合成吡嗪的催化剂的制备

杨 慧 ， 李述日 ， 陈俊波

（1.海南师范大学 省部共建热带药用植物化学教育部重点实验室，海南 海口 571158；2.海南师范大学 化学与化工学院，海南 海口 571158；3.海南职业技术学院 药学院，海南 海口 570216）

吡嗪于1888年首次合成[1]，当时只做抗结核药物使用.随着检测技术的发展，特别是60年代中期以后，不断发现在许多天然食品中，如咖啡、可可和土豆等食物在煮、炒、发酵过程中都含有吡嗪类化合物.它们是分布最广泛的杂环类香料化合物.因而引起了厂商的高度注意.吡嗪有淡化收敛味、酸味和苦味.在国外已广泛应用于饮料、糖果、肉类制品以及烟草制品的加香剂[2-5]，90年代后，则进入大规模合成和应用阶段[6-7].

吡嗪的合成方法有多种[8-10]，采用乙二胺和乙二醇为原料一步气相催化合成吡嗪.该方法的原料易得，合适的催化剂可以得到较高的转化率和收率.

目前，吡嗪的合成方法不断改进，日趋合理.国内对合成吡嗪的研究，尤其是对其催化剂的研究尚且不足，因此加快催化剂的研制和开发，对于促进我国医药化工、香料行业的发展具有重要意义[11-14].

1 实验部分

1.1 实验仪器与设备

固定床管式反应器，数显温度调节仪（浙江省余姚市工易仪表有限公司），RJM-88-10型马福炉（上海微行炉业有限公司），1102G型气相色谱仪（惠普上海分析仪器有限公司），CDMC-2A型色谱数据处理机（上海市计算技术研究所产）.

1.2 实验药品

乙二胺（广东汕头市西拢化工厂），乙二醇（天津市博迪化工有限公司），硝酸铬（天津市天大化工实验厂），硝酸铝（天津市天河化学试剂厂），硝酸铜（天津石英钟厂霸州市化工分厂），50%硝酸锰溶液（天津市福晨化学试剂厂），硝酸锌（河南五交化华信化工厂），以上均为分析纯.活性炭10～18目（郑州诚旺化工产品有限公司），分子筛5A（江苏省盐城市久田碳分子筛厂），∂－Al2O35A（江西省萍乡市金达莱化工填料有限公司）.

1.3 实验流程

1.3.1 以活性炭为载体的催化剂制备

活性炭的精制：将10～18目的柱状活性炭放入500 mL烧杯中，再加入12.5 mL 65%（质量分数）HNO3和77 mL蒸馏水配成的溶液，用加热套加热至100℃，回流2.5 h，此过程中不断加入蒸馏水补充，以稀释硝酸，然后过滤，滤饼用蒸馏水洗涤，反复洗涤多次，直至pH=5～6左右[15-17].洗涤后的活性炭，在110℃下烘箱中干燥4 h.冷却后，称量，活性炭的重量减轻，说明硝酸洗去了活性炭中的一部分杂质.

①Mn：Zn：Cr＝1：1：1（活性组分占载体重量的15%）称取 50%Mn（NO3）2溶液 4.1g，Zn（NO3）2·6H2O 3.89g，Cr（NO3）3·9 H2O5.23 g，加水 7.8ml溶解.称量上述活性炭15 g，将活性炭载体浸入到三种盐的混合溶液中，至完全吸附，110℃下烘箱中干燥，然后放入马福炉中在350℃下焙烧4 h，保存备用.

②Cu：Zn：Al=1：1：1（活性组分占载体量的15%）称取 Cu（NO3）2·3H2O 3.48g，Zn（NO3）2·6H2O 4.29g，Al（NO3）3·9H2O 5.4.g，加水 7.8 mL 溶解.称量上述活性炭15 g，将活性炭载体浸入到三种盐的混合溶液中，至完全吸附，110℃下烘箱中干燥，然后放入马福炉中在350℃下焙烧4 h，保存备用.

按照各种比例，用类似方法制备了20余种以活性炭为载体的催化剂.

1.3.2 以分子筛为载体的催化剂制备

Cu：Zn：Al=1：1：1（活性组分占载体重量的15%）称 Cu（NO3）2· 3H2O 5.80g，Zn（NO3）2· 6H2O 7.15g，Al（NO3）3·9H2O 9.02g，于250 mL烧杯中，加入少量蒸馏水溶解.将球状分子筛砸碎成粉状，称取25 g溶于三种盐的混合液中，分子筛的吸附速率明显慢于活性炭，而且许多活性组分都聚集在分子筛的表面，并未完全吸附.110℃下烘箱中干燥，然后压成片状，放入马福炉中350℃下焙烧4 h，保存备用.

