CN109096328A - 一种微通道反应器连续合成亚磷酸二乙酯的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微通道反应器连续合成亚磷酸二乙酯的方法，属于有机合成工艺技术领域。更具体的说，是以无水乙醇和三氯化磷为底物，三氯甲烷为溶剂，在微通道连续流反应器中连续反应生成亚磷酸二乙酯的方法。其中，三氯甲烷和三氯化磷的混合溶液为物料A，无水乙醇溶液为物料B，通过计量泵同时进入微通道进行连续化的酯化反应。本发明工艺方法利用微通道反应器高效的传质、传热效率，有效强化了两相物料间的传质速率，大大提高了实验的安全性和可操作性。

Description

一种微通道反应器连续合成亚磷酸二乙酯的方法
技术领域
本发明属于有机合成工艺技术领域，具体涉及一种以无水乙醇、三氯化磷为原料酯化制备亚磷酸二乙酯的连续反应工艺。更具体的说，是以无水乙醇和三氯化磷为底物，三氯甲烷为溶剂，在微通道连续流反应器中连续反应生成亚磷酸二乙酯的方法。
背景技术
亚磷酸二乙酯，又名二乙基亚磷酸酯(Diethyl phosphite)，是一种有机化工原料，是制备有机磷化合物的中间体，也作萃取剂、磷酸酯类中间体，在精细化工中有着十分重要的地位。也用于合成农药稻瘟净、三乙膦酸铝。还可用于合成增塑剂、阻燃剂等。此外，还可以制成金属缓蚀剂用于涂料之中，也是重要的磷乙基化试剂广泛用于有机合成之中；还可以做催化剂适用于多种化学反应之中，如用在肽氨酸的合成中；用途十分广泛。
在2012年的专利号为CN 102827202 A的中国专利中，提到了有关亚磷酸二乙酯的合成方法。目前，亚磷酸二乙酯的合成方法虽然很多，但归纳起来主要有以下两种：
由亚磷酸与醇直接发生酯化反应来制备亚磷酸二乙酯；但此方法反应速度受诸多因素的制约，并且该产品收率不高，故其发展受到限制，至今尚未实现工业化生产。
以三氯化磷和无水乙醇为原料进行酯化反应合成亚磷酸二乙酯；此方法又分为溶剂法和非溶剂法，溶剂法是在惰性有机溶剂(如苯及其同系物、卤代烷烃、卤代苯、环烷烃或醚等)中，反应温度一般在30～40℃，在无或有缚酸剂的条件下由三氯化磷与无水乙醇直接进行反应制得，溶剂法的优点是反应不需要低温环境，并且其反应温度稳定易控制，安全性高，产品含量达到99％；缺点是工艺较复杂，产品的收率低。非溶剂法是在无溶剂的条件下由三氯化磷与无水乙醇进行负压下的液相或加压下的气相反应制得。非溶剂法的优点是反应速度快、产品收率高；缺点是对三氯化磷的纯度要求高。(由于三氯化磷含有一定的游离磷，在生产过程中当达到一定的累积量后，遇到无水乙醇则会发生火灾事故，因此要求三氯化磷的纯度一定要高)。所需的反应温度比较低，成反应温度低，一般控制在6～8℃。如过超温有可能发生分解爆炸的危险，同时会产生大量C2H5Cl与HCl气体，需要大量的防腐设备和能耗进行回收，对环境的污染较大。
姬学仪、朱德湘对三氯化磷和无水乙醇在特制的玻璃仪器内采用无溶剂法连续合成亚磷酸二乙酯的反应进行了研究。该特制玻璃反应器主要由含有冷却的球形混合室、由直形冷凝管和硬质玻璃管连接而成的反应器、凸形液体分散盘以及减压蒸馏系统四大部分构成。通过实验条件的不断摸索，最终取得了以三氯化磷计的产品收率为95％、产品纯度达98.3％的结果。该特制的玻璃仪器在对处理副产物的方面有所创新，因此，生产速度以及产品的收率和纯度有所提高。但是副产物脱析过程如果操作不当，很容易将亚磷酸二乙酯带入到副产物当中，导致亚磷酸二乙酯的产率下降。
