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, 是一種重要的有機合成中間體, 主要用于醫藥生產, 同時也是一種良好的工業溶劑。目前, 國內外對于它的研究報道較少, 多采用異煙酸和甲醇在濃硫酸作用下直接酯化合成。而濃硫酸作為傳統的酯化催化劑, 易使有機物氧化、碳化, 導致一系列副反應的發生, 同時對設備腐蝕嚴重, 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 。固體超強酸是近年來發展起來的一類新型催化劑，其酸性比濃硫酸強 ;具有很高的催化活性、酯化率高、制備容易、耐水性強;使用溫度范圍較寬, 再生容易, 可反復使用 ;副反應少, 催化劑與產物易分離, 且具有無毒無味無腐蝕等優點。本文以 S2O8^{2 -} /ZrO2-SiO2 為催化劑, 對3-溴異煙酸甲酯合成工藝進行了探討。

制備

合成原理

3-溴異煙酸與甲醇在固體超強酸的催化作用下, 酯化得到3-溴異煙酸甲酯, 保持甲醇過量以提高3-溴異煙酸的轉化率[1], 由于反應體系為酸性，故產物結構式中鹵原子易被質子化，鹵原子被質子化以后是一個很強的吸電子基團，與此同時，與鹵原子相連的溴取代基也是 一個較強的吸電子基團，在兩個強吸電子基團的共同作用下，與溴取代基相連的碳原子顯示出很強的電正性，此時反應體系中的甲醇氧原子上因帶孤對電子顯較強的電負性，易進攻與溴取代基相連的碳原子發生親核加成反應，然后在弱堿性條件下分別脫去溴化氫和質子得到副產物。反應方程式如下：

圖1 3-溴異煙酸甲酯反應方程式

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, 調節溶液 pH 值至 9，在 0℃條件下陳化 24小時, 抽濾, 用蒸餾水洗至無 Cl- ( 用 0.1mol/L AgNO 3 溶液檢驗) 。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 ;抽濾, 在紅外燈下烘干, 置于500℃馬弗爐中焙燒 3小時。制得固體超強酸催化劑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、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 固體超強酸催化劑, 在磁力攪拌器上加熱至回流分水, 并維持反應約 3小時。停止加熱, 冷卻 、過濾分離出固體超強酸催化劑, 反應液分層后, 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( 即醇酸物質的量比 8∶ 1) , 催化劑用量為反應物總質量的2.5%, 反應時間為 3小時, 將不同類型的酯化催化劑用于本合成反應，包括硫酸、對甲苯磺酸、強酸性陽離子交換樹脂、固體超強酸；實驗表明, 固體超強酸催化收率最高且產品色澤較好, 其他 3 種催化劑雖然收率也較高, 但不同程度存在產品與催化劑的分離困難問題, 而固體超強酸不溶于酯類化合物中,易于產物分離, 且簡單處理即可重復使用, 是合成3-溴異煙酸甲酯的良好催化劑 。

醇酸物質的量比對酯收率的影響

固定3-溴異煙酸為 0.05mol, 催化劑用量為反應物總量的 2.5%, 反應時間為 3h, 改變甲醇用量進行實驗。該反應為一可逆反應, 為了使異煙酸反應徹底，平衡向右移動, 甲醇需要過量, 實驗結果可以看出, 隨著醇酸物質的量比的增大, 收率也要增加, 但當物質的量比大于 8 后, 收率反而下降, 是因為甲醇用量過多, 反應溫度難以上升, 同時溶液總量增加, 催化劑用量相對減少, 3-溴異煙酸濃度下降, 從而使反應收率受到影響, 且會加重后處理的負擔, 所以, 最佳醇酸物質的量比為 8∶ 1 。

催化劑用量對酯收率的影響

在醇酸物質的量比為 8∶ 1, 反應時間為 3小時 的條件下, 改變催化劑用量( 占反應物總質量的百分數進行實驗，結果表明，固體超強酸對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不利。催化劑用量少, 催化劑濃度低, 反應活性低, 反應速率慢, 產率低 ;催化劑用量過多, 可能是副反應增加的緣故, 導致收率下降, 因此, 在此反應條件下催化劑最佳用量為 2.5%。

反應時間對酯收率的影響

當醇酸物質的量比為 8∶ 1, 催化劑用量為反應物總量的 2.5%, 考察不同反應時間下的酯收率, 結果表明，反應時間太短, 導致酯化不完全,產率低, 反應時間在 3 ～ 3.5小時時收率達到了最高, 但反應時間超過 3.5小時收率反而下降 。因隨著時間的延長副反應增多, 使收率下降, 同時反應體系的色澤也逐漸加深, 綜合考慮反應時間與能耗、收率的關系, 確定最佳反應時間為 3小時 。

催化劑的重復使用對酯收率的影響

將回收所得的催化劑經過適當處理后, 按上述最優條件進行重復實驗, 結果表明，催化劑經再生后使用對酯化反應影響不大, 其催化活性變化不大, 可以重復使用。

結論

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

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

(2) 固體超強酸為催化劑, 反應時間短, 副反應少, 可重復使用多次。

參考文獻

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