CN109251170A - 一种利用2-op精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法 - Google Patents

一种利用2-op精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法 Download PDF

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Abstract

以2‑OP精馏残渣为原料，磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶为催化剂，经在位催化裂解和减压蒸馏、室温结晶与分离、重结晶和干燥工艺过程在内的工艺制备得到吡啶‑2‑甲酰胺。在位催化裂解和减压蒸馏工艺参数为：磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶与2‑OP精馏残渣的质量比为1～10∶10～1000，裂解温度为240℃～400℃，减压蒸馏真空度为0.01MPa～0.1MPa，含吡啶‑2‑甲酰胺的减压蒸馏馏出液相对于2‑OP精馏残渣质量的收率为60％～90％。馏出液经结晶与分离、重结晶和干燥后，以相对于2‑OP精馏残渣质量的50％～70％的收率得到质量百分含量大于等于97％且水分含量小于1％的吡啶‑2‑甲酰胺产品。

Description

一种利用2-OP精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法
技术领域
本发明所涉及的一种利用2-OP精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法，是有机合成领域精细有机化学品制备方面的一种新型的化工副产品资源化高效利用的方法。
背景技术
2-OP，化学名为2-氰基吡啶、吡啶-2-甲腈、2-吡啶甲腈，CAS号为100-70-9，是一种熔点为24～27℃的白色至浅褐色针状结晶性固体。2-OP作为重要的中间体在多种医药、农药和染料等精细有机化学品的合成中有广泛应用。以2-OP为原料合成得到的这些典型精细有机化学品多能表现出众多突出的性能：如以2-OP为原料合成的新型除草剂毒莠定具有用量少、选择性高、毒性低、在土壤和植物体中的残留量小且残留期短的特点，可用于小麦、玉米、高粱等农田中大多数双子叶杂草和灌木的防治；以2-OP为原料得到的2-氨基-5-氯吡啶是制备新一代新型口服抗凝剂贝曲西班的重要中间体，而贝曲西班作为一种Xa因子抑制剂在抗凝治疗中有广阔的应用前景；2-OP经过偶联得到的2，2-二氰基联吡啶可用于制备具有双核和拓扑结构的配位聚合物；通过2-OP还可以制备得到吡啶-2-甲醛和2-氨基吡啶及5-溴-2-氰基吡啶等重要的有机合成中间体。
2-OP的合成方法主要有以下几种：(1)2-甲基吡啶催化氨氧化法，即以氨气和氧气混合物为氧化剂，在高温和催化剂存在的条件下使2-甲基吡啶直接催化氧化为2-OP；(2)氰基取代法，即通过2-卤代吡啶与丙酮氰醇、无机碱金属氰化物等反应，实现氰基对卤原子的取代而使2-卤代吡啶转化为2-OP；(3)吡啶-2-甲醛肟法，即以吡啶-2-甲醛肟为原料，通过脱水剂存在下的直接脱水得到2-OP；(4)2-氨基吡啶法，即通过重氮化反应使2-氨基吡啶转化为吡啶重氮盐，再通过吡啶重氮盐与氰化亚铜进行Sandmeyer反应得到2-OP。在这些方法中，2-甲基吡啶催化氨氧化法由于原料来源充分、不涉及高毒的氰化物、产品制备成本相对较低而在实际生产中得到广泛应用。
