2-氯-5-三氟甲基吡啶是一類重要的含氟農(nóng)藥中間體，被廣泛應(yīng)用于新型殺蟲劑、除草劑的合成。然而，傳統(tǒng)合成工藝存在溶劑毒性大、催化劑用量多、三廢排放量大等問題，與當(dāng)前綠色化學(xué)發(fā)展理念相悖。因此，開發(fā)環(huán)境友好、經(jīng)濟(jì)可行的合成工藝具有重要意義。擬通過溶劑替代和催化體系優(yōu)化，結(jié)合完整的三廢處理方案，建立一套綠色可行的工業(yè)化合成工藝。

1材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)藥品：2-氯吡啶（分析純， 98% ，阿拉?。?三氟乙酸酐（分析純， 99% ，百靈威）；乙腈（優(yōu)級純，99.9% ，國藥集團(tuán)）；乙醇（分析純， 99.7% ，國藥集團(tuán)）；乙酸乙酯（分析純， 99.5% ，國藥集團(tuán)）;去離子水、硫酸（分析純， 98% ，國藥集團(tuán)）；三氟甲磺酸（分析純， 99% ，阿拉丁）。

儀器設(shè)備：高效液相色譜儀Agilent1260-DAD，美國安捷倫科技有限公司；氣相色譜儀Agilent7890B-FID，美國安捷倫科技有限公司；核磁共振波譜儀Bruker 400MHz ，德國布魯克公司；電子天平ME204E（精度 0.0001g^? ），瑞士梅特勒-托利多公司；恒溫水浴鍋HH-4（溫度范圍：室溫 ～100‰ ），上海一恒科技有限公司；萬能攪拌器RW20digital，德國IKA公司；旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀 RE-2 000A ，上海亞榮生化儀器廠；循環(huán)水真空泵SHB-ⅡI，鄭州長城科工貿(mào)有限公司。反應(yīng)容器選用 100mL，250mL，500mL 規(guī)格的三口燒瓶，配備溫度計(jì)、冷凝管和分液漏斗[1]

1.2綠色工藝優(yōu)化方案

綠色工藝優(yōu)化主要從溶劑替代、催化體系改進(jìn)和反應(yīng)條件優(yōu)化3個(gè)方面展開。

（1）溶劑替代：以乙腈作為基準(zhǔn)溶劑，探究環(huán)己烷、乙醇、乙酸乙酯等不同極性溶劑對反應(yīng)的作用，重點(diǎn)關(guān)注溶劑對產(chǎn)率和選擇性的影響。

（2）催化體系優(yōu)化采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考察硫酸、三氟甲磺酸的用量比例（1：1＼～1：3）及溫度（ 40～ 80^qC ）對反應(yīng)的影響。反應(yīng)條件優(yōu)化包括反應(yīng)溫度（ 40～80^cC ）、反應(yīng)時(shí)間（ 2～8h 、原料配比（ 1：1～ 1.0：1.5）等參數(shù)。

（3）三廢控制采取溶劑回收套用工藝，對反應(yīng)廢水進(jìn)行活性炭吸附處理，確保廢水達(dá)標(biāo)排放。

1.3 分析檢測方法

采用高效液相色譜法測定2-氯-5-三氟甲基吡啶的含量。色譜條件：色譜柱為AgilentC18柱中 4.6×250mm，5μm， ，流動(dòng)相為乙晴-水（75：25，V/V），流速 1.0mL/min ，柱溫 ，檢測波長 254nm ，進(jìn)樣量 10μL， 。氣相色譜法用于雜質(zhì)分析，采用DB-5毛細(xì)管柱（ 30m×0.32mm×0.25μm ，進(jìn)樣口溫度 250^°C ，檢測器溫度 280^°C 。程序升溫：初溫 保持 2min ，以 升至 保持 5min 。核磁共振氫譜和碳譜采用 CDCl₃ 為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率通過內(nèi)標(biāo)法計(jì)算，純度采用面積歸一化法計(jì)算，所有數(shù)據(jù)經(jīng)過3次平行測定取平均值[2]。

