CN106008210B - 采用环路反应器合成功夫酸的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用环路反应器制备功夫酸的方法，包括将贲亭酸甲酯、1,1,1‑三氟三氯乙烷和叔丁醇钾等原料通过加成、环化、皂化、酸化、精制等过程制备功夫酸的步骤。该方法在环化反应中采用环路反应器提高了功夫酸的转化率和产品质量的稳定性和生产安全性，缩短了反应时间，降低了反应压力，节约了大量能耗，减少了原功夫酸生成设备台数和操作人数。

Description

采用环路反应器合成功夫酸的方法
技术领域
本发明涉及一种采用环路反应器制备功夫酸的方法，属于化学技术领域。
背景技术
众所周知，新农药发展趋势是:高效、安全、经济。拟除虫菊酯是一类在天然除虫菊酯化学结构研究的基础上发展而来的仿生药物，其特点是击倒快、杀虫作用力强、广谱、低毒、低残留和易降解，对于高等动物和鸟类低毒性，使用安全，不污染环境。从六十年代后期起，特别是七十年代拟除虫菊酯的开发进入大发展时期，由于多卤代菊酸系列产品良好的杀虫活性和光稳定性，二氯苯醚菊酯、嗅氰菊酯、氯氰菊酯、杀灭菊酯、联苯菊酯和功夫菊酯等优良品种不断出现，拟除虫菊酯的开发和应用有了迅猛的发展，拟除虫菊酯已成为农用及卫生杀虫剂的主要支柱产品。但是由于拟除虫菊酯的合成工艺较复杂，成本较高，改进工艺，降低成本已成为拟除虫菊酯产业化的重大课题。
由于顺式卤代菊酸生成的大部分酯的杀虫活性比反式的要高得多，因此选择性地合成顺式卤代菊酸一直是科学家们努力攻关的课题。
以贲亭酸甲酯、三氟三氯乙烷在叔丁醇溶液中加入氯化亚铜和单乙醇胺正压反应生成氟氯酯(即加成物)再利用环化回路反应器将加成物在DMF与叔丁醇混合溶液中与叔丁醇钾环化反应生成效果最好的是1R,3cis一二氯氟菊酯(即环化物)将环化物与KOH的水溶液进行皂化反应和消去反应，最后用无机酸进行酸化得到可合成杀虫活性最强酯的Z-1Rcis-S型氟氯酸即功夫酸。
早在二十世纪八十年代就有人进行功夫酸的研究，功夫酸生产技术的研究报导很多，文献表明在功夫酸生产中目前以贲亭酸甲酯为原料的工艺就关键工段环化工艺而言有两种工艺路线：即在低温下以叔丁醇钠为催化剂滴加加成物工艺和碱性碳酸钠为催化剂的回流制备环化物工艺，但无论哪种工艺都是为釜式间歇反应。因此原功夫酸生成工艺中环化物3-(2-氯-3,3,3-三氟-丙烯-1-基)2,2-二甲基环丙羧酸酯中间体制备过程由于采用间歇反应存在温度梯度和浓度梯度使得转化率不高和环化操作不稳定，原功夫酸生成设备台数和操作人数过多，大能耗，生产不连续，产品质量不稳定。同时，由于采用叔丁醇钠存在转化率不高的问题。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种采用环路反应器制备功夫酸的方法，该方法包括将贲亭酸甲酯、三氟三氯乙烷等原料通过加成、环化、皂化、酸化、精制等过程，可有效提高产品的得率和产品质量的稳定性，工艺安全性高，操作简单，并可实现工业化连续生产。同时，提供了一种新型催化剂叔丁醇钾，使用该催化剂可使功夫酸得率较原使用叔丁醇钠催化剂提高7～10％。
本发明首次使用环路反应器制备1R,3cis一二氯氟菊酯(即环化物)1R,3cis一二氯氟菊酯(即环化物)的制备是典型的液-液反应。这类反应涉及液-液的传质和传热过程，对于反应器的传质和传热效率有较高的要求。
该环路反应器由进料混合器、外置换热器及循环泵组成，比传统的搅拌釜式反应器有明显的高效传质和传热优势，经由进料混合器可使液体雾化成微米级或纳米级的小液滴，增加与液-液的接触面积，因而与间歇搅拌釜相比可大大增加传质和传热效率。
本发明的目的是通过以下方案实现的：
一种采用环路反应器合成功夫酸的方法，该方法包括如下步骤:
(1)加成工段：以贲亭酸甲酯和1,1,1-三氟三氯乙烷为原料，在叔丁醇溶液中，以氯化亚铜和单乙醇胺为催化剂，反应生成加成物。正压反应结束后可以进行酸洗、水洗、分层、脱水、脱溶，得到3,3-二甲基4,6,6-三氯-7,7,7-三氟庚酸酯(简称加成物)
(2)环化工段:在环路反应器中，加成物与催化剂在溶剂中环化脱氯化氢生成环化物；其中，溶剂是叔丁醇和DMF的混合溶液；
(3)环化物与液碱进行皂化消去反应，再通过连续酸化制备三氟氯菊酸，最后经过二次重结晶后即得功夫酸。(LC含量在98.5％以上，GC含量在99.99％):
上述步骤(1)具体包括如下步骤:
在氮气保护下，贲亭酸甲酯与三氟三氯乙烷在叔丁醇溶液中，加入催化剂氯化亚铜和乙醇胺，加热回流5～15小时，常压回收过量的三氟三氯乙烷和叔丁醇，再减压蒸馏收集136-142℃/15mmHg的馏分。
上述步骤(2)具体包括如下步骤:将(1)步骤中制得的加成物与DMF预混合后，再与催化剂混合后，进入已充满环化物且温度已冷至-15℃的环路反应器中，在-20℃～-5℃和压力0.08MPa-0.3MPa下，各反应物料连续定量进环路反应器连续反应，生成物连续出环路后经压滤除去盐，脱溶后得到环化物；其中，催化剂的加入量为加成物质量的30～60wt％。
上述步骤(3)具体包括如下步骤:将(2)步骤制得的环化物和液碱在皂化催化剂存在下，皂化温度为98～105℃条件下，常压进行皂化消去反应，再通过连续酸化制备三氟氯菊酸，经过二次重结晶后即得功夫酸。其中，皂化催化剂的加入量为环化物的0.01～0.03％wt/wt，所述的液碱为NaOH或KOH，优选浓度为30％，环化物和液碱的摩尔比为1.0:2.0～2.50。
皂化催化剂为季铵盐相转移催化剂：苄基三乙基氯化铵(TEBA)、四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、四丁基硫酸氢铵(TBAB)、三辛基甲基氯化铵、十二烷基三甲基氯化铵、十四烷基三甲基氯化铵中的一种或多种混合物组成。
上述步骤(2)中，加成物与催化剂的摩尔比为1.0:1.05～2.0。叔丁醇加入量为加成物质量的200～500％wt/wt。DMF与叔丁醇比例为30％～80％wt/wt。环化反应温度在-20℃～-5℃，环化反应压力在0.08MPa-0.3MPa，循环回流产出比为3～50:1。催化剂是叔丁醇钠或叔丁醇钾。
该方法直接解决了原功夫酸生成工艺中环化物3-(2-氯-3,3,3-三氟-丙烯-1-基)2,2-二甲基环丙羧酸酯中间体制备过程由于采用间歇反应存在温度梯度和浓度梯度使得转化率不高和环化操作不稳定的问题；克服了原功夫酸生成设备台数和操作人数过多的不足；节约大量能耗；最主要的是在生产工艺上能稳定地和安全地合成了高含量的Z-1Rcis-S的三氟氯菊酸即得到目的产物功夫酸。
本发明在环化反应中采用环路反应器具有提高了功夫酸的转化率和产品质量的稳定性和生产安全性，缩短了反应时间，降低了反应压力，节约了大量能耗，减少了原功夫酸生成设备台数和操作人数等优点。
本发明所述的功夫酸的制备方法具有以下优点：
(1)制备1R,3cis一二氯氟菊酯(即环化物)使用环路反应器，可以改善二相反应的传热和传质效率，缩短反应时间，降低反应压力。本发明使用环路反应器，和搅拌釜式反应器相比传质和传热效率明显提高，反应时间可以缩短至3-5h，反应压力可降至0.05MPa以下。
(2)环路反应器对快速反应具有传热和传质效率高、装置占地少，操作人员少，易控制和安全可可靠等特点。本发明是首次将其应用于功夫酸的环化反应，取得了提高产品质量、缩短反应时间、降低反应压力、提高生产率的作用。
(3)使用新型催化剂叔丁醇钾，可使功夫酸得率较原使用叔丁醇钠催化剂提高7～10％。