从反应机理方面分析，2-甲基吡啶催化氨氧化法制备2-OP的转化过程存在两种可能性：一是2-甲基吡啶在催化剂催化下氧化转化为吡啶-2-甲醛，然后吡啶-2-甲醛与氨作用转化为吡啶-2-甲亚胺，最后再经氧化脱氢生成2-OP；二是2-甲基吡啶在催化剂催化下氧化转化为吡啶-2-甲醛后，再经氧化生成吡啶-2-甲酸，然后吡啶-2-甲酸在高温下与氨反应转化为吡啶-2-甲酰胺，最后吡啶-2-甲酰胺再在高温下脱水生成2-OP。实际以2-甲基吡啶为原料，通过催化氨氧化法制备2-OP工艺中，一般都需对得到的氧化液进行精馏以得到高质量的2-OP，而在这一精馏过程中都会有较大量的精馏残渣生成，其量约为2-OP产量的10％～15％。对于这些精馏过程中生成的残渣，现有的处理方法都是作为危险固废而通过高温焚烧无害化后再进行填埋或矿化处理，这种处理方法不但需要消耗大量的能源，而且往往并不能真正实现精馏残渣的无害化。同时，根据对2-甲基吡啶催化氨氧化法制备2-OP过程的分析，在这种精馏残渣中可能存在吡啶-2-甲酰胺和吡啶-2-甲醛等有机化合物或它们的高温聚合物，因此通过直接高温焚烧的方法处理这种精馏残渣也使资源未能得到有效利用。
吡啶-2-甲酰胺，又名2-吡啶甲酰胺、2-酰氨基吡啶，CAS号为1452-77-3，是一种熔点为107～110℃的白色固体。吡啶-2-甲酰胺作为含有酰胺基的多齿配体，其与金属离子形成的配合物能与核酸发生较强的相互作用并表现出一定的抗癌活性。吡啶-2-甲酰胺经偶联反应生成的双吡啶二酰胺对铀和钍等有很好的萃取性能，可用于这些放射性元素的分离回收。吡啶-2-甲酰胺经偶联反应生成的双吡啶二酰胺与Fe(III)和Ni(II)及Mn(III)等形成的金属配合物具有类似于金属卟啉的结构，可作为催化剂用于多种精细化学的催化合成。吡啶-2-甲酰胺的制备主要有以下几种方法：(1)吡啶-2-甲醛法，该法的本质是通过吡啶-2-甲醛在催化剂存在下直接与盐酸羟胺反应得到吡啶-2-甲酰胺；(2)吡啶-2-甲腈法，该法的本质是在催化剂存在下使吡啶-2-甲腈不完全水解生成吡啶-2-甲酰胺；(3)2-甲基吡啶法，该法的本质是2-甲基吡啶首先氧化生成吡啶-2-甲酸，然后再经酰卤化和胺化得到吡啶-2-甲酰胺。
本发明涉及的利用2-OP精馏残渣为原料制备吡啶-2-甲酰胺的方法，属于化工危险固体废弃物资源化高值利用和减量化领域的一种清洁生产技术方法。
在一种利用2-OP精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法的研究开发程中，接触了很多有关吡啶-2-甲腈和吡啶-2-甲酰胺制备、应用与分析方面的技术资料，其中具有一定参考价值的主要包括：《Transition metal-free synthesis of primary amides fromaldehydes and hydroxylamine hydrochloride》(Tetrahedron Letters，2014，Vol.55，No.20)，《2-吡啶甲醛的制备》(中国医药工业杂志，2007，Vol.38，No.7)，《4-(4-氨基苯氧基)-N-甲基-2-吡啶甲酰胺的合成》(河北师范大学学报/自然科学版，2017，Vol.41，No.3)，《5-溴-2-氰基吡啶的新合成方法研究》(精细化工中间体，2016，Vol.46，No.2)，《N-烷基-4-氯-2-吡啶甲酰胺的合成》(化学世界，2011，Vol.52，No.1)，《N-氧化吡啶合成2-氨基吡啶酰胺的方法研究》(安徽化工，2018，Vol.44，No.1)，《V-Ti-O-Mo催化剂气-固相催化氨氧化合成2-氰基吡啶的研究》(高校化学工程学报，2016，Vol.30，No.4)，《氨基吡啶的合成研究》(浙江大学学报(工学版)，2006，Vol.40，No.7)，《吡啶酰胺的合成及萃取U(Ⅵ)的性能研究》(核化学与放射化学，2004，Vol.26，No.3)，《吡啶酰胺与DNA作用的光谱法研究》(光谱学与光谱分析，2008，Vol.28，No.6)，《Hydrolysis Kinetics of 2-Pyridinecarboxamide，3-Pyridinecarboxamide and 4-Pyridinecarboxamide in High-Temperature Water》(Chinese Journal of Chemical