乙烯利多步連續合成工藝研究

殷 俊 張傳好 袁振文 張一聞 時巍平 廖本仁

上海試四化學品有限公司 （上海 201500）

乙烯利是重要的環保型植物生長調節劑，被廣泛應用于水稻、小麥、高粱、棉花、油菜、甘蔗、番茄、香蕉、菠蘿、橡膠、煙草等糧食和經濟作物[1-2]。

乙烯利化學名稱為2-氯乙基膦酸。首先，以環氧乙烷（EO）和三氯化磷（PCl3）為起始原料，在30～50 ℃下發生酯化反應，生成中間體三-（2-氯乙基）亞磷酸酯；然后在200 ℃下進行高溫Michaelis-Arbuzov 重排反應，生成中間體2-氯乙基膦酸二（2-氯乙基）酯；最后通入氯化氫，在140～160 ℃下發生酸解反應，生成最終產物乙烯利[3-4]。

傳統釜式工藝中，酯化反應會劇烈放熱，反應釜體積大而比表面積小造成換熱效率低下，使得反應釋放的熱量往往難以快速與冷卻劑進行熱交換[5-6]。反應釜內存在物料之間混合效果差的問題，導致反應液局部過熱，加劇了副反應，產生較多的雜質，使得最終乙烯利產品質量下降。另外，環氧乙烷在空氣中極易發生爆燃，釜內溫度過高會引起較大的安全事故。Michaelis-Arbuzov 重排反應釜式工藝也存在以下不足：（1）由于該重排反應為強放熱反應，大量物料反應時累積熱量，導致反應過程中溫度不易控制，經常飛溫并產生大量氣體，易發生沖料現象[5-8]；（2）過高的反應溫度導致分子間重排反應加劇，無法控制反應的選擇性，得到的2-氯乙基膦酸二（2-氯乙基）酯的含量較低；（3）釜中產生的大量反應熱無法及時移除，反應釜存在爆炸的危險，生產過程中的安全性得不到保障；（4）采用間歇反應時需要不斷地進行人工進料，提高了生產成本。

超限制造技術是將最前沿的超快激光技術應用于先進制造領域，利用新型超快光場調控技術，精密控制超快激光與不同材料（金屬、半導體、晶體、玻璃、有機和生物材料等）的相互作用，進行精密拋光、表面微納結構處理、表面修飾改性、精密鉆孔，或者在透明介質內部制備和集成微流控芯片、光子學芯片等功能性芯片與器件的技術[9-12]。本課題以乙烯利合成酯化反應和重排反應為研究對象，采用以超限制造技術制造的特殊結構的芯片反應器組裝成套反應裝置，開展連續酯化反應和重排反應。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

環氧乙烷（w≥99.9%），工業品，泰興金燕化學科技有限公司；三氯化磷（w≥99.9%），安徽生力農化有限公司；氯化氫（w≥99.9%），青島眾合威泰貿易有限公司。

1.2 主要儀器設備

反應芯片，華東師范大學；成套反應裝置，合臣科技（上海）有限公司；Agilent 7890A 氣相色譜儀，安捷倫科技（中國）有限公司。

1.3 分析方法

三氯化磷分析參照HG/T 2970—2009《工業用三氯化磷》進行；環氧乙烷分析參照GB/T 13098—2006《工業用環氧乙烷》進行；氯化氫分析參照GB/T 14602—2014《電子工業用氣體 氯化氫》進行；乙烯利分析參照GB 24750—2009《乙烯利原藥》進行。酯化反應的中間體和重排反應中間體采用氣相色譜法進行跟蹤分析。

1.4 實驗步驟

反應方程式：

1.4.1 酯化反應

原料環氧乙烷和三氯化磷分別從儲罐（通過專用泵準確計量）連續輸送至微反應器進行反應，保持一定反應溫度、壓力及停留時間，得到的酯化產物三-（2-氯乙基）亞磷酸酯進入產品罐儲存。

酯化反應具體流程如圖1 所示。

圖1 連續酯化反應流程

1.4.2 Michaelis-Arbuzov 重排反應

將酯化反應產物三-（2-氯乙基）亞磷酸酯經泵連續定量輸送至預處理單元，處理后的三-（2-氯乙基）亞磷酸酯再經專用泵定量輸送至重排反應器進行連續重排反應，經一定溫度、壓力、停留時間得到重排產物2-氯乙基膦酸二（2-氯乙基）酯，冷卻后進入重排產品儲罐。

重排反應具體流程如圖2 所示。

圖2 乙烯利連續重排反應流程

2 結果與討論

2.1 酯化反應

2.1.1 酯化反應溫度的影響

環氧乙烷與三氯化磷反應放出大量的熱量，使得反應液溫度升高。工業生產中通常將環氧乙烷氣體緩慢通入到三氯化磷液體中并劇烈攪拌，反應溫度嚴格控制在30～50 ℃，以避免局部高溫造成副反應增多及物料溫度過高發生沖料帶來的安全隱患。設定三氯化磷與環氧乙烷物質的量比為1∶3.5，壓力為1 MPa，流速為2 mL/min，停留時間為15 min，考察不同溫度下反應產物含量的變化，結果如圖3所示。

