（化学工程专业论文）高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究.pdf

大连理工大学专业学位硕士学位论文 摘要 草除灵乙酯是先令公司于6 0 年代开发的油菜田专用高效、低毒除草剂。草除灵乙酯 主要防除阔叶杂草，它在土壤中降解迅速，对后茬作物安全。我国从1 9 9 3 年开始推广使 用，目前市场需求日益扩大。国内从9 0 年代中后期开始草除灵乙酯合成技术和工业化生 产的基础研究工作。2 0 0 1 年浙江新安化工厂建成第一套年产5 0 吨的工业化生产装置。本 文针对草除灵乙酯工业化生产过程中存在的生产成本偏高，质量不稳等问题，开展了生产 工艺技术的研究。通过与国内外现有工艺路线的对比分析，确定了以邻氯苯胺、硫氰酸 铵为起始原料，首先合成中间体邻氯苯基硫脲( p t u ) 、4 一氯苯骈噻唑酮( b z o ) 等，再与 氯乙酸乙酯缩合生产草除灵乙酯( g t k ) 的基本工艺路线。考察了物料配比、助剂选择、 温度、压力等对生产工艺的影响，确定了最佳的生产工艺条件。草除灵乙酯( g t k ) 含量 在9 5 以上，质量合格；以邻氯苯胺计五步合成反应总收率达到7 0 以上，生产成本明显 降低。另外，为满足环境保护的要求，针对生产过程中产生的“三废”进行了处理技术的 研究，确定了溶剂回收利用及废弃物无公害处理的方法，避免了生产中“三废”对环境的 污染，降低了产品的综合生产成本。目前，依据此项技术已经在吉化农药公司建起了1 5 0 q 年原药的生产装置，运行正常。 关键词：草除灵乙酯；合成；生产工艺；“三废”处理技术 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究 r e s e a r c ho ft e c h n o l o g y a n dl o w t o x i c i t y o fh i g hp e r f o r m a n c e h e r b i c i d eg t k a b s t r a c t g t ki st h eh j 曲e f f i c i e n c yh e r b i c i d ef o rr a p ef i e l d i tw a sd e v e l o p e db yb o o t sc o r p r a t i o no n i n1 9 6 0 sf o rw e e d i n gt h eb r o a d - l e a v e dw e e d si nt h ef i e l d g t kc a nd e c o m p o s eq m c 瑚yi nt h es o i i a n di ti ss a f ef o ra f t e r w a r dc r o p s t ol o w e rp r o d u c t i o nc o s ta n dm e e tt h ee v e r - g r o w i n gm a r k e t d e m a n d ，c h i n ab e g a nd e v e l o p i n gt h ew a yt os y n t h e s i z eg t ki nt h el a t eo f1 9 9 0 i nt h i s a r t i c l e ，i tw i l ld i s c u s st h ew a yt oi n d u s t r i a l l ys y n t h e s i z eg t ka n di t sr e s e a r c hw o r k a f t e r a n a l y s i s ，a s s e s s m e n ta n dv e r i f i c a t i o no f e x i s t i n gs y n t h e s i sm e t h o d sw i t h i na n do u t s i d ec h i n a , a n i n d u s m a ls y n t h e s i sw a yi sm a d e 0 一c h l o r a u i l i n ea n da m i n o n i u r nt h i o c y a m - a t ea n db r o m i n ea r e c h o s e na sr a wm a t e r i a l r a wm a t e r i a ls y n t h e s i z e sw i t hi n t e r m e d i a t ep t u 、b z o , t h ec o n d e n s a t i o n r e a c t i o nw i t hc h i o r o a c e t a t e - w t h y lt op r o d u c eg t k a f t e re x p e r i m e n t s ，t h ei n f l u e n c eo fm a t e r i a l r e c i p e ，c h o i c eo fa d d i t i v e ，t e m