上述方法在生产过程中，反应温度很难控制，如有超温可能发生分解爆炸的危险并且反应温度高，难以保证产品的质量。此外,反应条件太过苛刻，难以在工业上实施。而利用特定结构的连续流微通道反应器进行三氯化磷和无水乙醇连续酯化合成亚磷酸二乙酯，可多方面解决现有工艺技术的诸多不足。
微通道反应器是具有微结构的小型反应器的统称，与常规反应器相比，微通道反应器具有体积小，比表面积大，易放大，过程连续，快速混合效果好，传热效果好，耐高温高压等特点，采用特定结构的连续流管式反应器可对反应物料的混合以及传质、传热过程进行有效控制。通过对管式反应器的长度及反应停留时间的控制，可进一步使原料和产物的分布更加优化可控；通过调节原料泵的流速可实现底物无水乙醇与三氯化磷按比例进入管式反应器进行反应大大减少了返混，进一步减少了副反应的发生。本发明采用特定结构的管式反应器进行三氯化磷和无水乙醇连续酯化合成亚磷酸二乙酯的方法相对于传统间歇式生产方法具有无可比拟的优势，而且可为其工业化连续生产的改进提供一条重要的途径。
发明内容
一种利用微通道反应器连续合成亚磷酸二乙酯的方法，按照下述步骤进行：
(1)以三氯化磷和无水乙醇为底物，三氯甲烷为溶剂，利用微通道反应器连续合成亚磷酸二乙酯的方法。
(2)在室温条件下，先将三氯化磷和三氯甲烷以一定比例混合再通过计量泵连续进入预热区，与此同时，无水乙醇通过另一计量泵连续进入预热区，反应温度由外部循环换热系统进行控制；
(3)通过计量泵控制物料的流量，使预热后的物料同步进入不同通道结构的微通道反应器模块内进行混合和反应，反应过程完成后，产物从微通道反应器的出口流出，进入收集罐，将得到的产物进行水洗数次，萃取，然后经减压精馏即可得到目标产物。
其中步骤(1)中三氯化磷和三氯甲烷的体积比1:2-1:5，优选体积比1:3-1:4；
其中步骤(1)中三氯化磷和无水乙醇的摩尔比1:3.5-1:4，优选摩尔比为1:3.7-1:3.9。
其中步骤(2)中反应温度为30-55℃优选温度为40-50℃。
其中步骤(3)中反应停留时间为60s-300s，优选停留时间为120s-300s。
其中步骤(3)中将三氯化磷和三氯甲烷的混合液视为原料A；把无水乙醇溶液视为原料B。物料A的流速为48ml/min-58ml/min，优选物料A的流速为53ml/min-58ml/min；物料B的流速为19ml/min-25ml/min，优选物料B的流速为22ml/min-25ml/min。
以上所有反应过程均在特定结构的微通道连续流反应器中连续进行,该反应系统包括混合区，反应区、淬灭区、产物收集等不同功能区域。
所述微通道连续流反应器反应区总体积为200ml-250ml，混合区总体积为20ml-25ml，搅拌结构为四叶矩形搅拌叶，搅拌叶尺寸为0.8mm×0.3-6mm×1mm微通道连续流反应器反应内径为0.5mm-6mm。
本发明与现有技术相比较有以下主要特点：
1、本发明采用一种连续化的生产方式，反应时间短，温度以及安全可控性好，生产效率高。
2、本发明采用不同结构的管式反应器，对过程中传热、传质的强化大幅度提高了其反应速率及原料的利用率。
3、本发明采用微通道连续反应器，改善了间歇反应釜原料堆积产生的问题，提高生产效率
4、本发明操作简单，生产灵活，可通过反应装置的并联扩大生产规模
附图说明
图1为本发明无水乙醇和三氯化磷连续酯化制备亚磷酸二乙酯的工艺流程图
图2为本发明所使用的连续流管式反应器装置图：A、B—原料罐，1、2—计量泵，3—预热区，4—反应区，5—收集区。
