CN110386950A - 一种草铵膦铵盐的合成方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种草铵膦铵盐的合成方法，包含以下步骤：(1)以甲基亚磷酸二乙酯和正丁醇为原料，经水解和酯交换反应生成中间体I；(2)中间体I与丙烯醛氰醇醋酸酯进行自由基加成反应生成中间体II；(3)中间体II与氨气发生氨解反应，生成中间体III和中间体IV的混合物；(4)中间体III和中间体IV与盐酸进行酸解，生成中间体V；(5)中间体V经中和、提纯、结晶，得到草铵膦铵盐。本发明无需使用有毒原料，避免了氨水和氯化铵的大量使用，不仅大大降低了安全隐患，而且减少了副产物的数量和废水产生量，环保风险大大降低；纯化工艺简单，产品含量和收率都明显提高，适合工业化规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种草铵膦铵盐的合成方法，属于农药合成技术领域。
背景技术
草铵膦是一种具有部分内吸作用的高效、低毒、非选择性(灭杀性)触杀型有机膦类除草剂，用于果园、葡萄园、马铃薯田、非耕地等防治一年生和多年生双子叶及禾本科杂草，已经是世界第二大除草剂品种。它是由德国赫司特(Hoechst)公司最先开发，其合成方法有发酵法和化学合成法。发酵法主要是用双丙氨酰膦经微生物发酵生产，由于不适宜大规模量产已逐渐被化学合成法所取代。化学合成法多以甲基亚磷酸二乙酯或甲基二氯化磷为中间体、通过strecker反应合成草铵膦。该合成法虽然条件较温和，但仍具有明显的不足，例如，①关于中间体甲基亚膦酸二乙酯，多以三氯化膦、亚磷酸三乙酯、格式甲基氯化镁为起始原料制备，原料毒性大、活性大，极易与空气中的水反应而造成事故；②关于中间体甲基二氯化膦的合成，无论是采用铝粉和氯甲烷三氯化磷为原料合成还是采用甲烷和三氯化磷为原料合成，生产的危险性都很高；反应温度高达500℃～600℃，对设备的腐蚀非常严重，并有中间过程控制不稳定等缺点。甲基二氯化磷极易与空气自燃，对其存储过程的安全性是很大考验；③strecker反应需要用到大量的氨水、氯化铵和剧毒的氰化钠，对环境的影响极大；且此反应会产生大量的氯化铵，难以与草铵膦分离，分离纯化的工艺繁琐，产品收率受到严重影响，收率仅能达到30％左右(以甲基亚膦酸二乙酯计)，且需要大额投资副产品提纯和废水处理设备，生产成本居高不下。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种无需使用剧毒原料、反应温和、纯化工艺简单、反应收率高、生产成本低的草铵膦铵盐的合成方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种草铵膦铵盐的合成方法，包含以下步骤：
(1)以甲基亚磷酸二乙酯为原料，先水解为甲基羟基亚磷酸乙酯、再和正丁醇在引发剂存在下酯交换反应并重排，生成中间体I甲基次磷酸单丁酯；
(2)中间体I与丙烯醛氰醇醋酸酯进行自由基加成反应，生成中间体II (3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯；
(3)中间体II与氨气发生氨解反应，生成中间体III 3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯和中间体IV 3-(氨基-3-氰基丙基)甲基膦酸铵盐；
(4)中间体III和中间体IV与盐酸进行酸解反应，生成中间体V草铵膦盐酸盐；
(5)中间体V再经中和、提纯、结晶后，得到草铵膦铵盐。
所述步骤1中，原料摩尔比为甲基亚磷酸二乙酯：水：正丁醇＝1：(0.8-1.2)：(4.5-7)，优选为1：(1-1.05)：(5-6)。
所述步骤1的具体步骤为：在氮气保护下，向反应器中加入原料甲基亚磷酸二乙酯和一定量的正丁醇，搅拌下缓慢向反应器内滴加纯水，控制物料温度为45℃～50℃；滴加完毕后保温1h，然后加入甲苯，升温至回流，脱去水分和低沸物；监测原料转换率，待达到95％以上，水解完全；
向反应器内再加入剩余正丁醇和酯交换引发剂，升温至回流温度，蒸出共沸低沸物后继续升温至稳定温度，取样进行气相检测；检测合格后开启真空，在真空度-0.08MPa～-0.09MPa下减压精馏提纯，收集顶温78℃～110℃的馏分，即为中间体I。
进一步的，所述酯交换催化剂为钛酸四正丁基酯，其加入量为原料甲基亚磷酸二乙酯的重量的0.05％-1.0％，优选为0.5％-0.7％；水解反应时加入的正丁醇为正丁醇总量的50％～70％，剩余的30％～50％正丁醇在酯交换反应时加入。
所述步骤2的具体步骤为：在氮气环境下，向连续化反应器中加入部分中间体I、升温至75℃～80℃，然后加入一部分引发剂，约15min后，用一台计量泵将丙烯醛氰醇醋酸酯和部分中间体I、用一台非计量泵将部分中间体I+ 剩余引发剂同时缓慢泵入反应器内，通过计量泵控制反应体系温度、使其保持75℃～80℃；加料完毕后搅拌反应30min，利用短程精馏高真空减压蒸馏回收过量的中间体I，反应器底部的重组分即为中间体II。
