2-氨基-1，3，4-噻二唑綠色制備工藝研究

霍二福，程偉琴，馮明，王延花，劉晨義，王柏楠，朱冰，王宏力，

(1.河南省化工研究所有限責任公司，河南 鄭州 450052；2.河南省科學院質量檢驗與分析測試研究中心，河南 鄭州 450008；3.平頂山市銘源化工有限公司，河南 平頂山 467002；4.河南應用技術職業學院，河南 鄭州 450042)

氨基硫脲是一種重要農藥和醫藥中間體[1]，主要用于合成敵桔雙、葉青雙、殺草強、噻二唑類除草劑、川化-018殺菌劑和磺胺類藥物等[2-8]。氨基硫脲是制備2-氨基-1，3，4-噻二唑和陽離子藍X-BL的原料，目前普遍采用中和法生產，以硫氰酸銨和水合肼為原料，采用大量的鹽酸中和副產氨氣，產生大量高濃度氯化銨廢水[9-12]；未反應的硫氰酸銨和水合肼不僅導致資源浪費、污染環境，還增加廢液的處理成本。因此，需要開發綠色的制備工藝解決現用工藝存在的問題。本文采用排氨法制備氨基硫脲，將副產氨氣直接進入尾氣吸收塔，制備成氨水，代替液堿，應用于中和工序，從源頭上消除了廢水產生。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硫氰酸銨、丙酮、水合肼(80%)、甲酸、鹽酸、焦亞硫酸鈉、氫氧化鈉等均為工業級；高純氦氣(純度為99.999%)。

IR Affinity-1傅里葉變換紅外光譜儀；400 MHz NMR超導核磁共振波譜儀；XR4A顯微熔點儀；Agilent 1260高效液相色譜儀；GCMS-QP2010UItra氣相色譜-質譜聯用儀；ZNCL-T5000ML智能磁力加熱套；SHZ-D循環水式真空泵；DF101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器；DL30-700循環冷卻器；2XZ-4C真空泵。

高效液相色譜儀測試條件：流動相為水6%，乙腈94%，流速1 mL/min，進樣量10 μL，柱溫35 ℃，檢測波長235 nm。

1.2 排氨法實驗方案

現用工藝是采用硫氰酸銨和水合肼為原料生產氨基硫脲，制備過程中產生大量的氨氣，需要使用大量的鹽酸進行中和，產生含有大量氯化銨的廢水。以氨基硫脲、鹽酸和甲酸為原料，制備2-氨基-1，3，4-噻二唑過程中需要使用大量的氫氧化鈉溶液中和反應液中的鹽酸和甲酸。

針對氨基硫脲和2-氨基-1，3，4-噻二唑生產過程中存在的上述問題，采用排氨法將制備氨基硫脲過程中產生的大量副產氨氣排出反應體系，通過氨吸收塔制備氨水，代替液堿，應用于制備2-氨基-1，3，4-噻二唑過程中的中和工序，實現生產過程中的副產氨氣高效回收、利用。

新生產工藝裝置見圖1，將原料硫氰酸銨和水合肼加入到反應釜Ⅰ中，開啟加熱及攪拌，當反應釜溫度升溫至80～85 ℃時，打開空氣泵排氨氣；當反應釜Ⅱ(2-氨基-1，3，4-噻二唑合成釜)中的反應不需要使用氨氣中和時，關閉閥門Ⅰ，打開連通反應釜Ⅰ與氨吸收塔的閥門Ⅱ，將副產氨氣通入氨吸收塔中制備成氨水備用。當反應釜Ⅰ中的氨氣排出量接近于理論量的80%～90%時，關閉空氣泵，打開回流冷凝器開關，關閉連通反應釜Ⅰ與反應釜Ⅱ的閥門Ⅰ、連通反應釜Ⅰ與氨吸收塔的閥門Ⅱ、以及連通反應釜Ⅱ與氨吸收塔的閥門Ⅲ，降溫，加鹽酸中和，減壓下反應30 min，加適量的丙酮和水，加熱，進行異構化反應一定時間后，冷卻、離心、干燥，得產品氨基硫脲。

圖1 副產氨的回用工藝圖Fig.1 The process flow chart of recycling of by-product ammonia

向反應釜Ⅱ中加入氨基硫脲、鹽酸和甲酸，開啟加熱，升溫至75～85 ℃，待固體全溶解后，繼續升溫至105～115 ℃，回流4 h。冷卻，關閉連通反應釜Ⅰ與氨吸收塔的閥門Ⅱ，打開連通反應釜Ⅰ與反應釜Ⅱ的閥門Ⅰ，通入氨氣，進行中和；若氨氣量不足，打開連通反應釜Ⅱ與氨吸收塔的閥門Ⅲ，將氨氣吸收塔中的氨水加入反應釜Ⅱ中，調pH至8～9；反應液冷卻至15 ℃，離心，干燥，得產品2-氨基-1，3，4-噻二唑。

