吡啶及其衍生物的氧化的制作方法

专利名称：吡啶及其衍生物的氧化的制作方法
一般来说，本发明涉及吡啶及其衍生物的氧化；更具体地说，本发明涉及吡啶和卤代吡啶用负载型或非负载型多相催化剂(即基本上不溶于反应介质的催化剂)氧化生产相应的N-氧化物。
由2-氯吡啶生产2-氯吡啶-N-氧化物的某些方法是大家熟悉的。现有技术说明性的方法涉及在均相催化剂例如钨酸盐、钼酸盐等存在下用过氧化氢氧化2-氯吡啶。作为另一说明性例子，US3047579公开了用于制备以下产物的可溶性过氧化羧酸催化剂包括卤代吡啶N-氧化物在内的叔有机碱的N-氧化物。
均相催化剂用于2-氯吡啶和其他吡啶化合物的氧化伴有这一缺点催化剂必须从产物流中除去，然后再以可重复利用的形式回收。为了达到这一回收和重复利用，需要许多步骤，例如催化剂沉淀，从滤液中分出沉淀的过滤，然后将沉淀物再转化回到原有的催化形式。这些步骤大大增加了生产所需的2-氯吡啶-N-氧化物产品的费用。
其他一些费用以及方法复杂性的增加使得在均匀体系中使用可溶性催化剂甚至更加不利。例如，在这样的体系中，通常使用猝灭剂来使反应停止。可溶性催化剂和猝灭剂之间的反应通常生成不溶性产物，然后通常使用助滤剂，用过滤的方法将不溶性产物除去。
遗憾的是，猝灭剂和/或助滤剂的使用使得不希望的杂质带入所希望的2-氯吡啶-N-氧化物产物中的可能性增加。因此，不使用均相催化剂体系生产2-氯吡啶-N-氧化物的新方法不用猝灭剂，不用助滤剂以及使用比现有技术使用可溶性催化剂的方法要少的工艺步骤是十分希望的，例如对于农药中间体制造部门。本发明提供了这样一种方法。
一方面，本发明涉及一种制备吡啶或卤代吡啶的N-氧化物的方法，所述的方法包括所述的吡啶或所述的卤代吡啶和过氧化氢的反应混合物在升温下，在催化数量的多相催化剂存在下进行反应，生成所述的2-卤代吡啶-N-氧化物或吡啶-N-氧化物，所述的多相催化剂不溶于所述的反应物。
另一方面，本发明涉及一种使吡啶或取代吡啶化合物氧化生产其N-氧化物的方法，该法包括在负载型磺酸或羧酸催化剂存在下，所述的吡啶或取代吡啶与过氧化氢进行反应，生成所述的N-氧化物，所述的负载型催化剂含有(和优选主要由以下成分组成)固载到有机基质或无机基质上的磺酸或羧酸，所述的反应在约50至约90(优选70至90)℃的温度下，使用所述过氧化氢与所述吡啶或取代吡啶的摩尔比为1∶1至4∶1进行。
另一方面，本发明涉及一种生产2-氯吡啶-N-氧化物的方法，该法包括在负载型磺酸或羧酸催化剂存在下，2-氯吡啶与过氧化氢进行反应，生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物，所述的负载型催化剂含有(和优选主要由以下成分组成)固载到有机基质或无机基质上的磺酸或羧酸部分，所述的反应在约50至约90(优选70至90)℃下，使用所述的过氧化氢与所述的吡啶或取代吡啶的摩尔比为1∶1至4∶1进行。
另一方面，本发明涉及一种生产2-氯吡啶-N-氧化物的方法，该法包括以下步骤(a)在负载型磺酸或羧酸催化剂存在下，2-氯吡啶与过氧化氢进行反应，生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物，所述的负载型催化剂含有(和优选主要由以下成分组成)固载到有机基质或无机基质上的磺酸或羧酸部分，所述的反应在约50至约90(优选70-90)℃下，使用所述的过氧化氢与所述的2-氯吡啶的摩尔比为1∶1至4∶1进行；以及(b)为了在得到生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物的所需转化率以后停止所述的反应，从所述的2-氯吡啶-N-氧化物中分离出所述的负载型催化剂。
