李 發(fā)，吳金華

(神華工程技術(shù)有限公司 安徽分公司，安徽 合肥 230009)

擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)農(nóng)藥(pyrethroid)是一種高效的、低毒、低殘留、易于降解的殺蟲(chóng)劑[1]，但作為新型高效的仿生殺蟲(chóng)劑，具有殺蟲(chóng)譜廣、高效、并且對(duì)環(huán)境友好、低殘留、安全等特點(diǎn)，還可廣泛用于棉花、果木、茶山、菜園等，已被國(guó)家列入替代高毒農(nóng)藥的理想品種，其發(fā)展趨勢(shì)前景非常廣闊。

擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)殺蟲(chóng)劑一直占據(jù)著全球殺蟲(chóng)劑市場(chǎng)的重要位置，2010-2014年擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)殺蟲(chóng)劑在殺蟲(chóng)劑全世界銷(xiāo)售額中排名均在前兩位，2009年排名前3位[1]。2008-2014年殺蟲(chóng)劑全世界銷(xiāo)售額前15位的品種中有4個(gè)擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)殺蟲(chóng)劑，分別為高效氯氟氰菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、聯(lián)苯菊酯[1]。

擬除蟲(chóng)菊酯系列產(chǎn)品, 屬高效、安全、并且是環(huán)境友好的農(nóng)藥新品種，是《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2019年本)》(2019年10月30日國(guó)家發(fā)展改革委第29號(hào)令)鼓勵(lì)類(lèi)項(xiàng)目。符合國(guó)家的產(chǎn)業(yè)政策。

1 產(chǎn)品性質(zhì)及用途

擬除蟲(chóng)菊酯殺蟲(chóng)劑剛開(kāi)始就是對(duì)天然植物中除蟲(chóng)菊素的殺蟲(chóng)作用及化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，最后開(kāi)始人工模擬合成的一類(lèi)殺蟲(chóng)劑，為一類(lèi)仿生合成的殺蟲(chóng)劑，是改變天然除蟲(chóng)菊酯的化學(xué)結(jié)構(gòu)衍生的合成酯類(lèi)[2-3]。

1.1 功夫菊酯

中文名稱(chēng)：功夫菊酯；CAS NO.：91465-08-6；化學(xué)名稱(chēng)：2,2-二甲基-3-(2-氯-3,3,3-三氟-1-丙烯基)環(huán)丙烷羧酸-alpha-氰基-3-苯氧基芐酯；英文名稱(chēng)：Cyhalothrin；分子式：C23H19ClF3NO3；相對(duì)分子質(zhì)量：449.86。

結(jié)構(gòu)式如下：

純品為白色固體，熔點(diǎn)49.2℃。在275℃時(shí)分解，20℃時(shí)蒸氣壓267 μPa。原藥為米黃色無(wú)臭固體，有效成分含量>90%，不溶于水，溶于大多數(shù)有機(jī)溶劑。在15～25℃條件下，貯存穩(wěn)定性為6個(gè)月。在酸性溶液中穩(wěn)定，在堿性溶液中易分解，它在水中的水解半衰期約為7天，性質(zhì)較穩(wěn)定，耐雨水沖刷。

用途：用于防治棉花、蔬菜、煙草等農(nóng)作物上的害蟲(chóng)。

1.2 聯(lián)苯菊酯

中文名稱(chēng)：聯(lián)苯菊酯；CAS NO.：82657-04-3；化學(xué)名稱(chēng)：(1R,S)-順式-(Z)-2,2-二甲基-3-(2-氯-3,3,3-三氟-1-丙烯基)環(huán)丙烷羧酸-2-甲基-3-苯基芐酯；英文名稱(chēng)：Bifenthrin；分子式：C23H22ClF3O2；相對(duì)分子質(zhì)量：422.87。

結(jié)構(gòu)式如下：

熔點(diǎn)：68～70.6℃/純品；57～64℃/原藥。密度：相對(duì)密度(d25)1.210。

1.3 氯氰菊酯

中文名稱(chēng)：氯氰菊酯；CAS NO.：86753-92-6；化學(xué)名稱(chēng)：(R,S)-α-氰基-(3-苯氧基芐基)-(ⅠR,S)-順、反-3-(2,2- 二氯乙烯基)-2,2-二甲基環(huán)丙烷羧酸酯；英文名稱(chēng)：Cypermethrin；分子式：C22H19Cl2NO3；相對(duì)分子質(zhì)量：416.32。

