（应用化学专业论文）农药工业中吡啶类化合物的分离研究.pdf

学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 x 6 4 2 7 2 0 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 缅、舂覆 ! q ! ! 生垒旦 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学 校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版；有权将学位论文用j ：非赢利目的的少量复制并允许论 文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有关数据库进 行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在 解密后适用本规定。 作者签名：鱼：查篷 门 期：! q ! ! 玺垒旦 中文摘要 摘要 分离过程在化工生产中具有重要地位。分离工艺的改进，可以提高产品质量， 创造良好的经济效益和环境效益。本文分别对2 氯一3 一甲基吡啶和2 一氯一5 一甲基 吡啶、3 一甲基吡啶和4 一甲基吡啶两个物系进行分离研究。 采用萃取精馏法处理2 一氯- 5 - 甲基吡啶结晶母液，选择1 ，4 一丁二醇作为合 适的萃取剂，并进行了实验室规模的萃取精馏实验，得到了相关的操作条件，为 工业化规模的分离提供了依据。实验结果表明：1 ，4 一丁二醇可以作为萃取剂， 用于萃取精馏分离2 一氯一3 一甲基毗啶和2 一氯一5 一甲基吡啶，将该体系的平均相对 挥发度口日从1 1 6 提高到l _ 5 0 以上。以l ，4 一丁二醇为萃取剂，采用半连续萃 取精馏法，在4 3 块理论塔板的填料塔中，全塔真空度控制在0 0 9 7 0 0 9 3 m p a ， 塔顶温8 6 。c 左右，釜温i 1 2 1 2 2 。c ，回流比为1 0 ，可同时得到含量均大于9 5 的2 一氯一3 一甲基吡啶和2 一氯一5 一甲基毗啶。实验具有多次的可重复性。萃取剂可 以回收和循环使用。该方法分离2 一氯一3 一甲基吡啶和2 一氯一5 一甲基吡啶可以同时 得到较高的产品含量和收率，具有工业应用的价值。 此外，我们还对3 一4 一甲基吡啶这一难分离物系的分离进行了初步探讨，并 从分子结构的角度，解释了1 ，4 一丁二醇萃取剂不能用于该体系分离的原因。 关键词：真空萃取精馏，2 一氯一3 甲基毗啶，2 一氯一5 一甲基吡啶 3 一甲基吡啶，4 一甲基吡啶 英文摘要 a b s t r a c t s e p a r a t i o np r o c e s sh a si m p o r t a n tp o s i t i o n i nc h e m i c a li n d u s t r y t h er e v i s e dd e s i g n o ft h es e p a r a t i o np r o c e s sc a r tn o to n l yi m p r o v et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c tb u ta l s o o b t a i nf a v o r a b l ee c o n o m i c a n de n v i r o n m e n t a lb e n e f i t t h e p a p e r s t u d i e dt h e s e p a r a t i o no f t w os y s t e m s ：2 - c h l o r o 一3 一m e t h y l p y r i d i n ea n d2 - c h l o r o - 5 一m e t h y l p y r i d i n e ； 3 - m e t h y p y r i d i n em a d4 - m e t h y p y r i d i n e a c r y s t a l i z e dm o t h e rl i q u o ri n c l u d i n g2 - c h l o r o 一3 一m e t h y l p y r i d i n ea n d2 - c h l o r o 一 5 - m e t h y l p y r i d i n e i st r e a t e d b ya p p l y i n g e x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o n 1 , 4 - b u t a n e d i o li s s e l e c t e da sa na p p r o p r i a t ee x t r a c t a n t ，w h i c he n h a n c e 6 a bo ft h i ss y s t e mf r o m1 16 t oo v e r1 5 0 b a s e