連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)合成三乙膦酸鋁

孫麗梅，李林虎，徐 寧

（利民化學(xué)有限責(zé)任公司，江蘇徐州221400）

三乙膦酸鋁是一種有機磷類高效、廣譜、內(nèi)吸性低毒殺菌劑，具有雙向傳導(dǎo)功能兼有保護(hù)和治療作用。適用三乙膦酸鋁的作物非常廣泛，可防治由單軸霉屬、霜霉屬、疫霉屬引起各種病害的果樹、蔬菜、花卉及經(jīng)濟(jì)作物。該藥內(nèi)吸滲透性強，持效期較長，使用安全，市場需求量巨大。

據(jù)文獻(xiàn)及專利報道[1-4]，合成三乙膦酸鋁原藥的方法是以三氯化磷、乙醇為原料，經(jīng)酯化反應(yīng)制得亞磷酸二乙酯。亞磷酸二乙酯和氨水通過胺化反應(yīng)生成亞磷酸二乙基銨鹽，然后與硫酸鋁進(jìn)行復(fù)分解反應(yīng)得到。

在傳統(tǒng)釜式和間歇式反應(yīng)中，由于酯化反應(yīng)放熱劇烈，易造成局部過熱或系統(tǒng)飛溫現(xiàn)象，存在反應(yīng)失控風(fēng)險。在生產(chǎn)上需要使用冷凍鹽水進(jìn)行降溫，該方式能源消耗大，設(shè)備要求高。在有水、強酸性及溫度高的條件下，隨著反應(yīng)時間的延長，亞磷酸二乙酯極易分解，副產(chǎn)物多。胺化反應(yīng)工藝目前多采用滴加過量的氨水或亞磷酸二乙酯的間歇式生產(chǎn)方式，其造成原料的浪費且反應(yīng)時間長達(dá)9 h以上[3]，影響生產(chǎn)效率的提高。目前市場報道產(chǎn)品總收率最高為95%，含量為98%[3]，原料的不充分反應(yīng)造成三廢排放量大，給環(huán)保處理造成困難，亦不利于綠色清潔化生產(chǎn)。

連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)以其獨特的微通道結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對傳質(zhì)與傳熱過程的強化，大幅縮短了反應(yīng)時間，提高了反應(yīng)效率，同時顯著提高了體系溫度和濃度的均一性及可控性，極大緩解了局部過熱或反應(yīng)物濃度過大的問題，降低了副反應(yīng)的發(fā)生，提升了反應(yīng)的本質(zhì)安全。使用連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)對各種有機反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化已然成為新興有機合成的研究熱點[4-5]。筆者重點利用連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)在傳質(zhì)和傳熱方面的優(yōu)勢，開發(fā)出一種條件溫和、反應(yīng)效率高、轉(zhuǎn)化率高，適宜工業(yè)化生產(chǎn)的綠色合成三乙膦酸鋁新工藝（圖1）。

圖1 三乙膦酸鋁合成路線

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

SPD-20A型高效液相色譜儀，日本島津公司；ICS-1100型離子色譜儀，美國賽默飛世爾科技公司；BUCHI R-100型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，瑞士步琦有限公司；SiC微通道反應(yīng)器，法國康寧公司；JY1002型電子天平，上海浦春計量儀器有限公司；QHJ-256B型機械攪拌，常州澳華儀器有限公司；GG-17型四口燒瓶，四川蜀玻（集團(tuán)）有限責(zé)任公司；HH-1型恒溫水浴鍋，常州澳華儀器設(shè)備有限公司；SHI-D（Ⅲ）真空泵，鞏義市予華儀器有限公司；DFY-5/40型低溫循環(huán)制冷機，上海予華儀器設(shè)備有限公司。

三氯化磷（純度99.0%），江蘇天源化工有限公司；無水乙醇（純度99.0%），新沂花廳酒廠；氨水（純度30.0%），新沂華陽金屬有限公司；硫酸鋁（純度99.0%），淄博光正鋁鹽化工公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 連續(xù)流微通道反應(yīng)器中合成中間體1

將1 mol三氯化磷置于儲液瓶A中，3 mol無水乙醇置于儲液瓶B中。設(shè)置反應(yīng)溫度為20℃，分別將A、B瓶中的物料按流速比1∶2泵入微通道反應(yīng)器中，停留反應(yīng)時間為2 s，收集液體產(chǎn)物，HPLC監(jiān)控反應(yīng)完全。液體產(chǎn)物經(jīng)氣液分離，回收氯化氫和氯乙烷氣體，得到中間體1為136.8 g，純度為99.5%，收率為98.6%。

