王 佳,吳李瑞,史玉龍,汪嬌,劉典典
(安徽國星生物化學有限公司,安徽省雜環(huán)化學實驗室,安徽馬鞍山243100)
煙酸屬于維生素B3,又稱為尼克酸、抗癩皮病因子,分子式:C6H5NO2,化學名稱3-吡啶甲酸,熱穩(wěn)定性好,能升華,工業(yè)上常采用升華法提純煙酸。煙酸外觀為白色或微黃色晶體,可溶于水,主要存在于動物內(nèi)臟、肌肉組織,水果、蛋黃中也有微量存在,是人體必需的13種維生素之一,屬于維生素B族。
目前,煙酸主要用于飼料添加劑,可提高飼料蛋白的利用率,提高奶牛產(chǎn)奶量及魚、雞、鴨、牛、羊等禽畜肉產(chǎn)量和質(zhì)量。煙酸還是一種應用廣泛的醫(yī)藥中間體,以其為原料,可以合成多種醫(yī)藥,如尼可剎米和煙酸肌醇酯等。此外,煙酸還在發(fā)光材料、染料、電鍍行業(yè)等領域發(fā)揮著不可替代的作用[1-3]。
1867年第一次在實驗室里合成煙酸,但直到二十世紀30年代煙酸才真正實現(xiàn)工業(yè)化。最初工業(yè)化通過氧化尼古丁合成煙酸,后大多采用喹啉、2-甲基-5乙基吡啶和3-甲基吡啶等烷基吡啶為原料,經(jīng)化學或電化學氧化合成煙酸。
從合成方法分類,一般分為以硝酸、高錳酸鉀等作為氧化劑的試劑氧化法,以氨氣和空氣作為氧化劑的氨氧化法,空氣直接氧化法,電解氧化法,生物轉(zhuǎn)化法和吡啶羥基化法等。從主要原料分類,有尼古丁、6-羥基喹啉、萘、吡啶、吡啶-3-甲醛、3-甲基吡啶、2-甲基-5-乙基吡啶,目前應用較廣的是3-甲基吡啶路線。
1.1.1 硝酸氧化法
以硝酸為氧化劑,在鈦材管式反應器中通入硝酸水溶液和MEP的混合物,在330℃、29 MPa反應8 h再分離、精制得到煙酸純品。
該法由于氧化劑來源廣泛、操作靈活、容易控制、一次性投資少等優(yōu)點在早期得到發(fā)展。但由于其存在氧化劑耗量大,反應條件苛刻,設備機械性能和耐腐蝕性能要求高,“三廢”產(chǎn)量較大,收率較低,產(chǎn)品外觀和質(zhì)量較差,成本高等缺點,不適于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。美國、西歐、日本等工業(yè)發(fā)達國家已淘汰此法。
1.1.2 空氣氧化法
空氣氧化法以空氣作為氧化劑直接氧化3-甲基吡啶合成煙酸,因其效率高、成本低的特點近年來備受關注。這一方法最早是在加有催化劑的烷基吡啶中通入空氣進行氧化反應,后來改進為以3-甲基吡啶為原料,在固定床反應器中,在350℃~400℃下氣固相催化氧化反應3 h合成煙酸。催化劑可以長期套用,通過空氣直接氧化3-甲基吡啶得到煙酸,經(jīng)濟性較好,如果能提高單程轉(zhuǎn)化率,將成為一種成本低、效率高的生產(chǎn)工藝,其核心在于高效、低成本、壽命長的催化劑開發(fā),目前大都停留在實驗室研究階段,尚未有成功實施產(chǎn)業(yè)化的報道[4]。
1.1.3 電解氧化法
電解氧化法因其條件溫和、氧化劑價格低廉、毒性及污染小、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點,在生產(chǎn)上應用較為廣泛。與化學氧化法相似,常以烷基吡啶類化合物為原料,經(jīng)電化學氧化合成煙酸,但不足之處在于電解效率低,主要是因為電解槽所用隔離膜選擇滲透性差,使該法工業(yè)生產(chǎn)受到較大限制[5]。
1.2.3 氰基吡啶水解法
1.2.1 氨氧化法
該法以3-甲基吡啶或MEP為原料,在催化劑床層中與氨和氧氣按一定比例進行氣固相催化氧化,生成3-氰基吡啶,水解純化得到煙酸。該工藝使3-甲基吡啶的單程轉(zhuǎn)化率提高到99%,3-氰基吡啶水解制備煙酸的選擇性也提高到99%。
氨氧化法原料是吡啶堿生產(chǎn)過程中產(chǎn)出比例最高的副產(chǎn)物——3-甲基吡啶,價格低廉,來源廣泛,且反應條件相對溫和,在常壓或低壓條件下即可進行,生產(chǎn)安全可靠,現(xiàn)有技術單程轉(zhuǎn)化率較高,選擇性較好,得到的產(chǎn)品純度高,可實現(xiàn)連續(xù)化合成,適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn),已成為目前工業(yè)上制備煙酸應用最廣泛的方法之一。其不足之處在于需要在300℃以上的溫度下反應,且包含氨氧化和水解兩個步驟,在一定程度上提高了設備投資和生產(chǎn)成本[6],見圖1。
圖1 氨氧化法工藝流程
1.2.2 生物合成法
腈的酶法水解有著化學方法無可比擬的優(yōu)越性,具有效率高、選擇性好、反應條件溫和、環(huán)境污染小、成本低、產(chǎn)物光學純度高等優(yōu)點,符合綠色化學的發(fā)展方向。
