高含量氟磺醚的合成工艺改进

高含量氟磺醚的合成工艺改进

氟磺酰胺是一种选择性干旱剂。英文名称为“fsafen”。商品名称为虎威、北极、福草岭、氟磺草等，化学名称为5-[2氯仿-4]（三氟甲基）-硝基丙烯酸-2-硝基丙烯酸，结构方法如下。作为一种含氟有机化合物，其具有较高的脂溶性和疏水性，对细胞组织有良好的渗透性能，具有活性高、杀草谱广、毒性低、对作物安全的特点，主要用于果园、橡胶种植园及豆科作物田中一年生禾本科与阔叶杂草防除。由于国内外客户对原药质量要求的不断提高，原有的95%原药难以满足市场需求，所以本文就如何在较低成本下合成98%以上的原药生产工艺进行探讨。1合成氟丙烯酰胺草醚的合成合成氟磺胺草醚的工艺路线很多，经过多年的工艺筛选和改进，目前国内基本上都采用了以间羟基苯甲酸和3,4-二氯三氟甲苯为起始原料，先合成中间体3-[2-氯-4-(三氟甲基)苯氧基]苯甲酸(简称缩合物)，再硝化制备三氟羧草醚，然后与甲基磺酰胺反应合成氟磺胺草醚粗品，最后经提纯后成为高含量氟磺胺草醚原药。2试验与讨论2.1-二氯三氟甲苯溶液在缩合反应器中加入定量的溶剂二甲亚砜、间羟基苯甲酸、氢氧化钾、催化剂，搅拌升温至110℃，保温3h使其充分成盐。冷却至90℃以下后加入定量的3,4-二氯三氟甲苯，再升温至130℃～150℃，保温8h，随后减压脱除去溶剂，加入一定量水以溶解析出的固体。把料液冷却至50℃以下，缓慢滴加入30%盐酸，直至料液pH值达1～2之间，再经过滤、水洗、烘干即得中间体缩合物。本工序操作稳定，缩合物对3,4-二氯三氟甲苯收率达90%以上，干品含量大于90%。为了保证下一步缩合物更好的进行硝化反应，应严格控制干品水份在1%以下。2.2浓硝酸盐的滴定在装有测温、搅拌、冷凝管的500ml四口瓶中分别投入上步合成的缩合物105g,溶剂二氯甲烷210ml,搅拌下加入一定量的浓硝酸,用冰浴冷却至5℃以下,缓慢滴加浓硫酸,滴完后继续保温6h。升温脱除去二氯甲烷,加入200ml水,经过滤、水洗、烘干即得产品三氟羧草醚。本工序是高含量氟磺胺草醚合成的关键工序之一，对产品质量和生产成本有重要的影响。三氟羧草醚生产过程中因硝化副反应的存在，主要产生2种同分异构体。为了减少副反应，提高中间体三氟羧草醚的含量与收率，从以下几方面进行硝化工艺探讨。2.2.1反应时间的影响硝化反应是强烈的放热反应，同时其反应中生成的水又对浓硫酸产生稀释作用而放热，这些热量使反应体系温度迅速上升。这一方面引起多硝化、氧化等副反应，同时影响了异构体的生成比例；另一方面将造成较大量的硝酸分解，产生NO2气体。以摩尔比为缩合物∶硝酸∶硫酸=1∶1.4∶2.9，反应时间6h，此条件下温度对反应的影响见表1。从表1可看出，反应温度对生成的三氟羧草醚含量和收率都有一定影响，为了得到较高含量中间体，以0℃～5℃反应温度较为合适。2.2.2硫酸用量及催化剂比对反应的影响本硝化反应是芳环上的亲电取代反应，且缩合物芳环上有吸电子取代基-COOH和-O-基团，比较难硝化，所以硝酸与硫酸的配比对反应影响很大。硝化反应介质中NO2+离子浓度的大小是硝化能力强弱的一个重要标志,硝化能力太弱,会使反应太慢,甚至反应不完全,硝化能力太强,虽然反应快,但是容易发生多硝化副反应,并且会消耗太多硫酸。从(2)式可看出,缩合物带来的水与反应中生成的水,相当于在反应体系中加入了水,使HSO4-和H3O-离子增加,从而抑制NO2+离子的生成,因此寻找适宜的硫酸脱水值(D.V.S)和硝酸比成为关键。以硝酸比为1.35～1.45，反应时间6h，反应温度为0℃～5℃，此试验条件下硫酸用量及硝酸比对反应的影响见表2。从表2数据可看出在脱水值为10.4，硝酸比为1.4条件下，三氟羧草醚收率达91.1%，含量达85.9%，使反应速度、产品含量和收率均达到较为理想的工艺状况。