N-羟基-1,6-亚甲基桥[10]轮烯-3,4-酰亚胺/乙酸钴液相催化氧化3-甲基吡啶制备烟酸

廖　波, 刘建军, 李保山, 左胜利

(北京化工大学 理学院,北京　100029)



·研究简报·

N-羟基-1,6-亚甲基桥[10]轮烯-3,4-酰亚胺/乙酸钴液相催化氧化3-甲基吡啶制备烟酸

廖波, 刘建军, 李保山, 左胜利*

(北京化工大学 理学院,北京100029)

摘要：以1,6-亚甲基桥[10]轮烯-3,4-二甲酸酐为原料，与羟胺基盐酸盐经酰化和脱水反应制得N-羟基-1,6-亚甲基桥[10]轮烯-3,4-酰亚胺(2)；构建了2/乙酸钴催化体系，以氧分子为氧源，乙腈为溶剂，在1 MPa氧气压力下于120 ℃反应20 h，氧化3-甲基吡啶制备烟酸，产率70%，其结构经1H NMR和IR确证。

关键词：N-羟基-1,6-亚甲基桥[10]轮烯-3,4-酰亚胺; 3-甲基吡啶; 烟酸; 催化; 制备

均相催化剂的开发是目前催化化学的一个重要课题，1964年，Vogel首次合成1,6-亚甲基桥[10]轮烯，并证明其具有芳香性[1]。Kuroda等综述了1,6-亚甲基桥[10]轮烯的研究进展及其在有机发光材料方面的应用[2]。近年来，各种1,6-亚甲基桥[10]轮烯衍生物的研究成果相继被报道，并证实具有广泛应用前景[3-4]。

烟酸是重要的化工产品，广泛使用于医药、食品工业和农业等领域，工业上烟酸生产是以3-甲基吡啶或2-甲基-5-乙基吡啶为原料，通过强氧化剂液相氧化或者在高温高压下通过气相催化氨氧化得到3-氰基吡啶，再进行水解得到烟酸[5-6]。均相法直接氧化3-甲基吡啶来制备烟酸是最佳方法，以Co，Mn和V等金属盐为催化剂[7-8]，在高温、高压下进行反应, 由于溶剂多为有机酸，对设备造成腐蚀[9]；最近以N-羟基酰亚胺为催化剂，在Co和Mn等金属盐组合下催化氧化制备烟酸也被报道[10-12]。N-羟基-1,6-亚甲基桥[10]轮烯-3,4-酰亚胺作为一种新型的催化剂，其催化氧化性能的研究目前也尚未见报。

本文以1,6-亚甲基桥[10]轮烯-3,4-二甲酸酐(1)为原料，与羟胺基盐酸盐经酰化和脱水反应制得N-羟基-1,6-亚甲基桥[10]轮烯-3,4-酰亚胺(2)；构建了2/乙酸钴催化体系，以氧分子为氧源，乙腈为溶剂，在1MPa氧气压力下120 ℃反应20h反应氧化3-甲基吡啶制备烟酸(Scheme1)，产率70%，其结构经1HNMR和IR确证。

Scheme1

1实验部分

1.1仪器与试剂

X-5型精密显微熔点仪；BrukerAV-400型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)；NicoletAVATAR-370型红外光谱仪(KBr压片)；JEOLJMS-D-300型和GC-Mate型质谱仪(EI源，70eV，直接进样)；BrukerMicroTOF-QⅡ型液质联用仪(ESI源，负离子模式)；SP-6890型气相色谱仪(内标法，乙二醇二甲醚为内标)。

1按文献[13]方法合成；其余所用试剂均为分析纯。

1.22的合成

在反应瓶中依次加入水合溶液(二氧六环/水=9/1)150mL和1 10g(47mmol)，搅拌使其溶解；加入盐酸羟胺3.28g(47mmol)和三乙胺4.76g(47mmol)，回流(100～105 ℃)反应5h。减压蒸除溶剂得黄色固体混合物，用乙醇溶解，经硅胶柱层析[洗脱剂:A=V(乙酸乙酯)∶V(正己烷)=2∶3]纯化得黄色固体2 9.85g，产率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催化氧化制备烟酸

在100mL高压釜中依次加入3-甲基吡啶3.00g(32mmol)， 2 0.73g(10mol%)，Co(OAc)20.08g(2mol%)和乙腈30mL，用氧气置换三次，控制氧气压力为1MPa，于120 ℃反应20h。冷却至室温，取样进行气相分析测定3-甲基吡啶的转化率，减压蒸除溶剂，加入二氯甲烷30mL和10%NaOH溶液50mL，调至pH10～12，分液，有机相浓缩后经硅胶柱层析(洗脱剂:A=2 ∶3)纯化回收2；冰浴冷却下在水相中加入20%盐酸酸化至pH3～4(析出固体)，过滤，滤饼用甲醇重结晶得白色固体烟酸,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结果与讨论

2.1表征

2的FT-IR分析表明，3 423cm-1处吸收峰为氢键缔合O—H的伸缩振动吸收峰，2 923m-1和2 852m-1处吸收峰为亚甲基吸收峰，1 773cm-1和1 713cm-1处吸收峰归属羰基C=O, 1 607cm-1和1 463cm-1处吸收峰为轮烯环上的双键吸收峰；2的1HNMR分析表明，δ 10.83处吸收峰为OH特征峰，2中桥亚甲基的两个质子峰出现在高场区δ 0.29和δ-0.32处，并且分裂为二重峰；2的MS分析结果与其预期结构吻合。

