廖　波, 劉建軍, 李保山, 左勝利

(北京化工大學(xué) 理學(xué)院,北京　100029)

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·研究簡報·

N-羥基-1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-酰亞胺/乙酸鈷液相催化氧化3-甲基吡啶制備煙酸

廖波, 劉建軍, 李保山, 左勝利*

(北京化工大學(xué) 理學(xué)院,北京100029)

摘要：以1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-二甲酸酐為原料，與羥胺基鹽酸鹽經(jīng)?；兔撍磻?yīng)制得N-羥基-1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-酰亞胺(2)；構(gòu)建了2/乙酸鈷催化體系，以氧分子為氧源，乙腈為溶劑，在1 MPa氧氣壓力下于120 ℃反應(yīng)20 h，氧化3-甲基吡啶制備煙酸，產(chǎn)率70%，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和IR確證。

關(guān)鍵詞：N-羥基-1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-酰亞胺; 3-甲基吡啶; 煙酸; 催化; 制備

均相催化劑的開發(fā)是目前催化化學(xué)的一個重要課題，1964年，Vogel首次合成1,6-亞甲基橋[10]輪烯，并證明其具有芳香性[1]。Kuroda等綜述了1,6-亞甲基橋[10]輪烯的研究進展及其在有機發(fā)光材料方面的應(yīng)用[2]。近年來，各種1,6-亞甲基橋[10]輪烯衍生物的研究成果相繼被報道，并證實具有廣泛應(yīng)用前景[3-4]。

煙酸是重要的化工產(chǎn)品，廣泛使用于醫(yī)藥、食品工業(yè)和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，工業(yè)上煙酸生產(chǎn)是以3-甲基吡啶或2-甲基-5-乙基吡啶為原料，通過強氧化劑液相氧化或者在高溫高壓下通過氣相催化氨氧化得到3-氰基吡啶，再進行水解得到煙酸[5-6]。均相法直接氧化3-甲基吡啶來制備煙酸是最佳方法，以Co，Mn和V等金屬鹽為催化劑[7-8]，在高溫、高壓下進行反應(yīng), 由于溶劑多為有機酸，對設(shè)備造成腐蝕[9]；最近以N-羥基酰亞胺為催化劑，在Co和Mn等金屬鹽組合下催化氧化制備煙酸也被報道[10-12]。N-羥基-1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-酰亞胺作為一種新型的催化劑，其催化氧化性能的研究目前也尚未見報。

本文以1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-二甲酸酐(1)為原料，與羥胺基鹽酸鹽經(jīng)?；兔撍磻?yīng)制得N-羥基-1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-酰亞胺(2)；構(gòu)建了2/乙酸鈷催化體系，以氧分子為氧源，乙腈為溶劑，在1MPa氧氣壓力下120 ℃反應(yīng)20h反應(yīng)氧化3-甲基吡啶制備煙酸(Scheme1)，產(chǎn)率70%，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1HNMR和IR確證。

Scheme1

1實驗部分

1.1儀器與試劑

X-5型精密顯微熔點儀；BrukerAV-400型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；NicoletAVATAR-370型紅外光譜儀(KBr壓片)；JEOLJMS-D-300型和GC-Mate型質(zhì)譜儀(EI源，70eV，直接進樣)；BrukerMicroTOF-QⅡ型液質(zhì)聯(lián)用儀(ESI源，負(fù)離子模式)；SP-6890型氣相色譜儀(內(nèi)標(biāo)法，乙二醇二甲醚為內(nèi)標(biāo))。

1按文獻[13]方法合成；其余所用試劑均為分析純。

1.22的合成

在反應(yīng)瓶中依次加入水合溶液(二氧六環(huán)/水=9/1)150mL和1 10g(47mmol)，攪拌使其溶解；加入鹽酸羥胺3.28g(47mmol)和三乙胺4.76g(47mmol)，回流(100～105 ℃)反應(yīng)5h。減壓蒸除溶劑得黃色固體混合物，用乙醇溶解，經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑:A=V(乙酸乙酯)∶V(正己烷)=2∶3]純化得黃色固體2 9.85g，產(chǎn)率92 %，m.p.79～80 ℃;1HNMRδ: 10.83(s, 1H), 8.27(s, 2H), 7.74～7.72(m, 2H), 7.38～7.36(m, 2H), 0.29(d, J=4.88Hz, 1H), -0.32(d, J=4.88Hz, 1H);IRν: 3 423, 2 923, 2 852, 1 773, 1 713, 1 607, 1 463, 983, 951cm-1;MSm/z(%): 211(M+, -HO, 75), 168(30), 140(100);HR-MSm/z：CalcdforC13H9NO3{[M+H]+}228.058 2,found228.065 9。

