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河北工业大学硕士学位论文 除草剂戊炔草胺的合成研究 摘要 戊炔草胺其化学名称是3 ，5 。二氯- n ( 1 ，1 二甲基丙炔基) 苯甲酰胺，是一种应用广泛 的除草剂，常用于阔叶杂草等杂草的控制。本论文主要介绍了酰胺类除草剂戊炔草胺的国 内外发展情况，确定了合成路线并经实验得到产物。根据文献资料和实验过程及结果对所 设计路线做了评价。 首先，本论文对当今世界农药概况尤其是除草剂情况做出了大体的叙述，明确开发新型 除草剂戊炔草胺的重要性、必要性及其广阔的市场前景。 其次，在查阅了大量的中外文文献资料的情况下，本论文总结了文献中关于戊炔草胺 及其中间体的生产合成报道，设计出其中间体的多种合成路线，并根据各条路线的可行性， 参照实验室现有设备条件，综合分析各种文献，结合各步化学反应原理，确定了以3 - 羟基 3 一甲基丁炔和邻氨基苯甲酸为原料，经五步反应合成戊炔草胺的实验方法。经过多次实验， 最后得到了目标产物。 此外，根据文献资料，所得到的实验数据结果，对以3 羟基3 甲基丁炔为原料合成中 间体3 氯一3 一甲基丁炔的实验方法进行了分析总结，并加以比较评价，得出结论。以3 一羟基 一3 一甲基丁炔为原料，h c i 气体做氯化剂的方法涉及气液两相反应，反应物不易充分参与反 应，反应时间长，不确定因素多。比较而言，以3 一羟基一3 ，甲基丁炔为原料，浓盐酸做氯化 剂的方法，由于反应物充分接触，反应充分、反应时间短、产物含量高的优点而更有大规 模工业化的可能性。 最后，参考文献资料，对目标产物戊炔草胺的合成方法进行了改进，改进后的方法操 作简单、节省原料、产物含量提高。产品在甲醇中重结晶后，可达到9 8 的含量，符合国 际市场上的要求。 本论文在参阅文献的基础上，通过实验最终得到了一条较经济合理的合成戊炔草胺的 工艺路线，为其工业化生产提供了依据。 关键词：除草剂，戊炔草胺，合成，研究 除草剂戊炔草胺的合成研究 r e s e a r c ho nt h es y n t h e s i s0 f p r o p y z a m i d eh e r b i c i d e a b s t r a c t p r o p y z a m i d e ，w h o s ec h e m i c a la p p e l l a t i o ni s3 , 5 一d i c h l o r o - n - ( 1 ，1 一d i m e t h y l p r o p y n y l ) b e n z a m i d e ，i sag o o du s e f u lh e r b i c i d e i ti sm a i n l yu s e dt ok i l lt h eb r o a d - l e a v e dw e e d s t h et h e s i s p r i m a r i l yi n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to fp r o p y z a m i d e a th o m ea n da b r o a d b e s i d e si ta l s o c h o o s e ss y n t h e s i z i n gr o u t e s ，o b t a i n i n gt h ep r o d u c t s f i n a l l y , i t g i v e s o u rc o m p a r i s o n sa n d e v a l u a t i o n s f i r s t ，t h i st h e s i sd e s c r i b e st o d a y sw o r l dg e n e r a ls i t u a t i o no ft h ep e s t i c i d e ，e s p e c i a l l yt h e h e r b i c i d e w em a k es u r et h a ti ti si m p o r t a n t ，n e c e s s a r yt od e v e l o pp r o p y z a n l i d e s e c o n d l y , r e a d i n ga l o to fl i t e r a t u r e ，w es u m m a r i z ea n dd e v i s es o m em a i nr o u t e st op r e p a r e p r o p y z a m i d ea n di t si n t e r m e d i a t e s a c c o r d i n gt ot h ep o s s i b i l i t yo fs y n t h e s i s ，w et a k ei n t o c o n s i d e r a t i o nt o d a y se q u i p m e n ti no u rl a b o r a