进一步的，所述原料摩尔比为中间体I：丙烯醛氰醇醋酸酯：引发剂＝(2.5-5.0):1:(0.01-0.05)；所述引发剂为过氧化新戊酸叔丁酯和过氧化新癸酸叔丁酯按摩尔比1:1混合后得到的混合物；首加引发剂为引发剂总量的30-50％，后加引发剂量为引发剂总量的50-70％。
所述步骤3的具体过程为：将中间体II投入氮气置换后的压力釜内，开启搅拌；室温下向反应釜内通氨气，待反应液温度达到30℃，通夹套冷却水降温、控制反应液温度为30℃～35℃，控制压力釜内压力0.2-0.4MPa；保温反应2h后通入氮气吹脱氨气或排空至常压后再减压脱氨，然后降至常温，得到接近等摩尔量的中间体III、中间体IV的混合物，直接用于下步投料。
所述步骤4的具体过程为：将中间体III和中间体IV的混合物加入盛有 30％盐酸的反应器中，两者发生酸解反应，继续加热使其回流；回流温度随着低沸物的馏出而逐渐升至105℃～110℃，保温反应3～8h，反应结束；降温至 50±3℃，即得中间体V。
所述步骤5的具体过程为：将中间体V溶液继续减压蒸馏、除去过量的酸水，然后滴加中和剂至溶液pH5～7；加入有机溶剂，降至室温后分离除去氯化铵固体；将剩余液体继续减压蒸馏至无明显馏分蒸出，重复上述加有机溶剂溶解、分离除氯化铵的过程；再次减压蒸馏至无明显馏分蒸出，加入甲醇进行结晶，过滤烘干后即得目标产物草酸磷铵盐。
进一步的，所述中和剂为25％氨水；所述有机溶剂为甲醇或乙酸，其加入体积量为草铵膦铵盐重量的3～6倍。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果在于：
本发明提供了一种全新的草铵膦盐合成方法，避免使用剧毒的氰化钠，原料无毒无害，且稳定性高，便于安全储存；反应条件温和易控，污染小，安全性高。本合成方法中副产物氯化铵的产量显著减少，草铵膦分离纯化容易，在产品含量得到提高的基础上，大大减少了产品损耗。
本合成方法的五个步骤，反应条件均较温和，使用设备多为常规设备，反应收率和产品含量高，成本上更为经济、操作上更为安全、环保上更为清洁，具有良好的连续化工业生产前景。
本方法特别采用甲基亚膦酸二乙酯经水解、再和正丁醇酯交换重排制备甲基次磷酸正丁酯的工艺，避免了常规采用甲基二氯化膦合成甲基次磷酸单丁酯的工艺，不使用剧毒原料和易燃原料，反应条件温和可控，显著降低了工艺安全风险和高额的工程生产投入费用，更加符合安全生产和清洁生产的要求。
本工艺采用自由基加成反应制备生成中间体II(3-乙酰氧基-3-氰基丙基) 甲基次磷酸正丁酯，该自由基加成反应为连续化循环反应，反应平稳可控，进料稳定，原料循环利用率高，工业化大幅减少生产费用；该反应采用分步加料来缓慢加入原料和引发剂，使得反应单位时间内放出的热量更易于控制，反应过程更稳定，避免物料在较高温度下的长时间受热等副反应产生，产品的收率和纯度的进一步提升。
附图说明
图1为实施例1制得草铵膦铵盐的液相色谱图；
图2为草铵膦铵盐标准品的液相色谱图。
具体实施方式
下面将详细说明本发明技术方案。
一种草铵膦铵盐的合成方法，是以甲基亚膦酸二乙酯为原料，经水解、酯交换、加成、氨解、酸解等反应制得。
草铵膦铵盐的合成方法，包括以下步骤，
步骤一、以甲基亚磷酸二乙酯为原料，先与水反应、水解为甲基羟基亚磷酸乙酯或重排为甲基次磷酸乙酯，再和正丁醇在引发剂存在下酯交换反应并重排，生成甲基次磷酸单丁酯(I)；
步骤二、甲基次磷酸单丁酯(I)与丙烯醛氰醇醋酸酯进行自由基加成反应，生成(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)；
步骤三、(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)在与氨气(液氨)于0.0-0.4MPa压力下进行氨解反应生成3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)或3-(氨基-3-氰基丙基)甲基膦酸铵盐(IV)；
步骤四、3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)或3-(氨基-3-氰基丙基)甲基膦酸铵盐(IV)与盐酸进行酸解反应，生成草铵膦盐酸盐(V)溶液；
步骤五、草铵膦盐酸盐(V)溶液经中和、提纯、结晶后，得到草铵膦铵盐。
下面针对各个步骤进行详细描述。
1、步骤一、制备甲基次磷酸单丁酯(I)
以甲基亚磷酸二乙酯为原料，在水存在下，乙氧基水解为羟基、生成中间体甲基羟基亚磷酸乙酯；甲基羟基亚磷酸乙酯再与正丁醇进行催化酯交换和重排反应，得到甲基次磷酸单丁酯(I)。
本步骤的反应方程式为：
水解反应：
酯交换重排：
总反应方程式为：
其中，原料甲基亚磷酸二乙酯的分子量为136.13，正丁醇的分子量为 74.12，中间体I的分子量为136.13。
具体反应过程为：