1.32催化氧化制備煙酸

在100mL高壓釜中依次加入3-甲基吡啶3.00g(32mmol)， 2 0.73g(10mol%)，Co(OAc)20.08g(2mol%)和乙腈30mL，用氧氣置換三次，控制氧氣壓力為1MPa，于120 ℃反應(yīng)20h。冷卻至室溫，取樣進行氣相分析測定3-甲基吡啶的轉(zhuǎn)化率，減壓蒸除溶劑，加入二氯甲烷30mL和10%NaOH溶液50mL，調(diào)至pH10～12，分液，有機相濃縮后經(jīng)硅膠柱層析(洗脫劑:A=2 ∶3)純化回收2；冰浴冷卻下在水相中加入20%鹽酸酸化至pH3～4(析出固體)，過濾，濾餅用甲醇重結(jié)晶得白色固體煙酸,m.p.237～238 ℃;1HNMRδ: 9.05(s, 1H), 8.83(d, J=8.0Hz，1H), 8.76(d, J=5.6Hz，1H), 8.01(m, 1H);IRν: 3 437, 1 710, 1 595, 1 417, 748cm-1。

2結(jié)果與討論

2.1表征

2的FT-IR分析表明，3 423cm-1處吸收峰為氫鍵締合O—H的伸縮振動吸收峰，2 923m-1和2 852m-1處吸收峰為亞甲基吸收峰，1 773cm-1和1 713cm-1處吸收峰歸屬羰基C=O, 1 607cm-1和1 463cm-1處吸收峰為輪烯環(huán)上的雙鍵吸收峰；2的1HNMR分析表明，δ 10.83處吸收峰為OH特征峰，2中橋亞甲基的兩個質(zhì)子峰出現(xiàn)在高場區(qū)δ 0.29和δ-0.32處，并且分裂為二重峰；2的MS分析結(jié)果與其預(yù)期結(jié)構(gòu)吻合。

煙酸的FT-IR分析表明：3 437cm-1處吸收峰為羧基上氫鍵締合O—H的伸縮振動吸收峰，1 710cm-1處吸收峰為羰基C=O的伸縮振動吸收峰，1 595和1 417cm-1處吸收峰為吡啶環(huán)上雙鍵吸收峰；1HNMR分析表明，δ 9.05處吸收峰為羧基特征峰，δ 8.83～8.01處吸收峰為吡啶芳香環(huán)峰，與其預(yù)期結(jié)構(gòu)吻合。

2.2工藝條件優(yōu)化

為優(yōu)化2催化氧化3-甲基吡啶的工藝條件，考察了催化劑和助催化劑的用量、不同極性溶劑、反應(yīng)時間和壓力對煙酸產(chǎn)率的影響。

(1) 催化劑和助劑用量

分別考察了催化劑和助劑用量對催化劑用量和助劑用量對煙酸產(chǎn)率的影響，結(jié)果分別見表1和表2。由表1可以看出，當(dāng)不添加催化劑時，無煙酸生成，說明催化劑在該催化氧化反應(yīng)中存在必要的催化活性中心；煙酸的產(chǎn)率隨著催化劑用量的增加而增大，催化劑用量為10%時，產(chǎn)率70%；繼續(xù)增大催化劑用量至15%，差率變化不大。因此催化劑用量為10%較佳。

由表2可見，在不添加助劑乙酸鈷條件下，無氧化產(chǎn)物生成，說明此時反應(yīng)體系不能引發(fā)R2NO自由基；隨著助劑含量增加，煙酸產(chǎn)率提高，當(dāng)助劑添加量為2%時，產(chǎn)率70%；繼續(xù)增大助劑含量，煙酸產(chǎn)率幾乎不變。因此較佳的助劑用量為2%。

(2) 溶劑

考察了不同溶劑(苯、乙酸、乙腈和乙醚)對煙酸產(chǎn)率的影響，結(jié)果見表3。從表3可見，以極性稍弱的苯和乙醚為溶劑時，煙酸產(chǎn)率分別僅為18%和20%。從催化劑的結(jié)構(gòu)來看，催化劑存的極性較大，在弱極性溶劑中溶解度較小，使得煙酸產(chǎn)率較低。而在極性較大的溶劑乙酸和乙腈中，催化劑有著極好的溶解性，從而有利于催化3-甲基吡啶的氧化反應(yīng)的進行，使得產(chǎn)率較高，分別為69%和70%，考慮到乙酸在高溫條件下對反應(yīng)釜有腐蝕作用，因此選擇乙腈做為溶劑較為適宜。