do nt h i s ，v a c u u md i s t i l l a t i o nc o l u m n sa r ee s t a b l i s h e d b ya p p l y i n g s e m i c o n t i n u o u se x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o n m e t h o d ，u s i n gt h ep a c k e dc o l u m nw i t h4 3 n t p ( n u m b e r o ft h e o r e t i c a lp l a t e s ) ，b o t hp r o d u c t sw i t hp u r i t yo fo v e r9 5 ( w t ) c a n b eo b t a i n e di nt h ec o n d i t i o n st h a tt h ev a c u u n lo ft h ew h o l ec o l u m ni s o 0 9 7 - 4 3 0 9 3 m p a ，t h et e m p e r a t u r eo f t h ec o l u m nt o pa n do fi t sb o t t o ma r ea b o u t8 6 a n d11 2 1 2 2 i n d i v i d u a l l ya n dt h er e f l u xr a t i oi s1 0 t h e s e o p e r a t i o n c o n d i t i o n sa r ed u p l i c a t i v e e x t r a c t a n tc a nb er e c o v e r e da n dr e u s e d t h er e s u l ts h o w s t h a te x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o nc a r lb ea p p l i e dt os e p a r a t e2 - c h l o r o 3 - m e t h y l p y r i d i n ea n d 2 - c h l o r o - 5 - m e t h y l p y r i d i n ea n dc a no b t a i nh i g hp u r i t ya n dh i 曲y i e l do f t h ep r o d u c t s a tt h es a m et i m e t h i sp r o c e s sh a sc o m m e r c i a lv a l u e f u t h e r m o r e ，w e h a v ed i s c u s s e dt h e s e p a r a t i o n o f 3 - m e t h y l p i r i d i n e a n d 4 - m e t h y l p i r i d i n ea n df r o mt h em o l e c u l a rs t r u c t u r e s ，w eh a v ee x p l a i n e dt h er e a s o n w h yl 4 一b u t a n e d i o li su s e l e s s t os e p a r a t et h i ss y s t e m 、 k e y w o r d s ：v a c u u me x t r a c t i v ed i s t i l l a t i o n ，2 - c h l o r o 一3 - m e t h y l p y r i d i n e ， 2 - c h l o r o - 5 一m e t h y l p y r i d i n e ，3 - m e t h y l p y r i d i n e ，4 - m e t h y l p y r i d i n e 2 第一章前言 第一章前言 第一节我国农药工业概况 一、我国农药工业现状 农药是农业生产的重要保障，在国民经济发展中具有重要作用。农药被广泛 用于防治农作物( 包括树木、水生物) 及其他动植物的病原菌、病毒、虫害、螨 害和鼠害等。据统计，每年世界谷物生产中，虫害损失占1 4 ，病害损失占1 0 ， 草害损失占1 1 ，而投入一元农药可得经济效益和社会效益8 1 0 元，因此农 药作为保证农作物高产丰收的重要农业生产资料，一直是化学工业发展的重点。 目前世界农药工业已形成较大规模。我国是一个农业大国，也已建立了初具 规模的农药工业，形成了包括农药原药生产、制剂加工、原料中间体、科研开发 在内的工业体系，主要体现在： ( 1 ) 目前我国农药生产企业约2 0 0 0 家，其中原药4 0 0 多家，年生产能力近8 5 万吨，年产量近4 0 万吨，居世界第二位lz j 。我国农药年销售额( 出厂价) 大约 为2 0 0 亿元人民币( 折合2 4 亿美元) 。 ( 2 ) 近年来，我国生产的农药原药品种有2 0 0 多个，制剂7 0 0 多种川，并且从 1 9 9 1 年开始，高效低残农药品种已占我国农药总产量的9 6 以上； 近1 0 年来通过深化改革和改制，又相继建成一批综合实力雄厚、科工贸结合的 企业集团或股份制企业，他们一般规模大、品种多、管理好、技术精、经济效益 较好。目前农药类股票上市公司己达3 6 家，如沙隆达、山东农药、福建三农、 南京红太阳等； ( 3 ) 我国的农药科研开始从仿制走向创制，近年来创制的新品种有上海中西药 业集团公司研制的杀虫剂溴氟菊酯，南开大学元素所研制的除草剂单嘧磺隆以及 沈阳化工院研制的杀菌剂s y p l 1 9 0 等。 但是，我国农药工业的整体水平与世界发达国家相比仍存在很大差距，最主 要的是结构性矛盾和对环境的严重污染： ( 1 ) 农药品种老化，结构不合理，存在三个“7 0 ”“3 。 第一，我国农药总产量中杀虫剂占7 0 ，除草剂占1 6 ，杀菌剂仅占1 0 。 而发达国家农药结构中，一般杀虫剂占3 0 ，除草剂占4 5 ，杀菌剂占1 8 。 世界上经常使用的农药品种有5 0 0 多种，而我国生产的2 0 0 多个农药品种中，产 量较大的基本品种仅1 0 余种，而且绝大多数是老杀虫剂品种。这与发达国家羞 第一章前著 距较大。第二，有机磷酸酯杀虫剂产量占我国的杀虫剂产量的7 0 。第三，在有 机磷杀虫剂中，少数几个高毒品神产量又占7 0 。因此，农药结构调整将是未来 几年中国农药工业发展的主线，杀虫剂、杀菌剂、除草剂的产量比例调整为6 0 ： 1 5 ：2 5 比较符合我国的国情。我国农药年需求量仍为3 0 3 5 万吨，高毒有机磷 农药将逐渐淡出市场，安全高效农药需求量将增加，低毒有机磷农药、氨基甲酸 酯类农药、拟除虫菊酯类农药及杂环类农药将是相关企业产品结构调整的首要选 择。 ( 2 ) 工艺技术落后，产品质量较差。 世界农药生产正向着高科技、精细化、自动化及生物技术发展，但我国总体 上还处于间歇、手工操作阶段，在微机自控、高效催化、高纯度化、定向主体合 成、生物技术应用等方面与发达国家相差2 0 3 0 年。工业技术落后，严重影响 了农药产品质量的稳步提高。不少产品原药含量较国外先进水平低5 i g 。 ( 3 ) 环境污染严重。 农药生产造成环境污染的因素很多。第一，农药品种问题。传统的高毒高残 农药影响环境已是不争的事实。而随着农药品种不断更新，有些农药已发展到极 高效时期，一些环境生物对其极其敏感相l 如农药用量虽不断降低( 有的每亩 用量仅为几克) ，但进入水体后仍会造成对水生物的危害；一些除草剂使用一季 后，对下茬作物仍会造成严重污染。近几年我国环境状况公报表明，农用化学品 的不合理使用，已经造成耕地质量下降、面积减少等负面影响。第二，农药生产 厂本身是重污染企业。原料和中间体很多是易燃、易爆、有毒物质，具有化学危 险性；生产过程危险性高，工艺繁杂，任何环节的微小失误，都可能导致不幸事 故，进而使农药厂周围的地表水、地下水和土壤都受到严重污染。第三，总体而 言，我国农药厂规模小，生产技术落后，环境治理投入少。世界农药工业日趋垄 断性，1 9 8 9 年十家世界领先的农药公司的销售额就占世界农药总销售额的7 6 。 而我国许多小农药加工厂，没有基本的“三废”处理能力，经常发生污染事故。 农药厂“三废”排放造成周围农作物大面积污染的事故仍时有发生。农药在农产 品和环境中残留对人体健康和生命安全、对环境质量和生态平衡具有的潜在危险 性，极大地影响了我国农药的发展。 我国是一个农业大国。目前我国农业由传统农业向高效优质可持续发展的现 代农业转变，特剐是进入w t o 以后我国农业正面临日趋激烈的国际竞争，农药 的研究和应用在新世纪之初将迎来一个前所未有的历史机遇和技术挑战，产业发 展前景十分广阔。 二、当前我国农药及其中闻体开发的热点和方向 农药对农业有卓越的贡献，但它对环境的污染也不容忽视。随着人们的环境 第一章前言 意识越来越强烈，环境已成为可持续发展的重要因素，农药工业也必须注重环境。 绿色农药是本世纪世界农药发展的必然趋势，我国农药也必将注重向高效、无毒、 无污染方向发展【5j 。这主要体现在两个方面，一是对现有生产工艺( 收率更高、 三废更少、成本更低等) 的改进或“绿色”生产工艺的研究。二是调整农药工业 结构，大力发展高效低毒低残留的农药品种。为了适应农药工业结构调整的需要， 首先要在农药中间体的发展方向上作出重大调整。当前农药工业的重点研究对象 是含氟、含杂环、立体选择性农药及其中间体。就农药中间体的开发而言，主要 包括以下几个方面： ( 1 ) 含杂环农药的中间体，包括：含杂环的有机磷杀虫剂的中间体，如二嗪 农，毒死蜱、氯唑磷等的中间体；含杂环的高效杀虫剂的中问体，如吡虫啉、 吡虫清、氟唑虫清等的中间体；含杂环的高效杀菌剂的中间体，如喹氧灵、呋 吡唑灵的中间体；含杂环的除草剂的中间体，如咪唑啉酮类除草剂咪草烟、灭 草喹的中间体及定草酯、丁噻隆等的中间体。由于含氮杂环农药的高效性，其中 间体的开发研究显得尤为突出。 ( 2 ) 含氟农药的中间体，如除虫脲、氟铃脲、锐劲特、氟氯氰菊酯、氟氰菊酯、 精稳杀得、喹禾灵等的中间体。 ( 3 ) 手性农药的中间体：手性农药将成为2 1 世纪新农药开发的热点。主要有 拟除虫菊酯类、高效低毒的有机磷类( 不对称原子为c 或n ，或c 与n ) 杀虫 剂；三唑类和乙酰胺类杀菌剂；芳基苯氧基丙烯酸酯类、咪唑啉酮类、环己二酮 类和酰胺类除草剂等。 第二节两类吡啶衍生物在农药工业中的应用 含氮杂环农药是当今新农药开发的热点之一。吡啶类农药是其中一类。吡啶 和苯是一对生物电子等排体，从生物电子等排理论出发，存在诸多相似，但疏水 性有较大差别，如表1 - 1 所示【6 1 。 表卜1 苯和吡啶性质比较 吡啶7 94 21 1 55 09 8 2 1 5 0 9 2 03 8 0 0 6 5 第一章前言 因此，由吡啶代替苯环得到的新化合物往往具有更高的生物活性、更低的毒性、 更高的内吸性或更高的选择性等。人们对这类化合物的研究与日俱增。 吡啶类农药的应用己有悠久的历史。早在1 7 世纪末1 8 世纪初，欧洲人就丌 始使用含吡啶杂环的天然产物烟草浸出液作杀虫剂，后经分析确认其有效成分为 烟碱。1 9 5 5 年英国i c i 公司开发了含毗啶杂环的除草剂敌草快( d i q u a t ) ，1 9 5 8 年该公司又开发了除草剂百草枯( p a r a q u a t ) ，这是最早人工合成的吡啶类农药之 ，至今仍有很好的市场。 随著有机合成技术和农药活性分子设计技巧的发展及农业生产对新农药的 需求，6 0 年代以后多种含吡啶农药问世。道化公司开发了绿草定，石原公司开发 了吡氟禾草灵等。德国拜耳公司和日本特殊农药公司共同开发了吡虫啉等【7 】。如 今，吡啶类农药已发展出包括杀菌剂、杀虫杀螨剂、除草剂和植物生长调节剂在 内的众多品种。大多数吡啶类农药具有高效、生物低毒、持效期长的特点，而且 对人及其他有益动物具有卓越的环境相容性，符合绿色农药的发展趋势。 在吡啶类农药的开发中，含吡啶杂环的原料和中间体开发具有重要意义。以 下简要介绍两类吡啶衍生物在农药合成中的应用。 一、2 一氯一3 一甲基吡啶和2 一氯一5 一甲基吡啶在农药合成中的应用 2 一氯一3 一甲基吡啶和2 一氯一5 一甲基吡啶的结构如图1 1 所示。 q l y 3心c 取c b p 1 9 2 bp t 9 7 c 图卜12 - 氯一3 一甲基吡啶和2 一氯一5 一甲基毗啶的结构式 2 一氯一3 一甲基吡啶和2 一氯一5 一甲基毗啶是吡啶类农药的关键中间体，也是这类农 药中最具活性的部分0 1 。表1 2 列出了一些以2 一氯一3 一甲基吡啶和2 - 氯5 甲基 吡啶为中间体合成的农药，主要是杀虫剂和除草剂1 1 - 1 6 1 。 表l - 2 含2 一氯一3 一甲基毗啶和2 一氯_ 5 一甲基毗啶中问体的农药 6 第一章前言 二、甲基吡啶在农药合成中的应用 甲基吡啶均为具有特异气味的吸湿性液体，呈弱碱性，可溶于水、乙醇、乙 醚、苯和油脂，是有机物和许多无机盐的优良溶剂。吡啶环上较难进行亲电取代 反应，而较易进行亲核取代反应。其蒸汽与空气能形成爆炸性混合物。甲基吡啶 的主要性质见表1 3 。 表卜3 几种甲基吡啶的主要物理性质1 1 7 1 3 一甲基吡啶和4 - 甲基吡啶，可简称为3 - m p 和4 - m p ，其结构如图1 2 所示。 二者都是重要的化工原料或有机中间体，广泛用于农药、医药、香料等精细化。 行业。 9 洲3$ 图卜2 3 - 甲基吡啶和4 一甲基毗啶的结构式 以3 - 甲基吡啶为原料开发的农药中，有超高效的杀虫剂、除草剂和超高效 的杀菌剂，并逐渐形成了一大类特有的农药系列。通过3 - 甲基吡啶的烷基化反 第一章前言 应、与杂环n h 的缩合反应、以及氨化后与卜硝基一2 ，2 一双( 硫甲基) 乙烯等的 反应可制备一系列性能优良的杀虫杀螨剂t 8 - 2 5 。这些农药绝大多数活性很强，对 各种刺吸口器式害虫及鳞翅目、半翅目害虫如叶蝉、稻飞虱、蚜、蛾等防治有高 效。3 甲基吡啶经氯化后生成2 一氯一3 一甲基毗啶和2 一氯一5 一甲基毗啶，如前所述， 均是重要的农药中间体：经氯化、氟化后得到2 一氯一5 一三氟甲基吡啶，是合成稳 杀得和精稳杀得的中间体；经氯化、氟化、羟基化后可生成2 一羟基一3 一氯一5 一三 氟甲基吡啶，为合成盖草能的中间体；经氯化、羟基化等得到杀菌剂啶斑肟 ( p y r i f e n o x ) 等。 3 一甲基吡啶还大量用于制造维生素b 、尼可拉明、强心剂和防水剂等，最重 要的用途是生产烟酸和烟酰胺，烟酸和烟酰胺可用作饲料工业的添加剂，目前在 国内的用量正处于迅速增长时期。 4 一甲基毗啶主要用作有机合成的原料和溶剂。4 一甲基吡啶是制取异烟肼的必 须原料，异烟肼是治疗结核病的药物，随着结核病的复发，该药物具有较好的市 场前景。4 一甲基毗啶也可用于制取染料、农药、催化剂、橡胶硫化促进剂和合成 树脂等。 第三节本论文的研究内容及意义 本论文包括两个研究课题：2 一氯5 甲基吡啶结晶母液的分离研究和3 4 甲基 毗啶合成液的分离研究。 一、2 - 氯一5 - 甲基吡啶结晶母液的分离研究 1 研究目标 用萃取精馏法分离复杂体系( 所谓复杂体系，是指所处理的料液系直接由工 业合成得到，成分复杂，除含有两种同分异构体外，还含有其它杂质。