敵草快二氯鹽制備工藝

岳瑞寬，王福軍，陳洪龍，王文魁

（南京紅太陽生物化學(xué)有限責(zé)任公司，江蘇南京210047）

敵草快是IMPERIAL CHEMIAL INDUSTRIES LIMITED（ICI，后為先正達(dá)）公司于1958 年開發(fā)的接觸性干燥劑或具有某些內(nèi)吸性的除草劑，作用機(jī)理是通過產(chǎn)生超氧化物破壞植物細(xì)胞[1]。敵草快（CAS:2764-72-9）是指陽離子部分，最終是以敵草快二溴鹽（CAS:85-00-7）的形式商品化，但其除草活性只與陽離子有關(guān)，與陽離子的反荷離子無關(guān)[2-4]，其生物毒性也與陰離子無關(guān)[5]。敵草快與百草枯同為聯(lián)吡啶類除草劑，它們的除草效果相仿，但中毒機(jī)理則有很大不同，百草枯對(duì)哺乳類動(dòng)物的中毒機(jī)制主要是在I 型、Ⅱ型肺泡上皮細(xì)胞和Clara 細(xì)胞膜上存在能夠主動(dòng)攝取百草枯陽離子的多胺攝取系統(tǒng)，百草枯陽離子的分子大小與多胺類分子大小類似，多胺攝取系統(tǒng)將百草枯誤認(rèn)為多胺分子，攝取的百草枯陽離子在肺器官中累積，對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷，最終導(dǎo)致了肺的纖維化[6-10]，最后動(dòng)物體因呼吸衰竭而亡。然而敵草快不存在肺中毒現(xiàn)象，敵草快陽離子不會(huì)在肺中累積[11-13]，所以，敵草快的毒性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于百草枯。

隨著2016 年7 月百草枯水劑在國(guó)內(nèi)被禁止銷售[14]，其空缺出來的市場(chǎng)份額急需相關(guān)產(chǎn)品補(bǔ)位。草銨膦是備選替代產(chǎn)品之一，其除草性能較好，正在被各企業(yè)重點(diǎn)開發(fā)，但草銨膦的工藝路線較長(zhǎng)，對(duì)工程化要求很高[15]。敵草快是一個(gè)更具潛力的百草枯替代品，其除草效果與百草枯相仿，而毒性較低，在作物催枯、種子處理等方面更具優(yōu)勢(shì)。成本較高是制約敵草快推廣使用的一個(gè)重要原因，若能適當(dāng)降本，從而降低農(nóng)民的用藥成本，敵草快的市場(chǎng)潛力是完全可以釋放出來的。降本的關(guān)鍵是開發(fā)新工藝路線，思路有二：一是開發(fā)吡啶直接偶聯(lián)制備2,2'-聯(lián)吡啶工藝路線；二是開發(fā)敵草快二氯鹽工藝，節(jié)約昂貴的溴素。兩方面結(jié)合可以達(dá)到大幅降低敵草快成本之目的。

商品化的敵草快都是以敵草快二溴鹽為有效成分的載體化合物，其合成方法是以2,2'-聯(lián)吡啶與1,2-二溴乙烷經(jīng)環(huán)合得到[16]。

1 敵草快二氯鹽的合成工藝簡(jiǎn)介及不能產(chǎn)業(yè)化原因分析

敵草快二溴鹽工藝較為簡(jiǎn)單，用2,2'-聯(lián)吡啶與二溴乙烷進(jìn)行環(huán)合反應(yīng)即可制得敵草快二溴鹽。但敵草快其他反荷離子鹽的制備則較為困難，從原子經(jīng)濟(jì)性上來講，敵草快的二氯鹽最為經(jīng)濟(jì)，但因二氯乙烷的低活性，用類似于敵草快二溴鹽的制備方法制備敵草快二氯鹽，需要很高的壓力及溫度，對(duì)設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕[17]，不能實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。ICI 公司的一系列專利文獻(xiàn)[18-21]中關(guān)于敵草快二氯鹽的制備最終都沒有工業(yè)化。