結(jié)構(gòu)式如下：

性狀：工業(yè)品為黃色至棕色粘稠固體，60℃時(shí)為粘稠液體；熔點(diǎn)：60～80℃；相對(duì)密度(水=1)：1.1；閃點(diǎn)：80℃。

用途：適用于鱗翅目、鞘翅目等害蟲(chóng)，對(duì)螨類(lèi)效果不好。對(duì)棉花、大豆、玉米、果樹(shù)、葡萄、蔬菜、煙草、花卉等作物上的蚜蟲(chóng)、棉鈴蟲(chóng)、斜紋夜蛾、尺蠖、卷葉蟲(chóng)、跳甲、象鼻蟲(chóng)等多種害蟲(chóng)有良好防治效果。

1.4 高效氯氰菊酯

中文名稱(chēng)：高效氯氰菊酯；CAS NO.：65731-84-2；化學(xué)名稱(chēng)：2,2-二甲基-3-(2,2-二氯乙烯基)環(huán)丙烷羧酸-α-氰基- (3-苯氧基)芐酯；英文名稱(chēng)：Beta cypermethrin；分子式：C22H19Cl2NO3；相對(duì)分子質(zhì)量：416.32。

結(jié)構(gòu)式如下：

性狀：原藥外觀(guān)為白色至奶油色結(jié)晶體；熔點(diǎn)：64～71℃(峰值67℃)；相對(duì)密度(水=1)：1.32；溶解度：在pH質(zhì)=7的水中，51.5(5℃)、93.4 (25℃)、276.0 (35℃)μg/L(理論值)，異丙醇11.5，二甲苯749.8，二氯甲烷3878，丙酮2102，乙酸乙酯1427，石油醚13.1(均為mg/mL，20℃)。

穩(wěn)定性：150℃，空氣及陽(yáng)光下及在中性及微酸性介質(zhì)中穩(wěn)定。堿存在下差向異 構(gòu)，強(qiáng)堿中水解。

用途：可應(yīng)用于多種果樹(shù)、多種蔬菜、糧棉油茶等作物及多種林木、多種中藥植物，對(duì)煙青蟲(chóng)、棉鈴蟲(chóng)、小菜蛾、甜菜夜蛾、斜紋夜蛾、茶尺蠖、紅鈴蟲(chóng)、蚜蟲(chóng)類(lèi)、斑潛蠅類(lèi)、毛蟲(chóng)類(lèi)、刺蛾類(lèi)及柑橘潛葉蛾、紅蠟蚧等多種害蟲(chóng)均具有很好的殺滅效果。

1.5 市場(chǎng)預(yù)測(cè)分析

擬除蟲(chóng)菊酯的殺蟲(chóng)毒力比老一代殺蟲(chóng)劑如有機(jī)氯、有機(jī)磷、氨基甲酸酯類(lèi)提高10～100倍[3]，優(yōu)越的性能使其在全球殺蟲(chóng)劑銷(xiāo)售額的占比高達(dá)19%。我國(guó)菊酯類(lèi)殺蟲(chóng)劑在2007年甲胺磷等5種高毒農(nóng)藥全面退市后才迅速發(fā)展起來(lái)，目前在全國(guó)殺蟲(chóng)劑銷(xiāo)售額的占比約為12%，相對(duì)于全球水平而言，還有很大的市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力，見(jiàn)圖1。

