4-硝基吡唑的合成

背景及概述

硝基吡唑类化合物是一种典型的五元氮杂环化合物，其结构中含有大量的碳氮键和氮氮键，具有高能量、高密度、低感度等特性，已成为含能材料领域的研究热点。4-硝基吡唑是医药、农药中间体，也是合成硝基吡唑类含能化合物的重要中间体，其继续进行C-硝化比较困难，经过N-硝化可合成1，4-二硝基吡唑，重排可得到3，4-二硝基吡唑和3，5-二硝基吡唑，进一步硝化可得到3，4，5一三硝基吡唑。经过其他取代反应还可获得更多硝基吡唑类衍生物。

合成

以N-硝基吡唑为原料在浓硫酸中于90℃重排24 h得到了4-硝基吡唑。以4-碘代吡唑为原料，八面沸石或二氧化硅为固体催化剂在四氢呋喃溶液中以发烟硝酸为硝化剂制备了4-硝基吡唑。直接硝化吡唑制备4-硝基吡唑的报道[1]是在硝硫混酸90℃下反应6 h得到，但此方法得率只有56％。经过重排或间接硝化吡唑制备4-硝基吡唑的反应存在原料成本高、反应时间长、反应温度较高等不足。本研究以吡唑为原料，首次采用一锅两步法，首先将吡唑与浓硫酸反应形成吡唑硫酸盐，再以98％发烟硝酸／20％发烟硫酸为硝化剂直接硝化得到了4-硝基吡唑，并对其工艺进行优化。

图1 4-硝基吡唑的合成反应式

实验操作：

(1)硝硫混酸的配制

量取19.3 mL(0.30 mol)20％发烟硫酸加入到100mL的四口瓶中，冰水浴下边搅拌边用滴液漏斗将6.3mL(0.1 5 mol)发烟硝酸缓慢加入四口瓶中，控制温度在0～1 0℃。

(2)4-硝基吡唑的制备

步：室温下，向装有搅拌器和温度计的100 mL四口瓶中依次加入11mL(0.21 mol)浓硫酸和6.8g(0.1 mol)吡唑，加料完成后室温搅拌30 min。

第二步：冰水浴下将25 mL硝硫混酸逐滴加入四口瓶中，滴加完毕后升温至50℃，反应1.5 h。将反应液倒入200 mL的冰水中，有大量白色固体析出。经抽滤、冰水洗涤后真空干燥。用乙醚／己烷重结晶得产物4-硝基吡唑，收率85％。

结果与讨论

4-硝基吡唑的收率随着发烟硝酸用量的增加先增加后基本不变，当n(发烟硝酸)：n(吡唑)=1．5：1时，收率为85％。在反应前期硝酸起主要硝化作用，发烟硫酸一方面吸收硝化生成的水，保持硝化体系的浓度，一方面起催化作用促使硝酸转变为硝酰阳离子NO2+。增加硝酸用量，相当于提高硝酸的浓度，增加NO2+的转化率，由于NO2+的浓度增大硝化反应速度加快，产物收率增加。根据硝化理论，在硫酸浓度为90％以上时，硝酸的转化率已达100％，进一步增加硝化剂用量硫酸浓度稍有增加，而将生成物转为其质子加成产物，这样硝化反应的总值稍有减少。随着温度的继续升高，收率显著下降。根据Arrhenius方程，反应温度的升高使得反应速度剧烈增大。当温度升高时，硫酸粘度降低，分子动能增加，碰撞次数也增加；同时，温度升高也使具有较高能量的活化分子数增多，这些都促进了硝化反应的进行，从而促使产物的收率增大。但是硝化温度只能提高一定的程度，因为4-硝基吡唑在强酸体系下随着温度升高会发生部分分解，这是引起4-硝基吡唑收率降低的主要原因。

结论

以吡唑为原料，以发烟硝酸(90％)／发烟硫酸(20％)为硝化剂通过一锅两步法合成了4-硝基吡唑，较佳的合成工艺为：n(发烟硝酸)：n(发烟硫酸)：n(浓硫酸)：n(吡唑)=1．5：3：2．1：1，反应温度为50℃，反应时间1．5 h，此时产物收率最高为85％。

参考文献

[1]李磊，董战，等．硝基唑类含能化合物的合成研究进展[J]．有机化学，2014，34(2)：304-31 5．