钯催化吡啶偶联反应的研究

袁晓路　张涛　李凯　方红新　梁锡臣

摘 要：简要介绍了将钯作为催化剂催化吡啶发生偶联反应直接生成2，2'-联吡啶的相关内容，考查、研究了反应的温度、时间、催化剂的种类和用量、溶剂种类等，并且对比了几种常用的催化剂的使用次数，确定了吡啶偶联反应的条件，最终使2，2'-联吡啶的产率达到了90%.

关键词：吡啶；2，2'-联吡啶；钯；偶联反应

中图分类号：TQ253 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.12.122

敌草快（diquat）是英国先正达化学公司开发的一种非选择性接触除草剂，它是目前全球应用范围最广的除草剂产品之一，在全球的销售量和使用量仅次于草甘膦和百草枯。敌草快对植物的脂类合成和叶绿体的双层膜结构有破坏作用，能够终止植物的光合作用，使植物迅速失水，枯萎死亡。因为其有速效、广谱、在土壤中迅速钝化的优点，所以，被广泛应用于大田、果园、非耕地除草和水生杂草的防除工作中。

近年来，2，2'-联吡啶下游产品敌草快的市场需求量不断增加，受到了世界各国的高度关注。自1958年英国ICI公司首次合成敌草快以来，间体2，2'-联吡啶已经有了多种合成方法。按原料来分，以2-卤代吡啶为起始原料的合成方法已经成为了比较成熟的工业化方法；以吡啶为起始原料的合成技术已经被英国ICI公司攻破。另外，还有以2-氰基吡啶、2-氨甲基吡啶、2-乙酰基吡啶、吡啶-N-氧化物等为原料偶联得到的。其中，已经工业化和具有工业化前景的合成方法主要有以下几种。

1 以2-卤代吡啶为原料的Ullmann法

Ullmann法是以2-卤代吡啶为原料，在镍、钯等过渡金属络合物的催化作用下偶联合成2，2'-联吡啶。它是合成2，2'-联吡啶最主要的方法，也是大部分吡啶衍生物的偶联反应所采用的方法。但是，由于其制造成本高、环境负担重、原料来源困难等，所以，不能将其作为最佳的工业化合成路线。

2 以吡啶为原料的直接偶联法

直接偶联法是以吡啶为原料，在Raney Ni下进行催化偶联合成2，2'-联吡啶。由于这种方法的原料来源丰富、合成工艺路线简单、环境友好等，所以，一直是研究者最希望研究和开发的路线。但是，Raney Ni在催化吡啶脱氢偶联的过程中很快失活，这主要是因为生成的产物2，2'-联吡啶导致催化剂中毒。

英国原ICI公司从20世纪60年代开始就已经深入研究了以吡啶为原料的直接偶联法，并取得了突破性的进展。他们发现，在合成2，2'-联吡啶的反应中，贵金属铑、锇、钯、铂、钌等与雷尼镍相比，不仅有很好的催化活性，而且催化剂的使用寿命长，反应时易于处理和操作，并针对相关问题进行了大量的验证工作。但是，目前，国内仍然没有开发出一条以吡啶为原料直接偶联的工业化路线。

3 以吡啶-N-氧化物为原料的氨钠法

氨钠法的初始原料是吡啶，经过氧化后，得到了中间体吡啶-N-氧化物。在氨基钠等强碱性催化剂下偶联合成2，2'-联吡啶。目前，关于这条路线并没有相关的文献数据报道，因此，可以将其作为合成2，2'-联吡啶的一条新工艺路线。

本文主要研究了以吡啶作为直接原料在钯的催化下偶联生成2，2'-联吡啶的方法，并优化反应条件。

3.1 实验部分

3.1.1 主要原料

实验中所用的原料有吡啶、钯。

3.1.2 合成原理

该反应的合成原理就是在催化剂的催化作用下将吡啶直接偶联生成2，2'-联吡啶。

3.1.3 2-氯吡啶的合成方法

将158 g的吡啶和0.05 mol的金属催化剂在高温下反应一段时间。反应结束后，降温除去催化剂，再蒸馏除去未反应的吡啶，检测剩余残留物中2，2'-联吡啶的含量分数，计算出2，2'-联吡啶的质量，从而计算出2，2'-联吡啶的产率。产率的计算公式为：

