氯烟酸绿色合成技术研发.doc

2-氯烟酸绿色合成技术研发 一、项目可行性报告一、立项的背景和意义2-氯烟酸是一种用途广泛的吡啶类农药和医药中间体。在农药上2-氯烟酸主要用来合成除草剂烟嘧磺隆和吡氟草胺、杀菌剂啶酰菌胺和杀虫剂氯虫酰胺等，这些都是新型高效的农药品种，对环境友好，在国内外市场已成为了主导品种。在医药上2-氯烟酸主要用来合成抗艾滋病药物奈韦拉平、抗抑郁药物米氮平、非甾体消炎镇痛药尼氟灭酸、烟甲灭酸等。因此，2-氯烟酸的市场需求量很大，并有逐年上升之势，因而吸引了大量企业纷纷上马该产品，根据中国化工信息网发布的信息，国内有55家企业供应该产品，其中浙江最多，有15家。然而，目前国内2-氯烟酸的生产普遍采用的是3-甲基吡啶（或其衍生物）氯化的工艺，该工艺存在两个非常突出的问题。一是存在较大的安全隐患：由于该工艺使用大量的三氯氧磷作为溶剂和氯化试剂，而三氯氧磷属剧毒化学品（II类），反应剧烈，导致安全事故时有发生；二是环境污染严重：大量的含磷废水难于处理，有毒的强酸废气危害很大。此外，该工艺的原料来源不稳定，我国吡啶衍生物的生产供不应求，3-甲基吡啶大量依赖进口，随国际市场波动较大，价格和货源都难于保证。因此，该生产工艺已不能满足化工产业可持续发展的需要，急需先进的清洁生产工艺来替代。基于此，本课题组以廉价易得的原料，研发了一种2-氯烟酸的绿色合成方法，不用三氯氧磷等剧毒危险品，反应条件温和。对本工艺进行深入研发和应用有望解决2-氯烟酸生产的困局，促进吡啶类中间体、农药和医药的发展，加快绿色化工技术的推广应用，对打造先进制造业基地具有重要意义。二、国内外研究现状和发展趋势2-氯烟酸的制备路线有很多，归纳起来主要为两类：一是3-甲基吡啶法；二是氰基乙酸酯为原料闭环法。2.1 3-甲基吡啶法3-甲基吡啶法又分为先氯化法和后氯化法。先氯化法是现在吡啶环上氯化，然后将甲基氧化成羧基，该方法氯化时选择性差，仅生成少量的2-氯-3-甲基吡啶，因此产量不大。后氯化法是现将甲基转化为氰基、羧基或者酰胺基，再用双氧水进行N-氧化，然后用三氯氧磷氯化，最后水解得到2-氯烟酸。该方法选择性较好，产能较大，是目前的主流生产方法，而国内的生产企业多是直接购买3-氰基吡啶或烟酸来合成2-氯烟酸。如前所述，该方法的最大弱点是由于大量使用三氯氧磷而带来的安全性和环境危害性问题，急需被新方法替代。2.2 氰基乙酸乙酯环化法（1）氰基乙酸乙酯与四甲氧基丙烷进缩合、环化和水解反应得2-氯烟酸。反应方程式如下：该路线步骤少，产品收率和纯度都很高，但四甲氧基丙烷价格昂贵，原料成本过高。（2）氰基乙酸乙酯先氯化，再与丙烯醛Michael加成，然后环化和水解得2-氯烟酸。反应方程式如下：该路线原料易得，价格低廉，但需要使用丙烯醛、三氯化磷等剧毒危险品，收率也不高，环境危害性较大。（3）氰基乙酸乙酯与3-二甲胺基丙烯醛经Knoevenagel缩合、环化和水解得2-氯烟酸。中间体3-二甲胺基丙烯醛可由DMF与乙烯基烷基醚在三氯氧磷等的作用下合成。该路线选择性好，收率高，反应条件温和，适宜工业化研发。然而，该路线仍使用三氯氧磷等作为氯化剂，以及会副产等摩尔二甲胺，均对环境存在较大危害，需要应用绿色化学方法加以改进。综上所述，目前国内主要采用3-氰基吡啶等氯化法合成2-氯烟酸，工艺成熟，产量大，但是由于大量使用三氯氧磷，存在严重的安全隐患和环境污染等问题，国内，尤其我省对该工艺已加强限制，急需新的替代工艺。已有报道的替代方法主要是以氰基乙酸酯为原料的环化法，其中方法（3）相对较好，但仍存在三氯氧磷、二甲胺等环境敏感的原料或副产物，需要进一步进行工艺的绿色化改进。三、项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点。1、主要研究内容本项目以方法（3）为基础，从合成路线的优化、原料绿色化、溶剂绿色化、催化剂绿色化以及副产物循环使用等方面对2-氯烟酸的合成工艺进行绿色化改进，主要研究内容如下。