甲基亞磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯在微反應(yīng)器中加成反應(yīng)研究

張先龍，史玉龍，李 寧，劉典典

（安徽國星生物化學(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）

3-（甲基甲氧基膦?；┍峒柞ナ且环N重要的有機(jī)農(nóng)藥合成中間體，其最重要的用途是用于下游產(chǎn)品L-草銨膦的合成。該產(chǎn)品的合成方法國內(nèi)外均有報(bào)道。本文針對(duì)該反應(yīng)的強(qiáng)放熱特性，采用微反應(yīng)器進(jìn)行連續(xù)化加成的模擬，并對(duì)該過程的連續(xù)化反應(yīng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于連續(xù)化反應(yīng)的需要，在工藝開發(fā)設(shè)計(jì)過程中，對(duì)該工藝的動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性模擬研究，優(yōu)化工藝參數(shù)，以獲得最佳的合成條件，為其后續(xù)的實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

甲基亞磷酸二乙酯，99.5%，湖北洪湖一泰有限公司；丙烯酸甲酯，99.5%，成都科龍化工；其余藥品為AR級(jí)試劑。

G1 微反應(yīng)器（美國Corning 公司）；ALC210.4 分析天平（德國sartorius）；高壓計(jì)量泵（江蘇hanbon 科技公司）；HC-G1-B 冷熱一體機(jī)（無錫冠亞）；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IKA）。

實(shí)驗(yàn)過程以氣相色譜檢測，色譜條件為:SE-30 毛細(xì)管柱，檢測器溫度：260℃；進(jìn)樣器溫度：260℃；柱溫：180℃恒溫。

1.2 3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯的合成

圖1 G1 微反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)流程

以甲基亞磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯為原料，甲醇為溶劑在微反應(yīng)器中直接進(jìn)行高壓邁克爾加成反應(yīng)生成3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯。按圖1 將微反應(yīng)器模塊串聯(lián)連接后，將配制好的丙烯酸甲酯-甲醇溶液和甲基亞磷酸二乙酯分別和計(jì)量泵相連并接于微反應(yīng)器上。先同時(shí)按比例進(jìn)樣后調(diào)節(jié)背壓閥至反應(yīng)器一定壓力后，系統(tǒng)逐漸升至設(shè)定溫度，原料甲基亞磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯在甲醇環(huán)境中，在微反應(yīng)器第一個(gè)模塊中開始預(yù)熱，發(fā)生加成反應(yīng)并生成產(chǎn)物3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯，并與甲醇溶劑混溶，直至最后一個(gè)模塊反應(yīng)結(jié)束；反應(yīng)液分別經(jīng)過背壓閥、冷凝器收集。

通過分別調(diào)節(jié)原料的進(jìn)料流速來控制物料反應(yīng)的摩爾比和反應(yīng)停留時(shí)間。待系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后收集出料液，GC 檢測反應(yīng)液中原料和產(chǎn)物組分，并計(jì)算產(chǎn)品收率。

2 結(jié)果與討論

甲基亞磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯的加成反應(yīng)為均相反應(yīng)，放熱量大，在常規(guī)釜式反應(yīng)器中通常采用滴加的方式間歇操作，反應(yīng)速率低，反應(yīng)時(shí)間過長，控溫難。因此，本文擬改變反應(yīng)壓力以提高反應(yīng)物料沸點(diǎn)，以提高加成反應(yīng)速率。微通道反應(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)生成產(chǎn)物。

本研究分別考查了反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力、物料摩爾比、溶劑用量、停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響并優(yōu)化。

2.1 溫度對(duì)加成反應(yīng)影響

n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=1.05∶1，n（甲醇）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=6∶1，壓力1 MPa，反應(yīng)物料停留時(shí)間為110 s 的條件下，考查反應(yīng)溫度對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 溫度對(duì)加成反應(yīng)的影響

由表1 可見：隨著反應(yīng)溫度的升高，甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率迅速提高，產(chǎn)物3-（甲基甲氧基膦?；┍峒柞サ倪x擇性均高于96%。40℃時(shí)甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率僅為22.4%，體系中反應(yīng)溫度較低，原料在該溫度下的加成反應(yīng)速率很低；60℃時(shí)反應(yīng)速率迅速增加，至120℃時(shí)原料甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率達(dá)到99%以上，產(chǎn)品中幾乎無副產(chǎn)物?？紤]到反應(yīng)溫度越高，能耗越高，且產(chǎn)物有高溫分解的潛在風(fēng)險(xiǎn)，因此，該反應(yīng)的優(yōu)化反應(yīng)溫度為120℃時(shí)，原料轉(zhuǎn)化率99.7%。

2.2 壓力對(duì)加成反應(yīng)影響

在溫度60℃，n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=1.05∶1，n（甲醇）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=6∶1,反應(yīng)物料停留時(shí)間110 s,考查反應(yīng)壓力對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見表2。

