3-氨基吡啶中間體合成工藝研究

傅勝輝，張先龍，吳超，李寧，溫蘭蘭，吳李瑞

（安徽國星生物化學(xué)有限公司，安徽 馬鞍山 243100）

3-氨基吡啶是一種主要的氨基吡啶類化合物，分子式C5H6N2，其在醫(yī)藥方面用作生產(chǎn)胃潰瘍和十二指腸潰瘍藥的中間體；在農(nóng)藥方面用作殺菌劑Buthiobate 的原料；作為重要的精細(xì)化工中間體，其下游產(chǎn)品2，3-二氯吡啶是合成殺蟲劑氯蟲苯甲酰胺的重要原料[1-2]。 3-氨基吡啶的主要合成方法大致可分三種：①由鹵代吡啶化合物合成，但是鹵代吡啶作為吡啶的重要衍生物之一，本身合成就比較困難，因而價格較貴，同時，該類反應(yīng)多數(shù)要用到金屬催化劑，成本高，也為廢水處理帶來了麻煩[3]；②由硝基吡啶合成，但該方法由于吡啶環(huán)的硝化反應(yīng)難以進(jìn)行，因此3-硝基吡啶的制備較為困難，可用發(fā)煙硫酸及硝酸鉀或者硝酸鈉混合物對吡啶進(jìn)行硝化，反應(yīng)溫度300℃，也僅有5%的3-硝基吡啶生成，而且該反應(yīng)使用濃硫酸，高溫，因而不適合大規(guī)模生產(chǎn)[4]；③由烷基吡啶合成，該方法是目前大生產(chǎn)的主流工藝，以吡啶生產(chǎn)中的副產(chǎn)物3-甲基吡啶作為原料，經(jīng)催化氧化、水解、霍夫曼降解制備3-氨基吡啶[5-7]，該方法反應(yīng)條件較溫和，原材料便宜易得，因而被廣泛應(yīng)用。

煙酰胺作為該合成方法的關(guān)鍵中間體，在3-氨基吡啶的工業(yè)化生產(chǎn)中具有重要作用。目前，常用3-氰基吡啶在堿性條件下水解制得煙酰胺，報(bào)道的文獻(xiàn)中，該反應(yīng)常伴有煙酸副產(chǎn)物，產(chǎn)物分離困難，收率不高；還有用微生物催化法，3-氰基吡啶在特定菌種產(chǎn)生的酶催化下生成煙酰胺，該方法雖然具有反應(yīng)條件溫和、環(huán)境污染小、產(chǎn)物純度高等優(yōu)點(diǎn)，但是由于菌種易變質(zhì)，從而影響反應(yīng)和煙酰胺的品質(zhì)；文獻(xiàn)中還有用氧化劑二氧化錳、雙氧水等催化氧化制備煙酰胺，但都存在副反應(yīng)多、轉(zhuǎn)化率不高、后處理繁瑣等不足[8-14]。因此，對煙酰胺的合成方法進(jìn)行研究改進(jìn)意義重大。本文主要針對以上問題，采用吡啶副產(chǎn)的3-甲基吡啶合成煙酰胺，得到滿意結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料

3 -甲基吡啶，99%，自制；水蒸氣，≥99.9%，自制；催化劑VPO/SiO2，自制；液氨，≥99.8%；磷酸，≥85%；乙二酸，98%；五氧化二釩，99%；二氧化硅，孔徑300～425 μm；甲苯，99%；乙醇，99.5%；鹽酸，30%；乙醚，≥99%；四丁基氯化銨，98%；四丁基溴化銨，≥99%；空氣，≥99.99%；工藝水，自制。

1.2 催化劑VPO/SiO 2的制備

在圓底燒瓶中加入水，然后加入磷酸和乙二酸，加熱至70℃，將五氧化二釩加入攪拌中的熱酸混合液中，待五氧化二釩完全溶解，將二氧化硅（孔徑300～425 μm）浸入燒瓶中，浸漬1 h 后，倒入坩堝，放入馬弗爐在550℃下焙燒12 h，即得VPO/SiO2催化劑。

1.3 3-氰基吡啶的合成

將3-甲基吡啶汽化，與NH3、空氣和水蒸汽混合，通入沸騰床反應(yīng)器，以VPO/SiO2為催化劑，300℃下進(jìn)行催化氧化反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束，經(jīng)萃取、濃縮、精餾得3-氰基吡啶，用于煙酰胺的合成。反應(yīng)方程式如下：

