59786-31-1 / 3-溴異煙酸甲酯的制備

背景及概況

3-溴異煙酸甲酯又稱3-溴-吡啶-4-甲酸甲酯, 是一種重要的有機(jī)合成中間體, 主要用于醫(yī)藥生產(chǎn), 同時(shí)也是一種良好的工業(yè)溶劑。目前, 國內(nèi)外對于它的研究報(bào)道較少, 多采用異煙酸和甲醇在濃硫酸作用下直接酯化合成。而濃硫酸作為傳統(tǒng)的酯化催化劑, 易使有機(jī)物氧化、碳化, 導(dǎo)致一系列副反應(yīng)的發(fā)生, 同時(shí)對設(shè)備腐蝕嚴(yán)重, 三廢處理困難。因此, 探索新型催化劑取代濃硫酸已成為研究熱點(diǎn) 。固體超強(qiáng)酸是近年來發(fā)展起來的一類新型催化劑，其酸性比濃硫酸強(qiáng) ;具有很高的催化活性、酯化率高、制備容易、耐水性強(qiáng);使用溫度范圍較寬, 再生容易, 可反復(fù)使用 ;副反應(yīng)少, 催化劑與產(chǎn)物易分離, 且具有無毒無味無腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。本文以 S2O8^{2 -} /ZrO2-SiO2 為催化劑, 對3-溴異煙酸甲酯合成工藝進(jìn)行了探討。

制備

合成原理

3-溴異煙酸與甲醇在固體超強(qiáng)酸的催化作用下, 酯化得到3-溴異煙酸甲酯, 保持甲醇過量以提高3-溴異煙酸的轉(zhuǎn)化率[1], 由于反應(yīng)體系為酸性，故產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式中鹵原子易被質(zhì)子化，鹵原子被質(zhì)子化以后是一個(gè)很強(qiáng)的吸電子基團(tuán)，與此同時(shí)，與鹵原子相連的溴取代基也是 一個(gè)較強(qiáng)的吸電子基團(tuán)，在兩個(gè)強(qiáng)吸電子基團(tuán)的共同作用下，與溴取代基相連的碳原子顯示出很強(qiáng)的電正性，此時(shí)反應(yīng)體系中的甲醇氧原子上因帶孤對電子顯較強(qiáng)的電負(fù)性，易進(jìn)攻與溴取代基相連的碳原子發(fā)生親核加成反應(yīng)，然后在弱堿性條件下分別脫去溴化氫和質(zhì)子得到副產(chǎn)物。反應(yīng)方程式如下：

圖1 3-溴異煙酸甲酯反應(yīng)方程式

催化劑S2O8^{2 -} /ZrO2-SiO2的制備

稱取一定量 ZrOCl 2和 NaSiO 3，用8%的稀氨水水解, 調(diào)節(jié)溶液 pH 值至 9，在 0℃條件下陳化 24小時(shí), 抽濾, 用蒸餾水洗至無 Cl- ( 用 0.1mol/L AgNO 3 溶液檢驗(yàn)) 。在 110℃下烘干, 研磨過100 目篩 ;按 15mL/g 的比例, 用 0.5mol/L 的 過硫酸銨溶液浸漬 8小時(shí) ;抽濾, 在紅外燈下烘干, 置于500℃馬弗爐中焙燒 3小時(shí)。制得固體超強(qiáng)酸催化劑S2O8^{2 -} /ZrO2-SiO2, 置于干燥器中備用 。

酯的合成

在裝有分水器 、溫度計(jì)、回流冷凝管的 250mL三口燒瓶中, 加入 6.2g( 0.05mol) 3-溴異煙酸, 16.2mL( 0.4mol) 無水甲醇, 0.5g 固體超強(qiáng)酸催化劑, 在磁力攪拌器上加熱至回流分水, 并維持反應(yīng)約 3小時(shí)。停止加熱, 冷卻 、過濾分離出固體超強(qiáng)酸催化劑, 反應(yīng)液分層后, 用飽和的碳酸鈉水溶液中和洗滌、分液,再用無水硫酸鈉干燥, 先常壓蒸餾回收過量甲醇,再減壓蒸餾, 收集 95～ 100℃( 2.67KPa) 的餾分, 即得稍帶棕黃色的透明液體 。

