韋永飛，黃永升，顧起財，方紅新，強金鳳，陳銳（安徽國星生物化學有限公司，安徽雜環(huán)化學省級實驗室，安徽馬鞍山243100）

2，2'-聯(lián)吡啶催化合成研究進展

韋永飛，黃永升，顧起財，方紅新，強金鳳，陳銳
（安徽國星生物化學有限公司，安徽雜環(huán)化學省級實驗室，安徽馬鞍山243100）

摘要：綜述了2，2'-聯(lián)吡啶的催化合成研究現狀及其合成工藝路線，重點介紹了Ullmann法、直接偶聯(lián)法、氨鈉法，并對其工業(yè)化路線進行了展望。

關鍵詞：2，2'-聯(lián)吡啶；Ullmann；偶聯(lián)；氨鈉

通訊聯(lián)系人：方紅新（1983-），男，畢業(yè)于蘇州大學，工程師，從事高分子合成和農藥合成研究工作，18955508301，fhx19831115@163.com。

1　前言

2，2'-聯(lián)吡啶作為一種化工中間體廣泛應用于有機合成、油漆、涂料、醫(yī)藥和農藥等行業(yè)[1]，其中，由于其獨特的螯合作用，可以作為檢測金屬離子的指示劑、光敏劑、金屬催化劑的配體等，具有廣闊的應用前景[2]。近年來，隨著2，2'-聯(lián)吡啶下游產品農藥敵草快市場需求量的不斷增加，其日益受到世界各國的廣泛關注。本文綜述了2，2'-聯(lián)吡啶的催化合成研究現狀以及工藝合成路線，并對其工業(yè)化應用前景進行展望。

2　2，2'-聯(lián)吡啶催化合成研究進展

自1958年英國ICI公司首次合成敵草快以來[3]，其中間體2，2'-聯(lián)吡啶已經有多種合成方法。按原料來分，以2-鹵代吡啶為起始原料的合成方法已成為工業(yè)化比較成熟的方法[4-5]；以吡啶為起始原料的合成技術已被英國原ICI公司攻破；其次還有以2-氰基吡啶、2-氨甲基吡啶、2-乙?；拎?、吡啶- N-氧化物等為原料偶聯(lián)得到的，均已實現工業(yè)化或具有工業(yè)化前景。

2.1以2-鹵代吡啶為原料的Ullmann法

該方法是以2-鹵代吡啶為原料，在鎳、鈀等過渡金屬絡合物催化下偶聯(lián)合成2，2'-聯(lián)吡啶[6]，它是合成2，2'-聯(lián)吡啶最主要的方法，也是大部分吡啶衍生物偶聯(lián)反應采用的方法[7]。

二十世紀80年代后期，隨著金屬有機化合物在有機合成中的廣泛應用，Ullmann法合成反應也采用了以金屬有機化合物為催化劑的催化反應。該方法主要以金屬Ni或金屬鎳鹽、三苯基膦為催化劑，以Zn、Mg、Mn為還原劑催化2-鹵代吡啶進行耦合得到2，2'-聯(lián)吡啶。其催化反應機理如圖1所示。

圖1　Ullmann法催化2-鹵代吡啶反應機理

其中，K. Sato，M. Iyoda，H. Noriyuki等[8-9]將3mmol NiBr2（PPh3）2、15mmol Zn粉和1～10 mmol Et4Ni加入到30mL的THF中，升溫至50℃后向THF中滴加10mmol 2-溴吡啶，保溫6～30h。向反應混合液中分別添加100mL2M氨水溶液、50mL乙醚、50mL苯。將沉淀過濾后分離出有機相，水相采用50mL乙醚和苯（1∶1）混合液萃取兩次。萃取后的有機相分別進行水洗和飽和NaCl洗，然后用無水MgSO4干燥，蒸餾除去溶劑，再真空蒸餾得2，2'-聯(lián)吡啶，收率達73%以上。

隨后許多學者不斷致力于對該催化偶聯(lián)分液的研究改進，并取得了相當程度的突破和成果。R. N. Dhital、Sakurai等[10-11]均以氯金酸、氯鈀酸為催化劑，采用Ullmann偶聯(lián)反應合成2，2'-聯(lián)吡啶。向反應管中分別加入0.1mmol 2-溴吡啶、0.15mmol KOH水溶液，之后分別添加0.4mL5mM氯金酸和氯鈀酸溶液，低溫35℃下進行攪拌反應，12h后用0.5M的HCl猝滅反應。經后處理真空蒸餾干燥后，2，2'-聯(lián)吡啶收率達96%。