1.4 煙酰胺的合成

將3-氰基吡啶溶于乙醇中，加入30%鹽酸和相轉(zhuǎn)移催化劑，升溫至70℃～90℃，保溫進(jìn)行水解反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束降至室溫，往反應(yīng)液中加入乙醚，析出固體，過濾，濾餅用乙醚洗滌得白色晶體煙酰胺。反應(yīng)方程式如下：

1.5 3-氰基吡啶精餾底料的回收利用

高粘度的3-氰基吡啶精餾底料，經(jīng)負(fù)壓刮板薄膜蒸發(fā)器閃蒸，氣相進(jìn)入3-氰基吡啶精餾塔精餾得到3-氰基吡啶，負(fù)壓刮板薄膜蒸發(fā)器底部采出的蒸餾底液熱值高，可直接作為固廢焚燒爐的燃料。分離回收過程無需溶劑，是一種環(huán)保的分離回收方法。

1.6 煙酰胺的檢測方法

3-甲基吡啶的檢測方法參見GB/T 27715。

3-氰基吡啶、煙酰胺采用高效液相色譜檢測，檢測條件：1.0 g 庚烷磺酸鈉溶于800 mL 水，加入0.2 mL 三乙胺、1.0 mL 冰乙酸、100 mL 乙腈；進(jìn)樣體積：5 μL；流速：1.0 mL/min；色譜柱：C18 4.6 mm*250 mm，5 μm；保留時間：煙酰胺5.0 min，3-氰基吡啶8.4 min。

2 分析與討論

2.1 不同釩、磷摩爾比的VPO/SiO2催化劑對3 -氰基吡啶收率的影響

在25 mL 的圓底燒瓶中加入12 mL 水，然后加入1.359 g 磷酸和2.564 g 乙二酸，加熱至70℃，將1.350 g五氧化二釩加入攪拌中的熱酸混合液中，待五氧化二釩完全溶解，將10 g二氧化硅（孔徑300～425 μm）浸入燒瓶中，浸漬1 h 后，倒入坩堝，放入馬弗爐在550℃下焙燒12 h，即得釩、磷摩爾比為1∶1 的VPO/SiO2催化劑備用。采用相同方法投入不同質(zhì)量的磷酸和五氧化二釩分別制備釩、磷摩爾比為1∶0，2∶1，1∶2，0∶1的VPO/SiO2催化劑備用。

將上述1∶0，2∶1，1∶1，1∶2 和0∶1 的VPO/SiO2催化劑在300℃活化3 h 后分別用于3-氰基吡啶的合成，3-甲基吡啶∶NH3∶空氣∶水蒸汽的摩爾比為1∶7∶20∶6，3-甲基吡啶的氣化溫度為200℃，反應(yīng)溫度300℃，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示：VPO/SiO2催化劑的釩、磷摩爾比為1∶1 時，3-氰基吡啶收率較高，達(dá)97%；單獨(dú)使用釩系和磷系催化劑，3-氰基吡啶的收率都有所下降，主要是由于V2O5晶相容易將合成3-氰基吡啶的中間產(chǎn)物甲醛吡啶或羧酸吡啶深度氧化，同時釩系催化劑在氨氧化反應(yīng)中易導(dǎo)致氨的燃燒，使氨耗增大，同時產(chǎn)生大量熱，易使固定床反應(yīng)器局部過熱，從而使催化劑活性下降[15]。

表1 不同釩、磷摩爾比的VPO/SiO2催化劑對3-氰基吡啶收率的影響

2.2 不同3-甲基吡啶、NH3、空氣、水蒸汽的摩爾比對3-氰基吡啶收率的影響

采用釩、磷摩爾比為1∶1 的VPO/SiO2催化劑，3-甲基吡啶的氣化溫度為200℃，反應(yīng)溫度300℃，不同摩爾比的3-甲基吡啶∶NH3∶空氣∶水蒸汽合成3-氰基吡啶，得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示：3-甲基吡啶、NH3、空氣、水蒸汽的摩爾比為1∶7∶20∶6 時，3-氰基吡啶收率達(dá)97%；氨氣濃度增加，3-氰基吡啶收率沒有明顯增加，反而有下降趨勢。

表2 不同3-甲基吡啶、NH3、空氣、水蒸汽的摩爾比對3-氰基吡啶收率的影響

2.3 相轉(zhuǎn)移催化劑對煙酰胺收率的影響

采用四丁基溴化銨或四乙基氯化銨作為催化劑，3-氰基吡啶∶30%鹽酸∶相轉(zhuǎn)移催化劑為1∶4∶0.5，反應(yīng)溫度80℃，反應(yīng)時間8 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3：相轉(zhuǎn)移催化劑的加入促進(jìn)3-氰基吡啶的水解反應(yīng)，加快反應(yīng)速度，相同條件下，四丁基溴化銨的效果優(yōu)于四乙基氯化銨。

