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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(yī)藥生產(chǎn), 同時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, 易使有機物氧化、碳化, 導(dǎo)致一系列副反應(yīng)的發(fā)生, 同時對設(shè)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(fā)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(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。本文以 S2O82 - /ZrO2-SiO2 為催化劑, 對3-溴異煙酸甲酯合成工藝進行了探討。
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(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(yīng)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(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
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, 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S2O82 - /ZrO2-SiO2, 置于干燥器中備用 。
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(yīng)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(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 。
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)時間為 3小時, 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(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 。
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)時間為 3h, 改變甲醇用量進行實驗。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, 甲醇需要過量, 實驗結(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, 但當物質(zhì)的量比大于 8 后, 收率反而下降, 是因為甲醇用量過多, 反應(yīng)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(yīng)收率受到影響, 且會加重后處理的負擔, 所以, 最佳醇酸物質(zhì)的量比為 8∶ 1 。
在醇酸物質(zhì)的量比為 8∶ 1, 反應(yīng)時間為 3小時 的條件下, 改變催化劑用量( 占反應(yīng)物總質(zhì)量的百分數(shù)進行實驗，結(jié)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(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%。
當醇酸物質(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)時間下的酯收率, 結(jié)果表明，反應(yīng)時間太短, 導(dǎo)致酯化不完全,產(chǎn)率低, 反應(yīng)時間在 3 ～ 3.5小時時收率達到了最高, 但反應(yīng)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(yīng)增多, 使收率下降, 同時反應(yīng)體系的色澤也逐漸加深, 綜合考慮反應(yīng)時間與能耗、收率的關(guān)系, 確定最佳反應(yīng)時間為 3小時 。
將回收所得的催化劑經(jīng)過適當處理后, 按上述最優(yōu)條件進行重復(fù)實驗, 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。
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(zhì)的量比、催化劑用量以及反應(yīng)時間等因素對產(chǎn)品收率的影響, 得出最佳工藝條件。
(1) 固體超強酸S2O82 - /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)時間為 3小時的條件下, 產(chǎn)品收率達 85%以上 。
(2) 固體超強酸為催化劑, 反應(yīng)時間短, 副反應(yīng)少, 可重復(fù)使用多次。
[1] 王秋瑩.固體超強酸對酯化反應(yīng)的催化作用〔J〕.應(yīng)用化學(xué),1998, 5( 4) :76～ 78