摘要：[目的]草铵膦合成的绿色工艺研究。[方法]以甲基亚磷酸二乙酯为原料，与丙烯醛反应生成1-二乙氧基-3-（乙氧基甲基膦酰基）丙烷，经稀酸水解得到3-（甲基羟基膦酰基）丙醛，再与碳酸氢铵及氢氰酸利用Bucherer-Bergs反应环合，经氧化钙水解，二氧化碳通入反应液去除钙离子得到草铵膦。[结果]水解反应的最佳条件：投料量摩尔比例n（甲基亚磷酸二乙酯）：n（氧化钙）：n（水）为1：2：35，反应温度140℃，反应时间10 h。[结论]草铵膦的总收率可达70%。该方法合成草铵膦的工艺后处理简单，反应生成的副产品碳酸钙可以焙烧处理后以氧化钙形式套用，同时生成的二氧化碳也可回收循环利用。该工艺避免了废固的产生，可实现草铵膦的绿色生产。
草铵膦（glufosinate）是赫斯特公司于20世纪80年代开发的有机磷类灭生性除草剂，主要用于防除多种一年生和多年生的禾本科草和阔叶草。其作用机制是抑制植物体内谷氨酰胺合成酶，导致植物氮代谢紊乱，使植物光合作用受到抑制，导致植物死亡。草铵膦药效只在子叶内传导，对植物根部没有作用，药害较小。土壤中的草铵膦通过微生物迅速降解，最终释放出二氧化碳，环境残留少。草铵膦具有除草活性高、药害低、残留低、除草谱广、安全性高等显著特点，目前已成为市场上主要的灭生性除草剂之一，2017年国内草铵膦原药需求达到1.5万吨。
现已报道的草铵膦合成方法有：盖布瑞尔（Gabriel）-丙二酸二乙酯合成法、Arbuzov合成法、高压催化合成法、低温定向合成法网、Strecker法、海因法、酮酸法等。目前工业上主要采用Strecker工艺合成草铵膦（图1）。
图1 Strecker反应路线合成草铵膦
该工艺以甲基亚磷酸二乙酯为原料，与丙烯醛反应生成1-二乙氧基-3-（乙氧基甲基膦酰基）丙烷，经稀酸水解得到3-（甲基羟基膦酰基）丙醛，再经氰胺化、酸水解和提纯结晶得到草铵膦铵盐。该方法工艺成熟，收率较高，但使用酸水解对设备防腐要求高，草铵膦的纯化工艺复杂，同时有大量的氯化钠、氯化铵盐产生。
海因法工艺，以甲基亚磷酸二乙酯、碳酸铵及氰化物为原料，利用Bucherer-Bergs环合反应环合得到取代的海因化合物，再用碱水解制备草铵膦。该方法对设备腐蚀小，使用氢氧化钡水解时后处理简单，但氢氧化钡价格高且毒性大，使用氢氧化钠水解时，后处理提纯过程复杂，同时有大量硫酸钠产生。
对海因水解工艺进行了研究，以海因衍生物为原料，经氧化钙水解后，通入二氧化碳去除钙盐，溶液脱水后直接用醇结晶得到草铵膦，碳酸钙经800℃焙烧后套用。该方法简化了除盐提纯过程，通过简单结晶就能得到高含量的草铵膦，同时产生的碳酸钙、二氧化碳可回收套用，避免了废固、废气的产生，实现了绿色生产（图2）。
图2 氧化钙水解合成草铵膦工艺路线
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
仪器：AVANCE III HD 500 MHz核磁共振仪，Agilentl260型液相色谱仪，箱式电阻炉。
试剂：海因衍生物（自制），其他试剂氧化钙、碳酸氢铵等为市售。
1.2 实验方法
1.2.1 海因衍生物的合成
在250 mL的四口瓶中加入甲基亚磷酸二乙酯71.6 g（含量95%）（0.5 mol），无水乙醇35 g（0.75 mol），并开启搅拌。取丙烯醛30 g（含量98%，0.525 mol）滴加到四口瓶内，控制滴加温度20～30℃，滴加完后升温至50℃～60℃保温1 h。保温完成后减压蒸馏，蒸出乙醇，加入1%含量的稀盐酸100 g，60℃搅拌1 h，减压蒸出反应生成的乙醇，得到无色3-（甲基羟基膦酰基）丙醛溶液。
取50%硫酸溶液51 g（0.26 mol）加入250 mL四口瓶，取24.5 g氰化钠配制成30%水溶液，加入滴液漏斗，60℃～80℃滴加到硫酸溶液中制备氢氰酸气体。
取以上制备的3-（甲基羟基膦酰基）丙醛溶液加入水90 g、碳酸氢铵47 g（0.6 mol），降温到10℃～20℃，吸收氢氰酸气体。吸收完成后转入高压釜，升温至80℃反应4 h，得到海因衍生物溶液。
1.2.2 草铵膦铵盐的合成
将上述海因衍生物溶液加入高压釜，加入氧化钙42 g（0.75 mol），加入水90 g，升温至140℃反应10 h，反应完成后通入二氧化碳气体至饱和，降温至50℃，过滤除去碳酸钙，检测溶液中草铵膦含量，计算收率（以甲基亚磷酸二乙酯计），溶液减压蒸干后用甲醇结晶得到草铵腾固体59 g，含量96%。
碳酸钙经800℃焙烧5 h后套用。
产品氢谱数据：1H NMR（500 MHz，D2O）δ：3.63～3.66（m，1H，-CH-），1.91～1.94（m，2H，-CH2-），1.40～1.52（m，2H，-CH2-），1.10（d，3H，-CH3）。
产品碳谱数据：13C NMR（100 MHz，D20）δ：174.1，55.2，26.5，24.1，15.4。
