3-甲基吡啶的合成工藝研究

周浩，齊勇，汪娟娟，陳洋

（安徽瑞邦生物科技有限公司，安徽 馬鞍山 243100）

3-甲基吡啶（3-Methylpyridine）又名3-皮考林，分子式為CH3C5H4N，沸點(diǎn)144℃，凝固點(diǎn)-183℃，一般為無(wú)色液體，常溫下有氣味，能與水、醇、醚等溶劑混溶。3-甲基吡啶作為一種重要的化工原料和化工中間體，在很多領(lǐng)域均有應(yīng)用，如化工、醫(yī)藥、農(nóng)藥、飼料添加劑、日用化學(xué)品等。目前3-甲基吡啶的主要合成方法大多為醛氨法，該方法主要以甲醛、乙醛和氨氣為原料，在特定的催化劑作用下，采用固定床反應(yīng)器作為催化設(shè)備進(jìn)行催化反應(yīng)，主要生成吡啶，副產(chǎn)物為3-甲基吡啶[1-3]及微量的4-甲基吡啶。

雖然醛氨法應(yīng)用較為廣泛，但該方法也存在相應(yīng)缺點(diǎn)，例如反應(yīng)溫度較高，催化劑易失活。與氣相法合成3-甲基吡啶相比較，液相法合成3-甲基吡啶近年來(lái)也成為研究的主要內(nèi)容，因?yàn)橐合喾ǚ磻?yīng)條件溫和，反應(yīng)溫度低，相比固定床反應(yīng)具有操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，例如，Luo 等[4-5]報(bào)道了在微波條件下，利用甘油作為碳源和其他銨鹽為原料合成3-甲基吡啶，其最終反應(yīng)收率大于70%。雖然有報(bào)道微波反應(yīng)合成3-甲基吡啶的研究，但對(duì)其相關(guān)物料配比的研究相對(duì)較少，同時(shí)以微波合成3-甲基吡啶存在以下問(wèn)題: ①該反應(yīng)機(jī)制不明確，僅僅處在理論研究階段;②反應(yīng)涉及到的銨鹽主要是乙酸銨、液氨等銨源;③反應(yīng)溶劑為有機(jī)酸，對(duì)反應(yīng)裝置銹蝕嚴(yán)重，并且反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)生大量的廢酸廢水，污染嚴(yán)重，其反應(yīng)催化劑多為均相催化劑，回收率較低。因此利用微波法合成3-甲基吡啶需要進(jìn)一步研究。

本文在液相條件下，微波法合成了3-甲基吡啶，研究了碳源、氨源、固體催化劑用量、不同溶劑及反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成3-甲基吡啶收率的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

ZSM-5，安徽工業(yè)大學(xué)提供；其余試劑均為分析純，國(guó)藥集團(tuán)。

7890B 高效氣相色譜儀，配有氫火焰離子化檢測(cè)器，安捷倫科技有限公司。

1.2 檢測(cè)方法

采用氣相色譜法，設(shè)置好特定的工作條件，使試樣汽化后，隨后通過(guò)毛細(xì)管色譜柱，使各組分得到分離，用火焰離子化檢測(cè)器檢測(cè)，采用面積歸一法定量。色譜條件：Agilent Technologies 123-7033 DB-WAX，30 m×0.32 mm×0.5 μm，柱溫100℃，保持20 min，上樣量0.2 μL。

各組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)wi，數(shù)值以%表示，按下式計(jì)算：

式中：Ai—試樣中各組分的峰面積；ΣAi—試樣中各組分的峰面積之和；w2—測(cè)得水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)值。

1.3 催化劑ZSM-5-At-acid的制備

（1）離子液體的制備

稱(chēng)取120 mM N-甲基咪唑加入燒杯中，溫度保持在0℃，向里面加入98%的濃硫酸10 g，邊加入邊攪拌，等將濃硫酸與N-甲基咪唑完全混合后，升溫至80℃反應(yīng)2 h。之后利用乙酸乙酯進(jìn)行萃取，于80℃干燥24 h后，得到離子液體備用。