結(jié)果與討論

不同催化劑催化活性比較

固定3-溴異煙酸為 0.05mol, 甲醇 16.2mL( 即醇酸物質(zhì)的量比 8∶ 1) , 催化劑用量為反應(yīng)物總質(zhì)量的2.5%, 反應(yīng)時(shí)間為 3小時(shí), 將不同類型的酯化催化劑用于本合成反應(yīng)，包括硫酸、對甲苯磺酸、強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂、固體超強(qiáng)酸；實(shí)驗(yàn)表明, 固體超強(qiáng)酸催化收率最高且產(chǎn)品色澤較好, 其他 3 種催化劑雖然收率也較高, 但不同程度存在產(chǎn)品與催化劑的分離困難問題, 而固體超強(qiáng)酸不溶于酯類化合物中,易于產(chǎn)物分離, 且簡單處理即可重復(fù)使用, 是合成3-溴異煙酸甲酯的良好催化劑 。

醇酸物質(zhì)的量比對酯收率的影響

固定3-溴異煙酸為 0.05mol, 催化劑用量為反應(yīng)物總量的 2.5%, 反應(yīng)時(shí)間為 3h, 改變甲醇用量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該反應(yīng)為一可逆反應(yīng), 為了使異煙酸反應(yīng)徹底，平衡向右移動(dòng), 甲醇需要過量, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出, 隨著醇酸物質(zhì)的量比的增大, 收率也要增加, 但當(dāng)物質(zhì)的量比大于 8 后, 收率反而下降, 是因?yàn)榧状加昧窟^多, 反應(yīng)溫度難以上升, 同時(shí)溶液總量增加, 催化劑用量相對減少, 3-溴異煙酸濃度下降, 從而使反應(yīng)收率受到影響, 且會(huì)加重后處理的負(fù)擔(dān), 所以, 最佳醇酸物質(zhì)的量比為 8∶ 1 。

催化劑用量對酯收率的影響

在醇酸物質(zhì)的量比為 8∶ 1, 反應(yīng)時(shí)間為 3小時(shí) 的條件下, 改變催化劑用量( 占反應(yīng)物總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，固體超強(qiáng)酸對3-溴異煙酸甲酯的合成具有較高的催化活性, 但催化劑用量過多或過少均對反應(yīng)不利。催化劑用量少, 催化劑濃度低, 反應(yīng)活性低, 反應(yīng)速率慢, 產(chǎn)率低 ;催化劑用量過多, 可能是副反應(yīng)增加的緣故, 導(dǎo)致收率下降, 因此, 在此反應(yīng)條件下催化劑最佳用量為 2.5%。

反應(yīng)時(shí)間對酯收率的影響

當(dāng)醇酸物質(zhì)的量比為 8∶ 1, 催化劑用量為反應(yīng)物總量的 2.5%, 考察不同反應(yīng)時(shí)間下的酯收率, 結(jié)果表明，反應(yīng)時(shí)間太短, 導(dǎo)致酯化不完全,產(chǎn)率低, 反應(yīng)時(shí)間在 3 ～ 3.5小時(shí)時(shí)收率達(dá)到了最高, 但反應(yīng)時(shí)間超過 3.5小時(shí)收率反而下降 。因隨著時(shí)間的延長副反應(yīng)增多, 使收率下降, 同時(shí)反應(yīng)體系的色澤也逐漸加深, 綜合考慮反應(yīng)時(shí)間與能耗、收率的關(guān)系, 確定最佳反應(yīng)時(shí)間為 3小時(shí) 。

催化劑的重復(fù)使用對酯收率的影響

將回收所得的催化劑經(jīng)過適當(dāng)處理后, 按上述最優(yōu)條件進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn), 結(jié)果表明，催化劑經(jīng)再生后使用對酯化反應(yīng)影響不大, 其催化活性變化不大, 可以重復(fù)使用。

結(jié)論

以3-溴異煙酸、無水甲醇為原料, 固體超強(qiáng)酸做催化劑, 合成了異煙酸甲酯。 考察了催化劑種類、醇酸物質(zhì)的量比、催化劑用量以及反應(yīng)時(shí)間等因素對產(chǎn)品收率的影響, 得出最佳工藝條件。

(1) 固體超強(qiáng)酸S2O8^{2 -} /ZrO2-SiO2對3-溴異煙酸甲酯的合成具有較高的催化活性, 在醇酸物質(zhì)的量比為 8∶ 1, 催化劑用量為反應(yīng)物總量的 2.5%, 反應(yīng)時(shí)間為 3小時(shí)的條件下, 產(chǎn)品收率達(dá) 85%以上 。

(2) 固體超強(qiáng)酸為催化劑, 反應(yīng)時(shí)間短, 副反應(yīng)少, 可重復(fù)使用多次。

參考文獻(xiàn)

[1] 王秋瑩.固體超強(qiáng)酸對酯化反應(yīng)的催化作用〔J〕.應(yīng)用化學(xué),1998, 5( 4) :76～ 78