2.2.3硫酸加作/加料方式的影响从(2)式可知，体系中的硫酸浓度会影响到NO2+离子浓度，也就影响了硝化速度和硝化能力。以摩尔配比为缩合物∶硝酸∶硫酸=1∶1.4∶2.9，反应时间6h，反应温度为0℃～5℃，此试验条件下硫酸滴加时间及加料方式对反应的影响见表3。从表3可看出硫酸与硝酸混合后滴加三氟羧草醚工艺平均收率为86.3%，含量为82.1%，而先加硝酸后滴加硫酸工艺平均收率为90.5%，含量为85%，明显比混酸滴加工艺好。从硫酸滴加时间来看，保持在2h左右的滴加时间比较适宜，太短会影响到产品质量。2.3酰化反应路线从三氟羧草醚合成氟磺胺草醚主要有2条路线，一条路线是三氟羧草醚先转变成酰氯，然后在缚酸剂存在下与甲基磺酰胺反应，另一条路线是采用适当的脱水剂，在没有缚酸剂的存在下反应一步完成。由于路线1的中间体酰氯需要分离和提纯，而且使用了缚酸剂能引起二酰化反应，不适合生产高含量氟磺胺草醚；采用路线2，反应一步完成，操作平稳，反应彻底，产物纯度高。在装有测温、搅拌、冷凝管、玻璃分水器的500ml四口瓶中分别投入上步合成的三氟羧草醚127g，甲基磺酰胺30.6g，一定量的溶剂及催化剂，开启真空系统，使反应器处于微负压状态，在常温下打浆0.5h，缓慢升温至60℃。第1种脱水工艺是向反应器中滴加一定量的三氯氧磷，滴加时保持温度在80℃以下，加完后在80℃保温3h。缓慢滴加250ml水后再升温脱除去溶剂；第2种甲苯脱水工艺是连续升温至回流，并不断从回流甲苯中分出水，直至无水分出时，继续保温1h，脱去甲苯，经过滤、水洗、烘干即得粗产品。2.3.1反应时间及脱水效果根据羧酸N-酰化反应通式：为了使平衡尽可能的向右移，必须采用增大反应物的量或者把反应生成的水移去。由于在本试验中的两种反应物价格较高，对于采用提高反应物量来提高收率不经济，而且会影响到产品的质量，所以主要以后一种脱水的方式来提高反应的收率。以摩尔配比为三氟羧草醚∶甲基磺酰胺∶三氯化磷=1∶1.05∶1.5，此试验条件下不同脱水工艺对反应的影响见表4。从表4可看出，POCl3化学脱水明显比甲苯共沸脱水效果好的多，而且反应时间也比较短。这主要因为本反应是对胺类进行酰化的亲电取代反应，由于三氟羧草醚分子结构中的空间效应以及苯环上的共轭效应，使其酰化反应活性很弱，而且甲基磺酰胺分子结构中又有强吸电子基团-SO2，反应要在较为强烈的条件下才能彻底进行，本反应采用POCl3做为脱水剂比较理想。2.3.2催化剂、温度对反应的影响为了在生产中加快反应速度，提高生产效率，并使粗品含量得到较大幅度的提高，有利于高含量原药的提纯，在反应中加入适量的催化剂，并对保温温度做了一定调整。以二氯乙烷为溶剂，摩尔配比为三氟羧草醚∶甲基磺酰胺∶催化剂=1∶1.05∶0.05，此试验条件下催化剂及温度对反应的影响见表5。从表5可看出，加入催化剂后收率明显比没加催化剂高，平均提高了5%以上，而且POCl3的投料量下降至原投料量的2/3，从而使原材料成本得到下降；粗品含量平均提高了15%，经1次精制就能达98%以上的含量，这对提高原药产量和降低原药的生产成本起到重要的作用；反应温度升高3℃后反应时间缩短了1h，提高了生产效率。2.4高含量成品的制备将上步合成的粗品与酒精定量投入精制反应器，搅拌下升温至回流，保温1h后冷却至30℃以下，结晶2h后出料，经过滤、烘干即得98%高含量成品，提纯收率在95%以上。3氟酰胺草醚的合成工艺优化三氟羧草醚合成中，在0℃～5℃下，硫酸脱水值为10.4，硝酸比为1.4，硫酸滴加时间2h，此工艺下所得三氟羧草醚收率达91%，含量达85%以上；氟磺胺草醚合成中，合成温度取83℃，摩尔配比为三氟羧草醚∶甲