p e r a t u r ea n dp r e s s u r eo nt h eg t kp r o d u c t i o n ，o p t i m a l oi n d u s t r i a l p r o d u c t i o nc o n d i t i o n sa r em a d e g c o n t e n ti nt h ef m a lp r o d u c ti si n o r et h a n9 5 ，g o o dq u a l 崎 c a nb er e a c h e d t o t a lr e c o v e r yr a t eo fr e a c h e sm o r et h a n7 0 a n dr a wm a t e r i a lc o n s u m p t i o ni s w c o n o m i c a l w a s t ee f f l u e n tt r e a t m e n ti sa l s ow o r k e do u tt om e e tt h ee n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n r e g i l l a t i o i l ss o l v e n tr e c o v e r ya n di n d u s t r i a lw a s t e sn o n p o l l u t i v eh a n d l i n gp m c e d u r ea r eu s e dt od o t h ew a s t ee f f l u e n tt r e a t m e n t t l 】i sw a yo f w a s t ee f f l u e n tt r e a t m e n ta l s ol o w e r st h ep r o d u c t i o nc o s t b a s e do n t h i s g t k i n d u s l r i a ls y n t h e s i s m e t h o d a p l a n t 、i m1 5 0 t y e a r o f g t k p r o d u c t i o n c a p a c i t y n o wi se s t a b l i s h e di nj hp e s t i c i d ec o m p a n ya n di ti sr u n n i n gs m o o t h l y k e yw o r d s ：g t k ；s y n t h e s i sm e t h o d ；w a s t ee f f l u e n tt r e a t m e n t i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：趔 e t ；i i ：2 理臣：f 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 ”，同意大连理工大学保剿并向国家有关部门或机构送交学位论文的复e p 件和电子版， 许论文被奁阗和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：邀碰 导师签名：笠瞧登 ；烂年l 月九日 4 6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 引言 为提高我国农业生产技术水平，实现中国的粮仓建在自己国土上的目的，必须大力发 展农用化学品。与农业增产和现代化有关的农用化学品很多，但最重要的是农药和化肥。 世界农业发展的实践证明，充分合理使用农药是促进农业发展行之有效的途径之一。 农药是农业稳产增产、提高农产品品质和劳动生产率的关键措施。我国农药生产经过几十 年的发展，目前已经建立了比较完整的生产体系，基本能够满足我国农业生产的要求。但 是与世界先进水平比较以及就农业生产发展的要求来看，我国农药生产还存在许多问题， 主要是，产品结构老化、新农药研制工作落后，产量大、产值却低，面对新世纪的发展， 农药市场激烈的竞争，必须大力开发高效、低残留、无公害的农药新品种。草除灵乙酯就 是一种具有除草效果好，杀草谱广，无残留等特点的新型农药。 草除灵乙酯是油菜田用高效防除阔叶杂草的除草剂，它1 9 9 3 年在中国获得l 临时登记 后，应用范围不断扩大。根据有关资料，目前市场上草除灵乙酯年需用量在1 2 0 0 1 3 0 0 吨。国内从1 9 9 5 年开始技术研究工作，1 9 9 7 年沈阳化工研究院获得本项目国家重点科研 课题，经过几年的努力，技术开发基本成功。2 0 0 1 年，该项目通过了国家的验收。2 0 0 3 2 0 0 4 年，沈阳化工研究院与吉化集团农药化工有限公司共同合作，针对国内开发的生产技 术在实际生产中存在的成本偏高、质量不稳等问题，对草除灵乙酯生产工艺进一步完善， 使之从产品合成到三废处理，形成了完整的工业化生产技术，并产业化试车成功。