t o r ya n dm e c h a n i s mo f e a c hc h e m i c a lr e a c t i o n a n d t h e ns e l e c tt h er o u t e 、v i t h3 一o l - 3 一m e t h y l b u t y n ea n do a m i n ob e n z o i ca c i da st h er a w m a t e r i a l s w i t hal o to f w o r kd o n e ，w eh a v eg e tt h ep r o d u c t s i nt h er o u t e i na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n td a t a ，t h et h e s i sc o m p a r e sa n de v a l u a t e st h et w o m e t h o d so fp r e p a r i n g3 - c h l o r o 一3 - m e t h y l b u t y n e 、i t h3 一o l 一3 一m e t h y l b u t y n e c o n c l u d i n gt h a tt h e m e t h o dw i t hc o n c e n t r a t e dh y d r o c h l o r i ca c i da sc h l o r o i d i z e dr e a g e n ti se a s i e rt ob ei n d u s t r i a l i z e d t h em e t h o dw i 廿lh c lg a sa sc h l o r i d i z e dr e a g e n ti n v o l v e sg a s l i q u i dr e a c t i o n s ot h er e a c t e n t s c a n tr e a c t a d e q u a t e l y ，a n d i tt a k ea l o n gp e r i o do ft i m e c o m p a r i n g ，t h em e t h o dw i t h c o n c e n t r a t e dh y d r o c h l o r i ca c i dh a ss o m em e r i t ，s u c ha sa d e q u a t er e a c t i o n ，t a k eas h o r tt i m e ， p r o d u c tw i t hs u p e r n a lc o n t e n t f i n a l l y , r e f e r i n gt h el i t e r a t u r e ，w ep e r f e c tt h em e t h o do fp r e p a r i n gp r o p y z a m i d e p r e f e c t e d m e t h o di se a s yt oo p e r a t e & a n dw h a ti sm o r e ，t h er a wm a t e r i a l sa r ee a s yt oo b t a i n a f t e rc r y s t a l - e di nt h em e t h a n 0 1 t h ep r o d u c t sa c c o r dm mi n t e r n a t i o n a lr e q u e s t b a s e do nt h el i t e r a t u r ea n de x p e r i m e n t ，t h et h e s i s g e t s ae c o n o m i c a la n dr e a s o n a b l e t e c h n i c a lr o u t et op r e p a r ep r o p y z m n i d e ，o f f e r i n gi m p o r t a n tg i s t sf o ri n d u s t r i a l i s a f i o np r o d u c t i o n k e y w o r d ：h e r b i c i d e ，p r o p y z a m i d e ，s y n t h e s i s ，r e s e a r c h 除草剂戊炔草胺的合成研究 a i 有效成分，k g h a 公顷，m 2 l d 5 0 半数致死量，m g k g l c 5 0 _ 一半数致死浓度，m g 1 w p 可湿性粉剂 i s o 国际标准化组织 w s s a 美国杂草学会 b s i 英国标准协会 符号说明 河北工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 农药概况 1 - 1 1 农药的重要作用 农药属于精细化学品，并在这个领域占有重要的地位。