草铵膦的绿色合成工艺

摘要目的：草铵膦合成绿色工艺研究。方法：以甲基亚磷酸二乙酯为原料，与丙烯醛反应生成1-二乙氧基-3-（乙氧基甲基膦酰基）丙烷，经稀酸水解得到3-（甲基羟基膦酰基）丙醛，再与碳酸氢铵及氢氰酸利用Bucherer-Bergs反应环合，经氧化钙水解，二氧化碳通入反应液去除钙离子得到草铵膦。结果：水解反应的最佳条件：投料量摩尔比例n（甲基亚磷酸二乙酯）：n（氧化钙）：n（水）为1：2：35，反应温度140℃，反应时间10h。结论：草铵膦的总收率可达70%。该方法合成草铵膦的工艺后处理简单，反应生成的副产品碳酸钙可以焙烧处理后以氧化钙形式套用，同时生成的二氧化碳也可回收循环利用。该工艺避免了废固的产生，实现草铵膦的绿色生产。草铵膦（glufosinate）是于20世纪80年代开发的有机磷类灭生性除草剂，主要用于防除多种一年生和多年生的禾本科草和阔叶草。其作用机制是抑制植物体内谷氨酰胺合成酶，导致植物氮代谢紊乱，使植物光合作用受到抑制，导致植物死亡。草铵膦药效只在子叶内传导，对植物根部没有作用，药害较小。土壤中的草铵膦通过微生物迅速降解，最终释放出二氧化碳，环境残留少。草铵膦具有除草活性高、药害低、残留低、除草谱广、安全性高等显著特点，目前已成为市场上主要的灭生性除草剂之一，2017年国内草铵膦原药需求达到1.5万吨。

现已报道的草铵膦合成方法有：盖布瑞尔（Gabriel）-丙二酸二乙酯合成法、Arbuzov合成法、高压催化合成法、低温定向合成法网、Strecker法、海因法、酮酸法等。目前工业上主要采用Strecker工艺合成草铵膦（图1）。图1

Strecker反应路线合成草铵膦

该工艺以甲基亚磷酸二乙酯为原料，与丙烯醛反应生成1-二乙氧基-3-（乙氧基甲基膦酰基）丙烷，经稀酸水解得到3-（甲基羟基膦酰基）丙醛，再经氰胺化、酸水解和提纯结晶得到草铵膦铵盐。该方法工艺成熟，收率较高，但使用酸水解对设备防腐要求高，草铵膦的纯化工艺复杂，同时有大量的氯化钠、氯化铵盐产生。

海因法工艺，以甲基亚磷酸二乙酯、碳酸铵及氰化物为原料，利用Bucherer-Bergs环合反应环合得到取代的海因化合物，再用碱水解制备草铵膦。该方法对设备腐蚀小，使用氢氧化钡水解时后处理简单，但氢氧化钡价格高且毒性大，使用氢氧化钠水解时，后处理提纯过程复杂，同时有大量硫酸钠产生。

对海因水解工艺进行了研究，以海因衍生物为原料，经氧化钙水解后，通入二氧化碳去除钙盐，溶液脱水后直接用醇结晶得到草铵膦，碳酸钙经800℃焙烧后套用。该方法简化了除盐提纯过程，通过简单结晶就能得到高含量的草铵膦，同时产生的碳酸钙、二氧化碳可回收套用，避免了废固、废气的产生，实现了绿色生产（图2）。图2

氧化钙水解合成草铵膦工艺路线实验部分1仪器与试剂仪器：AVANCEIIIHD500MHz核磁共振仪，Agilentl260型液相色谱仪，箱式电阻炉。试剂：海因衍生物（自制），其他试剂氧化钙、碳酸氢铵等为市售。

2实验方法2.1

海因衍生物的合成在250mL的四口瓶中加入甲基亚磷酸二乙酯71.6g（含量95%）（0.5mol），无水乙醇35g（0.75mol），并开启搅拌。取丙烯醛30g（含量98%，0.525mol）滴加到四口瓶内，控制滴加温度20～30℃，滴加完后升温至50℃～60℃保温1h。保温完成后减压蒸馏，蒸出乙醇，加入1%含量的稀盐酸100g，60℃搅拌1h，减压蒸出反应生成的乙醇，得到无色3-（甲基羟基膦酰基）丙醛溶液。

取50%硫酸溶液51g（0.26mol）加入250mL四口瓶，取24.5g氰化钠配制成30%水溶液，加入滴液漏斗，60℃～80℃滴加到硫酸溶液中制备氢氰酸气体。

取以上制备的3-（甲基羟基膦酰基）丙醛溶液加入水90g、碳酸氢铵47g（0.6mol），降温到10℃～20℃，吸收氢氰酸气体。吸收完成后转入高压釜，升温至80℃反应4h，得到海因衍生物溶液。

