一种1‑甲基‑4‑硝基吡唑的制备方法与流程

本发明涉及有机化合物的合成领域，尤其涉及一种1-甲基-4-硝基吡唑的制备方法。

背景技术：

1-甲基-4-硝基吡唑是一种典型的氮杂环类化合物，该结构含有高焓c＝c双键和n-n单键，具有较高生成焓、高密度以及对环境友好的特征，具有非常可观的能量，在高能炸药、安全钝感、低感添加剂等领域有很好的前景，是新型含能材料1-甲基-3,4,5-三硝基吡唑等的中间体。

吡唑或甲基吡唑的硝化一般采用发烟硝酸-乙酸酐或发烟硝酸-浓硫酸作为硝化试剂，吡唑环的n-硝化采用发烟硝酸-乙酸酐为硝化试剂，吡唑环的c-硝化采用发烟硝酸-浓硫酸为硝化试剂。

现有技术中，1-甲基-4-硝基吡唑的制备一般采用1-甲基吡唑与发烟硝酸-浓硫酸硝化体系反应。但是这种方法使用的硝化剂发烟硝酸-浓硫酸会产生大量的氮氧化物气体以及过多的废酸而造成环境污染。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种1-甲基-4-硝基吡唑的制备方法，该方法合成工艺简单，避免了使用发烟硝酸为硝化剂，环境污染小。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种1-甲基-4-硝基吡唑的制备方法，包括以下步骤：

将1-甲基吡唑、n-硝基吡唑和硫酸溶液混合进行硝化反应，得到1-甲基-4-硝基吡唑。

优选地，所述1-甲基吡唑、n-硝基吡唑和硫酸溶液的物质的量比为1:1～3:7.5～12.5。

优选地，所述硝化反应的温度为20～80℃。

优选地，所述硝化反应的温度为40～60℃。

优选地，所述硝化反应的时间为2～8h。

优选地，所述硝化反应的时间为4～6h。

优选地，所述硫酸溶液的质量浓度为40％～98％。

优选地，所述1-甲基吡唑、n-硝基吡唑和硫酸溶液的混合具体为：

将1-甲基吡唑和硫酸溶液混合后加热至20～80℃，得到1-甲基吡唑和硫酸溶液的热混合液；

分8～12次向所述1-甲基吡唑和硫酸溶液的热混合液中加入n-硝基吡唑。

优选地，所述硝化反应后还包括提纯过程，包括以下步骤：

将硝化反应后所得硝化反应液冷却后过滤，得到滤液和第一固体；

将所述滤液依次进行萃取和蒸馏，得到第二固体；

第一固体和第二固体混合后进行重结晶，得到1-甲基-4-硝基吡唑。

优选地，所述冷却温度为0～5℃。

有益技术效果：

本发明提供了一种1-甲基-4-硝基吡唑的制备方法。本发明的制备方法以n-硝基吡唑和硫酸为硝化试剂，直接将1-甲基吡唑进行硝化即可得到1-甲基-4-硝基吡唑，原料来源丰富，成本低，且避免了使用硝酸和硫酸的混酸为硝化剂，反应过程无污染气体氮氧化物的产生，不产生废酸，对环境污染小；进一步的，本发明提供的制备方法在20～80℃温度下进行硝化反应，反应条件温和，不需要在高温下长时间反应，对反应设备要求较低，易于提纯，且所得产物纯度高。实施例结果表明，以本发明提供的制备方法制备1-甲基-4-硝基吡唑，所得纯化后的1-甲基-4-硝基吡唑的纯度可以达到99％以上，收率为50％～75％。

附图说明

图1是实施例1制备得到的目标产物的高效液相色谱图；

图2是实施例1制备得到的目标产物的红外光谱图；

图3是实施例1制备得到的目标产物的质谱图；

图4是实施例1制备得到的目标产物的核磁共振氢谱；

图5是实施例1制备得到的目标产物的核磁共振碳谱。

具体实施方式

本发明提供了一种1-甲基-4-硝基吡唑的制备方法，包括以下步骤：

将1-甲基吡唑、n-硝基吡唑和硫酸溶液混合进行硝化反应，得到1-甲基-4-硝基吡唑。

在本发明中，所述1-甲基吡唑、n-硝基吡唑和硫酸溶液中硫酸的物质的量比优选为1:1～3:7.5～12.5，更优选为1:1.5～2.5:9～11；所述硫酸溶液的质量浓度优选为40％～98％，更优选为75％～90％，最优选为85～90％。在本发明中，硫酸能将n-硝基吡唑的未取代氮原子质子化，使得其邻氮原子上的硝基活化而产生硝酰氧离子(no2⁺)，硝酰氧离子(no2⁺)进一步与n-甲基吡唑发生c-硝化反应。

