吡啶及其衍生物的氧化的製作方法

2023-06-16 13:51:56 1

專利名稱：吡啶及其衍生物的氧化的製作方法
一般來說，本發明涉及吡啶及其衍生物的氧化；更具體地說，本發明涉及吡啶和滷代吡啶用負載型或非負載型多相催化劑(即基本上不溶於反應介質的催化劑)氧化生產相應的N-氧化物。
由2-氯吡啶生產2-氯吡啶-N-氧化物的某些方法是大家熟悉的。現有技術說明性的方法涉及在均相催化劑例如鎢酸鹽、鉬酸鹽等存在下用過氧化氫氧化2-氯吡啶。作為另一說明性例子，US3047579公開了用於製備以下產物的可溶性過氧化羧酸催化劑包括滷代吡啶N-氧化物在內的叔有機鹼的N-氧化物。
均相催化劑用於2-氯吡啶和其他吡啶化合物的氧化伴有這一缺點催化劑必須從產物流中除去，然後再以可重複利用的形式回收。為了達到這一回收和重複利用，需要許多步驟，例如催化劑沉澱，從濾液中分出沉澱的過濾，然後將沉澱物再轉化回到原有的催化形式。這些步驟大大增加了生產所需的2-氯吡啶-N-氧化物產品的費用。
其他一些費用以及方法複雜性的增加使得在均勻體系中使用可溶性催化劑甚至更加不利。例如，在這樣的體系中，通常使用猝滅劑來使反應停止。可溶性催化劑和猝滅劑之間的反應通常生成不溶性產物，然後通常使用助濾劑，用過濾的方法將不溶性產物除去。
遺憾的是，猝滅劑和/或助濾劑的使用使得不希望的雜質帶入所希望的2-氯吡啶-N-氧化物產物中的可能性增加。因此，不使用均相催化劑體系生產2-氯吡啶-N-氧化物的新方法不用猝滅劑，不用助濾劑以及使用比現有技術使用可溶性催化劑的方法要少的工藝步驟是十分希望的，例如對於農藥中間體製造部門。本發明提供了這樣一種方法。
一方面，本發明涉及一種製備吡啶或滷代吡啶的N-氧化物的方法，所述的方法包括所述的吡啶或所述的滷代吡啶和過氧化氫的反應混合物在升溫下，在催化數量的多相催化劑存在下進行反應，生成所述的2-滷代吡啶-N-氧化物或吡啶-N-氧化物，所述的多相催化劑不溶於所述的反應物。
另一方面，本發明涉及一種使吡啶或取代吡啶化合物氧化生產其N-氧化物的方法，該法包括在負載型磺酸或羧酸催化劑存在下，所述的吡啶或取代吡啶與過氧化氫進行反應，生成所述的N-氧化物，所述的負載型催化劑含有(和優選主要由以下成分組成)固載到有機基質或無機基質上的磺酸或羧酸，所述的反應在約50至約90(優選70至90)℃的溫度下，使用所述過氧化氫與所述吡啶或取代吡啶的摩爾比為1∶1至4∶1進行。
另一方面，本發明涉及一種生產2-氯吡啶-N-氧化物的方法，該法包括在負載型磺酸或羧酸催化劑存在下，2-氯吡啶與過氧化氫進行反應，生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物，所述的負載型催化劑含有(和優選主要由以下成分組成)固載到有機基質或無機基質上的磺酸或羧酸部分，所述的反應在約50至約90(優選70至90)℃下，使用所述的過氧化氫與所述的吡啶或取代吡啶的摩爾比為1∶1至4∶1進行。
另一方面，本發明涉及一種生產2-氯吡啶-N-氧化物的方法，該法包括以下步驟(a)在負載型磺酸或羧酸催化劑存在下，2-氯吡啶與過氧化氫進行反應，生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物，所述的負載型催化劑含有(和優選主要由以下成分組成)固載到有機基質或無機基質上的磺酸或羧酸部分，所述的反應在約50至約90(優選70-90)℃下，使用所述的過氧化氫與所述的2-氯吡啶的摩爾比為1∶1至4∶1進行；以及(b)為了在得到生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物的所需轉化率以後停止所述的反應，從所述的2-氯吡啶-N-氧化物中分離出所述的負載型催化劑。