白六十年代初期的四十多年柬， 农药一直处于蓬勃发展的时期。随着耕地面积不断减少，世界人口不断增加人类对环境 的保护意识不断增强，使得人口、粮食、环境成为进入_ 二十一世纪后的突出问题，摆在了 人类的面前。人口增长需要更多的粮食，通过提高农业生产技术和复种指数，加强优质高 产作物杂交品种的育种栽培，使用杀虫、抗病、除草农药，世界作物产量有效地提高了三 倍。而到2 0 4 0 年人类必须将世界上现有农作物的产量再提高三倍，才能满足需要。提高 粮食产量离不开农药。当前，世界农业虽然己使用农约，但每年仍有35 的农作物损失， 倘若离开农药，损失j j | 高达7 0 ，由此可见农药己成为人类生存和笈展不可缺少的救灾 物资。 可以毫不夸张地说，农药和医药一样同是人类文明和杜会进步的两大保护伞农药对 国民经济的影响更为巨大，因此农药科技与工业一样对一个国家现代化建设的重要性是 不言而喻的。 1 - 1 2 国外农药开发方向和途径 从近几年文献报道看，国外农药开发的方向是高效、低毒、低残留、无污染，具体体 现为追求“三高”： ( 1 ) 安全性高，这不仅要求毒性低、残自低，而且耍求能降解、无公害； ( 2 ) 生物活性高，新开发的化合物有效剂量大都在5 1 0 0 9 1 0 4 m2 ，部分除草剂甚至达 到了1 9 1 1 0 4 m2 咀下； ( 3 ) 选择性高，几乎所有的新品种都具有特定的作用方式，对靶标害物以外的作物、 益虫无活性。这“二高”基于一个共同点，即保护人类生存的环境。 当今农药的开发途径有以下几种 3 1 ： ( 1 ) 将认定有活性的基冈进行组台、修饰，这是一种传统的合成方法，相对而言几率 最低； ( 2 ) 根据目前已知的靶标结构，定向设计新化台物，如针对抑制乙酰乳酸台酶( a l s ) 的除草剂、针对抑制乙酰胆碱受体的杀虫剂、针对抑制几丁质的杀虫剂、针对干扰昆虫和 植物辙素的杀虫剂和除草剂； 植物辙素的杀虫剂和除草剂； 河：i l i 业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 - 1 农药概况 1 - i 一1 农药的重要作用 农药属于精细化学品，并在这个领域占有重要的地位。自六十年代初期的四十多年来， 农药一直处于蓬勃发展的时期。随着耕地面积不断减少，世界人口不断增加，人类对环境 的保护意识不断增强，使得人口、粮食、环境成为进入二十一世纪后的突出问题，摆在了 人类的面前。人1 3 增长需要更多的粮食，通过提高农业生产技术和复种指数，加强优质高 产作物杂交品种的育种栽培，使用杀虫、抗病、除草农药，世界作物产量有效地提高了三 倍”。而到2 0 4 0 年人类必须将世界上现有农作物的产量再提高三倍，才能满足需要。提高 粮食产量离不开农药”。当前，世界农业虽然已使用农药，但每年仍有3 5 的农作物损失， 倘若离开农药，损失则高达7 0 ，由此可见，农药已成为人类生存和发展不可缺少的救灾 物资。 可以毫不夸张地说，农药和医药样同是人类文明和社会进步的两大保护伞，农药对 国民经济的影响更为巨大，因此农药科技与工业一样，对一个国家现代化建设的重要性是 不言而喻的。 1 - 1 2 国外农药开发方向和途径 从近几年文献报道看，国外农药开发的方向是高效、低毒、低残留、无污染，具体体 现为追求“三高”： ( 1 ) 安全性高，这不仅要求毒性低、残留低，而且要求能降解、无公害； ( 2 ) 生物活性高，新开发的化合物有效剂量大都在5 10 0 9 1 0 4 m 2 ，部分除草剂甚至达 到了1 9 1 0 4 m 2 以下； ( 3 ) 选择性高，几乎所有的新品种都具有特定的作用方式，对靶标害物以外的作物、 益虫无活性。这“三高”基于一个共同点，即保护人类生存的环境。 当今农药的开发途径有以下几种3 1 ： ( 1 ) 将认定有活性的基团进行组台、修饰，这是一种传统的合成方法，相对而言儿率 最低； ( 2 ) 根据目前已知的靶标结构，定向设计新化合物，如针对抑制乙酰乳酸合酶( a l s ) 的除草剂、针对抑制乙酰胆碱受体的杀虫剂、针对抑制几丁质的杀虫剂、针对干扰昆虫和 植物激素的杀虫剂和除草剂； 除草剂戊炔草胺的合成研究 ( 3 ) 由生物活性物质或有效结构化台物经结构改造开发新化台物，这种方法成功率相 对较高； ( 4 ) 仿生制备活性物质，即参照自然界存在的活性物质开发新化合物，这种方法成功 率也较高，且成效显著： ( 5 ) 引进生物技术开发生物农药。 1 - 1 3 农药的研究开发 农药是一门多学科的应用科学，涉及到化学、化工、生物、毒理、环境和生态学等学 科。农药研究是一项复杂的系统工程，随着人类对于赖以生存的环境越来越关注，各国政 府都建立了负责农药登记的专门机构，并且制定了严格地登记制度，这就使得新品种的开 发越来越困难了；此外，开发的新品种必须具有比市场上已经存在的品种更为优越的性能， 才能占领市场。这要求新品种具有高效、低毒、低残留，并且用药成本上使用户得到更多 利益【”。一个新农药品种的开发一般经过五个阶段，除草剂也一样。 ( 1 ) 筛选阶段 设计合成新化合物，发现具有特殊性能的先导化合物，进行先导优化，找到性能晟好 的化合物。