圖3 不同溫度對產品的影響

從圖3 來看，溫度升高使得反應副產物增加，隨著溫度的降低，三-（2-氯乙基）亞磷酸酯的量不斷升高，副產物相應減少。溫度降低至-10 ℃時，三-（2-氯乙基）亞磷酸酯含量下降，說明大部分環氧乙烷并沒有參與反應。經文獻調研得知，溫度較低時，由于能量降低，反應變慢，所以原料的轉化率大幅降低。根據實驗結果，將-4 ℃作為反應的合適溫度。

2.1.2 酯化反應原料配比的影響

條件實驗考察過程中，副產物的含量相對較高，可能是環氧乙烷用量過多造成的，也可能是停留時間過長導致的。選擇總流量為2 mL/min，停留時間為15 min，反應溫度為-4 ℃，壓力為0.5 MPa，考察了三氯化磷和環氧乙烷不同物質的量比對反應的影響，結果如圖4 所示。

圖4 不同原料配比對產品的影響

從圖4 來看，隨著環氧乙烷量的增多，三-（2-氯乙基）亞磷酸酯質量分數先升高后降低，在n（PCl3）∶n（EO）=1∶3.2 時達到最高；副產物量先降低后升高，在n（PCl3）∶n（EO）=1∶3.2 時最低。在n（PCl3）∶n（EO）=1∶3.2 的基礎上降低環氧乙烷量時，產品中三-（2-氯乙基）亞磷酸酯含量降低，副產物含量略微升高；測定產品pH，發現得到的產品呈現酸性，分析原因為環氧乙烷不足，導致反應不完全，不符合工業化要求。在n（PCl3）∶n（EO）=1∶3.2的基礎上增加環氧乙烷量時，副產物越來越多。這是由于部分三-（2-氯乙基）亞磷酸酯與環氧乙烷繼續發生反應，使得副產物的量增加。從實驗結果分析，三氯化磷與環氧乙烷的物質的量比為1∶3.2 較為合適。根據微反應器的特性，還可以通過控制反應時間減少副產物的生成。

2.1.3 酯化反應停留時間的影響

在流體化學中，反應液在管道中的停留時間即為反應時間。對于大多數反應而言，停留時間影響反應的轉化率與選擇性。停留時間過短會使原料轉化不完全，過長則會導致反應產物與其他物質進一步發生反應，生成副產物。選擇三氯化磷與環氧乙烷物質的量比為1∶3.2，總流量為2 mL/min，反應溫度為-4 ℃，壓力為0.5 MPa，考察三氯化磷與環氧乙烷停留時間對反應的影響，結果如圖5 所示。

圖5 不同停留時間對產品的影響

從圖5 來看，由于環氧乙烷過量，當三-（2-氯乙基）亞磷酸酯達到一定量時，停留時間延長使得其繼續與環氧乙烷發生反應，停留時間過短時也出現了和上面實驗相同的結果，即產物含量較高，但大部分三氯化磷還沒有反應，不滿足產業化要求。綜合考慮，反應停留時間以13 min 為宜。

2.1.4 酯化反應總流量的影響

絕大多數反應應用于實際生產時會經歷逐級放大過程，部分會因放大效應而出現選擇性下降。對于微反應系統而言，通過反應總流量變化對反應放大的影響可以直觀了解該反應的放大效應。選擇三氯化磷與環氧乙烷物質的量比為1∶3.2，反應溫度為-4 ℃，壓力為0.5 MPa，停留時間為13 min。考察反應總流量變化對反應的影響，結果如圖6 所示。

圖6 不同總流量對產品的影響

通過圖6 可以看出：流量的增加使得混合加強，有利于反應的進行；流量過大時，單位時間內的放熱量提升，反應體系內部分環氧乙烷汽化導致副反應增多。通過多次實驗考察，發現該體系中流量控制在1.5～2.0 mL/min 為佳。

2.1.5 裝置長周期運行穩定性考察

環氧乙烷在標準大氣壓下的沸點為10.6 ℃，在室溫下極易發生汽化，因此，環氧乙烷儲罐帶有0.4 MPa 的壓力。在實驗過程中發現，倘若體系不加壓力，則在其出口段，溫度升高及反應放熱使得環氧乙烷汽化，導致反應不可控制。綜合考慮，體系應當帶壓，為了使其保持液態，便于控制反應的停留時間，體系壓力設為0.5 MPa 即可。

綜上所述，酯化反應的較佳條件為：三氯化磷與環氧乙烷物質的量比為1∶3.2，總流量為1.5～2.0 mL/min，反應溫度為-4 ℃，體系壓力為0.5 MPa，停留時間為13 min。