1.3.3 以∂－Al2O3为载体的催化剂制备

Cu：Zn：Al=1：1：1（活性组分占载体重量的15%）称 Cu（NO3）2· 3H2O 7.35g，Zn（NO3）2· 6H2O 9.06g，Al（NO）3·9H2O 11.43g于250 mL烧杯中，加入少量蒸馏水溶解.称取球状∂－Al2O319g溶于三种盐的混合液中，其吸附速率比分子筛快，但不及活性炭快，吸附不均匀.110℃下烘箱中干燥，然后放入马福炉中在350℃下焙烧4 h，保存备用.

1.3.4 催化剂活性测试

乙二胺和乙二醇为原料一步气相催化合成吡嗪的反应，如下式所示：

将焙烧好的以活性炭为载体催化剂装入管式反应器中，通入氮气，流速为0.2 L/min，升温加热.升温期间，缓慢增加氢气的流速，降低氮气的流速，直至两者的流量均为0.1 L/min，370℃还原2 h，通入原料乙二胺和乙二醇1：1（摩尔比）的水混合液，水占原料液的40%（质量分数）.反应温度在370℃下，通入载气氮气和氢气.按照不同的原料滴速进入温度为370℃的固定床管式反应器中，在反应器中原料气化进行气固相催化反应.生成的混合物经水冷却后进入接收器，尾气通过通风橱后放空.实验流程见图1.

图1 实验流程Fig.1 The flow of the experiment

取样品分析，取5 mL三氯甲烷萃取5 mL样品，其余样品装入容量瓶中保存.将萃取相用气相色谱分析仪分析.计算吡嗪的收率以及原料的转化率.

1.3.5 气相色谱分析

在由乙二胺和乙二醇合成吡嗪的过程中，产品的分析主要采用1102G气相色谱仪和CDMC-2A型色谱数据处理机.

2 实验结果与讨论

2.1 活性组分配比对反应的影响

经气相色谱分析，计算得转化率和收率，见表1.

比较反应的收率和转化率，催化剂的组成选择以铜锌铝的氧化物作为其活性组分.锌的氧化物作为两性氧化物，具有脱水和脱氢的功能，其脱水的功能更强一些；铜的氧化物是碱性氧化物，还原成Cu2O、Cu后，具有脱氢功能；氧化铝在反应中起到了分散活性中心的作用.当Cu：Zn：Al＝1：1：1（摩尔比）即CuO：ZnO：Al2O3=2：2：1时，副产物较少，选择性和收率较高.

表1 催化剂活性比较Tab.1 The activity of catalysts

2.2 催化剂焙烧对反应的影响

为了考察高温焙烧对已经制备成形的催化剂的催化活性是否有影响，以Cu：Zn：Al＝1：1：1作为考察对象.对制备好的催化剂进行焙烧，焙烧温度为350℃，焙烧时间为4 h.各项反应条件相同的情况下，比较催化剂焙烧对反应的影响，见表2.

表2 焙烧对催化剂活性的影响Tab.2 The influence of baking on catalysts activity

催化剂在使用前在360℃下焙烧后，其催化效果比较好，选择性和收率都有很大提高.经过焙烧以后的催化剂，其表面得到清洁，活性组分的硝酸盐转变成氧化物，在空气中吸附的水分和氧气都会逸出.

2.3 焙烧温度的影响

采用活性炭为载体，浸渍法制备的催化剂，分别选取不同的焙烧温度进行实验，研究了焙烧温度对催化剂性能的影响，见图2.焙烧温度为350℃时，具有较高的收率和选择性.

图2 焙烧温度对催化剂性能的影响Fig.2 Impact of baking temperature on the performance of catalysts

2.4 催化剂载体的影响

确定了活性组分最佳组成以及合适的焙烧温度之后，进一步考察催化剂载体对催化剂性能的影响.选用的催化剂载体有α-Al2O3、分子筛、活性炭，比较结果见表3.

表3 催化剂载体对反应的影响Tab.3 The impact of the catalyst carriers on the reaction

从表3可以看出，选用-Al2O3、分子筛做载体，反应转化率、选择性和收率都较低；活性炭做载体制备的催化剂则有良好的活性，转化率、选择性以及收率都较高.

3 结论

确定了在活性炭为载体，锌、锰、铬还有铜、锌、铝为活性组分制备的催化剂的作用下，以乙二胺和乙二醇为原料合成吡嗪，详细研究了催化剂的载体、活性组分及其配比、焙烧温度等问题.结论见下：

（1）在分子筛、活性炭和α-Al2O3三种载体中，活性炭作载体时的催化活性最好.

