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 理學院,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 理學院,北京100029)

摘要：以1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-二甲酸酐為原料，與羥胺基鹽酸鹽經酰化和脫水反應制得N-羥基-1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-酰亞胺(2)；構建了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20 h，氧化3-甲基吡啶制備煙酸，產率70%，其結構經1H NMR和IR確證。

關鍵詞：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

均相催化劑的開發是目前催化化學的一個重要課題，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光材料方面的應用[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，并證實具有廣泛應用前景[3-4]。

煙酸是重要的化工產品，廣泛使用于醫藥、食品工業和農業等領域，工業上煙酸生產是以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, 由于溶劑多為有機酸，對設備造成腐蝕[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，與羥胺基鹽酸鹽經酰化和脫水反應制得N-羥基-1,6-亞甲基橋[10]輪烯-3,4-酰亞胺(2)；構建了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20h反應氧化3-甲基吡啶制備煙酸(Scheme1)，產率70%，其結構經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為內標)；NicoletAVATAR-370型紅外光譜儀(KBr壓片)；JEOLJMS-D-300型和GC-Mate型質譜儀(EI源，70eV，直接進樣)；BrukerMicroTOF-QⅡ型液質聯用儀(ESI源，負離子模式)；SP-6890型氣相色譜儀(內標法，乙二醇二甲醚為內標)。

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

在反應瓶中依次加入水合溶液(二氧六環/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5h。減壓蒸除溶劑得黃色固體混合物，用乙醇溶解，經硅膠柱層析[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20h。冷卻至室溫，取樣進行氣相分析測定3-甲基吡啶的轉化率，減壓蒸除溶劑，加入二氯甲烷30mL和10%NaOH溶液50mL，調至pH10～12，分液，有機相濃縮后經硅膠柱層析(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子峰出現在高場區δ 0.29和δ-0.32處，并且分裂為二重峰；2的MS分析結果與其預期結構吻合。

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峰，與其預期結構吻合。

2.2工藝條件優化

為優化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、反應時間和壓力對煙酸產率的影響。

(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率的影響，結果分別見表1和表2。由表1可以看出，當不添加催化劑時，無煙酸生成，說明催化劑在該催化氧化反應中存在必要的催化活性中心；煙酸的產率隨著催化劑用量的增加而增大，催化劑用量為10%時，產率70%；繼續增大催化劑用量至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，無氧化產物生成，說明此時反應體系不能引發R2NO自由基；隨著助劑含量增加，煙酸產率提高，當助劑添加量為2%時，產率70%；繼續增大助劑含量，煙酸產率幾乎不變。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)對煙酸產率的影響，結果見表3。從表3可見，以極性稍弱的苯和乙醚為溶劑時，煙酸產率分別僅為18%和20%。從催化劑的結構來看，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的進行，使得產率較高，分別為69%和70%，考慮到乙酸在高溫條件下對反應釜有腐蝕作用，因此選擇乙腈做為溶劑較為適宜。

(3) 反應溫度和壓力

考察了反應溫度和壓力對煙酸產率的影響，結果分別見表4和表5。從表4可以看出，在較低溫度25 ℃和50 ℃下反應時，煙酸產率分別僅為5%和12%;隨著溫度升高，產率逐漸提高；溫度升高至120 ℃，產率提高至70%；繼續升高溫度至150 ℃，產率反而降到40%。這可能是由于在低溫條件下，引發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]，致使產率反而降低。因此較佳的反應溫度為120 ℃。

從表5可見，隨著氧氣壓力增大，煙酸產率隨之提高，當壓力增至1MPa時，煙酸產率70%；繼續增大氧氣壓力至1.5MPa，產率基本不再提高。因此該反應在壓力為1MPa條件下進行較佳。

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

表1　催化劑用量對煙酸產率的影響

表2　乙酸鈷用量對煙酸產率的影響

表3　溶劑對煙酸產率的影響

表4　反應溫度對煙酸產率的影響

表5　氧氣壓力對煙酸產率的影響

Scheme 2

2.3反應機理

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可以形成鈷氧絡合物，而鈷氧絡合物能奪取羥基酰亞胺中羥基上的氫)引發形成相應的R2NO自由基(反應的快速步驟)，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，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，產率70%。

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

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,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,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,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，主要從事精細化學品的合成研究。 E-mail: 358675304@qq.com 通信聯系人： 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