本课题 就是基于此背景下进行的，以草除灵乙酯的合成为主要目标，对生产工艺技术进行实验研 究，确定最佳的工艺路线和最优的生产技术条件，同时对生产过程中产生的“三废”确定 最佳的处理方案，进行有用原料的回收及废弃物的无公害处理，最大限度降低原料成本， 避免“三废”对环境的污染，提高产品的市场竞争力，从而满足市场的需求。 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究 1 文献综述 1 1 国内外农药发展情况简介 自1 9 0 0 年亚砷酸铜在美国成为第一个在世界上被立法的农药品种以来，经过个 世纪的发展，化学农药得到了长足的进步。至2 0 0 0 年，化学农药产量已达2 0 0 万吨以 上，总销售额达3 0 0 亿美元左右，其类别有：除草剂、杀菌剂、杀虫杀螨剂、植物生长 调节剂等。在几大类农药中，除草剂以近1 5 0 亿美元的销售额，占据了农药市场的半壁 江山。 纵观化学农药的发展，我们可以将化学农药的发展分为三个阶段：5 0 年代以前开发 的以有机氯、有机磷为代表的第一阶段；6 0 年代以除虫菊酯、氨基甲酸酯为代表的第二 阶段；8 0 年代以后出现的超高效、大批量生产的化学农药为第三阶段，从这三个阶段生 产的化学农药的特性，我们可以看出：随着世界人口的增加，社会的发展，生产技术的 进步，为扼制人类居住环境在逐渐恶化趋势，化学农药必须逐渐向高效、低毒、低残留 的方向发展。其特点是： 1 ) 超高效：药剂量少，但见效快。 2 ) 高选择性：仅对特定靶向物体起作用。 3 ) 无公害：无毒或低毒，并且能迅速降解，无残留 1 2 3 。 我国拥有1 3 亿人口，面积广大，但可耕地面积却不多。目前，农作物总播种面积 仅在1 5 7 亿公顷左右。为满足人民群众的需要，在耕地无法扩大的情况下，主要通过 使用化学类方法，不断提高单位面积产量。农药是通过化学防治来减少农作物的损失。 据1 9 9 5 年统计，年通过化学防治挽回粮食损失5 4 0 0 万吨。但是，农药在为人类作出重 要贡献的同时，也存在着各种问题，特别是环境污染对人类健康和可持续发展的威胁更 不容忽视。除草剂作为化学农药，在使用上占农药总量份额一半的种类，在目前主要的 使用品种上，如莠去津、烟嘧磺隆、胺苯磺隆等，也存在着虽然除草效果好、杀草谱 宽、使用方便、用药成本低的优点，但是，它的残留期过长问题也是显著的缺点。这是 因为我国农村种植规模小，复种连作轮作制复杂，近一半地需多种作物倒茬轮作，如果 使用除草剂不当，将造成严重药害，使农作物减产甚至绝产。随着整个化学农药发展的 趋势，开发生产高效、高选择性、低残留的除草剂是发展的必然趋势 4 5 。 草除灵乙酯作为高效、低毒、低残留的选择性除草剂的开发成功，正是适应了这种 发展的需要。 一2 一 大连理，j 人学专业学位硕士学位论文 草除灵乙酯是艾格福公司于6 0 年代开发的油菜田专用除草剂，主要用于防治一年生 阔叶杂草 6 ，如：猪殃殃、繁缕、雀舌草、豚草等，它是选择性除草剂，具有高效、低 毒、低残留的特点，能在土壤中很快降解，对后茬作物不产生要害。1 9 9 3 年，由先令公司 在我国注册，开始推广使用。近几年，随着我国农村种植业结构的调整，经济作物面积不 断扩大，而油菜作为主要的油料经济作物，在大面积种植的同时，受杂草危害的情况也同 益严重，据报受害面积达2 5 0 0 万亩，需要及时防治。在我国，目前用于油菜田的除草剂 主要有两种：( 1 ) 苯氧丙酸类：如稳杀得、禾草克、盖草能等，这类除草剂只对禾本科杂 草有效。( 2 ) 磺酰脲类除草剂胺苯磺隆，它兼治禾本科和阔叶杂草，但是由于它在土壤 中残留期长，易对后茬作物产生严重药害。而在防除阔叶杂草的除草剂中，目前真j _ f 能适 应我国这种轮作情况，不会对后茬作物产生药害的除草剂，只有草除灵乙酯。因此，鉴于 油菜田缺乏防除阔叶杂草的理想药剂，开发适合我国种植品种的油菜田阔叶杂草除草剂是 十分必要的。而草除灵乙酯具有除草效果好，杀草谱广，无残留等特点，使其成为高效防 除阔叶杂草的专用除草剂，目前世界上，还没有其他品种可以替代。随着经济的发展，技 术的进步，草除灵乙酯的生产量、使用量逐步增加。据统计，年需用量为原药1 3 0 0 - - 1 4 0 0 吨，近几年需用量还在不断扩大。在国外，草除灵乙酯主要有艾格福公司生产，国内目前 主要生产厂家有：浙江新安化工集团股份公司、江西省映山红农化有限公司、四川省化学 工业研究设计院、江苏农药研究所南京农药厂、安徽华星化工股份公司、沈阳化工研究院 试验厂等，但产量均不大，目前原药生产总产量为5 0 0 吨左右，缺口很大。 1 2 草除灵乙酯概况 通用名：b e n a z o li n e t h y l 化学名称：4 一氯一2 一氧代苯骈噻唑啉基3 乙酸乙酯 商品名：g a l t a k ( 高特克) 结构式 c 1 c h 。c o o c z h s 由0 ：o 分子式：c h 。c i n 0 3 s 分子量：2 7 1 7 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产j 二艺的研究 草除灵乙酯外观为白色或浅黄色结晶，有特殊气味，熔点7 9 2 ，溶解度( 克 升) ，丙酮：2 2 9 ，二氯甲烷6 0 3 ，乙酸乙酯：1 4 8 ，甲醇：2 8 5 ，甲苯：1 9 8 。