預(yù)計(jì)在未來(lái)幾年，隨著綠色環(huán)保類(lèi)高效農(nóng)藥的需求量不斷攀升，擬除蟲(chóng)菊酯系列產(chǎn)品將以每年15%的速度增長(zhǎng)，從而一躍成為全球需求量最大的幾種殺蟲(chóng)劑之一，但目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠(chǎng)家較少，僅有的幾家也產(chǎn)品單一、規(guī)模較小、分布散亂，沒(méi)有形成大型化、集約化、規(guī)模化。因此，基于擬除蟲(chóng)菊酯系列產(chǎn)品的獨(dú)特性質(zhì)以及目前市場(chǎng)迫切需求，而現(xiàn)有生產(chǎn)廠(chǎng)家由于技術(shù)壁壘，無(wú)法滿(mǎn)足需求的現(xiàn)狀，預(yù)計(jì)在未來(lái)5～10年內(nèi)擬除蟲(chóng)菊酯系列產(chǎn)品必將成為發(fā)展?jié)摿薮蟮男滦透呖萍籍a(chǎn)品。

圖1 全球殺蟲(chóng)劑銷(xiāo)售額分布

2 工藝技術(shù)方案的比較和選擇

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)報(bào)道擬除蟲(chóng)菊酯類(lèi)農(nóng)藥的合成以賁亭酸甲酯為源頭，分別合成功夫酰氯和菊酰氯，再與醚醛、聯(lián)苯醇等反應(yīng)生成菊酯類(lèi)產(chǎn)品。

2.1 賁亭酸甲酯

賁亭酸甲酯化學(xué)名稱(chēng)為3,3-二甲基-4-戊烯酸甲酯，分子式為 C8H14O2，是無(wú)色透明液體，易燃、具有特殊刺激氣味，溶于乙醇、乙酸乙酯、乙醚等有機(jī)溶劑，不溶于水。

有關(guān)賁亭酸甲酯的合成研究報(bào)道很多，較為常見(jiàn)的幾種合成路線(xiàn)如下[4]：

(1)以異戊烯醇及原乙酸三甲酯為原料來(lái)制取，此工藝技術(shù)較為簡(jiǎn)單，收率較高且選擇性好，是一條較為可取的路線(xiàn)。

(2)以異戊二烯及偏二氯乙烯為原料制取。前階段合成收率可以，但后幾段收率較低，且所需的溶劑價(jià)格較高，后處理難度較大。

(3)以丙酮、乙腈為原料制取。此路線(xiàn)原材料簡(jiǎn)單，但合成收率低，且工藝操作技巧性較高。

2.2 功夫菊酯

功夫菊酯主要有以下四種合成路線(xiàn)[5]。

合成路線(xiàn)1：3 -( 2-氯-3＇3＇3＇-三氟-1-丙烯基)- 2＇2-二甲基環(huán)丙基甲酸(以下簡(jiǎn)稱(chēng)取代的環(huán)丙基甲酸)或相應(yīng)的酰氯與α-氰基-3-苯氧基芐醇在堿存在下縮合。反應(yīng)方程式如下：

合成路線(xiàn)2：取代的環(huán)丙基甲酸或相應(yīng)的酰氯與3-苯氧基苯甲醛、堿金屬的氰化物( NaCN 或KCN) 直接反應(yīng)得到。反應(yīng)方程式如下：

合成路線(xiàn)3：取代的環(huán)丙基甲酸在堿存在下與α-氰基-3-苯氧基芐氯反應(yīng)。反應(yīng)方程式如下：

合成路線(xiàn)4：取代的環(huán)丙基甲酸與α-氰基-3-苯氧基芐基三烷基銨鹽反應(yīng)得到。其中α-氰基-3-苯氧基芐基三烷基銨鹽由α-氰基-3-苯氧基芐氯與三烷基胺反應(yīng)制得，也可以從3-苯氧基苯甲醛出發(fā)，先與二烷基胺、氫氰酸反應(yīng)生成α-氰基-3-苯氧基芐基二烷基胺，再與鹵烷反應(yīng)得到。

由上可知，四條路線(xiàn)中均需用取代的環(huán)丙基甲酸作中間體，路線(xiàn)的選擇關(guān)鍵在于另一中間體合成的難易。相對(duì)來(lái)說(shuō)2工藝路線(xiàn)較簡(jiǎn)單，而且所用中間體3-苯氧基苯甲醛工業(yè)上合成研究較充分。