（2）催化劑ZSM-5-At-acid的制備

將0.2 mol·L-1NaOH 溶液加入到三口燒瓶中，并將其加熱到80℃，隨后加入ZSM-5，劇烈攪拌反應(yīng)30 min，待其冷卻到室溫，進(jìn)行過(guò)濾，并將濾餅用流動(dòng)的自來(lái)水洗滌至中性，再將其置于100℃條件下，干燥12 h。將干燥后的固體研磨至粉狀，后加入到1 mol·L-1NH4+溶液中，反應(yīng)溫度控制在80℃以下，進(jìn)行離子交換6 h。然后進(jìn)行過(guò)濾并將干燥濾餅用可流動(dòng)的優(yōu)質(zhì)自來(lái)水反復(fù)沖洗冷卻至微中性，干燥時(shí)溫度應(yīng)控制在約100℃，干燥12 h。反復(fù)進(jìn)行上述操作2～3 次，然后再將濾餅置于馬弗爐500℃下焙燒約6 h 后，可制得催化劑ZSM-5-At。之后再稱(chēng)取其中一定量的ZSM-5-At，將全部混合物投入約1 mol·L-1鹽酸溶液中，于約70℃條件下處理6 h。經(jīng)多次篩選，洗滌，最后將其置于馬弗爐550℃下焙燒約8 h干燥后可制得ZSM-5-At-acid。

1.4 合成方法

稱(chēng)取一定量的不同碳源、氨源置于四口燒瓶中，隨后加入不同的溶劑進(jìn)行劇烈攪拌，直至碳源和氨源完全溶解。隨后將四口燒瓶轉(zhuǎn)移到微波爐中，反應(yīng)溫度為100℃，功率為150 W，反應(yīng)時(shí)間20 min 的反應(yīng)條件下制得3-甲基吡啶。將反應(yīng)產(chǎn)物冷卻至室溫，使用高效氣相色譜儀分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳源對(duì)反應(yīng)收率的影響

碳源為3-甲基吡啶微波液相合成的一個(gè)主要影響因素，從表1 可以看出，當(dāng)我們選擇甘油為碳源，乙酸銨為氨源，利用乙酸作為反應(yīng)溶劑，當(dāng)三者摩爾比甘油∶乙酸銨∶乙酸=1∶3.58∶15.4 時(shí)，3-甲基吡啶的收率為63%。另外發(fā)現(xiàn)，在3-甲基吡啶生產(chǎn)的同時(shí)，伴隨著大量的副產(chǎn)物產(chǎn)生，經(jīng)鑒定多為高沸點(diǎn)的聚合物。因?yàn)樵谠摲磻?yīng)中，甘油作為碳源需要進(jìn)行脫水反應(yīng)生成丙烯醛，隨后與氨源反應(yīng)生成3-甲基吡啶。由此可知，該反應(yīng)中重要的中間體為丙烯醛。然而，相比低溫液相反應(yīng)條件，低溫下丙烯醛與乙酸銨直接反應(yīng)很難合成3-甲基吡啶。推測(cè)原因可能由于在堿性條件下，丙烯醛由于其特性易發(fā)生聚合反應(yīng)，導(dǎo)致反應(yīng)效率低下。對(duì)此，我們采用結(jié)構(gòu)上與丙烯醛類(lèi)似的丙烯醛縮醛代替甘油進(jìn)行反應(yīng)，在反應(yīng)條件不變的情況下，分別采用丙烯醛二甲縮醛和丙烯醛二乙縮醛為碳源，三者摩爾比分別為甘油∶乙酸銨∶乙酸=1∶3.58∶15.4 時(shí)，3-甲基吡啶的收率分別為29%和43%。因此，最佳碳源為甘油，結(jié)果如表1所示。

表1 碳源對(duì)3-甲基吡啶收率的影響

2.2 氨源對(duì)反應(yīng)收率的影響

選擇甘油作為碳源，保持其他反應(yīng)條件不變，選擇不同氨源參與反應(yīng)，三者摩爾比甘油∶氨源∶離子液體溶劑分別為1∶3∶10 時(shí)，從表2 可以看出，當(dāng)選擇硫酸亞鐵銨作為銨鹽時(shí)，甘油轉(zhuǎn)化率為87%，這是由于硫酸亞鐵銨既充當(dāng)?shù)矗制鸬搅舜呋瘎┑淖饔盟?。乙酸銨、氨水、硫酸銨、尿素為氨源，甘油轉(zhuǎn)化率均超過(guò)85%，我們分析是由于作為反應(yīng)溶劑的離子液體既能作為溶劑，又能有效地轉(zhuǎn)化甘油所致。但是在上述反應(yīng)條件下，由表2 可以看到，3-甲基吡啶的收率均為0%，猜測(cè)由于氨源分解后，迅速揮發(fā)至空氣中，同時(shí)由于反應(yīng)體系粘度較高，并無(wú)氨源生成。由此可見(jiàn)，氨源對(duì)于總體的反應(yīng)并無(wú)影響。