Engineering，2014，Vol.22，No.9)，《氰基吡啶在农药化工中的应用前景》(农化新世纪，2008，No.5)，《水溶液中2-氰基吡啶的气相色谱分析》(精细化工中间体，2004，Vol.34，No.4)，《帕布昔利布合成路线图解》(中国医药工业杂志，2017，Vol.48，No.5)，《Ammonia oxidation catalytic synthesis of2-cyanopyrazine》(Journal of Chemistry and Chemical Engineering，2005，Vol.19，No.6)，《Ammoxidation of 2-picoline catalyzed by modified V2O5/TiO2》(Monatshefte fürchemie-chemical monthly，2014，Vol.145，No.8)。
发明内容
一种利用2-OP精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法的发明，主要是为了解决通过催化氨氧化法制备吡啶-2-甲腈生产工艺中对氨氧化后生成的产物进行精馏以得到符合质量要求的吡啶-2-甲腈产品时产生的精馏残渣高值化利用，并实现其减量化和无害化的问题。同时，期望通过一种利用2-OP精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法的发明，推动吡啶-2-甲腈的清洁生产和生产工艺的绿色化，促进资源的高效利用。
通过磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶对2-OP精馏残渣中高沸物的催化裂解作用，使高沸物解聚并转化为沸点相对较低的吡啶-2-甲酰胺，并利用吡啶-2-甲酰胺与未裂解高沸物的沸点差异，通过减压蒸馏方法实现吡啶-2-甲酰胺与2-OP精馏残渣中高沸物的初步分离；初步分离得到的含吡啶-2-甲酰胺的减压蒸馏馏出液经室温下冷却结晶和离心分离或过滤分离，实现吡啶-2-甲酰胺和低熔点有机物的分离，并得到吡啶-2-甲酰胺粗品；利用吡啶-2-甲酰胺在水中的溶解度随温度的变化及活性炭对有机杂质的吸附作用，以水为重结晶溶剂和活性炭为吸附除杂剂，通过重结晶的方法实现吡啶-2-甲酰胺粗品的精制和纯化，得到符合质量要求的吡啶-2-甲酰胺产品。
通过发明中的方法，可得到吡啶-2-甲酰胺质量百分含量大于等于97％的吡啶-2-甲酰胺产品，且吡啶-2-甲酰胺产品相对于2-OP精馏残渣的质量百分收率大于等于50％。
附图说明
图1为发明中涉及的吡啶-2-甲酰胺的结构式图。
图2为吡啶-2-甲酰胺的FTIR图。
图3为吡啶-2-甲酰胺的1H NMR图。
具体实施方法
发明中涉及的一种利用2-OP精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法，其特征在于一种具有图1所示结构的吡啶-2-甲酰胺，通过以2-OP精馏残渣为原料、磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶为催化剂，经在位催化裂解和减压蒸馏工艺、室温结晶与分离工艺、重结晶和干燥工艺过程在内的工艺被制备得到。
(1)2-OP精馏残渣在位催化裂解和减压蒸馏：沸石或硅胶经用质量百分浓度为10％～80％的磷酸水溶液浸渍2～48小时后过滤除去液相，并将得到的固体物置于300℃～800℃的马弗炉中灼烧2～12小时，然后对高温灼烧后的固体物料进行粉碎，即得到磷酸化沸石或磷酸化硅胶；将磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶与2-OP精馏残渣按质量比1～10∶10～1000加入到裂解反应器中，并在搅拌和240℃～400℃温度及真空度为0.01MPa～0.1MPa的条件下进行在位催化裂解和减压蒸馏，即以相对于2-OP精馏残渣质量60％～90％的收率得到含吡啶-2-甲酰胺的减压蒸馏馏出液。