（1）合成路线优化。方法（3）合成2-氯烟酸是会副产二甲胺，难于回收，对环境影响较大。本项目设计了新的路线，以N-甲基苯胺为起始原料，先甲酰化，再与乙烯基烷基醚在氯化试剂作用下生成3-（N-甲基-N-苯基）胺基丙烯醛，然后与氰基乙酸甲酯经Knoevenagel缩合、环化和水解得2-氯烟酸。经路线优化，反应副产物即起始原料N-甲基苯胺，可以循环利用，如下图所示：（2）N-甲基苯胺的甲酰化反应优化，选择合适的催化剂和溶剂，与甲酸共沸脱水合成N-甲基甲酰苯胺。（3）胺基丙烯醛的合成研究，用环境友好的氯化剂双（三氯甲基）碳酸酯(BTC)替代三氯氧磷，优化合成工艺。（4）Knoevenagel缩合反应研究，选用绿色高效的催化剂替代哌啶等有害催化剂，提高反应选择性和收率。（5）环合反应研究，优化无水氯化氢的供给方式，利用副产氯化氢进行环合。（6）水解反应的优化及2-氯烟酸的精制。（7）N-甲基苯胺的回收与循环利用。（8）设备选型与研制，研发符合清洁生产要求的中试装置。（9）进行中试研发，为产业化应用提供翔实数据。（10）三废治理技术研发，对少量三废进行处理，达到排放标准。2、技术关键及主要创新点（1）合成路线的创新，通过路线的设计与优化，避免有毒有害物质，实现原料的循环利用，提高原子利用率，从源头减少三废。（2）通过N-甲基苯胺的循环使用，降低原料消耗，并大幅降低废水氨氮的含量。（3）采用环境友好试剂双（三氯甲基）碳酸酯(BTC)替代三氯氧磷，提高操作安全性，不产生含磷废水，减少环境危害。（4）催化剂的优化，采用绿色的氨基酸类催化剂替代哌啶类催化剂，提高选择性，减少环境影响。（5）溶剂的筛选与优化，用环境影响小的溶剂替代卤代烃类溶剂，在多步反应中选用相同的溶剂，减少后处理步骤，提高溶剂回收率和反应收率。（6）副产氯化氢的综合利用技术。来自于氯化反应的大量氯化氢副产物的综合利用是许多企业的难题，本项目通过优化吸收方式，将其用于吡啶环的合成与氯化（环合反应），可显著降低成本，减少三废。四、项目预期目标（主要技术经济指标、社会效益、技术应用和产业化前景以及获取自主知识产权的情况）。1、主要技术指标（1）经6步反应合成2-氯烟酸，每步收率90%以上，含量99%以上。（2）建成100吨/年中试装置。（3）完成中试研发。2、主要经济指标（1）中试完成后实现销售收入1000万元/年，利税150万元/年。3、社会效益2-氯烟酸老工艺的大量生产已经造成了严重的环境污染与安全问题，本项目的实施将大大提高2-氯烟酸生产的安全性，显著减少三废，促进社会、经济的和谐发展。4、技术应用和产业化前景本项目研发的技术先进，操作安全，三废少，经济效益好，而2-氯烟酸的用途广泛，需求量大，因此本项目的应用和产业化前景很好。5、自主知识产权 本项目拟申请发明专利1项。五、项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解根据项目目标要求和公司生产情况，本项目实施分为前期准备阶段和实施阶段。前期准备阶段在完成资料收集、分析的基础上，设计一条创新性的试验路线，并进行小试验证，打通流程；然后进入实施阶段，建立一条年产200吨2-氯烟酸的中试装置。本项目采用的技术路线如下：N-甲基苯胺N-甲基甲酰苯胺3-（N-甲基-N-苯基）胺基丙烯醛2-氰基-5-（甲基苯基）胺基-2,4-戊二烯酸甲酯2-氯烟酸甲酯2-氯烟酸N-甲基苯胺甲酸BTC乙烯基醚氰乙酸甲酯氯化氢水解、精制项目由总经理任项目负责人，下设工艺、设备、电仪、安全、环保、分析等专业组。公司有关部门的负责人分别担任专业组组长，在项目负责人的领导和协调下开展工作。六、计划进度安排项目实施时间为十四个月。