绿色氯化技术在农药中间体合成中的应用

表 1 2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺两种合成方法的比较
方法
氯气法
氯化剂
液氯
溶剂
醋酸
副产物
氯化氢
收率
94%
附加装置 液氯气化、流量控制、分布器、 尾气吸收、溶剂回收等装置
E 因子
～5
盐酸–双氧水氯化法 盐酸＋双氧水 水 水 96%
滴加
～0.5
2 双(三氯甲基)碳酸酯氯化法
氯原子亲核取代羟基是另一类用途广泛的氯 化反应，用于合成羧酰氯、磺酰氯和氯代亚胺等中 间体，其中有很多用于农药的合成。如图 3 所示， 常用的氯化剂有氯化亚砜、三氯氧磷、五氯化磷和 三氯化磷等，它们均是具有强烈刺激性、腐蚀性和 毒性的危险品，运输、储存和使用均有较大危险性， 反应产生的副产物二氧化硫、磷酸、亚磷酸等给后 处理带来了困难，“三废”量很大。光气也可以作 为此类反应的氯化剂，而且由于副产物二氧化碳无 毒，容易和产物及氯化氢分离，从而具有后处理容 易、“三废”少等优点，但光气剧毒，且禁止运输， 使得该方法的应用受到限制。
表 1 对 2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺的两种合成方 法进行了比较。与液氯法相比，盐酸–双氧水氯化 法在原料、溶剂、副产物的安全性等方面具有优势， 而且设备投资更少，产品的收率略高。为了更清晰 地比较二者对环境的影响，我们引入了 E 因子 (environmental factor，环境因子) 的概念，它是指生 产单位量产品所产生的废物总量，如表 1 中氯气法 的 E 因子为 5，即生产 1 吨 2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺 将产生 5 吨“三废”，而盐酸–双氧水氯化法的 E 因子只有 0.5，显然是一种更加清洁的生产工艺。
X
Y+
R OH
X=O, NR' Y=C, S
SOCl2 POCl3 PCl3 COCl2 (Cl3CO)2CO
SO2
X
H3PO4
பைடு நூலகம்Y + HCl + H3PO3
R Cl
CO2
CO2
图 3 各种氯化剂对羟基的氯化反应
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现代农药
第8卷 第1期
双(三氯甲基)碳酸酯[6]又名三光气、固体光气， 英文名 bis(trichloromethyl) carbonate，缩写 BTC。外
芳基磺酰氯是安磺灵、磺菌胺、杀螨酯和吡唑
硫带来的尾气治理难题，E 因子下降 80%以上，而 且产品的品质得到了改善，一次产品的收率和纯度
均在 98%以上，色泽比氯化亚砜法好。
COOH
COCl
X
X
3
Cat.
+ (Cl3CO)2CO
3
+ 3 HCl + 3 CO2
SO2CH3 图5
SO2CH3 X=Cl, NO2 BTC 法合成取代苯甲酰氯
2.3 芳基磺酰氯的合成
第8卷 第1期 2009 年 2 月
现代农药 Modern Agrochemicals
Vol.8 No.1 Feb. 2009
研究与开发
绿色氯化技术在农药中间体合成中的应用
杜晓华，任旭康，骆大为，葛林丹，许响生，陈 瑨，严中杰，徐振元
（浙江工业大学催化加氢研究中心，杭州，310014）
摘要：盐酸-双氧水可替代液氯进行芳胺的亲电氯化，在农药中间体 2,6-二氯-4-三氟甲基苯胺 和 4-氯-2-三氟甲基苯胺的合成上十分有效。双(三氯甲基)碳酸酯替代氯化亚砜、硫酰氯、三氯氧 磷、五氯化磷、三氯化磷、光气等氯化剂，用于菊酰氯、苯甲酰氯、苯磺酰氯、氯代亚胺等农药 中间体的合成。两种氯化方法的 E 因子显著小于传统方法。
我们应用该技术研发了关键农药中间体 2,6-二 氯-4-三氟甲基苯胺[2-3]和 4-氯-2-三氟甲基苯胺[4-5] 的合成工艺 (如图 2)，前者是杀虫剂氟虫腈的关键 中间体，后者是杀菌剂氟菌唑的关键中间体。通常， 二者分别由对三氟甲基苯胺和邻三氟甲基苯胺在 有机溶剂中用液氯气氯化来制备，需要使用大量液 氯和有机溶剂，安全性差，“三废”量较大。
Cl
+ H2O
+
ArCl + H
ArH + HCl + H2O2
ArCl + 2 H2O