鹽中鹵素陰離子的交換，常用方法有利用其銀鹽溶解度的不同實(shí)現(xiàn)離子交換，如溴化鈉溶液中加入氯化銀，充分?jǐn)嚢璺磻?yīng)，可實(shí)現(xiàn)氯離子與溴離子的交換。ICI公司當(dāng)年關(guān)于敵草快的專利中對(duì)敵草快二氯鹽的制備也有對(duì)此方法的說明[16]。再者利用氧化還原反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)鹵離子的交換，溴素的工業(yè)化制備即是利用此方法，向鹵水或者海水中充分通氯氣氧化，將溴離子氧化成單質(zhì)溴，然后通過濃縮、精餾、分離得到溴素。誠(chéng)然，敵草快二氯鹽也可以參考此方法進(jìn)行制備，本公司的科研人員也對(duì)此工藝進(jìn)行了考查[22]，發(fā)現(xiàn)此方法存在較多問題，不適合工業(yè)化生產(chǎn)。敵草快二溴鹽溶液進(jìn)行通氯反應(yīng)時(shí)，產(chǎn)生大量的棕色固體，經(jīng)過分析，該固體是敵草快二溴鹽或者敵草快二氯鹽的加合物（式Ⅰ，Ⅱ），該加合物在水中溶解度較小，粘度較大，不易過濾。美國(guó)大湖化學(xué)公司對(duì)此加合物的制備和應(yīng)用進(jìn)行過研究[23-25]，之后就沒有后續(xù)報(bào)道。通過加熱蒸餾可以實(shí)現(xiàn)單質(zhì)溴與敵草快鹽的分離，但在此過程中，溴在水中生成的次溴酸能將敵草快氧化[26]，敵草快的損失較大，且其損失成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于溴的回收成本。

所以，通過上述鹵素交換的方法來實(shí)現(xiàn)敵草快二氯鹽的制備還是不能做到工業(yè)化生產(chǎn)，必須尋找到合適的工藝方法，在敵草快二氯鹽的生成時(shí)，既能實(shí)現(xiàn)溴的回收利用，又不能使敵草快有較大的損失。

2 敵草快二氯鹽的制備原理

吡啶的鎓鹽（溴離子）能繼續(xù)與溴反應(yīng)生成三溴化物，該三溴化物可以作為一種很好的溴化劑，此類溴化劑在雙鍵的加成反應(yīng)，與酚類的取代反應(yīng)等反應(yīng)中都表現(xiàn)出很好的反應(yīng)特性，如常見的吡啶三溴鹽（式Ⅲ），同樣有文章對(duì)DMAP.HBr3(式Ⅳ)[27]，1,2-Dipyridiniumditribromide-ethane (DPTBE) (式Ⅴ)[28], 1,10- (ethane-1,2-diyl) phenanthrolinedinium bistribromide (EPDBT) (式Ⅵ)[29]等此類溴化劑做過研究，在其參與的相關(guān)反應(yīng)中，在選擇性和產(chǎn)率等方面都能得到較好的結(jié)果。

本課題是以敵草快二溴鹽為原料，經(jīng)過氧化、溴化等一系列操作，實(shí)現(xiàn)了敵草快二氯鹽的高收率，并將溴素轉(zhuǎn)化為更為重要的化工中間體（三溴苯酚），同樣實(shí)現(xiàn)了溴素的再利用。

敵草快二氯鹽制備方法的化學(xué)反應(yīng)式：

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 試劑與儀器

敵草快二溴鹽母液（41% ），華洲藥業(yè)有限公司；雙氧水 (29.5% ) ，南京試劑有限公司；鹽酸（36% ），南京試劑有限公司；苯酚（99% ），國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

ZK-82B 型電熱真空干燥箱，上海實(shí)驗(yàn)儀器廠有限公司；SZCL-2A 型數(shù)顯控溫磁力攪拌器，鞏義予華儀器有限責(zé)任公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀；GC-14C 氣相色譜儀，島津公司；CTO-10AS 高效液相色譜儀，島津公司。

3.2 合成方法

將150.5 g 敵草快二溴鹽水溶液（40.5% ，0.177 mol）與36.3 g 鹽酸（36% ，0.358 mol）混合，滴加到30.3 g 雙氧水（46% ，0.410 mol）、150.1 g 正丁醇、11.2 g 苯酚（0.119 mol）三者混合液中，維持體系溫度于60℃，控制滴加速度，約40 min 滴加完畢，升溫至70℃～80℃下保溫?cái)嚢?，使兩相液體充分混合，反應(yīng)1.5 h，反應(yīng)結(jié)束后分液得水相和反應(yīng)油相，水相先用100 g 正丁醇萃取，分得萃取水相和萃取油相，萃取水相再加入0.5 g 碳酸氫銨，充分?jǐn)嚢?，調(diào)節(jié)水相pH 至3.5，濃縮出部分水后配制成108.9 g 含量為40.9% 的敵草快二氯鹽母液（陽離子含量為29.5% ），收率為98.5% 。

合并反應(yīng)油相和萃取油相，濃縮結(jié)晶得三溴苯酚粗品，重結(jié)晶得38.4 g 三溴苯酚純品，氣譜純度99.5% ，溴回收率97.7% 。

4 結(jié)果與討論

陽離子的收率主要與雙氧水的用量及反應(yīng)時(shí)間相關(guān)，苯酚及鹽酸的用量不影響陽離子的收率。溴的回收率則與反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、鹽酸用量、苯酚用量、雙氧水用量都相關(guān)。