分离时， 需同时考虑杂质对分离效果的可能影响) 中的2 一氯一3 一甲基吡啶与2 一氯一5 一甲基 毗啶，使产品含量达到9 5 以上，收率达到9 0 d a 上，并最终实现工业化规模 的生产。通过处理后革除目前企业所使用的全回流间歇取料方法。大大降低生产 所需能耗；同时提高产品纯度和收率，给企业带来巨大的经济效益和环境效益。 2 研究方案 ( 1 ) 2 - 氯一5 一甲基吡啶结晶母液性质的分析测定； ( 2 ) 萃取剂的选择； 第一章前言 ( 3 ) 萃取精馏条件的确定和优化； ( 4 ) 工艺流程的确定。 二、3 4 甲基吡啶混合液的分离研究 1 研究目标 采用合适的方法处理3 一4 一甲基吡啶混合产品，分离得到较高纯度的3 一甲基 毗啶和4 一甲基吡啶，探讨多种分离方法可能的原理和对该体系的可适用性。 2 研究方案 ( 1 ) 3 - 4 一甲基吡啶混合液的性质分析； ( 2 ) 萃取精馏法处理3 一4 一甲基吡啶混合液研究 ( 3 ) 络合结晶法处理3 一4 一甲基吡啶混合液研究 第四节本论文的研究成果和创新之处 ( 1 ) 首次采用萃取精馏法从2 氯5 一甲基吡啶的结晶母液中分离2 氯3 一甲基 毗啶和2 - 氯- 5 - 甲基吡啶，选择二醇类萃取剂为合适的萃取剂。以l ，4 一丁二醇为 萃取剂进行了实验室规模的萃取精馏研究，得n t 相关的操作条件。该部分内容 已申请国家发明专利。 实验发现，l ，4 - 丁二醇可以作为萃取精馏分离2 氯3 一甲基吡啶和2 氯一5 一 甲基毗啶的萃取剂，将该体系的平均相对挥发度从1 1 6 提高到1 5 0 以上。本课 题组以l ，4 一丁二醇为萃取剂，采用半连续萃取精馏法，分别选用理论塔板数为 1 45 和4 3 块的填料塔，在减压条件下，进行了对结晶母液的小试分离研究。选 用4 3 块塔板的精馏塔，全塔真空度控制在0 0 9 7 0 0 9 3 m p a ，塔顶温8 6 。c 左右， 釜温1 1 2 1 2 2 c ，回流比为1 0 ，可同时得到含量均大于9 5 的2 氯3 甲基吡啶 和2 - 氯- 5 - 甲基吡啶。实验具有多次的可重复性。萃取剂可以回收和循环使用。 采用萃取精馏法分离2 氯3 甲基吡啶和2 一氯5 一甲基吡啶可以同时得到较高的产 品含量和收率，具有工业应用的价值。 ( 2 ) 进行了3 “一甲基吡啶这一难分离物系的分离研究，并解释了1 ，4 一丁 二醇萃取剂不能用于该体系分离的原因。 第一章前言 参考文献： 1 李正名，农药化学现状和发展动向 j ，应用化学，1 9 9 3 ，1 0 ( 5 ) ：2 1 2 凌世海，我幽农药加工工业现状和发展建议叫，农药，1 9 9 9 ，3 8 ( j 0 ) ：】9 2 4 3 胥维吕，我斟农药废水处理现状及展望 j ，化工进展，2 0 0 0 ，( 5 ) ：1 8 2 3 4 蒋彩云，农药中间体6 一硝问甲酚分离工艺的改进及资源化研究 硕士学位沦 文 ，南京师范大学，1 9 9 7 5 ，张宾，对中国农药发展之浅见 j ，农药，1 9 9 8 ，3 7 ( 5 ) ：1 2 6 尚尔才，刘长令，杜英娟，毗啶类农药的研究进展 j ，化工进展，1 9 9 6 ，( 5 ) ： l l 1 4 7 谢心宏，新型杀虫剂吡虫啉 j ，农药，1 9 9 8 ，3 7 ( 6 ) ：4 0 4 2 8 王大翔，杂环化合物在农药发展中的重要作用 j ，农药，1 9 9 5 ，3 4 ( 】) ：6 7 9 李玉新，毗唑啉4 类新型高效杀虫剂 j ，湖南化工，1 9 9 7 ，2 7 ( 3 ) ：8 1 2 1 0 谭国洪，柴生勇，2 一氯一5 一氯甲基吡啶及吡虫啉的合成 j ，化学髓界，2 0 0 0 ( 4 ) ： 2 0 5 2 0 8 1 1 臧开保，王晓光，农药的研究开发与发展趋势 j ，湖南化一e ，2 0 0 0 ，3 0 ( 1 ) ：1 。 8 1 2 谢心宏，新型杀虫剂吡虫啉 j ，农药，1 9 9 8 ，3 7 ( 6 ) ：4 0 4 2 1 3 冯晓亮，徐林祥，2 一氯一5 一氯甲基吡啶的合成方法及其在农药合成中的应用 j 一 浙江化工，2 0 0 1 ，3 2 ( 2 ) ：5 0 5 i 1 4 张林龙，含氟毗啶及其衍生物 j ，有机氟工业，1 9 9 5 ( 2 ) ：9 儿 1 5 赵飘光，王建国，袁德凯，等，吡啶类农药研究趋势及新发现的含吡啶环的天然 活性物质f j ，农药，2 0 0 2 ，4 l ( 7 ) ：8 1 1 1 6 苏少泉，烟嘧磺隆在我圈的开发 j ，农药，2 0 0 3 ，4 2 ( 7 ) ：5 8 1 7 刘长令，汪灿明，于春睿，等，3 一甲基吡啶及其衍生物在农药合成中的应用瞪 农药，1 9 9 9 ，3 8 ( 6 ) ：1 3 1 8 孙华林，烷暴吡啶 j ，精细石油化上，2 0 0 2 ，( 6 ) ：5 9 6 1 9 d i e h rhl j ，p r e p a r a t i o no f1 一s u b s t i t u t e d 2 一( n i t r oj m i n o ) 一1 ，3 一d