(4)本发明采用连续化生产，因此本发明生产得到的功夫酸质量十分稳定，在年产3000吨的功夫酸装置上安全运行半年多，生产质量熔点＞110.8℃，LC含量98.5％以上，最大杂质＜0.2％、干燥失重＜0.20％，全部达到出口要求的优质品标准。
附图说明
图1为本发明使用的环路反应器。
图中，1、催化剂进口，2、加成物进口，3、DMF进口，4、进料混合器，
5、混合泵，6、静态混合器，7、8、环化冷却器，9～12、电动开关切断阀，13、手动阀，14、调节阀，15、环化物出口。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明所述的循环比是指：在循环环路反应器中循环回反应回路的物料量与产出循环回路的物料量之比。如图1所示，从加成物进口2通入加成物，从催化剂进口1通入催化剂，从DMF进口3通入DMF，三者经过混合泵5带动的进料混合器4进行预混合，再进入静态混合器6中混合，混合后的物料泵入7、8环化冷却器中进行连续反应，得到的反应物从环化物出口放出。
实施例1：
一种制备功夫酸的方法，包括以下工艺步骤：
(1)加成：在氮气保护下向5000升搪瓷反应釜中加入贲亭酸甲酯1250kg,F113A(1,1,1-三氟三氯乙烷)2500kg和叔丁醇1150kg，搅拌下依次加入氯化亚铜25kg和单乙醇胺60kg，加热回流12小时。常压回收过量的F113A和叔丁醇，再减压蒸馏收集136-142℃/15mmHg的馏分，共计2755.5kg(含量98.4％)，收率93.5％。
(2)环化：将上述透明溶液以每1437.5kg/hr与239.58kg/hrDMF预混合，同时预冷却器至5℃后泵入环路反应器，再与5270.8kg/hr12％叔丁醇钾与2156.22kg/hrDMF预混合，同时预冷却器至5℃后泵入环路反应器，所进入的环路反应器已充满合格的环化物且温度已冷至-15℃，根据反应液温度通过控制环路冷却器冷媒的进料阀门的开启度，进而控制反应温度在-15±1.5℃和压力0.1±0.02MPa，连续反应，得到的反应物经压滤除去盐，脱溶后得到环化物。制备高顺反比的3-(2-氯-3,3,3-三氟-丙烯-1-基)2,2-二甲基环丙烯酸酯中间体，顺反比达97％。
(3)皂化和消去：在皂化釜式反应器中加入环化物4892kg，季铵盐相转移催化剂：2Kg，工艺水：8825Kg，升温至98～102℃，每釜滴加30％NaOH液碱量为：5416Kg，滴加时间为3小时；当滴加结束，再保温11小时取样分析：顺式二氯酸≦1％，反式二氯酸≤4.5％，保温反应合格(GC分析)。
(4)酸化和精制：功夫酸皂经二级连续酸化、脱色、二次精制、干燥得到功夫酸，产量为11.50吨/天。过筛的粉状产品取样分析，熔点＞110.8℃，LC分析含量98.5％，最大杂质＜0.2％、干燥失重＜0.20％，检测合格后，产品送自动包装机，称重、包装、标识、入库。每天校验称重重量；
实施例2：
一种制备功夫酸的方法，包括以下工艺步骤：
(1)加成：在氮气保护下，向5000升搪瓷反应釜中加入贲亭酸甲酯1250kg,F113A2500kg和在氮气保护下向2000升搪瓷反应釜中加入贲亭酸甲酯400kg，F113A800kg和叔丁醇368kg，搅拌下依次加入氯化亚铜8kg和乙醇胺20kg，加热回流12小时。常压回收过量的F113A和叔丁醇，再减压蒸馏收集136-142℃/15mmHg的馏分，共计833.8kg(含量92.24％)，收率82.7％。