表2 氨源對(duì)3-甲基吡啶收率的影響

2.3 催化劑用量對(duì)反應(yīng)收率的影響

保持其他反應(yīng)條件不變，以水作為溶劑，其中甘油∶尿素∶水摩爾比分別為1∶3∶10，改變催化劑ZSM-5-Atacid 用量，觀察不同催化劑用量對(duì)合成3-甲基吡啶的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 催化劑用量對(duì)3-甲基吡啶收率的影響

從表3 中看出，提高催化劑ZSM-5- At-acid 的用量，3-甲基吡啶的收率增加；繼續(xù)提高催化劑用量，收率下降。因?yàn)樵摲磻?yīng)催化劑本身呈強(qiáng)酸性，催化劑用量適當(dāng)提高后，其強(qiáng)酸性中心濃度增加，可以顯著提高對(duì)3-甲基吡啶的正向氧化合成；不過(guò)如果進(jìn)一步提高催化劑用量，可以明顯看出，3-甲基吡啶的收率并無(wú)明顯提高，反而呈下降趨勢(shì)，可能由于該催化劑本身具有親水性，能夠吸附少量的溶劑水，因此在催化劑表面形成了一道親水層膜，減少了甘油的脫水反應(yīng)，導(dǎo)致3-甲基吡啶的收率下降。因此可知最適催化劑用量為3%，此時(shí)3-甲基吡啶的收率最高，為66.9%。

2.4 不同溶劑對(duì)反應(yīng)收率的影響

保持其他反應(yīng)條件不變，甘油∶尿素∶溶劑摩爾比為1∶3∶10，催化劑ZSM-5-At-acid 用量為3%，觀察不同溶劑對(duì)合成3-甲基吡啶的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 不同溶劑對(duì)3-甲基吡啶收率的影響

從表4 中看出，不同溶劑對(duì)于反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率影響差異不大，主要表現(xiàn)為收率差異，二甲基亞砜和草酸混合溶劑的收率最高達(dá)到了70.7%，我們分析可能原因在于:由于二甲基亞砜具備高沸點(diǎn)的特性，在上述反應(yīng)體系中難以揮發(fā)，從而降低了氨源的揮發(fā)速率；其次尿素分解后，極易產(chǎn)生氨，可與草酸結(jié)合產(chǎn)生草酸銨，待尿素分解完后，由于在反應(yīng)體系下草酸銨不穩(wěn)定，易于分解產(chǎn)生氨氣，可參與3-甲基吡啶的合成反應(yīng)。因此確定最佳溶劑為二甲基亞砜與草酸混合溶劑。

2.5 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)收率的影響

保持其他反應(yīng)條件不變，甘油∶尿素∶溶劑摩爾比為1∶3∶10，催化劑ZSM-5-At-acid 用量為3%，采用二甲基亞砜與草酸混合溶劑，觀察不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)合成3-甲基吡啶的影響，結(jié)果如表5所示。

表5 不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)3-甲基吡啶收率的影響

從表5中看出，不同反應(yīng)時(shí)間對(duì)3-甲基吡啶的轉(zhuǎn)化率影響基本一致，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，收率有一個(gè)明顯的下降趨勢(shì)，我們分析可能由于整個(gè)反應(yīng)過(guò)程比較迅速，從而導(dǎo)致3-甲基吡啶合成過(guò)程中伴隨著4-甲基吡啶的產(chǎn)生，因而在延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間后，其收率下降了約26%，因此反應(yīng)時(shí)間選擇1 h，此時(shí)的反應(yīng)收率最高，達(dá)到了71.2%。

3 結(jié)論

本文研究了微波液相法合成3-甲基吡啶，實(shí)驗(yàn)考查了多種因素如不同碳源、氨源、催化劑用量、不同溶劑及反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)收率的影響。首先以丙烯醛縮醛為碳源替代，丙烯醛是合成3-甲基吡啶的一個(gè)重要中間產(chǎn)物，其次利用不同氨源搭配離子液體反應(yīng)，對(duì)3-甲基吡啶的生成無(wú)明顯提高。采用混合溶劑對(duì)比單一溶劑來(lái)看，混合溶劑二甲基亞砜與草酸所得到的3-甲基吡啶的收率更高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用甘油∶尿素∶溶劑摩爾比為1∶3∶10，催化劑ZSM-5-At-acid 用量為3%，反應(yīng)時(shí)間為1 h，反應(yīng)功率為150 W，此時(shí)反應(yīng)條件最佳，并且實(shí)驗(yàn)采用二甲基亞砜和草酸為溶劑，易于反應(yīng)，減少氨揮發(fā)，提高了轉(zhuǎn)化率、選擇性以及收率，選擇性和收率分別達(dá)到了65%和71.2%。