i a z a c y c l o a l k a n e sa si n s e c t i c i d e s p j ，d e3 8 3 0 2 3 8 ，1 9 9 0 2 0 s h i o k a w ak ，t s u b o is ，t o s h i b es ，d oa l ，p r e p a r a t i o no f n ( p y r i d y l a k y l ) a lk y le n e d a m t n e sa s n t e r m e d i a z e sf o r i n s e c t i c i d e s p ，i p0 4 2 1 7 9 5 7 1 9 9 2 2 1 t s u b o i s ，m o r i i ek ，s h i b u y ak ，e t a ，p r e p a r a t i o n o f2i m i n n h e s a h y d r o 一1 ，3 ，5 - t r i a z i n ed e r i v a t jv e sa sp e s t i c i d e s l r ，j p0 4 3 4 6 9 8 4 丝二童垫室 一一一 1 9 9 z 2 2 n a k a y am ，e b i h a r ak ，m a t s u n oh ，e ta ，p r e p a r a t i o n o fs u b s t it u t e d n i t r o g u a n i d i n ed e r i v a t i v e s a n di n t e r m e d i a t e st h e r e o fa n di n s e c t i c i d e s c e n t a i n i n g t h ed e r i v a t i v e sa sa c t i v e i n g r e d i e n t s ) ，j p 0 6 1 2 2 6 8 0 ， 1 9 9 4 2 3 is h i m i t s uk ，s u z u k ij ，o h is h ih ，e fa ，p r e p a r a t jo n o f p y r id y l 一 a l k v l a m i r i od e r j v a t i y e sa si n s e c t ，i e i d e s p ，w o9 1 0 4 9 6 5 ，1 9 9 1 2 4 m a i e n f i s c hp ，g o n d aj ，j a c o b0 ，e ta l ，n o v e l2 - n i t r o m e t h y l i d e n e 2 一n i t r o a mjn o p y r r o i d ir l e s a n d p i p e r d i n e s ，i n t e r m e d i a t e s ，a n ( j t h e iru s ea sp e s t i c i d e s p ，w o9 4 2 4 t 2 4 ，1 9 9 4 2 5 m e t ea ，m a n k e ejb ，p r e p a r a t i o i lo fm e t h y l e n e s u b s “t u t e dh e t e r o c y c l i c i n s e cl i c i d e sa n da c a r i t i d e s p ，e p 6 5 2 2 1 5 。1 9 9 5 第二章2 氯5 甲基吡啶结晶母液的分离研究 第二章2 氯。5 甲基吡啶 结晶母液的分离研究 第一节结晶母液的来源、特点及分离目标 一、结晶母液的来源和特点 2 氯5 一甲基吡啶是一种重要的农药中间体。其生产方法，国外已申请多项发 明专利【“】，包括3 一甲基吡啶氧化法、环化法、重氮化法和熔融盐法等。天津大 学开发的3 一甲基吡啶一步氯化法也已在实验室取得成功，但由于催化剂损失严 重，尚未实现工业化博 。国内企业的生产方法主要是两种： ( 1 ) 环化法。该生产方法在国内部分企业已有应用。如图2 1 所示，以几 个短链分子为原料，缩合成长链分子，然后再进一步环化、氯化以合成目标产物。 如以吗啉和丙醛为原料，经五步反应得中间体3 ，4 一二氢一5 一甲基一2 ( 1 h ) 一吡啶 酮，在硫和氯苯作用下进一步加热脱氢、氯化得到目标产物【4 i 。产率达7 2 ，9 ， 纯度达9 5 6 。该法主要优点是产物纯度高，有利于提高农药成品的纯度。缺点 是反应步骤长，原料繁多。 兰! 骘! i 舔笺措迎一2 - 躺饿吡啶 图2 一l 环他法合残2 一氯一5 一氯甲基毗啶 ( 2 ) 3 一甲基吡啶氧化法。目前我国大多数吡虫啉、啶虫脒生产厂家都采用 这种合成路线。将3 甲基毗啶催化氧化为3 一甲基毗啶氧，再酰氯化，可同时得 到8 0 左右的2 一氯5 一甲基吡啶及2 0 左右的2 - 氯一3 一甲基毗啶。氯化剂可 以是三氯氧磷及含氯的磷酸衍生物、苯甲酰氯、二甲基氯化胺等。 