乙醇/氨反应制备吡啶碱研究进展

王思琼 张 弦,2*

1 鄂尔多斯应用技术学院化学工程系（内蒙古鄂尔多斯 017000）

2 鄂尔多斯市碳中和研究应用有限公司（内蒙古鄂尔多斯 017000）

吡啶碱包括纯吡啶（Py）、2-甲基吡啶（2-MP）、3-甲基吡啶（3-MP）和4-甲基吡啶（4-MP）等，是一种良好的溶剂，也是有机合成领域特别是农药、医药等的重要中间体[1-2]。目前，我国红太阳集团有限公司拥有6.2 万t/a 的吡啶碱产能，是全球最大的吡啶碱生产企业，其产能约占全球产能的20%。尽管国内已建成数套吡啶碱工业化生产装置，实现了内资农药企业在含氮杂环类农药产业链上的突破，打破了跨国公司半个多世纪的垄断，但我国是农药生产、出口大国，且随着吡啶碱应用途径的不断拓展，其需求仍然较为旺盛，市场缺口较大。

目前，工业上主要以羰基化合物和氨为原料[3]，通过醛氨反应[4]来获得吡啶碱。该法存在催化剂易失活、流化床反应器投资较大和无自主知识产权等问题[5-7]。很多学者研究使用生物质醇类物质原料乙醇[8]、甲醇[9]、丙烯醇[10]、丙三醇[11]和其下游产品丙烯醛[12]等制备吡啶碱。以醇作为原料，采用具有适当脱氢活性的催化剂，醇很容易进行脱氢形成醛类中间体，进而形成吡啶碱，可以防止醛类原料自聚合阻塞反应通道，而且由于原料来源广、价格低廉和反应工艺简单，具有较高的开发和研究价值。

乙醇与氨反应存在选择性及收率不高且产物复杂、分离困难等问题，这些缺点制约着其工业化发展。但生物质乙醇、甘油等环保易得，且醇氨法克服了醛氨法严重聚合和积炭造成反应管堵塞不能正常进行反应的弊端，可避免醛氨法对环境的污染并降低经济成本，具有进一步的研究价值。提高乙醇/氨法制备吡啶碱收率，加快高吡啶碱选择性催化剂的研究，探讨其在醇氨反应过程中的效果和机理，提高催化剂性能和寿命，是目前的主要研究方向。

1 乙醇/氨反应制备吡啶碱的工艺

随着吡啶碱工业的发展，工业上对吡啶质量的要求越来越高。提高吡啶碱的选择性和收率，解决产物难以分离的问题，优化吡啶碱制备工艺尤为重要。目前吡啶碱制备研究的关键在催化剂、工艺和机理等方面。以乙醇和氨为原料制备吡啶碱，根据反应原料，可分为乙醇/氨法、乙醇/甲醛/氨法、乙醇/甲醇/氨法。

1.1 乙醇/氨法

Van Der Gaag 等[13-14]在空气条件下利用乙醇/氨反应合成吡啶碱。硅铝比（物质的量比，下同）为65的HZSM-5 催化剂在吡啶碱的选择性和转化率方面效果优于FeHZSM-5，NaZSM-5 和无定形硅铝等。将催化剂放于固定床连续流微反应器中，以空气为载气，在有氧条件下，当载气中氧的体积分数从20%降到约1%时，吡啶的产率降低，乙醚和取代吡啶的产率增加。当以氮气取代空气时，产物主要是乙烯、乙醚和乙胺，没有吡啶生成，主要是由于氧含量降低导致氧化产物减少。其研究结果表明，在有氧条件下，CO2为主要产物，而无氧法避免了乙醇被氧化为CO2，一定程度上提高了吡啶碱收率。但两种方法均存在吡啶选择性较低，且产物复杂，难以实现工业化等问题。冯成等[15]以Pb6-Fe0.5-Co0.5/ZSM-5 为催化剂，醇氨反应合成吡啶的总收率只有29.0%，吡啶碱选择性较低，产率不高，且由于反应中部分催化剂活性组分被还原及产生积炭使得催化剂易失活，与醛氨法的高选择性相比没有竞争优势。