（2）催化剂的组成选择以铜锌铝的氧化物作为其活性组分，三者之间的比例是实现反应脱水和脱氢步骤相互协调的关键，锌的氧化物作为两性氧化物，具有脱水和脱氢的功能，其脱水的功能更强一些；铜的氧化物是碱性氧化物，还原成Cu2O、Cu后，具有脱氢功能；氧化铝在反应中起到了分散活性中心的作用.当CuO：ZnO：Al2O3＝2：2：1（摩尔比）即Cu：Zn：Al=1：1：1时，反应的脱水和脱氢步骤能够较好的协调，副产物较少，选择性和收率较高.

（3）催化剂在实验前的预处理对催化剂活性也有影响，采取350℃高温焙烧，将活性组分的硝酸盐转变成氧化物，氢氮混合气370℃下还原2 h，可以使催化剂在较短的时间内达到最佳催化状态.

（4）乙二醇和乙二胺为原料通过气固相接触催化合成吡嗪是可行的；原料液中的水份有利于减少副产物，清除催化剂上面的碱性分子，反应温度在370℃下为宜，过高的反应温度会使催化剂表面产生结焦现象，影响催化剂的效率和寿命；反应过程以氮气作为反应的载气，能保证反应在惰性条件下进行，防止活性中心被氧化.

[1]Subrahmanyam M,Pradad A R,Kul Karni S J,et al.Synthesis of 2 met-hylpyrazine and pyrazine using N2(2,32dihydroxypropyl)et hylenediamine over chromite based catalyst s[J].Indian Journal of Chemistry,1995,34：573-575.

[2]Kiskin Mikhail A,Aleksandrov Grygory G,Bogomyakov Artem S,et al.Coordination polymers of cobalt(II)with pyrimidine and pyrazine：Syntheses,structures and magnetic properties[J].Inorganic Chemistry Communications,2008,11(9)：1015-1018.

[3]Malakooti Reihaneh,Bardajee Ghasem Rezanejade,Mahmoudi Hesamaldin,et al.Zirconium Schiff-Base Complex Modified Mesoporous Silica as an Efficient Catalyst for the Synthesis of Nitrogen Containing Pyrazine Based Heterocycles[J].Catalysis Letters,2013,143(8)：853-861.

[4]Anderson M J,Yan B B,Webb Cathleen.Synthesis of zero,one,and 2D copper(I)-pyrazine complexes[Z].245th National Meeting of the American-Chemical-Society(ACS),New Orleans,LA,2013.

[5]Madhavi Latha B,Sadasivam V,Sivasankar B.A highly selective synthesis of pyrazine from ethylenediamine on copper oxide/copper chromite catalysts[J].Catalysis Communications,2007,8(7)：1070-1073.

[6]唐健.吡嗪类香料及其合成[J].武汉化工,1997,3：19-24.

[7]曲红梅,周立山,陈宏亮,等.2-甲基吡嗪研究进展[J].化学推进剂与高分子材料,2001,3：22-23.

[8]冯续,刘蓓华,高定基,等.吡嗪类化合物制造方法[P].中国：发明专利申请公开说明书,CN85105846 1985-07-09.

[9]冯亚青,吴鹏,周立山,等.环氧丙烷与乙二胺合成2-甲基吡嗪的研究[J].化学工业与工程,2003,20(5)：266-269.

[10]周立山,冯亚青,曲红梅,等.2-甲基吡嗪的合成研究（I）[J].化学工业与工程,2001,18(5)：266-268.

[11]徐克勋.精细有机化工原料及中间体手册[M].北京：化学工业出版社,1999.

[12]潘履让.固体催化剂的设计与制备[M].天津：南开大学出版社,1993,12

[13]赵九生,时其昌.催化剂生产原理[M].北京：科学出版社,1986.

[14]李玉敏.工业催化原理[M].天津：天津大学出版社,1992.

[15]倪宏亮.2-甲基吡嗪的新型催化剂的研究[D].杭州：浙江大学,2004.

[16]Anand R,Hegde S G,Rao B S,et al.Catalytic synthesis of 2-methyl pyrazine over Zn-modified zeolites[J].Catalysis Letters2002,84(3/4)：265-272.

[17]Kotharkar,Sandeep Anilrao,Shinde Devanand Baburao.Pb(NO3)2mediated synthesis of pyrazine[J].Chinese Journal of Chemistry,2007,25(1)：105-107.