(2)环化：将上述透明溶液以每323.1kg/hr与60kg/hrDMF预混合，同时预冷却器至5℃后泵入环路反应器，再与122kg/hr叔丁醇钠与385kg/hr DMF和895kg/hrTBA预混合，同时预冷却器至5℃后泵入环路反应器，所进入的环路反应器已充满合格的环化物且温度已冷至-15℃，控制环路冷却器冷媒的进料阀门的开启度，控制反应温度在-15±1.5℃和压力0.1±0.02MPa下，连续反应，反应物经压滤除去盐，脱溶后得到环化物。制备高顺反比的3-(2-氯-3,3,3-三氟-丙烯-1-基)2,2-二甲基环丙烯酸酯中间体，顺反比达97％。
(3)皂化和消去：在皂化釜式反应器中加入环化物369kg，季铵盐相转移催化剂：0.5Kg，工艺水：666Kg，升温至98～102℃，每釜滴加48％KOH液碱量为：409Kg，滴加时间为3小时；当滴加结束，再保温11小时取样分析：控制顺式二氯酸≦1％，反式二氯酸≤4.5％，保温反应合格(GC分析)。
(4)酸化和精制：功夫酸皂经二级连续酸化、脱色、二次精制、干燥得到功夫酸，产量为3.8吨/天。过筛的粉状产品取样分析，熔点＞110.8℃，LC分析含量99％，最大杂质＜0.2％、干燥失重＜0.20％为合格，检测合格后，产品送自动包装机，称重、包装、标识、入库。每天校验称重重量。

Claims (9)

1.一种采用环路反应器合成功夫酸的方法，其特征在于包括如下步骤:
（1）以贲亭酸甲酯和1,1,1-三氟三氯乙烷为原料，在叔丁醇溶液中，以氯化亚铜和单乙醇胺为催化剂，反应生成加成物；
（2）在环路反应器中，加成物与催化剂在溶剂中环化脱氯化氢生成环化物；其中，溶剂是叔丁醇和DMF的混合溶液；具体步骤为：从加成物进口2通入加成物，从催化剂进口1通入催化剂， 从DMF进口3通入DMF，三者经过混合泵5带动的进料混合器4进行预混合，再进入静态混合器6中混合，混合后的物料泵入7、8环化冷却器中进行连续反应，得到的反应物从环化物出口放出；催化剂是叔丁醇钾；
（3）环化物与液碱进行皂化消去反应，再通过连续酸化制备三氟氯菊酸，最后经过二次重结晶后即得功夫酸。
2.根据权利要求1所述的采用环路反应器合成功夫酸的方法，其特征在于步骤（1）具体包括如下步骤:
在氮气保护下，贲亭酸甲酯与1,1,1-三氟三氯乙烷在叔丁醇溶液中，加入催化剂氯化亚铜和乙醇胺，加热回流5~15小时，常压回收过量的1,1,1-三氟三氯乙烷和叔丁醇，再减压蒸馏收集136-142℃/15mmHg的馏分。
3.根据权利要求1所述的采用环路反应器合成功夫酸的方法，其特征在于步骤（3）具体包括如下步骤: 将(2)步骤制得的环化物和液碱在皂化催化剂存在下，皂化温度为98~105℃条件下，常压进行皂化消去反应，再通过连续酸化制备三氟氯菊酸，经过二次重结晶后即得功夫酸；其中，皂化催化剂的加入量为环化物的0.01~0.03% wt/wt，所述的液碱为NaOH或KOH，环化物和液碱的摩尔比为1. 0:2. 0~2. 50。
4.根据权利要求3所述的采用环路反应器合成功夫酸的方法，其特征在于所述的液碱浓度为30%。
5.如权利要求1所述的采用环路反应器合成功夫酸的方法，其特征在于所述步骤（2）中，加成物与催化剂的摩尔比为1. 0:1.05~2. 0。
6.如权利要求1所述的采用环路反应器合成功夫酸的方法，其特征在于所述步骤（2）中，叔丁醇加入量为加成物质量的200~500 %wt/wt。
7.如权利要求1所述的采用环路反应器合成功夫酸的方法，其特征在于所述的步骤（2）中， DMF与叔丁醇比例为30%~80% wt/wt。
8.如权利要求1所述的采用环路反应器合成功夫酸的方法，其特征在于所述步骤(2)中环化反应温度在-20℃~-5℃，环化反应压力在0. 08MPa -0.3MPa。
9.如权利要求1所述的采用环路反应器合成功夫酸的方法，其特征在于所述的步骤(2)的循环回流产出比为3~50:1。
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