CN103467370A - 氰基吡啶及其衍生物的合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氰基吡啶及其衍生物的合成方法，将甲基吡啶或其衍生物以及氨气、水和空气混合后，在固定床内于催化剂作用下进行氨氧化反应；所述甲基吡啶或其衍生物、氨气、水、空气的摩尔比为1:1.5～5.5:3～11:15～30，反应温度为320～390℃，甲基吡啶或其衍生物的体积空速为0.1～0.38h^-1；反应结束通过冷凝分离得到产品固体粗品，所述产品固体粗品进行减压蒸馏，得作为产物的氰基吡啶或其衍生物；冷凝后的水相用甲苯萃取，萃取液常压精馏回用甲苯，并减压蒸馏收集作为产物的氰基吡啶或其衍生物。本发明的工艺和所用催化剂适合多种甲基吡啶及其衍生物的氨氧化反应。

Description

氰基吡啶及其衍生物的合成方法

技术领域

本发明涉及一类化工中间体—氰基吡啶及其衍生物的合成方法。

背景技术

氰基吡啶及其衍生物广泛应用于医药、农药、饲料等，比如2-氰基吡啶可以用于合成新型除草剂毒莠定，3-氰基吡啶可以用于合成高效除草剂烟嘧磺隆，4-氰基吡啶可以用于生产异烟酰胺，异烟酸和雷米封等。同时，3-氰基吡啶经水解后得到烟酸或者烟酰胺也有着重要用途，它们都属于维生素B族化合物，可以作为饲料添加剂等。

氰基吡啶及其衍生物的合成可以利用氰化物对卤素原子进行取代反应，如CN100564360C在水性溶剂或者无溶剂下，含卤素的吡啶衍生物在10～60℃下用氰化物和相转移催化剂进行处理，反应得到氰基吡啶及其衍生物，其中氰化物源为氰化氢、碱金属氰化物、碱土金属氰化物等。专利CN1147474C也是利用氰化物对含卤素的吡啶衍生物进行取代反应生成氰基吡啶及其衍生物，其使用的溶剂为乙腈或者丙腈，反应温度在75～100℃。此类利用氰化物对含卤素的吡啶衍生物进行取代反应工艺的主要不足是氰化物是剧毒物质，对人体中枢神经系统会有抑制作用。

通过对甲基吡啶及其衍生物在催化剂存在下进行氨氧化反应是一条绿色、经济的路线，有很多专利报道过氨氧化反应，但这些专利的催化剂一般都只能应用于一种甲基吡啶氨氧化反应，并没有一种催化剂和工艺能合适多种甲基吡啶的氨氧化反应。如CN101602719B，原料4-甲基吡啶、氨和空气混合均匀后进入填有催化剂的固定床反应器，反应温度控制在330～450℃，反应器压力0.020～0.070KPa，反应结束分离得到4-氰基吡啶，其中催化剂以三氧化二铝为载体的催化剂，组成如下A_aB_bC_cCrO_x，A=Li、Na、Ti中的一种或几种组合，B=Mn、Mg、V、Bi、P中的一种或几种组合，C=W、Cu、Ge、Sb、Pb中的一种或几种组合，a=0.02～0.5，b=0.3～7，c=0.5～12。专利CN1225460C中所使用的催化剂只能用于3-氰基吡啶的合成，催化剂以二氧化硅为载体，活性组分通式为V_1.0CrA_aB_bC_dO_x，其中A是磷、硼、铋、锑和砷中的至少一种，B碱金属或碱土中的至少一种，C是锰、钛、镍、钴、铅、铁、钨和稀土元素中的至少一种，a=0.5～1.5，b=0.1～1.5，c=0.01～0.2，d=0～0.1。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氰基吡啶及其衍生物的合成方法，本发明的工艺和所用催化剂适合多种甲基吡啶及其衍生物的氨氧化反应。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种氰基吡啶及其衍生物的合成方法：将甲基吡啶或其衍生物以及氨气、水和空气混合后，在固定床内于催化剂作用下进行氨氧化反应；甲基吡啶或其衍生物、氨气、水、空气的摩尔比（物质的量比）为1:1.5～5.5:3～11:15～30，反应温度为320～390℃，甲基吡啶或其衍生物的（液体）体积空速为0.1～0.38h^-1；

反应结束通过冷凝分离得到产品固体粗品，所述产品固体粗品进行减压蒸馏，得作为产物的氰基吡啶或其衍生物；冷凝后的水相用甲苯萃取，萃取液常压精馏回用甲苯，并减压蒸馏收集作为产物的氰基吡啶或其衍生物。