图 1 盐酸–双氧水氯化技术原理
从图 1 可以看出盐酸-双氧水氯化技术具有如 下优点：1) 氯正离子源为盐酸，与液氯、硫酰氯等 相比安全性更好；2) 双氧水作为一种绿色的氧化 剂，其使用比液氯、硫酰氯等更加安全、方便；3) 产 生的氯正离子原位发生亲电取代，利用率高；4) 副 产物只有水，不存在尾气吸收等问题。
2009 年 2 月
杜晓华，等：绿色氯化技术在农药中间体合成中的应用
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路易斯酸的催化下进行反应，由于液氯具有剧毒、 强腐蚀性、强氧化性和易挥发等性质，运输、贮存 和使用都有严苛的限制，在工业生产上属于危险性 很大的操作过程。此外，硫酰氯、N-氯代丁二酰亚 胺等也常用于芳环的亲电氯化，可一定程度上降低 操作危险性，但在原子经济性、“三废”产生量和 原料成本等方面处于劣势。
DU Xiao-hua, REN Xu-kang, LUO Da-wei, GE Lin-dan, XU Xiang-sheng, CHEN Jin, YAN Zhong-jie, XU Zhen-yuan (Catalytic Hydrogenation Research Center, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)
1 盐酸–双氧水氯化法
芳环的亲电氯化是常用的精细化工单元反应， 也广泛应用于农药合成。最常用的方法是用液氯在
收稿日期：2008–11–06 基金项目：浙江省绿色化工重大科技专项 (2008 C 01061–2) 作者简介：杜晓华 (1972—)，男，湖北松滋人，副研究员，从事农药与绿色合成技术研究。Tel：0571–88320430；E–mail：duxiaohua@zjut.edu.cn
气，其治理令生产企业十分头疼。应用 BTC 与取代 环丙甲酸在催化剂的作用下反应生成取代环丙甲
酰氯可较好解决以上难题。我们合成了多种常用的
环丙甲酰氯 (如图 4)[7]，通过对溶剂、温度、催化 剂等反应条件的优化，收率达到 90%～95%，产品 纯度 98%以上，预计 E 因子下降 80%左右。
H3C CH3
NH2
+ 2 HCl + 2 H2O2
CF3 CF3
NH2
+ HCl + H2O2
NH2
Cl
Cl
+ 4 H2O
CF3
CF3 NH2
+ 2 H2O
Cl
图 2 盐酸–双氧水氯化法用于合成关键农药中间体
经过优化，用盐酸-双氧水分别与对三氟甲基苯 胺和邻三氟甲基苯胺在水相中反应，2,6-二氯-4-三 氟甲基苯胺和 4-氯-2-三氟甲基苯胺的收率/纯度分 别达到 95%/99%和 80%/98%，母液可反复套用。
2.2 取代苯甲酰氯的合成
取代苯甲酰氯应用于很多农药的合成，如酰胺 类杀菌剂灭锈胺、氟酰胺、环菌胺，三酮类除草剂 磺草酮、甲基磺草酮等。三酮类除草剂因其高效、 安全的优点受到了广泛重视，由此，我们研发了
BTC 法合成其关键中间体 2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯 和 2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯的工艺 (如图 5)，并与 氯化亚砜法进行了比较，发现不仅可以消除二氧化
代物，用于上述中间体绿色合成方法的研发。
近年来，我们应用 BTC 研发了一些关键农药中
间体的绿色合成技术，列举如下。
2.1 取代环丙甲酰氯 (菊酰氯) 的合成
拟除虫菊酯类杀虫剂是一类重要的农药，品种
多，产量大。多数品种生产时需要先合成取代环丙
甲酰氯，目前主要是用取代环丙甲酸与氯化亚砜反
应，此过程产生大量的二氧化硫和氯化氢混合尾
众所周知，氯正离子是芳环亲电氯化反应的活 性子，因此，研发该反应绿色合成技术的关键是选 择合适的氯正离子源。盐酸–双氧水氯化技术是利 用双氧水将盐酸氧化成次氯酸，后者分解产生氯正 离子，对芳环进行亲电取代 (如图 1)[1]。
HCl + H2O2
HClO
+
+
H
+
ArH + Cl
HClO + H2O
+
观为白色结晶固体，熔点 79～83℃，不溶于水，可
溶于多数有机溶剂，其储存、运输及使用过程安全。
