一种5-苯基四氮唑超细粉体的合成方法与流程

1.本发明属于有机合成技术领域，具体涉及一种5-苯基四氮唑超细粉体的合成方法。


背景技术：

2.5-苯基四氮唑由于其较好的结构刚性和有机酸性，可以用作有机光导材料制备过程的稳定剂，提高有机光导材料的稳定性，延长有机光导材料的储存及使用时间，同时5-苯基四氮唑由于其分子外观结构特征可以作为化学机械抛光液的一种添加剂，化学机械抛光液是一种研磨液，在芯片抛光工艺中，它能够帮助去除表面的微米级/纳米级材料, 并使晶圆表面达到高度平坦，让下一步工艺可以进行。作为抛光液添加剂的5-苯基四氮唑产品纯度、产品晶型和产品粒度等都有非常严格的要求，目前医药生产使用的5-苯基四氮唑不能满足电子化学品的质量要求。电子信息材料领域使用的5-苯基四氮唑的产品质量指标需要达到产品纯度≥99.5%，产品粒径≤10um，产品晶型均匀分散、发气量符合要求的质量指标。
3.目前关于5-苯基四氮唑的合成方法都是关于医药级产品的合成方法，主要包括以下几个方面：（1）2010 年steel 课题研究小组人员报道以三氯化铝作为催化剂，四氢呋喃(thf)作反应溶剂，利用叠氮化钠与苯甲腈合成5-苯基四氮唑。该反应虽然反应温度较低，但催化剂三氯化铝对反应条件比较苛刻，整个反应必须在无水情况下进行，反应时间较长，反应生成的产品纯度未见数据报道;（2）2013年agrahari等人以苯甲腈和叠氮化钠为原料，高温下反应得到产品，反应中使用铜-镍配合物作为催化剂，反应后处理困难，反应收率70%，产品纯度较低，未见具体数据报道；（3）2018年mitra等人提出以苯甲醛、盐酸羟胺和叠氮化钠为原料合成5-苯基四氮唑，但反应过程中用到了硫酸铈铵盐作为催化剂，催化剂不易得，成本较高，产品纯度为98.9%，反应收率为72%；同年，周贝提出以苯甲腈和叠氮化钠为原料反应，三氟甲磺酸镱为催化剂，dmf溶剂下加热得到产品收率为85%，产品纯度为98%；（4）2019年rezaei课题组提出了以四氧化三铁和硅的配合物作为催化剂，苯甲腈和叠氮化钠反应，收率76%，催化剂不易得，不适合工业化生产，且产品纯度数据文中未报道。
4.由以上合成的报道可以看出关于5-苯基四氮唑的合成方法都是使用苯甲腈和叠氮化钠为原料反应得到产品，反应过程使用催化剂，催化剂价格昂贵不易得，且产品收率在70%-76%，产品纯度达不到99.5%的纯度要求，反应成本高、时间长。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种操作简单、高纯度、高收率以及易纯化的5-苯基四氮唑超细粉体的合成方法。
6.本发明采用的技术方案是：本发明提供了一种5-苯基四氮唑超细粉体的合成方法，该合成方法为：将亚硝酸钠加入到水中，开启搅拌，向反应体系通入氮气，再向反应体系缓慢加入水合肼，保持反应温度为15-25℃条件下进行缩合反应1-5h，向反应体系加入苯甲腈，滴加
完毕后搅拌升温至85-95℃进行环合反应反应5-10小时生成5-苯基四氮唑钠盐，完成后向反应体系滴加酸溶液中和后降温至5-10℃析晶，再经过芳香烃-水重结晶过程制得符合质量要求的5-苯基四氮唑。反应过程如下式所示。
7.其中，原料和产品的结构式如下式所示。
8.进一步地，步骤（1）中，苯甲腈、水合肼和亚硝酸钠的质量比为1.05-1.2：1.02-1.1：1。
9.进一步地，步骤（1）中，溶剂和苯甲腈的质量比5：1-7：1。
10.进一步地，步骤（1）中，将亚硝酸钠加入到溶剂中，搅拌下，加入水合肼，在15-25℃下反应1-5小时，再向反应体系加入苯甲腈，然后将温度升至85-95℃反应5-10小时。
11.进一步地，步骤（1）-（3）制备过程中，通氮气保护。
12.进一步地，步骤（2）中，芳香烃和水的混合溶剂中，芳香烃为甲苯、二甲苯和苯中的一种。
13.进一步地，步骤（2）中，重结晶过程芳香烃与水的比例为70%芳香烃-30%水，75%芳香烃-25%水，80%芳香烃-20%水，85%芳香烃-15%水中的一种。
14.进一步地，所述气流粉碎机为惰性气体保护的气流粉碎机。
15.进一步地，步骤（3）得到的5-苯基四氮唑超细粉体的粒径≤10um。
16.本发明的有益效果是：本发明以苯甲腈、水合肼和亚硝酸钠为原料，以水为溶剂，经过缩合、环合反应生成5-苯基四氮唑钠盐，反应完全后加酸中和后得到5-苯基四氮唑粗产品，再经过芳香烃-水重结晶过程制得符合质量要求的5-苯基四氮唑。本发明以水为反应溶剂大大缩短了反应时间，有效提高了反应速率，反应过程不涉及到有机溶剂，反应过程绿色环保；反应过程使用氮气保护，增强反应的安全性，防止副反应发生，提高反应的安全性；避免了催化剂的使用，促进反应正向进行，反应更彻底；避免使用危险品叠氮化钠，反应安全性提高；避免了使用大极性，难分离的具有基因毒性的dmf溶剂，重结晶使用特定的两相溶剂可以同时去除有机杂质和无机盐，使体系具有良好的分离性，同时使用芳香烃和水为重结晶溶剂，通过控制溶剂组成及溶剂的比例，使杂质分离更彻底，产品纯度≥99.5%，同时使用气流粉碎机对产品进行粉碎，控制产品粒径的同时得到符合要求的产品晶型，使产品达到特定的发气量要求。产品收率高、纯度高。
附图说明
17.图1产品5-苯基四氮唑标样hplc谱图；图2 产品5-苯基四氮唑hplc谱图；图3 产品5-苯基四氮唑标样h-nmr谱图；图4 产品5-苯基四氮唑h-nmr谱图。
具体实施方式
18.实施例1在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入300ml水，开启搅拌，向反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入55.43g水合肼（质量浓度为80%），控制反应体系温度为15℃，反应1.5h后向反应体系加入94.04g苯甲腈，升温至85℃，保温反应8h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min，使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至8℃析晶，抽滤，滤饼用70%甲苯/30%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑118.58g。产品收率为93.4%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。所得产品hplc谱图与标样谱图一致，产品h-nmr谱图与标样谱图一致。
