用正交實(shí)驗(yàn)研究異丙草胺的中間體亞胺的合成工藝

陳朋朋，胡先明，周曉軍

（江蘇萊科作物保護(hù)有限公司，江蘇 南通 226400)

異丙草胺[1]化學(xué)名為2-氯-N-(異丙基甲基)-N-(2-乙基-6-甲基)苯基乙酰胺，純品為淡黃色液體，為內(nèi)吸傳導(dǎo)型選擇性芽前除草劑，適用于大豆、玉米、向日葵等旱地作物。目前國內(nèi)外異丙草胺的合成有以下一些路線[2-4]：

醚化法：以2-甲基-6-乙基苯胺為原料，與氯乙酰發(fā)生氯?；磻?yīng)得到中間體伯酰胺；在干燥的氯化氫的作用下，多聚甲醛與異丙醇反應(yīng)得到氯甲基異丙醚；以液堿為縛酸劑，伯酰胺與氯甲基異丙醚發(fā)生縮合反應(yīng)得到異丙草胺。

甲叉法：以2-甲基-6-乙基苯胺為原料，在催化劑的作用下與多聚甲醛反應(yīng)，脫水制得亞胺；亞胺與氯乙酰氯發(fā)生?；磻?yīng)，得到中間體2-甲基-6-乙基-N-氯甲基-α-乙酰氯苯胺（簡稱叔胺），叔胺與異丙醇醇解后通入氨氣進(jìn)行反應(yīng)，得到產(chǎn)品異丙草胺。

1）亞胺合成：

2）?；?/p>

3）異丙草胺合成（醇解通氨）：

采用醚化法生產(chǎn)異丙草胺，生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量的廢水，中間體氯甲基異丙醚的毒性大，產(chǎn)品的質(zhì)量和色澤均不穩(wěn)定。產(chǎn)品在使用時(shí)易對作物產(chǎn)生藥害，對環(huán)境的污染嚴(yán)重。目前該工藝在國內(nèi)已逐步淘汰。

甲叉法合成異丙草胺，工藝反應(yīng)條件溫和，設(shè)備投資少，生產(chǎn)過程的三廢量少，目前該工藝在國內(nèi)已逐步得到推廣?，F(xiàn)在國內(nèi)異丙草胺的合成工藝水平參差不齊，主要體現(xiàn)在產(chǎn)品雜質(zhì)伯酰胺的含量高。導(dǎo)致伯酰胺含量高的主要原因，是第一步亞胺合成的反應(yīng)原料2-甲基-6-乙基苯胺的殘余量高，會帶入下一步的?；磻?yīng)中，與氯乙酰氯反應(yīng)生成伯酰胺。

本文對亞胺合成過程中催化劑的種類、催化劑的用量、多聚甲醛的投加量、脫水溫度、脫水時(shí)間等因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)研究[5-8]，確定了亞胺合成的最佳反應(yīng)條件，2-甲基-6-乙基苯胺的殘余量可控制在2%以下，從而保證產(chǎn)物伯酰胺的雜質(zhì)能滿足產(chǎn)品的質(zhì)量要求。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

1000mL玻璃燒瓶，恒溫磁力加熱攪拌器。

2-甲基-6-乙基苯胺（99%），多聚甲醛（92%）。

1.2 單因素實(shí)驗(yàn)

1.2.1 催化劑種類

在1000mL玻璃燒瓶加入定量的2-甲基-6-乙基苯胺及多聚甲醛，再分別加入定量的催化劑三乙胺、吡啶、碳酸鈉、二甲胺、DMF，在極限真空條件下，控制恒定的脫水溫度及脫水時(shí)間進(jìn)行反應(yīng)，根據(jù)反應(yīng)物2-甲基-6-乙基苯胺的殘余量，考察不同的催化劑對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響。2-甲基-6-乙基苯胺的轉(zhuǎn)化率如圖1所示。由圖1可知，催化劑分別為三乙胺、吡啶、DMF時(shí)，2-甲基-6-乙基苯胺的轉(zhuǎn)化率較高，因此選擇催化劑三乙胺、吡啶、DMF作為下步正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖1 催化劑種類對2-甲基-6-乙基苯胺轉(zhuǎn)化率的影響Fig.1 The influence of catalyst type on the conversion rate of 6-Ethyl-o-toluidine

1.2.2 催化劑的投加量

在1000mL玻璃燒瓶加入定量的2-甲基-6-乙基苯胺及多聚甲醛，調(diào)整催化劑的加入量分別為反應(yīng)體系總質(zhì)量的1‰、2‰、3‰、4‰、5‰，在極限真空條件下，控制恒定的脫水溫度及脫水時(shí)間，根據(jù)反應(yīng)物2-甲基-6-乙基苯胺的殘余量，考察不同的催化劑用量對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知，催化劑的加入量為反應(yīng)體系總質(zhì)量的3‰、4‰、5‰時(shí)，2-甲基-6-乙基苯胺轉(zhuǎn)化率較高，因此，選擇催化劑的加入量為反應(yīng)體系總質(zhì)量的3‰、4‰、5‰，作為正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖2 催化劑加入量對2-甲基-6-乙基苯胺轉(zhuǎn)化率的影響Fig.2 The influence of the catalyst addition on the conversion rate of 6-Ethyl-o-toluidine