在阅读了本发明以下详细的说明的基础上，这些方面和其他一些方面将变得很清楚。
根据本发明，现已令人吃惊地发现，某些多相催化剂适用于用过氧化氢氧化吡啶类。希望的是，多相催化剂或者是固载到有机载体或无机载体上的催化剂，或者是对吡啶或取代吡啶所需的氧化起催化剂作用的不溶性组合物。在后一类型中，根据本发明的一个方面，现已发现，聚合物离子交换树脂在所需的氧化反应中可用作多相催化剂或用作多相催化剂的载体。阴离子和阳离子交换树脂都适用于本发明的方法。
特别有利的离子交换树脂是在吡啶或卤代吡啶与过氧化氢反应生成N-氧化物衍生物中是有效的含有重复的羧酸和/或磺酸基团的阳离子交换树脂。羧酸或磺酸基团适宜键联(如共价连接)到基质上或在基质制备过程中加到树脂中。最优选的是含有磺酸基团的基质。
另一方面，阴离子交换树脂适合用作基质，以固载均相催化剂，例如钨酸盐、钼酸盐等。通过固载到基质上，这些均相催化剂变成不溶于反应介质的多相催化剂，以便根据本发明进行吡啶化合物的氧化。
含有磺酸基团作为插入部分的商业树脂的例子包括那些以下商标商购的树脂AMBERLYST XN-1010和AMBERLYST15(Rohm and Haas的商标)、NAFION NR-50(DuPont的商标)、IONAC CFP-110(Sybron的商标)。
适用的树脂宜含有有机聚合物，例如聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、二乙烯基苯、氟化的烃类及其组合。
在广义方面，用于本发明的负载型催化剂含有在载体上的催化剂或提供催化效果的载体。催化剂本身按“催化有效数量”使用，即足以使特定的吡啶化合物催化氧化成所需的N-氧化物的数量。载体可为任何适合结构例如小球、小条、大网状片等的无机基质或有机基质。无机载体是特别优选的，因为这样的载体不太可能对本发明进行的氧化反应有不良影响。
在选择载体方面考虑的因素是可供性；价格；稳定性；官能化的难易；颗粒度；表面积；孔径和孔体积。可找到适合品级的氧化铝、炭、白土、玻璃、氧化硅和沸石，它们根据这些标准中的一些标准提供了可接受的性能。但是，由氧化铝、氧化硅及其化学混合物组成的基质是最优选的，这是因为它们的热稳定性和化学稳定性高，以及它们易于官能化。此外，有所需物理特性(粒度、表面积、孔径和孔体积)的氧化铝，特别是氧化硅是易于得到的。
可用于本发明方法的基质的宏观形状可有很大的变化。基质可以小球形状或粉末形状或其他相当的小颗粒使用。但是，使用共价键联到小球形状的不溶性无机基质上的催化剂通常是优选的，因为这样就简化了通过过滤和类似的技术除去固载的催化剂。适用的粒度为0.01mm或更小至6mm或更大。
催化剂以催化有效数量使用，也就是足以在所选的间歇、连续或半间歇反应条件下生成所需的N-氧化物的数量。例如，在间歇操作中，对于每摩尔卤代吡啶或吡啶反应物，宜使用约10至70克(按干树脂计)催化剂。适用的卤代吡啶为氯代-、溴代-、碘代-和氟代-吡啶，但氯代吡啶是优选的卤代吡啶。在连续的或半连续的操作中，宜根据具体工艺的经济性和生产要求来选择催化剂床层大小和反应物的流速。
本发明方法的反应宜在升温下进行。所选的温度宜足以高到使所需的氧化反应易于进行，但温度必需低于过氧化氢反应物的分解温度。反应温度优选为约50至约90℃，更优选70-90℃。反应优选在酸性pH值下进行，pH值宜在1-7的范围内，优选1-4。如果需要，反应也可在中性或碱性pH值(pH值为7或更高)下进行，虽然这不是希望的，因为产品产率比酸性pH值下的要低。在碱性pH值下，催化剂的磺酸基团转化成磺酸盐部分，而催化剂的羧酸基团转化成羧酸盐部分。
