1、 本科 毕业设计 （ 20 届） 3-氨基异烟酸的合成 所在学院 专业班级 化学工程与工艺 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘要 : 3-氨基异烟酸是一种重要的化工中间体。本文研究了以异喹啉为起始原料，经氧化开环生成 3,4-吡啶二甲酸，然后在乙酸酐作用下分子内脱水得到 3， 4-吡啶二甲酰亚胺，最后经霍夫曼降解生成目标产物 3-氨基异烟酸，总收率 为 52.67%，并对目标产物进行了熔点和核磁氢谱表征。 关键词 : 3-氨基异烟酸 ； 合成 ； 霍夫曼降解 II Abstract: 3-aminoisonicotinic acid is an kind of impor
2、tant chemical intermediates. In this paper 3-aminoisonicotinic acid was synthesized from isoquinoline as raw material, through an xidative cleavage of isoquinoline to attain pyridine-3,4-dicarboxylic acid, then intramolecular dehydration under the action of acetic anhydride reduction to attain 3,4-P
3、yridinedicarbimide, finally Hofmann degradation to generate the target product , the total yield was 52.67%. In addition, its structures has been determined by melt point and 1HNMR data. Key words: 3 - Aminoisonicotinic acid; Synthesis; Hofmann degradation 目 录 摘要 .I Abstract:. .I 1 绪论 . 1 1.1 异烟酸的合成
4、及其研究 .1 1.1.1 异烟酸的制备方法 .1 1.1.2 应用研究 .3 1.2 3-氨基异烟酸的结构及特点 .4 1.3 本文课题的提出及研究方法 . 4 1.3.1.课题研究内容 . 4 1.3.2 合成路线的选择 . 4 1.3.3 合成路线 的 难点 . 5 2 实验部分 . 6 2.1 试剂、药品与仪器 .6 2.1.1 试剂、药品 .6 2.1.1 仪器 .6 2.2 对比反应 .7 2.3 正式反应 .9 2.3.1 第一步 . 9 2.3.2 第二步 . 10 2.3.3 第三步 . 11 3 结果与分析 . 12 3.1 实验结果： . 12 3.2 高效液相色谱分析
5、. 12 3.3 核磁共振波普分 析 .13 4 总结与展望 . 14 4 1 结论 . 14 4 2 展望 . 14 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 15 1 1 绪论 1.1 异烟酸 的合成 及其应用研究 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-吡啶甲酸，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
6、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。 1.1.1异烟酸的制备方法 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
7、 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
8、 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 ZrCLtNaI(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，2 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
9、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。 A：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
10、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 B：
11、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
12、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3 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 VTiO为催化剂，以
