目前，合成煙酸的主要方法是以3-甲基吡啶、2-甲基-5-乙基吡啶為原料，以氧氣、高錳酸鉀、硝酸、混酸或空氣為氧化劑氧化或催化氧化得到煙酸。這些方法需要高溫高壓，三廢污染嚴重，分離困難。Woodward等以喹啉為原料，以硫酸為氧化劑在硒催化下合成了煙酸，產率75%。但該方法反應溫度高，副反應多，分離困難。本工作以綠色無污染的臭氧和雙氧水為氧化劑將喹啉氧化為2,3-吡啶二羧酸，并進一步脫羧制取煙酸，氧化反應條件溫和，無污染。

    1  試驗部分

    1.1  試劑和儀器

    喹啉(97%)、冰乙酸(工業級，中國大慶)、乙酸乙酯(工業級)、蒸餾水、濃硫酸(95%-98%)、氧氣(工業級)；乙醇(95%)；煙酸(99.5%，東京化成日本株式會社)。

    臭氧發生器(山東綠邦光電設備有限公司NP1000型)；英國Cambfige熔點儀；FTS3000傅里葉紅外光譜儀(美國Varian公司)，采用溴化鉀壓片法；Mettler AE 160型萬分位電子天平(Metfler公司，瑞士)；美國Waters2690高效液相色譜儀，色譜條件：Afianfis Dc18 5μm4.6mm×250mm色譜柱，以0.1%的三氟乙酸為流動相，流速為1.0 mL/min，在200-300 nm(photo diode arraydetector)照射下，以99.5%的煙酸作為標樣作標準曲線。

    1.2  合成2，3-吡啶二羧酸

    將0.5mol的喹啉置于500mL的反應器中，加入冰乙酸、乙酸乙酯和水混合溶液350 mL攪拌均勻，在攪拌下緩慢滴加濃硫酸0.55 mol，加完冷卻至室溫置于冰水/冰鹽水浴中在強烈攪拌下通O₃/O₂的混合氣體3.5-4h，流量0.1m³/h，臭氧質量濃度為45 mg/L。然后將水浴溫度升至30℃加入30%的雙氧水50mL反應過夜。65℃減壓蒸餾后加入質量分數為20%的NaOH溶液調節pH值至0.3-1.0，在0-10℃下冷卻，析出白色或淺黃色顆粒狀結晶。抽濾，依次用水和乙醇洗滌3-5次，得到2,3-吡啶二羧酸粗晶，用乙醇重結晶。

    1.3  煙酸的合成

    將重結晶后的2,3-吡啶二羧酸置于升華裝置中加熱至220-230℃使之升華脫羧，得到白色針狀晶體煙酸，產率大于96%，熔點235-237.3℃，HPLC測得其相對質量分數在95%以上。

    2  結果與討論

    2.1  臭氧化反應機理和影響因素

    根據Cfiegee臭氧化反應機理推斷喹啉臭氧化合成煙酸的機理如下。

    如圖1(略)所示，臭氧以單線體二元自由基(2)與喹啉中的苯環作用生成五元環初級臭氧化物(3)；臭氧和烯烴形成初級臭氧化物后失去了相應的共振能，因此很不穩定，立即分解為含羰基化合物部分和羰基氧化物部分的化合物(4)；羰基氧化物非常不穩定，很快與生成的羰基化合物結合生成臭氧化物(5)，再經過進一步臭氧化生成臭氧化物(6)，臭氧化物也很不穩定，在低溫下用雙氧水氧化劑可將喹啉臭氧化物氧化成2,3-吡啶二羧酸(7)。

    2.1.1  臭氧化反應溫度的確定

    臭氧化物在高溫下很不穩定，而且臭氧在40℃以上很快分解，因此臭氧化反應溫度一般不能高于30℃，在保證溶液均一的情況下可以采用-50℃甚至更低的溫度，但如此低的溫度并不能提高臭氧的反應活性。本工作采用簡單易行的冰鹽水浴或冰水浴可以有效將反應溫度控制在-5-15℃。

    2.1.2  濃硫酸的影響

    喹啉分子中的苯環對臭氧的活性高于吡啶環，在喹啉及其衍生物與臭氧反應過程中臭氧主要進攻苯環，同時以緩慢的速度的進攻吡啶環的3，4位。在反應體系中加入濃硫酸可以使喹啉生成喹啉硫酸鹽從而保護吡啶環不被臭氧氧化，減少副反應的發生。在試驗過程中不加硫酸的體系，反應后顏色為黃棕色，比加硫酸的體系(淺黃色)顏色深很多。由表1可見，加入硫酸，有利于臭氧化反應的進行。但是濃硫酸的量不宜過多。這是由于濃硫酸有很強的氧化性，在加入雙氧水氧化喹啉臭氧化物時，過多濃硫酸的存在使反應液顏色加深并且產率降低。濃硫酸還可以和產物2,3-吡啶二羧酸生成硫酸鹽，分離困難。因此，在反應體系中n(濃硫酸)：n(喹啉)保持在(1.1-1.5)：1為最佳。