1.2 乙醇/甲醛/氨法

Kulkarni[16]等首次在无氧条件下制备吡啶，n（乙醇）∶n（甲醛）∶n（氨）=1∶0.8∶1.5，以Pb-HZSM-5（硅铝比为150）为催化剂时，乙醇转化率为72.5%，甲醛转化率为100%，吡啶收率达到38.5%，2-MP，3-MP 和二甲基吡啶收率分别为5%、18.5%和10.5%（以乙醇为基准）。同时发现：乙醇在催化剂上主要形成脂肪烃和芳烃；加入部分水后乙醇转化率降低，主要产物为乙醛和脂肪烃；加入甲醛水溶液时，乙醇转化率进一步降低，乙醛增多而脂肪烃减少；存在氨时，碳氢化合物急剧减少；温度升高，乙醇转化率提高，但是吡啶和甲基吡啶的比例基本不变；随着液时空速增加，乙醇转化率下降，吡啶和甲基吡啶收率降低，但催化剂稳定性和寿命延长。Slobodník等[17]按n（乙醇）∶n（甲醛）∶n（氨）=1∶0.21∶1.24的比例，以Zn-HZSM-5(75)为催化剂合成吡啶碱，收率达到75%，发现：随着Zn-HZSM-5 硅铝比由22增加到140，吡啶碱收率先增大后减小；随着Zn 负载量的增加，吡啶收率先增大后减小，同时催化剂寿命急剧下降；负载Zn 时产物收率高于负载W 和Cd时，Co 的催化性能最差；催化剂焙烧温度越高，酸性越低，吡啶收率略增，因此总酸量对催化剂收率影响不大。

Nellya[18]比较了在H-Beta(18)，H-ZSM-12(34)和H-ZSM-5(28)催化剂上分别进行乙醇/氨反应的效果，发现以H-Beta(18)为催化剂时效果最佳。其认为：由于分子筛的催化活性中心基本位于通道内，而H-Beta 沸石分子筛的活性位点具有最开放的晶体结构和最宽的孔隙，吡啶生成的选择性在很大程度上是由沸石催化剂的结构特征决定的，因此H-Beta更容易被反应分子接近；H-Beta 的总酸度最大且具有大量的强酸性位点，而沸石上的化学转化主要发生在酸性位点上，因此H-Beta 表现出更好的催化活性。在以H-Beta（18）为催化剂时，n（乙醇）∶n（甲醛）∶n（氨）=1∶0.8∶1.5，400 ℃、2 h-1条件下，乙醇转化率达到70%。在200 ℃、2 h-1条件下，吡啶选择性达到49%。其团队[19]还研究了微孔催化剂（H-Y，H-Beta，H-ZSM-5，H-ZSM-12）和含微孔-介孔-大孔的催化剂（H-Y-MMM）在醇氨反应中对吡啶碱产物及收率的影响，发现在微孔分子筛体系中，在吡啶和甲基吡啶的合成中最具潜力的是H-Beta 分子筛，乙醇转化率为55%～60%；而微孔-介孔-大孔H-Y-MMM 分子筛由于介孔和大孔的存在，减小了反应物和产物分子运动的扩散限制，在合成甲基吡啶方面效率较高，乙醇转化率达到70%～80%。