烟酸的FT-IR分析表明：3 437cm-1处吸收峰为羧基上氢键缔合O—H的伸缩振动吸收峰，1 710cm-1处吸收峰为羰基C=O的伸缩振动吸收峰，1 595和1 417cm-1处吸收峰为吡啶环上双键吸收峰；1HNMR分析表明，δ 9.05处吸收峰为羧基特征峰，δ 8.83～8.01处吸收峰为吡啶芳香环峰，与其预期结构吻合。

2.2工艺条件优化

为优化2催化氧化3-甲基吡啶的工艺条件，考察了催化剂和助催化剂的用量、不同极性溶剂、反应时间和压力对烟酸产率的影响。

(1) 催化剂和助剂用量

分别考察了催化剂和助剂用量对催化剂用量和助剂用量对烟酸产率的影响，结果分别见表1和表2。由表1可以看出，当不添加催化剂时，无烟酸生成，说明催化剂在该催化氧化反应中存在必要的催化活性中心；烟酸的产率随着催化剂用量的增加而增大，催化剂用量为10%时，产率70%；继续增大催化剂用量至15%，差率变化不大。因此催化剂用量为10%较佳。

由表2可见，在不添加助剂乙酸钴条件下，无氧化产物生成，说明此时反应体系不能引发R2NO自由基；随着助剂含量增加，烟酸产率提高，当助剂添加量为2%时，产率70%；继续增大助剂含量，烟酸产率几乎不变。因此较佳的助剂用量为2%。

(2) 溶剂

考察了不同溶剂(苯、乙酸、乙腈和乙醚)对烟酸产率的影响，结果见表3。从表3可见，以极性稍弱的苯和乙醚为溶剂时，烟酸产率分别仅为18%和20%。从催化剂的结构来看，催化剂存的极性较大，在弱极性溶剂中溶解度较小，使得烟酸产率较低。而在极性较大的溶剂乙酸和乙腈中，催化剂有着极好的溶解性，从而有利于催化3-甲基吡啶的氧化反应的进行，使得产率较高，分别为69%和70%，考虑到乙酸在高温条件下对反应釜有腐蚀作用，因此选择乙腈做为溶剂较为适宜。

(3) 反应温度和压力

考察了反应温度和压力对烟酸产率的影响，结果分别见表4和表5。从表4可以看出，在较低温度25 ℃和50 ℃下反应时，烟酸产率分别仅为5%和12%;随着温度升高，产率逐渐提高；温度升高至120 ℃，产率提高至70%；继续升高温度至150 ℃，产率反而降到40%。这可能是由于在低温条件下，引发R2NO自由基比较困难，而R2NO自由基在高温比较容易分解[14-15,18]，致使产率反而降低。因此较佳的反应温度为120 ℃。

从表5可见，随着氧气压力增大，烟酸产率随之提高，当压力增至1MPa时，烟酸产率70%；继续增大氧气压力至1.5MPa，产率基本不再提高。因此该反应在压力为1MPa条件下进行较佳。

综上所述，最佳反应条件为：以乙腈为溶剂，2和乙酸钴分别为10mol%和2mol%，反应温度为120 ℃，氧气压力为1MPa。

表1　催化剂用量对烟酸产率的影响

表2　乙酸钴用量对烟酸产率的影响

表3　溶剂对烟酸产率的影响

表4　反应温度对烟酸产率的影响

表5　氧气压力对烟酸产率的影响

Scheme 2

2.3反应机理

在2/乙酸钴体系中，推测3-甲基吡啶的液相氧化按如下反应历程(Scheme2)进行[16-18]：首先，催化剂2在助剂Co(OAc)2和O2存在下(Co(OAc)2和O2可以形成钴氧络合物，而钴氧络合物能夺取羟基酰亚胺中羟基上的氢)引发形成相应的R2NO自由基(反应的快速步骤)，R2NO自由基夺取3-甲基吡啶上甲基氢形成3-吡啶甲基自由基，进而迅速捕获O2形成3-吡啶甲基过氧自由基，3-甲基吡啶过氧自由基再夺取催化剂2上的氢得到R2NO自由基和3-吡啶甲基过氧化氢完成催化循环，3-甲基吡啶过氧化氢脱水形成烟酸。

在N-羟基-1,6-亚甲基桥[10]轮烯-3,4-酰亚胺/乙酸钴催化体系中，以氧分子为氧源，乙腈为溶剂，液相氧化3-吡啶甲基制备烟酸，在120 ℃、氧气压力1MPa条件下，产率70%。

该方法合成烟酸产率高、条件温和，催化剂回收率达70%左右，具有较好的开发利用前景。

参考文献

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收稿日期：2016-03-02

作者简介：廖波(1988-)，男，汉族，广西横县人，硕士研究生，主要从事精细化学品的合成研究。 E-mail: 358675304@qq.com 通信联系人： 左胜利，博士，讲师， Tel. 010-64442356， E-mail: zuoshengli@mail.buct.edu.cn

中图分类号：O626; O643.3

文献标志码：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