2.3 氯氰菊酯

早先國(guó)外合成氯氰菊酯最后一步酯化采用的是酰氯-氰醇法，即將二氯菊酸酰氯和α-氰基-3 -苯氧基苯甲醇一起進(jìn)行酯化反應(yīng)得到氯氰菊酯[6-7]。

制備α-氰基-3-苯氧基苯甲醇的有下述兩種方法。

方法1：3-苯氧基苯甲醛與氰化氫直接進(jìn)行加成反應(yīng)得到氰醇。

方法2： 3-苯氧基苯甲醛先與亞硫酸氫鈉反應(yīng)生成加成物，后者再和氰化鈉作用轉(zhuǎn)化為氰醇。

2.4 高效氯氰菊酯

高效氯氰菊酯是1986年由匈牙利Hidasi等人首次報(bào)道，從氯氰菊酯的8個(gè)異構(gòu)體中分離出1R-S/1S-cis和1R trans-S/1S trans-R兩對(duì)外消旋體混合物(簡(jiǎn)稱(chēng)高效體或α-體)。高效氯氰菊酯是用氯氰菊酯經(jīng)差向異構(gòu)化制備的。工藝流程是用異丙醇作溶劑，三乙胺作催化劑在低溫?cái)嚢柘?，整體反應(yīng)10 天左右，使氯氰菊酯中的高效體達(dá)到90%以上制成的[8]。

2.5 工藝技術(shù)方案的比較和選擇

在綜合相關(guān)文獻(xiàn)[9-10]的基礎(chǔ)上，以異戊二烯為起始原料合成異戊烯醇，以乙腈和甲醇為原料合成原乙酸三甲酯，原乙酸三甲酯和異戊烯醇在催化劑作用下，縮合成賁亭酸甲酯。再以賁亭酸甲酯為源頭，分別合成功夫酰氯和菊酰氯，再與醚醛、聯(lián)苯醇等反應(yīng)生成菊酯類(lèi)產(chǎn)品，見(jiàn)圖2。

圖2 擬除蟲(chóng)菊酯農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)鏈工藝路線(xiàn)圖

3 工藝流程說(shuō)明

3.1 賁亭酸甲酯

3.1.1 異戊烯醇的制備

異戊二烯和鹽酸經(jīng)加成、酯化、皂化成異戊烯醇。反應(yīng)方程式如下：

3.1.2 原乙酸三甲酯的制備

乙腈和甲醇在鹽酸的作用下生成原乙酸三甲酯。反應(yīng)方程式如下：

3.1.3 賁亭酸甲酯的合成

原乙酸三甲酯和異戊烯醇在催化劑作用下，縮合成賁亭酸甲酯。反應(yīng)方程式如下：

工藝流程見(jiàn)圖3。

圖3 賁亭酸甲酯工藝流程方框圖

3.2 功夫菊酯

3.2.1 功夫酰氯的制備

合成：將賁亭酸甲酯、叔丁醇投入反應(yīng)釜中，升溫滴加三氟三氯乙烷，滴加保溫?cái)?shù)小時(shí)后結(jié)束，后處理得三氯酯餾份。

環(huán)合：將溶劑吸入反應(yīng)釜中，降溫投入叔丁醇鈉，滴加三氯酯，取樣檢測(cè)物料中的三氯酯余量≤2.0%方可結(jié)束，制得二氯酯粗品經(jīng)處理后皂化。

皂化：將液堿、甲醇、二氯酯投入釜中，升溫回流保溫后，減壓脫溶，脫溶結(jié)束后過(guò)料至酸化釜酸化。

酸化：加入鹽酸酸化，pH值2～6結(jié)束。

?；簩⑷宦染账?、DMF投入釜中，一定溫度下滴加SOCl2，反應(yīng)數(shù)小時(shí)后靜置，過(guò)料至?；撊芨?，升溫減壓脫氯化亞砜。取樣分析，物料中氯化亞砜的余量必須≤1%方合格。

3.2.2 功夫菊酯的制備

酯化：將氰化鈉、水依次投入反應(yīng)釜中，攪拌溶解后將醚醛、環(huán)已烷加入釜中，將酰氯與環(huán)已烷吸入滴加槽中。降溫滴加酰氯，滴加結(jié)束后保溫?cái)?shù)小時(shí)取樣檢測(cè)物料中醚醛余量≤2%方可過(guò)料至酯化水洗釜；分水結(jié)束后，加入水，水洗結(jié)束后，升溫常壓脫除環(huán)已烷，再過(guò)料至減壓脫溶釜繼續(xù)脫溶。

