2_3_二甲基吡嗪合成工艺的改进

( 2) 溶剂用量 固定丁二酮与乙二胺投料配比( 摩尔比) 为 1∶1. 05, 缩合反应温度为- 5± 2℃, 考察了溶剂乙醇的用量对反应的影响, 结果见表 2。
表 2 溶剂用量对缩合反应的影响
丁二酮∶乙醇 (V/V)
1∶4 1∶6 1∶8
加料时间 丁二酮 转化率 Ⅱ的产率
( min)
( %)
CH3CO CO CH3 + H2 N CH2CH2N H 2
- H 2O 缩合
H3C N H3C N
Ⅱ
- H2 H 3C N H 3C N Ⅰ
实 验 部分
1. 原料和试剂 丁 二酮, 上海 日用 香精 厂产, 工 业品, 含 量 80% ; DHKM 型脱 氢剂, 主 要成 分为 M nO2 和 KOH, 自制; DH KC 型脱氢剂, 主要成分为 CuO 和 NaOH, 自制; 其他原料均为化学纯。 2. 2, 3-二甲基吡嗪的合成 在配有温度计、滴液漏斗和回流冷凝管的 2L 三口反应瓶中, 加入含乙二胺 63g( 1. 05m ol) 的乙 醇溶液, 将反应瓶置低温浴液( 95% 乙醇) 中, 冷却至给定温度, 在搅拌下加入含丁二酮 108g ( 1. 0 mol ) 的 200mL 乙醇溶液, 加料期间保持反应温度在一定范围内( ±2℃) 。加料完毕, 移去低温浴液, 室温下搅拌至澄清透明, 得亮黄色液体。再加入 324g 脱氢剂, 水浴加热, 在回流温度和搅拌下反应,
3. 优化条件下的产物合成 综上所 述, 以丁二酮 和乙二胺为原 料, 液相法 合成 2, 3-二甲 基吡嗪的 优化操 作条件是: 以 DHKM -12 为脱氢剂, 丁二酮∶乙二胺( 摩尔比) = 1∶1. 05, 丁二酮∶无水乙醇( 体积比) = 1∶10, 缩合温度约- 5℃, 脱氢温度 80～85℃, 缩合反应和脱氢反应时间各 1～2h。在此条件下合成 2, 3-
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合成化学( HECHENG HUAXUE) 第 5 卷第 2 期( 1997)
二甲基吡嗪的结果列表 5。
表 5 优化条件下的产物合成结果( 脱氢时间为 1h )
序号
1 2 3
缩合温度 加料时间
( ℃)
( min)
- 2～- 6 72 - 3～- 5 65 - 4～- 7 70
产率 ( %)
表 4 KOH 用量对脱氢反应的影响
K O H 用量 ( mo l/ mol)
1∶1 1∶1 2∶1
反应时间 ( h)
1 2 1
脱氢转化率 脱 氢选择性 K OH 用量
(%)
( %)
( mol/ mo l)
38. 0 42. 7 74. 3
72. 6 73. 3 79. 6
3∶1 4∶1
反应时间 ( h) 1 1
脱氢剂
脱氢转化率( % ) 脱氢选择性( % )
1h
2h
1h
2h
脱氢剂
KOH P d/ C ZnO M nO 2 C uO
38. 0 1. 1 44. 3 54. 5 36. 8
42. 7 25. 3 48. 9 72. 3 53. 2
72. 6 67. 0 45. 2 74. 6 74. 6
73. 3 47. 0 36. 9 80. 9 80. 9
表 1 温度对缩合反应的影响
加料时间 丁二酮转化率 Ⅱ的产率
( min)
(%)
( %)
70
98. 7
79. 0
66
97. 2
76. 8
65
96. 8
73. 6
反应温度 ( ℃)
0 +5 + 10
加料时间 丁二 酮转化率 Ⅱ的产率
( min)
(%)
(%)
60
95. 4
64. 9
70
98. 5
53. 2
脱氢转化率 脱氢选择性
(%)
(%)
76. 9 76. 8
80. 9 81. 2
在所考察的各类脱氢剂中, DHKM 和 DHKC 型脱氢剂表现出良好的选择性, 能使 2, 3-二甲基 -5, 6-二氢吡嗪的脱氢反应完全。尤其是 DHKM -12 催化剂, 脱氢活性特别高, 反应 1 小时, 脱氢转 化率达 100% , 2, 3-二甲基吡嗪选择性达到 88% 左右, 多次重复实验结果表明, 该脱氢剂的活性是 稳定的。
91. 7 100 57. 6 64. 5
85. 7 93. 3 55. 7 56. 8