作为本发明的氰基吡啶及其衍生物的合成方法的改进：

催化剂为钒钛催化剂（该催化剂中除主要成分钒钛外，还含有少量锑），钒以五氧化二钒计的重量含量为6～18%，钛以二氧化钛计的重量含量为80%～92%，锑以三氧化二锑计的重量含量为1.5～6.5%。

即，钒钛催化剂由五氧化二钒、二氧化钛、三氧化二锑组成；五氧化二钒的重量含量为6～18%，二氧化钛的重量含量为80～92%，三氧化二锑计的重量含量为1.5～6.5%。

作为本发明的氰基吡啶及其衍生物的合成方法的进一步改进：

钒钛催化剂的表面活性组分颗粒大小65～75nm。

作为本发明的氰基吡啶及其衍生物的合成方法的进一步改进：

甲基吡啶为2-甲基吡啶，氰基吡啶为2-氰基吡啶；

甲基吡啶为3-甲基吡啶，氰基吡啶为3-氰基吡啶；

甲基吡啶为4-甲基吡啶，氰基吡啶为4-氰基吡啶；

甲基吡啶衍生物为2，6-二甲基吡啶，氰基吡啶衍生物为2-氰基-6-甲基吡啶；

甲基吡啶衍生物为2，5-二甲基吡啶，氰基吡啶衍生物为2-氰基-5-甲基吡啶；

甲基吡啶衍生物为3，5-二甲基吡啶，氰基吡啶衍生物为3-氰基-5-甲基吡啶。

在本发明中，甲基吡啶或其衍生物的液体体积空速=甲基吡啶或其衍生物的液体体积流量（m³/h）/催化剂的体积（m³）。

在本发明中，钒钛催化剂的制备方法为：

按照钒钛催化剂中钒钛锑的含量要求，取相应量的二氧化钛、偏钒酸铵、三氧化二锑，将三种粉末充分混合后加入蒸馏水，搅拌均匀使其成糊状，再将糊状料装入模板中，模板形状为长6mm直径4mm的圆筒，将装好的模板在55～65℃（例如为60℃）烘1小时。烘干后将成型的催化剂取出，在500℃和700℃分别焙烧3小时，焙烧完，即为本发明所述的钒钛催化剂。

在本发明中，所用的固定床反应器例如可选用以下固定床反应器：

内径（直径）为4cm，高度为51.7cm，即，容量约为650ml；内装的钒钛催化剂的量为600ml，在钒钛催化剂的上下各设置了约25ml的瓷环。

本发明的合成方法的优点是：

（1）本方法中利用一种催化剂能用于多种甲基吡啶的氨氧化反应，对于工业生产带来很大的方便，而且此催化剂选择性好、活性高、寿命长。

即，本发明所使用钒钛催化剂能适用于多种氰基吡啶或其衍生物的合成。

（2）本发明工艺简单、易操作、对环境友好、毒性低，产品的选择性好、收率高，与其他工艺相比成本大大降低，适用于工业化生产。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是本发明用于合成氰基吡啶及其衍生物的装置示意图。

具体实施方式

实施例1、2-氰基吡啶的合成方法，反应式如下：

依次进行如下步骤：

1）、将制备好的钒钛催化剂装填到固定床反应器中，其中钒以五氧化二钒计的重量含量为11%，钛以二氧化钛计的重量含量为87%，锑以三氧化二锑计的重量含量为2%，该催化剂经XRD表征其表面活性组分颗粒大小为75nm。固定床反应器内的温度利用熔盐控制在370℃（即，反应温度为370℃）。

备注说明：该固定床反应器内径（直径）为4cm，高度为51.7cm，即，容量约为650ml；内装的钒钛催化剂的量为600ml，在钒钛催化剂的上下各设置了约25ml的瓷环。

上述钒钛催化剂的具体制备方法为：

取1200g的二氧化钛、195g偏钒酸铵、27.6g三氧化二锑，将三种粉末充分混合后加入460ml蒸馏水，搅拌均匀使其成糊状，再将糊状料装入模板中，模板形状为长6mm直径4mm的圆筒，将装好的模板在60℃烘1小时。烘干后将成型的催化剂取出，在500℃和700℃分别焙烧3小时，焙烧完；即为钒钛催化剂。

2）、将2-甲基吡啶931g（10.0mol）与水1080g（60.0mol）混合后置于混合罐中（即，2-甲基吡啶与水的摩尔比1:6），利用进样泵均匀地进入汽化室内，汽化室内的温度为180～200℃，从而确保2-甲基吡啶和水被汽化成气体后从固定床反应器的顶部进入固定床反应器内；