但該反應中氯金酸和氯鈀酸由于其昂貴的價格無法應用到工業(yè)化生產中。王紅明、李健、劉善和、Nelson 等[12-15]均采用以DMAC為溶劑，月桂酸甜菜堿或吐溫80為助劑，在80℃左右進行保溫反應2～3h后經脫溶、堿解、萃取、酸洗、吸附、酸解、堿解、精制等過程得到高純度的2，2'-聯(lián)吡啶，其收率均可達到96%以上。因此，采用以NiCl2、PPh3、Zn粉為偶聯(lián)試劑的偶聯(lián)反應，反應條件溫和，產品收率高，是目前2，2'-聯(lián)吡啶合成的工業(yè)化合成方法。但由于其制造成本高，環(huán)境負擔重，原料來源困難等原因，仍不能作為最佳的工業(yè)化合成路線。

2.2以吡啶為原料的直接偶聯(lián)法

該法是以吡啶為原料，在Raney Ni存在下進行催化偶聯(lián)合成2，2'-聯(lián)吡啶。該法因其原料來源豐富，合成工藝路線簡單，環(huán)境友好等諸多優(yōu)點一直是研究者最希望研究和開發(fā)的路線。然而，Raney Ni在催化吡啶脫氫偶聯(lián)過程中很快失活，其原因主要是生成的產物2，2'-聯(lián)吡啶使得催化劑中毒。

英國原ICI公司從上世紀60年代就已經開始了比較深入的研究[16]，并取得了突破性的進展。G. H. Lang，D. C. Marshall和R. F. Dalton等[17-19]發(fā)現貴金屬銠、鋨、鈀、鉑、釕等在合成2，2'-聯(lián)吡啶的反應中比Raney Ni催化活性高且催化劑的使用壽命較長，反應過程中易于處理和操作。G. H. Lang等[20]向反應管中分別加入1g 5wt.% Rh/Al2O3催化劑和25g吡啶，升溫至300℃反應10h后降溫、過濾、蒸餾得2，2'-聯(lián)吡啶，收率為12.0%。同樣的方法分別用Ru/C和Pt/C催化反應所得2，2'-聯(lián)吡啶收率分別為4.5%和12.6%。

為了提高吡啶轉化率，J. R. Case等[21]曾在620℃～625℃、10MPa下將吡啶進行高溫分解后合成2，2'-聯(lián)吡啶。該反應為自由基反應，故其產物收率較低，僅為28%，副產物主要為吡啶二聚物異構體等。

隨后ICI公司于1961年成功開發(fā)了類似于Soxhlet萃取劑裝置的方法。它使得吡啶在催化劑床層偶聯(lián)結束后即與催化劑分離，這不僅解決了2，2'-聯(lián)吡啶在合成過程中的催化劑失活問題；同時由于吡啶的循環(huán)蒸發(fā)冷凝到催化劑床層進行催化偶聯(lián)，大大提高了產物2，2'-聯(lián)吡啶的收率。G. L. Varcoe等[22]采用該方法使用Raney Ni催化劑反應114h后其收率高達37%。隨后ICI公司的研究者從Raney Ni去水，吡啶與甲苯、甲基環(huán)己烷混溶代替純吡啶進料等因素考慮[23-24]，對該合成工藝進行改進。目前國內仍沒有開發(fā)以吡啶為原料直接偶聯(lián)的工業(yè)化路線。

2.3以吡啶-N-氧化物為原料的氨鈉法

該方法初始原料是吡啶，經氧化后得中間體吡啶- N-氧化物，在氨基鈉等強堿性催化劑下偶聯(lián)合成2，2'-聯(lián)吡啶，目前尚未見相關的文獻報道。

除了上述路線外，2，2'-聯(lián)吡啶的合成路線還有2-氰基吡啶與乙炔在高溫高壓下的環(huán)合反應[25]，甲基吡啶在600℃以上和雙氧水氧化偶聯(lián)反應[26]以及2-乙酰基吡啶在高溫高壓下氣相催化偶聯(lián)反應[27]等，但這些路線均停留在小試階段。

3　2，2'-聯(lián)吡啶催化合成展望

綜合考慮，2，2'-聯(lián)吡啶的合成路線應當從以下兩個方面著手：采用以2-氯吡啶為原料的Ullmann法是2，2'-聯(lián)吡啶合成工業(yè)化生產的首要選擇，并對工藝路線不斷改進和優(yōu)化，以降低生產成本，減少環(huán)境污染；以吡啶為原料的直接偶聯(lián)法和以吡啶- N-氧化物為原料的氨鈉法是2，2'-聯(lián)吡啶合成的技術革新方向。

作為敵草快的創(chuàng)始人，英國原ICI公司在以吡啶為原料Raney Ni催化合成2，2'-聯(lián)吡啶的研究方面取得了很大的進展，并建立了一定規(guī)模的工業(yè)化裝置。到目前為止，直接偶聯(lián)法的研究重點在于不斷開發(fā)與改進吡啶脫氫偶聯(lián)的催化性能，增強抗毒能力，提高吡啶轉化率。因此，進一步研究與開發(fā)高活性、高效能的吡啶脫氫偶聯(lián)催化劑將是2，2'-聯(lián)吡啶合成的研究重點，也是敵草快工業(yè)的一項重要課題。

參考文獻

[1]芮國華.敵草快主要中間體2，2'-聯(lián)吡啶的合成工藝概述[J].世界農藥，2004，26（2）：31- 32.