1.3 乙醇/甲醇/氨法

刘娟娟[20]以n（乙醇）∶n（甲醛）∶n（氨）=2∶1∶3 的配比，在410 ℃、10%Zn/ZSM-5-NA 催化剂条件下反应，吡啶碱最高收率和选择性分别达到58.59%和67.12%，吡啶选择性为56.55%，乙醇转化率为87.29%。覃红文[21]以n（乙醇）∶n（甲醛）∶n（氨）=2∶1∶3 的配比，在410 ℃、20%Bi/HZSM-5（硅铝比为100）催化剂条件下反应，吡啶、2-MP、3/4-MP 的收率分别为29.88%、2.27%、7.62%。张弦等[22]通过碱液和Zn（NO3）2对HZSM-5 改性，得到微-介孔催化剂ZnOH/HZSM-5，并以乙醇、甲醇和氨为原料，在固定床反应器中合成吡啶碱，其收率和选择性分别达到50.27%和59.45%。刘娟娟和张弦的研究都认为改性的介孔-微孔复合ZSM-5 分子筛催化合成醇氨反应制备吡啶碱效果较好，并通过孔壁腐蚀分析了碱改性ZSM-5 分子筛微孔合成介孔的过程。介孔的增加，给烯醛或烯亚胺类中间体的缩聚反应提供了足够的空间，有利于提高吡啶碱的选择性。针对ZSM-5 分子筛的孔结构，一些学者作了大量研究：通过微孔造孔法[23]、前驱体组装法[24]、二次晶化法[25]和模板剂水热晶化法[26]来制备微孔-介孔复合结构ZSM-5 分子筛，不仅改善了微孔结构易积碳、寿命短和孔道单一等问题，还借助介孔的催化大分子反应、分子扩散容易和结构丰富等特点，有一定的催化应用效果。其对醇氨反应中所使用的ZSM-5 分子筛催化剂进行改性有一定的借鉴作用。

加入甲醛或甲醇可以有效地提高乙醇转化率，同时提高吡啶碱收率，得到价格更高的3-MP，但3-MP 收率较低，且3-MP 和4-MP 同时存在，导致产品分离困难。张弦等[8]也证实了甲醛、甲醇直接参与了吡啶和3-MP 的合成，而2-MP 和4-MP 的合成与甲醇无关。但加入甲醛时，因甲醛易聚合，水溶液运输不方便，制约了其工业化发展。

同时，催化剂载体的种类、硅铝比、活性金属种类及负载量、催化剂的孔结构等影响着催化剂的活性及寿命，对产物分布和选择性具有重要影响。另外，改性ZSM-5 催化剂时也需要注意反应气氛、温度和原料配比等对催化性能的影响。

2 乙醇/氨反应合成吡啶碱机理

对于乙醇/氨法制备吡啶碱的机理，目前主要有3 种认识，即乙醛机理、乙亚胺缩聚机理和共轭烯亚胺机理。

2.1 乙醛机理

早在1984年，Van Der Gaag[13－14]开始了乙醇和氨在ZSM-5 分子筛上合成吡啶的研究，在有氧条件下，提出了可能的反应过程，如图1 所示。

图1 乙醇和氨反应生成吡啶碱机制

从图1 可知，Van Der Gaag[14]等认为吡啶碱的生成是在有氧条件下，乙醇先氧化成乙醛，然后与氨经环化和芳构化反应得到吡啶。在该反应过程中存在非酸催化和酸催化两种活性位点，非酸位点有利于氧化脱氢反应，而酸位点有利于加氨和脱水反应。该反应存在产物复杂、吡啶碱含量偏低等问题，且文献对吡啶碱的组成、中间体和副产物的进一步衍化以及催化机理没有进行详细探究。因此，需进一步探讨反应物、催化剂和产物的变化，以便设计更合理的工艺和催化剂，促进吡啶碱收率的提高。

刘娟娟[20]、覃红文[21]对醇氨法制备吡啶及烷基吡啶机理也进行了初步探索。其推测醇氨法可能与醛氨法的反应机理大体相同，即醇类物质在氧气的存在下先被催化成醛类，再按照醛氨法的反应机理合成吡啶碱，并设计试验来验证这种推测是否成立。用乙醛代替部分乙醇，选择适宜的反应条件，发现加了乙醛的反应收率都比未加乙醛的高，表明醇氨法制备吡啶及烷基吡啶反应机理可能走的是醛氨法反应路线；其认为乙醇与乙醛的适当配比，促进了目标反应，但乙醛的含量不能太高，否则导致催化剂积炭量增加，使催化剂失活。

2.2 乙亚胺缩聚机理

Kulkarni[16]描述了乙醇、甲醛和氨制备吡啶和2-MP 的过程，如图2 所示。

图2 乙醇、甲醛和氨反应生成吡啶和2-MP 机制

Kulkarni 认为，乙醇和氨反应先脱水胺化成乙胺，再脱氢形成乙亚胺；然后，两分子乙亚胺与甲醛缩合为环状烯亚胺，再脱氢形成吡啶，或者三分子乙亚胺缩合成环状烯亚胺，再脱氢形成2-MP。但是，该过程机制尚缺乏理论支持，也没有描述3-MP 和二甲基吡啶的形成，特别是乙亚胺成环时的相对位置（即反应中间物种碳在吡啶环中的相对位置）。