瑞士Lonza公司已將酶催化法合成B族維生素煙酸實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。日本京都大學山田秀明等以Rhodococcas rhodochrous J1菌生產(chǎn)煙酸(Mathewet al.,1988)。隨著生物工程技術的發(fā)展和日益嚴峻的環(huán)境形勢,以生物轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)化學品成為當今綠色化學發(fā)展趨勢,因此,采用生物法生產(chǎn)煙酸具有良好的發(fā)展前景[7]。
綜上所述,試劑氧化法因“三廢”高、能耗大、成本高,成為趨于淘汰的工藝;液相氧化法雖然減少了“三廢”排放,但單程轉(zhuǎn)化率過低,不適合工業(yè)化生產(chǎn);氨氧化法是應用較廣泛的方法,但隨著技術革新,這一工藝競爭力逐漸下降;空氣氧化法如果能開發(fā)高效、壽命長、價格低廉的催化劑,有望取代氨氧化法;電解氧化法是較為前沿的煙酸合成技術,但距離實現(xiàn)工業(yè)化目標還有很長的路要走;生物轉(zhuǎn)化法目前應用逐漸增加,具有一定的市場競爭力。
尼可剎米化學名稱是N,N-二乙基煙酰胺,用于中樞性呼吸及循環(huán)衰竭、麻醉藥以及其他中樞抑制類藥物的中毒,合成路線見圖2。
圖2 尼可剎米合成路線
煙酸先與二乙胺成鹽,再在三氯氧磷作用下脫水生成鹽酸尼可剎米,經(jīng)氫氧化鈉中和,有機溶劑萃取,減壓蒸餾,得到尼可剎米,產(chǎn)品總收率82%。
2.1.2 煙酸肌醇酯
煙酸肌醇酯化學名稱為六煙酸-順-1,2,3,5-反-4,6-環(huán)己烷,又被稱為肌醇煙酸酯、煙肌酯、煙酸肌醇、肌醇六煙酸酯、心血通注射液等,具有降低膽固醇、擴張末梢血管作用,可用于治療高膽固醇血癥及動脈粥樣硬化癥。臨床上現(xiàn)用于高脂血癥、冠心病、各類末梢血管障礙性疾病(如閉塞性動脈硬化癥、肢端動脈痙攣癥、凍傷、血管性偏頭痛等)的輔助治療。合成路線見圖3。
圖3 煙酸肌醇酯的合成路線
煙酸肌醇酯以煙酸、三氯氧磷、肌醇為原料,先將煙酸與三氯氧磷反應制得煙酸酰氯,然后再與肌醇反應,得到粗品。粗品精制后得到產(chǎn)品[8]。
2.1.3 滅脂靈
滅脂靈化學名稱為1,1,1-三甲醇基代庚烷三煙酸酯,具有降低膽固醇、甘油三酯,治療動脈硬化和閉塞以及高血壓等功能,同時對治療凍瘡、耳鳴、重聽、美尼爾氏癥以及各種末梢血管障礙癥等具有十分良好的輔助作用[9],合成路線見圖4。
2.1.1 尼可剎米
2.2.1 食品添加劑
煙酸屬于維生素B族,參與人體的脂質(zhì)代謝、氧化過程和無氧分解過程。煙酸可以由體內(nèi)的色氨酸轉(zhuǎn)化生成,人體一般不易發(fā)生煙酸缺乏癥,但是當主食不含煙酸,或是主食中存在分解煙酸的物質(zhì)時,易引發(fā)由于缺乏煙酸而造成的粗皮膚病。因此,煙酸被廣泛應用于面食加工、乳制品和玉米粉的制作。在食品中加入一定量的煙酸可以有效預防缺乏該類病癥的發(fā)生。
2.2.2 飼料添加劑
煙酸是動物生長發(fā)育不可缺少的一種物質(zhì),谷物類飼料中的煙酸主要以結(jié)合態(tài)的形式存在,動物很難將其吸收,所以需要人工向飼料中添加合成煙酸。
向飼料中加入適量的煙酸,喂養(yǎng)仔豬(雞)能使其迅速增加重量。給產(chǎn)蛋雞喂養(yǎng)煙酸類飼料,能提高其產(chǎn)蛋率,并且使雞蛋中也含有一定的煙酸,營養(yǎng)價值有所提高[9]。
2.2.3 活性染料
近年來,因為煙酸能使纖維的染色持久、適用范圍廣、均勻性好,所以煙酸在染料行業(yè)表現(xiàn)突出,成為多種活性染料的中間體。1984年,日本化藥公司推出了一款弱堿性的煙酸三嗪活性染料,染色效果極佳,市場反響非常好。
2.2.4 日用化學工業(yè)品
在日用化學品工業(yè)中,煙酸能與其他日用化工原料一起配制成性能優(yōu)異的產(chǎn)品,如染發(fā)助劑、洗滌劑等[10]。
2.2.5 煙酸的其他用途
煙酸是重要的化工助劑和緩蝕抑制劑,在感光材料中可以作為抗氧化劑和抗灰霧劑。在電鍍時,煙酸也是極佳的光亮添加劑,在每升電鍍液中只要添加1~10 g煙酸就有顯著的效果。
隨著煙酸合成技術研究及其下游產(chǎn)品開發(fā)的不斷深入,煙酸及其衍生物在醫(yī)藥和精細化工領域的應用日漸增長,其重要性也逐漸凸顯出來。只有不斷擴大煙酸的生產(chǎn)規(guī)模,改進其生產(chǎn)工藝,才能使我國的煙酸行業(yè)在激烈的市場競爭中處于優(yōu)勢地位。