表2 壓力對(duì)加成反應(yīng)的影響

由表2 可見：隨著反應(yīng)壓力的增大，甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率增加非常明顯，產(chǎn)物3-（甲基甲氧基膦?；┍峒柞サ倪x擇性仍在范圍內(nèi)波動(dòng)。常壓下甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率僅為13.7%，原料加成反應(yīng)速率非常慢；0.2 MPa 時(shí)反應(yīng)速率即有明顯提高，待壓力為0.8 MPa 時(shí)，原料甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率即達(dá)到76%以上，產(chǎn)物選擇性達(dá)到96%左右。考慮到反應(yīng)壓力對(duì)能耗的影響較低，僅僅是對(duì)設(shè)備的要求增加，因此，為確保原料甲基亞磷酸二乙酯幾乎完全反應(yīng)（提高原材料利用率，減少原料甲基亞磷酸二乙酯揮發(fā)對(duì)大氣環(huán)境的污染），優(yōu)化的反應(yīng)壓力為1 MPa，轉(zhuǎn)化率為82.7%（考慮到低壓高溫條件下溶劑的氣化問題，此處未進(jìn)行65℃以上的常壓加成反應(yīng)，后期可在此壓力基礎(chǔ)上進(jìn)行溫度的提高來驗(yàn)證原料的轉(zhuǎn)化率情況）。

2.3 物料摩爾配比對(duì)加成反應(yīng)影響

在溫度120℃，壓力1 MPa，n（甲醇）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=6∶1，反應(yīng)物料停留時(shí)間為110 s，考查n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見表3。

表3 物料配比對(duì)加成反應(yīng)的影響

由表3 可知：隨著丙烯酸甲酯用量的增加，原料甲基亞磷酸二乙酯接觸丙烯酸甲酯的幾率增大，原料轉(zhuǎn)化反應(yīng)能力增強(qiáng)。當(dāng)n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=1∶1 時(shí)，甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率約96%；隨著丙烯酸甲酯用量的不斷增加，甲基亞磷酸二乙酯轉(zhuǎn)化率可逐漸增大至99.7%以上。提高原料中丙烯酸甲酯的摩爾比可以促進(jìn)甲基亞磷酸二乙酯的完全轉(zhuǎn)化，但過高的丙烯酸甲酯會(huì)帶來反應(yīng)液中雜質(zhì)的增加以及成本的增大，不利于工業(yè)化。綜合考慮，優(yōu)化的原料摩爾比為n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=1.05∶1。

2.4 溶劑對(duì)加成反應(yīng)的影響

在溫度60℃，壓力1 MPa，n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=1.05∶1，反應(yīng)物料停留時(shí)間為110 s 的條件下，考查n（甲醇）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見表4。

表4 溶劑用量對(duì)加成反應(yīng)的影響

由表4 可知：甲醇的存在不僅是作為該反應(yīng)體系的溶劑起稀釋作用，還起到為邁克爾加成反應(yīng)提供質(zhì)子氫的作用。當(dāng)甲醇為當(dāng)量添加時(shí)，邁克爾加成反應(yīng)結(jié)束后無法輕易地就近得到甲醇的質(zhì)子氫從而發(fā)生副反應(yīng)，影響產(chǎn)物的生成，選擇性低。當(dāng)溶劑用量不斷增加時(shí)，邁克爾加成中間產(chǎn)物很容易得到就近的甲醇質(zhì)子氫從而生成產(chǎn)物。而隨著甲醇的進(jìn)一步增多，原料在溶劑中的濃度降低，溶劑效應(yīng)增強(qiáng)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率減小。因此，綜合考慮優(yōu)化的n（甲醇）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）為6∶1。

2.5 停留時(shí)間對(duì)加成反應(yīng)影響

在溫度60℃，壓力1 MPa，n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=1.05∶1；n（甲醇）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=6∶1 的條件下，考查反應(yīng)物料停留時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見表5。

表5 停留時(shí)間對(duì)加成反應(yīng)的影響

甲基亞磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯的加成反應(yīng)是均相連續(xù)化反應(yīng)，因此，在反應(yīng)釜的基礎(chǔ)上提高甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率除了提高反應(yīng)溫度、反應(yīng)壓力外，另一個(gè)重要的參數(shù)就是延長反應(yīng)液在加成溫度下的停留時(shí)間。由表5 可見：在停留時(shí)間30 s 時(shí)，甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率為48.1%；隨著停留時(shí)間的延長，甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率迅速提高并趨于平衡；停留時(shí)間120 s 以上時(shí)，甲基亞磷酸二乙酯的轉(zhuǎn)化率可達(dá)到99.5%以上，且加成反應(yīng)過程中幾乎無副反應(yīng)發(fā)生。因此，綜合考慮優(yōu)化的停留時(shí)間為120 s。

3 結(jié)論

（1）以甲基亞磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯為原料，在微通道反應(yīng)器中研究了除草劑L-草銨膦中間體3-（甲基甲氧基膦?；┍峒柞サ倪B續(xù)化合成工藝，為該技術(shù)間歇生產(chǎn)的連續(xù)化改進(jìn)及應(yīng)用提供了參考。

（2）優(yōu)化了微通道反應(yīng)器中連續(xù)合成L-草銨膦中間體3-（甲基甲氧基膦?；┍峒柞サ墓に嚄l件：溫度120℃，壓力1 MPa，n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=1.05∶1，n（甲醇）∶n（甲基亞磷酸二乙酯）=6∶1，反應(yīng)物料停留時(shí)間為120 s，原料甲基亞磷酸二乙酯轉(zhuǎn)化率99.5%以上，產(chǎn)物3-（甲基甲氧基膦?；┍峒柞サ倪x擇性96%以上。