(2)室温结晶与分离：含吡啶-2-甲酰胺的减压蒸馏馏出液在室温下搅拌并逐渐冷却结晶，待物料温度已经达到30℃左右并结晶充分时对物料进行离心分离或过滤分离，得到含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品和少量的离心液或滤液，其中含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品用于制备吡啶-2-甲酰胺产品，离心液或滤液用于制备吡啶-2-甲腈。
(3)重结晶和干燥：将室温结晶与分离过程中得到的含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品与蒸馏水或去离子水按质量比1.0∶1.0～50混合并加热至沸腾后，再按活性炭与含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品的质量比为1.0∶1.0～100加入计量的活性炭，再次加热至微沸后对物料进行趁热过滤，并对得到的滤液进行冷却，直至其温度低于20℃，以使溶液中的吡啶-2-甲酰胺结晶完全；对结晶完全的物料进行离心分离或过滤分离，并用少量冰水洗涤固体物料2～3次；洗涤后的物料经充分去水后再置于60℃的干燥箱中干燥，即得到质量百分含量大于等于97％的吡啶-2-甲酰胺产品。
发明中涉及的一种利用2-OP精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法，其制备工艺过程中包含的2-OP精馏残渣在位催化裂解和减压蒸馏、室温结晶与分离、重结晶和干燥三部分的各自相关工艺参数如下：
(1)2-OP精馏残渣在位催化裂解和减压蒸馏过程工艺参数：在位催化裂解用催化剂是磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶，涉及的沸石包括4A沸石、丝光沸石、HZSM-5沸石，涉及的硅胶包括原色硅胶、变色硅胶、硅胶H、硅胶G；在位催化裂解用磷酸化沸石或磷酸化硅胶催化剂是通过将沸石或硅胶用质量百分浓度为10％～80％的磷酸水溶液浸渍2～48小时后再过滤除去液相，并将得到的固体物置于300℃～800℃的马弗炉中灼烧2～12小时，然后对灼烧后的固体物料进行粉碎至粒径为50～300目得到；在位催化裂解和减压蒸馏时是将磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶与2-OP精馏残渣按质量比1～10∶10～1000加入到裂解反应器中，并在搅拌和240℃～400℃温度及0.01MPa～0.1MPa真空度下进行；在位催化裂解和减压蒸馏过程中，含吡啶-2-甲酰胺的减压蒸馏馏出液相对于2-OP精馏残渣质量的收率为60％～90％。
(2)室温结晶与分离过程工艺参数：前述在位催化裂解和减压蒸馏过程得到的含吡啶-2-甲酰胺的减压蒸馏馏出液在室温下搅拌并逐渐冷却结晶，待物料温度已经达到30℃左右并结晶充分时对物料进行离心分离或过滤分离，即以相对于2-OP精馏残渣质量55％～85％的收率得到可用于制备吡啶-2-甲酰胺产品的含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品，及以相对于2-OP精馏残渣质量3％～15％的收率得到可用于制备吡啶-2-甲腈的离心液或滤液。
(3)重结晶和干燥过程工艺参数：前述室温结晶与分离过程中得到的含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品与蒸馏水或去离子水按质量比1.0∶1.0～50混合并搅拌加热至沸腾后，再向沸腾后的物料中按活性炭与含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品的质量比为1.0∶1.0～100加入计量的活性炭，再次加热至微沸并保持5～30分钟后对物料进行趁热过滤；得到的滤液以冰水或冷冻盐水为冷却介质进行冷却至其温度低于20℃，以使溶液中的吡啶-2-甲酰胺结晶完全；对结晶完全的物料进行离心分离或过滤分离，并用少量冰水洗涤得到的固体物料2～3次；洗涤后的物料经充分离心脱水或过滤脱水后，再置于60℃的干燥箱中干燥2～24小时，即以相对于2-OP精馏残渣质量的50％～70％的收率得到质量百分含量大于等于97％且水分含量小于1％的吡啶-2-甲酰胺产品。

