2,2′-联吡啶合成工艺研究

吴李瑞，刘敏，刘典典，王雪莲，刘皇见，宋利刚，赵德张，陈晨

（安徽国星生物化学有限公司安徽杂环化学省级实验室，安徽马鞍山243100）

2,2′-联吡啶是化工和药物合成的重要中间体，由于其具有独特的螯合作用，可以作为金属催化剂的配体、光敏剂、检测金属离子的指示剂等。

自1958年英国ICI公司首次合成敌草快以来，其中间体2，2′-联吡啶已经有多种合成方法。按原料来分，以2-卤代吡啶为起始原料的合成方法已成为工业化比较成熟的方法；以吡啶为起始原料的合成技术已被英国原ICI公司攻破；其次还有以2-氰基吡啶、2-氨甲基吡啶、2-乙酰基吡啶、吡啶-N-氧化物等为原料偶联得到的，均已实现工业化或具有工业化前景。

适合工业化制备2,2′-联吡啶的方法主要有两种：一种是Ullmann法，以2-卤代吡啶为原料，在催化剂作用下发生偶联反应，生成2,2′-联吡啶。王红明、李健、刘善和、Nelson等均采用DMAC为溶剂，月桂酸甜菜碱或吐温80为助剂，在80℃左右进行保温反应2～3 h后，经脱溶、碱解、萃取、酸洗、吸附、酸解、碱解、精制等过程得到高纯度的2，2′-联吡啶，收率均可达到96%以上。该方法的优点是收率高，反应条件温和；缺点是催化剂和还原剂作为固废，难以处理，不环保，已逐渐被淘汰；另一种方法是以吡啶为原料，在镍基催化剂作用下生成2,2′-联吡啶。这种方法的优点是原子利用率高，绿色环保。G.H.Lang等向反应管中分别加入1 g 5wt% Rh/AlO催化剂和25 g吡啶，升温至300℃反应10 h后降温、过滤、蒸馏得2，2′-联吡啶，收率为12.0%。同样的方法分别用Ru/C和Pt/C催化反应所得2，2′-联吡啶收率分别为4.5%和12.6%。但目前吡啶直接合成2,2′-联吡啶的工艺单程收率低，催化剂易失活，因而迫切需要开发一种原子经济性好，生产成本低廉，操作简易，适合工业化生产的2,2′-联吡啶生产方法。

本文采用Ni-Fe/硅藻土为催化剂，吡啶气相反应，反应过程中使用添加剂，对反应参数进行优化。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

吡啶，车间产品；异丙醇，≥99%；NiCl·6HO；FeCl·6HO。

固定床反应器，非标，科幂公司；1100高效气相色谱仪，安捷伦科技有限公司；D8 Advance衍射仪，德国Bruker公司；Sp-100傅立叶变换红外分光光度计，美国PE公司；S-4800型扫描电子显微镜，HITACHI公司；HK-9600ICP原子发射光谱仪，北京华科天成科技有限公司。

1.2 催化剂制备

将硅藻土、NiCl·6HO、水按照一定比例混合搅拌后浸渍6 h，然后按照一定比例加入FeCl·6HO继续搅拌，搅拌均匀后，浸渍10 h，经过滤、洗涤，于110℃下干燥12 h，450℃下焙烧6 h后制得。

1.3 2,2′-联吡啶的合成

（1）将催化剂Ni-Fe/硅藻土装入固定床反应器反应管的催化剂床层，在温度350℃～400℃、氢气流速为75～150 mL/min的条件下活化4 h，然后升温至反应温度。

（2）将吡啶、异丙醇按照一定比例混合，用计量泵将原料液连续注入固定床微型反应器的催化剂床层，氮气流速为20～60 mL/min，控制反应温度为400℃～500℃，压力为2～3 MPa，即完成催化剂Ni-Fe/硅藻土制备2,2′-联吡啶。

2 催化剂表征

2.1 表征方法

采用衍射仪对催化剂进行结构表征。在电压为40 kV，管电流40 mA下，采用波长为1.540 4Å的Cu靶Kα射线，采用石墨单色器，扫描角度是5～55。

原子发射光谱测催化剂中金属元素的含量。采用扫描电子显微镜对MgAPO-41分子筛的晶体形貌进行分析，测试条件为：加速电压5 kV，电流为8.2μA。比表面积、孔体积、平均孔径用静态容量法测定。