13、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。 1.1.2 应用研究 （ 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
14、， 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 【
15、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）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)、 (C6H4N
16、02)2】 n(2)、 CuCI(C6H5N02)】 (3)。化合物 (1)是一个三维骨架结构的含有混合金属 Zn Cu的配合物，它含有一个由 Zn、 Cu+和配体 IN形成的沿 b轴的螺旋链 -Zn(Cu)-IN-n，化合物 (1)在固体状态下发出强的蓝光。化合物 (2)是由 C02+阳离子和烟酸阴离子构成的一个手性的二维层，而且 C02+位于二重旋转轴上且与两个 N原子和来自于两个羧基的四个 O配位，每个烟酸阴离子连接两个 Co”。化合物 (3)是一个沿 b轴方向延伸的聚合一维链， Cu原子四配4 位，连接三个 C1原子和一个配体异烟酸的 N原子， Cu原子和 Cl原子在一个镜面上，每一个
17、 Cu2C12环都是中心对称的。羧基通过 OHO在 I， 0， 1方向上连接成二维层状结构。 （ 3）异烟酸的综合应用 异烟酸与吡唑啉酮组成异烟酸 -吡唑啉酮分光光度法。其原理为在中性介质中，于 50摄氏度条件下，样品中硫氰酸根与氯胺 T反应生成氯化氰，再与异烟酸作用经水解后生成戊烯二醛，最后与吡唑啉酮缩合成蓝色染料，在 638nm坡长处进行分光广度测定。 CN-异烟酸 -硫代巴比妥酸 -CTMAB 显色体系 ： 在弱酸性介质中 ,有溴化十六烷基 三 甲铵(CTMAB)存在条件下 ,CN-与异烟酸 -硫代巴比妥酸形成一蓝色化合物 ,其最大吸收波长 (max)位于 646 nm,表观摩尔吸光系数
18、 646=4.67104Lmol-1cm-1,且其吸光度 A与氰化物含量在一定的范围内 呈良好的线性关系 .据此 ,建立了测定生活饮用水中微量氰化物的 CTMAB-异烟酸 -硫代巴比妥酸显色光度法 .本法氰化物含量在 0 4.0g/10.0 mL 范围内符合比耳定律 ,用于生活饮用水中微量氰化物的测定 ， 结果令人满意 . 1.2 3-氨基异烟酸 的结构与特点 1.2.1 3-氨基异烟酸的简介 3-氨基异烟酸也称为 3-氨基吡啶 -4-甲酸，是一种重要的中间体，广泛应用于医药和农药合成中。 1.2.2 3-氨基异烟酸的结构 其结构式如下 NCOOHNH2其外观为类白色或浅棕色固体，分子量为：
19、138.12。熔点在 287-291C 之间。 1.3 本文课题的提出及研究方法 1.3.1.课题研究内容 探索 3-氨基异烟酸工业合成方法 1.3.2 实验路线的选择 方案一： 5 NNB rNC O O HB rNC O O HN H 2B r 2 K M n O 4 N H 3 H 2O1 5 0 缺点： 1）该方案中第一步产率比较低，第一步收率仅为 50%； 2）第二步反应高锰酸钾需要缓慢加入，防止冲料； 3）第三步反应需要用到高压釜，成本过高 。 方案二 ： 此方案中也比较容易产生副产物，但易于控制。而且避免了高压釜，适当的降低了生产成本。 所以应该选 择方案二 1.3.3 路线的难
20、点 1） 从异喹啉到 3， 4-吡啶二羧酸需要的温度比较高，不容易扩大生产。 2） 第三步的时候容易产生副产物需要重点控制反应温度、时间等。 6 2 实验部分 2.1 试剂、药品和仪器 2.1.1试剂与药品 表 2-1实验中所用到的试剂与药品 名称 状态 来源 氢氧化钠 A.R(S) 上海贺宏化工有限公司 溴 A.R(L) 上海金茂泰化工优先公司 乙酰胺 A.R(S) 江苏强盛功能化学股份有限公司 硒粉 A.R(S) 南京鹏发法功实业有限公司 浓硫酸 A.R(L) 沈阳市民联化工有限公司 发烟硝酸 A.R(L) 郑州浩田化学试剂有限公费生 醋酐 A.R(L) 昆山市亚龙贸易有限公司 异喹啉 A.R(S) 衢州明峰化工有限公司 2.1.2仪器 表 2-2实验中所用到的仪器 名称 规格 来源 电子天平 0-6008 上海精密科学仪器有限公司 四口玻璃瓶 3L、 10L 上海雅东玻璃制品有限公司 加热套 DRT-TW 郑州长城科工贸有限公司 冷凝管 球形 上海禾汽化工科技有限公司 温度计 -50-50； 50-300 江苏苏科仪表有限公司 恒压滴液漏斗 AF-14 杭州凯弗克斯实验室设备有限公司 过滤瓶 上海雅东玻璃制品有限公司 循环水式真空泵 SHZ-D 上海道京仪器有限公司 烧杯 3L 上海雅东玻璃制品有限公司 量筒 上海雅东玻璃制品有限公司
