CN108017574B - 一种氟草烟中间体3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶连续化生产的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氟草烟中间体3,5‑二氯‑2,4,6‑三氟吡啶连续化生产的新方法，采用N级反应器，在每级反应器中，加入化合物五氯吡啶和催化剂，加热熔融脱水后，开始先往一级反应器通氟化氢；每级反应器中未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气引入各级冷凝器中冷凝，未凝结的尾气通入下一级反应器内，最后一级反应器的尾气通过两个冷凝器冷凝分离氟化氢后排出，经尾气回收装置吸收后做副产盐酸使用，各级冷凝器冷凝回收的氟化氢返回至每级反应器内；本发明的合成方法氟化氢利用率高，副产盐酸纯度好，所含氟化氢含量小于1%，产品收率高，反应选择性高，无溶剂使用，生产成本低，工艺简单，绿色环保，非常适合于工业化生产。

Description

一种氟草烟中间体3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶连续化生产的 方法

技术领域

本发明属于除草剂合成领域，具体涉及一种氟草烟中间体3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶半连续化生产的新方法。

背景技术

3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶是除草剂剂氟草烟的关键中间体，氟草烟是由美国陶氏益农化学公司开发的有机杂环类除草剂,是一种典型的激素型除草剂,能被植物叶片与根迅速吸收,在体内很快传导.适用于小麦、大麦、玉米、葡萄、果园、牧场、林地、草坪等地防除阔叶杂草，如猪殃殃、卷茎蓼、马齿笕、龙葵、繁缕、田旋花、蓼、笕等，对和本科杂草无效。氟草烟作为一种含氟的高效、低毒、低残留除草剂，是当今新型除草剂的开发方向。由于其具有对在茬及后茬作物高度安全：适用期宽，药效快，用量低；可混性好，与多种禾本科杂草除草剂混用可增大杀草谱和提高防除效果；耐雨水冲刷能力强，施效后一小时下雨不影响药效等有点，自投入市场以来，一直深受用户青睐，因而其关键中间体合成研究具有重要意义。

对于3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶的制备，文献报道的相关合成方法主要有两大类：

一、采用氟化钾氟化

专利US4746744A等以五氯吡啶和氟化钾在N-甲基吡咯烷酮中于170℃以下反应制得，反应收率为92％；

Journal of the Chemical Socity-Perkin Transactions 1,，1997，#24p，3623-3627 报道五氯吡啶和氟化钾在环丁砜中190℃反应72h，收率达93％，在环丁砜中 145-150℃反应20h，收率达73％；使用氟化钾氟化，成本较高，而且溶剂NMP、环丁砜价格昂贵且回收套用成本较高，三废处理困难，不利于工业化生产。

DE2006607A1中采用催化剂催化下，五氯吡啶在氟化铬氧化物中气相 560-580℃氟化，氟化钾氟化选择性较差，无法满足工业化条件。

EP0192287以NMP/甲苯为反应混和溶剂，甲苯带水，以四甲基氯化铵为催化剂，氟化钾氟化，反应温度135-142℃，产品收率90％；该法采用混合溶剂，溶剂回收套用困难，且需无水处理，三废量亦很大，工业化困难较大。

文献Journal of the Fluorine Chemistry，1971，Vol 1，p.51-57报道五氯吡啶在液体二氧化硫中，以六氟锑酸为氟化剂氟化，反应选择性较差，三废量大，后处理困难，环境污染严重。

二、采用氟化氢氟化

专利GB1272475采用高压反应器，预先将五氯吡啶冷却，加入3.02～11.5当量的氟化氢，然后升温至132～180℃反应6.5-24.5h小时，得到2-氟、2,6-二氟及 2,4,6-三氟吡啶的混合物。该法步骤虽简单，一次性加入物料，直接升温反应，导致反应压力突升，反应风险陡增，关键是氟化产品为多种混合物，收率很差，且废气量大，不能工业化生产。

US4680406亦采用氟化氢为氟化试剂，借助设计的镍质氟化装置进行氟化，氟化温度200-520℃，结果得一混合物：四氟取代吡啶：0.3％；3，5-二氯-2,4,6- 三氟：9.2％(目的物)；2，4-二氟取代物：45.8％；一氟取代吡啶：37.5％；起始原料五氯吡啶：7.2％；该法反应温度高，反应选择性差，目标产品含量低，无工业化生产应用价值。

