2,2′-聯(lián)吡啶合成工藝研究

吳李瑞，劉敏，劉典典，王雪蓮，劉皇見(jiàn)，宋利剛，趙德張，陳晨

（安徽國(guó)星生物化學(xué)有限公司安徽雜環(huán)化學(xué)省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243100）

2,2′-聯(lián)吡啶是化工和藥物合成的重要中間體，由于其具有獨(dú)特的螯合作用，可以作為金屬催化劑的配體、光敏劑、檢測(cè)金屬離子的指示劑等。

自1958年英國(guó)ICI公司首次合成敵草快以來(lái)，其中間體2，2′-聯(lián)吡啶已經(jīng)有多種合成方法。按原料來(lái)分，以2-鹵代吡啶為起始原料的合成方法已成為工業(yè)化比較成熟的方法；以吡啶為起始原料的合成技術(shù)已被英國(guó)原ICI公司攻破；其次還有以2-氰基吡啶、2-氨甲基吡啶、2-乙酰基吡啶、吡啶-N-氧化物等為原料偶聯(lián)得到的，均已實(shí)現(xiàn)工業(yè)化或具有工業(yè)化前景。

適合工業(yè)化制備2,2′-聯(lián)吡啶的方法主要有兩種：一種是Ullmann法，以2-鹵代吡啶為原料，在催化劑作用下發(fā)生偶聯(lián)反應(yīng)，生成2,2′-聯(lián)吡啶。王紅明、李健、劉善和、Nelson等均采用DMAC為溶劑，月桂酸甜菜堿或吐溫80為助劑，在80℃左右進(jìn)行保溫反應(yīng)2～3 h后，經(jīng)脫溶、堿解、萃取、酸洗、吸附、酸解、堿解、精制等過(guò)程得到高純度的2，2′-聯(lián)吡啶，收率均可達(dá)到96%以上。該方法的優(yōu)點(diǎn)是收率高，反應(yīng)條件溫和；缺點(diǎn)是催化劑和還原劑作為固廢，難以處理，不環(huán)保，已逐漸被淘汰；另一種方法是以吡啶為原料，在鎳基催化劑作用下生成2,2′-聯(lián)吡啶。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是原子利用率高，綠色環(huán)保。G.H.Lang等向反應(yīng)管中分別加入1 g 5wt% Rh/AlO催化劑和25 g吡啶，升溫至300℃反應(yīng)10 h后降溫、過(guò)濾、蒸餾得2，2′-聯(lián)吡啶，收率為12.0%。同樣的方法分別用Ru/C和Pt/C催化反應(yīng)所得2，2′-聯(lián)吡啶收率分別為4.5%和12.6%。但目前吡啶直接合成2,2′-聯(lián)吡啶的工藝單程收率低，催化劑易失活，因而迫切需要開(kāi)發(fā)一種原子經(jīng)濟(jì)性好，生產(chǎn)成本低廉，操作簡(jiǎn)易，適合工業(yè)化生產(chǎn)的2,2′-聯(lián)吡啶生產(chǎn)方法。

本文采用Ni-Fe/硅藻土為催化劑，吡啶氣相反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中使用添加劑，對(duì)反應(yīng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

吡啶，車(chē)間產(chǎn)品；異丙醇，≥99%；NiCl·6HO；FeCl·6HO。

固定床反應(yīng)器，非標(biāo)，科冪公司；1100高效氣相色譜儀，安捷倫科技有限公司；D8 Advance衍射儀，德國(guó)Bruker公司；Sp-100傅立葉變換紅外分光光度計(jì)，美國(guó)PE公司；S-4800型掃描電子顯微鏡，HITACHI公司；HK-9600ICP原子發(fā)射光譜儀，北京華科天成科技有限公司。