在升水中 可溶解4 7 毫克。草除灵乙酯在3 0 。c 以下稳定，在酸性及中性介质中稳定；在p h = 9 1 8 时 ( 2 5 ) 半衰期7 6 天，在水中及阳光下无明显分解。 草除灵乙酯属低毒类农药，使用安全，急性经口l ：小鼠 6 0 0 0 m g k g ，大鼠 4 0 0 0 m g k g ，经皮l d m ：大鼠 2 1 0 0 m g k g 草除灵乙酯主要用于油菜田防治阔叶杂草，如猪殃殃、繁缕、雀舌草、豚草等，对甘 蓝型油菜安全，在土壤中能很快降解，对后茬作物不产生药害。草除灵乙酯如与其他类药 物制成混剂，可扩大杀草谱和应用范围。 1 3 合成技术路线分析 根据文献报道 7 8 儿9 ，草除灵乙酯( 简称g t k ) 的合成方法可概括如下： 以邻氯苯胺、硫氰酸铵为起始原料，经过中间体邻氯苯基硫脲( p t u ) ，4 一氯苯 骈噻唑酮( b z o ) 的合成，再与氯乙酸乙酯反应，制得最终产品草除灵乙酯。反应 过程如下图所示： 占m 登煎9 且。9 “1 一竺一 + w m - l - -。 o ” 扩g 。i & 占m o c t 7 h 2 c o o 。c d 大连理工大学专业学位硕士学位论文 1 3 1 草除灵乙酯( g t k ) 的合成 草除灵乙酯( g t k ) 的合成有下列路线 ( 1 ) ( 2 ) n c h 2 c 0 2 + c 2 h 3 c i s c o c 。一q 茹c 0 0 e 。 +i ，l ：“ g h j o 。入一q 茹、。 路线( 1 ) 操作复杂，两种原料制备都较为困难，收率只有6 1 ，无工业化价值。 路线( 2 ) 是常规的取代反应，反应简便，容易操作，原料制备方便，收率高。该路线 在不同文献中操作方法不同，收率也不同，所用的x c h 。c o 。e t 有氯乙酸乙酯和溴乙酸乙 酯两种，所用的溶剂有丙酮、丁酮、氯乙酸乙酯、乙酸丁酯，不同的原料、不同的溶 剂，在不同的反应条件下的收率高低，椐文献报道数据如表1 1 所示： 表1 1 草除灵乙酯( g t k ) 合成路线对比 t a b 1 1c o m p a r i s o no f g t ks yn t h e s i z er o u t e s 一5 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究 氯乙酸乙酯和溴乙酸乙酯经实验比较，结果一致，但氯乙酸乙酯价格较低，经济 可行，适用工业化生产要求。反应中所用的缚酸剂为无水碳酸钾，在例( 3 ) 的反应条 件下，文献报道的收率最高，是较理想的方法。 1 3 2 中间体4 一氯苯骈噻唑酮( 简称b z o ) 的合成 b z o 的合成路线有如下几条 ( 1 ) c l ( 3 ) ( 4 ) h n n a o h - n h 2 s c l 吱y 叱蚍孓。 c ! i 。2 一c 罩拉。l、5 & 扎最卜如卜孓q 洲：领州一q ，众c l 领。 & 乒0 兮吱c i 孓 路线( 1 ) 要在高压釜中进行，还要用到一氧化碳气体，使用不方便，且三乙胺、 四氢呋喃两种原料价格比较昂贵。 路线( 2 ) 原料难得，所以不适宜采用这条路线。 一6 大连理工大学专业学位硕士学位论文 路线( 3 ) 、( 4 ) 收率比较理想，都有工业化的价值。下面是两条路线的比较： 路线( 3 ) 工艺中有几次过滤、洗涤、烘干等操作、比较繁琐，b z a 中间体与氢氧 化钠的碱解反应在1 6 0 一1 6 50 c 进行，这些都不利于工业化。 路线( 4 ) 收率高于路线( 3 ) ，且工艺中多为萃取、分层、脱溶，工业上操作较 为方便，且反应条件温和，工业上容易实现，我们认为是较理想的合成路线。 c i c i c 臼n n h - 6 c n ( c c h n 户n 堤 s 卜c i 众多c i 孓。 该路线中中间体2 ，4 一二氯苯骈噻哗( 简称d c b z ) ，文献中还有如下合成方法 h n ，巡c 孓少 s 这两条路线原料相对制备较难而未被采用。 1 33 4 一氯苯骈噻唑胺( 简称b z a ) 的合成 b z a 的合成方法如下： n h 卜c i s 敷a & 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产丁艺的研究 c n h 、星7 n h s ( p t u ) ( b z a ) b z a 的合环反应有多种合环试剂，不同的合环试剂对收率的影响如表卜2 所示 表1 2 合环试剂的影响 t a b 1 2e f f e c to f r i n g - c l o s i n gr e a c t i o n 上述例中，例( 2 ) 用氯化硫酰作合环试剂，它是开发较早的工业化生产用合环试 剂，合成收率低，目前己被淘汰。例( 1 ) 是一项同本专利，据报道收率很高，但经我 们探索实验验证，反应中生成大量的聚合物，很难处理，且收率较低，应用意义不 大。 例( 5 ) ( 6 ) 中以浓硫酸、b r 。( n 乩b r ) ( 催化量) 作合环试剂，实质仍是以溴作合环 试剂，反应式： 2h b r + h 2 s o 。 