其他文献如:DE2128540，DE660907，GB1039987,Journal of the ChemicalSocity，1964，p3573-3576等所述氟化方法均存在氟化温度高，反应收率低，三废量大，工业化价值低的缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶合成方法中存在的氟化氢氟化收率低、氟化氢利用率低，产品不易提纯；氟化钾氟化原料成本高，三废量大，大规模生产成本高等存在的技术问题，提供一种氟草烟中间体3,5-二氯 -2,4,6-三氟吡啶半连续化生产的新方法。

为解决上述技术问题，本发明采用N级反应器，N≥3，具体包括以下制备步骤：

1)在每级反应器中，加入化合物五氯吡啶(其结构式如化合物Ⅱ所示)和催化剂，加热熔融脱水；

2)向一级反应器中通入氟化氢进行反应，一级反应器中未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气引入一级冷凝器中冷凝，冷凝后的氟化氢返回至一级反应器内，未凝结的尾气通入至二级反应器内，二级反应器中未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气引入二级冷凝器中冷凝，冷凝后氟化氢返回至二级反应器内，未凝结的尾气通入至三级反应器内,……,依次类推至N-1级反应器，N级反应器未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气经两个N级冷凝器冷凝分离氟化氢后排出，经水吸收副产生成盐酸，而分离出的氟化氢液体则返回至N级反应器内；一级反应器反应结束后，将反应液放料至蒸馏釜中，经减压蒸馏得到第一批3,5- 二氯-2,4,6-三氟吡啶(其结构式如化合物Ⅰ所示)；

3)一级反应器放料结束后，二级反应器放料至一级反应器，三级反应器放料至二级反应器，……,依次类推至N-1级反应器，N级反应器加入新鲜的化合物五氯吡啶和催化剂，加热熔融脱水后，按步骤2)的过程进行操作得到第二批 3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶；

4)重复步骤3)操作，得到更多批的3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶。

本发明的反应路线如下式所示：

优选地，步骤2)中，一级反应器反应结束后放料至蒸馏釜中的反应液，经减压蒸馏得到3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶后所剩的留底套用回至二级反应器内。

优选地，所述的催化剂为含氟季铵盐，进一步优选为C_1-12的四烷基氟化铵、该类氟化催化剂不仅能做氟化试剂，在无水条件下，与氟离子有优良的络合作用，能极大程度利用氟化氢，并能分散于反应体系中，与反应物充分接触，大大改善氟化反应效果；更进一步优选为四甲基氟化铵、四乙基氟化铵或四丁基氟化铵实验，经实验验证，均很大程度地改善五氯吡啶与氟化氢的反应，最优选的为四甲基氟化铵。

每级反应器中，五氯吡啶和催化剂的摩尔比优选地为1：0.1到1：0.001，进一步优选为1：0.01。

五氯吡啶与氟化氢反应摩尔比优选为1：3～10，各级反应器不断冷凝回收氟化氢，重新套用于各级反应，氟化氢利用率大大提高，另一方面催化剂与氟离子优良的络合作用，进一步提升了氟化反应效果，氟化氢消耗比传统氟化装置大大降低，进一步优选为1:3.0-3.2。

当多级反应器采用多于三级反应器进行反应时，更有利于减少尾气中氟化氢含量及提高反应收率，但增加反应器数量会增加设备投资及操作难度，三级反应器连续已满足该工艺要求，因此本方法优选三级反应器；

一级冷凝器至N-1级冷凝器中冷凝介质的温度为-20-20℃，优选-10℃-0℃，两个N级冷凝器的中冷凝介质温度小于0℃。

对于五氯吡啶与氟化氢反应来说，体系含水量起着至关重要的作用，水含量越低越好，水分低极有利于提高催化剂催化效果，提高氟化氢捕获利用效果，经多次生产实际验证，各级反应器中采用减压蒸馏进行熔融脱水至含水率低于 0.1％最佳。

五氯吡啶与氟化氢的氟化反应在该体系中，反应温度必须控制在合理的范围内，温度过高不利于气体留存，温度过低反应速度降低，大量实验证明各级反应器反应温度为90～150℃为佳，优选125-135℃。

