敵草快的微反應(yīng)器連續(xù)化合成

韋永飛，黃永升，王長(zhǎng)才，方紅新

（安徽國(guó)星生物化學(xué)有限公司，安徽省雜環(huán)化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，安徽馬鞍山243100）

敵草快（diquat）的化學(xué)名稱(chēng)為 1，1'- 乙撐 -2，2'- 聯(lián)吡啶二鎓鹽，是一種重要的吡啶類(lèi)除草劑，其純品為無(wú)色至淡黃色結(jié)晶，由瑞士先正達(dá)公司開(kāi)發(fā)，往往以二溴鹽的單水化合物形式存在，其化學(xué)結(jié)構(gòu)式為：

近年來(lái)，隨著百草枯和草甘膦市場(chǎng)的下滑，敵草快市場(chǎng)日益受到世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)敵草快的生產(chǎn)方法主要是以2，2'-聯(lián)吡啶和二溴乙烷在釜式間歇反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行環(huán)合反應(yīng)，該工藝單程轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，單釜利用率低，反應(yīng)效率低。

圖1 2，2'-聯(lián)吡啶和1，2-二溴乙烷環(huán)合反應(yīng)制備敵草快Fig.1 Synthesis of diquat from 2，2'-bipyridyl and 1，2-dibromoethane by cyclization

該方法[1]是以2，2'-聯(lián)吡啶和二溴乙烷為原料，在常規(guī)的釜式反應(yīng)器中直接進(jìn)行常壓環(huán)合反應(yīng)。原料在反應(yīng)釜中反應(yīng)速率低，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，回流10～20 h敵草快產(chǎn)率僅60%左右；且常壓下反應(yīng)液長(zhǎng)期處于近沸點(diǎn)條件下回流操作，能耗高，且存在一定的安全隱患[2-3]。

為了對(duì)傳統(tǒng)工藝進(jìn)行連續(xù)化改造，在前人研究的基礎(chǔ)上，作者采用G1型微反應(yīng)器為實(shí)驗(yàn)裝備[5-7]，以2，2'-聯(lián)吡啶和二溴乙烷為原料直接環(huán)合，另一方面采用熱水萃取生成的敵草快固體直接制得敵草快水劑，并研究其連續(xù)化新工藝?？疾榉磻?yīng)溫度、物料摩爾比、萃取劑水量、停留時(shí)間等因素對(duì)2，2'-聯(lián)吡啶轉(zhuǎn)化率及敵草快收率的影響，優(yōu)化工藝參數(shù)，以獲得最佳的合成條件，為后續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：2，2'-聯(lián)吡啶（98%，南京生物化學(xué)有限公司）；1，2-二溴乙烷（99%，成都科龍化工）；其余藥品為 AR級(jí)試劑。

儀器：G1微反應(yīng)器（美國(guó)Corning公司）；ALC210.4分析天平（德國(guó)sartorius）;高壓計(jì)量泵（江蘇hanbon科技公司）;HC-G1-B冷熱一體機(jī)（無(wú)錫冠亞）;GC-2014氣相色譜儀（日本島津）;LC-16液相色譜儀（日本島津）;SHZ-3型水循環(huán)真空泵（河南鞏義市予華儀器設(shè)備有限公司）;RV10數(shù)顯型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀（德國(guó)IKA）。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程以氣相色譜檢測(cè)，色譜條件為:DB-5毛細(xì)管柱，檢測(cè)器溫度260℃；進(jìn)樣器溫度260℃；柱溫180℃（恒溫）。

1.2 敵草快的合成

以2，2'-聯(lián)吡啶和二溴乙烷為原料直接進(jìn)行高壓環(huán)合反應(yīng)生成敵草快。按圖2將微反應(yīng)器模塊串聯(lián)連接后，將配置好的2，2-聯(lián)吡啶-二溴乙烷溶液和水相分別和計(jì)量泵相連并接于微反應(yīng)器上。先從旁路通入空氣進(jìn)反應(yīng)器后備壓至1.5 MPa，系統(tǒng)緩慢升溫至設(shè)定溫度，分別同時(shí)按比例泵入反應(yīng)液和萃取劑到微反應(yīng)器第一個(gè)模塊中開(kāi)始預(yù)熱并發(fā)生環(huán)合反應(yīng)生成的敵草快固體迅速被水相溶解，直至最后一個(gè)模塊反應(yīng)結(jié)束。反應(yīng)液分別經(jīng)過(guò)背壓閥，冷凝器收集。

圖2 G1敵草快微反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.2 Process of micro-channel reaction