在本发明中，所述硝化反应的温度优选为20～80℃，更优选为40～60℃；所述硝化反应的时间优选为2～8h，更优选为4～6h。

在本发明中，所述1-甲基吡唑、n-硝基吡唑和硫酸溶液的混合优选具体为：

将1-甲基吡唑和硫酸溶液混合后加热至20～80℃，得到1-甲基吡唑和硫酸溶液的热混合液；

分8～12次向所述1-甲基吡唑和硫酸溶液的热混合液中加入n-硝基吡唑。

本发明将1-甲基吡唑和硫酸溶液混合后加热至20～80℃，得到1-甲基吡唑和硫酸溶液的热混合液。本发明优选在搅拌条件下将1-甲基吡唑滴加到硫酸溶液中，得到1-甲基吡唑和硫酸溶液的混合液，所述滴加速度优选为1～2滴/秒；所述搅拌速度优选为300～400转/分，更优选为320～380转/分，最优选为350转/分；本发明对搅拌方法没有特殊限制，选用本领域常规的搅拌方法即可，具体的如机械搅拌。

得到1-甲基吡唑和硫酸的混合液后，本发明优选将1-甲基吡唑和硫酸的混合液加热至20～80℃，得到1-甲基吡唑和硫酸的热混合液。在本发明中，所述加热的速率优选为1～5℃/分，更优选为2～3℃/分；所述热混合液更优选为加热至40～60℃。

得到热混合液后，本发明优选将n-硝基吡唑分8～12次加入热混合液中。在本发明中，所述n-硝基吡唑的加入批次优选为8～12次，更优选为10次，每批次加入的n-硝基吡唑的质量为所需n-硝基吡唑的总质量与相应加入批次的比值。在本发明的具体实施例中，每次加入n-硝基吡唑后会出现升温现象，本发明优选在温度降至初始加料温度时再次加入n-硝基吡唑。

得到1-甲基吡唑、n-硝基吡唑和硫酸的混合液后，本发明优选将混合液在20～80℃保温2～8h，进行硝化反应；本发明的硝化反应时间自n-硝基吡唑加料完成后开始计算。

在本发明中，所述硝化反应的方程式如式i所示：

硝化反应完成后，本发明优选还包括：将得到的硝化反应液进行提纯，得到1-甲基-4-硝基吡唑纯品，所述提纯优选包括以下步骤：

将硝化反应液冷却后过滤，得到滤液和第一固体；

将所述滤液依次进行萃取和蒸馏，得到第二固体；

将所述第一固体和所述第二固体混合后进行重结晶，得到1-甲基-4-硝基吡唑。

本发明将硝化反应液冷却后过滤，得到滤液和第一固体。在本发明中，所述冷却的温度优选为0～5℃，更优选为2～4℃；所述冷却的降温速率优选为5～10℃/分钟，更优选为7～9℃/分钟；本发明对所述冷却的方法没有特殊限制，能够冷却至要求温度即可；在本发明的具体实施例中，优选将硝化反应液与冰块混合进行冷却。本发明对所述过滤没有特殊要求，使用本领域技术人员熟知的过滤方法即可，具体的如抽滤。

过滤得到滤液和第一固体后，本发明优选将所述滤液依次进行萃取和蒸馏，得到第二固体。在本发明中，所述萃取的萃取剂优选为乙醚、乙醇或乙酸乙酯，更优选为乙醚或乙醇；本发明对所述萃取的具体条件没有特殊限制，选用本领域常规萃取条件，能够将滤液中的1-甲基-4-硝基吡唑完全萃取到有机相中即可。

萃取后，本发明优选将所述萃取得到的有机相进行蒸馏，得到第二固体。在本发明中，所述蒸馏温度优选为35～80℃，更优选为45～65℃，最优选为50～60℃，所述蒸馏程度为将有机相蒸馏至原来三分之一时停止蒸馏，倒出液体自然晾干得到第二固体。

