一種脲酶抑制劑NPPT的合成方法

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( 1． 金正大生態(tài)工程集團股份有限公司，山東 臨沭 276700;2．養(yǎng)分高效開發(fā)與綜合利用國家實驗室，山東 臨沭 276700；3.國家緩控釋肥工程技術(shù)研究中心，山東 臨沭 276700)

尿素作為我國現(xiàn)有的主要氮源之一，因其養(yǎng)分含量高、水溶性好、成本低廉而被廣泛應用，但其利用率卻只有30%左右。究其原因，主要是由于土壤中存在的脲酶能將氮轉(zhuǎn)化為氨揮發(fā)至大氣損失[1]。磷酰胺類化合物是目前使用最多的一類脲酶抑制劑，而正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)作為磷酰胺類化合物最重要的一種代表，目前使用量最大[2]。但正丁基硫代磷酰三胺的缺陷是穩(wěn)定性較差，其在常溫25 ℃下會緩慢分解，一個月內(nèi)就會分解30%左右，這就導致其使用面窄，利用率低[3]。巴斯夫公司最新研制的一款新型脲酶抑制劑產(chǎn)品“力謀仕”[4]，其有效成分為NBPT和NPPT(正丙基硫代磷酰三胺)，這兩種活性成分能夠相互協(xié)同，在一定程度上提高了其分解溫度，使有效時間大大延長，從而有效提高氮肥利用率，幫助農(nóng)民增產(chǎn)增收的同時減少環(huán)境污染。

目前，NPPT的合成方法相對較少[3，5]，本研究以三氯硫磷、正丙胺為原料，采用“一鍋法”合成NPPT，先經(jīng)親核取代反應生成中間體正丙基硫代磷酰二氯，再經(jīng)氨解反應合成最終產(chǎn)物NPPT。該合成方法產(chǎn)品收率高，生產(chǎn)成本低，基本無三廢排放，操作簡便省工，易于工業(yè)化生產(chǎn)。

1 實驗部分

1.1 儀器及試劑

儀器：電子天平JA2003N( 上海精密科學儀器有限公司)、DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器(鞏義市予華儀器有限責任公司)、高效液相色譜儀Agilent Technologies 1260 Infinity Ⅱ(安捷倫科技中國有限公司)、X-4型顯微熔點測定儀(北京泰克公司) 、循環(huán)水式真空抽濾泵SHZ-D( 鞏義市予華儀器有限責任公司)、真空干燥箱DZF-6020(嘉興市中新醫(yī)療儀器有限公司)。試劑：三氯硫磷C.P、正丙胺C.P、氫氧化鉀AR、氨氣為C.P、乙酸乙酯為AR。

1.2 合成路線

本研究內(nèi)容——以三氯硫磷與正丙胺為起始物，合成正丙基硫代磷酰三胺(NPPT)的主要合成路線見圖1。

圖1 NPPT合成路線

Fig.1 synthetic route of NPPT

1.3 實驗步驟

1.3.1 中間體正丙基硫代磷酰二氯的制備

向500 mL三口燒瓶中加入三氯硫磷PSCl333.88 g(0.2 mol)，乙酸乙酯EA 150 mL，氫氧化鉀KOH固體11.2 g(0.2 mol)，攪勻后，于冰水浴中降溫至0～10 ℃，緩慢滴加正丙胺與乙酸乙酯的混合液(正丙胺12.41 g+乙酸乙酯50 mL)，約1.5 h加完，待混合液滴加完全，在該溫度下反應1.5 h，液相(HPLC)跟蹤監(jiān)測原料反應完全后，反應液留待下步操作。

1.3.2 NPPT的制備

將上述反應液降溫至5 ℃以下，攪拌下通入計量的氨氣14.96 g (0.88 mol)，液相( HPLC)跟蹤反應原料，待原料完全反應后，繼續(xù)反應1 h。過濾除去反應副產(chǎn)物，濾液緩慢降溫至5 ℃，保溫1 h，過濾所得白色晶體于50 ℃下烘干，得正丙基硫代磷酰三胺24.67 g，mp：88.5～90 ℃(文獻[5]:mp:88～89 ℃)，反應總收率為80.5 % ，產(chǎn)品經(jīng) HPLC 檢測保留時間與標準品一致，純度98.6 % 。

