近臨界水介質中煙腈無催化水解製備煙酸的方法

2023-06-18 15:43:46 2

專利名稱：近臨界水介質中煙腈無催化水解製備煙酸的方法
技術領域：
本發明涉及羧酸類，尤其涉及一種近臨界水介質中煙腈無催化水解製備煙 酸的方法。
技術背景煙酸(Nicotinic acid, CAS No:59-67-6 )，又名尼古丁酸，俗稱維生素B5，化 學名稱為吡啶-3-甲酸(prriin-3-Carloxylio acid)，分子式C6H5N02，結構式為0「°°H)，無色針狀結晶體，屬於維生素B族。煙酸是人體和動物體不可缺少的 營養成分，是構成輔酶的重要成分，主要存在於肝、腎、肌肉、酵母、乳汁、 蛋黃、麥麩、米糠、花生、水果和蔬菜中。煙酸作為一種重要的有機化工原料，在醫藥、食品、飼料業中具有廣泛的用 途。在醫藥工業中，煙酸作為一種常用維生素可以預防和治療各種皮膚性疾病和 類似的維生素缺乏症具有擴張血管的作用，用於醫治末梢神經痙攣、動脈硬化 等病症。煙酸還可以作為醫藥中間體，用於合成具有重要醫藥用途的多種醯胺 類和酯類藥物，如尼克殺米、煙酸肌醇酯片、滅酯靈等。在食品工業中，煙酸 被廣泛用作糕點、乳製品、玉米粉等的添加劑；煙酸還可以與維生素合用，代 替部分亞硝酸鹽作為肉類製品的去味劑和防腐劑，此外煙酸可以作去味劑或保 色劑，在蔬菜保存中作保鮮劑。在飼料工業中，飼料中添加人工合成的煙酸， 可以提高飼料蛋白的利用率，提高奶牛產奶量及魚、雞、鴨、牛、羊等家畜肉 的產量和質量。此外，煙酸還可以用作染料助劑、染髮助劑、聚合物穩定劑、 光亮添加劑，在感光材料中作抗氧化劑和抗灰霧劑等。因此，煙酸在國內外有 著廣泛的市場前景，是一種很有發展前途的重要精細化學品，研究煙酸系列化 合物的合成具有重要的現實意義。煙酸最初是通過氧化尼古丁得到的。近年來，煙酸的合成一直受到重視， 從反應原料看，可分為3-氰基吡啶法、3-甲基吡啶法、2-甲基-5-乙基吡啶法、喹 啉法等。從合成方法看，可分為試劑氧化法(硝酸、高錳酸鉀等)、氨氧化法、電 解氧化法、空氣直接氧化法、液相催化氧化法、生物氧化法和吡啶羥基化法等。 氨氧化法是目前世界上採用較多的一種工藝，美國Lumus公司、德國Degussa公 司和日本的Yuki Gosei公司等均採用該工藝進行生產。氨氧化法主要是以3-甲基吡啶或2-甲基-5-乙基吡啶為原料，在催化劑的作用 下，與氨和空氣的混合物進行高溫氧化製得煙腈，煙腈經氫氧化鈉水解後，再用鹽酸中和得到煙酸。該法所採用的催化劑多為釩的氧化物。該工藝過程明顯 的缺點是獨立的反應步驟加大了設備投資；產品分離過程複雜；反應過程使用 大量強鹼催化劑和副產物含氯化鈉的廢水都造成嚴重的環境汙染；副產物微量 的劇毒氫氰酸，處理要求嚴格；金屬催化劑的製備、選擇和回收上尚不完善。近臨界水(near-critical water, NCW)通常是指溫度在250 35(TC之間的壓縮 液態水。水在這一區域擁有以下三個重要特性1) 自身具有酸催化與鹼催化的功能。在飽和蒸氣壓下，近臨界水的電離常 數在275。C附近有一極大值約為10,moHcg)2，其值是常溫常壓水的1000倍， 且電離常數隨壓力的增加而增大，近臨界水中的[H30+]和[OH—]已接近弱酸或弱 鹼，自身具有酸催化與鹼催化的功能，因此可使某些酸鹼催化反應不必加入酸 鹼催化劑，從而避免酸鹼的中和、鹽的處理等工序；2) 同時溶解有機物和無機物。在飽和蒸氣壓下，20。C水的介電常數為80.1， 而275t時只有23.5。儘管近臨界水的介電常數仍較大，可溶解甚至電離鹽，但 已足夠小以溶解有機物，加上近臨界水的密度大(275i:飽和蒸氣壓下水的密度為 0.76g《m3，近臨界水的介電常數、密度與丙酮相近)，因此近臨界水具有非常好 的溶解性能，具有能同時溶解有機物和無機物的特性。這使許多近臨界水介質 中的合成反應能在均相中進行，從而消除傳質阻力，提高反應速度，同時反應 後只需簡單降溫就可實現蠟水分離，水相可循環使用；3) 物性可調性。近臨界水的介電常數、離子積常數、密度、粘度、擴散系 數、溶解度等物理化學性質隨溫度、壓力在較寬的範圍內連續可調，即近臨界 水的物性具有可調節性，因此作為反應介質，近臨界水在不同的狀態具有不同 的溶劑性質和反應性能。近臨界水中反應的應用研究包括廢棄物處理、高分子材料循環利用、無機 材料合成、煤液化以及生物質資源化等。在對近臨界水三大特性深入認識的基 礎上，本發明將近臨界水作為反應介質應用於煙腈的(又稱3-氰基吡啶，尼古丁 月青，英文名3隱Cyanopyridine、 3-Pyridinecarbonitrile、 Nicotinonitrile， CAS No: 100-54-9,分子式為C6H4N2，結構式為:0』沐解上，其反應過程中不用酸鹼催 化，原料及各產物均不會對環境造成汙染，從而實現煙腈的無催化、快速、綠 色水解，製備高純度煙酸。使近臨界水的應用領域不斷得到擴大。近臨界水中 煙腈無催化水解製備煙酸的反應式如下formula see original document page 4發明內容本發明的目的是提供一種綠色、高效的近臨界水介質中煙腈無催化水解制 備煙酸的方法方法的步驟如下1) 在高壓反應釜中加入去離子水和煙腈，去離子水與煙腈的質量比為2:1 8:1，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥2 5分鐘；2) 關閉排氣閥，繼續升溫至250 32(TC水解60 480min;3) 水解產物經冷卻、調pH值至3 4，結晶後得到粗煙酸； 4)粗煙酸經活性碳脫色、二次結晶、真空乾燥後得煙酸產品。本發明步驟l)中"常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥2-5分鐘"的目的是利用水 蒸氣帶走釜內的氧氣，以減少副反應的發生，提高產物的收率；反應釜內攪拌 的轉速為400轉/min。步驟3)中若水解產物的pH值已在3 4之間，那麼調pH步驟可以省去。 調pH值的原因是煙酸在水中的溶解度在鹼性條件下大，在酸性條件下小，而反 應中間產物煙醯胺在水中的溶解度在鹼性條件下小，在酸性條件下大。本發明在反應過程中不需加入任何催化劑，利用近臨界水的自身酸鹼催化 特性與能溶解有機物的特性使煙腈在近臨界水中水解生成煙酸，解決了酸鹼催 化水解對環境造成的汙染難題，反應過程簡單，產物純度和收率高，且實現了 生產過程的綠色化。


