149.9g，质量分数94％，1.44mol)、3,4,5,6-四氯氰基吡啶(127.3g，质量分数95％，0.5mol)，开启搅拌，升温至90±2℃，保温反应2小时，得到中间体3,4,5,6-四氯吡啶甲酰胺。
(2)重氮化反应
向上述反应液中缓慢滴加亚硝酰硫酸溶液(190.6g，质量分数40％，0.6mol)，滴加完毕后在90℃下保温0.5小时，得到重氮盐溶液，加入0.95g尿素后搅拌待用。
(3)重氮盐水解
向带有机械搅拌、温度计、回流冷凝管的1000ml反应瓶中加入硫酸(101.25g，质量分数80％，0.83mol)，加热至100℃，滴加重氮盐溶液，滴加完毕后保温1小时，HPLC检测中间体3,4,5,6-四氯吡啶甲酰胺残小于0.5％为反应结束。
(4)后处理
将重氮盐水解后的反应液冷却至室温后滴加入300g冷水中稀释，过滤，滤饼用100g水分别洗两次，烘干，得到3,4,5,6-四氯吡啶甲酸纯度99.11％，收率93.66％。
实施例2～4
按照实施例1的方法，对3,4,5,6-四氯氰基吡啶(TCPN)水解条件进行调变，反应结果列于下表1中。
表1
实施例5～11
按照实施例1的方法，对重氮化反应条件进行调变，反应结果列于下表2中。
表2
实施例12～15
按照实施例9的方法，对重氮盐水解条件进行调变，反应结果列于下表3中。
表3
对比例
向带有机械搅拌、温度计、回流冷凝管的500ml反应瓶中依次加入硫酸(300g，质量分数为92％，2.8mol)和3,4,5,6-四氯氰基吡啶(100g，质量分数95％，0.4mol)，将混合物加热至125～135℃，保温反应1.5小时。将反应液冷却至50℃后滴加入400ml冷水中稀释，过滤，滤饼用130g水洗涤，烘干，得到3,4,5,6-四氯吡啶甲酸，纯度94.87％，收率90.59％。