1.2.2 連續(xù)流微通道反應(yīng)器中合成中間體2

將上一步得到的中間體1置于儲液瓶C中，1.03 mol的30%氨水置于儲液瓶D中。設(shè)置反應(yīng)溫度為35℃，分別將C、D中的物料按流速比1∶1.06泵入微通道反應(yīng)器中，停留反應(yīng)時間為10 s，收集液體產(chǎn)物，HPLC監(jiān)控反應(yīng)完全。負(fù)壓回收乙醇，得到中間體2為125.7 g，純度為99.0%，收率為99.4%。

1.2.3 三乙膦酸鋁產(chǎn)品的合成

向中間體2中滴加濃硫酸調(diào)節(jié)pH至5.5，加入0.17 mol硫酸鋁，于80℃保溫反應(yīng)1 h，降溫至20℃以下抽濾，濾餅淋洗、干燥后得三乙膦酸鋁為117.6 g，純度為98.8%，產(chǎn)品總收率為98.5%。

2 結(jié)果與分析

根據(jù)目前三乙膦酸鋁的合成工藝[1-3]和實驗室前期工作，在應(yīng)用連續(xù)流微通道反應(yīng)技術(shù)合成三乙膦酸鋁的過程中，筆者考察了反應(yīng)停留時間、溫度對反應(yīng)結(jié)果的影響，并優(yōu)化了工藝條件。

2.1 反應(yīng)停留時間的優(yōu)化

2.1.1 中間體1反應(yīng)停留時間的優(yōu)化

微通道反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)模塊數(shù)為6塊，反應(yīng)區(qū)總體積為36 mL。儲液瓶A為11.45 mmol/L的三氯化磷，儲液瓶B為17.14 mmol/L的無水乙醇。A、B泵流速比設(shè)置為1∶2，分別泵入微通道反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)溫度設(shè)為0℃[3]，停留時間分別設(shè)為2、4、6、8、10 s，研究停留時間對中間體1含量的影響。

從圖2可以看出，在微通道反應(yīng)器中，三氯化磷和無水乙醇的反應(yīng)速率大幅提高，數(shù)秒內(nèi)即可完成反應(yīng)。隨著反應(yīng)停留時間的延長，中間體1的含量逐漸降低。因此，優(yōu)選反應(yīng)停留時間為2 s。

圖2 停留時間對中間體1含量的影響

2.1.2 中間體2反應(yīng)停留時間的優(yōu)化

微通道反應(yīng)器反應(yīng)區(qū)模塊數(shù)為8塊，反應(yīng)區(qū)總體積為48 mL。儲液瓶C為7.76 mmol/L的中間體1，儲液瓶B為7.65 mmol/L的30%氨水。C、D泵流速比設(shè)置為1∶1.06，分別泵入微通道反應(yīng)器進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)溫度設(shè)為50℃[4]，停留時間分別設(shè)為2、5、10、15、20 s，研究停留時間對中間體2轉(zhuǎn)化率的影響。

從圖3可以看出，在微通道反應(yīng)器中，中間體2在10 s時轉(zhuǎn)化率即可達(dá)到100%，合成時間從6～9 h[3]縮短至秒級單位內(nèi)，從生產(chǎn)效率和能耗角度考慮，中間體2的合成優(yōu)選反應(yīng)停留時間為10 s。

圖3 停留時間對中間2轉(zhuǎn)化率的影響

2.2 反應(yīng)溫度的優(yōu)化

分別采用2.1.1和2.1.2的微通道反應(yīng)系統(tǒng)和優(yōu)化的反應(yīng)停留時間，研究了反應(yīng)溫度對中間體1含量和中間體2轉(zhuǎn)化率的影響。表1可見，溫度低于20℃時，中間體1含量均大于99.5%；溫度高于30℃時，中間體1分解加快，含量降低，故優(yōu)選反應(yīng)溫度為20℃。

表1 反應(yīng)溫度對中間體1含量的影響

從表2可以看出，合成中間體2時，反應(yīng)溫度為35℃，中間體2轉(zhuǎn)化率可達(dá)100%。

表2 反應(yīng)溫度對中間體2轉(zhuǎn)化率的影響

3 結(jié) 論

筆者采用連續(xù)流微反應(yīng)技術(shù)，在反應(yīng)溫度為20℃，反應(yīng)停留時間2 s時合成中間體1；反應(yīng)溫度為35℃，反應(yīng)停留時間10 s時合成中間體2，經(jīng)復(fù)分解反應(yīng)得到三乙膦酸鋁，產(chǎn)品純度和收率均達(dá)到98%以上。連續(xù)流技術(shù)與傳統(tǒng)釜式間歇式反應(yīng)相比，速度更快，轉(zhuǎn)化率更高，顯著降低了副反應(yīng)的發(fā)生，同時提升了安全性，符合綠色化工的發(fā)展方向。