(3) 反應(yīng)溫度和壓力

考察了反應(yīng)溫度和壓力對煙酸產(chǎn)率的影響，結(jié)果分別見表4和表5。從表4可以看出，在較低溫度25 ℃和50 ℃下反應(yīng)時，煙酸產(chǎn)率分別僅為5%和12%;隨著溫度升高，產(chǎn)率逐漸提高；溫度升高至120 ℃，產(chǎn)率提高至70%；繼續(xù)升高溫度至150 ℃，產(chǎn)率反而降到40%。這可能是由于在低溫條件下，引發(fā)R2NO自由基比較困難，而R2NO自由基在高溫比較容易分解[14-15,18]，致使產(chǎn)率反而降低。因此較佳的反應(yīng)溫度為120 ℃。

從表5可見，隨著氧氣壓力增大，煙酸產(chǎn)率隨之提高，當(dāng)壓力增至1MPa時，煙酸產(chǎn)率70%；繼續(xù)增大氧氣壓力至1.5MPa，產(chǎn)率基本不再提高。因此該反應(yīng)在壓力為1MPa條件下進行較佳。

綜上所述，最佳反應(yīng)條件為：以乙腈為溶劑，2和乙酸鈷分別為10mol%和2mol%，反應(yīng)溫度為120 ℃，氧氣壓力為1MPa。

表1　催化劑用量對煙酸產(chǎn)率的影響

表2　乙酸鈷用量對煙酸產(chǎn)率的影響

表3　溶劑對煙酸產(chǎn)率的影響

表4　反應(yīng)溫度對煙酸產(chǎn)率的影響

表5　氧氣壓力對煙酸產(chǎn)率的影響

Scheme 2

2.3反應(yīng)機理

在2/乙酸鈷體系中，推測3-甲基吡啶的液相氧化按如下反應(yīng)歷程(Scheme2)進行[16-18]：首先，催化劑2在助劑Co(OAc)2和O2存在下(Co(OAc)2和O2可以形成鈷氧絡(luò)合物，而鈷氧絡(luò)合物能奪取羥基酰亞胺中羥基上的氫)引發(fā)形成相應(yīng)的R2NO自由基(反應(yīng)的快速步驟)，R2NO自由基奪取3-甲基吡啶上甲基氫形成3-吡啶甲基自由基，進而迅速捕獲O2形成3-吡啶甲基過氧自由基，3-甲基吡啶過氧自由基再奪取催化劑2上的氫得到R2NO自由基和3-吡啶甲基過氧化氫完成催化循環(huán)，3-甲基吡啶過氧化氫脫水形成煙酸。

在N-羥基-1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-酰亞胺/乙酸鈷催化體系中，以氧分子為氧源，乙腈為溶劑，液相氧化3-吡啶甲基制備煙酸，在120 ℃、氧氣壓力1MPa條件下，產(chǎn)率70%。

該方法合成煙酸產(chǎn)率高、條件溫和，催化劑回收率達70%左右，具有較好的開發(fā)利用前景。

參考文獻

[1]VogelE,RothHD.Thecyclodecapentaenesystem[J].AngewChemIntEdEngl,1964,3(3):228-229.

[2]KurodaS,KajiokaT,FukutaA, et al.Revisitationofcycloheptatrienederivativesasabuildingblockforvarioussubstitutedandfused1,6-methano[10]annulenesandsubstituted4,9-methanothia[11]annulenes[J].Mini-ReviewsinOrgChem,2007,4(1):31-39.

[3]張若思，劉建軍，屈瑩，等. N-取代-R-氧基羰基-1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-二甲酰亞胺類化合物的合成[J].合成化學(xué),2013,21(4):458-459.

[4]屈瑩，王志華，劉建軍，等. 1,6-亞甲基橋[10]輪烯并[3,4-g]-蒽醌衍生物的合成[J].合成化學(xué),2015,23(5):261-263.

[5]PfammatterT,SchreinerG,StockerA, et al.Processfortheproductionofpyridinecarboxylicacidsfromloweralkylpyridines:US3 741 976A[P].1973.

[6]HashimotoT,NakamuraK,TakagawaM.Processfortheproductionofpyridinecarboxylicacids:US5 700 944A[P].1997.

[7]TamaraVAndrushkevich,ElenaVOvchinnikova.Gasphasecatalyticoxidationofβ-picolinetonicotinicacid:Catalysts,mechanismandreactionkinetics[J].CatalysisReviewsScience&Engineering,2012, 54

(3):399-436.