1.3 氨基硫脲綠色制備工藝

1.4 2-氨基-1，3，4-噻二唑綠色制備工藝

2 結果與討論

2.1 氨基硫脲綠色制備工藝優化

影響氨基硫脲產率及產品品質的因素有硫氰酸銨與水合肼的投料摩爾比、排氨時間、回流時間、丙酮用量和反應母液循環利用等。

2.1.1 投料比對反應效果的影響 以硫氰酸銨與水合肼為原料，其它條件不變，投料摩爾比對反應效果的影響見表1。

表1 投料摩爾比對反應效果的影響Table 1 The influence of feed ratio on reaction effect

由表1可知，投料比不僅影響產率，還影響產品品質。當硫氰酸銨與水合肼的摩爾比為1∶0.7時，氨基硫脲產率和產品品質較好。

2.1.2 排氨時間對反應效果的影響 保持其它反應條件不變，考察排氨時間對產品產率和品質的影響，結果見表2。

表2 排氨時間對反應效果的影響Table 2 The influence of aeration time on reaction effect

由表2可知，排氨時間過短或過長時，反應效果都不佳。排氨時間過短，硫氰酸銨與水合肼反應不完全，未全部生成硫氰酸肼中間體，導致產品產率偏低；排氨時間過長，硫氰酸肼不穩定[13-14]，發生分解，反應副產物增多，產品產率降低，產品品質較差。排氨時間為4 h時反應效果最佳。

2.1.3 回流時間對反應效果的影響 保持其它條件不變，加入異構化劑丙酮后，回流時間對產率和產品品質的影響見圖2。

圖2 回流時間對氨基硫脲產品品質的影響Fig.2 The effect of reflux time on the quality of thiosemicarbazone products

由圖2可知，在反應初期時，隨著回流時間增加，產品含量提高；當回流時間超過3 h后，隨著回流時間延長，副產物增多，產品品質急劇下降。因此，最佳回流時間為3 h。

2.1.4 異構化劑丙酮加入量對反應效果的影響 保持其它條件不變，異構化劑丙酮的加入量對產率和產品品質的影響見表3。

表3 丙酮加入量對反應效果的影響Table 3 Effect of acetone addition on the reaction effect

圖3 氨基硫脲的紅外光譜圖Fig.3 Infrared spectra of thiosemicarbazone

2.1.5 反應母液循環利用對反應效果的影響 由于硫氰酸銨和水合肼在反應母液中對環境造成較大的污染，導致污水處理成本增加。因此，探索反應母液循環利用的方法，減少廢液的產生量，降低生產和廢液處理成本。在現用工藝中需要補加一定量的水，丙酮縮氨基硫脲水解成氨基硫脲，同時為了避免反應過程中反應液變稠而影響反應效果。結合生產實際情況，在硫氰酸銨與水合肼的摩爾比為1∶0.7情況下，采用反應母液代替水加入反應液中，考察反應母液循環利用的可行性，結果見表4。

表4 反應母液循環利用對反應效果的影響Table 4 Effect of the reaction mother liquid recycling on the reaction effect

由表4可知，反應母液與水的加入質量比為 1∶1 時，產率變化不大，且產品質量穩定，加入的反應母液對反應基本沒有影響。反應母液與水的加入比例提高到2∶1時，產率有較大提高，產品品質保持穩定；這是因為反應母液循環使用后，反應母液中未完全反應的水合肼和硫氰酸銨繼續反應，因此收率有較大的提高。反應母液與水的加入比例提高為 3∶1 時，產率有較大提高，產品品質有所下降。這是由于反應母液中未完全反應的水合肼和硫氰酸銨繼續反應，因此收率有較大的提高，反應母液加入過多時，異構化劑丙酮的量就會過多，副產物丙酮縮氨基硫脲的含量增加，在制備2-氨基-1，3，4-噻二唑時會影響其產率及品質。因此，優選反應母液與水的加入質量比為2∶1。