附圖是近臨界水介質中煙腈無催化水解製備煙酸的工藝流程圖。
具體實施方式
本發明中，產品採用高效液相色譜法(AgilentllOOseries)進行分析，具體分 析條件如下色譜柱採用KNAUER-C18柱(4mmlDx250mm),柱溫為35°C; 流動相為0.05mol丄"磷酸水溶液(含0.2%三乙胺)-甲醇-乙腈(47:50:3， v/v/v)，流 速為0.4mL/min;檢測波長為210nm。採用外標法定量。 實施例1在500mL間歇高壓反應釜中加入320g去離子水和40g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為8:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥2min,利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至25(TC反應480min;反應產物冷卻、 加入HCl溶液調pH值至3，結晶後得煙酸粗品。煙酸粗品經活性炭脫色、重結 晶、真空乾燥後得32.53g煙酸產品，收率為81.32%。產品經HPLC分析純度為99.2%(wt%)。實施例2在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和100g煙腈(去離子水與 煙腈的質量比為3:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥4min，利用水 蒸氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至250。C反應450min;反應產物冷 卻、加入HCl溶液調pH值至4，結晶後得煙酸粗品。煙酸粗品經活性炭脫色、 重結晶、真空乾燥後得82.67g煙酸產品，收率為82.67%。產品經HPLC分析純 度為98.7%(wt%)。 實施例3在500mL間歇高壓反應釜中加入320g去離子水和80g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為4:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥3min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至26(TC反應420min;反應產物冷卻、 加入H2S04溶液調pH值至3.5，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、重 結晶、真空乾燥後得70.21g煙酸產品，收率為87.76%。產品經HPLC分析純度 為99.1%(wt%)。在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和60g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為5:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥4min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至26(TC反應390min;反應產物冷卻、 加入HC1溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品。煙酸粗品經活性炭脫色、 重結晶、真空乾燥後得51.73g煙酸產品，收率為86.22%。產品經HPLC分析純 度為99.4%(wt0/o)。 實施例5在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和50g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為6:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥4min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至26(TC反應360min;反應產物冷卻、 加入HC1溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、重 結晶、真空乾燥後得42.90g煙酸產品，收率為85.79%。產品經HPLC分析純度 為99.3%(wt%)。在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和150g煙腈(去離子水與 煙腈的質量比為2:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥5min,禾U用水蒸氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至270。C反應300min;反應產物冷 卻、加入H2S04溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫 色、重結晶、真空乾燥後得132.9g煙酸產品，收率為88.60%。產品經HPLC分 析純度為98.3%(wt%)。 實施例7在500mL間歇高壓反應釜中加入320g去離子水和80g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為4:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥2min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至27(TC反應270min;反應產物冷卻、 加入HCl溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、重 結晶、真空乾燥後得70.30g煙酸產品，收率為87.88%。