过氧化氢与吡啶反应物的摩尔比优选1∶1至4∶1，以便生产所需的N-氧化物。
本发明方法的反应提供了生成所需N-氧化物的极好选择性。例如，当2-氯吡啶在本发明的催化剂存在下与过氧化氢水溶液反应时，主要数量的2-氯吡啶转化成2-氯吡啶-N-氧化物，选择性达到100％。例如，当含有AMBERLYST15催化剂的2-氯吡啶甲醇溶液在80℃下与过氧化氢水溶液反应时，36.3％的氯吡啶转化成N-氧化物，其选择性基本上为100％。
本发明的方法宜以间歇、连续或半连续方式进行。与现有技术的均相催化剂的方法相比，本发明的方法得到的好处如下(a)简化了催化剂从反应混合物中的分离，(b)使催化剂的回收和重复使用更容易，以及(c)这些多相催化剂易于用于静态反应体系和流动反应体系的灵活性。
通常希望含有催化剂载体的基质颗粒有相当大的表面积，用于官能化。这一表面积部分取决于基质颗粒的平均比孔体积，所以平均比孔体积也应相当大。适合的表面积为5m2/g或更小至600m2/g或更大，而孔体积为0.5cm3/g或更小至1.2cm3/g或更大。
载体的平均孔径希望至少大到足以使反应物与基质上的催化活性中心之间容易紧密接触，从而使生成的N-氧化物容易从催化活性中心离开，使活性中心再次用于反应。所以，通常更大的孔径是优选的。虽然孔径可在宽范围内变化，但特别适合的孔径为6-500nm(60-5000埃)。
以下的实施例用来说明本发明，但决不是对本发明范围的限制。
实施例实施例1将12g氢型的IONACCFP-110催化剂(即一种用二乙烯基苯交联的聚苯乙烯磺酸催化剂)装入有10g甲醇和22.8g 2-氯吡啶的搅拌烧瓶中。在2.6h内将6％过量的50％过氧化氢水溶液加到烧瓶中，同时使烧瓶的温度保持在80℃。过氧化氢加完后，加热使烧瓶保持在80℃的反应温度下，并将混合物在这一温度下再搅拌22h。2-氯吡啶生成2-氯吡啶-N-氧化物的转化率为33.8％，生成所需产物的选择性基本上为100％。未反应的2-氯吡啶可用蒸馏法回收，并重复用于下一批料。
实施例2
用9g NAFIONTMNR50树脂(即一种含有磺酸官能基团的全氟化的离子交换树脂)作为催化剂，重复实施例1。这种树脂是由DuPont生产的全氟化磺酸。氯吡啶生成N-氧化物的转化率为22.4％，有几乎100％的选择性。
实施例3用12gAMBERSEP200H树脂(即一种用二乙烯基苯交联的聚苯乙烯磺酸催化剂)作为催化剂，重复实施例1。这种树脂为Rohmand Haas生产的强酸性阳离子交换树脂。氯吡啶生成所需的N-氧化物的转化率为34.3％，生成所需产物的选择性基本上为100％。
实施例4在这一实施例中，季铵阴离子交换树脂用作钨酸盐离子的多相催化剂载体。氯化物形式的AMBERLITEIR-410(即一种含有季铵官能基因的阴离子交换树脂)(Rohm and Haas生产的)与等摩尔钨酸钠和钨酸的混合物水溶液接触，以便用氢钨酸盐离子交换树脂上的氯化物离子。将如此处理的Amberlite树脂从含钨酸盐的溶液中过滤出来，并用水洗涤两次。湿树脂球的钨含量为17.8％。如上述实施例中那样，然后将这种树脂与2-氯吡啶的甲醇溶液接触，最后与过氧化氢接触。过滤出树脂后，液相含有45ppm溶解的钨，这表明钨酸盐离子留在AMBERLITE催化剂载体上，还表明，如所希望的，催化剂起多相催化剂作用。然后将这一催化剂与用0.03摩尔磷酸酸化的0.402摩尔2-氯吡啶水溶液接触，随后在80℃下、在2h内加入0.539摩尔50％过氧化氢水溶液。将混合物在这一温度下再反应5h。大约12％的2-氯吡啶转化成所需的N-氧化物，这一产物的选择性基本上为100％。