一一一b r 2 + s 0 2 + 2 h 2 0 n h 、；7 n h 7 ( b z a ) 一8 一 洲 hn户s 洲 hn广s 大连理工大学专业学位硕士学位论文 两种方法收率基本一致，但是该方法中所用的溶剂是硫酸，反应完后要用大量的 碱中和、过滤、洗涤、烘干，才能得到b z a ，而且产生大量废水，操作繁杂，所以，在 实际生产中，不实用于工业化生产。 例( 4 ) 中b z a 、i ) c b z 、b z 0 是中间体不分离一直做完，文献未报道分步收率，但 经我们分步做实验b z a 收率也在9 2 - - 9 3 ，与路线( 5 ) ( 6 ) 基本一致，但例( 4 ) 方 法中中间体不分离，不用过滤烘干等操作。操作简单，没有废水。 例( 3 ) 中使用氯化硫酰和氧化镁作合环试剂收率9 2 8 如不加氧化镁，收率只 有6 7 4 0 。但经我们实验验证，加入氧化镁收率也只能达8 0 。 例( 7 ) 中，二氯乙烷为溶剂、氯为闭环试剂具有一定的优越性，但产品收率较 例( 4 ) 中低。 综合上述情况，我们最后选择例( 4 ) 的方法进行b z 0 的生产。 1 2 4中间体2 一氯苯基硫脲( 简称p i u ) 的合成： p t u 的合成路线有： ( 1 ) ( 2 ) n h 2 笪蔓小且。 n h 2 + n h 4 s c n 孓+ ，卜 h 、c n h 2 s n h c n h ： 路线( 1 ) 是合成硫脲最常用的方法，研究的目的是提高收率和产品纯度。该反 一 d 扩 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究 应一般在水中进行，主要发生下述副反应。 洲2 + v m c i 洲r n b 解决的方法有： ( a ) 如象路线( 2 ) 一样采用保护基，将一个氨基保护起来保证只生成单芳基 硫脲，但这样做加长了反应路线，增加了生产成本。 ( b ) 使反应在有机溶剂中进行，这样又提高了原料成本。 ( c ) 加大用水量，降低反应浓度，这样可降低二芳基硫脲的生成量。但又增加 了产生的废水量。 经过多家公司多年的研究，后来，h o e c h s t 公司在德国专利d e 2 8 2 0 3 2 1 中很好地 解决了这个问题，采用的不是增大而是减少用水量，水量减少到少于邻氯苯胺的用 量；硫氰酸铵用量要大于邻氯苯胺的用量，成盐用的盐酸用量不能过量；反应温度要 低于发应物熔点5 1 0 。这样做反应收率可达9 8 ，同时由于硫氰酸铵分解，生成 一些含硫的副产物，产生臭味，向反应液中加入亚硫酸钠可消除臭味。但经我们实 验，发现该方法中加入水量仍较多，按该方法收率只有9 0 左右。 在捷克专利 2 7 中也详细地研究了这个问题，使用的为硫酸，用量为邻氯苯胺0 9 倍( m o l 比) ，用水量最佳为每摩尔邻氯苯胺9 0 m l ，反应温度4 0 一8 0 ，收率可达 9 5 9 。 我们在实验中将两个方法结合起来，最后得到了比较理想的收率。 注1 ) ：以上参考文献为 1 4 _ 2 3 1 4 合成路线总结 通过上述合成路线的分析与技术验证，我们确定草除灵乙酯的合成路线如下： 以邻氯苯胺、硫氰酸胺为主要原料，经由邻氯苯基硫脲( p t u ) 、2 - 氨基一4 一氯苯骈噻 哗胺的溴化氰盐、2 ，4 - 二氯苯骈噻唑胺的盐酸盐、2 ，4 - 二氯苯骈噻唑胺的重氮盐、4 一氯 苯骈噻唑酮的制备，最后与氯乙酸乙酯在缚酸剂的存在下缩合，共五步化学反应，如下所 7 斤： 一1 0 盔塑三盔堂童些堂垡堡主堂焦堡塞 ( 1 ) 邻氯苯基硫脲( p t u ) 合成 ! | 岫8 呻h c 一旷n h 一岂一n h z + n 州 ( 2 ) 邻氯苯基硫脲闭环 c lsc 1 i “ i h a c 广n h c n 1 2 + b r 2 驴n + h b r s n h ，h b r c lc l 对脚毒a 旬l _ 凇唧m r s s ( 3 ) 2 - 氨基一4 一氯苯骈噻唑重氮化氯化 c l 磁： s c l 。瓮蜘h - ( 4 ) 2 ，4 - 二氯苯骈噻唑水解 s 赵孝伟：高效、低毒除草剂草陈灵乙酯生产工艺的研究 c l j 幽h 2 蛐0v 叫h = 0 州： ( 5 ) 草除灵乙酯( g t k ) 台成 文献报道的各步收率及总收率如下 表l3 文献报道收辛 t a b 1 3r e p o r t e dy i e l d 1 2 唰 。拶。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 合成实验部分 经过探索实验和多种研究方法与考察，草除灵乙酯合成全过程可分成三个大部分： 第一部分：邻氯苯基硫脲( p t u ) 合成。 第二部分：4 一氯苯骈噻唑酮( 1 3 2 0 ) 合成，本部分由邻氯苯基硫脲闭环，2 一氨基氯苯 骈噻唑重氮化和2 ，4 一二氯苯骈噻唑水解三步反应组成。 