2-氯-5-三氟甲基吡啶的綠色合成工藝優化研究

2-氯-5-三氟甲基吡啶是一類重要的含氟農藥中間體，被廣泛應用于新型殺蟲劑、除草劑的合成。然而，傳統合成工藝存在溶劑毒性大、催化劑用量多、三廢排放量大等問題，與當前綠色化學發展理念相悖。因此，開發環境友好、經濟可行的合成工藝具有重要意義。擬通過溶劑替代和催化體系優化，結合完整的三廢處理方案，建立一套綠色可行的工業化合成工藝。

1材料與方法

1.1 實驗材料

實驗藥品：2-氯吡啶（分析純， 98% ，阿拉丁）;三氟乙酸酐（分析純， 99% ，百靈威）；乙腈（優級純，99.9% ，國藥集團）；乙醇（分析純， 99.7% ，國藥集團）；乙酸乙酯（分析純， 99.5% ，國藥集團）;去離子水、硫酸（分析純， 98% ，國藥集團）；三氟甲磺酸（分析純， 99% ，阿拉丁）。

儀器設備：高效液相色譜儀Agilent1260-DAD，美國安捷倫科技有限公司；氣相色譜儀Agilent7890B-FID，美國安捷倫科技有限公司；核磁共振波譜儀Bruker 400MHz ，德國布魯克公司；電子天平ME204E（精度 0.0001g^? ），瑞士梅特勒-托利多公司；恒溫水浴鍋HH-4（溫度范圍：室溫 ～100‰ ），上海一恒科技有限公司；萬能攪拌器RW20digital，德國IKA公司；旋轉蒸發儀 RE-2 000A ，上海亞榮生化儀器廠；循環水真空泵SHB-ⅡI，鄭州長城科工貿有限公司。反應容器選用 100mL，250mL，500mL 規格的三口燒瓶，配備溫度計、冷凝管和分液漏斗[1]

1.2綠色工藝優化方案

綠色工藝優化主要從溶劑替代、催化體系改進和反應條件優化3個方面展開。

（1）溶劑替代：以乙腈作為基準溶劑，探究環己烷、乙醇、乙酸乙酯等不同極性溶劑對反應的作用，重點關注溶劑對產率和選擇性的影響。

（2）催化體系優化采用正交實驗設計，考察硫酸、三氟甲磺酸的用量比例（1：1＼～1：3）及溫度（ 40～ 80^qC ）對反應的影響。反應條件優化包括反應溫度（ 40～80^cC ）、反應時間（ 2～8h 、原料配比（ 1：1～ 1.0：1.5）等參數。

（3）三廢控制采取溶劑回收套用工藝，對反應廢水進行活性炭吸附處理，確保廢水達標排放。

1.3 分析檢測方法

采用高效液相色譜法測定2-氯-5-三氟甲基吡啶的含量。色譜條件：色譜柱為AgilentC18柱中 4.6×250mm，5μm， ，流動相為乙晴-水（75：25，V/V），流速 1.0mL/min ，柱溫 ，檢測波長 254nm ，進樣量 10μL， 。氣相色譜法用于雜質分析，采用DB-5毛細管柱（ 30m×0.32mm×0.25μm ，進樣口溫度 250^°C ，檢測器溫度 280^°C 。程序升溫：初溫 保持 2min ，以 升至 保持 5min 。核磁共振氫譜和碳譜采用 CDCl₃ 為溶劑，TMS為內標。反應轉化率通過內標法計算，純度采用面積歸一化法計算，所有數據經過3次平行測定取平均值[2]。

2 結果與分析

2.1綠色溶劑代替效果

不同溶劑對2-氯-5-三氟甲基吡啶合成反應的影響詳見表1。

綜合溶劑毒性和環境影響評估結果，乙酸乙酯表現出較好的應用前景。乙酸乙酯具有較高的LD₅₀ 值和較低的揮發性，且顯示出優異的生物降解性。通過溶劑用量優化研究，當溶劑與原料質量比為3：1時，反應體系達到最佳傳質效果。溶劑回收率達 92%±0.3% ，經精餾純化后循環使用可顯著降低生產成本和環境負荷。

2.2催化體系優化結果

研究采用正交實驗設計法，對硫酸與三氟甲磺酸的配比及反應溫度進行優化，考察了催化劑總量、催化劑配比和反應溫度3個關鍵因素[3]

在催化劑總量1.0當量條件下，當硫酸與三氟甲磺酸配比為1：1、1：2、1：3時，對應收率分別為 65.3% ±0.4%.72.4%±0.3% 和 68.7%±0.5% 。當催化劑總量增加至1.2當量時，在相同配比條件下，收率提升至 75.6%±0.3%.78.9%±0.4% 和 70.2%±0.3% 。