在閱讀了本發明以下詳細的說明的基礎上，這些方面和其他一些方面將變得很清楚。
根據本發明，現已令人吃驚地發現，某些多相催化劑適用於用過氧化氫氧化吡啶類。希望的是，多相催化劑或者是固載到有機載體或無機載體上的催化劑，或者是對吡啶或取代吡啶所需的氧化起催化劑作用的不溶性組合物。在後一類型中，根據本發明的一個方面，現已發現，聚合物離子交換樹脂在所需的氧化反應中可用作多相催化劑或用作多相催化劑的載體。陰離子和陽離子交換樹脂都適用於本發明的方法。
特別有利的離子交換樹脂是在吡啶或滷代吡啶與過氧化氫反應生成N-氧化物衍生物中是有效的含有重複的羧酸和/或磺酸基團的陽離子交換樹脂。羧酸或磺酸基團適宜鍵聯(如共價連接)到基質上或在基質製備過程中加到樹脂中。最優選的是含有磺酸基團的基質。
另一方面，陰離子交換樹脂適合用作基質，以固載均相催化劑，例如鎢酸鹽、鉬酸鹽等。通過固載到基質上，這些均相催化劑變成不溶於反應介質的多相催化劑，以便根據本發明進行吡啶化合物的氧化。
含有磺酸基團作為插入部分的商業樹脂的例子包括那些以下商標商購的樹脂AMBERLYST XN-1010和AMBERLYST15(Rohm and Haas的商標)、NAFION NR-50(DuPont的商標)、IONAC CFP-110(Sybron的商標)。
適用的樹脂宜含有有機聚合物，例如聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、二乙烯基苯、氟化的烴類及其組合。
在廣義方面，用於本發明的負載型催化劑含有在載體上的催化劑或提供催化效果的載體。催化劑本身按「催化有效數量」使用，即足以使特定的吡啶化合物催化氧化成所需的N-氧化物的數量。載體可為任何適合結構例如小球、小條、大網狀片等的無機基質或有機基質。無機載體是特別優選的，因為這樣的載體不太可能對本發明進行的氧化反應有不良影響。
在選擇載體方面考慮的因素是可供性；價格；穩定性；官能化的難易；顆粒度；表面積；孔徑和孔體積。可找到適合品級的氧化鋁、炭、白土、玻璃、氧化矽和沸石，它們根據這些標準中的一些標準提供了可接受的性能。但是，由氧化鋁、氧化矽及其化學混合物組成的基質是最優選的，這是因為它們的熱穩定性和化學穩定性高，以及它們易於官能化。此外，有所需物理特性(粒度、表面積、孔徑和孔體積)的氧化鋁，特別是氧化矽是易於得到的。
可用於本發明方法的基質的宏觀形狀可有很大的變化。基質可以小球形狀或粉末形狀或其他相當的小顆粒使用。但是，使用共價鍵聯到小球形狀的不溶性無機基質上的催化劑通常是優選的，因為這樣就簡化了通過過濾和類似的技術除去固載的催化劑。適用的粒度為0.01mm或更小至6mm或更大。
催化劑以催化有效數量使用，也就是足以在所選的間歇、連續或半間歇反應條件下生成所需的N-氧化物的數量。例如，在間歇操作中，對於每摩爾滷代吡啶或吡啶反應物，宜使用約10至70克(按幹樹脂計)催化劑。適用的滷代吡啶為氯代-、溴代-、碘代-和氟代-吡啶，但氯代吡啶是優選的滷代吡啶。在連續的或半連續的操作中，宜根據具體工藝的經濟性和生產要求來選擇催化劑床層大小和反應物的流速。
本發明方法的反應宜在升溫下進行。所選的溫度宜足以高到使所需的氧化反應易於進行，但溫度必需低於過氧化氫反應物的分解溫度。反應溫度優選為約50至約90℃，更優選70-90℃。反應優選在酸性pH值下進行，pH值宜在1-7的範圍內，優選1-4。如果需要，反應也可在中性或鹼性pH值(pH值為7或更高)下進行，雖然這不是希望的，因為產品產率比酸性pH值下的要低。在鹼性pH值下，催化劑的磺酸基團轉化成磺酸鹽部分，而催化劑的羧酸基團轉化成羧酸鹽部分。
過氧化氫與吡啶反應物的摩爾比優選1∶1至4∶1，以便生產所需的N-氧化物。