2.2

草铵膦铵盐的合成将上述海因衍生物溶液加入高压釜，加入氧化钙42g（0.75mol），加入水90g，升温至140℃反应10h，反应完成后通入二氧化碳气体至饱和，降温至50℃，过滤除去碳酸钙，检测溶液中草铵膦含量，计算收率（以甲基亚磷酸二乙酯计），溶液减压蒸干后用甲醇结晶得到草铵腾固体59g，含量96%。

碳酸钙经800℃焙烧5h后套用。

产品氢谱数据：1HNMR（500MHz，D2O）δ：3.63～3.66（m，1H，-CH-），1.91～1.94（m，2H，-CH2-），1.40～1.52（m，2H，-CH2-），1.10（d，3H，-CH3）。

产品碳谱数据：13CNMR（100MHz，D20）δ：174.1，55.2，26.5，24.1，15.4。

结果与讨论海因衍生物用氧化钙水解，氧化钙先与水反应生成氢氧化钙，由于氢氧化钙溶解度小，碱性弱，常压下回流反应20h，水解收率只有20%左右（以甲基亚膦酸二乙酯计）。升高反应温度，加压反应后收率明显提高。因为碳酸钙在水中的溶解度极小，为0.0038g/100g，通过通入二氧化碳除钙盐后，得到草铵膦含量可以达到96%以上。试验重点对水解的反应条件进行了优化，考察了反应温度、时间、氧化钙的量、水量对草铵膦收率的影响，开展了4因素3水平的正交试验，并进行统计及分析（表1）。表1

水解反应正交试验统计及分析通过正交试验极差分析，可以看出温度和时间是水解反应的主要影响因素，氧化钙的量和水量影响较小。筛选出最优的反应条件：反应温度为160℃，反应时间为15h，氧化钙的量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的2.5倍，水量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的45倍。在此基础上进一步进行了单一因素影响试验。

1氧化钙用量对水解收率的影响氧化钙的用量对水解反应收率影响较小，海因衍生物水解生成碳酸氢铵和草铵膦，碳酸氢铵进一步与氢氧化钙反应产生碳酸钙，因此氧化钙的用量应大于碳酸氢铵的量（碳酸氢铵用量为甲基亚磷酸二乙酯的1.5倍），过量的氧化钙，需要在反应结束后通入二氧化碳以碳酸钙的形式过滤去除，因此加入2倍摩尔量的氧化钙是经济合理的。

2反应温度对水解收率的影响以正交试验确定的最佳条件进行试验，反应时间为15h，氧化钙的量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的2倍，水量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的45倍。进行不同温度实验，反应结束后过滤，检测草铵膦含量，计算收率，得到温度与收率关系（图3）。图3

不同反应温度与收率的关系曲线随着反应温度提高，草铵膦收率不断增大，当反应温度提高至140℃，收率达到最高，为69.0%，继续提高温度，收率基本不变。因此，确定适宜的反应温度为140℃（图3）。

3反应时间对水解收率的影响以正交试验及单一因素试验确定条件，反应温度为140℃，氧化钙的量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的2倍，水量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的45倍。通过取料口在不同时间取样，过滤，检测草铵膦含量，计算收率，得到时间与收率关系（图4）。图4

反应时间对水解收率的影响

反应时间在9h以后收率达到最高，且随时间的延长，收率保持稳定，确定反应时间为10h是经济合理的（图4）。4水的用量对水解收率的影响以正交试验及单一因素试验确定的条件进行试验，反应温度为140℃，氧化钙的量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的2倍，加入不同倍数的水量进行反应10h，反应完成后滤出固体，检测溶液中草铵膦含量，计算收率（表2）。

表2

水的用量对水解收率的影响水加入量对反应收率的影响较小，水量较低时反应体系含固量较大，搅拌不均匀，收率降低，同时转料、过滤等操作困难，水量在35倍以上时，收率基本稳定。水量过大，造成溶液中残留碳酸钙增多，因此采用35倍水较为合理，所得原药中钙的残留量极低，不影响原药溶液的澄清度（表2）。5碳酸钙焙烧温度的选择碳酸钙的分解温度900℃左右，草铵膦水解后过滤出碳酸钙，110℃烘干除去水分，再用电阻炉不同温度焙烧5h，检测氧化钙含量（表3）。

表3

碳酸钙焙烧成氧化钙试验数据碳酸钙在800℃以下很难完全分解成氧化钙，800℃以上分解较快，焙烧5h，氧化钙含量达到99%以上，可以实现碳酸钙的循环利用。工业生产过程中，在焙烧碳酸钙的过程中，可以回收二氧化碳以达到循环利用（表3）。结论通过实验确定了一种合成草铵膦的绿色工艺，以海因衍生物为原料，经氧化钙水解，二氧化碳除钙盐，溶液蒸除水后甲醇结晶得到草铵膦。