在氮气保护下，向反应器中加入原料甲基亚磷酸二乙酯和一定量的无水正丁醇，搅拌下缓慢向反应器内滴加纯水，控制物料温度为45℃～50℃；滴加完毕后保温1h，然后加入甲苯，升温至回流，脱去水分和低沸物；监测原料转换率，待达到90％以上，水解完全；
向反应器内再加入剩余无水正丁醇和酯交换引发剂，升温至回流温度，蒸出共沸低沸物后继续升温至稳定温度，取样进行气相检测；检测合格后开启真空，在真空度-0.08MPa～-0.09MPa下减压精馏提纯，收集顶温78℃～110℃的馏分，即为甲基次磷酸单丁酯(I)。
原料投料量的摩尔配比为，甲基亚磷酸二乙酯：水：正丁醇＝1：(0.8-1.2)： (4.5-7)，优选为1：(1-1.05)：(5-6)，最优选为1：1-1.02：5。
所述酯交换催化剂为钛酸四正丁基酯，其加入量为原料甲基亚磷酸二乙酯的重量的0.05％-1.0％。
所述甲苯的体积加入量为原料甲基亚磷酸二乙酯重量的2～5倍。
所述与原料甲基亚磷酸二乙酯一起加入的正丁醇为正丁醇总量的 50％～70％，剩余正丁醇待水解反应结束后加入。水解反应的脱水过程会带走部分正丁醇，后面再加入30％～50％的正丁醇进行补充，正丁醇的适当过量有利于酯交换反应完全。
所述水解反应的终点，采用以下方法进行判断：①观察冷凝器无入口无水珠产生；②取样测定料液水分≤0.2％；③取样，经气相色谱仪监测甲基亚磷酸二乙酯的转换率≥95％。达到上述三个指标即认定水解反应完全，可加入正丁醇和酯交换引发剂进行下一步反应。
所述水解反应温度为40℃-50℃，酯交换反应温度为100℃-140℃。
2、步骤二、制备(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)
甲基次磷酸单丁酯(I)与丙烯醛氰醇醋酸酯进行自由基加成反应，生成(3- 乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)。
本步骤的反应方程式为：
丙烯醛氰醇醋酸酯的分子量为124.12，中间体II的分子量为261.25。
具体反应过程为：
在氮气环境下，向连续化反应器中加入部分中间体I、升温至75℃～80℃，然后加入部分引发剂，约15min后，用一台计量泵将组分一(丙烯醛氰醇醋酸酯+部分中间体I)、一台非计量泵将组分二(部分中间体I+剩余引发剂) 同时缓慢泵入反应器内，通过计量泵控制反应体系温度、使其保持75℃～80℃；加料完毕后搅拌反应30min，利用短程精馏高真空减压蒸馏回收过量的中间体 I，反应器底部的重组分即为3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)。
所述引发剂为过氧化新戊酸叔丁酯和过氧化新癸酸叔丁酯按摩尔比1:1混合后得到的混合物。
本反应的投料摩尔比为，中间体I：丙烯醛氰醇醋酸酯：引发剂＝(2.5-5.0):1：(0.01-0.05)，优选为(3-4)：1：(0.03-0.04)。
所述首加中间体I、组分一中的中间体I、组分二中的中间体I的量占总量的摩尔配比为20％：5-10％：70-75％，优选为20％：10％：70％。
首加引发剂为引发剂总量的30-50％，组分二中的引发剂量为引发剂总量的 50-70％。
所述短程精馏高真空减压蒸馏的条件是：系统内绝压200pa至500pa，温度100℃-130℃。
3、步骤三、制备3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)和3-(氨基-3-氰基丙基)甲基膦酸铵盐(IV)
中间体II在0.0-0.4MPa压力下与氨气/液氨进行氨解反应，生成3-(氨基 -3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)或3-(氨基-3-氰基丙基)甲基膦酸铵盐 (IV)。
本步骤的反应方程式为：
中间体III的分子量为218.23，中间体IV的分子量为179.16。
具体反应过程为：
将中间体II投入氮气置换后的压力釜内，开启搅拌；室温下向反应釜内通氨气，待反应液温度达到30℃，通夹套冷却水降温、控制反应液温度为 30℃～35℃，控制压力釜内压力0.2-0.4MPa；保温反应2h后通入氮气脱氨，然后降至常温，得到接近等摩尔量的3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)和3-(氨基-3-氰基丙基)甲基膦酸铵盐(IV)的混合物，直接用于下步投料。
所述中间体II与氨气的投料摩尔比为1：(2-3)，优选为1:(2.2-2.8)。
本步骤所得的产物中，中间体III为液体，中间体IV为固体、悬浮于中间体III中；不需进行分离处理，混合产物直接进行下步投料。
4、步骤四、制备草铵膦盐酸盐(V)
将步骤三所得的混合产物加入适量浓盐酸中，然后升温进行酸解，同时使低沸物蒸出，得到草铵膦盐酸盐(V)溶液。
本步骤的反应方程式为：
其中，中间体V的分子量是217.59。
具体反应过程为：