各级反应器反应时间为一级反应器的反应时间，优选为4-6h。

有益效果：

1、本发明采用多级反应器，一级反应器通新鲜氟化氢，二级反应器通一级冷凝器冷凝后的未凝结氟化氢及氯化氢的混合气，三级反应器通二级冷凝器冷凝后的未凝结氟化氢及氯化氢混合气，最后三级反应器尾气经两个低温冷凝器分离氟化氢后排出反应系统，经水吸收副产盐酸，各级冷凝器回收氟化氢则相应地套用于各级反应器内，相当于，各级反应器未吸收的氟化氢经各级冷凝回收后套用于各级反应，未冷凝的氟化氢则通入各级反应器的下级反应器内与下级反应器内的五氯吡啶进行预反应，提高了氟化氢利用率和产品的纯度；

2、本发明选用含氟季铵盐作为催化剂，氟化反应选择性高，无副产物生成，操作简便。

3、本发明原料成本较低，反应操作简便，污染较小，反应选择性、收率较高，目标产物综合收率可达95％以上，适合工业化生产。

附图说明

图1为三级反应器结构示意图；

图2为二级反应器结构示意图。

具体实施

以下结合实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

如图1所示，按要求装置三个1L镍质干燥反应器，分别为一级反应器、二级反应器和三级反应器，一级反应器和二级反应器分别与一级冷凝器和二级冷凝器的冷凝进口相连，一级冷凝器和二级冷凝器的冷凝液出口分别回连至一级反应器和二级反应器，一级冷凝器和二级冷凝器的冷凝气出口分别与二级反应器和三级反应器相连，三级反应器依次与三级冷凝器I和三级冷凝器II串接，三级冷凝器II的冷凝液出口回连至三级反应器，三级冷凝器II的冷凝气出口与氯化氢吸收装置相连。其中，上述冷凝器均为蒙乃尔合金材质的；在反应过程中一级反应器中未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气引入一级冷凝器中冷凝，冷凝后氟化氢返回至一级反应器内，未凝结的尾气通入至二级反应器内，二级反应器中未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气引入二级冷凝器中冷凝，冷凝后氟化氢返回至二级反应器内，未凝结的尾气通入至三级反应器内，三级反应器未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气经三级冷凝器I和II冷凝分离氟化氢后排出，经水吸收副产生成盐酸，而分离出的氟化氢液体则返回至三级反应器内。

具体生产过程如下：

向一级反应器、二级反应器和三级反应器分别加入五氯吡啶1005.24g，四甲基氟化铵3.726g，加热搅拌使基本全溶，适当负压蒸水至含水0.1％以下，升温至120℃以上，开始往一级反应器通入干燥氟化氢，控制釜温至125℃～135℃不间断通氟化氢，一级冷凝器和二级冷凝器的冷却介质为-10℃-0℃的异丙醇循环冷冻液，三级冷凝器I和三级冷凝器II的冷却介质分别为0℃以下的异丙醇循环冷冻液；取样检测一级反应器化合物I(3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶)含量，当化合物I含量大于95％时，停止通氟化氢，大约通氟化氢6h，通入氟化氢的总量为12.6mol；一级反应器通氮气置换后，放料至蒸馏釜；蒸馏釜减压蒸馏收集化合物I至尽，得765g棕黄色透明液体:化合物I含量大于98％，收率94.7％，理论产量807.84g；留底51g为未氟化完全的原料、一氟、二氟化物混合物，直接回收套用于二级反应器中；副产520g含量为27％w/w的盐酸，含氟化氢0.26％w/w。

一级反应器放料结束，然后二级反应器放料至一级反应器，三级反应器放料至二级反应器；在三级反应器中补充新鲜五氯吡啶1005.24g，四甲基氟化铵 3.726g，加热搅拌使基本全溶；适当负压蒸水至含水0.1％以下，升温至120℃以上，开始往一级反应器通入氟化氢，控制釜温至125℃～135℃不间断通氟化氢，一级冷凝器和二级冷凝器的冷却介质为-10℃-0℃的异丙醇循环冷冻液，三级冷凝器I和三级冷凝器II的冷却介质分别为0℃以下的异丙醇循环冷冻液；取样检测一级反应器化合物I含量，当化合物I含量大于95％时，停止通氟化氢，大约通氟化氢4h，通入氟化氢的总量为12.0mol；一级反应器通氮气置换后，放料至蒸馏釜；减压蒸馏收集化合物I至尽，得771g棕黄色透明液体:化合物I含量大于98％，收率95.44％，理论产量807.84g；留底83g(含上次套用留底)为未氟化完全的原料、一氟、二氟化物混合物，直接回收套用于二级反应器中；副产540g 含量为26.6％w/w的盐酸，含氟化氢0.21％w/w。