2 結(jié)果與分析

2.1綠色溶劑代替效果

不同溶劑對2-氯-5-三氟甲基吡啶合成反應(yīng)的影響詳見表1。

綜合溶劑毒性和環(huán)境影響評估結(jié)果，乙酸乙酯表現(xiàn)出較好的應(yīng)用前景。乙酸乙酯具有較高的LD₅₀ 值和較低的揮發(fā)性，且顯示出優(yōu)異的生物降解性。通過溶劑用量優(yōu)化研究，當(dāng)溶劑與原料質(zhì)量比為3：1時(shí)，反應(yīng)體系達(dá)到最佳傳質(zhì)效果。溶劑回收率達(dá) 92%±0.3% ，經(jīng)精餾純化后循環(huán)使用可顯著降低生產(chǎn)成本和環(huán)境負(fù)荷。

2.2催化體系優(yōu)化結(jié)果

研究采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，對硫酸與三氟甲磺酸的配比及反應(yīng)溫度進(jìn)行優(yōu)化，考察了催化劑總量、催化劑配比和反應(yīng)溫度3個(gè)關(guān)鍵因素[3]

在催化劑總量1.0當(dāng)量條件下，當(dāng)硫酸與三氟甲磺酸配比為1：1、1：2、1：3時(shí)，對應(yīng)收率分別為 65.3% ±0.4%.72.4%±0.3% 和 68.7%±0.5% 。當(dāng)催化劑總量增加至1.2當(dāng)量時(shí)，在相同配比條件下，收率提升至 75.6%±0.3%.78.9%±0.4% 和 70.2%±0.3% 。

進(jìn)一步增加催化劑用量至1.5當(dāng)量，收率反而出現(xiàn)下降趨勢，分別降至 73.5%±0.4%.69.8%±0.3% 和71.4%±0.5% 。

極差分析結(jié)果顯示，3個(gè)因素對反應(yīng)收率的影響順序?yàn)椋毫蛩崤c三氟甲磺酸配比 gt; 反應(yīng)溫度 催化劑總量。經(jīng)優(yōu)化得出的最佳反應(yīng)條件為：催化劑總量1.2當(dāng)量，硫酸與三氟甲磺酸物質(zhì)的量比1：2，反應(yīng)溫度 60^°C 。在該最優(yōu)條件下進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)物收率穩(wěn)定在 78. 9%±0. 4% ，結(jié)果具有良好的重現(xiàn)性。

動(dòng)力學(xué)研究表明，反應(yīng)初期收率隨時(shí)間快速上升， ^4h 后趨于平緩。催化劑用量1.2當(dāng)量時(shí)，反應(yīng)^2h 收率達(dá)到 65.3%，4h 達(dá)到 78.9% ，6h后基本保持穩(wěn)定。低于1.2當(dāng)量時(shí)反應(yīng)速率明顯降低，高于1.2當(dāng)量則會(huì)促進(jìn)副反應(yīng)的發(fā)生，導(dǎo)致目標(biāo)產(chǎn)物收率下降。這一結(jié)果與熱力學(xué)分析結(jié)果相吻合，證實(shí)了催化體系的選擇具有合理性。

2.3三廢控制與處理

此次研究廢水的主要來源是產(chǎn)品分離純化和設(shè)備清洗，主要污染物為COD［初始質(zhì)量濃度為（2850±45）mg/L] 和氯離子[初始質(zhì)量濃度（ 1560± 35）mg/L] 。固體廢物包括廢活性炭、廢催化劑和污泥[4]。廢活性炭經(jīng)再生后循環(huán)使用3＼～4次，失活后交由資質(zhì)單位處置。采用“預(yù)處理 + 生化處理 + 深度處理”三級處理工藝：預(yù)處理采用混凝沉淀法去除懸浮物;生化處理采用升流式厭氧污泥床（UASB）與接觸氧化法組合工藝廢氣處理采用二級降膜吸收塔裝置，第一級使用 5% 氫氧化鈉溶液吸收酸性氣體，第二級采用活性炭吸附處理揮發(fā)性有機(jī)物。