1.2.3 多聚甲醛的投加量

在1000mL玻璃燒瓶加入定量的2-甲基-6-乙基苯胺及催化劑，分別加入 1∶1.1、1∶1.15、1∶1.2、1∶25、1∶1.3（2-甲基-6-乙基苯胺與多聚甲醛的摩爾比）的多聚甲醛，在極限真空條件下，控制恒定的脫水溫度及脫水時(shí)間，根據(jù)反應(yīng)物2-甲基-6-乙基苯胺的殘余量，考察多聚甲醛的投加量對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖3。由圖3可知，多聚甲醛與2-甲基-6-乙基苯胺的摩爾比為1.2、1.25、1.3時(shí)，2-甲基-6-乙基苯胺的轉(zhuǎn)化率較高，因此，選擇多聚甲醛與2-甲基-6-乙基苯胺的摩爾比1.2、1.25、1.3，作為正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖3 多聚甲醛投加量對2-甲基-6-乙基苯胺轉(zhuǎn)化率的影響Fig.3 The influence of the Polyoxymethylene addition on the conversion rate of 6-Ethyl-o-toluidine

1.2.4 脫水溫度

在1000mL玻璃燒瓶加入定量的2-甲基-6-乙基苯胺、多聚甲醛和催化劑，在極限真空條件下控制恒定的脫水時(shí)間，調(diào)整脫水溫度分別為70℃、75℃、80℃、85℃、90℃，根據(jù)反應(yīng)物2-甲基-6-乙基苯胺的殘余量，考察不同的脫水溫度對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖4。由圖4可知，脫水溫度為80℃、85℃、90℃時(shí)，2-甲基-6-乙基苯胺的轉(zhuǎn)化率較高，因此，選擇脫水溫度80℃、85℃、90℃作為正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖4 脫水溫度對2-甲基-6-乙基苯胺轉(zhuǎn)化率的影響Fig.4 The influence of tdehydration temperature on the conversion rate of 6-Ethyl-o-toluidine

1.2.5 脫水時(shí)間

在1000mL玻璃燒瓶加入定量的2-甲基-6-乙基苯胺、多聚甲醛和催化劑，在極限真空條件下控制恒定的脫水溫度，調(diào)整脫水時(shí)間分別為5h、6h、7h、8h、9h，根據(jù)反應(yīng)物2-甲基-6-乙基苯胺的殘余量，考察不同的脫水時(shí)間對反應(yīng)轉(zhuǎn)化率的影響，結(jié)果見圖 5。由圖 5可知，脫水時(shí)間為 7h、8h、9h時(shí)，2-甲基-6-乙基苯胺的轉(zhuǎn)化率較高，因此，選擇脫水時(shí)間7h、8h、9h作為正交實(shí)驗(yàn)的3個(gè)水平。

圖5 脫水時(shí)間對2-甲基-6-乙基苯胺轉(zhuǎn)化率的影響Fig.5 The influence of tdehydration time on the conversion rate of 6-Ethyl-o-toluidine

1.3 正交實(shí)驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以2-甲基-6-乙基苯胺的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率為指標(biāo)，選取五因素三水平的L18(35)正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行工藝條件的優(yōu)化。因素水平表見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)的因素水平表Table 1 factors and levels of orthogonal experiment

1.4 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，確定了2-甲基-6-乙基苯胺與多聚甲醛反應(yīng)合成亞胺時(shí)的催化劑種類、催化劑加入量、多聚甲醛的投加量、脫水溫度及脫水時(shí)間等。采用Agilen 6890N型氣相色譜儀對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定量分析，使用面積歸一法，F(xiàn)ID檢測器。

2 結(jié)果與分析

通過2-甲基-6-乙基苯胺轉(zhuǎn)化率的單因素實(shí)驗(yàn)，選取催化劑種類、催化劑加入量、多聚甲醛投加量、脫水溫度和脫水時(shí)間中的3個(gè)較優(yōu)水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果及極差分析見表2。由表2的極差分析可知，影響2-甲基-6-乙基苯胺轉(zhuǎn)化率的因素順序?yàn)镋＞A＞C＞B＞D，即脫水時(shí)間＞催化劑選擇＞多聚甲醛投加量＞催化劑加入量＞脫水溫度，并確定了在催化劑的作用下，2-甲基-6-乙基苯胺與多聚甲醛發(fā)生脫水反應(yīng)的最佳工藝條件為E3A1C3B3D2，即以三乙胺為催化劑、催化劑加入量為5‰、多聚甲醛與2-甲基-6-乙基苯胺的摩爾比為1.3、脫水溫度85℃、脫水時(shí)間9h。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)所得的最優(yōu)工藝條件進(jìn)行論證實(shí)驗(yàn)，2-甲基-6-乙基苯胺的轉(zhuǎn)化率可達(dá)98.5%以上。

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析表Table 2 The orthognal experiment results analysis table

3 結(jié)論

本文對異丙草胺的合成工藝路線進(jìn)行了研究，對亞胺的合成工段中，2-甲基-6-乙基苯胺與多聚甲醛發(fā)生的脫水反應(yīng)進(jìn)行了正交實(shí)驗(yàn)，確定了催化劑的種類、催化劑的用量、多聚甲醛投加量、脫水溫度、脫水時(shí)間等指標(biāo)。在最優(yōu)工藝條件下，單步反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率在98.5%以上。經(jīng)后處理，產(chǎn)品的質(zhì)量和色澤均達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。