本發明方法的反應提供了生成所需N-氧化物的極好選擇性。例如，當2-氯吡啶在本發明的催化劑存在下與過氧化氫水溶液反應時，主要數量的2-氯吡啶轉化成2-氯吡啶-N-氧化物，選擇性達到100％。例如，當含有AMBERLYST15催化劑的2-氯吡啶甲醇溶液在80℃下與過氧化氫水溶液反應時，36.3％的氯吡啶轉化成N-氧化物，其選擇性基本上為100％。
本發明的方法宜以間歇、連續或半連續方式進行。與現有技術的均相催化劑的方法相比，本發明的方法得到的好處如下(a)簡化了催化劑從反應混合物中的分離，(b)使催化劑的回收和重複使用更容易，以及(c)這些多相催化劑易於用於靜態反應體系和流動反應體系的靈活性。
通常希望含有催化劑載體的基質顆粒有相當大的表面積，用於官能化。這一表面積部分取決於基質顆粒的平均比孔體積，所以平均比孔體積也應相當大。適合的表面積為5m2/g或更小至600m2/g或更大，而孔體積為0.5cm3/g或更小至1.2cm3/g或更大。
載體的平均孔徑希望至少大到足以使反應物與基質上的催化活性中心之間容易緊密接觸，從而使生成的N-氧化物容易從催化活性中心離開，使活性中心再次用於反應。所以，通常更大的孔徑是優選的。雖然孔徑可在寬範圍內變化，但特別適合的孔徑為6-500nm(60-5000埃)。
以下的實施例用來說明本發明，但決不是對本發明範圍的限制。
實施例實施例1將12g氫型的IONACCFP-110催化劑(即一種用二乙烯基苯交聯的聚苯乙烯磺酸催化劑)裝入有10g甲醇和22.8g 2-氯吡啶的攪拌燒瓶中。在2.6h內將6％過量的50％過氧化氫水溶液加到燒瓶中，同時使燒瓶的溫度保持在80℃。過氧化氫加完後，加熱使燒瓶保持在80℃的反應溫度下，並將混合物在這一溫度下再攪拌22h。2-氯吡啶生成2-氯吡啶-N-氧化物的轉化率為33.8％，生成所需產物的選擇性基本上為100％。未反應的2-氯吡啶可用蒸餾法回收，並重複用於下一批料。
實施例2
用9g NAFIONTMNR50樹脂(即一種含有磺酸官能基團的全氟化的離子交換樹脂)作為催化劑，重複實施例1。這種樹脂是由DuPont生產的全氟化磺酸。氯吡啶生成N-氧化物的轉化率為22.4％，有幾乎100％的選擇性。
實施例3用12gAMBERSEP200H樹脂(即一種用二乙烯基苯交聯的聚苯乙烯磺酸催化劑)作為催化劑，重複實施例1。這種樹脂為Rohmand Haas生產的強酸性陽離子交換樹脂。氯吡啶生成所需的N-氧化物的轉化率為34.3％，生成所需產物的選擇性基本上為100％。
實施例4在這一實施例中，季銨陰離子交換樹脂用作鎢酸鹽離子的多相催化劑載體。氯化物形式的AMBERLITEIR-410(即一種含有季銨官能基因的陰離子交換樹脂)(Rohm and Haas生產的)與等摩爾鎢酸鈉和鎢酸的混合物水溶液接觸，以便用氫鎢酸鹽離子交換樹脂上的氯化物離子。將如此處理的Amberlite樹脂從含鎢酸鹽的溶液中過濾出來，並用水洗滌兩次。溼樹脂球的鎢含量為17.8％。如上述實施例中那樣，然後將這種樹脂與2-氯吡啶的甲醇溶液接觸，最後與過氧化氫接觸。過濾出樹脂後，液相含有45ppm溶解的鎢，這表明鎢酸鹽離子留在AMBERLITE催化劑載體上，還表明，如所希望的，催化劑起多相催化劑作用。然後將這一催化劑與用0.03摩爾磷酸酸化的0.402摩爾2-氯吡啶水溶液接觸，隨後在80℃下、在2h內加入0.539摩爾50％過氧化氫水溶液。將混合物在這一溫度下再反應5h。大約12％的2-氯吡啶轉化成所需的N-氧化物，這一產物的選擇性基本上為100％。
實施例5-在鹼性pH值下的氧化使用相同的反應物和反應設備重複上述實施例1的步驟，不同的是在加入過氧化氫以前，催化劑的所有磺酸部分用氫氧化鈉中和，轉化成磺酸鹽部分。反應22h後，氯代吡啶生成相應的N-氧化物的轉化率為2％，最後的pH值為4.0。