图3为本发明所使用的管式微通道结构图示意图：a—直流形结构，b—菱形结构，c—心形结构，d—圆形结构。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明，但下面的实施例仅为本发明较佳的实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替代或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
实施例1
(1)参照图2确定管式反应器连接方式，管道类型为直流形结构和菱形结构，管道体积和流速确定反应摩尔比，换热介质为导热油。
将三氯化磷和三氯甲烷以体积比为1：2混合均匀，视为原料A；把无水乙醇溶液视为原料B，将两股物料分别以48ml/min和19ml/min的流速通过计量泵注入反应器中，此时n(无水乙醇)：n(三氯化磷)＝1:3.5，采用图2微通道反应器，控制温度30℃，停留时间60s，定量收集反应液水经洗然后减压蒸馏，最后称重并计算得到产物亚磷酸二乙酯的收率为99.2％。经GC分析亚磷酸二乙酯的选择性99.4％。
实施例2
(1)参照图2确定管式反应器连接方式，管道类型为直流形结构和心形结构，管道体积和流速确定反应摩尔比，换热介质为导热油。
将三氯化磷和三氯甲烷以体积比为1：4混合均匀，视为原料A；把无水乙醇溶液视为原料B，将两股物料分别以50ml/min和22ml/min的流速通过计量泵注入反应器中，此时n(无水乙醇)：n(三氯化磷)＝1:4，采用图2微通道反应器，控制温度55℃，停留时间300s，定量收集反应液经水洗然后减压蒸馏，最后称重并计算得到产物亚磷酸二乙酯的收率为99.4％。经GC分析亚磷酸二乙酯的选择性99.3％。
实施例3
(1)参照图2确定管式反应器连接方式，管道类型为直流形结构和圆形结构，管道体积和流速确定反应摩尔比，换热介质为导热油。
将三氯化磷和三氯甲烷以体积比为1：5混合均匀，视为原料A；把无水乙醇溶液视为原料B，将两股物料分别以58ml/min和25ml/min的流速通过计量泵注入反应器中，此时n(无水乙醇)：n(三氯化磷)＝1:4，采用图2微通道反应器，控制温度55℃，停留时间60s，定量收集反应液水洗然后减压蒸馏，最后称重并计算得到产物亚磷酸二乙酯的收率为99.1％。经GC分析亚磷酸二乙酯的选择性99.5％。
实施例4
(1)参照图2确定管式反应器连接方式，管道类型为直流形结构和菱形结构，管道体积和流速确定反应摩尔比，换热介质为导热油。
将三氯化磷和三氯甲烷以体积比为1：2混合均匀，视为原料A；把无水乙醇溶液视为原料B，将两股物料分别以48ml/min和20ml/min的流速通过计量泵注入反应器中，此时n(无水乙醇)：n(三氯化磷)＝1:3.9，采用图2微通道反应器，控制温度40℃，停留时间300s，定量收集反应液水经洗然后减压蒸馏，最后称重并计算得到产物亚磷酸二乙酯的收率为99.3％。经GC分析亚磷酸二乙酯的选择性99.5％。
实施例5
(1)参照图2确定管式反应器连接方式，管道类型为直流形结构和心形结构，管道体积和流速确定反应摩尔比，换热介质为导热油。
将三氯化磷和三氯甲烷以体积比为1：3混合均匀，视为原料A；把无水乙醇溶液视为原料B，将两股物料分别以48ml/min和19ml/min的流速通过计量泵注入反应器中，此时n(无水乙醇)：n(三氯化磷)＝1:3.8，采用图2微通道反应器，控制温度40℃，停留时间180s，定量收集反应液经水洗然后减压蒸馏，最后称重并计算得到产物亚磷酸二乙酯的收率为99.3％。经GC分析亚磷酸二乙酯的选择性99.4％。