将中间体III和中间体IV的混合物加入盛有30％盐酸的反应器中，两者发生酸解反应、使温度升高，继续加热使其回流，同时蒸出丁醇、氯丁烷等低沸物；随着低沸物的馏出、反应温度继续升至105℃～110℃，保温反应3～8h，反应结束；降温至50±3℃，即得草铵膦盐酸盐(V)溶液。
所述中间体III和中间体IV的混合物与30％盐酸的投料摩尔比为1： (3-5)，优选为1：4。其中中间体III和中间体IV混合物的摩尔量为两者摩尔量之和，根据步骤三中中间体II的投料摩尔量按100％反应进行推算。
5、步骤五，制备目标产物
对步骤四所得到的草铵膦盐酸盐(V)溶液进行中和、提纯、结晶，最终得到目标产物草铵膦铵盐。
本步骤的反应方程式为：
其中，草铵膦铵盐的分子量为198.16。
具体反应过程为：
将步骤四所得草铵膦盐酸盐(V)溶液继续减压蒸馏、以除去过量的酸水，然后控制反应温度≤70℃，反应器内滴加中和剂25％氨水，直至溶液pH达5～7；然后加入适量有机溶剂，降至室温后分离除去氯化铵固体；将剩余液体继续减压蒸馏至无明显馏分蒸出，加入有机溶剂溶解，再次分离氯化铵固体；将剩余溶液减压蒸馏至无明显馏分蒸出，加入甲醇进行结晶，过滤烘干后即得目标产物草酸磷铵盐。
所述有机溶剂为甲醇或乙酸，其加入体积量为草铵膦铵盐重量的3～6倍，草铵膦铵盐重量可通过反应方程式按100％反应进行估算。甲醇和乙酸的含水量不高于1％。
所述甲醇结晶过程，是将草铵膦铵盐重量3～4倍体积比的甲醇加入产品中，缓慢降温，降至10℃以下，过滤烘干得草酸磷铵盐。
下面结合实施例对本发明进行进一步描述。
下列实施例中部分原料的厂家和规格见下表，其余原料均为普通市售品，化学纯。
实施例1
步骤一、制备甲基次磷酸单丁酯(I)：
在氮气保护下，向1.5L干燥反应瓶中(配备400mm长精馏柱)加入139.0 克甲基亚磷酸二乙酯(1.0mol，气相色谱纯度98.0％)，再加入188克无水正丁醇(2.5mol，纯度99％)，然后控制物料温度在45℃-50℃，缓慢滴加纯水 18.5克(1.02mol),滴加完毕，保温1.0小时，加入500毫升甲苯，升温回流脱水及低沸物；回流约4小时后，检测转化率；经检测，水解完全；
向反应器内再加入188克正丁醇(2.5mol，纯度99％)和1.0克(0.003mol) 钛酸四正丁基酯，然后升温至回流温度，继续蒸出共沸低沸物，温度逐渐上升，直至顶温115℃、低温约142℃达到稳定；取样进行气相检测，合格；开启真空，进一步减压精馏提纯，收集顶温78℃～110℃的馏分，得到136.1克甲基次磷酸单丁酯(I)。
经检测，中间体I甲基次磷酸单丁酯的纯度为98％，摩尔收率98％。
步骤二、制备(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)：
在经过氮气充分置换后的连续反应器内，于氮气环境下，先加入甲基次磷酸单丁酯(I)97.2克(0.7mol，纯度98％)，升温至75℃-80℃，再加入引发剂(过氧化新戊酸叔丁酯0.7克/0.0042mol和过氧化新癸酸叔丁酯1.8克 /0.0042mol混合而成)；约15分钟后，用一台计量泵将组分一、另一台计量泵将组分二同时缓慢泵入反应器内；组分一由127.7克(1.0mol,纯度98％)丙烯醛氰醇乙酸酯与41.7克(0.3mol,纯度98％)的甲基次磷酸单丁酯(I)混合而成，组份二由340.4克(2.5mol，纯度98％)甲基次磷酸单丁酯(I)与引发催化剂(过氧化新戊酸叔丁酯3.6克/0.0208mol+过氧化新癸酸叔丁酯9.0克/0.0208mol)混合而成；
通过计量泵控制反应体系温度、使其保持75℃-80℃；约5-6小时加料完毕，继续保温搅拌30min；利用短程精馏高真空减压蒸馏回收过量的甲基次磷酸单丁酯约330克，反应器底部的重组分即为(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)，纯度95％，重量270克，收率98.1％，直接进入下一步工序反应。
步骤三、制备3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)和3-(氨基-3- 氰基丙基)甲基膦酸铵盐(IV)：
在经过氮气充分置换后的1L压力釜内，先加入270克(纯度95％，0.98mol) 3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)，开启强力搅拌。在室温下开始通入氨气温度从20℃升至30℃，然后通过夹套冷却水控温在30℃-35℃，通入共计43.5克氨气，压力釜内压力≤0.35MPa(绝压)，然后控温33℃-35℃反应2.0小时，通入氮气吹脱氨气10分钟，然后降至常温，得到接近等摩尔量的3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)和3-(氨基-3-氰基丙基) 甲基膦酸铵盐(IV)混合物，直接进入下一步工序。
步骤四、制备草铵膦盐酸盐(V)：