第三部分：草除灵乙酯( g t k ) 合成 2 1 实验用原料及仪器设备 2 1 1 实验用原料 表2 1 实验用主要原料 t a b 2 1m a i n l ym a t e r i a li ne x p e r i m e n t 2 1 2 实验用仪器设备 1 3 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究 表2 2 主要仪器设备 t a b2 2 m a i n l ya p p a r a t u s 2 2 实验操作部分 2 2 1 邻氯苯基硫脲( p t u ) 的合成 2 2 1 1 工艺过程 以邻氯苯胺、硫氰酸铵为主要原料，经成盐、重排、异构化等过程合成邻氯苯基硫 脲。 2 2 1 2 化学反应式 由s 呻h c 扣瑚i 一州叫 2 2 13 操作过程 2 5 0 m l 四口瓶中加入邻氯苯胺，快速搅拌，于2 0 4 0 。c 滴加盐酸水溶液，然后加入催 化剂p 一1 0 ，保持温度反应3 小时。次性加入固体原料硫氰酸胺，本反应为吸热反应， 当反应液温度不再下降时，说明硫氰酸铵已完全溶解，之后，水浴加热反应液温度至8 0 1 4 大连理工大学专业学位硕士学位论文 ，并于该温度保持2 0 小时，反应结束。加入1 0 0 m l 水，使反应液慢慢冷却，然后，过 滤、洗涤、烘干、称重，得到的白色晶体即为本步反应的产物邻氯苯基硫脲( p t u ) ， 取样分析，用液谱分析含量。滤液加碱中和后，进行蒸馏，蒸出的废水排掉，剩余的废渣 放出后焚烧。 2 2 24 一氯苯骈噻唑酮( b z o ) 的合成 根据所确定的合成路线，以p t u 为起始化合物，经闭环，重氮化和水解三步反应完 成。 2 2 2 1 工艺过程 ( 1 ) 邻氯苯基硫脲( p t u ) 在酸性环境中，与溴素进行羰基合成，再经过闭环和消去 得到邻氯苯基噻唑胺( b z a ) 。 ( 2 ) 邻氯苯基噻唑胺( b z a ) 的盐酸盐与亚硝酸钠进行重氮化，生成重氮盐。 ( 3 ) 邻氯苯基噻唑胺( b z a ) 的重氮盐在酸性介质中水解，制得4 氯苯骈噻唑酮 ( b z o ) 2 2 2 2 化学反应式 1 )闭环 c lsc 1 ” | h a c _ n h c 一2 + b r 2 寸心 十h b r s 广_ n h ，h b r 占m 。避南n m 眦h 胁 2 ) 重氮化 1 5 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产 艺的研究 3 )水解： , n n h c l ，l s c h c t s h n o s 2 2 2 3 操作过程 依据本工艺的操作方法，闭环和重氮化氯化产物一2 一氨基一4 一氯苯骈噻唑和2 ，4 一 二氯苯骈噻唑在b z 0 合成全过程中不分离出来。 2 5 0 m 1 四口瓶中加入主原料邻氯苯基硫脲( p t u ) 、闭环试剂一二氯乙烷、冰醋酸， 搅拌下加入主要原料一溴素及余下部分的溶剂一二氯乙烷( 用于冲洗残留的溴素) ，升 温，6 5 。c 时固体逐渐溶解，8 0 。c 时开始回流，生成的气体用氢氧化钠水溶液吸收，保持回 流5 小时后降温。( 闭环完成) 反应液搅拌下降温至2 0 。c ，加入盐酸水溶液，搅拌3 0 分钟，升温至4 0 。c 搅拌5 分钟 后降温至2 0 。c ，于2 0 2 5 。c 滴加4 0 亚硝酸钠水溶液，滴加于2 小时完成，生成的棕色氮 氧化物气体用氢氧化钠溶液吸收，加料结束后，保持温度2 0 - 2 5 反应4 小时，静置，分 出有机相( 下层) ，水相用二氯乙烷萃取，二氯乙烷萃取液与有机相合并，减压脱溶至8 0 。c 6 0 u 耐l g ，将二氯乙烷脱净后脱溶结束。( 重氮化氯化反应结束) 向脱溶后的溶液中加入乙醇和甲醇，乙醇起溶剂的作用，甲醇的作用是防止副反应的 产生，主要是防止醚的生成。将反应液升温至回流，于2 小时范围内滴加浓盐酸，然后回 流4 小时，降温结晶、过滤，洗涤至中性，干燥、称重，所得淡黄色固体即为b z 0 ，取 样，用液谱测含量。( 水解完成) 一1 6 0 小喜l a妊。 大连理工大学专业学位硕士学位论文 2 2 34 一氯一2 氧代苯骈噻唑啉基一3 一乙酸乙酯( g t k ) 的合成 2 2 3 1 反应过程 4 一氯苯骈噻唑酮( b z 0 ) 与氯乙酸已酯在碳酸钾存在下，缩合生成草除灵已酯 ( g t k ) 。 2 2 3 2 化学反应式 c 1 k z c 0 3 炊虻，n l h 。+ a 咀2 s 2 2 3 3 操作过程 在5 0 0 m l 四口瓶中加入缚酸剂无水碳酸钾，主要原料4 一氯苯骈噻唑酮( b z 0 ) ，氯乙 酸乙酯，催化剂碘化钾，溶剂醋酸丁酯，搅拌下加热至8 0 ，保温反应8 小时，冷却至室 温后，加入1 5 0 m l 水，溶解生成的无机盐，分出的水相用醋酸丁酯萃取三次，合并有机 相，进行脱溶，减压脱溶至8 0 。c 1 8 0 m m h g ，脱溶结束。向蒸馏瓶内余液中加入4 0 m t _ ：溶剂 无水乙醇，加热成均相后，冷却析出产品，然后过滤，用1 0 m l 乙醇洗涤，干燥、称重、 取样，经液相色谱分析测含量。 蒸出的溶剂为含有少量未反应的氯乙酸乙酯的醋酸丁酯，经共沸脱出所含少量水后， 可直接用于本合成作溶剂。 