通過(guò)分別調(diào)節(jié)原料的進(jìn)料流速來(lái)控制物料反應(yīng)的摩爾比和反應(yīng)的停留時(shí)間。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后收集出料液，靜置分層，分別取上層樣品HPLC分析、下層樣品GC分析。

2 結(jié)果與討論

在G1型微反應(yīng)器中由2，2'-聯(lián)吡啶和二溴乙烷連續(xù)化環(huán)合合成敵草快，分別考查了反應(yīng)溫度、物料摩爾比、萃取劑水量、停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響并優(yōu)化。

2，2'-聯(lián)吡啶和二溴乙烷的反應(yīng)為反應(yīng)速率控制的環(huán)合反應(yīng)，在常規(guī)釜式反應(yīng)器中通常采用常壓近沸點(diǎn)條件進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)速率低，反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。因此，本文在前人工作的基礎(chǔ)上通過(guò)改變反應(yīng)壓力來(lái)提高反應(yīng)物料的沸點(diǎn)。使用的G1微反應(yīng)器具備較大的比傳熱面積，能夠?qū)崿F(xiàn)物料的快速換熱并迅速反應(yīng)產(chǎn)生敵草快固體。G1微反應(yīng)器實(shí)際操作所容許的固含量不得高于10%，因此，在實(shí)際操作過(guò)程中以水為萃取劑對(duì)敵草快固體進(jìn)行高效混合、溶解。

2.1 溫度對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響

在壓力 1.5 MPa，n（2，2'- 聯(lián)吡啶）∶n（二溴乙烷）=1∶3，m（2，2'- 聯(lián)吡啶）∶m（水）=1∶3，反應(yīng)物料停留時(shí)間為8 min的條件下，考查反應(yīng)溫度（140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃）對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可見(jiàn)，隨著反應(yīng)溫度的升高，2，2'-聯(lián)吡啶的轉(zhuǎn)化率迅速提高，產(chǎn)物敵草快的選擇性幾乎保持99%以上。140℃時(shí)2，2'-聯(lián)吡啶的轉(zhuǎn)化率不到5%，體系中反應(yīng)溫度較低，未達(dá)到最佳環(huán)合溫度，物料的環(huán)合速率低；190℃時(shí)反應(yīng)速率迅速增加，2，2'-聯(lián)吡啶的轉(zhuǎn)化率達(dá)到80%，產(chǎn)品中幾乎無(wú)副產(chǎn)物的生成?？紤]到反應(yīng)溫度越高，二溴乙烷和敵草快會(huì)有分解的風(fēng)險(xiǎn)，且會(huì)產(chǎn)生多聯(lián)吡啶雜質(zhì)；加之微通道反應(yīng)器的耐壓性能，綜合考慮選擇反應(yīng)溫度為190℃。

圖3 溫度對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響Fig.3 Effects of temperature on cyclization reaction

2.2 物料摩爾配比對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響

在溫度 190℃，壓力 1.5 MPa，m（2，2'- 聯(lián)吡啶）∶m（水）=1∶3，反應(yīng)物料停留時(shí)間為8 min的條件下，考查物料摩爾配比對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 物料配比對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響Fig.4 Effects of material molar ratio on cyclization reaction

由圖4可知，隨著二溴乙烷用量的增加，環(huán)合反應(yīng)能力增強(qiáng)。當(dāng)n（二溴乙烷）∶n（2，2'-聯(lián)吡啶）=1∶1時(shí)，2，2'-聯(lián)吡啶的轉(zhuǎn)化率僅60%不到；隨著二溴乙烷用量不斷增加，2，2'-聯(lián)吡啶轉(zhuǎn)化率可達(dá)到90%以上。提高原料中二溴乙烷的摩爾比可以促進(jìn)2，2'-聯(lián)吡啶的轉(zhuǎn)化，但過(guò)高的二溴乙烷一方面降低了2，2'-聯(lián)吡啶的濃度；另一方面降低了2，2'-聯(lián)吡啶的通量，并增加二溴乙烷循環(huán)量，增大能耗，不利于工業(yè)化方案的實(shí)施。綜合考慮，優(yōu)化的原料摩爾比為 n（2，2'-聯(lián)吡啶）∶n（二溴乙烷）=1∶3。

2.3 萃取劑對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響

在溫度190℃，壓力 1.5 MPa，n（2，2'-聯(lián)吡啶）∶n（二溴乙烷）=1∶3，反應(yīng)物料停留時(shí)間為8 min的條件下，考查萃取劑水用量對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