1.2 催化劑制備

將硅藻土、NiCl·6HO、水按照一定比例混合攪拌后浸漬6 h，然后按照一定比例加入FeCl·6HO繼續(xù)攪拌，攪拌均勻后，浸漬10 h，經(jīng)過(guò)濾、洗滌，于110℃下干燥12 h，450℃下焙燒6 h后制得。

1.3 2,2′-聯(lián)吡啶的合成

（1）將催化劑Ni-Fe/硅藻土裝入固定床反應(yīng)器反應(yīng)管的催化劑床層，在溫度350℃～400℃、氫氣流速為75～150 mL/min的條件下活化4 h，然后升溫至反應(yīng)溫度。

（2）將吡啶、異丙醇按照一定比例混合，用計(jì)量泵將原料液連續(xù)注入固定床微型反應(yīng)器的催化劑床層，氮?dú)饬魉贋?0～60 mL/min，控制反應(yīng)溫度為400℃～500℃，壓力為2～3 MPa，即完成催化劑Ni-Fe/硅藻土制備2,2′-聯(lián)吡啶。

2 催化劑表征

2.1 表征方法

采用衍射儀對(duì)催化劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。在電壓為40 kV，管電流40 mA下，采用波長(zhǎng)為1.540 4?的Cu靶Kα射線，采用石墨單色器，掃描角度是5～55。

原子發(fā)射光譜測(cè)催化劑中金屬元素的含量。采用掃描電子顯微鏡對(duì)MgAPO-41分子篩的晶體形貌進(jìn)行分析，測(cè)試條件為：加速電壓5 kV，電流為8.2μA。比表面積、孔體積、平均孔徑用靜態(tài)容量法測(cè)定。

2.2 表征結(jié)果

（1）金屬含量測(cè)定

我們合成了一系列不同金屬含量的催化劑，采用ICP方法對(duì)其金屬含量進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表1。

表1 不同催化劑中的金屬含量

（2）催化劑酸性

為了比較不同催化劑的酸性，采用NH-TPD法對(duì)樣品進(jìn)行了表征，具體結(jié)果如表2所示。

表2 不同催化劑的酸性數(shù)據(jù)

由表2可知，隨著金屬含量的增加，催化劑中的酸量增加，說(shuō)明金屬元素的引入可以有效地調(diào)節(jié)所合成樣品的酸量。

（3）金屬分散度

為了比較不同催化劑金屬分散情況，我們采用化學(xué)吸附法對(duì)催化劑重金屬元素的分散情況進(jìn)行了檢測(cè)，具體結(jié)果如表3所示。

表3 不同催化劑的金屬分散度

由表3可知，隨著金屬含量的增加，催化劑中金屬的分散度增加；隨著金屬元素進(jìn)一步增加，分散度降低。

3 催化劑反應(yīng)性能評(píng)價(jià)

3.1 不同金屬含量的催化劑對(duì)2,2′-聯(lián)吡啶收率的影響

反應(yīng)溫度500℃，反應(yīng)壓力2 MPa，異丙醇用量占原料的3%，考查不同金屬含量的催化劑對(duì)2,2′-聯(lián)吡啶收率的影響，具體結(jié)果如表4所示。

表4 不同催化劑對(duì)2,2′-聯(lián)吡啶收率的影響

從表4可以看出，隨著金屬元素含量的增加，2,2′-聯(lián)吡啶收率增加，M-3的轉(zhuǎn)化率和收率最高；進(jìn)一步增加金屬元素含量，2,2′-聯(lián)吡啶收率呈下降趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榇呋瘎┲薪饘僭剡m量時(shí)，金屬分散度高，活性中心多，隨著金屬元素的進(jìn)一步增加，金屬的分散度減弱，大量的活性金屬位被覆蓋，造成收率下降。

3.2 空速對(duì)2,2′-聯(lián)吡啶收率的影響

以M-3作為催化劑，反應(yīng)溫度500℃，反應(yīng)壓力2 MPa，異丙醇用量占原料的3%，空速對(duì)反應(yīng)的影響見(jiàn)圖1。