1 7 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究 3 结果与讨论 3 1 邻氯苯基硫脲( p t u ) 合成实验 在实验中，我们根据前边的分析和评价实验，确定了基本工艺路线后，分别进行了盐 酸水溶液的浓度，盐酸用量，原料配比及反应温度对p t u 含量，收率的影响的考察实验， 最后选取最优条件进行了稳定实验。 3 1 1 盐酸水溶液浓度对p t u 收率及纯度的影响 本反应是以水为介质，水的用量可由反应所用盐酸水溶液浓度直接表示，反应的其他 工艺条件固定，改变盐酸水溶液的浓度，重复p t u 实验过程，我们得到盐酸水溶液浓度对 实验结果的影响数据。见表3 1 表31 盐酸水溶液浓度对合成结果的影响 t a b 3 1 e f f e c t o f c o n c e n t r a t i o n o f h y d r o c h l o r i c a c i d 从数据看，选择盐酸水溶液浓度2 0 相对应的水量，产品的得量、含量、收率均较 高，故选择2 0 浓度的盐酸水溶液。 3 1 2 盐酸用量的影响 盐酸与邻氯苯胺成盐是反应的基本条件，因此，盐酸与邻氯苯胺的摩尔比显然不得小 于1 ：1 。但由于p t u 在酸性条件下高温将发生异构化，引起副产物的增多，将导致产品的 含量及收率下降，因此，盐酸用量将对反应结果起一定的作用，我们选取2 0 的盐酸水溶 液，改变盐酸与邻氯苯胺摩尔配比，重复p t u 实验过程操作。盐酸与邻氯苯胺摩尔配比的 条件试验结果列于表3 3 1 8 大连理工人学专业学位硕七学位论文 从实验数据看出，在邻氯苯胺与盐酸摩尔比1 ：1 o o 一1 ：1 0 7 范围内，产品纯度及合 成收率变化不大，其中以l ：1 0 2 为最佳。 3 1 3 硫氰酸胺用量的影响 主要原料硫氰酸胺与邻氯苯胺配比理论上为1 ：1 ，但实际反应中应过量，从而保证邻 氯苯胺的转化。为确认配比对p t u 合成的影响，在其它条件不变的情况下，改变邻氯苯胺 与硫氰酸胺的配比，重复p t u 实验操作过程。结果见表3 4 。 表3 4 邻氯苯胺与硫氰酸胺配比对合成结果的影响 t a b 3 4e f f e c to f r a t eo f o - c h l o r o a n i l i n et oa m m o n i u ms u l f o c y a n a t e 从上表实验数据我们可以看出，邻氯苯胺与硫氰酸胺配比在1 ：1 1 1 3 间结果基本一 致，即1 ：1 1 就可满足合成要求，进步提高硫氰酸胺用量会造成浪费，是不必要的。 1 9 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产：l 艺的研究 3 1 4 反应温度的影响 反应温度是影响p t u 合成的一个敏感因素。反应温度过高有利于所谓热重排的顺利进 行，但在酸性条件下，p t u 易发生异构化，造成产品纯度低和收率低。反应温度低，热重 排进行不彻底，同样不利于产品纯度和收率的提高。我们在实验中设定的反应温度条件主 要考察了1 0 0 ，8 0 。c 和6 0 。c 三个阶段。在邻氯苯胺、硫氰酸胺、盐酸配比为l ：1 0 2 ： 1 1 的条件下，在6 0 、8 0 、1 0 0 的温度条件下，多次重复p t u 实验过程的操作，得 到的平均结果见表3 5 。 表35 温度对合成结果的影响 t a b 3 5t a b 3 5e f f e c to f t e m p e r a t u r e 由上表数据可以看出，以反应温度以8 0 。c 时，产品的含量及收率最好，效果最佳。 3 1 5 稳定实验 综合上述实验结果，我们可确定邻氯苯基硫脲( p t u ) 合成反应条件如下： 物料配比：邻氯苯胺：盐酸：硫氰酸胺= l ：1 0 2 ：1 1 反应温度：8 0 反应时间：2 0 小时 盐酸水溶液浓度：2 0 用上述条件，重复肌j 合成实验操作，进行稳定性实验，结果见表3 6 2 0 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表3 6p t u 合成稳定实验结果 t a b 3 6e x p e r i m e n tr e s u l to f s t a b i l i z a t i o np t us y n t h e s i z e 由表中数据可以看出，在确定的条件下，p t u 合成结果比较稳定，含量及收率能满 足生产要求。 3 24 - 氯苯骈噻唑酮( b z 0 ) 合成实验 由前边分析知，b z o 的合成，经由闭环、重氮、水解三步反应进行，经过分层、萃取 等过程，中间产品不分离。在实验中，我们分别研究了各步反应的物料配比、反应温度等 因素对产品的影响，确定最优条件后，进行了稳定性实验，取得了预期的成果。 3 2 1 闭环试剂的选择 在前边的工艺技术分析中，我们已经选择了以二氯乙烷、冰醋酸混合体系为闭环试 剂，在实验中效果较好。 3 2 2 闭环条件 在确定t _ - 氯乙烷，冰醋酸和溴体系为闭环试剂的前提下，我们在以下几方面对闭环 的条件进行了探索与考察： 1 ) 溴素与p t u 的配比对反应结果的影响。选取不同的条件进行了重复实验，结果列 与表3 7 。 