一般需要几年甚至几十年的时间。 ( 2 ) 实用性评价 毒性及对环境影响预测；专利申请：药效、药害的田间试验；制剂初步研究：生产路 线探索；市场调查。一般需2 3 年。 ( 3 ) 开发与获取注册登记申请数据 慢性毒性试验；环境试验；药效、药害、作物残留量、施用方法的大规模田问试验： 制剂配方研究：工业制法研究。一般需3 5 年。 ( 4 ) 注册登记 审查、工厂建设。一般需l 2 年。 ( 5 ) 制造销售 制造、上市。 化台物的结构及性能一般在第三阶段才逐渐公开。从此阶段到商品化尚需要4 8 年 时间。 1 - 2 除草剂概况 1 - 2 1 除草剂的发展筒况 1 9 世纪末期，欧洲葡萄霜霉病大发生，在防治此种病害时，偶然发现喷到葡萄园附近 禾谷类作物田中的波尔多液能够伤害一些十字花科杂草而不危害作物。进而18 9 5 年在法、 2 河北工业大学硕士学位论文 德、美几乎同时发现硫酸铜的选择性除草作用，这是农田化学除草的开端。1 9 3 2 年有机选 择性除草剂二硝酚与地乐酚的发现，使除草剂进入了有机化合物领域，虽然它们的选择性 不强，仅局部杀死杂草植株，不能“斩草除根”，但却使除草剂向前迈进了一大步。 1 9 4 2 年内吸传导性除草剂2 ，4 - 滴的发现在除草剂发展中开创了新纪元，不仅其选择性 杀草谱引人注目，而且其生物活性显著提高，除草效果十分突出，故单位面积用量很低， 因而成为一项有效的除草措施，迅速在农业生产中大面积应用，并始终处于久盛不衰之势， 故将其作为2 0 世纪农业中的重大发现之一。 在发现2 ，4 滴这一重大突破的影响下，大大促进了除草剂的发展，开创了新的工业领 域一一除草剂工业，世界上许多化学公司竞相开发新的除草剂。在此浪潮中，一系列的高 效除草剂新品种相继山现并在生产中应用，不仅将杂革防治技术提高到新水平，也引起了 耕作栽培制度的深刻变革”j 。 1 - 2 2 除草剂类型及使用 除草剂种类繁多。根据使用时期可分为茎叶处理剂和土壤处理剂；根据在植株体内的 传导性可分为触杀型除草剂和传导型除草剂；根据其作用方式可分为选择性和灭生性两类。 实践证明，不同类型的除草剂有不同的使用方法，如果使用方法不当，不仅效果差，而且 浪费药剂甚至会引起药害。 茎叶处理除草剂：杂草出苗后，直接施用于杂草茎叶杀死杂草的药剂称为茎叶处理除 草剂。茎叶处理，即把除草剂稀释在一定量的水中，对杂草幼苗进行喷洒处理，通过杂草 茎叶对药物的吸收和传导来消灭杂草。茎叶处理剂的防除效果与温度、光照以及除草剂在 植物表面的湿润状况有很大的关系。 土壤处理除草剂：即把除草剂撤于土壤表层或通过混土操作把除草剂拌入土壤中，建 立起一个除草剂封闭层，以杀死萌发的杂草。这类除草剂可被杂草的根、芽鞘或上下胚轴 等吸收而发挥作用。这类除草剂可分为播前处理和播后苗前处理两种。前者是指在花卉苗 木播种前对土壤进行封闭处理，以便为杂草幼根、幼芽吸收，并防止或减少除草剂的挥发 和光解损失。后者在播种后出苗前进行土壤处理，此法主要用于易被杂草芽鞘和幼叶吸收 向上传导的除草剂，对苗木的幼芽安全无害。 触杀型除草剂：这类除草剂接触植物后，难以在植株体内传导或移动性较差，只限于 对药荆接触部位的伤害。这种局部的触杀作用足以造成杂草死亡。施用这类除草剂施药要 均匀，防除多年生宿根杂草须多次用药方可杀死。 传导型除草剂：这类除草剂可被植物的根、茎、叶、芽鞘等部位吸收，并经输导组织 从吸收部位传至其他器官，破坏植物体内部结构和生理平衡，造成杂草死亡。因此，传导 型除草剂又称为内吸性除草剂。 选择性除草剂：能杀死杂草而不伤害作物的除草剂称为选择性除草剂，这种除草剂有 时只能杀死田园杂草中的一种或某一类植物，而对田园苗圃中人为种植的植物影响较小。 如盖草能或稳杀得应用于苗圃时，只能杀死以看麦娘为主的单子叶杂草，而不伤害苗木植 3 除草剂戊炔草胺的合成研究 株。都尔、精稳杀得可在杂草幼苗期施用，只要浓度得当，对苗木等作物安全。当然，除 草剂的选择性是相对的，选择性除草剂在剂量、施用时期和施用方法改变的情况下，也可 以作非选择性除草剂应用：非选择性除草剂也可通过“时差选择”和“位差选择”等在苗 木作物生育期内安全使用。 灭生性除草剂：灭生性除草剂又称为非选择性除草剂，它对植物的伤害无选择性，草 苗不分，能同时杀死杂草和作物。这类除草剂多用于茶桑、果园、咖啡、。橡胶等经济作物 作防除杂草之用。草甘磷、克无踪属广谱灭生性除草剂，能迅速破坏植物绿色组织，对非 绿色部分的树干、茎杆无杀伤作用。农民乐是新近开发的灭生性强、无残留，可直接用于 池塘、湖泊等水面，防除各种杂草和湿生杂草等，用于各种果园、桑园、茶园等，并可用 于工矿区、仓库、公路和城乡环境卫生除草。还可用涂抹的方法除去草坪、园林风景区的 非观赏性杂草等。 除草剂的功能与其成分是密切相关的，根据除草剂的化学成分进行分类，是目前晟常 用的方法。通常可分为苯氧羧酸类、取代脲类、磺酰脲类、氨基甲酸酯类、有机磷类、三 氮苯类等。 1 - 2 3 除草荆开发的特点、问题和趋势 目前世界农药开发的标志是：强调高活性的同时，更注重安全性，确保非靶标生物、 人类和环境的安全，并有安全第一、活性次之的趋势。