產品經HPLC分析純度 為99.0%(wt%)。 實施例8在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和50g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為6:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥3min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至27(TC反應240min;反應產物冷卻、 加入H2S04溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、 重結晶、真空乾燥後得42.69g煙酸產品，收率為85.38%。產品經HPLC分析純 度為99.3%(wt%)。 實施例9在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和100g煙腈(去離子水與 煙腈的質量比為3:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥4min，禾U用水 蒸氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至280'C反應225min;反應產物冷 卻、加入HCl溶液調pH值至3 4,結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、 重結晶、真空乾燥後得90.62g煙酸產品，收率為90.62%。產品經HPLC分析純 度為98.6%(wt0/o)。 實施例10在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和60g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為5:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥5min,利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至28(TC反應210min;反應產物冷卻、 加入H2S(V溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、 重結晶、真空乾燥後得53.99g煙酸產品，收率為89.99%。產品經HPLC分析純 度為99.3%(wt%)。實施例11在500mL間歇高壓反應釜中加入280g去離子水和40g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為7:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥2min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至28(TC反應195min;反應產物冷卻、 加入HC1溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、重 結晶、真空乾燥後得35.21g煙酸產品，收率為88.03%。產品經HPLC分析純度 為99.4%(wt%)。 實施例12在500mL間歇高壓反應釜中加入320g去離子水和80g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為4:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥3min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至29(TC反應160min;反應產物冷卻、 加入H2S04溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、 重結晶、真空乾燥後得73.07g煙酸產品，收率為91.34%。產品經HPLC分析純 度為99.1%(wt%)。 實施例13在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和50g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為6:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥4min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至29(TC反應150min;反應產物冷卻、 加入HCl溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、重 結晶、真空乾燥後得44.89g煙酸產品，收率為89.78%。產品經HPLC分析純度 為99.3%(wt%)。^在500mL間歇高壓反應釜中加入320g去離子水和40g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為8:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥5min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至29(TC反應140min;反應產物冷卻、 加入H2S04溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、 重結晶、真空乾燥後得34.81g煙酸產品，收率為87.03%。