潘強(qiáng)彪，謝四維，應(yīng)煒煒，李俊奇

(浙江巍華新材料股份有限公司，浙江 紹興 312300)

2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺是合成殺蟲劑氟蟲腈的關(guān)鍵中間體，為淡黃色晶體，熔點(diǎn)33～36 ℃[1]，其合成方法主要有3 種。

張?jiān)雠d等[2]以4-三氟甲基苯胺為原料，基于鹽酸/雙氧水體系氯化4-三氟甲基苯胺制備2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺，通過精確控制反應(yīng)時間和溫度，提高反應(yīng)收率至88.6%，含量98.9%。

Monteiro 等[3]以2,6-二氯苯胺為原料，利用管式反應(yīng)器和微型玻璃靜態(tài)混合器，在毫升級持液量尺度下進(jìn)行2,6-二氯苯胺的三氟甲基化連續(xù)反應(yīng)，該反應(yīng)的高效傳熱效果縮短反應(yīng)時間至22 s，但收率僅36.0%。

吳天泉等[4]以4-氯三氟甲苯為原料，通過氨解和光氯化反應(yīng)合成2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺，收率78.0%，含大量副產(chǎn)物碳酸鈉和氯化氫。

傳統(tǒng)氯化工藝設(shè)備選型往往選用釜式或塔式結(jié)構(gòu)，并需要過量氯氣彌補(bǔ)設(shè)備低氯氣利用率缺點(diǎn)，還存在放熱劇烈、腐蝕性強(qiáng)、反應(yīng)時間長、傳質(zhì)效果差等問題，因此開發(fā)安全高效的氯化工藝受到廣泛關(guān)注。2022 年，李國梅等[5]利用微通道反應(yīng)器開發(fā)了一種安全高效氯化工藝，以鹽酸為氯源、雙氧水為綠色氧化劑，在碳化硅微通道反應(yīng)器中對甲苯進(jìn)行氧氯化得到氯代甲苯，微通道連續(xù)化技術(shù)縮短了反應(yīng)時間，確保了反應(yīng)安全。微通道反應(yīng)器微結(jié)構(gòu)尺寸保證了熱交換效率高，抑制了局部過熱區(qū)域形成，使整個反應(yīng)器中沒有溫度梯度和內(nèi)能累積，因此在微通道反應(yīng)器中進(jìn)行高放熱、高速率反應(yīng)也能實(shí)現(xiàn)較高反應(yīng)選擇性和安全性[6]。微通道反應(yīng)器優(yōu)異的傳質(zhì)傳熱效果使反應(yīng)進(jìn)程沿反應(yīng)通道均勻分布，通過調(diào)節(jié)流量和壓力精確控制中間體或產(chǎn)物的停留時間，大大提高了生產(chǎn)效率。

本研究以4-三氟甲基苯胺為起始原料，經(jīng)預(yù)熱，氧氯化、降溫等工段工序合成2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺。采用微通道反應(yīng)器構(gòu)建連續(xù)流工藝，考察溫度、壓力、流速、物料用量等工藝參數(shù)對反應(yīng)的影響，并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)要求得到最佳反應(yīng)條件。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

康寧高通量微通道G1 反應(yīng)器(CORNING G1-10FM SiC)；Hanbon-NP7010C 高效液相泵(江蘇漢邦科技股份有限公司)Agilent-1260-InfinityⅡ高效液相色譜(安捷倫公司)。

對三氟甲基苯胺(98%)(江蘇優(yōu)普生物化學(xué)科技股份有限公司)，鹽酸(31%)(江蘇聯(lián)化科技有限公司)，雙氧水(50%)(杭州精欣化工有限公司)。

1.2 方法

如圖1 所示，將微通道反應(yīng)器預(yù)熱段1、預(yù)熱段2、反應(yīng)段的導(dǎo)熱油溫度分別設(shè)定為130、45、140 ℃，微通道反應(yīng)器降溫段的循環(huán)水溫度設(shè)定為10 ℃。先用高效液相泵以490 g/min 將12%鹽酸輸送至微通道反應(yīng)器預(yù)熱段1，再用電磁計(jì)量泵將4-三氟甲基苯胺和50%過氧化氫分別以61、125 g/min流速輸送至微通道反應(yīng)器預(yù)熱段2，控制鹽酸預(yù)熱溫度為120 ℃，4-三氟甲基苯胺和雙氧水的預(yù)熱溫度為40 ℃，氧氯化反應(yīng)溫度為130 ℃，反應(yīng)液降溫溫度為25 ℃。穩(wěn)定運(yùn)行30 min，有機(jī)層取樣，經(jīng)HPLC 外標(biāo)法定量分析，計(jì)算反應(yīng)總收率。

圖1 微通道反應(yīng)器連續(xù)化制備2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺工藝示意圖

2 結(jié)果與分析

連續(xù)化制備2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺工藝中，以4-三氟甲基苯胺、鹽酸(12%)，雙氧水(50%)為起始原料，經(jīng)過微通道反應(yīng)器預(yù)熱工段、氧氯化工段、降溫工段得到2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺粗品，HPLC 外標(biāo)法分析。計(jì)算收率。研究探索了溫度、壓力、流速和投料量對反應(yīng)收率的影響。

