連續流微反應技術合成三乙膦酸鋁

孫麗梅，李林虎，徐 寧

（利民化學有限責任公司，江蘇徐州221400）

三乙膦酸鋁是一種有機磷類高效、廣譜、內吸性低毒殺菌劑，具有雙向傳導功能兼有保護和治療作用。適用三乙膦酸鋁的作物非常廣泛，可防治由單軸霉屬、霜霉屬、疫霉屬引起各種病害的果樹、蔬菜、花卉及經濟作物。該藥內吸滲透性強，持效期較長，使用安全，市場需求量巨大。

據文獻及專利報道[1-4]，合成三乙膦酸鋁原藥的方法是以三氯化磷、乙醇為原料，經酯化反應制得亞磷酸二乙酯。亞磷酸二乙酯和氨水通過胺化反應生成亞磷酸二乙基銨鹽，然后與硫酸鋁進行復分解反應得到。

在傳統釜式和間歇式反應中，由于酯化反應放熱劇烈，易造成局部過熱或系統飛溫現象，存在反應失控風險。在生產上需要使用冷凍鹽水進行降溫，該方式能源消耗大，設備要求高。在有水、強酸性及溫度高的條件下，隨著反應時間的延長，亞磷酸二乙酯極易分解，副產物多。胺化反應工藝目前多采用滴加過量的氨水或亞磷酸二乙酯的間歇式生產方式，其造成原料的浪費且反應時間長達9 h以上[3]，影響生產效率的提高。目前市場報道產品總收率最高為95%，含量為98%[3]，原料的不充分反應造成三廢排放量大，給環保處理造成困難，亦不利于綠色清潔化生產。

連續流微反應技術以其獨特的微通道結構，實現對傳質與傳熱過程的強化，大幅縮短了反應時間，提高了反應效率，同時顯著提高了體系溫度和濃度的均一性及可控性，極大緩解了局部過熱或反應物濃度過大的問題，降低了副反應的發生，提升了反應的本質安全。使用連續流微反應技術對各種有機反應進行優化已然成為新興有機合成的研究熱點[4-5]。筆者重點利用連續流微反應技術在傳質和傳熱方面的優勢，開發出一種條件溫和、反應效率高、轉化率高，適宜工業化生產的綠色合成三乙膦酸鋁新工藝（圖1）。

圖1 三乙膦酸鋁合成路線

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

SPD-20A型高效液相色譜儀，日本島津公司；ICS-1100型離子色譜儀，美國賽默飛世爾科技公司；BUCHI R-100型旋轉蒸發儀，瑞士步琦有限公司；SiC微通道反應器，法國康寧公司；JY1002型電子天平，上海浦春計量儀器有限公司；QHJ-256B型機械攪拌，常州澳華儀器有限公司；GG-17型四口燒瓶，四川蜀玻（集團）有限責任公司；HH-1型恒溫水浴鍋，常州澳華儀器設備有限公司；SHI-D（Ⅲ）真空泵，鞏義市予華儀器有限公司；DFY-5/40型低溫循環制冷機，上海予華儀器設備有限公司。

三氯化磷（純度99.0%），江蘇天源化工有限公司；無水乙醇（純度99.0%），新沂花廳酒廠；氨水（純度30.0%），新沂華陽金屬有限公司；硫酸鋁（純度99.0%），淄博光正鋁鹽化工公司。

1.2 實驗步驟

1.2.1 連續流微通道反應器中合成中間體1

將1 mol三氯化磷置于儲液瓶A中，3 mol無水乙醇置于儲液瓶B中。設置反應溫度為20℃，分別將A、B瓶中的物料按流速比1∶2泵入微通道反應器中，停留反應時間為2 s，收集液體產物，HPLC監控反應完全。液體產物經氣液分離，回收氯化氫和氯乙烷氣體，得到中間體1為136.8 g，純度為99.5%，收率為98.6%。

1.2.2 連續流微通道反應器中合成中間體2

將上一步得到的中間體1置于儲液瓶C中，1.03 mol的30%氨水置于儲液瓶D中。設置反應溫度為35℃，分別將C、D中的物料按流速比1∶1.06泵入微通道反應器中，停留反應時間為10 s，收集液體產物，HPLC監控反應完全。負壓回收乙醇，得到中間體2為125.7 g，純度為99.0%，收率為99.4%。

1.2.3 三乙膦酸鋁產品的合成

向中間體2中滴加濃硫酸調節pH至5.5，加入0.17 mol硫酸鋁，于80℃保溫反應1 h，降溫至20℃以下抽濾，濾餅淋洗、干燥后得三乙膦酸鋁為117.6 g，純度為98.8%，產品總收率為98.5%。

2 結果與分析

根據目前三乙膦酸鋁的合成工藝[1-3]和實驗室前期工作，在應用連續流微通道反應技術合成三乙膦酸鋁的過程中，筆者考察了反應停留時間、溫度對反應結果的影響，并優化了工藝條件。

2.1 反應停留時間的優化

2.1.1 中間體1反應停留時間的優化

微通道反應器反應區模塊數為6塊，反應區總體積為36 mL。儲液瓶A為11.45 mmol/L的三氯化磷，儲液瓶B為17.14 mmol/L的無水乙醇。A、B泵流速比設置為1∶2，分別泵入微通道反應器進行反應，反應溫度設為0℃[3]，停留時間分別設為2、4、6、8、10 s，研究停留時間對中間體1含量的影響。

從圖2可以看出，在微通道反應器中，三氯化磷和無水乙醇的反應速率大幅提高，數秒內即可完成反應。隨著反應停留時間的延長，中間體1的含量逐漸降低。因此，優選反應停留時間為2 s。

圖2 停留時間對中間體1含量的影響

2.1.2 中間體2反應停留時間的優化

微通道反應器反應區模塊數為8塊，反應區總體積為48 mL。儲液瓶C為7.76 mmol/L的中間體1，儲液瓶B為7.65 mmol/L的30%氨水。C、D泵流速比設置為1∶1.06，分別泵入微通道反應器進行反應，反應溫度設為50℃[4]，停留時間分別設為2、5、10、15、20 s，研究停留時間對中間體2轉化率的影響。

從圖3可以看出，在微通道反應器中，中間體2在10 s時轉化率即可達到100%，合成時間從6～9 h[3]縮短至秒級單位內，從生產效率和能耗角度考慮，中間體2的合成優選反應停留時間為10 s。

圖3 停留時間對中間2轉化率的影響

2.2 反應溫度的優化

分別采用2.1.1和2.1.2的微通道反應系統和優化的反應停留時間，研究了反應溫度對中間體1含量和中間體2轉化率的影響。表1可見，溫度低于20℃時，中間體1含量均大于99.5%；溫度高于30℃時，中間體1分解加快，含量降低，故優選反應溫度為20℃。

表1 反應溫度對中間體1含量的影響

從表2可以看出，合成中間體2時，反應溫度為35℃，中間體2轉化率可達100%。

表2 反應溫度對中間體2轉化率的影響

3 結 論

筆者采用連續流微反應技術，在反應溫度為20℃，反應停留時間2 s時合成中間體1；反應溫度為35℃，反應停留時間10 s時合成中間體2，經復分解反應得到三乙膦酸鋁，產品純度和收率均達到98%以上。連續流技術與傳統釜式間歇式反應相比，速度更快，轉化率更高，顯著降低了副反應的發生，同時提升了安全性，符合綠色化工的發展方向。