產品經HPLC分析純 度為99.5%(wt%)。 實施例15在500mL間歇高壓反應釜中加入320g去離子水和80g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為4:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥2min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至30(TC反應130min;反應產物冷卻、加入HC1溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、重 結晶、真空乾燥後得70.05g煙酸產品，收率為87.56%。產品經HPLC分析純度 為99.0%(wt%)。 實施例16在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和50g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為6:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥4min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至30(TC反應110min;反應產物冷卻、 加入HCl溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、重 結晶、真空乾燥後得42.92g煙酸產品，收率為85.83%。產品經HPLC分析純度 為99.2%(wt%)。 實施例17在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和60g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為5:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥5min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至310。C反應90min;反應產物冷卻、 加入H2S04溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、 重結晶、真空乾燥後得49.93g煙酸產品，收率為83.21%。產品經HPLC分析純 度為99.1%(wt%)。 實施例18在500mL間歇高壓反應釜中加入280g去離子水和40g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為7:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥2min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至310。C反應85min;反應產物冷卻、 加入HC1溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、重 結晶、真空乾燥後得32.84g煙酸產品，收率為82.10%。產品經HPLC分析純度 為99.3%(wt%)。 實施例19在500mL間歇高壓反應釜中加入300g去離子水和60g煙腈(去離子水與煙 腈的質量比為5:1)，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥3min，利用水蒸 氣排除釜內空氣；關閉排氣閥，繼續升溫至32(TC反應60min;反應產物冷卻、 加入H2S04溶液調pH值至3 4，結晶後得煙酸粗品，粗品用經活性炭脫色、 重結晶、真空乾燥後得48.25g煙酸產品，收率為80.42%。產品經HPLC分析純 度為99.0%(wt%)。
權利要求
1. 一種近臨界水介質中煙腈無催化劑水解製備煙酸的方法，其特徵在於包括如下步驟1)在高壓反應釜中加入去離子水和煙腈，去離子水與煙腈的質量比為2∶1～8∶1，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥2～5分鐘；2)關閉排氣閥，繼續升溫至250～320℃水解60～480min；3)水解產物經冷卻、調pH值至3～4，結晶後得到粗煙酸；4)粗煙酸經活性碳脫色、二次結晶、真空乾燥後得煙酸產品。
2. 根據權利要求1所述的一種近臨界水介質中煙腈無催化水解製備煙酸的 方法，其特徵在於步驟l)中所述的去離子水與煙腈的質量比為4:1 6-.1;
3. 根據權利要求1所述的一種近臨界水介質中煙腈無催化水解製備煙酸的 方法，其特徵在於步驟2)中所述的水解溫度為260 29(TC。
4. 根據權利要求1所述的一種近臨界水介質中煙腈無催化水解製備煙酸的 方法，其特徵在於步驟3)中所述的調pH值所用的試劑為HCl或H2S04溶液。
全文摘要
本發明公開了一種近臨界水介質中煙腈無催化水解製備煙酸的方法。方法的步驟如下1)在高壓反應釜中加入去離子水和煙腈，去離子水與煙腈的質量比為2∶1～8∶1，開攪拌，常壓下升溫至沸騰，打開排氣閥2～5分鐘；2)關閉排氣閥，繼續升溫至250～320℃水解60～480min；3)水解產物經冷卻、調pH值至3～4，結晶後得到粗煙酸；4)粗煙酸經活性炭脫色、二次結晶、真空乾燥後得煙酸產品。本發明在反應過程中不需加入任何催化劑，解決了煙酸製備中酸、鹼催化水解的汙染難題，過程簡單、綠色，產物純度和收率高。
文檔編號C07D213/803GK101265230SQ20081006077
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月18日 優先權日2008年4月18日
發明者呂秀陽, 彭新文, 石超君 申請人:浙江大學