2，2'-聯(lián)吡啶和二溴乙烷的環(huán)合反應(yīng)中，水的加入一方面可防止生成的敵草快固體堵塞反應(yīng)器導(dǎo)致微反應(yīng)器玻璃的破碎；另一方面可以對(duì)二溴乙烷中的少量敵草快進(jìn)行萃取，促進(jìn)環(huán)合反應(yīng)的進(jìn)行。因此，水的最少加入量是保證產(chǎn)生的敵草快固體被全部溶解。由圖5可知：隨著水用量的增加，環(huán)合反應(yīng)能力幾乎無(wú)太大變化。當(dāng)m（2，2'-聯(lián)吡啶）∶m（水）=1∶3時(shí)，既可以保證生成的敵草快固體被全部溶解，也能保持出料反應(yīng)液上層水相敵草快母液含量達(dá)到40%以上。因此，優(yōu)化的原料摩爾比為 m（2，2'- 聯(lián)吡啶）∶m（水）=1∶3。

圖5 萃取劑用量對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響Fig.5 Effects of extraction dose on cyclization reaction

2.4 停留時(shí)間對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響

在溫度190℃，壓力 1.5 MPa，n（2，2'-聯(lián)吡啶）∶n（二溴乙烷）=1∶3，m（2，2'-聯(lián)吡啶）∶m（水）=1∶3的條件下，考查反應(yīng)物料停留時(shí)間對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 停留時(shí)間對(duì)環(huán)合反應(yīng)的影響Fig.6 Effects of residence time on cyclization reaction

2，2'-聯(lián)吡啶和二溴乙烷的反應(yīng)是反應(yīng)速率控制的環(huán)合反應(yīng)，因此，在反應(yīng)釜的基礎(chǔ)上提高2，2'-聯(lián)吡啶的轉(zhuǎn)化率除了提高反應(yīng)溫度外，另一個(gè)重要的參數(shù)就是延長(zhǎng)反應(yīng)液在環(huán)合溫度下的停留時(shí)間。由圖6可見(jiàn)：在停留時(shí)間2 min時(shí)，2，2'-聯(lián)吡啶的轉(zhuǎn)化率僅14.13%，隨著停留時(shí)間的延長(zhǎng)，2，2'-聯(lián)吡啶的轉(zhuǎn)化率迅速提高并趨于平衡，停留時(shí)間20 min以上時(shí)，2，2'-聯(lián)吡啶的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到90%以上，且環(huán)合反應(yīng)幾乎無(wú)副反應(yīng)發(fā)生。然而過(guò)長(zhǎng)的停留時(shí)間會(huì)大大縮短工業(yè)化生產(chǎn)效率，因此，綜合考慮優(yōu)化的停留時(shí)間為8 min。

2.5 微通道反應(yīng)器的優(yōu)勢(shì)

目前敵草快的合成工藝采用釜式間歇式環(huán)合反應(yīng)，反應(yīng)10～20 h轉(zhuǎn)化率僅60%左右。單程轉(zhuǎn)化率低，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，單釜利用率低，反應(yīng)效率低。而本課題采用的微通道反應(yīng)器，在高溫高壓條件下連續(xù)進(jìn)出料，這不僅實(shí)現(xiàn)了在超過(guò)釜式60%轉(zhuǎn)化率前提下使得環(huán)合時(shí)間由釜式反應(yīng)的10 h降低至連續(xù)反應(yīng)的8 min以?xún)?nèi)，極大提高合成敵草快速率，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了敵草快在微通道反應(yīng)器中的連續(xù)合成、萃取操作，極大地簡(jiǎn)化了工藝流程。該工藝實(shí)現(xiàn)了連續(xù)進(jìn)出料，且出料組分穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單。

3 結(jié)論

（1）以2，2'-聯(lián)吡啶和二溴乙烷為原料，在G1微反應(yīng)器中研究了除草劑敵草快的連續(xù)化合成工藝實(shí)驗(yàn)，為該技術(shù)間歇生產(chǎn)的連續(xù)化改進(jìn)及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

（2）對(duì)在G1微反應(yīng)器中連續(xù)合成敵草快工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，采用在溫度 190℃，壓力 1.5 MPa，n（2，2'-聯(lián)吡啶）∶n（二溴乙烷）=1∶3，m（2，2'-聯(lián)吡啶）∶m（水）=1∶3，反應(yīng)物料停留時(shí)間為8 min的反應(yīng)條件下反應(yīng)，產(chǎn)物敵草快粗品收率達(dá)80%左右，選擇性達(dá)99%以上。