除草剂的开发也不例外，随着时间 的推移、各方面的进步，除草剂的需求会逐渐增大，除草剂的研究与开发也会得到进一步 发展。 近期除草剂的开发具有如下特点【6 1 ： ( 1 ) 选择性高、作用机理独特： ( 2 ) 安全高效、利于轮作。新开发的品种在土壤的残效期适宜，对下茬作物安全； ( 3 ) 旱田除草剂多； ( 4 ) 天然源除草剂的研究进一步加强： ( 5 ) 抗除草剂( h e r b i c i d er e s i s t a n t ) 和耐除草剂( h e r b i c i d et o l e r a n t ) 的转基因作物已 推广使用等。 新世纪除草剂的开发面临着两方面的挑战，即环境保护的压力与绿色食品的需求以及 转基因抗除草剂作物品种的推广。2 l 世纪世界各国均面临着环境保护上的进一步加强以及 人们对绿色食品的广泛需求，对包括除草剂在内的农药的要求与限制将更加严格，因此， 品种的开发费用日益加大，开发所需时间进一步延跃。抗除草剂作物品种的创制与推广， 它已经并将继续深刻影响除草剂化学、分子设计、新化合物合成与筛选乃至除草剂品种的 销售与使用，而且创制一个抗除草剂作物所需的费用仅相当于开发一个除草剂品种费用的 1 5 。 目前值得注意的是：己经研制出致死基因( 自杀基因) ，即将此基因导入抗除草剂作 物中，使其对除草剂的抗性仅只保持一个生育期，第二代植株便丧失抗性，这样农民将难 4 河北工业大学硕士学位论文 以留种，而公司既对除草剂又对种子处于绝对垄断地位；并且发现了使转基因作物更安全 的新方法，缓和了1 0 年来对转基因作物食品的争论。 综观除草剂的发展史，新型除草剂的研究开发将呈现如下趋势7 】： ( 1 ) 环境友好的、安全的、低剂量化的酶抑制剂： ( 2 ) 研究开发天然除草剂和以天然产物为先导化合物开发作用机理独特的除草剂： ( 3 ) 生物除草剂和基因工程作物的研究开发将更加广泛； ( 4 ) 进一步研究开发植物生长调节剂、前提除草剂及除草剂的解毒剂； ( 5 ) 加强制剂及使用技术的研究，使除草剂使用更方便、更安全、效果更好，且尽可 能的延缓或避免抗性发生： ( 6 ) 针对抗性杂草及使用转基因作物所产生的“超级杂草”开发新的、作用独特的除 草剂。 1 - 3 本课题研究的内容 1 3 1 国际国内市场需求 进入9 0 年代以来，世界农药市场增长趋势呈波浪形平稳发展，其中除草剂市场一直 是上升趋势。除草剂在世界农药市场销售额上，北美最多为3 0 ，东南亚和西欧分别为2 5 和2 2 ，拉美地区占1 5 ，农药类别中除草剂几乎占1 2 。据外贸人员不完全统计，9 5 戊炔草胺今年的销量份额为欧洲3 0 0 吨，美国1 5 0 吨，加拿大2 0 吨，智利10 吨，澳大利 亚1 0 0 吨。罗门哈斯公司开发出戊炔草胺后一直生产9 5 纯度产品，被美国陶氏收购后开 始生产9 8 戊炔草胺i s 。目前国际市场9 8 戊炔草胺原药较少，而9 5 戊炔草胺原药销售 价格近十年来一直很平稳。 世界很多国家反对进1 2 1 转基因食品，而我国大豆、油菜籽、花生不是转基因作物，因 此出口销售的形势很好，东北地区是大豆、花生的主产区，长期以来除草剂用的最久，使 用面积最大，所用除草剂多数为土壤处理剂，如乙草胺、莠去津、氯嘧磺隆、朴草净等j l 乎占旱田用量8 0 ，长期使用后，不但杂草抗性增强，而且土壤残留高。这些除草剂无论 毒性，水溶性作物中残留都远高于戊炔草胺。最近农药权威人士再写文章呼吁使用苗后 茎叶处理选择性除草剂。为了使我国农产品顺利出口也应选用低毒、低残留的除草剂。据 报道5 0 戊炔草胺可湿粉在美国、澳大利亚、日本早已广泛用于豆科作物、油菜田、蔬菜 田、高尔夫球场和果园1 9 1 。9 8 戊炔草胺无论在国际和国内市场都占有很大优势。 国内至今还没有厂家对戊炔草胺进行农药登记。在网上查到2 0 0 3 年1 1 月2 3 日农药核 准企业名单中有中化滏恒公司戊炔草胺原药2 0 0 t a ，5 0 w p 4 0 0 t a ，9 5 戊炔草胺原药售价 为2 3 5 万元吨。近年来我国化学除草面积以每年3 0 0 0 万亩的速度增加目前已达6 亿亩。 除草剂市场潜力巨大，2 0 0 1 年全国农药产量为6 4 7 7 万吨，其中除草剂为1 1 6 6 万吨。仅 5 除草剂戊炔草胺的台成研究 占总产量的18 ，与国外占1 ，2 相差很远。 1 3 2 课题的提出 戊炔草胺，商品名为炔敌稗，是一种应用广泛的酰胺类除草剂，常用于阔叶杂草的控制。 目前只有美国陶氏益农公司生产9 8 的戊炔草胺，其他国家生产9 4 9 5 的戊炔草胺， 9 5 的戊炔草胺原药销售近十年来一直很平稳【”】。而国内至今没有厂家对此进行农药登 记，市场前景良好。 本课题试图在参考文献的基础上，通过试验对戊炔草胺及其中间体的合成路线加以研 究。希望为戊炔草胺最终在国内的生产和使用做出一点贡献。 6 河北工业大学硕士学位论文 第二章产品介绍及实验准备 2 - i 除草剂戊炔草胺 2 - 1 1 戊炔草胺介绍 戊炔草胺，是由r o h m & h a a s 公司开发的酰胺类除草剂。