重复上述操作，二级反应器放料至一级反应器，三级反应器放料至二级反应器，三级反应器再补充新鲜物料，升温至120℃后；再继续往上述一级反应器通入氟化氢，控制釜温至125℃～135℃不间断通氟化氢，一级冷凝器和二级冷凝器的冷却介质为-10℃-0℃的异丙醇循环冷冻液，三级冷凝器I和三级冷凝器II的冷却介质分别为0℃以下的异丙醇循环冷冻液；取样检测一级反应器化合物I含量，当成品含量大于95％时，停止通氟化氢，大约通氟化氢3.6h，通入氟化氢的总量为11.8mol；一级反应器通氮气置换后，放料至蒸馏釜减压蒸馏收集化合物 I至尽，得760g棕黄色透明液体；化合物I含量大于98％，收率94.1％，理论产量807.84g,留底90g(含两次套用留底)为未氟化完全的原料、一氟、二氟化物，直接回收套用于二级反应器中；副产570g含量为26.4％w/w的盐酸，含氟化氢 0.29％w/w。

对照实施例2：

如图2所示，按要求装置二个1L镍质干燥反应器，分别为一级反应器和二级反应器，一级反应器与一级冷凝器的冷凝进口相连，二级反应器依次与二级冷凝器I和二级冷凝器II串接，二级冷凝器II的冷凝液出口回连至二级反应器，二级冷凝器II的冷凝气出口与氯化氢吸收装置相连，其中，上述冷凝器均为蒙乃尔合金材质的。在反应过程中一级反应器中未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气引入一级冷凝器中冷凝，冷凝后的氟化氢返回至一级反应器内，未凝结的尾气通入至二级反应器内，二级反应器未反应的氟化氢和生成的氯化氢尾气经二级冷凝器I和II冷凝分离氟化氢后排出，经水吸收副产生成盐酸，而分离出的氟化氢液体则返回至二级反应器内。

具体生产过程如下：

向一级反应器和二级反应器分别加入五氯吡啶1005.24g，四甲基氟化铵 3.726g，加热搅拌使基本全溶；适当负压蒸水至含水0.1％以下，升温至120℃以上；开始往一级反应器通入干燥氟化氢，控制釜温至125℃～135℃不间断通氟化氢，一级冷凝器和二级冷凝器的冷却介质为-10℃-0℃的异丙醇循环冷冻液，二级冷凝器I和二级冷凝器II的冷却介质分别为0℃以下异丙醇循环冷冻液；取样检测一级反应器化合物I含量，当化合物I含量大于95％时，停止通氟化氢，大约通氟化氢6h，通入氟化氢的总量为12.6mol；一级反应器通氮气置换后，放料至蒸馏釜；蒸馏釜减压蒸馏收集化合物I至尽，得761g棕黄色透明液体：化合物I收率94.2％，理论产量807.84g，留底56g为未氟化完全的原料、一氟、二氟化物混合物，直接回收套用于二级反应器中；副产540g含量为26.7％w/w的盐酸，含氟化氢1.76％w/w。

一级反应器放料结束，然后二级反应器放料至一级反应器；在二级反应器中补充新鲜五氯吡啶1005.24g，四甲基氟化铵3.726g，加热搅拌使基本全溶；适当负压蒸水至含水0.1％以下，升温至120℃以上，开始往一级反应器通入氟化氢，控制釜温至125℃～135℃不间断通氟化氢，一级冷凝器和二级冷凝器的冷却介质为-10℃-0℃的异丙醇循环冷冻液，二级冷凝器I和二级冷凝器II的冷却介质分别为0℃以下异丙醇循环冷冻液；取样检测一级反应器化合物I含量，当化合物 I含量大于95％时，停止通氟化氢，大约通氟化氢5h，通入氟化氢的总量为12.2mol；一级反应器通氮气置换后，放料至蒸馏釜；减压蒸馏收集化合物I至尽，得767g 棕黄色透明液体：化合物I收率94.9％，理论产量807.84g；留底78g(含上次套用留底)为未氟化完全的原料、一氟、二氟化物混合物，直接回收套用于二级反应器中；副产552g含量为26.3％w/w的盐酸，含氟化氢1.88％w/w。