Claims (10)

1.一种利用2-OP精馏残渣制备吡啶-2-甲酰胺的方法，其特征在于：通过以2-OP精馏残渣为原料、磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶为催化剂，经包括在位催化裂解和减压蒸馏工艺、室温结晶与分离工艺、重结晶和干燥工艺过程在内的工艺，制备得到吡啶-2-甲酰胺。
2.根据权利要求1所述的磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶，其特征在于：沸石或硅胶经用质量百分浓度为10％～80％的磷酸水溶液浸渍2～48小时后过滤除去液相，并将得到的固体物置于300℃～800℃的马弗炉中灼烧2～12小时，然后对灼烧后的固体物料进行粉碎，即得到磷酸化沸石或磷酸化硅胶。
3.根据权利要求1所述的在位催化裂解和减压蒸馏工艺，其特征在于：磷酸化沸石和/或磷酸化硅胶与2-OP精馏残渣按质量比1～10∶10～1000加入到裂解反应器中，并在搅拌和240℃～400℃温度及真空度为0.01MPa～0.1MPa条件下进行在位催化裂解和减压蒸馏，即以相对于2-OP精馏残渣质量60％～90％的收率得到含吡啶-2-甲酰胺的减压蒸馏馏出液。
4.根据权利要求2所述的沸石和硅胶，其特征在于：涉及的沸石包括4A沸石、丝光沸石、HZSM-5沸石，涉及的硅胶包括原色硅胶、变色硅胶、硅胶H、硅胶G。
5.根据权利要求2所述的磷酸化沸石或磷酸化硅胶，其特征在于：在位催化裂解用催化剂磷酸化沸石或磷酸化硅胶粒径为50～300目。
6.根据权利要求1所述的在位催化裂解和减压蒸馏工艺，其特征在于：在位催化裂解和减压蒸馏的真空度为0.01MPa～0.1MPa。
7.根据权利要求1所述的室温结晶与分离工艺，其特征在于：在位催化裂解和减压蒸馏工艺得到的含吡啶-2-甲酰胺的减压蒸馏馏出液在室温下搅拌并逐渐冷却结晶，待物料温度已经达到30℃左右并结晶充分时对物料进行离心分离或过滤分离，即以相对于2-OP精馏残渣质量55％～85％的收率得到可用于制备吡啶-2-甲酰胺产品的含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品和相对于2-OP精馏残渣质量3％～15％的收率得到可用于制备吡啶-2-甲腈的离心液或滤液。
8.根据权利要求1所述的重结晶和干燥工艺，其特征在于：室温结晶与分离过程中得到的含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品与蒸馏水或去离子水按质量比1.0∶1.0～50混合并搅拌加热至沸腾后，再向沸腾后的物料中按活性炭与含吡啶-2-甲酰胺的固体粗品的质量比为1.0∶1.0～100加入计量的活性炭，再次加热至微沸并保持5～30分钟后对物料进行趁热过滤；得到的滤液以冰水或冷冻盐水为冷却介质进行冷却，直至其温度低于20℃，以使溶液中的吡啶-2-甲酰胺结晶完全；对结晶完全的物料进行离心分离或过滤分离，并用少量冰水洗涤得到的固体物料2～3次；洗涤后的物料经充分离心脱水或过滤脱水后，再置于60℃的干燥箱中干燥2～24小时，即得到吡啶-2-甲酰胺产品。
9.根据权利要求8所述的吡啶-2-甲酰胺产品，其特征在于：吡啶-2-甲酰胺产品的质量百分含量大于等于97％且水分含量小于1％。
10.根据权利要求8所述的吡啶-2-甲酰胺产品，其特征在于：以相对于2-OP精馏残渣质量的50％～70％的收率得到吡啶-2-甲酰胺产品。
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