2.2 表征结果

（1）金属含量测定

我们合成了一系列不同金属含量的催化剂，采用ICP方法对其金属含量进行检测，结果如表1。

表1 不同催化剂中的金属含量

（2）催化剂酸性

为了比较不同催化剂的酸性，采用NH-TPD法对样品进行了表征，具体结果如表2所示。

表2 不同催化剂的酸性数据

由表2可知，随着金属含量的增加，催化剂中的酸量增加，说明金属元素的引入可以有效地调节所合成样品的酸量。

（3）金属分散度

为了比较不同催化剂金属分散情况，我们采用化学吸附法对催化剂重金属元素的分散情况进行了检测，具体结果如表3所示。

表3 不同催化剂的金属分散度

由表3可知，随着金属含量的增加，催化剂中金属的分散度增加；随着金属元素进一步增加，分散度降低。

3 催化剂反应性能评价

3.1 不同金属含量的催化剂对2,2′-联吡啶收率的影响

反应温度500℃，反应压力2 MPa，异丙醇用量占原料的3%，考查不同金属含量的催化剂对2,2′-联吡啶收率的影响，具体结果如表4所示。

表4 不同催化剂对2,2′-联吡啶收率的影响

从表4可以看出，随着金属元素含量的增加，2,2′-联吡啶收率增加，M-3的转化率和收率最高；进一步增加金属元素含量，2,2′-联吡啶收率呈下降趋势，这主要是因为催化剂中金属元素适量时，金属分散度高，活性中心多，随着金属元素的进一步增加，金属的分散度减弱，大量的活性金属位被覆盖，造成收率下降。

3.2 空速对2,2′-联吡啶收率的影响

以M-3作为催化剂，反应温度500℃，反应压力2 MPa，异丙醇用量占原料的3%，空速对反应的影响见图1。

图1 空速对2,2′-联吡啶收率的影响

从图1中得出，随着空速的减小，2,2′-联吡啶的收率增加，当空速为2 h时，收率最高，达61.5%，这可能是由于初期空速大，停留时间短，反应不能充分进行；当空速为2 h时，停留时间适中；当进一步减小空速时，2,2′-联吡啶的收率下降，主要是由于原料在催化剂上的停留时间增加，高温下，产生的副产增多，因而收率下降。

3.3 异丙醇用量对2,2′-联吡啶收率的影响

以样品M-3作为催化剂，在反应温度500℃，反应压力2 MPa条件下，空速为2 h，我们考查了异丙醇用量对反应的影响，具体结果如表5所示。

表5 异丙醇用量对2,2′-联吡啶收率的影响

从表5看出，增加异丙醇的用量，2,2′-联吡啶收率增加，异丙醇用量为2%时，2,2′-联吡啶收率最高为62.5%，进一步增加异丙醇用量，2,2′-联吡啶收率有所下降，这可能是由于随着异丙醇用量的增加，更多的异丙醇附着在催化剂活性位上，生成更多的甲基化产物，从而造成2,2′-联吡啶收率下降。

3.4 反应温度对吡啶碱收率的影响

以M-3为催化剂，反应压力2 MPa，空速为2 h，异丙醇用量占2%，反应温度对反应的影响见图2。

图2 反应温度对2,2′-联吡啶收率的影响

从图2中得出，随着反应温度提高，2,2′-联吡啶收率增加，450℃时，收率最高；继续提高温度，2,2′-联吡啶收率下降。可能因反应温度提高，反应速率增加，收率增加；继续提高反应温度，原料吡啶自身的聚合速度加快，副产物增多，覆盖催化剂的活性中心，使催化剂失活，反应收率下降。

3.5 反应压力对吡啶碱收率的影响

以M-3作为催化剂，反应温度450℃，反应压力2 MPa，空速为2 h，异丙醇用量2%，反应压力对反应的影响见图3。

图3 反应压力对2,2′-联吡啶收率的影响

从图3得到，随着反应压力的增加，2,2′-联吡啶收率增加，当反应压力为2 MPa时，收率最高；继续增加反应压力，2,2′-联吡啶收率下降。可能因压力增加，使化学平衡向着气体分子数减少的方向移动，利于2,2′-联吡啶的生成；随着压力继续增加，副产物增加，造成催化剂失活，2,2′-联吡啶收率下降。

4 结论

通过对催化剂中金属含量、空速、异丙醇用量、反应温度、反应压力的影响，筛选出合适的反应条件。反应的最优条件：以M-3为催化剂，空速2 h，异丙醇用量2%，反应温度450℃，反应压力2 MPa，该条件下吡啶转化率达到65.7%，2,2′-联吡啶收率达到65%。