异烟酸的合成及其应用研究【文献综述】

毕业论文文献综述

化学工程与工艺

异烟酸的合成及其应用研究

一．前言部分

据报道，目前约有占世界1/3的的人口感染过结核菌，全世界现有结核病人约有2000万，每年新发病800万至1000万人，且新发病例呈明显的上升趋势；每年约300万人死于结核病，超过了艾滋病，疟疾，腹泻等传染病死亡人数的综合，因此结核是威胁公共健康的最主要疾病之一[1]。异烟酸又名4-吡啶羧酸，是合成一线抗结核药物异烟肼（又称雷米封）的重要有机中间体，也可用于合成特非那丁、异烟肼甲烷磺酸钠、异烟腺、乙异烟胺、丙硫烟胺、异烟酰腙、酯等衍生物，其市场前景十分广阔。

异烟酸也称4-吡啶甲酸，是一种白色针状结晶性粉末、无味，在319摄氏度的时候会融化。它溶于热水，微溶于冷水。几乎不溶于苯、醚等。

它是一种两性化合物，既溶于酸，也溶于碱，与酸反应生成吡啶盐，与碱反应生成羧酸盐。吡啶羧酸在水溶液中都以内盐，即以两性离子的形式存在。在20℃时，其饱和水溶液的pH值为3.6。

二．正文部分

异烟酸的制备方法较多，根据所涉及的化学反应，主要可分为氧化法和水解法等；根据所用原料的差异可分为以聚4-吡啶乙烯、4-羟甲基吡啶、4-醛基吡啶、4-甲基吡啶和4-吡啶羧酸酯等为起始原料的合成方法。其中氧化4-甲基吡啶制备异烟酸是常用方法之一，这是由于芳烃侧链a碳上的氢受芳环的影响比较活泼，容易被氧化。但是，由于4一甲基吡啶不仅可以氧化成羧酸，还可氧化成醇、醛等含氧有机化合物，甚至深度氧化为二氧化碳等，此外吡啶环上的氮原子也易被氧化成氮氧化物，这就使得目标产物的选择性较低。

1 水解法

据MethCohn等[2]报道，4一腈基吡啶可在水合酶的作用下首先生成4．吡啶酰胺，然后在酰胺水解酶的作用下，4一吡啶酰胺再水解即可得异烟酸(如下所示)。研究结果显示，4．腈基吡啶在水合酶的作用下可得收率为59％的4．吡啶酰胺(反应时间为2 h)，但是4．吡啶酰胺则需经3 d才能水解为异烟酸，且收率仅为50％。由于此方法所用的催化剂为来源不广泛

的酶，且反应步骤较为繁琐(需两步)、反应时间长、总收率亦较低(仅为30％左右)，因此其实际应用受到了极大的限制。

据文献[3]报道，4一吡啶羧酸酯可水解得异烟酸。Sharma等[4]以CH3cN为溶剂，Z曲或ZrCLt ／NaI(1：1)为催化剂，水解4一吡啶羧酸酯得异烟酸(合成路线如下)。研究结果表明：当R=R1时，所用催化剂为ZrCh／NaI(1：1)，回流1—2 h得收率高达90％的目标产物；当R=R2时，所用催化剂为ZrCh，在室温下反应90 min可得收率为67％的异烟酸。Morwick等¨2 J采用季铵盐型树脂Amberlyst A．26(OH一形式)室温水解4．吡啶甲酸乙酯，得到最高收率为93％的目标产物。尽管以上方法目标产物的收率较高，反应条件较为温和，但是原料来源困难、催化剂制备也比较复杂，不符合目前可持续发展的要求

2 氧化法

当今工业合成中约占50%的关键步骤是氧化反应过程，而氧化反应过程中90%以上是催化氧化过程，特别是碳氢化合物的选择性氧化时有机化工和石油化工中重要的一类反应。氧化反应又可分为电氧化和化学氧化。

2.1 电氧化法

电氧化法合成法具有投资少、成本低、产品质量好等其他工艺路线所无法比拟的优点，成为各国竞相研究的主要方向。

乔庆东等[5]以Ti／PbO，为阳极、金属cu或Ni为阴极、在以阳离子交换膜为隔膜的H型电解槽中、以硫酸水溶液为介质、电解电流密度为60mAcm2，于60℃直接电氧化4一甲基吡啶，可得收率为64．6％的异烟酸。王留成等[6]以Ti／Pb02为阳极、Pb为阴极、硫酸溶液为电解质、在阳离子交换膜为隔膜的H型电解槽中通电量18．65 A·h、电解电流密度60 mA／cm2，于60℃直接电氧化4-甲基吡啶，可得平均收率高达92.2％的异烟酸。吴枫等分别以Pb02或为Pt为阳极，直接电氧化4-甲基吡啶，可得收率为85％一94％的异烟酸