实验结果表明, 不同脱氢剂的活性差别很大, 单一成分的金属氧化物, 如氧化铜、二氧化锰、氧 化锌等, 其脱氢活性均不很高。对醇类、环烷烃等脱氢活性较高的 Pd/ C, 在 2, 3-二甲基-5, 6-二氢吡 嗪的脱氢芳构化反应中表现出很差的活性, 反应 2 小时, 转化率只有 25. 3% , 选择性仅 47. 0% 。这 可能是由于含氮化合物对 P d 的毒化作用所致。KOH 的脱氢活性也比较低, 但选择性比较好( 在 70% 以上) 。实验中还发现, 适当加大 KOH 的用量, 可使脱氢转化率显著增大, 且 2, 3-二甲基吡嗪 的选择性亦增加( 见表 4) , 但当 KOH 用量达 3∶1 后, 再增加用量, 既使延长反应时间, 脱氢转化率 和选择性均无明显增加。
合成化学( HECHEN G HUAXUE) 第 5 卷第 2 期( 1997)
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料配比从 1∶4 变为 1∶10 时, 产物Ⅱ的产率从 63. 0% 增加到 73. 6% 。由于丁二酮与乙二胺的缩合 反应是一放热过程, 因此, 加大溶剂用量可减少丁二酮与乙二胺发生缩聚副反应; 而且增加溶剂用 量, 有利于移去反应热, 避免反应体系局部过热, 并可减少聚合副反应的发生。综合考虑各方面的因 素, 我们认为, 选择反应物与溶剂乙醇的投料配比以 1∶10 为宜。
1. 影响缩合反应的因素 ( 1) 反应温度 固定丁二酮与乙二胺的投料配比( 摩尔比) 为 1∶1. 05, 丁二酮与乙醇投料配 比( 体积比) 为 1∶10, 在不同温度下由丁二酮与乙二胺缩合成 2, 3-二甲基-5, 6-二氢吡嗪的实验结 果列于表 1。
反应温度 ( ℃)
- 15 - 10 -5
DHK M -21 DHK M -12 DHK M -11 DHK C-12 DHK C-11
* 脱氢剂∶丁二酮= 3∶1( 摩尔比) , Pd/ C∶丁二酮= 1∶3( 摩尔比)
脱氢转化率( % ) 脱氢选择性( % )
1h
2h
1h
2h
10 0
-
88. 0
-
10 0
-
88. 4
-
86. 3 94. 8 68. 0 60. 2
65
96. 6
39. 2
表 1 结果表明, 丁二酮与乙二胺缩合成( Ⅱ) 的反应速率很快, 温度对其影响不明显, 反应温度 在- 15～+ 10℃范围内, 反应 60～70 分钟时, 丁二酮转化率均在 95% 以上。中间体( Ⅱ) 的产率随 缩合反应温度的升高而不断减少, 当反应温度在 0℃以下时, 随反应温度的降低, Ⅱ的产率略有增 加, 但增加幅度不大; 而当反应温度升至 0℃以上时, 温度对缩合反应的影响就十分显著, 随着反应 温度的升高, Ⅱ的产率迅速减少, 在+ 10℃反应时, 产率只有 40% 。我们认为, 缩合反应温度越高, 丁二酮与乙二胺的缩聚副反应增加, 且中间体( Ⅱ) 的聚合副反应也增加, 致使产率降低。因此, 适当 降低缩合反应的温度, 将有利于提高缩合产物( Ⅱ) 的产率。控制缩合反应温度在～- 5℃左右, 可保 证中间体( Ⅱ) 的产率在 70% 以上。
关键词 2, 3-二甲基吡嗪 合成 缩合反应 脱氢反应 乙二胺 丁二酮
烷基吡嗪类化合物是重要的新型食用香料[ 1] , 存在于许多天然食品中[ 2] 。已广泛地用于饮料、 糖果、乳制品、肉类制品、烘烤食品、调味品以及烟草制品的加工[ 3, 4] 。国标 G B 2760-86 中规定 2, 3二甲基吡嗪( Ⅰ) 为允许使用的食用香料, 主要用于配制肉类、果仁、巧克力、咖啡、奶油和烟草香 精[ 4] 。工业上生产食用香料 2, 3-二甲基吡嗪主要有 2, 3-丁二醇路线[ 5, 6] 和丁二酮路线[ 7～10] 。前者是 气相法, 反应温度较高( 300～500℃) , 设备投资大, 且原料 2, 3-丁二醇大多依赖进口。丁二酮路线 是合成 2, 3-二甲基吡嗪的经典方法, 一般采用二步法生产[ 7～10] , 即先由丁二酮和乙二胺在低温下 缩合成 2, 3-二甲基-5, 6-二氢吡嗪, 然后在醇碱溶液中进行液相脱氢。该法的产率不高, 且中间体分 离繁锁。黄小风等[ 11] 曾报道液相一步法合成工艺, 但氢氧化钾和脱氢氧化剂的用量大( 分别为丁二 酮投料摩尔量的 4 倍和 2 倍) , 且生产周期仍较长, 仅脱氢反应就需 7～18 小时。我们在前人工作的 基础上, 改进了传统的二步法工艺, 使二步反应在同一反应器中进行, 简化了操作手续, 缩短了反应 时间, 减少了设备和原材料消耗, 为工业生产提供了一条可行的途径。合成路线如下:
合成化学( HECHEN G HUAXUE) 第 5 卷第 2 期( 1997)
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2, 3-二甲基吡嗪合成工艺的改进
李谦和 尹笃林ຫໍສະໝຸດ Baidu伏再辉
( 湖南师范大学精细催化合成研究所, 长沙, 410081)
摘要 报道了 以丁二酮和乙二胺为 原料, 对液 相合成 2, 3-二甲基吡 嗪的方法进行了改进 。考 察了 反应温度、溶 剂用量和脱氢剂等对 反应的影响, 确定了合成 2, 3-二 甲基吡嗪的优化条件 为: 丁二酮 ∶乙 二胺( 摩尔比) = 1∶1. 05; 丁二酮∶溶剂 无水乙醇( 体积比) = 1∶10; 缩合反应 温度: - 5℃, 时间: 1h; 脱 氢剂: DHK M -12, 脱氢温度: 80～85℃, 时间: 1h。2, 3-二甲基吡嗪的 产率按投料丁二酮计达 65% 。
64. 7 65. 0 66. 0
纯度 (%)
99. 6 99. 5 99. 2
序号
4 5
缩合温度 加料时间
( ℃)
( min)
- 2～- 5 80 - 3～- 6 75
产率 (%)
64. 2 65. 1
纯度 (%)
99. 7 99. 3
表 5 表明, 在优化条件下, 合成 2, 3-二甲基吡嗪的平均产率为 65% , 产品纯度达 99% 以上。 4. 产物的 IR 和1H NMR 分析 对优化条件下合成的 2, 3-二甲基吡嗪产品进行红外光谱( IR) 分析和核磁共振谱分析, 结果 为: IR ( max , cm- 1) : 3049, 2994, 2953, 2924, 2859, 1537, 1445, 1427, 1402, 1373, 1314, 1250, 1202, 1169, 1080, 1015, 988, 970, 882, 847, 719。1H NM R( CDCl3, ppm ) : 8. 12( 2H , s, 吡嗪环) , 2. 48( 6H, s , CH 3) 。以上结果与文献[ 12] 相符。
( %)
80
97. 0
63. 0
85
98. 2
66. 8
70
97. 6
72. 7
丁二酮∶乙醇 (V/ V)
1∶1 0 1∶1 5
加料时间 丁二酮转化率 Ⅱ的产率
( min)
(%)
(%)
68
96. 8
73. 6
65
95. 7
73. 5
从表 2 结果可以看出, 随着溶剂用量的增加, 缩合产物的产率逐渐增加。当反应物与溶剂的投
2. 影响脱氢反应的因素 2, 3-二甲基-5, 6-二氢吡嗪的脱氢芳构化是一个吸热反应, 从热力学上分析, 如果采用氧化脱 氢法, 即可使该步反应成为放热过程, 从而在较低的温度下实现二氢吡嗪的脱氢芳构化。我们选用 了一些脱氢剂, 对其脱氢活性进行了考察, 结果列于表 3。
表 3 脱氢剂对脱氢 反应的影响
1996 年 1 月 8 日收到, 1996 年 3 月 6 日修回。
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合成化学( HECHENG HUAXUE) 第 5 卷第 2 期( 1997)
定时取样进行气相色谱分析, 监测反应进行程度。反应结束后, 将反应液冷却、过滤除去固体, 滤液 经常压蒸馏回收溶剂后, 余液用稀盐酸中和至 pH 为 8～9, 用三氯甲烷萃取( 4×100m L ) , 合并萃取 液, 用无水硫酸镁干燥, 先常压蒸馏回收萃取剂, 再减压精馏, 收集 75～78℃/ 6. 66kPa 的馏分。
3. 分析测试 用 P E-783 型红外光谱仪和日立 R-24B 型核磁共振仪分析产品的结构。原料、中间体和产物的 组成用上海分析仪器厂产 1102 型气相色谱仪分析, OV-101 石英毛细管柱( 30m ×0. 25mm ID) , FID 检测器, 以 N 2 为载气, 柱温 140℃。
结 果与 讨论