2.3 共轭烯亚胺机理

Le Febre[27]以Nu-10，HZSM-5 和丝光沸石等为催化剂，推测乙醇与氨反应过程，如图3 所示。

图3a 乙醇与氨反应过程机理

图3b 乙醇与氨反应过程机理

吡啶和甲基吡啶的形成过程是：部分乙醇氧化为乙醛，继而经醛氨反应生成吡啶。另一部分乙醇经自由基反应裂解形成甲基和甲醛，而由乙醇与氨反应生成的乙胺可以经自由基反应裂解形成甲基和甲亚胺；乙醛和甲醛与吸附在分子筛上的氨反应脱水形成乙亚胺和甲亚胺，亚胺分别与乙醛和甲醛脱水缩合形成共轭烯亚胺；共轭烯亚胺再与甲醛和乙醛缩合并脱氢形成吡啶和2-MP。

上述机理表明：催化剂酸性较强、氧和有机氨源等能有效提高反应吡啶碱收率；强酸中心容易使乙醇脱氢形成乙醛，强氧化物中心会促使乙醇氧化成乙醛和二氧化碳。然而，文献中没有阐述3-MP 的形成，乙腈的形成结论略显武断，特别是由共轭烯亚胺形成吡啶碱的细节仍不清晰，反应机理缺乏动力学理论支持；判断乙烯、乙醛和乙胺对反应产物的影响需进一步探讨；不同催化中心的催化过程不够详细。

张弦等[8,22]介绍了乙醇、甲醇和氨合成吡啶碱及相互竞争机制，描述了乙醇、甲醇和氨反应形成吡啶和甲基吡啶的过程，如图4 所示。

图4 乙醇、甲醇和氨反应生成吡啶碱机理

在甲基吡啶的生成过程中，共轭烯亚胺是重要的活性中间体。丙烯亚胺可经过环加成反应生成3-MP，其已在与醛/氨反应合成吡啶碱机理中给出了相应的理论计算并进行了试验验证[28]；由于丙烯亚胺活性高，其也可与乙亚胺反应生成吡啶。丁烯亚胺和乙亚胺经脱氨脱氢后，经环加成反应生成2-MP 和4-MP，推测其反应过程与Le Febre 提出的推论相一致。因此，上述机理较为完整地给出了吡啶及2/3/4-MP 的形成过程。

综上所述，醇氨反应制备吡啶碱反应涉及脱水、氧化、缩合和环化等反应，反应类型较多，而且都出现了在吡啶碱生成过程中的关键中间体亚胺或烯胺，所以中间体的加成和成环方式直接影响了产物类型和结构，有进一步探究的必要。

反应机理包括乙醛、乙亚胺、共轭烯亚胺等不同机理，而且不同反应对催化剂活性中心有不同的需求，但目前尚缺乏有力的证据来表明这几种反应机理的确定性；反应产物中乙烯、乙醚、乙腈和二氧化碳等副产物多，不仅降低反应选择性，还导致产物分离困难。因此，需进一步探究醇氨法制备吡啶碱的机理，以便设计更好的催化剂载体和活性中心来提高反应选择性和收率。

3 结语

醇氨法制备吡啶碱由于原料来源广、价格低廉、反应工艺较为简单，具有一定的开发和研究价值。但其存在反应步骤长、副产物多、分离困难、催化剂反应活性和选择性不高、吡啶碱收率尚达不到理想值等问题，因此需要加快醇氨法制备吡啶碱研究进程，提升吡啶碱行业的技术研究水平，开发一条具有中国特色的吡啶碱产业之路。同时，在“双碳”目标下，利用生物质乙醇、甘油等与氨反应合成吡啶碱，以此将生物质资源转化为高附加值的化工资源，对于能源转型和落实国家碳减排目标具有重要意义。