表3 相轉(zhuǎn)移催化劑對煙酰胺收率的影響

2.4 3-氰基吡啶、30%鹽酸、四丁基溴化銨的摩爾比對煙酰胺收率的影響

采用不同摩爾比的3-氰基吡啶、30%鹽酸、四丁基溴化銨進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)溫度80℃，反應(yīng)時間8 h，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4：3-氰基吡啶、30%鹽酸、四丁基溴化銨摩爾比為1∶4∶0.05 時，煙酰胺水解收率較高，達(dá)96%；鹽酸用量增加或降低，煙酰胺收率都降低；四丁基溴化銨用量達(dá)到0.05 以后，繼續(xù)增加，煙酰胺收率沒有明顯變化。

表4 3-氰基吡啶、30%鹽酸、四丁基溴化銨的摩爾比對煙酰胺收率的影響

2.5 反應(yīng)溫度對煙酰胺收率的影響

3-氰基吡啶、30%鹽酸、四丁基溴化銨摩爾比為1∶4∶0.05，反應(yīng)時間8 h，驗(yàn)證反應(yīng)溫度對煙酰胺收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5：水解溫度為80℃時，煙酰胺收率較高，升高或降低溫度對反應(yīng)無正向促進(jìn)作用。

表5 反應(yīng)溫度對煙酰胺收率的影響

2.6 反應(yīng)時間對煙酰胺收率的影響

3-氰基吡啶、30%鹽酸、四丁基溴化銨摩爾比為1∶4∶0.05，反應(yīng)溫度80℃，驗(yàn)證反應(yīng)時間對煙酰胺收率的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6：反應(yīng)時間為8 h 時，煙酰胺收率較高；反應(yīng)時間縮短，水解不充分；反應(yīng)時間延長，水解副反應(yīng)增加，煙酰胺收率降低。

表6 反應(yīng)時間對煙酰胺收率的影響

2.7 負(fù)壓刮板薄膜蒸發(fā)器壓力、溫度對3-氰基吡啶底料回收收率的影響

3-氰基吡啶含量53.2%的精餾底料，經(jīng)負(fù)壓刮板薄膜蒸發(fā)器閃蒸，氣相進(jìn)入3-氰基吡啶精餾塔精餾得到3-氰基吡啶，負(fù)壓刮板薄膜蒸發(fā)器壓力、溫度對3-氰基吡啶閃蒸效果如表7：當(dāng)壓力為-0.06 MPa、溫度為175℃時，蒸出氣相含量達(dá)90%；繼續(xù)增加溫度，蒸出氣相含量降低；當(dāng)壓力為-0.07 MPa、溫度為165℃時，蒸出效果與壓力為-0.06 MPa、溫度為175℃基本一致，但負(fù)壓增加，不利于蒸出氣相進(jìn)后續(xù)負(fù)壓精餾塔，蒸餾底液增多，效率下降。

表7 閃蒸壓力、溫度對3-氰基吡啶回收效率的影響

3 結(jié)論

以3-甲基吡啶為原料，3-甲基吡啶的氣化溫度為200℃，在釩、磷摩爾比1∶1 的VPO/SiO2催化劑作用下，反應(yīng)溫度300℃，3-甲基吡啶∶NH ∶3空氣∶水蒸汽摩爾比為1∶7∶20∶6 的條件下合成3-氰基吡啶，精餾提純3-氰基吡啶含量為98%，收率為97%，通過負(fù)壓刮板薄膜蒸發(fā)器-0.06 MPa、175℃條件下回收精餾底料中的3-氰基吡啶；3-氰基吡啶在酸性條件下，加入相轉(zhuǎn)移催化劑四丁基溴化銨，促進(jìn)水解反應(yīng)進(jìn)行，得到3-氨基吡啶合成中間體煙酰胺，其中，3-氰基吡啶、30%鹽酸、四丁基溴化銨摩爾比為1∶4∶0.05，反應(yīng)溫度80℃，反應(yīng)時間8 h，可制得含量為99%和產(chǎn)率為96%的煙酰胺。該方法反應(yīng)原料價廉易得，無需使用價格昂貴的催化劑，副反應(yīng)少，后處理簡單，適合工業(yè)化生產(chǎn)。