与此同时，单位时间内氨气和空气分别以3倍和20倍2-甲基吡啶物质的量通入汽化室内，从而带动汽化后的2-甲基吡啶和水从固定床反应器的顶部一起进入固定床反应器内的催化剂床层，在钒钛催化剂的作用下进行氨氧化反应；2-甲基吡啶的液体体积空速为0.2h^-1；

反应结束后，所得的反应液经过冷凝分离得到2-氰基吡啶固体粗品，2-氰基吡啶固体粗品经减压（0.133kpa）蒸馏，收集49～52℃的馏分，得到产品2-氰基吡啶。

冷凝而得的水相利用甲苯多次萃取，萃取液常压精馏回用甲苯，并减压蒸馏收集产品2-氰基吡啶。两部分产品合起来共815g，收率为78.3%（以2-甲基吡啶计），纯度为99%。

改变实施例1中的原料种类、催化剂中钒钛锑的含量（催化剂表面活性颗粒大小也相应的略有改变）、甲基吡啶或其衍生物与氨气、水以及空气的摩尔比(表1中简写为物料比)、反应温度、甲基吡啶或其衍生物的液体体积空速（表1中简写为空速）；其余步骤等同于实施例1，分别得到实施例2～实施例29。所得的氰基吡啶或其衍生物的收率如表1所示。

表1

备注说明，减压蒸馏收集的温度具体对应如下：

实施例2～实施例5，收集49～52℃的馏分；所得产物为2-氰基吡啶。

实施例6～实施例10，收集44～47℃的馏分；所得产物为3-氰基吡啶。

实施例11～实施例15，收集37～45℃的馏分；所得产物为4-氰基吡啶。

实施例16～实施例20，收集67～52*℃的馏分；所得产物为2-氰基-6-甲基吡啶。

实施例21～实施例25，收集87～92℃的馏分；所得产物为2-氰基-5-甲基吡啶。

实施例26～实施例30，收集68～51℃的馏分；所得产物为3-氰基-5-甲基吡啶。

对比例1-1、将实施例4中的钒钛催化剂中的“锑”改成砷（砷的重量含量以化合物三氧化二砷计）；含量不变；其余等同于实施例4；最终所得的2-氰基吡啶的收率为73.3%。

对比例1-2、将实施例9中的钒钛催化剂中的“锑”改成砷（砷的重量含量以化合物三氧化二砷计）；含量不变；其余等同于实施例9；最终所得的3-氰基吡啶的收率为91.1%。

对比例1-3、将实施例15中的钒钛催化剂中的“锑”改成砷（砷的重量含量以化合物三氧化二砷计）；含量不变；其余等同于实施例15；最终所得的4-氰基吡啶的收率为90.8%。

对比例1-4、将实施例20中的钒钛催化剂中的“锑”改成砷（砷的重量含量以化合物三氧化二砷计）；含量不变；其余等同于实施例20；最终所得的2-氰基-6-甲基吡啶的收率为70.2%。

对比例1-5、将实施例24中的钒钛催化剂中的“锑”改成砷（砷的重量含量以化合物三氧化二砷计）；含量不变；其余等同于实施例24；最终所得的2-氰基-5-甲基吡啶的收率为74.2%。

对比例1-6、将实施例29中的钒钛催化剂中的“锑”改成砷（砷的重量含量以化合物三氧化二砷计）；含量不变；其余等同于实施例29；最终所得的3-氰基-5-甲基吡啶的收率为83.1%。

对比例2-1、将实施例4中的钒钛催化剂由“钒含量12%、钛含量81.5%、锑含量6.5%”改成“钒含量14%、钛含量86%”，其余等同于实施例4；最终所得的2-氰基吡啶的收率为70.2%。

对比例2-2、将实施例9中的钒钛催化剂的钒钛催化剂由“钒含量18%、钛含量80%、锑含量2%”改成“钒含量18.5%、钛含量81.5%”，其余等同于实施例9；最终所得的3-氰基吡啶的收率为88.1%。

对比例2-3、将实施例15中的钒钛催化剂由“钒含量9%、钛含量89.5%、锑含量1.5%”改成“钒含量9.3%、钛含量90.7%”，其余等同于实施例15；最终所得的4-氰基吡啶的收率为90.9%。

对比例2-4、将实施例20中的钒钛催化剂由“钒含量12%、钛含量81.5%、锑含量6.5%”改成“钒含量14%、钛含量86%”；其余等同于实施例20；最终所得的2-氰基-6-甲基吡啶的收率为68.5%。

对比例2-5、将实施例24中的由“钒含量12%、钛含量81.5%、锑含量6.5%”改成“钒含量14%、钛含量86%”，其余等同于实施例24；最终所得的2-氰基-5-甲基吡啶的收率为71.8%。

