一种4-硝基咪唑的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及化学合成领域，具体涉及一种4-硝基咪唑的制备方法。
【背景技术】
[0002]4-硝基咪唑，是医药领域合成一类消炎药的重要中间体，多用于合成抗真菌药类，还作为制备心血管药的中间体。如合成抗菌抗原虫菌素罗硝唑等，在军工领域的含能材料中，4-硝基咪唑是合成2，4- 二硝基咪唑、4，5- 二硝基咪唑、2，4，5-三硝基咪唑等高能炸药的重要合成中间体。4-硝基咪唑还可以作为饲料的添加剂也可以用作高分子化学行业的聚合和缩聚反应，尤其是环氧化合物反应、羟醛缩合反应、丙二酸乙酯或乙酰乙酸乙酯缩合反应的催化剂。因此，合成4-硝基咪唑这一有机中间体有着非常重要的意义。
[0003]20世纪80年代，出现了一种新型硝化剂五氧化二氮，被称为“绿色”硝化剂，国外已研制出使用“绿色”硝化技术。近年来由于环境污染问题日益为各国关注，对环境污染少的硝化剂很受欢迎。
[0004]目前4-硝基咪唑的合成方法主要有以下几种:
[0005]1、专利W02010021409所述方法，将咪唑溶于浓硫酸中，所得反应热加热70°C，然后再滴入浓硝酸。滴完以后，反应液再升温至100°c，保温反应5小时。反应液冷却后倒入冰水中，并用氨水中和。固体析出、过滤、水洗、干燥得到4?硝基咪唑，产率78%。
[0006]2、山西化工杂志，2013，32(4)，1?4和中北大学学报(自然科学版)，2006，27 (4)，331?334。所述方法是将咪唑溶于浓硫酸中后用混酸进行硝化，反应完成后使用氨水中合经分离纯化得到4-硝基咪唑，产率65%?92%之间。
[0007]3、专利CN 103724275A所述方法，将咪唑溶于浓硫酸后与不同比例的硝化剂通过并加法进行硝化反应，硝酸与所加咪唑的摩尔比1.0?3.0，加热至50?150°C，反应，冷却，分离纯化，得到4-硝基咪唑。
[0008]上述方法存在以下缺点:方法一，所用的硝酸量较大，工艺反应温度高时间长，收率低；方法二，反应不稳定难控制，所用的硝酸量较大；方法三，反应温度高，能耗大。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是提供一种收率高、能耗低且硝酸量较小的4-硝基咪唑的制备方法。
[0010]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:
[0011]一种4-硝基咪唑的制备方法，它包括以下步骤:
[0012](I)向质量分数为98%的硫酸水溶液中加入咪唑并不断搅拌，滴加完全后18?25°C下保温18?25min，得二硫酸咪唑盐溶液；
[0013](2)将步骤(I)中得到的二硫酸咪唑盐溶液加热至45?55°C，加入N2O5-混酸硝化剂并搅拌混合，N2O5-混酸硝化剂滴加完全之后保温30?35min ；
[0014](3)将步骤(2)中所得的混合体系冷却至O?5°C，加入预冷的冰水混合物并用氨水调节pH至4.3?4.5，离心收集沉淀，将沉淀真空干燥即得4-硝基咪唑。
[0015]其中，步骤(I)的优选方案为向质量分数为98%的硫酸水溶液中加入咪唑并不断搅拌，滴加完全后20°C下保温20min，得二硫酸咪唑盐溶液。
[0016]其中，步骤(2)的优选方案为将步骤(I)中得到的二硫酸咪唑盐溶液加热至50°C，加入N2O5-混酸硝化剂并搅拌混合，N2O5-混酸硝化剂滴加完全之后保温30min。
[0017]其中，步骤(3)的优选方案为将步骤(2)中所得的混合体系冷却至0°C，加入预冷的冰水混合物并用氨水调节pH至4.5，离心收集沉淀，将沉淀真空干燥即得4-硝基咪唑。
[0018]步骤(I)中，咪唑与硫酸水溶液的质量比为3.0?3.6:1，优选质量比为3.5:1。
[0019]步骤⑵中，所述的N205-混酸硝化剂由硝酸水溶液、五氧化二氮和发烟硫酸混合rfn 。
[0020]其中，硝酸水溶液中，溶质硝酸的质量分数为80%?90%，优选质量分数为86% ；发烟硫酸中三氧化硫的质量分数为10%?15%，优选质量分数为10% ;硝酸水溶液中硝酸、五氧化二氮和发烟硫酸摩尔比为1:0.1?0.2:3?3.5，优选摩尔比为1:0.1:3。
