異氰酸環(huán)己酯合成工藝條件優(yōu)化

鄧勝吉

（江蘇藍豐生物化工股份有限公司，江蘇 新沂 221400）

1 異氰酸環(huán)己酯合成實驗的提出背景和異氰酸環(huán)己酯反應機理

1.1 實驗的提出背景

光氣作為一種重要的化工原料，被廣泛應用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、高分子材料、聚氨酯等領域[1-3]。在農(nóng)藥生產(chǎn)過程中，可用于制備氯甲酸乙酯、異氰酸環(huán)己酯等化工中間體，但由于其毒性大、沸點低、易揮發(fā)等原因，導致在使用、運輸和貯存過程中存在極大的危險性，并且在工業(yè)使用過程中，不易定量控制，從而導致過量的光氣需通過堿洗或氨處理，增加了“三廢”的處理成本[4-5]，因此，工業(yè)上及實驗室中一直都在避免走光氣路線，開發(fā)生產(chǎn)光氣的安全替代品成為了熱門課題。

固體光氣，又名三光氣，化學名稱為二（三氯甲基）碳酸酯，簡稱BTC，是一種穩(wěn)定的固體結(jié)晶化合物，相較于光氣具有優(yōu)越的安全無毒性、便于使用、運輸和貯藏[6]。近年來，BTC 作為新型的化工原料已被廣泛應用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、聚氨酯等新型材料等行業(yè)中[7-8]。

異氰酸環(huán)己酯作為化工的重要中間體，在農(nóng)藥、醫(yī)藥等領域都有廣泛的應用，如農(nóng)藥除草劑環(huán)嗪酮等[9-11]。傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝以環(huán)己胺為原料直接與光氣反應，但反應過程中需通入過量光氣，這樣不僅造成光氣利用率低，且容易造成較多的副反應，這樣既不利于后續(xù)處理，又增加了較多的固廢，增加了企業(yè)的處理成本。鑒于上述光氣反應存在的缺陷，本文選用固體光氣為原料合成異氰酸環(huán)己酯，并通過實驗確定反應的最佳工藝。

1.2 異氰酸環(huán)己酯反應機理

脂肪族胺基類化合物的異氰酸酯因具有較高的反應活性，導致在反應過程中易與異氰酸反應生成脲，造成產(chǎn)品雜質(zhì)偏高，收率降低，為解決雜質(zhì)脲的生成，在反應過程中通常先將其制備成鹽酸鹽來降低反應活性，阻止脲的生成。

2 實驗部分

2.1 實驗試劑

甲苯、氯苯、鄰二氯苯、環(huán)己胺，藍豐生化有限公司；固光，湖北惠擇普醫(yī)藥科技有限公司；三氯氧磷，山東旭晨化工科技有限公司。

2.2 合成方法

2.2.1 發(fā)酸、成鹽

在裝有冷凝器、滴液漏斗的四口瓶中加入200 mL水溶液，開啟攪拌，開啟加熱，當溫度升至50 ℃時，緩慢滴加含有三氯氧磷的滴液漏斗，將產(chǎn)生的鹽酸經(jīng)濃硫酸干燥后通入含有溶劑、環(huán)己胺的四口瓶中，成鹽，保持溫度＜65 ℃，待pH=1～2 時，停止通鹽酸氣，成鹽結(jié)束。

2.2.2 通光、趕光

稱取一定量的固光，加入含有溶劑的燒杯中，攪拌，使其完全溶解[固光量（g）∶溶劑用量（mL）=1∶3]后，開啟成鹽裝置，緩慢滴加上述配好的溶液，溫度控制在100～110 ℃，直至四口瓶中溶液澄清為止；打開N2鋼瓶，將N2緩慢通過通光結(jié)束的四口瓶中，開始趕光，待取樣分析酸度≤0.1%時，停止趕光。

2.2.3 精餾

在裝有精餾塔的四口瓶中加入沸石，開啟真空，待真空達到750 mmHg 后，利用真空將2.2.2 中溶液抽入瓶內(nèi)，開啟冷卻循環(huán)液、真空泵、加熱套開始精餾，待塔頂溫度上升至不變，回流10 min，收溶劑，當塔頂溫度開始上升停止收溶劑，并將接收瓶切換為餾分接收瓶，待塔頂溫度保持不變時，切換接收瓶，開始收集成品。

3 結(jié)果與討論

3.1 不同溶劑對通光時間、固光量的影響

考慮到固光在不同溶劑中具有不同的溶解度，而溶解度的大小對反應時間、反應速率存在密切的聯(lián)系，通過查閱文獻，本實驗研究了以甲苯、鄰二氯苯、氯苯為溶劑時，對合成反應時間、收率的影響。

從表1 可以看出，固光量相同時，不同溶劑反應所需的時間為：氯苯＜鄰二氯苯＜甲苯，主要原因是因為固光在三種溶解中的溶解度不同所致；對同一溶劑來說，隨著固光量的不斷增加，反應所需的時間基本不變，這時可能反應已達終點。從表2 看出，對同一溶劑而言，隨著固光量的不斷增加，反應最終達到終點時，收率相差不大。綜合表1、表2 可以看出，溶劑為氯苯時，反應達到終點所需的時間較短，同時用光量也少，對工業(yè)化生產(chǎn)來說，產(chǎn)品的能耗、原料的消耗對產(chǎn)品的成本有著密切的聯(lián)系，因此，從企業(yè)競爭的優(yōu)勢出發(fā)，本實驗優(yōu)先選用氯苯為溶劑。

表1 不同溶劑對通光時間、固光量的影響

表2 不同溶劑對收率的影響

3.2 固光量對產(chǎn)品含量、收率的影響

以氯苯為溶劑，通過逐步加大固光的量，研究固光量對產(chǎn)品含量、收率的影響。

從表3 可以看出，隨著固光量的不斷增加，反應通光時間縮短，收率提高，當固光量大于180 g 時，產(chǎn)品的收率變化不大，考慮到過量固光不僅增加許多副反應，同時也增加產(chǎn)品的“三廢”，不利于工業(yè)化生產(chǎn)，本實驗方案選取通光量為180 g，即n（固光量）∶n（環(huán)己胺）=1∶2.73。

表3 固光量對產(chǎn)品含量、收率的影響

3.3 氯苯溶劑量對產(chǎn)品影響

從溶劑單耗的角度出發(fā)，在環(huán)己胺、固光量一定的情況下，逐步減少反應的溶劑，研究溶劑量與產(chǎn)品含量、收率及反應難以程度。

從表4 可以看出，1—3#隨著溶劑氯苯的不斷減少，對反應時間、含量及產(chǎn)品收率影響均不大；當溶劑量減少至1 200 mL 時，對反應的攪拌狀態(tài)有明顯變化，當溶劑量降至1 100 mL 時，攪拌基本攪不動，因此，從溶劑單耗、攪拌難易程度來看，氯苯溶劑量選用1 300 mL，即環(huán)己胺量（g）∶氯苯用量（mL）=1∶8。

表4 氯苯溶劑量對產(chǎn)品影響

4 結(jié)論

通過上述實驗，確定了以固光代替光氣合成異氰酸環(huán)己酯的最佳工藝條件：氯苯為溶劑，n（固光量）∶n（環(huán)己胺）=1∶2.73，環(huán)己胺量（g）∶氯苯用量（mL）=1∶8 時，有利于工業(yè)化生產(chǎn)。