在本发明中，萃取后的萃余液中主要成分为硫酸，本发明优选将萃余液进行浓缩回收硫酸，本发明对浓缩的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的浓缩方法即可，如蒸发浓缩。

在本发明中，硝化反应后n-硝基吡唑脱掉硝基转变为副产物吡唑，吡唑存在于萃取后的水相，可通过苯萃取吡唑进行回收，可为其它药物合成的前体。本发明优选将产生的副产物吡唑回收，本发明对吡唑的回收方法没有特殊限制，采用本领域技术人员熟知的回收方法即可，如将萃取后的水相中加入苯溶剂萃取出吡唑，蒸发苯溶剂回收吡唑。

得到第一固体和第二固体后，本发明优选将所述第一固体和第二固体混合后进行重结晶，得到1-甲基-4-硝基吡唑纯品。在本发明中，所述重结晶用溶剂优选为醇类溶剂，更优选为乙醇。本发明对所述重结晶的方法没有特殊的限制，选用本领域常规的重结晶方法即可。

下面结合实施例对本发明提供的对1-甲基-4-硝基吡唑的制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

实施例1

分别取1.4g(0.012mol)n-硝基吡唑，1g(0.012mol)1-甲基吡唑备用，将8ml98％的浓硫酸加入装有机械搅拌、温度计、加料漏斗的100ml四口瓶中，于20℃下用加料漏斗向浓硫酸中滴加1-甲基吡唑，加料完成水浴升温至60℃，于此温度下分10次加入n-硝基吡唑，每次加入量为0.0012mol，加料完成，保持搅拌恒温反应6h，反应完成后，趁热将反应液倒入装有冰块的烧杯中搅拌，有白色细小晶状固体析出，冰块全融，抽滤，得白色固体i和滤液；滤液用乙醚萃取，合并溶剂，减压旋蒸除去溶剂，得到白色固体ii，将白色固体i与白色固体ii合并后用乙醇进行重结晶，得到目标产物。产品的纯度为99％，产品熔点为：90～93℃；收率为72.53％。

表1对实施例1中目标产物的元素分析结果

由表1的元素分析可知，所得目标产物n、c、h的元素含量与1-甲基-4-硝基吡唑理论值基本一致。

图1是测试所得目标产物纯度的高效液相色谱图

色谱条件：采用色谱甲醇配制含目标物的溶液，以水和甲醇为流动相，水和甲醇的体积比为45：55为流动相，紫外吸收波长237nm，流速为1ml·min-1，进样量10μl。测试结果如图1可知，1-甲基-4-硝基吡唑的保留时间为4.37min，用面积归一法计算产物纯度为99.1％。

图2是实施例1制备得到的目标产物的红外光谱图，所得数据为：

ir(kbr,vcm^-1):3112(吡唑环c-h),2980(甲基c-h),1535,1331(c-no2)。由图2可知被测目标产物结构中存在硝基，甲基，吡唑环。

图3是实施例1制备得到的目标产物的质谱图，图3中分子离子峰为127，与1-甲基-4-硝基吡唑分子量127.10相近。

图4是实施例1制备得到的目标产物的核磁共振氢谱图，所得数据如下：

¹hnmr(acetone-d6)δ：8.55(1h),8.05(1h),3.99(3h)。由上述数据可知，被测目标产物有3种氢原子存在。

图5为所得目标产物核磁共振碳谱图，所得数据如下：

¹³cnmr(acetone-d6):39.34(t,ch3)，135.59(t,c3)，130.09(t,c5),135.05(t,c4)。由上述数据可知，被测目标产物有4种碳原子存在。

综上所述，所测目标产物的分子结构与1-甲基-4-硝基吡唑分子结构相符，即本发明实施例1中所得目标产物为1-甲基-4-硝基吡唑，产品的纯度为99.1％。

实施例2

分别取4.1g(0.036mol)n-硝基吡唑，1g(0.012mol)1-甲基吡唑备用，将6ml98％的浓硫酸加入装有机械搅拌、温度计、加料漏斗的100ml的四口瓶中，于20℃下用恒压滴液漏斗向浓硫酸中滴加1-甲基吡唑，加料完成水浴升温至80℃，于此温度下分12次加入n-硝基吡唑，每次加入0.003mol，加料完成后，在20℃下恒温反应4h，趁热将反应液倒入装有冰块的烧杯中搅拌，有白色细小晶状固体析出，冰块全融后，抽滤，得白色固体i；滤液用乙醚萃取，合并溶剂，减压旋蒸除去溶剂，得到白色固体ii；将白色固体i与白色固体ii合并后用乙醇进行重结晶得目标产物。