3.2 分析与讨论

3.2.1 不同种类催化剂对反应的影响

使用不同的无机金属催化剂各0.05 mol的用量与158 g的吡啶反应，在200 ℃的条件下反应24 h，并取样分析2，2'-联吡啶的产率。结果如表1所示。

从表1中可以看出，大部分金属无机催化剂对此反应的催化性非常低。但是，当存在催化剂Ni、Pd、Pt和Ru时，2，2'-联吡啶的产率明显提高。根据表1所示的试验结果，确定用钯作为该反应的催化剂。

3.2.2 催化剂用量对反应的影响

将158 g的吡啶与不同量的钯粉混合后，在200 ℃的条件下反应24 h，取样分析2，2'-联吡啶的产率。结果如表2所示。

从表2中可以看出，随着钯粉用量的增加，2，2'-联吡啶的产率也在相应提高。当钯粉的用量高于0.05 mol时，2，2'-联吡啶的产率明显减小。因此，综合考虑催化剂的成本和2，2'-联吡啶的产率2个因素，最终确定钯粉的用量为0.05 mol。

3.2.3 温度对反应的影响

将158 g的吡啶和0.05 mol钯粉混合后，在不同的温度下反应24 h，取样分析2，2'-联吡啶的产率，结果如表3所示。

从表3中可以看出，当温度从200 ℃升高到320 ℃时，2，2'-联吡啶的产率从30.6%增加到了89.4%.这时，温度继续升高，产率并没有大的改变。因此，将最终温度定在320 ℃下反应。

3.2.4 溶剂种类对反应的影响

将158 g的吡啶和0.05 mol的钯粉混合后，在320 ℃下反应24 h，取样分析2，2'-联吡啶的产率，结果如表4所示。

从表4中可以看出，使用氯苯和邻二氯苯时，产率只有46%～48%，使用DMF、DMAC和DMSO时，产率在80%左右，加入水产率在85%，无溶剂反应产率将近90%，所以，选择无溶剂反应。

3.2.5 反应时间对反应的影响

将158 g的吡啶和0.05 mol钯粉混合后，在320 ℃下反应，取样分析2，2'-联吡啶的产率，结果如表5所示。

从表6中可以看出，当反应时间大于1 h，产率并没有什么变化。这说明，该反应的速度很快，反应时间很短。所以，将反应时间定在1 h。

3.2.6 催化剂的使用次数对比

将158 g的吡啶和0.05 mol的Ni、Pd、Pt和Ru分别混合后，在320 ℃下反应1 h，取样分析2，2'-联吡啶的产率，并记录催化剂的使用次数。结果如表6所示。

Pd、Pt和Ru的使用次数和平均产率并没有很大的差异，而Pt和Ru的价格要远远高于Pd的价格，所以，特对比Ni和Pd的使用情况。因为Pd的平均产率和使用次数远远大于Ni，经过估算，Pd的使用成本与Ni的基本相同，但是，处理、操作难度相对比较大。由此可以判断，Pd在吡啶偶联反应中有很强的竞争力。

4 结论

根据试验结果可知，反应温度为320 ℃，反应时间为1 h，使用Pd作为催化剂，不需要反应溶剂即可反应。

Ni在催化吡啶脱氢偶联过程中会很快失活，Pd、Pt和Ru在合成2，2'-联吡啶的反应中不仅有很好的催化活性，而且催化剂的使用寿命比较长。同样物质的量的催化剂，Pd、Pt和Ru的催化次数远远高于Ni，并且产率也高于Ni。在反应过程中，Ni的处理、操作难度也比较大，所以，使用Pd进行催化具有其独特的优势。

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〔编辑：白洁〕