19.产品纯度≥99.5%，产品经过气流粉碎机粉碎得到超细粉体（粒径≤10um）。
20.实施例2在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入360ml水，开启搅拌，像反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入55.98g水合肼（质量浓度为80%），控制反应体系温度为20℃，反应1h后向反应体系加入98.52g苯甲腈，升温至90℃，保温反应9h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min，使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至5℃析晶，抽滤，滤饼用75%甲苯/25%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑119.08g。产品收率为93.8%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。
21.实施例3在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入420ml水，开启搅拌，像反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入56.52g水合肼（质量浓度为80%），控制反应体系温度为25℃，反应2h后向反应体系加入103.00g苯甲腈，升温至95℃，保温反应5h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min，使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至10℃析晶，抽滤，滤饼用80%甲苯/20%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得的产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑119.21g。产品收率为93.9%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。
22.实施例4在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入300ml水，开启搅拌，像反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入57.06g水合肼（质量浓度为
80%），控制反应体系温度为15℃，反应1.5h后向反应体系加入107.48g苯甲腈，升温至85℃，保温反应10h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min，使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至7℃析晶，抽滤，滤饼用85%甲苯/15%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑118.96g。产品收率为93.7%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。
23.实施例5在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入360ml水，开启搅拌，像反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入57.61g水合肼（质量浓度为80%），控制反应体系温度为20℃，反应2h后向反应体系加入94.04g苯甲腈，升温至90℃，保温反应8h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至9℃析晶，抽滤，滤饼用80%二甲苯/20%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑118.58g。产品收率为93.4%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。
24.实施例6在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入420ml水，开启搅拌，像反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入58.15g水合肼（浓度为80%），控制反应体系温度为25℃，反应1h后向反应体系加入98.52g苯甲腈，升温至95℃，保温反应6h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min，使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至6℃析晶，抽滤，滤饼用75%苯/25%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑118.83g。产品收率为93.6%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。