采用实施例1中的测试方法对该目标产物的结构进行表征，所得测试结果与实施例1相似，证明实施例2中所得目标产物为1-甲基-4-硝基吡唑，产品的纯度为99.1％，产品熔点为：89～92℃；收率为69.52％。

实施例3

分别取2.7g(0.024mol)n-硝基吡唑，1g(0.012mol)1-甲基吡唑备用，将8ml98％的浓硫酸加入装有机械搅拌、温度计、加料漏斗的100ml四口瓶，于20℃下用恒压滴液漏斗向浓硫酸中滴加1-甲基吡唑，加料完成水浴升温至35℃，于此温度下分10次加入n-硝基吡唑，每次加入0.0024mol，恒温反应6h，趁热将反应液倒入装有冰块的烧杯中搅拌，有白色细小晶状固体析出，冰块全融后，抽滤，得白色固体i和滤液；滤液用乙醚萃取，合并溶剂，减压旋蒸除去溶剂，得到白色固体ii，将白色固体i和白色固体ii合并后用乙醇重结晶得目标产物。

采用实施例1中的测试方法对该目标产物的结构进行表征，所得测试结果与实施例1相似，证明实施例3中所得目标产物为1-甲基-4-硝基吡唑，产品的纯度为99.2％，产品熔点为：90～91℃；收率为74.01％。

实施例4

分别取2.7g(0.024mol)n-硝基吡唑，1g(0.012mol)1-甲基吡唑备用，将8ml60％的浓硫酸加入装有机械搅拌、温度计、加料漏斗的100ml四口瓶，于20℃下用恒压滴液漏斗向浓硫酸中滴加1-甲基吡唑，加料完成水浴升温至30℃，于此温度下分8次加入n-硝基吡唑，每次加入0.003mol，恒温反应4h，趁热将反应液倒入装有冰块的烧杯中搅拌，有白色细小晶状固体析出，冰块全融后，抽滤得白色固体i和滤液；所得滤液用乙醚萃取，合并溶剂，减压旋蒸除去溶剂，得到白色固体ii，将白色固体i和白色固体ii合并后用乙醇重结晶得目标产物。

采用实施例1的测试方法对该目标产物的结构进行表征，所得测试结果与实施例1相似，证明实施例4中所得目标产物为1-甲基-4-硝基吡唑，产品的纯度为99.1％，产品熔点为：90～92℃；收率为53.81％。

实施例5

分别取4.1g(0.036mol)n-硝基吡唑，1g(0.012mol)1-甲基吡唑备用，将8ml40％的浓硫酸加入装有机械搅拌、温度计、加料漏斗的100ml四口瓶，于20℃下用恒压滴液漏斗向浓硫酸中滴加1-甲基吡唑，加料完成水浴升温至50℃，于此温度下分12次加入n-硝基吡唑，每次加入量为0.003mol，恒温反应3h，趁热将反应液倒入装有冰块的烧杯中搅拌，有白色细小晶状固体析出，冰块全融后，抽滤得白色固体i和滤液；所得滤液用乙醚萃取，合并溶剂，减压旋蒸除去溶剂，得到白色固体ii，将白色固体i和白色固体ii合并后用乙醇重结晶得目标产物。

采用实施例1中的测试方法对该目标产物的结构进行表征，所得测试结果与实施例1相似，证明实施例5中所得目标产物为1-甲基-4-硝基吡唑，产品的纯度为99.1％，产品熔点为：89～92℃；收率为51.26％。

由以上实施例可知本发明的制备方法以n-硝基吡唑和硫酸为硝化试剂，直接将1-甲基吡唑进行硝化即可得到1-甲基-4-硝基吡唑。本发明的制备方法原料来源丰富，成本低，且避免了使用硝酸和硫酸的混酸为硝化剂，反应过程无污染气体氮氧化物的产生，对环境污染小；并且本发明提供的制备方法反应条件温和，不需要在高温下长时间反应，对反应设备要求较低，且所得产物纯度可达99％，收率为50％～75％。

本发明以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。