2.2 2-氨基-1，3，4-噻二唑綠色制備工藝優化

2.2.1 投料比對反應效果的影響 氨基硫脲投料量為92 kg，反應時間6 h，在其它反應條件不變的情況下，考察氨基硫脲和甲酸摩爾比對實驗的影響，結果見表5。

表5 反應投料比對反應效果的影響Table 5 The influence of reaction feed ratio on reaction effect

由表5可知，隨著甲酸用量的增加，產率略有提高，當氨基硫脲與甲酸的摩爾投料比≥1∶1.1后，再增大甲酸的投料量對產率沒有影響。因此，氨基硫脲∶甲酸=1∶1.1 (摩爾比)為最佳。

2.2.2 鹽酸投料量對反應效果的影響 鹽酸在該反應過程中起催化劑的作用，在合環反應時為羰基活化提供質子，為反應提供酸性環境，從而使反應順利進行。氨基硫脲投料量為92 kg，反應時間6 h，氨基硫脲與甲酸的摩爾比為1∶1.1，其它反應條件不變，考察鹽酸投料量對反應效果的影響，結果見表6。

表6 鹽酸投料量對反應效果的影響Table 6 Influence of hydrochloric acid dosage on reaction effect

由表6可知，隨著鹽酸加入量的增加，產品產率和產品品質提高，當鹽酸加入量為80 L時，產品的產率和品質最好；繼續加大鹽酸的投入量，產品產率和品質略有降低，反應結束后調pH所用的堿量增加，反應廢液含鹽量更高，處理成本增加。因此，選擇80 L的鹽酸加入量為最佳。

2.2.3 反應時間對反應效果的影響 實驗結果見表7。

表7 反應時間對反應效果的影響Table 7 The influence of reaction time on yield of products

由表7可知，反應時間過短或過長時，反應效果都不佳。反應時間過短，反應不完全，產率偏低；反應時間過長，反應副產物增多，產率降低，產品品質下降。反應時間5 h時反應效果最佳。

2.2.4 中和反應所用堿的種類對產品品質的影響 為了利用氨基硫脲生產過程中的副產氨氣，將副產的氨水或氨氣代替氫氧化鈉溶液用于制備2-氨基-1，3，4-噻二唑過的中和工序，實驗結果見表8。

表8 不同的堿液中和對產品的影響Table 8 The influence of different lye neutralization on the product

由表8可知，采用氨水或氨氣與氫氧化鈉溶液調節反應液的pH相比，所得產品的產率略有提高，而產品含量有較大提升，對于提高2-氨基-1，3，4-噻二唑的下游的品質及其市場競爭力具有重要意義。因此，副產氨氣回收利用技術具有重要的推廣應用價值。

2.3 新生產工藝的效果

以510 kg硫氰酸銨為起始原料，采用現用生產工藝和新工藝制備氨基硫脲和2-氨基-1，3，4-噻二唑，對比實驗效果見表9。

表9 新生產工藝的效果Table 9 Effect of new production process

采用現用生產工藝生產氨基硫脲和2-氨基-1，3，4-噻二唑需要使用鹽酸為490 kg，廢水產生量為 1 200 kg；采用新生產工藝，鹽酸使用量為 78.4 kg，廢水產生量為442 kg，鹽酸使用量減少84%，廢水中NH4Cl的含量減少86%，廢水產生量減少63%。

3 結論

(1)通過排氨法將氨基硫脲生產過程中的大量副產氨氣回收、利用，代替液堿，用于制備2-氨基-1，3，4-噻二唑的反應母液中和，實現氨基硫脲和 2-氨基-1，3，4-噻二唑的收率和產品純度的提升，鹽酸使用量減少84%，廢水中NH4Cl的含量減少86%，廢水產生量減少63%，大幅度降低高鹽、高COD廢水的產生量，降低生產成本，實現清潔生產。

(2)制備氨基硫脲的最佳工藝條件：硫氰酸銨和水合肼摩爾比1∶0.7，排氨時間為4 h，回流反應時間為3 h，異構化劑丙酮加入量為7 kg，反應母液與水的加入為2∶1，實現了產品產率和品質的提升，氨基硫脲產率為93.47%，純度99.92%。

(3)制備2-氨基-1，3，4-噻二唑的最佳工藝條件：氨基硫脲∶甲酸=1∶1.1(摩爾比)，鹽酸加入量為80 L，反應時間為5 h，用氨水或氨氣代替氫氧化鈉溶液調節反應液的pH，所得產品的產率和純度有較大提高，產率87.41%，純度99.90%。探明了氨基硫脲生產母液循環使用工藝條件，在硫氰酸銨與水合肼的投料比為1∶0.7情況下，反應母液與水的加入質量比為2∶1，避免了反應母液中未反應的硫氰酸銨和氨基硫脲產品對環境產生的污染，為工業化實施提供技術支撐。