25.实施例7在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入360ml水，开启搅拌，像反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入58.70g水合肼（质量浓度为80%），控制反应体系温度为15℃，反应2h后向反应体系加入103.00g苯甲腈，升温至85℃，保温反应10h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至10℃析晶，抽滤，滤饼用75%二甲苯/25%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑119.08g。产品收率为93.8%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。
26.实施例8在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入300ml水，开启搅拌，像反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入59.24g水合肼（质量浓度为80%），控制反应体系温度为15℃，反应2h后向反应体系加入94.04g苯甲腈，升温至90℃，保温反应7h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min，使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至5℃析晶，抽滤，滤饼用70%二
甲苯/30%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑118.70g。产品收率为93.5%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。
27.实施例9在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入420ml水，开启搅拌，像反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入59.78g水合肼（质量浓度为80%），控制反应体系温度为20℃，反应2h后向反应体系加入107.48g苯甲腈，升温至90℃，保温反应9h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至7℃析晶，抽滤，滤饼用85%二甲苯/15%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑119.08g。产品收率为93.8%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。
28.实施例10在装有搅拌桨、冷凝管、温度计的1l四口瓶中加入60.00g亚硝酸钠，加入420ml水，开启搅拌，像反应体系通入氮气保护气。缓慢向反应体系加入59.78g水合肼（质量浓度为80%），控制反应体系温度为20℃，反应1h后向反应体系加入107.48g苯甲腈，升温至90℃，保温反应7h。监测反应进程，取样检测反应结束后，降温，向体系滴加浓度为36%的hcl溶液116.60g，中和搅拌30min，使ph为5-6，复测反应ph不变。降温至8℃析晶，抽滤，滤饼用85%苯/15%水（m/m）混合溶剂重结晶，降温至5-10℃后析晶，所得产品经过氮气保护的气流粉碎机粉碎后制得符合质量要求的5-苯基四氮唑118.45g。产品收率为93.3%，产品经过激光粒度仪测定产品平均粒径8um。
29.对实施例1的产品进行测试。
30.液相条件：色谱柱迪马一代c18色谱柱，5um,250mmx4.6mm液相色谱柱或其他等效色谱柱检测器uv检测器流动相流动相a：0.1mol/l的磷酸二氢钾水溶液流动相b：色谱甲醇流动相组成：85%流动相a 15%流动相b柱温35℃流速1ml/min检测波长210nm进样量20ul作为对比，对5-苯基四氮唑标样进行了同样测试。本发明中标样来源为。测试结果如图1-4所示。
31.从图上看，本实施例得到的5-苯基四氮唑与5-苯基四氮唑标样高度一致，说明本实施例制备方法得到的产品纯度高。
32.对实施例1得到的5-苯基四氮唑产品进行发气量测试，测试方法为：取1g产品置于发气量实验装置中开始加热，初始加热温度为100℃，以每分钟5℃的升温速度升至180℃，收集产生的气体量≥180ml。
33.本发明对反应原料和反应条件进行研究，以苯甲腈、水合肼和亚硝酸钠为原料，以水为溶剂，一锅法低温缩合，高温发生环合反应，生成5-苯基四氮唑钠盐，反应结束后，使用质子酸中和，分离得到5-苯基四氮唑粗品，同时生成无机盐，再经过芳香烃-水混合溶剂重结晶过程制得符合质量要求的产品，通过气流粉碎机粉碎得到超细粉体的5-苯基四氮唑。本发明公开的工艺路线以水为反应溶剂，避免了催化剂的使用，反应过程绿色环保。反应过程使用一锅法，以水合肼和亚硝酸钠为原料代替通用的叠氮化钠，反应过程更温和，更安全。同时重结晶两相溶剂使用一定比例的芳香烃-水使反应体系具有良好的分离性，杂质分离更彻底，产品晶型更均一，晶型符合发气量要求。产品收率高、纯度高。反应避免了使用dmf大极性溶剂，dmf沸点高，具有基因毒性，反应完成后蒸馏困难，不易回收。本工艺路线反应时间短、纯度高，收率高。
34.本发明以苯甲腈、水合肼和亚硝酸钠为原料，以水为溶剂，加热回流经过缩合、环合反应得到产物5-苯基四氮唑钠盐，再经过质子酸酸化得到5-苯基四氮唑粗产品，经过芳香烃-水混合溶剂重结晶得到产品纯度≥99.5%，产品经过气流粉碎机粉碎得到超细粉体（粒径≤10um）的5-苯基四氮唑产品，用于芯片制程的添加剂。本发明公开的工艺路线产品收率高、纯度高,生产过程安全环保，易于工业化生产。
35.以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。