9 删迎9 佣毪9 0 该法的主要优点是：工艺流程短，投资费用低；操作简单，过程易j ：控制；原料 第二章2 氯5 甲基毗啶结晶母液的分离研究 易得。缺点是同时生成的副产物2 一氯一3 一甲基吡啶，与主产物分离困难，影响农 药成品的纯度。 工业上有关上述两种组分的分离方法主要有低温结晶一粗馏法和普通精馏 法。普通精馏法在生产上实施难度很大，因为二者属同分异构体，沸点接近，相 对挥发度小( 约1 2 ) ，要达到9 5 以上的分离度，需要很高的理论塔板数，进而 导致塔内压降增大，塔釜再沸器温度升高，而该物质在较高温度下容易结焦，造 成2 一氯一5 一甲基吡啶的大量损失，收率降低。低温结晶一粗馏法能获得9 5 含量 的2 一氯一5 一甲基吡啶，某吡虫啉生产企业采用的工艺流程如图2 2 所示。 其中a 为2 一氯一3 一甲基吡啶，b 为2 一氯一5 一甲基吡啶 图2 _ 2 某企业分离2 一氯一5 一甲基吡啶的工艺流程 5 ) b ( 8 5 ) 在图2 - 2 工艺流程中，为使塔釜b 含量达到8 5 ，全回流6 后再采出部分 塔顶产品，该方法存在着严重缺陷：回流时间太长，能耗很大：加热时间长，塔 釜产品结焦严重，收率降低；塔顶产品中2 一氯一5 一甲基吡啶的含量较高，也使收 率降低。此外，低温结晶时，结晶母液中残留了较多2 一氯一5 一甲基毗啶，最终导 致收率下降；低温结晶工段的操作条件严格，过冷条件下得到的产品含量常常不 合格。 通过文献检索，目前国内外对这两种物质的分离尚无理想的方法，所以从复 杂体系中经济有效地分离出2 一氯一5 一甲基吡啶无疑是当前农药生产企业亟待解决 的问题。且异构体2 一氯一3 一甲基吡啶也可以用作医药或农药中间体，具有较高工 业价值。若能寻求合理经济的工业分离方法，同时得到高纯度2 一氯一3 一甲基吡啶 和2 一氯一5 一甲基吡啶，无疑会给企业带来巨大的经济效益。 我们以某吡虫啉生产厂家提供的、该工艺中产生的2 一氯5 甲基吡啶结晶母 液为研究对象，采用萃取精馏法进行处理，得到了较为满意的分离效果。该结晶 母液主要性质见表2 1 。 笙三兰! ：墼：! ：! 薹些堕堕曼里堕堕坌查至! 壅 表z l2 一氯一5 一甲基吡啶结晶母液性质 外观2 一氯一3 一甲基毗啶 2 一氯5 一甲基吡啶密度 淡黄色透明液体 3 0 7 0 1 1 4 二、分离目标 通过萃取精馏法分离2 氯5 一甲基吡啶结晶母液中的2 氯一3 一甲基毗啶与2 一 氯一5 一甲基吡啶，提高产品含量和收率，使产品含量达到9 5 以上，收率达到9 0 以上，同时革除目前企业所使用的全回流间歇取料方法，大大降低生产所需能耗， 给企业带来较好的经济效益和环境效益。 第二节萃取精馏法 一、萃取精馏法简介 分离过程是将混合物分离成互不相同的两种或几种产品的操作。一个典型的 化工生产装置通常由一个或多个反应器、提纯原料、中间产物和产品的多个分离 设备以及机、泵、换热器等构成。分离操作一方面为化学反应提供符合质量要求 的原料，清除对反应或催化剂有害的杂质，以减少副反应和提高收率：另一方面 提纯反应产物以得到合格的产品，并使未反应的反应物得以循环利用。此外，分 离操作在环境保护和充分利用资源等方面起着特别重要的作用。因此，分离操作 在化工生产中占有十分重要的地位，在提高生产的经济效益和产品质量中起举足 轻重的作用。 精馏是当代有机化学工业中应用最广泛的分离技术，在化学工业中具有熏要 地位。据估计，大约9 0 9 5 的产品提纯和回收由精馏实现【6 】。费尔在国际精馏 会议上指出，“如果液体混合物可以应用精馏分离，那么从经济上考虑有吸引力 的方法是精馏操作。”当普通精馏不能满足分离要求时，可采用特殊精馏( 包括 萃取精馏和恒沸精馏) 法，一般优先考虑萃取精馏法【7 】。这是因为与恒沸精馏相 比，萃取精馏的萃取剂选择范围大，且操作条件可在相对较大的范围内变动。 精馏的基本原理是利用溶液中不同组分的挥发性不同。在气液两相共存达到 相平衡时，挥发性高的组分( 轻组分) 在气相中的浓度比在液相中大，挥发性低 的组分( 重组分) 在液相中的浓度比在气相中大。精馏装置通常由精馏塔、冷凝 器和再沸器等构成。再沸器供热使塔底料液部分汽化，冷凝器则使塔顶蒸，i 液化 并部分回流到塔内。在塔内气液两相共存，充分接触，经过多次部分汽化一部分 第二章2 氯5 。甲基毗啶结晶母液的分离研究 冷凝过程，最后在塔顶得到较纯的轻组分，在塔釜得到较纯的重组分。 当待分离组分沸点接近，相对挥发度相差不大时，可在精馏塔中加入一种或 几种萃取剂，提高二者的相对挥发度，使组分得以分离，这种分离方法叫做萃取 精馏。 萃取精馏按操作压强可分为常压、加压和减压精馏。在一般情况下，多采用 常压精馏：如在常压下是气体混合物，则可采用加压精馏：如沸点高又是热敏性 物系，则可采用减压精馏。 萃取精馏按操作流程可分为连续、半连续和间歇精馏，石化工业中多以连续 精馏为主，而后两者主要应用于精细化工等行业的4 、规模生产和某些有特殊要求 的场合。 连续萃取精馏过程一般采用双塔流程，由萃取精馏塔和萃取剂回收塔组成， 如图2 3 所示。 萃取剂待分离物料轻组分产品 萃取剂与重组分混合液重组分产品再生萃取剂循环 图23 连续萃取精馏的双塔流程 其中，萃取剂从处加入，待分离的物料从处加入。