对比例2-6、将实施例29中的钒钛催化剂由“钒含量18%、钛含量80%、锑含量2%”改成“钒含量18.5%、钛含量81.5%”，其余等同于实施例29；最终所得的3-氰基-5-甲基吡啶的收率为78.6%。

备注说明：上述对比例2-1～对比例2-6中，钒钛催化剂中的钒以五氧化二钒的重量计，钛以二氧化钛的重量计。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：将甲基吡啶或其衍生物以及氨气、水和空气混合后，在固定床内于催化剂作用下进行氨氧化反应；所述甲基吡啶或其衍生物、氨气、水、空气的摩尔比为1:1.5～5.5:3～11:15～30，反应温度为320～390℃，甲基吡啶或其衍生物的体积空速为0.1～0.38h^-1；

反应结束通过冷凝分离得到产品固体粗品，所述产品固体粗品进行减压蒸馏，得作为产物的氰基吡啶或其衍生物；冷凝后的水相用甲苯萃取，萃取液常压精馏回用甲苯，并减压蒸馏收集作为产物的氰基吡啶或其衍生物。

2.根据权利要求1所述的氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：

所述催化剂为钒钛催化剂，钒以五氧化二钒计的重量含量为6～18%，钛以二氧化钛计的重量含量为80～92%，锑以三氧化二锑计的重量含量为1.5～6.5%。

3.根据权利要求2所述的氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：

钒钛催化剂的表面活性组分颗粒大小65～75nm。

4.根据权利要求2或3所述的氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：

甲基吡啶为2-甲基吡啶，氰基吡啶为2-氰基吡啶；

甲基吡啶为3-甲基吡啶，氰基吡啶为3-氰基吡啶；

甲基吡啶为4-甲基吡啶，氰基吡啶为4-氰基吡啶；

甲基吡啶衍生物为2，6-二甲基吡啶，氰基吡啶衍生物为2-氰基-6-甲基吡啶；

甲基吡啶衍生物为2，5-二甲基吡啶，氰基吡啶衍生物为2-氰基-5-甲基吡啶；

甲基吡啶衍生物为3，5-二甲基吡啶，氰基吡啶衍生物为3-氰基-5-甲基吡啶。

5.根据权利要求4所述的氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：

2-甲基吡啶、氨气、水、空气的摩尔比为1:5.5:8:20，反应温度为360℃，2-甲基吡啶的体积空速为0.3h^-1；

钒钛催化剂中，钒以五氧化二钒计的重量含量为12%，钛以二氧化钛计的重量含量为81.5%，锑以三氧化二锑计的重量含量为6.5%。

6.根据权利要求4所述的氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：

3-甲基吡啶、氨气、水、空气的摩尔比为1:4:8:25，反应温度为360℃，3-甲基吡啶的体积空速为0.38h^-1；

钒钛催化剂中，钒以五氧化二钒计的重量含量为18%，钛以二氧化钛计的重量含量为80%，锑以三氧化二锑计的重量含量为2%。

7.根据权利要求4所述的氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：

4-甲基吡啶、氨气、水、空气的摩尔比为1:2:11:30，反应温度为380℃，4-甲基吡啶的体积空速为0.2h^-1；

钒钛催化剂中，钒以五氧化二钒计的重量含量为9%，钛以二氧化钛计的重量含量为89.5%，锑以三氧化二锑计的重量含量为1.5%。

8.根据权利要求4所述的氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：

2，6-二甲基吡啶、氨气、水、空气的摩尔比为1:5.5:8:20，反应温度为380℃，2，6-二甲基吡啶的体积空速为0.3h^-1；

钒钛催化剂中，钒以五氧化二钒计的重量含量为12%，钛以二氧化钛计的重量含量为81.5%，锑以三氧化二锑计的重量含量为6.5%。

9.根据权利要求4所述的氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：

2，5-二甲基吡啶物、氨气、水、空气的摩尔比为1:5.5:8:20，反应温度为360℃，2，5-二甲基吡啶的体积空速为0.3h^-1；

钒钛催化剂中，钒以五氧化二钒计的重量含量为12%，钛以二氧化钛计的重量含量为81.5%，锑以三氧化二锑计的重量含量为6.5%。

10.根据权利要求4所述的氰基吡啶及其衍生物的合成方法，其特征是：

3，5-二甲基吡啶、氨气、水、空气的摩尔比为1:4:8:25，反应温度为360℃，3，5-二甲基吡啶的体积空速为0.38h^-1；

钒钛催化剂中，钒以五氧化二钒计的重量含量为18%，钛以二氧化钛计的重量含量为80%，锑以三氧化二锑计的重量含量为2%。

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