圖1 空速對(duì)2,2′-聯(lián)吡啶收率的影響

從圖1中得出，隨著空速的減小，2,2′-聯(lián)吡啶的收率增加，當(dāng)空速為2 h時(shí)，收率最高，達(dá)61.5%，這可能是由于初期空速大，停留時(shí)間短，反應(yīng)不能充分進(jìn)行；當(dāng)空速為2 h時(shí)，停留時(shí)間適中；當(dāng)進(jìn)一步減小空速時(shí)，2,2′-聯(lián)吡啶的收率下降，主要是由于原料在催化劑上的停留時(shí)間增加，高溫下，產(chǎn)生的副產(chǎn)增多，因而收率下降。

3.3 異丙醇用量對(duì)2,2′-聯(lián)吡啶收率的影響

以樣品M-3作為催化劑，在反應(yīng)溫度500℃，反應(yīng)壓力2 MPa條件下，空速為2 h，我們考查了異丙醇用量對(duì)反應(yīng)的影響，具體結(jié)果如表5所示。

表5 異丙醇用量對(duì)2,2′-聯(lián)吡啶收率的影響

從表5看出，增加異丙醇的用量，2,2′-聯(lián)吡啶收率增加，異丙醇用量為2%時(shí)，2,2′-聯(lián)吡啶收率最高為62.5%，進(jìn)一步增加異丙醇用量，2,2′-聯(lián)吡啶收率有所下降，這可能是由于隨著異丙醇用量的增加，更多的異丙醇附著在催化劑活性位上，生成更多的甲基化產(chǎn)物，從而造成2,2′-聯(lián)吡啶收率下降。

3.4 反應(yīng)溫度對(duì)吡啶堿收率的影響

以M-3為催化劑，反應(yīng)壓力2 MPa，空速為2 h，異丙醇用量占2%，反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響見(jiàn)圖2。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)2,2′-聯(lián)吡啶收率的影響

從圖2中得出，隨著反應(yīng)溫度提高，2,2′-聯(lián)吡啶收率增加，450℃時(shí)，收率最高；繼續(xù)提高溫度，2,2′-聯(lián)吡啶收率下降。可能因反應(yīng)溫度提高，反應(yīng)速率增加，收率增加；繼續(xù)提高反應(yīng)溫度，原料吡啶自身的聚合速度加快，副產(chǎn)物增多，覆蓋催化劑的活性中心，使催化劑失活，反應(yīng)收率下降。

3.5 反應(yīng)壓力對(duì)吡啶堿收率的影響

以M-3作為催化劑，反應(yīng)溫度450℃，反應(yīng)壓力2 MPa，空速為2 h，異丙醇用量2%，反應(yīng)壓力對(duì)反應(yīng)的影響見(jiàn)圖3。

圖3 反應(yīng)壓力對(duì)2,2′-聯(lián)吡啶收率的影響

從圖3得到，隨著反應(yīng)壓力的增加，2,2′-聯(lián)吡啶收率增加，當(dāng)反應(yīng)壓力為2 MPa時(shí)，收率最高；繼續(xù)增加反應(yīng)壓力，2,2′-聯(lián)吡啶收率下降?？赡芤驂毫υ黾樱够瘜W(xué)平衡向著氣體分子數(shù)減少的方向移動(dòng)，利于2,2′-聯(lián)吡啶的生成；隨著壓力繼續(xù)增加，副產(chǎn)物增加，造成催化劑失活，2,2′-聯(lián)吡啶收率下降。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)催化劑中金屬含量、空速、異丙醇用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力的影響，篩選出合適的反應(yīng)條件。反應(yīng)的最優(yōu)條件：以M-3為催化劑，空速2 h，異丙醇用量2%，反應(yīng)溫度450℃，反應(yīng)壓力2 MPa，該條件下吡啶轉(zhuǎn)化率達(dá)到65.7%，2,2′-聯(lián)吡啶收率達(dá)到65%。