[0021]其中，硝酸水溶液中硝酸与咪唑的摩尔比为0.8:1?1.1 ;优选摩尔比为0.8:1。
[0022]步骤⑶中，所述的氨水中NH3的质量分数为20% -25% ;优选质量分数为20%。
[0023]步骤(3)中，干燥温度为40?60°C，优选温度为60 °C。
[0024]有益效果:与现有技术相比，本发明具有如下优势:、
[0025](I)在硫酸咪唑盐的硝化反应中，使用浓硝酸、五氧化二氮和发烟硫酸的混合硝化剂，使反应收率可提高至95.5%，降低成本。
[0026](2)五氧化二氮替代部分浓硝酸的硝化作用，减少浓硝酸的使用量，降低反应温度，减少反应时间，减少废酸的生成更加环保，为本产品的工业化提供了方便。
【具体实施方式】
[0027]根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。
[0028]实施例1:
[0029]硫酸咪唑盐的制备:
[0030]在250mL三颈烧瓶中加入25.8mL 98%浓硫酸并冰浴至5°C，加入咪唑13.6g，添加完全后于20°C下搅拌20min，得到二硫酸咪唑盐溶液。
[0031]硝化剂的制备:
[0032]在250mL三颈烧瓶中加入40ml 10%发烟硫酸并冰浴至5°C，然后向三颈烧瓶缓慢加入86%浓硝酸8.53mL和1.85g的五氧化二氮并不断搅拌，得到N2O5-混酸硝化剂。
[0033]4-硝基咪唑的制备:
[0034]将二硫酸咪唑盐溶液水浴加热至50°C，在此温度下缓慢加入N2O5-混酸硝化剂并不断搅拌，浓硝酸与咪唑的摩尔比为0.8:1，加入完全后50°C下搅拌30min使其反应完全。将反应体系冷却至0°C，加入冰水混合物7mL，用20%氨水调节pH值为4.5，此过程控制温度在O?5°C，产品从反应液中析出，6000rpm离心1min后，水洗，60°C下真空干燥得到4-硝基咪唑21.7g，收率95.5%，产品纯度99.8%o
[0035]实施例2:
[0036]硫酸咪唑盐的制备:
[0037]在250mL三颈烧瓶中加入25.8mL 98%浓硫酸并水浴至5°C，不断搅拌下加入咪唑13.6g，添加完之后保温于20°C并搅拌20min，得到二硫酸咪唑盐溶液。
[0038]硝化剂的制备:
[0039]取40ml发烟硫酸于250mL三颈烧瓶中并冰浴至5°C，在搅拌下缓慢添加86%浓硝酸10.7mL和Ig的五氧化二氮，得到N2O5-混酸硝化剂。
[0040]4-硝基咪唑的制备:
[0041 ] 将硫酸咪唑盐溶液的水浴加热到55°C，在此温度下缓慢加入N2O5-混酸硝化剂并不断搅拌，浓硝酸与咪唑的摩尔比未1:1，加完之后保温搅拌30min使其反应完全。再冷却反应液到0°C，加入冰水混合物7mL，用20 %氨水调节pH值为4.5，此过程控制温度在O?5°C，产品从反应液中析出，经离心、水洗，60°C下真空干燥得到4-硝基咪唑21.2g,收率93.3%，产品纯度99.5%。
[0042]对比例1:
[0043]将22ml 98 %的浓硫酸加入烧瓶中，再加入13.6克咪唑，并将该反应液加热至550C。再滴入26.8ml混酸(44mL发烟硫酸，12.8mL浓硝酸)，此时，咪唑与浓硝酸的摩尔比为1:1.2，加完后将反应液的温度保持55°C，并保持I小时。反应液倒入550克冰水中，用氨水调节pH至3?4。过滤、干燥得到21.9克4-硝基咪唑，反应收率为92.9%。
[0044]对比例2:
[0045]将60ml浓硫酸(浓度为95wt% )加入烧瓶中，再加入20克咪唑，并将该反应液加热至70°C。再滴入60ml浓硝酸(浓度为69wt% )，此时，浓硝酸为咪唑的3.1当量，加完后将反应液的温度升至100°C，并保持5小时。反应液倒入100克冰水中，用氨水调节pH至中性。固体过滤、水洗、干燥得到26克4?硝基咪唑，反应收率为78%。
[0046]对比例3:
[0047]反应液的配制:
[0048]配制反应液1:取浓硫酸(3000g，1630ml，浓度为98wt% )放入塑料烧杯中，并降温至0°C，分批加入咪唑(500g，7.34mol)，在此过程中保持温度在O?20°C内，配制完后反应液I的体积为2092ml，反应液I中咪唑的摩尔浓度为3.51mol/L。