实施例5-在碱性pH值下的氧化使用相同的反应物和反应设备重复上述实施例1的步骤，不同的是在加入过氧化氢以前，催化剂的所有磺酸部分用氢氧化钠中和，转化成磺酸盐部分。反应22h后，氯代吡啶生成相应的N-氧化物的转化率为2％，最后的pH值为4.0。
虽然已参考具体的实施方案描述了本发明，显然在不违背这里所公开的本发明的实质的条件下，可在材料、部件置设和步骤方面作出许多改变、改进和变通方案。因此，打算用附后的权利要求书的实质和宽范围包括熟悉本专业的技术人员阅读公开内容后可作出的所有改变、改进和变通方案。
权利要求
1．一种制备吡啶或卤代吡啶的N-氧化物的方法，所述方法的特征为，所述吡啶或所述卤代吡啶和过氧化氢的反应混合物在升温下，在催化有效数量的多相催化剂存在下进行反应，生成所述的2-卤代吡啶-N-氧化物或吡啶-N-氧化物，所述的多相催化剂不溶于所述的反应物中。
2．根据权利要求1的方法，其特征在于所述的催化剂含有许多官能基团，它们使每克基质足以提供约0.01至约10毫当量催化活性中心。
3．根据权利要求1的方法，其特征在于按干基重计，在所述的反应混合物中，每摩尔所述的卤代吡啶或所述的吡啶使用所述的催化剂用量为约10至约70克。
4．根据权利要求1的方法，其特征在于所述的催化剂含固载到无机载体上的催化活性部分，无机载体选自氧化铝、炭、白土、玻璃、氧化硅和沸石及其组合。
5．根据权利要求1的方法，其特征在于所述的催化剂含有固载到有机树脂上的催化活性部分。
6．根据权利要求5的方法，其特征在于所述的有机树脂选自聚苯乙烯、聚丙烯酸酯、二乙烯基苯、氟化的烃类及其组合。
7．一种用于吡啶或取代吡啶化合物氧化制备其N-氧化物的方法，其特征在于所述的吡啶或取代吡啶与过氧化氢在负载型磺酸或羧酸催化剂存在下进行反应，生成所述的N-氧化物，所述的负载型催化剂含有固载到有机基质或无机基质上的磺酸或羧酸部分，所述的反应在约50至约90℃的温度下，用所述过氧化氢与所述吡啶或取代吡啶的摩尔比为1∶1至4∶1进行。
8．根据权利要求7的方法，其特征在于所述的负载型催化剂含有许多官能基团，它们使每克基质足以提供约0.01至约10毫当量催化活性中心。
9．一种生产2-氯吡啶-N-氧化物的方法，其特征在于2-氯吡啶与过氧化氢在负载型磺酸或羧酸催化剂存在下进行反应，生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物，所述的负载型催化剂含有固载到有机基质或无机基质上的磺酸或羧酸部分，所述的反应在约50至约90℃的温度下，用所述过氧化氢与所述吡啶或取代吡啶的摩尔比为1∶1至4∶1进行。
10．一种生产2-氯吡啶-N-氧化物的方法，其特征在于，它有以下步骤(a)2-氯吡啶与过氧化氢在负载型磺酸或羧酸催化剂存在下进行反应，生成所述的2-氯吡啶-N-氧化物，所述的负载型催化剂含有固载到有机基质或无机基质上的磺酸或羧酸部分，所述的反应在约50至约90℃的温度下，用所述过氧化氢与所述2-氯吡啶的摩尔比为1∶1至4∶1进行，以及(b)生成所述2-氯吡啶-N-氧化物达到所需转化率后，从所述的2-氯吡啶-N-氧化物中分出所述的负载型催化剂，以便使所述的反应停止。
全文摘要
一种制备吡啶或卤代吡啶的N－氧化物的方法,所述的方法包括所述的吡啶或所述的卤代吡啶和过氧化氢的反应混合物在升温下,在催化有效数量的多相催化剂存在下进行反应,生成所述的2－卤代吡啶－N－氧化物或吡啶－N－氧化物,所述的多相催化剂不溶于所述的反应物。
文档编号C07B61/00GK1214680SQ97193383
公开日1999年4月21日 申请日期1997年3月19日 优先权日1996年3月29日
发明者H·W·施艾斯勒, S·A·马恩克 申请人:奥林公司