[8]VorobyevPB,SaurambaevaLI,MikhailovskayaTP, et al.Vapor-phaseoxidationofβ-picolinetonicotinicacidonV2O5andmodifiedvanadiumoxidecatalysts[J].RussianJournalofAppliedChemistry,2014,87(7):887-894.

[9]AlkayevaY,GibadullinR,MerakhovichM, et al.Microwaveassistedheterogeneousvapor-phaseoxidationof3-picolinetonicotinicacidovervanadium-titaniumoxidecatalyticsystem[J].AppliedCatalysisAGeneral,2015,491(1):1-7.

[10]ShibamotoA,SakaguchiS,IshiiY.AerobicoxidationofmethylpyridinestopyridinecarboxylicacidscatalyzedbyN-hydroxyphthalimide[J].OrganicProcessResearch&Development,2000,4(6):505-508.

[11]XavierB,LucaG,IsabelWCEA, et al.Aerobicoxidationofcycloalkanes,alcoholsandethylbenzenecatalyzedbythenovelcarbonradicalchainpromoterNHS(N-hydroxysaccharin)[J].AdvSynthCatal,2004,346,286-296.

[12]MasayaH,KevinDN,KlavsFJ.Continuousflowmetal-freeoxidationofpicolinesusingair[J].ChemCommun,2012,48,2086-2088.

[13]金峰,劉建軍,陳海平,等. 無溶劑條件下新型N-氨基取代的1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-二甲酰亞胺的合成[J].合成化學(xué),2009,17(5):606-608.

[14]SahaB,KoshinoN,EspensonJH. N-hydroxyphthalimidesandmetalcocatalystsfortheautoxidationofp-xylenetoterephthalicacid[J].JPhysChemA,2004,108:425-431.

[15]DengW,LuoWP,TanZ, et al.Remarkableeffectofsimplealiphaticalcoholsonthecontrolledaerobicoxidationoftoluenecatalyzedby(T(p-Cl)PP)MnF/NHPI[J].JournalofMolecularCatalysisAChemical,2013,372(3):84-89.

[16]YoshinoY,HayashiY,IwahamaT, et al.CatalyticoxidationofalkylbenzeneswithmolecularoxygenundernormalpressureandtemperaturebyN-hydroxyphthalimidecombinedwithCo(OAc)2[J].JournalofOrganicChemistry,1997,62(20):6810-6813.

[17]IshiiY,SakaguchiS,IwahamaT.Innovationofhydrocarbonoxidationwithmolecularoxygenandrelatedreactions[J].AdvancedSynthesis&Catalysis,2001,343(5):393-427.

[18]BasudebSaha,JamesHEspenson.Bromoanthracenesandmetalco-catalystsfortheautoxidationofpara-xylene[J].JournalofMolecularCatalysisA:Chemical,2004,207:123-129.

收稿日期：2016-03-02

作者簡介：廖波(1988-)，男，漢族，廣西橫縣人，碩士研究生，主要從事精細(xì)化學(xué)品的合成研究。 E-mail: 358675304@qq.com 通信聯(lián)系人： 左勝利，博士，講師， Tel. 010-64442356， E-mail: zuoshengli@mail.buct.edu.cn

中圖分類號：O626; O643.3

文獻標(biāo)志碼：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.07.16057

SynthesisofNicotinicAcidbyLiquid-phaseOxidationofβ-PicolineCatalyzedbyN-hydroxyl-1,6-methano[10]annulene-3,4-dicarboximide/Cobalt(II)Acetate

LIAOBo,LIUJian-jun,LIBao-shan,ZUOSheng-li*

(FacultyofScience,BeijingUniversityofChemicalTechnology,Beijing100029,China)

Abstract：Synthesis of N-hydroxy-1,6-methano[10]annulene-3,4-dicarboximide(2) was accomplished by acylation and dehydration of hydroxylamine hydrochloride using 1,6-methano[10]annulene-3,4-dicarboxylic anhydride as starting material. 2/Cobalt(II) acetate catalytic system was built by using oxygen molecule as oxygen source and acetonitrile as solvent. The yield of nicotinic acid was 70% after oxidative reaction of β-picoline at 120 ℃ for 20 h with 1 MPa of oxygen pressure. The structure was confirmed by1H NMR and IR.

Keywords：N-hydroxyl-1,6-methano[10]annulene-3,4-dicarboximide; β-picoline; nicotinic acid; catalysis; preparation