2 结果与讨论
海因衍生物用氧化钙水解，氧化钙先与水反应生成氢氧化钙，由于氢氧化钙溶解度小，碱性弱，常压下回流反应20 h，水解收率只有20%左右（以甲基亚膦酸二乙酯计）。升高反应温度，加压反应后收率明显提高。因为碳酸钙在水中的溶解度极小，为0.0038 g/100 g，通过通入二氧化碳除钙盐后，得到草铵膦含量可以达到96%以上。
试验重点对水解的反应条件进行了优化，考察了反应温度、时间、氧化钙的量、水量对草铵膦收率的影响，开展了4因素3水平的正交试验，并进行统计及分析（表1）。
表1 水解反应正交试验统计及分析
通过正交试验极差分析，可以看出温度和时间是水解反应的主要影响因素，氧化钙的量和水量影响较小。筛选出最优的反应条件：反应温度为160℃，反应时间为15 h，氧化钙的量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的2.5倍，水量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的45倍。在此基础上进一步进行了单一因素影响试验。
2.1 氧化钙用量对水解收率的影响
氧化钙的用量对水解反应收率影响较小，海因衍生物水解生成碳酸氢铵和草铵膦，碳酸氢铵进一步与氢氧化钙反应产生碳酸钙，因此氧化钙的用量应大于碳酸氢铵的量（碳酸氢铵用量为甲基亚磷酸二乙酯的1.5倍），过量的氧化钙，需要在反应结束后通入二氧化碳以碳酸钙的形式过滤去除，因此加入2倍摩尔量的氧化钙是经济合理的。
2.2 反应温度对水解收率的影响
以正交试验确定的最佳条件进行试验，反应时间为15 h，氧化钙的量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的2倍，水量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的45倍。进行不同温度实验，反应结束后过滤，检测草铵膦含量，计算收率，得到温度与收率关系（图3）。
图3 不同反应温度与收率的关系曲线
随着反应温度提高，草铵膦收率不断增大，当反应温度提高至140℃，收率达到最高，为69.0%，继续提高温度，收率基本不变。因此，确定适宜的反应温度为140℃（图3）。
2.3 反应时间对水解收率的影响
以正交试验及单一因素试验确定条件，反应温度为140℃，氧化钙的量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的2倍，水量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的45倍。通过取料口在不同时间取样，过滤，检测草铵膦含量，计算收率，得到时间与收率关系（图4）。
图4 反应时间对水解收率的影响
反应时间在9 h以后收率达到最高，且随时间的延长，收率保持稳定，确定反应时间为10h是经济合理的（图4）。
2.4 水的用量对水解收率的影响
以正交试验及单一因素试验确定的条件进行试验，反应温度为140℃，氧化钙的量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的2倍，加入不同倍数的水量进行反应10 h，反应完成后滤出固体，检测溶液中草铵膦含量，计算收率（表2）。
表2 水的用量对水解收率的影响
水加入量对反应收率的影响较小，水量较低时反应体系含固量较大，搅拌不均匀，收率降低，同时转料、过滤等操作困难，水量在35倍以上时，收率基本稳定。水量过大，造成溶液中残留碳酸钙增多，因此采用35倍水较为合理，所得原药中钙的残留量极低，不影响原药溶液的澄清度（表2）。
2.5 碳酸钙焙烧温度的选择
碳酸钙的分解温度900℃左右，草铵膦水解后过滤出碳酸钙，110℃烘干除去水分，再用电阻炉不同温度焙烧5h，检测氧化钙含量（表3）。
表3 碳酸钙焙烧成氧化钙试验数据
碳酸钙在800℃以下很难完全分解成氧化钙，800℃以上分解较快，焙烧5 h，氧化钙含量达到99%以上，可以实现碳酸钙的循环利用。工业生产过程中，在焙烧碳酸钙的过程中，可以回收二氧化碳以达到循环利用（表3）。
3 结论
通过实验确定了一种合成草铵膦的绿色工艺，以海因衍生物为原料，经氧化钙水解，二氧化碳除钙盐，溶液蒸除水后甲醇结晶得到草铵膦。确定了水解反应最适宜的条件：温度140℃，反应时间10h，氧化钙的量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的2倍，水量为甲基亚磷酸二乙酯摩尔量的35倍，收率达到70%。
该方法草铵膦后处理提纯过程简单，直接结晶就可以得到96%以上含量的草铵膦原药，反应生成的碳酸钙可以焙烧处理后以氧化钙形式套用，同时生产的二氧化碳也可回收循环利用。该工艺避免了废固的产生，实现了草铵膦的绿色生产。
|