雖然已參考具體的實施方案描述了本發明，顯然在不違背這裡所公開的本發明的實質的條件下，可在材料、部件置設和步驟方面作出許多改變、改進和變通方案。因此，打算用附後的權利要求書的實質和寬範圍包括熟悉本專業的技術人員閱讀公開內容後可作出的所有改變、改進和變通方案。
權利要求
1．一種製備吡啶或滷代吡啶的N-氧化物的方法，所述方法的特徵為，所述吡啶或所述滷代吡啶和過氧化氫的反應混合物在升溫下，在催化有效數量的多相催化劑存在下進行反應，生成所述的2-滷代吡啶-N-氧化物或吡啶-N-氧化物，所述的多相催化劑不溶於所述的反應物中。
2．根據權利要求1的方法，其特徵在於所述的催化劑含有許多官能基團，它們使每克基質足以提供約0.01至約10毫當量催化活性中心。
3．根據權利要求1的方法，其特徵在於按幹基重計，在所述的反應混合物中，每摩爾所述的滷代吡啶或所述的吡啶使用所述的催化劑用量為約10至約70克。
4．根據權利要求1的方法，其特徵在於所述的催化劑含固載到無機載體上的催化活性部分，無機載體選自氧化鋁、炭、白土、玻璃、氧化矽和沸石及其組合。
5．根據權利要求1的方法，其特徵在於所述的催化劑含有固載到有機樹脂上的催化活性部分。
6．根據權利要求5的方法，其特徵在於所述的有機樹脂選自聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、二乙烯基苯、氟化的烴類及其組合。
7．一種用於吡啶或取代吡啶化合物氧化製備其N-氧化物的方法，其特徵在於所述的吡啶或取代吡啶與過氧化氫在負載型磺酸或羧酸催化劑存在下進行反應，生成所述的N-氧化物，所述的負載型催化劑含有固載到有機基質或無機基質上的磺酸或羧酸部分，所述的反應在約50至約90℃的溫度下，用所述過氧化氫與所述吡啶或取代吡啶的摩爾比為1∶1至4∶1進行。
8．根據權利要求7的方法，其特徵在於所述的負載型催化劑含有許多官能基團，它們使每克基質足以提供約0.01至約10毫當量催化活性中心。
9．一種生產2-氯吡啶-N-氧化物的方法，其特徵在於2-氯吡啶與過氧化氫在負載型磺酸或羧酸催化劑存在下進行反應，生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物，所述的負載型催化劑含有固載到有機基質或無機基質上的磺酸或羧酸部分，所述的反應在約50至約90℃的溫度下，用所述過氧化氫與所述吡啶或取代吡啶的摩爾比為1∶1至4∶1進行。
10．一種生產2-氯吡啶-N-氧化物的方法，其特徵在於，它有以下步驟(a)2-氯吡啶與過氧化氫在負載型磺酸或羧酸催化劑存在下進行反應，生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物，所述的負載型催化劑含有固載到有機基質或無機基質上的磺酸或羧酸部分，所述的反應在約50至約90℃的溫度下，用所述過氧化氫與所述2-氯吡啶的摩爾比為1∶1至4∶1進行，以及(b)生成所述2-氯吡啶-N-氧化物達到所需轉化率後，從所述的2-氯吡啶-N-氧化物中分出所述的負載型催化劑，以便使所述的反應停止。
全文摘要
一種製備吡啶或滷代吡啶的N－氧化物的方法,所述的方法包括所述的吡啶或所述的滷代吡啶和過氧化氫的反應混合物在升溫下,在催化有效數量的多相催化劑存在下進行反應,生成所述的2－滷代吡啶－N－氧化物或吡啶－N－氧化物,所述的多相催化劑不溶於所述的反應物。
文檔編號C07B61/00GK1214680SQ97193383
公開日1999年4月21日 申請日期1997年3月19日 優先權日1996年3月29日
發明者H·W·施艾斯勒, S·A·馬恩克 申請人:奧林公司