2 結(jié)果與討論

以反應原料三氯硫磷、正丙胺、氫氧化鉀為起始物合成正丙基硫代磷酰二氯是合成正丙基硫代磷酰三胺(NPPT)的關(guān)鍵步驟，其中縛酸劑種類、溶劑的選擇以及原料配比直接影響反應的總收率，下面分別從以上幾點進行考察論述。

2.1 縛酸劑種類對產(chǎn)品收率的影響

在第一步合成反應中，以三氯硫磷、正丙胺為起始原料發(fā)生親核取代反應生成中間體正丙基硫代磷酰二氯時，分別以氨氣、三乙胺、氫氧化鉀為縛酸劑，保持其他反應條件不變，各實驗所得收率如表1所示。

表1 不同縛酸劑對反應的影響Table.1 Effect of different acid binding agents on reaction

由表1可知，當縛酸劑的種類不同時，反應的收率變化較大。使用氨氣時，由于其為氣態(tài)，與反應體系不能完全接觸，導致反應收率不高，再有就是由于第二步氨化反應也需要通氨，兩次通氨量不好把握，很容易過量或反應不完全，致使氨化后的料漿粘稠，增加過濾難度，也造成產(chǎn)品的損失；采用三乙胺為縛酸劑，收率大幅提高，但三乙胺價格偏貴，氣味大，且回收套用過程增加了成本；選用價格相對較低的無機堿氫氧化鉀收率最高，且反應生成的副產(chǎn)物氯化鉀干燥后可直接造肥使用，實現(xiàn)了綠色節(jié)能環(huán)保的化工生產(chǎn)模式，故縛酸劑優(yōu)選氫氧化鉀。

2.2 溶劑的選擇對產(chǎn)品收率的影響

在確定縛酸劑為KOH后，利用原料三氯硫磷、正丙胺制備中間體時，反應溶劑的種類對產(chǎn)品收率也有很大的影響，據(jù)文獻介紹[6-7]，常選溶劑主要有甲苯、乙酸乙酯、二氯甲烷，現(xiàn)分別對幾種溶劑進行實驗效果驗證，實驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同溶劑對反應的影響Table.2 Effect of different solvents on reaction

由表2可知，當反應溶劑的種類不同時，反應的收率也會有較大的變化。當選用甲苯做溶劑時，反應收率較低，效果并不理想，這可能是由于反應放熱，致使產(chǎn)品在甲苯中有一定的溶解度所致；溶劑改為二氯甲烷，收率大幅提高，但是跟乙酸乙酯對比起來，沒有優(yōu)勢，且二氯甲烷為有毒試劑，因此優(yōu)選乙酸乙酯為溶劑。

2.3 原料配比對產(chǎn)品收率的影響

在合成正丙基硫代磷酰二氯的反應中，其他條件不變，通過改變反應物物質(zhì)的量比確定原料最佳配比，實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 不同原料配比對反應的影響Table 3 Effect of different raw material ratio on reaction

從表3可以看出，當三氯硫磷和正丙胺、氫氧化鉀的物質(zhì)的量比為1.0∶1.05∶1.0時，產(chǎn)品收率最高為80.5 %，增加或降低物質(zhì)的量配比，產(chǎn)品收率均有所降低。所以，最佳的原料配比為 n(三氯硫磷)∶n(正丙胺)∶n(氫氧化鉀)= 1.0∶1.05∶1.0。

3 結(jié)論

以三氯硫磷和正丙胺為原料，于反應釜中制得中間體正丙基硫代磷酰二氯，反應完成后料液不經(jīng)分離，采用“一鍋法”， 直接通入適量氨氣反應制得目標產(chǎn)物正丙基硫代磷酰三胺(NPPT)，其中純度為98.6 %，總收率80.5 %。反應產(chǎn)生的副產(chǎn)物氯化鉀、氯化銨直接用于復合肥造肥使用，實現(xiàn)了綠色節(jié)能環(huán)保的化工生產(chǎn)模式。該工藝具有產(chǎn)品收率高，生產(chǎn)成本低，基本無三廢排放，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)等優(yōu)點。