如图 3 所示，用 BTC 作为氯化剂合成羧酰氯、磺酰 氯和氯代亚胺等中间体时副产物也是氯化氢和二氧
化碳，二者不溶于反应体系而气化溢出，氯化氢经
水吸收可制得高纯度盐酸，二氧化碳难溶于盐酸，
可直接放空。因此，BTC 宜作为氯化亚砜、三氯氧 磷、五氯化磷、三氯化磷和光气等氯化剂的较好替
Key words: chlorination; HCl-H2O2; bis(trichloromethyl)carbonate; E factor
减排、降耗、节能是农药生产过程的迫切任务， 其中减少“三废”排放尤为重要。通常可有两种方 式：一是进行合理的“三废”治理，达标排放；二 是应用绿色化学原理与技术，从源头预防“三废” 的产生。后者是更加有效的减排手段，而且往往兼 有降耗和节能效益。为了预防“三废”，我们通常 需要对产品的合成工艺进行重新设计，此时应特别 关注以下几个方面的问题：1) 原料绿色化，即使用 环境友好原料替代有毒有害原料；2) 助剂绿色化， 即尽量减少助剂 (溶剂、催化剂等) 的使用；3) 副 产物的绿色化，一是通过提高原子经济性、反应选 择性和收率，尽量减少副产物；二是选择合成路线， 尽量避免产生有毒有害的副产物。
Abstract: HCl-H2O2 was used in the electrophilic chlorination of aromatic amines to replace liquid chlorine. Good results
were obtained in the synthesis of 2,6-dichloro-4-trifluoromethylaniline and 4-chloro-2-trifluoromethylaniline. Bis(trichloromethyl)carbonate was applied in the synthesis of chrysanthemyl chloride, benzoyl chloride, benzesulfonyl chloride and imide chloride to replace such chlorination agents as thionyl chloride, sulfonyl chloride, phosphorusoxychloride, phosphorus pentchloride, phosphorus trichloride and phosgene. The two chlorination methods both give lower E factors.
氯化反应是一类重要的化工单元反应，一方面 大量的含氯有机化合物可用作农药、医药、染料、
颜料、高分子材料等，另一方面，氯是一种活泼的 离去基团，可实现很多官能团的转化。工业上常用 的氯化剂有：液氯、氯化亚砜、硫酰氯、三氯氧磷、 五氯化磷、三氯化磷和光气等，这些氯化剂毒性很 高，生产、储存、运输和使用过程均有严格限制。 近年来，我们研究了两类绿色氯化共性技术，分别 用盐酸-双氧水替代液氯和用双(三氯甲基)碳酸酯 替代氯化亚砜、硫酰氯、三氯氧磷、五氯化磷、三 氯化磷、光气等氯化剂，并重点研发了其在农药中 间体合成中的应用技术，期望对农药领域减排、降 耗、节能的实施有益。
O
3R C CH
R'
+
C
CO2H
Cl3CO OCCl3
H3C
3R C CH
R'
CH3
+ 3 HCl + 3 CO2
COCl
R＝CH3，Cl，Br；R’＝CH3，Cl，Br，CF3，等
图 4 BTC 法合成取代环丙甲酰氯
当菊酰氯的 R＝R'＝CH3 时，可用于合成烯丙 菊酯、胺菊酯、炔呋菊酯等；当 R＝R'＝Cl 时，可 用于合成氯氰菊酯、氟氯氰菊酯等；当 R＝R'＝Br 时，可用于合成溴氰菊酯等；当 R＝Cl，R'＝CF3 时，可用于合成氯氟氰菊酯、联苯菊酯等。
关键词：氯化；盐酸–双氧水；双(三氯甲基)碳酸酯；E 因子
中图分类号：O 621.25＋5.1 文献标识码：A 文章编号：1671-5284(2009)01-0024-03
Application of Green Chlorination Techniques in the Synthesis of Pesticide Intermediates