实施例6
(1)参照图2确定管式反应器连接方式，管道类型为直流形结构和圆形结构，管道体积和流速确定反应摩尔比，换热介质为导热油。
将三氯化磷和三氯甲烷以体积比为1：4混合均匀，视为原料A；把无水乙醇溶液视为原料B，将两股物料分别以58ml/min和24ml/min的流速通过计量泵注入反应器中，此时n(无水乙醇)：n(三氯化磷)＝1:4，采用图2微通道反应器，控制温度45℃，停留时间240s，定量收集反应液水洗然后减压蒸馏，最后称重并计算得到产物亚磷酸二乙酯的收率为99.2％。经GC分析亚磷酸二乙酯的选择性99.5％。

Claims (8)

1.一种利用微通道反应器连续合成亚磷酸二乙酯的方法，其特征在于按照下述步骤进行：
(1)以无水乙醇和三氯化磷为底物，三氯甲烷为溶剂，利用微通道反应器连续合成亚磷酸二乙酯的方法；
(2)在室温条件下，先将三氯化磷和三氯甲烷的混合溶液通过计量泵连续进入预热区，与此同时，无水乙醇通过另一计量泵连续进入预热区，反应温度由外部循环换热系统进行控制；
(3)通过计量泵控制物料的流量，使预热后的物料同步进入不同通道结构的微通道反应器模块内进行混合和反应，反应过程完成后，产物从微通道反应器的出口流出，进入收集罐，将得到的产物进行水洗数次，萃取，然后经减压精馏即可得到目标产物。
2.根据权利要求1所述的一种采用微通道反应器将三氯化磷和无水乙醇连续酯化制备亚磷酸二乙酯的方法，其特征在于三氯化磷和三氯甲烷的体积比1:2-1:5，优选体积比1:3-1:4。
3.根据权利要求1所述的一种采用微通道连续流反应器将三氯化磷和无水乙醇连续酯化制备亚磷酸二乙酯的方法，其特征在于反应物料摩尔比1:3.5-1:4，优选摩尔比为1:3.7-1:3.9。
4.根据权利要求1所述的一种采用微通道连续流反应器将三氯化磷和无水乙醇连续酯化制备亚磷酸二乙酯的方法，其特征在于反应温度为30-55℃优选温度为40-50℃。
5.根据权利要求1所述的一种采用微通道连续流反应器将三氯化磷和无水乙醇连续酯化制备亚磷酸二乙酯的方法，其特征在于反应停留时间为60s-300s，优选停留时间为120s-300s。
6.根据权利要求1所述的一种采用微通道连续流反应器将三氯化磷和无水乙醇连续酯化制备亚磷酸二乙酯的方法，其特征在于物料A的流速为48ml/min-58ml/min，优选物料A的流速为53ml/min-58ml/min；物料B的流速为19ml/min-25ml/min，优选物料B的流速为22ml/min-25ml/min。
7.根据权利要求1所述的一种采用微通道连续流反应器将三氯化磷和无水乙醇连续酯化制备亚磷酸二乙酯的方法，其特征在于以上所有反应过程均在特定结构的微通道连续流反应器中连续进行,该反应系统包括混合区，反应区、淬灭区、产物收集等不同功能区域。
8.根据权利要求1所述的一种采用微通道连续流反应器将三氯化磷和无水乙醇连续酯化制备亚磷酸二乙酯的方法，其特征在于所述微通道连续流反应器反应区总体积为200ml-250ml，混合区总体积为20ml-25ml，搅拌结构为四叶矩形搅拌叶，搅拌叶尺寸为0.8mm×0.3-6mm×1mm微通道连续流反应器反应内径为0.5mm-6mm。
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