目前，合成烟酸的主要方法是以3-甲基吡啶、2-甲基-5-乙基吡啶为原料，以氧气、高锰酸钾、硝酸、混酸或空气为氧化剂氧化或催化氧化得到烟酸。这些方法需要高温高压，三废污染严重，分离困难。Woodward等以喹啉为原料，以硫酸为氧化剂在硒催化下合成了烟酸，产率75%。但该方法反应温度高，副反应多，分离困难。本工作以绿色无污染的臭氧和双氧水为氧化剂将喹啉氧化为2,3-吡啶二羧酸，并进一步脱羧制取烟酸，氧化反应条件温和，无污染。

    1  试验部分

    1.1  试剂和仪器

    喹啉(97%)、冰乙酸(工业级，中国大庆)、乙酸乙酯(工业级)、蒸馏水、浓硫酸(95%-98%)、氧气(工业级)；乙醇(95%)；烟酸(99.5%，东京化成日本株式会社)。

    臭氧发生器(山东绿邦光电设备有限公司NP1000型)；英国Cambfige熔点仪；FTS3000傅里叶红外光谱仪(美国Varian公司)，采用溴化钾压片法；Mettler AE 160型万分位电子天平(Metfler公司，瑞士)；美国Waters2690高效液相色谱仪，色谱条件：Afianfis Dc18 5μm4.6mm×250mm色谱柱，以0.1%的三氟乙酸为流动相，流速为1.0 mL/min，在200-300 nm(photo diode arraydetector)照射下，以99.5%的烟酸作为标样作标准曲线。

    1.2  合成2，3-吡啶二羧酸

    将0.5mol的喹啉置于500mL的反应器中，加入冰乙酸、乙酸乙酯和水混合溶液350 mL搅拌均匀，在搅拌下缓慢滴加浓硫酸0.55 mol，加完冷却至室温置于冰水/冰盐水浴中在强烈搅拌下通O₃/O₂的混合气体3.5-4h，流量0.1m³/h，臭氧质量浓度为45 mg/L。然后将水浴温度升至30℃加入30%的双氧水50mL反应过夜。65℃减压蒸馏后加入质量分数为20%的NaOH溶液调节pH值至0.3-1.0，在0-10℃下冷却，析出白色或浅黄色颗粒状结晶。抽滤，依次用水和乙醇洗涤3-5次，得到2,3-吡啶二羧酸粗晶，用乙醇重结晶。

    1.3  烟酸的合成

    将重结晶后的2,3-吡啶二羧酸置于升华装置中加热至220-230℃使之升华脱羧，得到白色针状晶体烟酸，产率大于96%，熔点235-237.3℃，HPLC测得其相对质量分数在95%以上。

    2  结果与讨论

    2.1  臭氧化反应机理和影响因素

    根据Cfiegee臭氧化反应机理推断喹啉臭氧化合成烟酸的机理如下。

    如图1(略)所示，臭氧以单线体二元自由基(2)与喹啉中的苯环作用生成五元环初级臭氧化物(3)；臭氧和烯烃形成初级臭氧化物后失去了相应的共振能，因此很不稳定，立即分解为含羰基化合物部分和羰基氧化物部分的化合物(4)；羰基氧化物非常不稳定，很快与生成的羰基化合物结合生成臭氧化物(5)，再经过进一步臭氧化生成臭氧化物(6)，臭氧化物也很不稳定，在低温下用双氧水氧化剂可将喹啉臭氧化物氧化成2,3-吡啶二羧酸(7)。

    2.1.1  臭氧化反应温度的确定

    臭氧化物在高温下很不稳定，而且臭氧在40℃以上很快分解，因此臭氧化反应温度一般不能高于30℃，在保证溶液均一的情况下可以采用-50℃甚至更低的温度，但如此低的温度并不能提高臭氧的反应活性。本工作采用简单易行的冰盐水浴或冰水浴可以有效将反应温度控制在-5-15℃。

    2.1.2  浓硫酸的影响

    喹啉分子中的苯环对臭氧的活性高于吡啶环，在喹啉及其衍生物与臭氧反应过程中臭氧主要进攻苯环，同时以缓慢的速度的进攻吡啶环的3，4位。在反应体系中加入浓硫酸可以使喹啉生成喹啉硫酸盐从而保护吡啶环不被臭氧氧化，减少副反应的发生。在试验过程中不加硫酸的体系，反应后颜色为黄棕色，比加硫酸的体系(浅黄色)颜色深很多。由表1可见，加入硫酸，有利于臭氧化反应的进行。但是浓硫酸的量不宜过多。这是由于浓硫酸有很强的氧化性，在加入双氧水氧化喹啉臭氧化物时，过多浓硫酸的存在使反应液颜色加深并且产率降低。浓硫酸还可以和产物2,3-吡啶二羧酸生成硫酸盐，分离困难。因此，在反应体系中n(浓硫酸)：n(喹啉)保持在(1.1-1.5)：1为最佳。