把550克30％盐酸放入1L的四口瓶内，然后将步骤三中的反应液约312 克，也缓慢加入瓶内，放热升温至50℃左右，继续加热升温至回流温度，同时蒸出低沸物丁醇、氯丁烷等，温度升至106℃-110℃，回流反应4小时，降至50℃得到草铵膦盐酸盐(V)水溶液，液相检测草铵膦(以草铵膦铵盐计算) 含量22.0％，溶液总重862克，收率98％，以(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)计。
步骤五、制备草铵膦铵盐的制备：
上步得到的草铵膦盐酸盐(V)水溶液862克左右，在1L反应瓶内，减压蒸馏蒸出酸水约450克，控温≤70℃，缓慢滴加25％氨水调节溶液PH值＝6-7，共使用25％氨水约130克(1.76摩尔)。加入甲醇500毫升，降温至20℃，过滤，除去氯化铵固体，滤液减压蒸馏脱出水和甲醇至粘稠后，再加入冰醋酸500毫升，降至10℃过滤，进一步除去氯化铵固体，再把滤液减压蒸馏脱尽乙酸后，加入甲醇600毫升，降温至0-5度搅拌结晶5小时后，过滤，得到草铵膦铵盐186.2克干品，液相检测含量97.0％(内标法，以草铵膦铵盐计)，收率94.9％，以(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)计。
实施例1产品的液相图谱如图1所示，其液相检测数据为：
市售的草铵膦铵盐标准品的液相图谱如图2所示，其液相检测数据为：
由液相数据可以看出，实施例1产品含量与草铵膦铵盐标准品的含量基本相当，产品合格。
实施例2
步骤一、制备甲基次磷酸单丁酯(I)：
在氮气保护下，向1.5L干燥反应瓶中(配备400mm长精馏柱)加入139.0 克甲基亚磷酸二乙酯(1.0mol，气相色谱纯度98.0％)，再加入267克无水正丁醇(3.6mol，纯度99％)，然后控制物料温度在45℃-50℃，缓慢滴加纯水 18.9克(1.05mol),滴加完毕，保温1.0小时，加入500毫升甲苯，升温回流脱水及低沸物；回流约4小时后，检测转化率；经检测，水解完全；
向反应器内再加入178克正丁醇(2.4mol，纯度99％)和0.70克(0.002mol) 钛酸四正丁基酯，然后升温至回流温度，继续蒸出共沸低沸物，温度逐渐上升，直至顶温115℃、低温约142℃达到稳定；取样进行气相检测，合格；开启真空，进一步减压精馏提纯，收集顶温78℃～110℃的馏分，得到135.2克甲基次磷酸单丁酯(I)。
经检测，中间体I甲基次磷酸单丁酯的纯度为98％，摩尔收率97.33％。
步骤二、制备(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)：
在经过氮气充分置换后的连续反应器内，于氮气环境下，先加入甲基次磷酸单丁酯(I)122.5克(0.9mol，纯度98％)，升温至75℃-80℃，再加入引发剂(过氧化新戊酸叔丁酯2.2克/0.0125mol和过氧化新癸酸叔丁酯3.1克 /0.0125mol混合而成)；约15分钟后，用一台计量泵将组分一、一台非计量泵将组分二同时缓慢泵入反应器内；组分一由127.7克(1.0mol,纯度98％)丙烯醛氰醇乙酸酯与81.7克(0.6mol,纯度98％)的甲基次磷酸单丁酯(I)混合而成，组份二由340.4克(2.5mol，纯度98％)甲基次磷酸单丁酯(I)与引发催化剂(过氧化新戊酸叔丁酯2.2克/0.0125mol+过氧化新癸酸叔丁酯3.1克/0.0125mol)混合而成；
通过计量泵控制反应体系温度、使其保持75℃-80℃；约5-6小时加料完毕，继续保温搅拌30min；利用短程精馏高真空减压蒸馏(系统内绝压200pa 至500pa，温度100℃-130℃)回收过量的甲基次磷酸单丁酯约330克，反应器底部的重组分即为(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)，纯度 96％，重量266克，收率97.7％，直接进入下一步工序反应。
步骤三、制备3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)和3-(氨基-3- 氰基丙基)甲基膦酸铵盐(IV)：
在经过氮气充分置换后的1L压力釜内，先加入266克(纯度96％，0.98mol) 3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)，开启强力搅拌。在室温下开始通入氨气温度从20℃升至30℃，然后通过夹套冷却水控温在30℃-35℃，通入共计46.0克氨气(2.7mol)，压力釜内压力0.25～0.35MPa(绝压)，然后控温33℃-35℃反应2.0小时，通入氮气吹脱氨气10分钟，然后降至常温，得到接近等摩尔量的3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)和3-(氨基-3- 氰基丙基)甲基膦酸铵盐(IV)混合物，直接进入下一步工序。
步骤四、制备草铵膦盐酸盐(V)：