為了驗證該工藝條件的穩定性和可靠性，進行24 h 長周期運行，結果如圖7 所示。

圖7 長周期運行考察結果

實驗裝置長周期穩定運行中取樣檢測，基本無三氯化磷殘留，三氯化磷平均轉化率可達99.9%；產物方面，裝置運行30 min 后產物質量分數能穩定在95%以上，以三氯化磷計算的反應選擇性達95%。在連續流工藝的進料中，三氯化磷與環氧乙烷物質的量比為1∶3.2，二者進料質量比為0.989 7∶1。進料中環氧乙烷的質量分數為0.502 6，因此，以單獨亞酯計算的環氧乙烷單耗為0.502 6/0.94=0.53，以亞酯和正酯作為乙烯利中間體計算的環氧乙烷單耗為0.502 6/0.98=0.51。

2.2 重排反應

2.2.1 重排溫度對反應的影響

三-（2-氯乙基）亞磷酸酯在重排反應過程中放熱明顯，在不加溶劑的情況下，間歇反應釜溫度不易控制，短時間內可由160 ℃飆升至250 ℃，導致副反應多，選擇性低。微通道反應器具備高傳質、傳熱效果，可實現熱量、濃度分布和各物料停留時間分別精確控制。以微通道裝置考察了0.8 MPa 下，190 和195 ℃下三-（2-氯乙基）亞磷酸酯的重排情況，結果如圖8 所示。

圖8 不同溫度下重排反應結果

從圖8 可以看出：停留時間相同時，190和195℃的反應選擇性相近，但在轉化率方面，195 ℃時明顯高于190 ℃時；兩個溫度下，選擇性隨停留時間的延長逐漸降低，停留時間超過40 min 時，選擇性開始低于95%。為了保證反應選擇性，選擇停留時間40 min、壓力0.8 MPa，進一步考察了190～220 ℃區間溫度對反應的影響，結果如表1 所示。

表1 不同溫度下重排反應結果

從表1 可以看出，隨著溫度的升高，反應轉化率逐漸升高，200 ℃時達99.5%，當高于210 ℃時轉化率達100%。在190～210 ℃之間，隨溫度升高，反應選擇性逐漸升高；超過210 ℃時，繼續升高溫度，反應選擇性逐漸降低。進一步分析上述結果，認為超過210 ℃時，分子間聚合等副反應增多，導致選擇性下降。綜合考慮選擇性和轉化率，重排反應溫度宜控制在200～210 ℃。

2.2.2 重排停留時間對反應的影響

重排反應溫度高，無論是原料還是產物都不宜停留時間過長，否則會發生部分副反應，從而影響反應收率和產品質量。在210 ℃、0.8 MPa 條件下考察了不同停留時間對反應的影響，結果如圖9 所示。

圖9 停留時間對重排反應的影響

從圖9 可以看出，當停留時間小于15 min 時，轉化率隨停留時間的延長不斷提高；當停留時間大于等于15 min 時，轉化率接近100%，基本無原料殘留。隨著停留時間的延長，反應的選擇性呈緩慢下降的趨勢，當停留時間小于等于15 min 時，選擇性大于98%。綜合考慮選擇性和轉化率，重排反應最佳停留時間為15 min。

2.2.3 重排裝置長周期運行評價

通過對重排反應溫度、停留時間的優化，確定了重排最佳條件為：壓力0.8 MPa、反應溫度200～210℃，停留時間15 min。為了驗證該工藝條件的穩定性和可靠性，采用96.5%的三-（2-氯乙基）亞磷酸酯為原料，使重排裝置連續運行24 h，結果如圖10 所示。

圖10 重排裝置24 h 連續運行結果

從圖10 可以看出，反應開啟后的第15 min 和第30 min，反應選擇性和產物含量略微偏低，設備運行至60 min 后，反應選擇性和產物含量均趨于穩定。裝置穩定運行后，產物質量分數保持在94.6%以上，反應選擇性保持在98%以上。

3 結語

對利用微反應芯片技術設計組裝的乙烯利連續合成裝置進行酯化反應和重排反應的考察表明，裝置穩定性良好。相較于釜式間歇工藝，該套裝置物料持液體積小、換熱效率高，對于使用易燃易爆易腐蝕性物料的酯化反應和高溫重排反應具有較好的安全保障。該裝置占地面積小，經測算，裝置主體設備占地面積僅25 m2，相較于釜式設備具有占地少、自動化程度高的優點。

研究了乙烯利合成的酯化反應和重排反應連續合成工藝，乙烯利合成最后一步反應——酸解反應屬于慢反應，如果直接應用微反應芯片裝置進行酸解反應，芯片組需求量多，裝置投資巨大。本課題組正通過強化反應條件的方式，以較低的投資利用微反應芯片實現酸解反應的連續化，屆時將實現乙烯利的三步連續合成，對于乙烯利及同類型反應具有一定的借鑒意義。