公司以代号“r h 3 1 5 ”进行药 效试验，i s o 通用名为p r o p y z a m i d e ( b s i ，e i s o ，( m ) f i s o ，j m a f ) ；p r o n a m i d e ( w s s a ) ，商品 名为k e r b ，c a 登记号是2 3 9 5 0 5 8 。5 。戊炔草胺是一种芽后处理的选择性除草剂，适用于小 粒种子、豆科作物、花生、大豆、马铃薯、某些果园、草皮和一些观赏植物，用来防治一年 生杂草和某些多年生杂草如野麦灵、宿根高粱、狗芽根、马唐、早熟禾、莎草等1 。 2 - 1 2 理化性质 戊炔草胺的化学名称是3 ，5 二氯一n 。( i ，1 一二甲基丙炔基) 苯甲酰胺，c a 名称为 3 ，5 - d i c h l o r o n 一( 1 ，1 - d i m e t h y i p r o p y n y l ) b e n z a m i d e 。 戊炔草胺纯品为无色结晶固体，熔点：1 5 5 1 5 6 c ，蒸汽压1 1 3 m p a ( 2 5 ) ，溶解度： 水中15 m g l ( 2 5 ) ，易溶于许多脂肪族和芳香族溶剂，室温下稳定【”1 。其结构式如下： c l rf h 3 一n c e 2 c h c h 3 2 1 - 3 毒性 戊炔草胺属低毒除草剂，其有效成分的毒性数据如下： 急性经口l d s o ：雄大鼠8 3 5 0 m g k g ：雌大鼠5 6 2 0 m g k g ；兔急性经皮l d 5 0 3 1 6 0 m g k g ： w p 剂型对眼睛和皮肤有轻微刺激；大鼠急性吸收l c s o 5 0 m g i ；亚急性研究表明，对狗 和大鼠无作用剂量为3 0 0 m g k g 饲料”1 ；日本鹌鹁急性经口l d 5 0 为8 7 7 0 m g k g ，野鸭 1 4 m g k g ；鱼毒l c s o ：金鱼3 5 k g l ，虹鳟鱼7 2 m g l 。 2 - 1 4 使用与制剂 戊炔草胺的施用量为0 5 2 0 k g 有效成分公顷。在草坪，小粒种子、豆科作物作芽后 茎叶处理，在莴苣和某些阔叶作物作芽前土壤处理。不能与其他类型农药混配，混剂可与 环丙草胺、敌草隆、环炔草胺、二氯吡啶酸、西马津、氯苯胺灵、乙氧氟草醚等混用。 除草剂戊炔草胺的合成研究 2 - 2 工艺流程图 本试验以3 一羟基3 一甲基丁炔和邻氨基苯甲酸为原料，经五步合成戊炔草胺。其中涉及 到的反应包括氯代、氨解、重氮化、酰氯化反应。可由下面的图表示： 8 图2 1 工艺流程图 f i g 2 1t e c h n i c a lf l o wc h a r t 2 3 物料性质 本课题涉及的主要原料、中间体、最终产物的性质可见下表2 1 表2 1 物料性质表 t a b l e 2 1t a b l ef o rm a t e r i a lq u a l i t y 河北工业大学硕士学位论文 ( 续表2 1 ) 2 - 4 原料分析 2 - 4 1 3 - 羟基一3 一甲基丁炔的纯度分析 l 仪器 气相色谱仪：h p 5 8 9 0 ：积分仪：h p 3 3 9 4 a ；色谱柱：3 0 m x0 5 3 m m f f a p 毛细管柱； 微量注射器：1 0ul 。 2 色谱条件 温度( ) ：柱温1 0 0 ；汽化温度18 0 ；检测温度2 0 0 ； 气体流速( m l m i n ) ：载气7 ；氢气2 0 ；空气2 0 0 ； 进样量：0 1l , tl ： 3 测定步骤 在上述色谱条件下，用微量注射器进样0 1u1 ，待全部组分从色谱柱流出后，读取报 4 测定结果 3 一羟基一3 一甲基丁炔的保留时间为2 8 6 r a i n ，纯度大于9 8 。 2 - 4 2 邻氨基苯甲酸的纯度分析 1 试剂和溶液( 液相色谱法) 除草剂戊炔草胺的台成研究 甲醇：色谱醇，经0 4 5pm 微孔滤膜过滤： 水：一级经o ，4 5ui t t 微孔滤膜过滤：三氧乙酸：分析纯； 2 仪器 液相色谱仪：具有紫外可变波长检测器，积分仪： 色谱柱：4 6 r n m 2 5 0 m m c i8 反相柱，内装k r o m a s i l 填料，5um ；微量注射器：5 0ul 。 3 色谱条件 流动相：乙腈+ 甲醇+ 水( 0 0 5 t f a ) = 4 5 + 3 0 + 2 5 ( v v ，v ) ： 流速：o 7 m l m i n ；波长：2 2 5 n m ；进样量：3ui ； 4 测定步骤 取o 0 4 9 样品于5 0 m l 容量瓶中，用甲醇溶解，并稀释至刻度，用微量注射器进样，待 全部组分从色谱柱流出后，读取报告。 5 测定结果 邻氨基苯甲酸的保留时间为3 9 7 r a i n ，纯度大于9 7 。 l o 河北工业大学硕士学位论文 第三章中间体3 。氨基3 甲基丁炔的合成 3 13 - 氯一3 一甲基丁炔的合成 。至q + ，f r 一。f x 一 r _ p o h 二；兰r _ p 6 h 2 1 l 2 x jr - - c + 二；= 兰r _ p x i ifi r r r r ( 3 1 ) ( h 3彳飓 邯一- - - c i - - - o 耻1 h c 三c 1 1 l + h 2 0 b 2 除草刑戊炔草肢的合成研究 午h 3车h 3 h c 三c 一o h + 浓盐酸馨n c 三c _ - c ，+ h z 。