把540克30％盐酸放入1L的四口瓶内，然后将步骤三中的反应液约305 克，也缓慢加入瓶内，放热升温至50℃左右，继续加热升温至回流温度，同时蒸出低沸物丁醇、氯丁烷等，温度升至106℃-110℃，回流反应4小时，降至50℃得到草铵膦盐酸盐(V)水溶液，液相检测草铵膦(以草铵膦铵盐计算) 含量22.0％，溶液总重858克，收率97.3％，以(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)计。
步骤五、制备草铵膦铵盐的制备：
上步得到的草铵膦盐酸盐(V)水溶液858克左右，在1L反应瓶内，减压蒸馏蒸出酸水约450克，控温≤70℃，缓慢滴加25％氨水调节溶液PH值＝6-7，共使用25％氨水约130克(1.76摩尔)。加入甲醇500毫升，降温至20℃，过滤，除去氯化铵固体，滤液减压蒸馏脱出水和甲醇至粘稠后，再加入冰醋酸500毫升，降至10℃过滤，进一步除去氯化铵固体，再把滤液减压蒸馏脱尽乙酸后，加入甲醇600毫升，降温至0-5度搅拌结晶5小时后，过滤，得到草铵膦铵盐185克干品，液相检测含量97.3％(内标法，以草铵膦铵盐计)，收率94.3％，以(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)计。
实施例3
步骤一、制备甲基次磷酸单丁酯(I)：
在氮气保护下，向1.5L干燥反应瓶中(配备400mm长精馏柱)加入139.0 克甲基亚磷酸二乙酯(1.0mol，气相色谱纯度98.0％)，再加入214克无水正丁醇(2.9mol，纯度99％)，然后控制物料温度在45℃-50℃，缓慢滴加纯水 18克(1mol),滴加完毕，保温1.0小时，加入556毫升甲苯，升温回流脱水及低沸物；回流约4小时后，检测转化率；经检测，水解完全；
向反应器内再加入214克正丁醇(2.9mol，纯度99％)和0.70克(0.002mol) 钛酸四正丁基酯，然后升温至回流温度，继续蒸出共沸低沸物，温度逐渐上升，直至顶温115℃、低温约142℃达到稳定；取样进行气相检测，合格；开启真空，进一步减压精馏提纯，收集顶温78℃～110℃的馏分，得到135.8克甲基次磷酸单丁酯(I)。
经检测，中间体I甲基次磷酸单丁酯的纯度为98.5％，摩尔收率98.26％。
步骤二、制备(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)：
在经过氮气充分置换后的连续反应器内，于氮气环境下，先加入甲基次磷酸单丁酯(I)96.7克(0.7mol，纯度98.5％)，升温至75℃-80℃，再加入引发剂(过氧化新戊酸叔丁酯1.05克/0.006mol和过氧化新癸酸叔丁酯1.47克 /0.006mol混合而成)；约15分钟后，用一台计量泵将组分一、一台非计量泵将组分二同时缓慢泵入反应器内；组分一由127.7克(1.0mol,纯度98％)丙烯醛氰醇乙酸酯与55.3克(0.4mol,纯度98.5％)的甲基次磷酸单丁酯(I)混合而成，组份二由331.7克(2.4mol，纯度98.5％)甲基次磷酸单丁酯(I)与引发催化剂 (过氧化新戊酸叔丁酯2.4克/0.014mol+过氧化新癸酸叔丁酯3.4克/0.014mol) 混合而成；
通过计量泵控制反应体系温度、使其保持75℃-80℃；约5-6小时加料完毕，继续保温搅拌30min；利用短程精馏高真空减压蒸馏(系统内绝压200pa 至500pa，温度100℃-130℃)回收过量的甲基次磷酸单丁酯约328克，反应器底部的重组分即为(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)，纯度 96.8％，重量265克，收率98.2％(以丙烯醛氰醇乙酸酯计)，直接进入下一步工序反应。
步骤三、制备3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III)和3-(氨基-3- 氰基丙基)甲基膦酸铵盐(IV)：
在经过氮气充分置换后的1L压力釜内，先加入265克(纯度96.8％， 0.98mol)3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)，开启强力搅拌。在室温下开始通入氨气温度从20℃升至30℃，然后通过夹套冷却水控温在 30℃-35℃，通入共计42.5克氨气(2.5mol)，压力釜内压力0.25～0.35MPa(绝压)，然后控温33℃-35℃反应2.0小时，通入氮气吹脱氨气10分钟，然后降至常温，得到接近等摩尔量的3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(III) 和3-(氨基-3-氰基丙基)甲基膦酸铵盐(IV)混合物，直接进入下一步工序。
步骤四、制备草铵膦盐酸盐(V)：