一2 1 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究 表3 7b r 2 与p t u 投料配比对合成结果的影响 t a b 3 7e f f e c to f p r o p o r t i o no f b r 2t op r u 2 ) 冰醋酸与p t u 配比对反应结果的影响。实验结果见表3 8 。 表3 8 冰醋酸与p t u 投料配比对合成结果的影响 t a b 3 8e f f e c to f p r o p o r t i o no f g l a c i a la c e t i ca c i dt op t u 从实验数据可以看出，溴素与p t u 配比在1 1 一1 2 ：1 之间效果较好，经验证，确定 为，溴素：p t u 配比大于等于1 1 5 ：1 为最佳；冰醋酸与p t u 配比4 ：1 为最佳。 在实验中，我们还注意到，闭环体系中含水，将使合成收率明显下降，且反应难于进 行。因此，在实际生产中，闭环体系应为无水状态，溶剂回收套用对水要严格限制。 3 2 3 重氮化温度 我们知道，反应温度是重氮化的重要影响因素。一般情况下，重氮化反应在一5 c 进 行，而重氮盐分解则需要2 0 。c 以上的温度条件。在实验中，我们设计了三组实验条件进行 对比： 1 ) 0 - 5 。c 进行重氮化，然后于2 0 一2 5 下分解； 2 ) 2 0 2 5 同时重氮化，分解； 3 ) 3 5 4 0 同时重氮化，分解。 在以上条件下，重复b z o 合成实验，平均结果见表3 9 2 2 大连理工大学专业学位硕士学位论文 表3 9 重氮化温度对合成结果的影响 t a b 3 9t a b 3 9e f f e c to f d i a z o t i z a t i o nt e m p e r a t t a e 从实验数据可看出，前两组条件下结果基本一致。显然，于2 0 2 5 。c 时同时重氮化和 和重氮分解的方案在生产中具有易于控制，操作简便，周期短等特点。最后一组条件表 明：反应温度过高，重氮盐分解选择性明显下降，产品纯度及收率均较低。因此，选择 2 0 一2 5 温度条件为佳。 3 2 4 氨基噻唑盐的影响 2 一氨基一4 一氯苯骈噻唑胺为一弱碱，其盐酸盐完成的程度将直接影响重氮化结果，而 温度对盐酸盐的形成影响很大。实验中，我们设定了多种温度条件，重复进行b z o 合成实 验，其中有代表性的数据见表3 1 0 。 表3 1 0 成盐温度对合成结果的影响 t a b 3 1 0 e f f e c to f s a l i t yt e m p e r a t u r 由结果可见，4 0 时，b z o 合成结果最好。 通过实验，确定2 一氨基一4 一氯苯骈噻哗胺的盐酸盐的制备条件为 1 ) 1 5 2 0 滴加盐酸，1 5 到场0 分钟加完，然后搅拌3 0 分钟； 2 ) 加热至4 0 搅拌5 分钟，再降低到2 0 。 2 3 赵孝伟：高效、低毒除草剂草除灵乙酯生产工艺的研究 3 2 5 催化剂的影响 在重氮化反应中，我们通过验证，采取了加催化剂的反应方式，从而提高了b z o 的 含量和收率，减少反应时间。实验结果见表3 11 。 表3 i1 催化剂和p t u 加入量对合成结果的影响 t a b 3 1it a b 311e f f e c to f c a t a l y z ea n dp t uq u a n t i t y 实验结果表明，催化剂加入量与p t u 重量比为4 时最佳。加催化剂的时机为在重氮化 反应中，加入亚硝酸钠后，反应液中絮状物逐渐消失后，此时加入催化剂，对产品b z 0 含 量和收率结果最好。 3 2 6 亚硝酸钠用量的影响 在重氮化反应中，亚硝酸钠的用量对重氮化结果的影响明显。实验中我们设定了多个 条件，反复进行，其中有代表性的数据见表3 1 2 。 表3 1 2 距硝酸钠与f i u 的投料配比对合成结果的影响 t a b 3 1 2 t a b 3 1 2 e f f e c t o f p r o p o r t i o n o f s o d i u m n i t r i t e t o p r u 2 4 大连理工夫学专业学位硕士学位论文 实验结果表明，亚硝酸钠与p t u 的配比以1 9 ：l 为佳。 3 2 7 水勰条件 2 ，4 一氯苯骈噻唑水解合成b z o 是在乙醇溶液中进行的，由于反应是在强酸介质中 因此加入少量甲醇，能防止副产物一醚的生成，有利于反应的顺利进行。通过实验确定 浓盐酸滴加时间2 3 小时，然后保持反应4 小时就可使反应顺利完成。 3 2 8 稳定实验 综合上述实验结果，我们确定b z 0 合成反应条件为： 物料配比：p t u ：溴素：盐酸：亚硝酸钠= 1 ：1 1 5 ：4 ：1 9 催化剂用量：p t u 重量的4 以上述条件，重复b z o 合成实验操作，进行稳定性实验，结果见表3 1 3 。 表3 1 3b z 0 合成结果表 t a b 3 1 3b z os y n t h e s i z er e s u l t 由实验数据看出，在确定的条件下，b z o 合成结果稳定，含量及收率较好。 3 3 操除灵乙酯( g t k ) 合成实验 3 3 1 物料配比条件 原料氯乙酸乙酯与b