2.2化学氧化法

Partenheimer等[7]以聚4-吡啶乙烯为原料，92％的乙酸水溶液为溶剂，Co／Mn／Zr／Br 为催化剂，空气为氧化剂(压力为0．7 MPa)，于180℃反应2 h，即可得收率为65％的异烟酸；氧化醇制备羧酸的工艺在当今精细化学品的生产过程中占有举足轻莺的地位，因此对氧化醇制备羧酸的研究显得尤为重要。据Korovchenko等报道，以4-羟甲基吡啶为原料，水为溶剂，碳负载的铂为催化剂，1．0 MPa的空气为氧化剂，于100 oC反应即可得目标产物。其中，4-羟甲基吡啶的转化率高达99％以上，异烟酸的选择性也在99％以上众所周知，醛极易进一步氧化生成相应的羧酸，但是一般而言，醛的价格要高于相应的羧酸，所以氧化醛制备羧酸的

方法工业意义不大，但仍有一定的科研价值。Balicki等以4-醛基吡啶为原料，过氧化脲(UHP)为氧化剂，在甲酸溶液中，于室温搅拌15 h，即可得收率为9l％的异烟酸

氧气是清洁且廉价易得的氧化剂，尽管其基态为三重态(302)不易与烃类化合物反应，但选择合适的催化剂，可以活化氧分子形成的单重态氧，而单重态氧能够和单重态的普通烃类化合物相结合，以氧化惰性的碳氢键，因此以氧气／空气为氧化剂，直接氧化4-甲基吡啶制备异烟酸的方法引起了国内外学者的广泛关注。杨高军等L24J在水存在的条件下，以V—Ti—O为催化剂，以空气为氧化剂，于310℃直接氧化4-甲基吡啶，即可得收率高达82％的异烟酸。Takehira等研究表明：在水的存在下，以4-甲基吡啶为原料，CrV0.95P0.05O4为催化剂，空气为氧化剂，于320℃下反应，即可得收率为84．3％的异烟酸，其中4-甲基吡啶的转化率高达98．7％。

三.应用研究

2.1异烟酸在碱性溶液中金电极上的现场表面增强振动光谱研究.

有机分子在金属表面上吸附构型的调控是构建分子电路的必要环节，而构型解析又是构型调控的基础；金属电极上吸附分子构型解析，是表面电化学中的一项重要研究内容．表面光谱技术是上述构型解析的有力手段．异烟酸(即4一羧基吡啶，INA)在不同pH值水溶液中可以不同离子形式存在，从而可提供三种可能与金属表面作用的吸附端：羧酸根、吡啶N原子和芳香环兀键。因此INA是研究金属电极表面吸附构型的理想模型分子．表面增强拉曼光谱(SERS)已用于研究INA在Ag电极表面吸附构型，有关pH值和支持电解质的影响尚存在争论．Barthelmes等【8】认为在非特性吸附的含sO：一溶液中，INA采取平面排列，不受pH和电位影响：在含特性吸附的Cl一的pH 10溶液中，由于吸附C1．而带负电的电极表面与羧酸根之间的排斥作用，使INA阴离子0NA一)以氮原予垂直吸附于Ag电极表面．Fang等【9．10】认为在pH=5的含Cr溶液中，在较高电位下。INA通过羧酸根垂直吸附在电极表面，而在较低电位下INA采取平躺吸附模式．

在Au电极表面异烟酸的吸附未见SERS研究报道．Tokuda等【11】利用外反射红外吸收光谱(mAS)，研究了pH 1的HCl0。溶液中吸附，认为随着电极电位增加，异烟酸在Au电极上的吸附取向从平躺转为垂直，并以羧酸根参与电极表面成键．

2.2异烟酸在过度金属及稀土金属配位聚合物的水热合成中的应用

利用水热合成法以异烟酸和烟酸做配体，合成了三种含有单纯过渡金属的配合物【Zn3Cu2(IN)8】(HIN=异烟酸) (1)、(C6H4N02)2】n(2)、CuCI(C6H5N02)】(3)。化合物(1)是一