把540克30％盐酸放入1L的四口瓶内，然后将步骤三中的反应液约310 克，也缓慢加入瓶内，放热升温至50℃左右，继续加热升温至回流温度，同时蒸出低沸物丁醇、氯丁烷等，温度升至106℃-110℃，回流反应4小时，降至50℃得到草铵膦盐酸盐(V)水溶液，液相检测草铵膦(以草铵膦铵盐计算) 含量22.2％，溶液总重855克，收率97.8％，收率以(3-乙酰氧基-3-氰基丙基) 甲基次磷酸正丁酯(II)计。
步骤五、制备草铵膦铵盐的制备：
上步得到的草铵膦盐酸盐(V)水溶液855克左右，在1L反应瓶内，减压蒸馏蒸出酸水约446克，控温≤70℃，缓慢滴加25％氨水调节溶液PH值＝6-7，共使用25％氨水约135克(1.83摩尔)。加入甲醇500毫升，降温至20℃，过滤，除去氯化铵固体，滤液减压蒸馏脱出水和甲醇至粘稠后，再加入冰醋酸500毫升，降至10℃过滤，进一步除去氯化铵固体，再把滤液减压蒸馏脱尽乙酸后，加入甲醇600毫升，降温至0-5度搅拌结晶5小时后，过滤，得到草铵膦铵盐182克干品，液相检测含量97.8％(内标法，以草铵膦铵盐计)，收率91.66％，以(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)计。
对比例1
对比例1步骤2合成与实施例1步骤2合成的反应原料和反应步骤基本相同，其区别点为：步骤2的加成反应，采用普通反应器，一次性投料反应；中间体I甲基次磷酸单丁酯与丙烯醛氰醇乙酸酯的投料摩尔比为1.5:1。
具体对比例1的步骤2的制备过程为：
向反应器中加入中间体I甲基次磷酸单丁酯204.2克(1.5mol，纯度98％)、丙烯醛氰醇乙酸酯127.7克(1.0mol,纯度98％)、引发催化剂15.1g(过氧化新戊酸叔丁酯4.3克/0.025mol+过氧化新癸酸叔丁酯10.8克/0.025mol混合)， 75℃-80℃保温反应2h；反应结束后蒸出轻组分杂质，反应器底部的重组分即为(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)，纯度93.5％，重量223 克，收率79.8％，直接进入下一步工序反应。
在步骤2的反应中，反应原料与引发催化剂同时加入，升温过程反应剧烈，反应液体积涨幅很快、温升也快，反应不易控制。
其余反应步骤现象和收率与实施例1相差不大，不再详细赘述。
对比例2
对比例2重复对比例1的实验，其区别在于：①采用大反应器，反应液体积不超过反应器体积的1/4，②控制升温速度，升温速度1℃/min，③待有温冲趋势时在反应器外部冷却。
反应过程的温冲情况得以控制，反应过程较为温和可控；反应所得产物 (3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯(II)，纯度93.8％，重量235克，收率84.35％，直接进入下一步工序反应。
调整反应控制参数后，虽然反应温冲情况得以控制，但是显而易见的提高了操作复杂度，同时降低了反应器的处理量，增加了反应时间，不利于工业化生产；而且，虽然产物的产量与对比例1有所增加，但其收率也未达90％，与实施例1收率有非常明显的差距。
对比例3～对比例8
对比例3～对比例8与实施例1的反应原料和反应步骤基本相同，其区别点为：步骤2中所采用的引发剂种类不同，引发剂投料量均为0.05mol，按实施例1的比例分配：0.0084mol与中间体I先加入反应器中，剩余0.0416mol 计入组分二中；其余操作步骤均同。具体见下表。
通过上述对比例可以看出，采用过氧化新戊酸叔丁酯或过氧化新癸酸叔丁酯做引发剂，产品收率和纯度优于过氧化苯甲酰和过氧异辛酸叔丁酯；单独采用过氧化新戊酸叔丁酯或过氧化新癸酸叔丁酯做引发剂、或者采用其他比例混合后做引发剂，经试验获得的产品纯度和收率偏低，有可能是引发剂的引发活性及热稳定性、反应物转化率偏低及副反应多等，从而造成产品不易提纯，纯度下降。在综合考量产品纯度和收率数据的基础上，经多组重复性试验证明，过氧化新戊酸叔丁酯和过氧化新癸酸叔丁酯按摩尔比1:1混合后做引发剂最优，且反应稳定性强，重现性好。
以上所述，仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于包含以下步骤：
(1)以甲基亚磷酸二乙酯为原料，先水解为甲基羟基亚磷酸乙酯或甲基次磷酸乙酯、再和正丁醇在催化剂存在下酯交换反应并重排，生成中间体I甲基次磷酸单丁酯；
(2)中间体I与丙烯醛氰醇醋酸酯进行自由基加成反应，生成中间体II(3-乙酰氧基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯；
(3)中间体II与氨气发生氨解反应，生成中间体III 3-(氨基-3-氰基丙基)甲基次磷酸正丁酯和中间体IV 3-(氨基-3-氰基丙基)甲基膦酸铵盐的混合物；
(4)中间体III和中间体IV与盐酸进行酸解反应，生成中间体V草铵膦盐酸盐；
(5)中间体V再经中和、提纯、结晶后，得到草铵膦铵盐。
2.根据权利要求1所述的一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于：所述步骤1中，原料摩尔比为甲基亚磷酸二乙酯：水：正丁醇＝1：(0.8-1.2)：(4.5-7)，优选为1：(1-1.05)：(5-6)。