    表1  浓硫酸的量对反应的影响

    2.1.3  溶剂的选择

    臭氧化烯烃反应是一种放热反应，加入大量溶剂稀释可以有效控制臭氧化在低温下进行。由于在反应体系中存在硫酸，所选溶剂必须具备以下条件：①不与硫酸反应；②不能被臭氧氧化：⑧可以溶解喹啉硫酸盐。

    臭氧化过程中生成的羰基氧化物不稳定，很容易被亲核试剂捕获。在常用臭氧化溶剂中，醇类尤其是甲醇溶剂为参与型溶剂，很容易与羰基氧化物结合生成烷氧基过氧化物，烷基氧化物较稳定，不易被双氧水氧化。因此醇类不适合作为喹啉臭氧化的溶剂。

    酯为臭氧化非参与型溶剂，不与羰基氧化物反应。乙酸乙酯极性很弱，臭氧在乙酸乙酯中仍以分子状态存在，容易与不饱和双键发生协同的1,3双自由基加成生成初级臭氧化物。但是臭氧化物在乙酸乙酯之类的非亲核性溶剂中容易发生聚合反应，当只用乙酸乙酯作溶剂时通入臭氧后先形成溶于水和冰乙酸的浅黄色固体，40min后逐渐变成黏稠状黄褐色固体(如表2)无法进一步氧化制备2,3-吡啶二羧酸。冰乙酸对臭氧的吸收比较好，可以提高臭氧的利用率，而且臭氧与乙酸作用产生的过氧乙酸有利于双氧水在乙酸中对臭氧化物的氧化。在体系中加入冰乙酸后可以很好地解决臭氧化物聚合的问题，但喹啉硫酸盐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为均一液相有利于臭氧化的气液反应。因此该反应选择冰乙酸、乙酸乙酯和水的混合溶液为溶剂。由表2可以看出，当V(冰乙酸)：V(乙酸乙酯)在3：1时反应效果最佳，2,3-吡啶二羧酸产率为66.1%；大量实验表明此条件下2,3-吡啶二羧酸产率可以稳定在66%以上。

    表2  不同溶剂体系的比较

    2.2  脱羧反应机理

    2,3-吡啶二羧酸中，由于N原子的吸电子作用，吡啶环中2位C原子上的电子云密度降低，3位C原子上电子云密度增大，使得2位的羧基更容易离去，而3位羧基更加稳定；同时，2位羧基与吡啶环中的N形成分子内氢键，使得N原子上带了一部分正电荷，进一步加大了N原子的吸电子效应；再加上3位羧基的吸电子作用使得吡啶环电子云密度进一步降低，促进2位羧基的脱去。因此，2,3啶二羧酸中2位羧基的稳定性远远低于3位羧基，在加热脱羧时首先脱去2位羧基生成3-吡啶羧酸，即烟酸(见图2(略))。

    2.3  产物的表征

    2.3.1  烟酸红外光谱分析

    在1418cm^-1、1506cm^-1、1593cm^-1处有3个强度不等的吸收峰(吡啶环骨架)，1701cm^-1处有尖的强吸收峰(C=O)，3072cm^-1处有尖的中强吸收峰(NH，氮原子接受质子形成的)，2430cm^-1处有宽的强吸收峰为羧羟基特征峰，很强的低波数位移说明有很强的氢键缔合作用。

    2.3.2  高效液相色谱分析

    如图3(略)所示，谱图中3.02/3.03和4.66/4.67均为溶剂峰，5.07/5.08为烟酸峰。试验得到的烟酸和标样烟酸保留时间一致，可以进一步表明产物为烟酸。

    3  结论

    本工作以喹啉为原料，用无机强酸硫酸与喹啉成盐保护吡啶环不被臭氧氧化，在冰乙酸、乙酸乙酯和水的混合溶剂中以臭氧和双氧水为氧化剂，在常压和低温下将其氧化为2,3-吡啶二羧酸，然后升华脱羧得到烟酸。结果表明，浓硫酸与喹啉的物质的量比保持在(1.1-1.5)：1为佳，溶剂中当V(冰乙酸)：V(乙酸乙酯)在3：1时反应效果最佳，加入的水以能恰好完全溶解喹啉硫酸盐为宜，2,3-吡啶二羧酸产率为66.1%。本方法制备烟酸无污染，能耗低，产品纯度在95%以上。