    表1  濃硫酸的量對反應的影響

    2.1.3  溶劑的選擇

    臭氧化烯烴反應是一種放熱反應，加入大量溶劑稀釋可以有效控制臭氧化在低溫下進行。由于在反應體系中存在硫酸，所選溶劑必須具備以下條件：①不與硫酸反應；②不能被臭氧氧化：⑧可以溶解喹啉硫酸鹽。

    臭氧化過程中生成的羰基氧化物不穩定，很容易被親核試劑捕獲。在常用臭氧化溶劑中，醇類尤其是甲醇溶劑為參與型溶劑，很容易與羰基氧化物結合生成烷氧基過氧化物，烷基氧化物較穩定，不易被雙氧水氧化。因此醇類不適合作為喹啉臭氧化的溶劑。

    酯為臭氧化非參與型溶劑，不與羰基氧化物反應。乙酸乙酯極性很弱，臭氧在乙酸乙酯中仍以分子狀態存在，容易與不飽和雙鍵發生協同的1,3雙自由基加成生成初級臭氧化物。但是臭氧化物在乙酸乙酯之類的非親核性溶劑中容易發生聚合反應，當只用乙酸乙酯作溶劑時通入臭氧后先形成溶于水和冰乙酸的淺黃色固體，40min后逐漸變成黏稠狀黃褐色固體(如表2)無法進一步氧化制備2,3-吡啶二羧酸。冰乙酸對臭氧的吸收比較好，可以提高臭氧的利用率，而且臭氧與乙酸作用產生的過氧乙酸有利于雙氧水在乙酸中對臭氧化物的氧化。在體系中加入冰乙酸后可以很好地解決臭氧化物聚合的問題，但喹啉硫酸鹽不能完全溶解于乙酸乙酯/冰乙酸混合溶液，需要加入少量的水使其充分溶解成為均一液相有利于臭氧化的氣液反應。因此該反應選擇冰乙酸、乙酸乙酯和水的混合溶液為溶劑。由表2可以看出，當V(冰乙酸)：V(乙酸乙酯)在3：1時反應效果最佳，2,3-吡啶二羧酸產率為66.1%；大量實驗表明此條件下2,3-吡啶二羧酸產率可以穩定在66%以上。

    表2  不同溶劑體系的比較

    2.2  脫羧反應機理

    2,3-吡啶二羧酸中，由于N原子的吸電子作用，吡啶環中2位C原子上的電子云密度降低，3位C原子上電子云密度增大，使得2位的羧基更容易離去，而3位羧基更加穩定；同時，2位羧基與吡啶環中的N形成分子內氫鍵，使得N原子上帶了一部分正電荷，進一步加大了N原子的吸電子效應；再加上3位羧基的吸電子作用使得吡啶環電子云密度進一步降低，促進2位羧基的脫去。因此，2,3啶二羧酸中2位羧基的穩定性遠遠低于3位羧基，在加熱脫羧時首先脫去2位羧基生成3-吡啶羧酸，即煙酸(見圖2(略))。

    2.3  產物的表征

    2.3.1  煙酸紅外光譜分析

    在1418cm^-1、1506cm^-1、1593cm^-1處有3個強度不等的吸收峰(吡啶環骨架)，1701cm^-1處有尖的強吸收峰(C=O)，3072cm^-1處有尖的中強吸收峰(NH，氮原子接受質子形成的)，2430cm^-1處有寬的強吸收峰為羧羥基特征峰，很強的低波數位移說明有很強的氫鍵締合作用。

    2.3.2  高效液相色譜分析

    如圖3(略)所示，譜圖中3.02/3.03和4.66/4.67均為溶劑峰，5.07/5.08為煙酸峰。試驗得到的煙酸和標樣煙酸保留時間一致，可以進一步表明產物為煙酸。

    3  結論

    本工作以喹啉為原料，用無機強酸硫酸與喹啉成鹽保護吡啶環不被臭氧氧化，在冰乙酸、乙酸乙酯和水的混合溶劑中以臭氧和雙氧水為氧化劑，在常壓和低溫下將其氧化為2,3-吡啶二羧酸，然后升華脫羧得到煙酸。結果表明，濃硫酸與喹啉的物質的量比保持在(1.1-1.5)：1為佳，溶劑中當V(冰乙酸)：V(乙酸乙酯)在3：1時反應效果最佳，加入的水以能恰好完全溶解喹啉硫酸鹽為宜，2,3-吡啶二羧酸產率為66.1%。本方法制備煙酸無污染，能耗低，產品純度在95%以上。