3.根据权利要求2所述的一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤为：在氮气保护下，向反应器中加入原料甲基亚磷酸二乙酯和一定量的正丁醇，搅拌下缓慢向反应器内滴加纯水，控制物料温度为45℃～50℃；滴加完毕后保温1h，然后加入甲苯，升温至回流，脱去水分和低沸物；监测原料转换率，待达到95％以上，水解结束；
向反应器内再加入剩余正丁醇和酯交换引发剂，升温至回流温度，蒸出共沸低沸物后继续升温至稳定温度，取样进行气相检测；检测合格后开启真空，在真空度-0.08MPa～-0.09MPa下减压精馏提纯，收集顶温78℃～110℃的馏分，即为中间体I。
4.根据权利要求3所述的一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于：所述酯交换引发剂为钛酸四正丁基酯，其加入量为原料甲基亚磷酸二乙酯的重量的0.05％-1.0％；水解反应时加入的正丁醇为正丁醇总量的50％～70％，剩余的30％～50％正丁醇在酯交换反应时加入。
5.根据权利要求1所述的一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤为：在氮气环境下，向连续化反应器中加入部分中间体I、升温至75℃～80℃，然后加入一部分引发剂，约15min后，用一台计量泵将丙烯醛氰醇醋酸酯和部分中间体I、用一台非计量泵将部分中间体I+剩余引发剂同时缓慢泵入反应器内，通过计量泵控制反应体系温度、使其保持75℃～80℃；加料完毕后搅拌反应30min，利用短程精馏高真空减压蒸馏回收过量的中间体I，反应器底部的重组分即为中间体II。
6.根据权利要求5所述的一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于：所述原料摩尔比为中间体I：丙烯醛氰醇醋酸酯：引发剂＝(2.5-5.0):1:(0.01-0.05)；所述引发剂为过氧化新戊酸叔丁酯和过氧化新癸酸叔丁酯按摩尔比1:1混合后得到的混合物；首加引发剂为引发剂总量的30-50％，后加引发剂量为引发剂总量的50-70％。
7.根据权利要求1所述的一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于：所述步骤3的具体过程为：将中间体II投入氮气置换后的压力釜内，开启搅拌；室温下向反应釜内通氨气，待反应液温度达到30℃，通夹套冷却水降温、控制反应液温度为30℃～35℃，控制压力釜内压力0.2-0.4MPa；保温反应2h后通入氮气脱氨，然后降至常温，得到接近等摩尔量的中间体III、中间体IV的混合物，直接用于下步投料。
8.根据权利要求1所述的一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于：所述步骤4的具体过程为：将中间体III和中间体IV的混合物加入盛有30％盐酸的反应器中，两者发生酸解反应，继续加热使其回流；回流温度随着低沸物的馏出而逐渐升至105℃～110℃，保温反应3～8h，反应结束；降温至50±3℃，即得中间体V。
9.根据权利要求1所述的一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于：所述步骤5的具体过程为：将中间体V溶液继续减压蒸馏、除去过量的酸水，然后滴加中和剂至溶液pH5～7；加入有机溶剂，降至室温后分离除去氯化铵固体；将剩余液体继续减压蒸馏至无明显馏分蒸出，加入甲醇进行结晶，过滤烘干后即得目标产物草酸磷铵盐。
10.根据权利要求9所述的一种草铵膦铵盐的合成方法，其特征在于：所述中和剂为25％氨水；所述有机溶剂为甲醇或乙酸，其加入体积量为草铵膦铵盐重量的3～6倍；所述加有机溶剂溶解、出去氯化铵固体的步骤重复至少两遍。
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| PB01 | Publication | ||
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Shouqiang Inventor after: Zhang Zhangang Inventor after: Bi Yanbiao Inventor after: Jin Huijuan Inventor after: Guo Junhui Inventor before: Wang Shouqiang Inventor before: Zhang Zhangang Inventor before: Bi Yanbiao Inventor before: Jin Huijuan |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191029 |