進一步增加催化劑用量至1.5當量，收率反而出現下降趨勢，分別降至 73.5%±0.4%.69.8%±0.3% 和71.4%±0.5% 。

極差分析結果顯示，3個因素對反應收率的影響順序為：硫酸與三氟甲磺酸配比 gt; 反應溫度 催化劑總量。經優化得出的最佳反應條件為：催化劑總量1.2當量，硫酸與三氟甲磺酸物質的量比1：2，反應溫度 60^°C 。在該最優條件下進行驗證實驗，產物收率穩定在 78. 9%±0. 4% ，結果具有良好的重現性。

動力學研究表明，反應初期收率隨時間快速上升， ^4h 后趨于平緩。催化劑用量1.2當量時，反應^2h 收率達到 65.3%，4h 達到 78.9% ，6h后基本保持穩定。低于1.2當量時反應速率明顯降低，高于1.2當量則會促進副反應的發生，導致目標產物收率下降。這一結果與熱力學分析結果相吻合，證實了催化體系的選擇具有合理性。

2.3三廢控制與處理

此次研究廢水的主要來源是產品分離純化和設備清洗，主要污染物為COD［初始質量濃度為（2850±45）mg/L] 和氯離子[初始質量濃度（ 1560± 35）mg/L] 。固體廢物包括廢活性炭、廢催化劑和污泥[4]。廢活性炭經再生后循環使用3＼～4次，失活后交由資質單位處置。采用“預處理 + 生化處理 + 深度處理”三級處理工藝：預處理采用混凝沉淀法去除懸浮物;生化處理采用升流式厭氧污泥床（UASB）與接觸氧化法組合工藝廢氣處理采用二級降膜吸收塔裝置，第一級使用 5% 氫氧化鈉溶液吸收酸性氣體，第二級采用活性炭吸附處理揮發性有機物。

經處理后，廢氣中的HCI質量濃度降至（ 15.3± 0.5）mg/m³ ，VOCs含量降至 （28.6±0.8）mg/m³ ，均低于排放標準限值。尾氣吸收液循環使用 ^48h 后更換，產生的廢堿液經中和調節 ΔpH 至6.5＼～7.5，并經混凝沉淀去除懸浮物后達標排放。COD去除率達到 89.3%±0.6% ；深度處理采用臭氧催化氧化技術，出水 COD 降至 （95±5）mg/L ，氯離子質量濃度降至 （380±8）mg/L_? 。廢催化劑中的貴金屬回收率達92.5%±0.4% ，殘渣進行無害化填埋。污泥經板框壓濾脫水后含水率降至 60.2%±0.5% ，添加改性劑制備建材原料。

針對三廢處理的總成本構成，包括：設備折舊占 38.5% ，運行費用占 43.2% ，人工成本占 18.3% 。年處理成本占總生產成本的 12.3% ，低于行業平均水平（ 15.6% ），具有明顯的經濟可行性。

3 結論與討論

3.1 主要研究結論

通過系統優化2-氯-5-三氟甲基吡啶的綠色合成工藝，獲得以下主要結論：采用乙酸乙酯作為替代溶劑，在收率、純度和環保性能方面均表現出色，溶劑回收率達 92% ；優化的催化體系采用硫酸與三氟甲磺酸1：2配比（總量1.2當量）， 60^°C 反應條件下產物收率可達 78.9% ；建立了完整的三廢處理體系，廢氣、廢水和固廢的處理指標均優于排放標準，其中COD去除率達 96.7% ，催化劑金屬回收率達 92.5% 。

3.2 工藝可行性討論

該優化工藝具有良好的工業應用前景：（1）在工藝重現性方面，多批次驗證實驗的相對標準偏差均小于 2% ，表明工藝穩定可靠；（2）溶劑和催化劑的高回收率（分別為 92% 和 92.5% ）顯著降低了生產成本；（3）反應條件溫和（ 60^°C ），設備要求較低，易于工業化規模放大；三廢處理成本僅占總生產成本的 12.3% ，低于行業平均水平；（4）產品純度穩定在 98% 以上，完全滿足下游應用要求。綜合經濟和環保效益分析，該工藝具有顯著的工業化價值。

參考文獻：

[1］戴耀.農藥中間體2-氯-5-三氟甲基吡啶的合成［J].農藥，2023，62（6）：401-403.

[2]于萬金，楊文龍，魏攀，等.2，3-二氯-5-三氟甲基吡啶的應用、合成及其市場分析［J].浙江化工，2022，53（12）：1-6，16.

［3］于萬金，劉敏洋，林勝達，等.選擇性催化氯化制備關鍵含氟農藥中間體2，3-二氯-5-三氟甲基吡啶的研究[C]//中國化學會.中國化學會第十九屆全國催化學術會議摘要集.杭州：浙江省化工研究院含氟溫室氣體替代及控制處理國家重點實驗室，2019：1.

[4］郭利巧，韓方玉，李斌，等.2-氯-5-三氯甲基吡啶電化學脫氯合成2-氯-5-氯甲基吡啶［J].精細化工，2019，36（7） ：1408-1414.