对照实施例3：

在镍质干燥1L反应器中，接两个蒙乃尔合金冷凝器I和II，未冷凝尾气接氯化氢吸收装置，凝结的尾气返回至反应器内；加入五氯吡啶1005.24g，四甲基氟化铵3.726g，加热搅拌使基本全溶；适当负压蒸水至含水0.1％以下，保温至 120℃以上，开始通入干燥氟化氢，控制釜温至125℃～135℃不间断通氟化氢，冷凝器I和II的冷却介质分为0℃以下异丙醇循环冷冻液；取样检测化合物I含量，当成品含量大于95％时，停止通氟化氢，约通氟化氢6h，通入氟化氢的总量为12.5mol；通氮气置换，减压蒸馏收集化合物I至尽，得759g棕黄色透明液体；收率94.0％，理论产量807.84g，留底60g为未氟化完全的原料、一氟、二氟化物混合物；副产盐酸560g，含25.8％w/w的盐酸，含氟化氢6.2％w/w。

对照实施例4：

在镍质干燥1L反应器中，接两个定制蒙乃尔合金冷凝器I和II，未冷凝尾气接氯化氢吸收装置，凝结的尾气返回至反应器内；加入五氯吡啶1005.24g，加热搅拌使基本全溶；保温至120℃以上，开始通入干燥氟化氢，控制釜温至120℃～140℃不间断通氟化氢，冷凝器I和II冷却介质的冷却介质分别为0℃以下异丙醇循环冷冻液，大约通氟化氢6h，通入氟化氢的总量为12.6mol，停止通氟化氢，取样检测一级反应器化合物I含量，结果得2-氟、2,6-二氟及2,4,6-三氟吡啶的混合物：

4-氟化物：未检出

3-氟化物：30.6％w/w(目的物)，

2-氟化物：47.3％w/w，

1-氟化物：14.1％w/w

起始原料：8.0％w/w

副产盐酸600g含量15.8％w/w的盐酸，含氟化氢10.6％w/w。

Claims (8)

1.一种氟草烟中间体3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶半连续化生产的方法，其特征在于，采用N级反应器，N≥3，具体包括以下制备步骤：

1）在每级反应器中，加入化合物五氯吡啶和催化剂，加热熔融脱水；

2）向一级反应器中通入氟化氢进行反应，一级反应器中未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气引入一级冷凝器中冷凝，冷凝后的氟化氢返回至一级反应器内，未凝结的尾气通入至二级反应器内，二级反应器中未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气引入二级冷凝器中冷凝，冷凝后氟化氢返回至二级反应器内，未凝结的尾气通入至三级反应器内,……,依次类推至N-1级反应器，N级反应器未反应的氟化氢和生成的氯化氢的尾气经两个N级冷凝器冷凝分离氟化氢后排出，经水吸收副产生成盐酸，而分离出的氟化氢液体则返回至N级反应器内；一级反应器反应结束后，将反应液放料至蒸馏釜中，经减压蒸馏得到第一批3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶；

3）一级反应器放料结束后，二级反应器放料至一级反应器，三级反应器放料至二级反应器，……,依次类推至N-1级反应器，N级反应器加入新鲜的化合物五氯吡啶和催化剂，加热熔融脱水后，按步骤2）的过程进行操作得到第二批3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶；

4）重复步骤3）操作，得到更多批的3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶；

所述的催化剂为含氟季铵盐；

所述的催化剂为四甲基氟化铵、四乙基氟化铵或四丁基氟化铵。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2）中，一级反应器反应结束后放料至蒸馏釜中的反应液，经减压蒸馏得到3,5-二氯-2,4,6-三氟吡啶后所剩的留底套用回至二级反应器内。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每级反应器中，五氯吡啶和催化剂的摩尔比为1：0.1到1：0.001。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，五氯吡啶与氟化氢反应摩尔比为1：3-10。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用三级反应器。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，一级冷凝器至N-1级冷凝器中冷凝介质的温度为-20-20℃，两个N级冷凝器的中冷凝介质温度小于0℃ 。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各级反应器中采用减压蒸馏进行熔融脱水至含水率低于0.1%w/w。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，各级反应器反应温度为90～150℃，各级反应器反应时间为一级反应器的反应时间，所述反应时间4-6h。