2.1 鹽酸預(yù)熱溫度對反應(yīng)的影響

為滿足工業(yè)化放大生產(chǎn)需求，設(shè)計(jì)鹽酸預(yù)熱模塊，不僅緩解了反應(yīng)段換熱壓力，也能滿足高流速進(jìn)料。參考1.2 方法，考察了不同鹽酸預(yù)熱溫度條件下反應(yīng)對2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺收率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2 鹽酸預(yù)熱溫度對反應(yīng)的影響

從圖2 可知：隨著預(yù)熱溫度的升高，原料轉(zhuǎn)化率逐漸提高，當(dāng)預(yù)熱溫度＞72 ℃時，單氯化雜質(zhì)含量明顯降低?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)中難于實(shí)現(xiàn)較高的預(yù)熱溫度，將鹽酸最佳預(yù)熱溫度確定為85 ℃適宜，此時預(yù)熱段微通道反應(yīng)器導(dǎo)熱油溫度為120 ℃。

2.2 氧氯化溫度對反應(yīng)的影響

上述鹽酸預(yù)熱溫度考察結(jié)果表明溫度繼續(xù)升高可繼續(xù)降低單氯化雜質(zhì)含量。為保證氧氯化反應(yīng)徹底，降低反應(yīng)液中單氯雜質(zhì)，參考1.2 方法，考察了不同反應(yīng)段溫度對反應(yīng)收率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 氧氯化反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響

反應(yīng)溫度為140oC 時，單氯雜質(zhì)含量僅0.9%，但該溫度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了雙氧水分解溫度，導(dǎo)致反應(yīng)體系壓力倍增至16 bar，雙氧水利用率極低，不利于工藝放大和安全生產(chǎn)，因此反應(yīng)溫度為130oC 適宜，此時單氯雜質(zhì)含量降低至2.3%，微通道反應(yīng)器導(dǎo)熱油溫度設(shè)置為140oC。

2.3 系統(tǒng)壓力對反應(yīng)的影響

實(shí)驗(yàn)選用的是康寧G1 玻璃微通道反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有高傳熱、高耐壓等效果，最高壓力可達(dá)18 bar，故選取了9～15 bar 壓力范圍，參考1.2 方法，通過調(diào)節(jié)背壓閥研究了不同系統(tǒng)壓力對反應(yīng)收率的影響，結(jié)果見圖4。

圖4 系統(tǒng)壓力對反應(yīng)的影響

由圖4 可知：單氯雜質(zhì)含量與系統(tǒng)壓力成反比，反應(yīng)收率則相反，與系統(tǒng)壓力成正比。為保證單氯雜質(zhì)含量小于3.0%，系統(tǒng)壓力為13～15 bar 適宜。

2.4 流速對反應(yīng)的影響

微通道反應(yīng)器高效的傳質(zhì)和傳熱效果是縮短停留時間的關(guān)鍵，直接影響到氧氯化反應(yīng)的產(chǎn)能。在上述實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過增大流速可以實(shí)現(xiàn)增加系統(tǒng)壓力和縮短停留時間，在實(shí)際生產(chǎn)過程中也可改變管徑來調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力和流速。參考1.2 方法，研究了不同流速對反應(yīng)收率的影響，結(jié)果見圖5。

圖5 流速對反應(yīng)的影響

當(dāng)總流速提高至676 g/min 時，單氯含量略微增加，反應(yīng)收率仍達(dá)82.5%。當(dāng)流速降低至338 g/min時，反應(yīng)體系中檢測出存在2,6-二氯-4-三氟甲基苯酚雜質(zhì)，初步判斷是停留時間過長導(dǎo)致，因此在反應(yīng)結(jié)束后設(shè)計(jì)降溫模塊是十分必要的。

2.5 雙氧水和鹽酸用量對反應(yīng)的影響

雙氧水和鹽酸濃度的選擇與反應(yīng)速率有關(guān)，50%雙氧水和12%鹽酸已能滿足工藝設(shè)計(jì)要求，在此不再贅述，值得注意的是當(dāng)提高鹽酸濃度時，可能會導(dǎo)致反應(yīng)體系中析出胺鹽導(dǎo)致管道堵塞。參考1.2 方法，只研究考察了雙氧水和鹽酸的用量對反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

表1 雙氧水和鹽酸的用量篩選

由表1 可知：隨著50%H2O2用量由4.2 eq 增加至4.8 eq，單氯雜質(zhì)含量由9.4%明顯降低至3.0%，產(chǎn)品收率由76.4%增加至81.7%，繼續(xù)增加50%H2O2用量至5.4 eq，對單氯雜質(zhì)含量(3.2%)和產(chǎn)品收率(81.5%)均無明顯影響，故50%H2O2用量為4.8 eq適宜。當(dāng)50%H2O2用量為4.8 eq，12%鹽酸的用量為4.5 eq 最為適宜，若提高至5.0 eq，系統(tǒng)壓力已到設(shè)定極限。

3 結(jié)論

以4-三氟甲基苯胺為底物，在微通道反應(yīng)器中通過預(yù)熱、氧氯化、降溫3 道工序?qū)崿F(xiàn)了2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺連續(xù)化合成，優(yōu)化條件下，反應(yīng)收率高達(dá)83.0%，產(chǎn)品含量99.0%，后處理簡單。該工藝符合化工生產(chǎn)的本質(zhì)安全要求，為工業(yè)化合成2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺提供了一種新途徑。