[2]錢延龍.鎳絡合物催化條件下2，2'-聯(lián)吡啶的偶聯(lián)合成[J].有機化學，2003，23（11）：1264- 1266.

[3] Richard J. Fielden，Ronald F. Homer. New quaternary salts. GB2823987，1958.

[4] Ismael Colon，Donald R. Kelsey. Coupling of aryl chlorides by nickel and reducing metals [J]. Org. Chem.，1986，51（14）：2627 - 2637.

[5] Masahiko Iyoda. Homocoupling of aryl halides using nickel（II）complexand zinc in the presence of Et4Ni[J]. An efficient method for the synthesis of biaryls and bipyridines. Bull. Chem. Soc. Jpn.，1990，63（1）：80- 87.

[6] Cyril Gardner. Improved process for the manufacture of 2，2'- Dipyridyl. GB829838，1960.

[7] Lian- Yan Liao. Reductive Couplings of 2- Halopyridines without External Ligand: Phosphine- Free Nickel- Catalyzed Synthesis of Symmetrical and Unsymmetrical 2，2'- Bipyridines[J].J.Org. Chem.，2014，79：777- 782.

[8] Koichi Sato.Method for producing biaryl compound.US20100087 - 680A1，2010.

[9] Hida Noriyuki. Method for producing biaryl compound. JP2460 - 789A1，2010.

[10]Raghu Nath Dhital. Bimetallic gold- palladium alloy nanoclusters：an effective catalyst for Ullmann coupling of chloropyridines under ambient conditions. Catal. Sci. Technol.，2013，3：3030- 3035.

[11]Sakurai. Method for producing biaryl compound. JP2013184947A，2013.

[12]王紅明.一種2，2'-聯(lián)吡啶的合成方法. CN103030594A，2013.

[13]王紅明.一種2，2'-聯(lián)吡啶的雙堿解合成方法.CN103030595A，2013.

[14]李健.一種2，2'-聯(lián)吡啶合成的新工藝.CN103172559A，2013. [15]Nelson. Cu，Ni，and Pd mediated homocoupling reactions in biaryl syntheses：The Ullmann reaction[J]. Organic Reactions，2004，63：1. [16]George H. Lang. Process for preparing 2，2'- Dipyridyl. US3152137，1964.

[17]George H. Lang. 2，2'- Dipyridyl and dialkyl derivatives thereof. GB1000656，1965.

[18]George H. Lang. Dipyridyls. GB1014077，1965.

[19]Raymond F. Dalton. Preparation of 2，2'- Dipyridyl. GB1377213，1974.

[20]George H. Lang. Preparation of Dipyridyls. GB981353，1965.

[21]John R. Case. Pyrolysis ofpyridine. GB995689，1965.

[22]Graeme L. Varcoe. Method for the manufacture of 2，2'- Dipyridyl. US3053846，1962.

[23]George H. Lang. Preparation ofcatalyst. GB899015，1962.

[24]George H. Lang. Dipyridyl manufacturing process. GB960176，1964.

[25]Kim B. Kwen. Complex Method of welding in combination of electric resistance welding with submerged arc welding. KR101191711B1，2012.

[26]Nagiev Tofik M. Method for producing 2，2'- Dipyridyl. SU1296561A1，1987.

[27]Beschke Helmut. Process for the production ofsubstituted pyridine. US4175195A，1979.□

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2015.05.005

中圖分類號：O626.4

文獻標識碼：A

文章編號：1008- 553X（2015）05- 0019- 03

收稿日期：2015- 04- 03

作者簡介：韋永飛（1976-），男，畢業(yè)于金陵科技學院，工程師，從事企業(yè)管理及農藥合成研究工作，15357966000，weiyf1976@163.com；

The Research Progress of Catalytic Synthesis of 2，2'-Dipyridyl

WEI Yong-fei，HUANG Yong-sheng，GU Qi-cai，FANG Hong-xin，QIANG Jin-feng，CHEN Rui

（Anhui Costar Biological Chemical Co.，Ltd.，Provincial Laboratoryof Heterocyclic Chemistry，Maanshan 243100，China）

Abstract:The research progress of catalytic synthesis of 2，2'- dipyridyl and synthetic route at home and abroad has been summarized. Especially for synthesis of 2，2'- dipyridyl with the Ullmann method，direct coupling method and ammonia sodiummethod，then point out the route ofits industrialization.

Key words:2，2'- dipyridyl；Ullmann；coupling；ammonia sodium