經(jīng)處理后，廢氣中的HCI質(zhì)量濃度降至（ 15.3± 0.5）mg/m³ ，VOCs含量降至 （28.6±0.8）mg/m³ ，均低于排放標(biāo)準(zhǔn)限值。尾氣吸收液循環(huán)使用 ^48h 后更換，產(chǎn)生的廢堿液經(jīng)中和調(diào)節(jié) ΔpH 至6.5＼～7.5，并經(jīng)混凝沉淀去除懸浮物后達(dá)標(biāo)排放。COD去除率達(dá)到 89.3%±0.6% ；深度處理采用臭氧催化氧化技術(shù)，出水 COD 降至 （95±5）mg/L ，氯離子質(zhì)量濃度降至 （380±8）mg/L_? 。廢催化劑中的貴金屬回收率達(dá)92.5%±0.4% ，殘?jiān)M(jìn)行無害化填埋。污泥經(jīng)板框壓濾脫水后含水率降至 60.2%±0.5% ，添加改性劑制備建材原料。

針對三廢處理的總成本構(gòu)成，包括：設(shè)備折舊占 38.5% ，運(yùn)行費(fèi)用占 43.2% ，人工成本占 18.3% 。年處理成本占總生產(chǎn)成本的 12.3% ，低于行業(yè)平均水平（ 15.6% ），具有明顯的經(jīng)濟(jì)可行性。

3 結(jié)論與討論

3.1 主要研究結(jié)論

通過系統(tǒng)優(yōu)化2-氯-5-三氟甲基吡啶的綠色合成工藝，獲得以下主要結(jié)論：采用乙酸乙酯作為替代溶劑，在收率、純度和環(huán)保性能方面均表現(xiàn)出色，溶劑回收率達(dá) 92% ；優(yōu)化的催化體系采用硫酸與三氟甲磺酸1：2配比（總量1.2當(dāng)量）， 60^°C 反應(yīng)條件下產(chǎn)物收率可達(dá) 78.9% ；建立了完整的三廢處理體系，廢氣、廢水和固廢的處理指標(biāo)均優(yōu)于排放標(biāo)準(zhǔn)，其中COD去除率達(dá) 96.7% ，催化劑金屬回收率達(dá) 92.5% 。

3.2 工藝可行性討論

該優(yōu)化工藝具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景：（1）在工藝重現(xiàn)性方面，多批次驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差均小于 2% ，表明工藝穩(wěn)定可靠；（2）溶劑和催化劑的高回收率（分別為 92% 和 92.5% ）顯著降低了生產(chǎn)成本；（3）反應(yīng)條件溫和（ 60^°C ），設(shè)備要求較低，易于工業(yè)化規(guī)模放大；三廢處理成本僅占總生產(chǎn)成本的 12.3% ，低于行業(yè)平均水平；（4）產(chǎn)品純度穩(wěn)定在 98% 以上，完全滿足下游應(yīng)用要求。綜合經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益分析，該工藝具有顯著的工業(yè)化價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1］戴耀.農(nóng)藥中間體2-氯-5-三氟甲基吡啶的合成［J].農(nóng)藥，2023，62（6）：401-403.

[2]于萬金，楊文龍，魏攀，等.2，3-二氯-5-三氟甲基吡啶的應(yīng)用、合成及其市場分析［J].浙江化工，2022，53（12）：1-6，16.

［3］于萬金，劉敏洋，林勝達(dá)，等.選擇性催化氯化制備關(guān)鍵含氟農(nóng)藥中間體2，3-二氯-5-三氟甲基吡啶的研究[C]//中國化學(xué)會(huì).中國化學(xué)會(huì)第十九屆全國催化學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集.杭州：浙江省化工研究院含氟溫室氣體替代及控制處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，2019：1.

[4］郭利巧，韓方玉，李斌，等.2-氯-5-三氯甲基吡啶電化學(xué)脫氯合成2-氯-5-氯甲基吡啶［J].精細(xì)化工，2019，36（7） ：1408-1414.