b 。， c h 3 c 。h 3 具体操作：在四口瓶中加入浓盐酸和适量无水z n c l 2 ，在一个滴液漏斗中加入3 羟基 一3 - 甲基丁炔，另一个滴液漏斗中加入浓硫酸，在四口瓶中温度为3 0 ( 2 时滴加3 羟基一3 一甲 基丁炔和浓硫酸，滴加完后蒋反应三个小时。反应生成的混合物倒入分液漏斗分层：下层 为水相，上层为有机相。分出水层后，有机相用适量的5 n a o h 溶液洗至中性。经g c 分 析3 - 氯3 甲基丁炔纯度在8 8 以上。 3 - 1 3 实验药品 表3 1 实验药品 t a b l e 3 1t a b l ef o rm a t e r i am e d i c a 3 - 1 4 实验仪器及装置图 四口烧瓶( 2 5 0 m 1 ) ，干燥塔洗气瓶，温度计( 5 0 5 00 c ) 三1 3 烧瓶( 5 0 0 m 1 ) ，滴液漏斗 搅拌装置 路线1 的装置如图3 1 1 2 图3 13 - 氯一3 一甲基丁炔的合成装置图 f i g 3 1c h a r tf o rs y n t h e s i so f3 - c h l o r o 一3 一m e t h y l b u t y n e 河北工业大学硕士学位论文 路线2 的装置如图3 2 图3 23 - 氯3 甲基丁炔的合成装置图 f i g 3 2c h a r tf o rs y n t h e s i so f3 - c h l o r o - 3 - m e t h y l b u t y n e 3 - 1 - 5 3 - 氯一3 一甲基丁炔的纯度分析 1 仪器 气相色谱仪：h p 5 8 9 0 ：积分仪：h p 3 3 9 4 a ：色谱柱：3 0 m x o 5 3 m m f f a p 毛细管柱： 微量注射器：1 0ul 。 2 色谱条件 温度( ) ：柱温1 0 0 ；汽化温度18 0 ：检测温度2 0 0 ： 气体流速( m l m i n ) ：载气7 ；氢气2 0 ；空气2 0 0 ； 进样量；0 11 1l ： 3 测定步骤 于反应器停止搅拌5 分钟，取上层液体，在上述色谱条件下进样，待全部组分从色谱 柱流出后，读取报告。如此反复，直至3 氯3 甲基 1 炔纯度8 0 蔓j 止。 4 测定结果 3 - 氯- 3 - 甲基j5 炔的保留时间为1 1 5 m i n ，纯度大于8 0 。 3 - l - 6 两条路线的比较 虽然两条合成路线都可以生成3 氯3 。甲基丁炔，但如果要进行工业化生产，需要对两 条路线进行比较。根据实验数据对两条路线产品的纯度随时间的变化进行了分析，得到了 下面的对比图。从图中可以看出路线l 的反应时间长，产品纯度低：路线2 的反应时间短 产晶纯度高。 除草剂戊炔草胺的合成研究 3 1 - 7 工艺创新点 图3 3 纯度随时间的变化图 f i g 3 3c h a r tf o rp u r i t y - t i m e 传统的3 氯3 一甲基丁炔合成工艺是3 一羟基3 甲基丁炔和h c i 气体反应，属于气液两 相反应，气液反应过程是传质与化学反应同时进行的过程。气相反应物从气相通过气液相 界面向液相中传递，在液相中与液相反应物进行反应。因此，原料不易充分反应，设备复 杂；而本实验设计的路线2 采用了浓盐酸做氯化剂，避免了气液两相反应，原料充分接触- 反应完全，设备简单。 3 - 1 8 小结 路线i 要求h c i 气体导入管要伸到烧瓶底部，使气体能充分参与反应；路线2 操作中 3 羟基3 甲基丁炔的滴加速度不宜过快，是因为此反应为放热反应，可通过控制温度来调 节滴加速度。通过实验可知，两条路线均是可行的，对比而言路线l 用时较长，收率较 高，路线2 用时较短，收率稍低，同时因为路线2 是参照文献中相似实验反应设计的，所 以第二二条路线需要进一步进行优化。路线中的废酸处理问题是工业化生产必须考虑的问题， 生成的废硫酸可以减压浓缩得以回收利用。 3 2 路线2 中影响收率的主要因素的讨论 在采用路线2 合成3 氯3 甲基丁炔的过程中，发现并总结了影响收率的多个冈素。为 了工艺的优化，以原料3 羟基一3 甲基丁炔用量为2 3 5g 时对主要影响因素进行了研究与分 析。 4 河北工业大学硕士学位论文 3 - 2 1 浓盐酸对收率的影响 如图2 5 所示，反应条件为3 一羟基一3 - 甲基丁炔用量2 3 5g 、浓硫酸用量1 5 m l 、温度2 5 、催化剂z n c l 2 用量2 9 。浓盐酸的用量主要考虑反应用量和控制副产物的生成。在反应 中，若浓盐酸量少，则反应进行不完全，若浓盐酸量过多，会增加副产物的生成量，不仅收率下 降；而且会造成原料浪费，同时给后处理带来困难。由下图可知，在浓盐酸用量为2 6 2 8 m l 为宜。 图3 4 浓盐酸对收率的影响 f i g 3 4e f f e c to fc o n c e n r t a t e dh y d r o c h l o r i ca c i dt oy i e l d 3 - 2 2 浓硫酸对收率的影响 如图2 6 所示，反应条件为3 一羟基3 甲基丁炔用量2 3 5g 、浓盐酸用量2 8 m l 、温度2 0 、催化剂z n c l 2 用量4 9 。