具体进度安排：2012年04月2012年06月 完成项目前期准备工作，项目课题组人员的确定；2012年07月2012年09月 项目试制方案的确定，初步科研经费的落实，同时进行项目初步工艺及配方的研制开发工作；2012年10月2013年01月 完成该项目工艺的研制开发工作和中试车间的工艺设备设计工作，并订购生产设备，完成部分设备的安装调试；2013年02月2013年04月 完成试产车间设备的安装，调试工作；2013年04月2013年06月 中试装置开车，同时进行市场开发，产品进入市场试销，积极准备项目的验收材料，并通过验收。七、现有工作基础和条件第一申请单位创建于2007年1月，公司占地面积64.7525亩，注册资本5000万元，拥有总资产1.02亿元。现有职工50余人，专业技术人员占40%以上，其中教授和高级工程师6名。公司主要产品为除草剂二氯吡啶酸。2009年完成农药企业定点核准的前期准备工作，2010年3月5日工业信息化部（2010）81号文件公告获准定点。公司拥有先进的生产装备和分析检测设备，建立了完善的生产管理体系。第二申请单位（高校）是专职的科研机构，依托国家级重点实验室和省重中之重学科，有一支知识和年龄结构合理的学术队伍和良好的科研条件，主持完成了多项国家和省重大科技攻关及自然科学基金项目，研究成果大都转化为生产力，创造了显著的经济和社会效益，获得了4项国家科技进步二等奖、1项国家发明奖和十余项省部级科技进步奖，获授权发明专利20余项。在吡啶环的合成上具有扎实的理论基础和丰富的实践经验，如三氯吡啶酚钠的工业化技术得到了广泛认可，并取得了良好的经济效益。对2-氯烟酸的合成方法已进行了较长时间的研究，已打通了自主设计的绿色合成路线，具备了进一步研发和工业化应用的良好基础。上述2家单位产学研相结合，强强联合，优势互补，完全有能力和条件完成本项目。八、经费概算科技计划项目经费预算表项目名称：2-氯烟酸绿色合成技术研发 金额单位：万元 序号预算科目名称合计财政经费自筹经费1一、经费支出（合计）2111020121、设备费920923（1）购置设备费760764（2）试制（改造）设备费160165（3）设备租赁费00062、材料费80107073、测试化验加工费2.502.584、燃料动力费11.5011.595、差旅费303106、会议费 101117、合作/协作研究与交流费000128、出版/文献/信息传播/知识产权事务费404139、人员劳务费100101410、专家咨询费3031511、中期检查和验收费2021612、管理费2021713、其他开支项（填写具体科目）0001二、经费来源（合计）21、申请财政经费获得的资助1032、自筹经费来源4（1）配套财政拨款05（2）单位自有货币资金2016（3）其他资金0财政科技经费拨付进度申请第1年第2年第3年金 额10比例（）100 注：支出预算按照经费开支范围确定的支出科目和不同经费来源编列，同一支出科目一般不同时在财政拨款经费和自筹经费中预算。支出预算应在预算说明中对各项支出的主要用途和测算理由等进行详细说明。 经费支出概算说明（1）设备费。概算总额92万元，其中自筹92万元，申请财政补贴0万元。主要用于项目放大、中试和分析所需仪器设备的购置与安装，与项目研究密切相关，主要根据中试工艺和规模估算设备种类和数量，再根据询价估算金额。（2）材料费。概算总额80万元，其中自筹70万元，申请财政补贴10万元。主要用于研发所需原料、溶剂、催化剂、易损耗品等的采购，根据所需原材料数量和询价以及日常实验室维护实际情况估算，为项目研究所必需。（3）测试化验加工费。概算总额2.5万元，其中自筹2.5万元。主要用于研发过程中的分析测试，根据主要测试项目的报价和以往支出情况估算。（4）燃料动力费。概算总额11.5万元，其中自筹11.5万元。主要用于中试装置的建设、安装与工艺研发，根据工艺耗能情况估算。（5）差旅费。概算总额3万元，其中自筹3万元。用作与本项目相关的差旅费用，根据以往项目执行情况和本项目需要估算。（6）会议费。概算总额1万元，其中自筹1万元。用于与本项目相关的技术研讨、交