轉(zhuǎn)位：將原油、異丙醇、二異丙胺依次投入反應(yīng)釜中，充分?jǐn)嚢韬箝_(kāi)始慢慢降溫。當(dāng)溫度為0℃時(shí)，逐步降溫保溫后取樣檢測(cè)物料中，高效體與低效體的比例≥85：15方合格。

工藝流程見(jiàn)圖4、5。

圖4 功夫酰氯工藝流程方框圖

圖5 功夫菊酯工藝流程方框圖

3.3 聯(lián)苯菊酯

酯化：將聯(lián)苯醇、環(huán)己烷加入釜中，將酰氯與環(huán)己烷吸入滴加槽中。降溫滴加酰氯，滴加結(jié)束后保溫?cái)?shù)小時(shí)取樣檢測(cè)物料中聯(lián)苯醇余量≤2%方可過(guò)料至酯化水洗釜；分水結(jié)束后，有機(jī)相經(jīng)處理后升溫常壓脫除溶劑，再過(guò)料至減壓脫溶釜繼續(xù)脫溶[11]。

工藝流程見(jiàn)圖6。

圖6 聯(lián)苯菊酯工藝流程方框圖

3.4 氯氰菊酯

賁亭酸甲酯與四氯化碳經(jīng)加成、環(huán)化制得DV-菊酸甲酯[12-13]。

加成反應(yīng)：

DV菊酸甲酯經(jīng)過(guò)皂化、酸化、酰氯化反應(yīng)制得菊酰氯。

酰氯化反應(yīng)：

菊酰氯與醚醛制得氯氰菊酯。

縮合反應(yīng)：

工藝流程見(jiàn)圖7：氯氰菊酯、高效氯氰菊酯工藝流程方框圖。

3.5 高效氯氰菊酯

轉(zhuǎn)位：氯氰原油在催化劑作用下分段保溫制得高效氯氰菊酯原藥[14]。

工藝流程見(jiàn)圖7。

圖7 氯氰菊酯、高效氯氰菊酯工藝流程方框圖

4 工藝控制方案

本產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)功夫酰氯、菊酰氯時(shí)，使用氯化亞砜作為氯化劑制備氯化物，此工藝屬于危險(xiǎn)化工工藝(重點(diǎn)監(jiān)管)。按照《首批重點(diǎn)監(jiān)管的危險(xiǎn)化工工藝安全控制要求、重點(diǎn)監(jiān)控參數(shù)及推薦的控制方案》(國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局令 安監(jiān)總管三〔2009〕116號(hào))，此反應(yīng)過(guò)程中要重點(diǎn)監(jiān)控氯化反應(yīng)釜溫度和壓力、反應(yīng)物料的配比、氯化劑進(jìn)料流量等。

建議自控系統(tǒng)遵循“經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行可靠、操作方便"的原則，采用分散型控制系統(tǒng)(DCS)對(duì)工藝過(guò)程以及配套的公用工程生產(chǎn)裝置實(shí)施過(guò)程檢測(cè)、數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制(連續(xù)控制、順序控制)、一般工藝聯(lián)鎖、能量平衡核算、計(jì)量管理、用電設(shè)備狀態(tài)顯示，以及實(shí)現(xiàn)部分先進(jìn)過(guò)程控制策略等。對(duì)于上述涉及到危險(xiǎn)工藝的工藝過(guò)程采用危險(xiǎn)與可操作性分析(HAZOP)確定需要的安全儀表功能(SIF)的安全度等級(jí)(SIL)，采用獨(dú)立于DCS系統(tǒng)和其它子系統(tǒng)的安全儀表系統(tǒng)(SIS)對(duì)危險(xiǎn)工藝的關(guān)鍵設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行安全聯(lián)鎖保護(hù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全、穩(wěn)定、長(zhǎng)期高效運(yùn)行。