4.1 保溫時(shí)間對(duì)陽離子收率及溴回收率的影響

固定敵草快二溴鹽150.5 g（40.5% ），正丁醇150.1 g，n（鹽酸）： n（雙氧水）： n（苯酚）=3.0： 3.5： 1.0，滴加溫度維持在（60±2）℃，滴加時(shí)間40 min，保溫（75±2）℃，考查保溫時(shí)間對(duì)陽離子收率及溴回收率的影響。結(jié)果如表1 所示。

表1 保溫時(shí)間對(duì)陽離子收率及溴回收率的影響

由表1 可以看出，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，陽離子收率逐漸降低，雙氧水對(duì)敵草快陽離子有一定的氧化能力，但隨著雙氧水逐漸消耗，其對(duì)敵草快陽離子的作用也減小了；溴回收率隨著時(shí)間的增加而增加，時(shí)間超過1.5 h后，無明顯變化。

4.2 保溫溫度對(duì)陽離子收率及溴回收率的影響

固定敵草快二溴鹽150.5 g（40.5% ），正丁醇150.1 g，n（鹽酸）： n（雙氧水）： n（苯酚）=3.0： 3.5： 1.0，滴加溫度維持在（60±2）℃，滴加時(shí)間40 min，保溫時(shí)間1.5 h，考查反應(yīng)溫度對(duì)陽離子收率及溴回收率的影響。結(jié)果如表2 所示。

表2 溫度對(duì)陽離子收率及溴回收率的影響

由表2 可以看出，隨著溫度的升高，陽離子的損失會(huì)逐漸增大。因溫度升高，加劇了雙氧水對(duì)陽離子的氧化反應(yīng)；溴的回收率開始變化不大，溫度超過75℃后，收率開始降低，雙氧水隨著溫度的升高分解率也變大，從而使溴離子的氧化反應(yīng)變慢。

4.3 苯酚用量對(duì)溴回收率的影響

固定敵草快二溴鹽150.5 g（40.5% ），正丁醇150.1 g，n（鹽酸）： n（雙氧水）=3.0： 3.5，滴加溫度維持在（60±2）℃，滴加時(shí)間40 min，保溫溫度控制在（75±2）℃，保溫時(shí)間在1.5 h，考查苯酚用量對(duì)溴回收率的影響。結(jié)果如表3 所示。

表3 苯酚用量對(duì)溴回收率的影響

由表3 可以看出，苯酚的量在11 g 左右，溴的回收率最高；小于11 g，溴回收率明顯降低；大于11g，則溴回收率變化不大。

4.4 雙氧水用量對(duì)陽離子收率及溴回收率的影響

固定敵草快二溴鹽150.5 g（40.5% ），正丁醇150.1 g，n（鹽酸）： n（苯酚）=3.0： 1.0，滴加溫度（60±2）℃，滴加時(shí)間40 min，保溫（75±2）℃，保溫時(shí)間1.5 h，考查雙氧水用量對(duì)陽離子收率及溴回收率的影響。結(jié)果如表4 所示。

表4 雙氧水用量對(duì)陽離子收率及溴回收率的影響

由表4 可以看出，雙氧水的用量增加，陽離子損失會(huì)變大，反應(yīng)液未消耗的雙氧水會(huì)持續(xù)氧化陽離子；溴回收率升高后保持不變；雙氧水量少，不能將溴離子完全氧化，雙氧水過量后，不影響溴與苯酚的反應(yīng)，溴的回收率變化不大。

4.5 鹽酸用量對(duì)溴回收率的影響

固定敵草快二溴鹽150.5 g（40.5% ），正丁醇150.1 g，n（雙氧水）： n（苯酚）=3.5： 1，滴加溫度維持在（60±2）℃，滴加時(shí)間40 min，保溫（75±2）℃，保溫時(shí)間1.5 h，考查鹽酸用量對(duì)溴回收率的影響。結(jié)果如表5 所示。

表5 鹽酸用量對(duì)溴回收率的影響

由表5 可以看出，鹽酸的用量增加，溴回收率升高后保持不變。鹽酸用量不足，其參與的雙氧水對(duì)溴離子的氧化反應(yīng)不能進(jìn)行完全；鹽酸過量，則對(duì)苯酚的溴化反應(yīng)沒有影響。

5 結(jié)論

（1）以雙氧水為氧化劑，苯酚為溴素吸收劑，確定了最佳反應(yīng)條件：n（敵草快二溴鹽）： n（鹽酸）： n（H2O2）： n（苯酚）=1.5： 3.0： 3.5： 1.0，萃取劑正丁醇的用量與敵草快二溴鹽母液相同，滴加溫度60℃，保溫75℃，保溫時(shí)間1.5 h。在此條件下，敵草快陽離子損失率≤1.5% ，溴回收率≥97.0% 。

（2）該工藝操作簡(jiǎn)便，克服了直接合成敵草快二氯鹽工藝的缺陷，適合工業(yè)化生產(chǎn)。回收的三溴苯酚為重要的阻燃劑原料，用途廣泛。