随着反应的进行会产生水，为了保持反应中足够的氯化氢的浓度， 可将浓硫酸慢慢滴入氯化氢和醇的水溶液中进行反应 1 4 1 ，有利于加速氯置换反应和提高收 率。由f 图可知，当浓硫酸达到18 m l 收率最高，用量再增加，收率基本不变。 图3 5 浓硫酸对收率的影响 f i g 3 5e f f e c to fc o n c e n t r a t es u l f u r i ca c i dt oy i e l d 除草剂戊炔草胺的合成研究 3 - 2 3 温度对收率的影响 如图2 7 所示，反应条件为3 - 羟基- 3 - 甲基丁炔用量2 3 5g 、浓盐酸用量2 8 m l 、浓硫酸 用量1 8 m l l 、催化剂z n c l 2 用量o g 。一般来讲，温度高时有利于产品的生成，但由于此反应是 放热反应，并且原料及产物分子式中含有三键，故温度不能太高，否则会造成反应物的碳化。 由下图可看出，一般取3 0 3 5 为宜。 l e m p e r a l u r e ( ) 图3 6 温度对收率的影响 f i g 3 6e f f e c to ft e m p e r a t u r et oy i e l d 3 - 2 4 催化剂z n c l 2 用量对产品收率的影响 如图2 8 所示，反应条件为3 一羟基- 3 一甲基丁炔用量2 3 5g 、浓盐酸用量2 8 m l 、浓硫酸 用量1 5 m l 、温度2 5 、在有机化学反应中加入适当的催化剂可以缩短反应时间。叔丁醇 的氯化是比较容易的，只要有一定量的催化剂就可以使反应顺利进行。下图表明：当催化剂 z n c l 2 用量大于2 2 9 以后产品收率无明显增加。 6 图3 7 催化荆z n c iz 对收率的影响 f i g 3 7e f f e c to fc a t a l y s tz n c l 2t oy i e l d 河北工业大学硕士学位论文 3 - 2 5 小结 通过对影响收率的四个因素的研究我们可以得到四个冈素的对收率的影响趋势，得 到它们的最佳工艺范围，为下一步进行正交实验提供了依据。 3 。33 氯3 甲基丁炔的合成路线2 的优化 3 - 3 1 正交实验设计法的基本思想和优点 止交实验设计就是利用一种规格化的表一一正交表来合理地安排实验，利用数理统计 的原理科学地分析实验结果，处理多因素实验的科学方法。这种方法的优点是，能通过代 表性很强的少数次实验，摸清各个因素对实验指标的影响情况，确定因素的主次顺序，找 出较好的生产条件或最优参数组台。经验证明，正交实验设计是一种解决多因素优化问题 的卓有成效的方法。正交表是运用组合数学理论在拉丁方和正交拉丁方的基础上构造的一 种表格，它是正交设计的基本工具，它具有均衡分散，整齐可比的特性。 3 - 3 - 2 正交实验的设计 3 氯3 - 甲基丁炔的合成路线2 是在参考文献的基础上，根据相似实验设计出来的，所以 _ l = 艺条件需要进行优化。为此，对此步进行了正交实验，确定了其较为理想的工艺条件。 安排试验时，只要把所考察的每一个因素任意地对应于正交表的一列( 一个因素对应一列， 不能让两个因素对应同一列) ，然后把每列的数字”翻译”成所对应因子的水平。 为了找出最佳的合成条件，利用实验对浓盐酸的用量、浓硫酸的用量、温度、催化剂 用量四个因素进行了研究，建立了l 9 ( 3 4 ) 型正交实验表，具体实验如下 1 7 1 ： 3 一羟基一3 甲基丁炔用量为2 3 5 9 。 表3 2 因素水平表 t a b l e3 2t a b l eo ff a c t o ra n dl e v c 除草剂戊炔草胺的合成研究 表3 3 正交表 t a b l e 3 3o r t h o g o n a lt a b l e 列号 水平浓盐酸浓硫酸 温度催化剂收率 试号组合( m 1 )( m 1 )( ) ( g ) ( ) l a 1 8 1 c 1 d i 2 892 00 6 3 2 9 2 a 1 8 2 c 2 d 2 2 81 5 2 527 4 6 7 3 a i b 3 c 3 d 3 2 8 1 83 048 2 7 5 4 a 2 b 】c 2 d 3 3 592 54 6 8 8 2 5 a 2 8 2 c 3 d i 3 51 5 3 007 3 6 2 6 a 2 8 3 c i d 2 3 5 1 82 027 7 5 8 7 a 3 b i c 3 d 2 4 293 02 7 1 7 7 8 a 3 8 2 cx d 3 4 21 5 2 047 0 3 2 9 a 3 b3 c 2 d l 4 2 1 82 507 7 5 6 k l 2 2 0 7 l2 0 3 8 8 2 1 1 1 92 1 4 4 7 k 22 2 0 0 22 1 8 6 12 2 1 0 52 2 4 0 2 k 32 1 9 6 52 3 7 8 9 2 2 8 1 42 2 1 ，8 9 k l 3