[0049]配制反应液I1:取浓硝酸(68wt%，14.4mol/L)作为反应液II。
[0050]制备4?硝基咪唑:将微反应器温度升至110°C;分别用2个柱塞泵将反应液I和应液II泵入微反应器，反应液I的流速为70ml/min，反应液II的流速为22ml/min，此时，加入的浓硝酸为咪唑的1.3当量，0.69分钟后(微反应器总体积为64ml)，反应液冷却后流出微反应器，收集在储液罐中。持续以上操作0.49h，至所有反应液I泵完。分离纯化:将储液罐中的反应液降温至0°C，缓慢滴加浓氨水，调节pH至8?9。产品从反应体系中析出，过滤、水洗、干燥得到4?硝基咪唑768克，分离收率为92%，HPLC纯度99.3%。
[0051]从上述实施例1?2与对比例I?3对比，可以看出，现有技术制备4-硝基咪唑时使用咪唑1.2?4当量的浓硝酸进行反应，反应收率在60%?92.9%，而本发明所述的4-硝基咪唑因使用五氧化二氮代替部分浓硝酸进行硝化反应，仅仅使用咪唑0.8?I当量的浓硝酸进行反应，反应收率可达95.5%，且反应最优温度仅为50 V，反应温度明显降低易控制且不产硝烟，反应时间更短，具有明显的成本优势。
【主权项】
1.一种4-硝基咪唑的制备方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)向质量分数为98%的硫酸水溶液中加入咪唑并不断搅拌，滴加完全后18?25°C下保温18?25min，得二硫酸咪唑盐溶液； (2)将步骤(I)中得到的二硫酸咪唑盐溶液加热至45?55°C，加入N2O5-混酸硝化剂并搅拌混合，N2O5-混酸硝化剂滴加完全之后保温30?35min ； (3)将步骤(2)中所得的混合体系冷却至O?5°C，加入预冷的冰水混合物并用氨水调节pH至4.3?4.5，离心收集沉淀，将沉淀真空干燥即得4-硝基咪唑。
2.根据权利要求1所述的4-硝基咪唑的制备方法，其特征在于，步骤(I)中，咪唑与硫酸水溶液的质量比为3.0?3.6:1。
3.根据权利要求1所述的4-硝基咪唑的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述的N2O5-混酸硝化剂由硝酸水溶液、五氧化二氮和发烟硫酸混合而成。
4.根据权利要求3所述的4-硝基咪唑的制备方法，其特征在于，硝酸水溶液中，溶质硝酸的质量分数为80%?90%;发烟硫酸中三氧化硫的质量分数为10%?15%;硝酸水溶液中硝酸、五氧化二氮和发烟硫酸摩尔比为1:0.1?0.2:3?3.5。
5.根据权利要求1和3所述的4-硝基咪唑的制备方法，其特征在于，硝酸水溶液中硝酸与咪唑的摩尔比为0.8:1?1.1。
6.根据权利要求1所述的4-硝基咪唑的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，冰水混合物预冷的温度为0°C ;冰水混合物的用量为5?10mL。
7.根据权利要求1所述的4-硝基咪唑的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的氨水中NH3的质量分数为20% -25%。
8.根据权利要求1所述的4-硝基咪唑的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，干燥温度为40?60°C，优选温度为60 °C。
【专利摘要】本发明公开了一种4-硝基咪唑的制备方法，它由浓硫酸和咪唑制备得到二硫酸咪唑盐后加入N2O5-混酸硝化剂制得。与现有技术相比，本发明反应收率高，可达95.5％。同时，本发明中五氧化二氮替代部分浓硝酸的硝化作用，减少浓硝酸的使用量，降低反应温度，减少反应时间，减少废酸的生成，节约成本的同时更加环保，为本产品的工业化提供了方便。
【IPC分类】C07D233-92
【公开号】CN104592123
【申请号】CN201410838028
【发明人】沈健
【申请人】上海浩登材料科技有限公司
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月24日