在萃取塔顶的处采 - 出轻组分产品。在塔底处得到重组分和萃取剂的混合物，该混合物进入萃取剂 回收塔进行分离。萃取剂回收塔的塔顶处得到重组分产品，塔底处回收出萃 取剂并循环使用。半连续摹取精馏过程界于连续和间歇萃取精馏之间，与连续萃 取精馏相比，萃取剂和待分离物料仍然连续加入，而塔釜物料积累和间歌出料。 第二二章2 氯5 甲基吡啶结品母泣的分离研究 二、萃取精馏法萃取剂选择的研究进展 萃取精馏所用萃取剂一般应符合以下条件mw ： 选择性高，加入少量萃取剂即能大大增加待分离组分间的相对挥发度； 挥发性小，且不与原溶液中各组分形成恒沸物，便于回收。萃取剂沸点一般要 高于原组分3 0 4 0 c 以上以利于回收：但沸点又不能太高，以免增加能耗和造 成萃取剂回收困难； 萃取剂与原溶液互溶良好，在塔内不分相，以充分发挥每块板上液相中萃取剂 的作用，适当减少萃取剂的循环量； 萃取剂热稳定性、化学稳定性好，因为萃取剂的热分解或与原组分起化学反应 的损耗程度通常决定了萃取精馏过程的经济性； 萃取剂的粘度、密度不宜太高，以利于物料输送和传热传质；同时要有适宜的 表面张力、扩散系数和导热系数等： 萃取剂有较低的比热和蒸发潜热： 腐蚀性小，来源丰富，价格低廉等。 由表2 - 2 可以看出，相对挥发度的提高可以大大减少精馏所需的理论塔板数， 所以通过加入萃取剂来改变原分离体系相对挥发度的大小，可以使分离工作更经 济地进行。萃取精馏法分离效果的好坏关键在于萃取剂的选择，在于萃取剂的加 入能否大幅度提高原溶液中两个组分间的相对挥发度。相对挥发度的提高程度可 以用选择度来表示。 表2 2 ：理论塔板数和实际塔板数与相对挥发度之间的关系i 选择度是筛选萃取剂的主要指标。把加入萃取剂后和未加入萃取剂时组分a 对组分b 的相对挥发度分别表示为a 口和a ，二者的比值称为选择度s 比值 越大，说明选择性越好，萃取剂的效果就越好。 萃取剂选择的主要依据是寻求分离物系的最大选择度。由于萃取剂的微观结 构和作用机理的复杂性，到目前为止萃取剂的筛选基本上还处于经验或半经验筛 选阶段。选择方法大致可分为四类：定性判断、定量估算、实验测定和计算机辅 助分子设计( c a m d ) 0 】。 定性判断 根据被分离混合物的性质首先进行定性判断，确定要选择哪一类萃取剂。尤 厄尔( e w e l l ) 等【“1 根据能否生成氢键的特性把液体分为五类，并据此对各类液 体组成溶液时的偏差情况作了定性推测，如表2 3 和表2 - 4 所示。 从表2 - 4 可见，各类液体混合形成溶液时，如果有新的氢键生成，则呈现负 偏差；如果氢键断裂或单位体积氢键减少，则呈现正偏差。强烈的负偏差就有可 能出现最高恒沸点混合物，强烈的正偏差则可能出现最低恒沸点混合物。这一分 类方法可以指导萃取剂的初步筛选。那些属于第1 和第1 i 类的液体都适合作为萃 取剂，主要是一些能生成强氢键的、或既能起供电子也能起供质子作用的物质， 包括酚类、芳胺类、高级醇、二醇等。具体的说，可采用如下的方法： 表2 - 3 按生成氢键的倾向而定的液体分类 类别分子种类例子 能够生成三维网状结构的强氢键的分子所组水、多元醇、氢基醇、羟氨、羟基酸、 i 成的液体多元酚、酰胺等； 既有活泼氢原子又有供电子原子( o 、n 、f ) 除第一类的其他醇、酸、酚、伯胺及 i i 仲胺、肟、有n h 的硝基化合物和腈、 的分子所组成的其他液体 氨、联氨、氟化氢及氰化氢等 只有给电子原子而没有活泼氢原子的分子所醚、酮、醛、酯、胺、吡啶、硝基苯 h 1 组成的液体及没有q h 的腈等 有活泼氢原子而没有供电子原子的分子所组 成的液体，这些是在有一个氢原子的同一碳原 子上有两个或三个氯原子的分子，或者在一个氯仿、二氯甲烷、一二氯乙烷等 碳原子上有一个氯而在相邻的碳原子上有一 个或更多的氯原子 烃类、c s 2 、硫化物、硫醇、不在 v 不能生成氢键的所有其他液体 组中的卤代烃等 第二章2 氧5 甲基吡啶结晶母液的分离研究 表2 - 4 对拉乌尔定律偏差的总结 类别 氢键偏差 i + v恒为正偏差，i + v 常常是有 只有氢键断裂 i i + v限溶解的 h i + i v只有氢键生成恒为负偏差 i + 氢键有生成有断裂，但i 或i i 组的液体的解离恒为正偏筹，i + 常常是有 i i + 是更为重要的效应限溶解的 i + i i + i i 通常是正偏著，有些负偏差， i + i i i氢键有断裂有生成 并生成最高共沸物 i i + i i i i + i i i i i i + i i i i i i + v 拟理想系统，常为正偏差或无 f v + 没有氢键偏差，如有共沸物则为最低共 + v 沸物 v 十v ( 1 ) 极性较强有机物的分离。方法之一是在两组分的同系物中选择。为了 使被分离组分之间的相对挥发度增大，在不形成共沸物的条件下，我们希望所选 萃取剂能与塔釜重组分形成负偏差溶液或理想溶液，与塔顶轻组分形成较大正偏 差的溶液。选择塔釜重组分的同系物为萃取剂时，该同系物通常能与之形成理想 溶液：如果原料中轻重组分组成的溶液原来是正偏差的，此时该同系物与塔顶轻 组分组成的溶液也会是正偏差的。方法之二是根据组分的极性不同来选择。常用