甲基亚磷酸二乙酯合成工艺研究

丁成荣,郭伟晨,梁鸿飞,季方良,张国富,杨华东

(浙江工业大学 化学工程学院，浙江 杭州 310014)



甲基亚磷酸二乙酯合成工艺研究

丁成荣,郭伟晨,梁鸿飞,季方良,张国富,杨华东

(浙江工业大学 化学工程学院，浙江 杭州 310014)

摘要：甲基亚磷酸二乙酯是农药、医药的关键有机化工中间体，为了降低与其相关产品的生产成本，设计了以三氯化磷为起始原料，经歧化反应合成中间体氯代亚磷酸二乙酯，再经甲基化反应合成甲基亚磷酸二乙酯.通过对反应物料摩尔比、反应温度及催化剂的种类进行优化，所得产品纯度达97.6%，反应总收率达78.5%，产物结构经1HNMR，GC-MS，IR进行表征确认.该工艺采用独创的复合型催化剂，有效的抑制了副反应，提高主产物的纯度及收率，具有较好的工业化应用前景.

关键词：中间体;甲基亚膦酸二乙酯;合成

甲基亚膦酸二乙酯是一种重要的农药[1-2]、医药以及合成材料的有机化工中间体，广泛应用于合成有机磷[3]类农药，如：灭生性除草剂草铵磷，烷基硫逐磷酸酯类杀虫剂甲基对硫磷、杀螟松等.此外，它也可用作合成阻燃剂、建筑材料等的原料或添加剂.合成甲基亚磷酸二乙酯的传统路线有两条：第一条[4-7]是以甲亚膦酰二氯和无水乙醇为原料合成甲基亚磷酸二乙酯，该路线在合成的过程中反应条件较苛刻，产品收率偏低，同时采用贵金属作催化剂，导致生产成本较高；第二条[8-10]是以氯代亚磷酸二乙酯和甲基氯化镁经格式反应合成甲基亚磷酸二乙酯，该路线在中间体氯代亚磷酸二乙酯的合成过程中副反应较多，主产物很容易被氧化或水解，反应总收率不高.比较上述两条路线得出：以第二条路线为基础，在合成氯代亚磷酸二乙酯时采用一种新型的复合型催化剂，该方法可有效的抑制副反应，提高产品的收率和含量，大幅度降低生产成本.

1实验部分

1.1实验试剂及仪器

仪器：Bruker Avance Ⅲ 500 MHz型核磁共振仪；Agilent 6890N 型气质联用仪(EI)；Thermo Scientific ITQ 1100 and Waters GCT Premier 质谱仪(EI/CI)；SHIMADAZU GC-2014气相色谱仪(GC).

试剂：三氯化磷、亚磷酸三乙酯、3 mol/L甲基氯化镁格式试剂(THF)、催化剂A(HMPA)、催化剂B(N-甲基-2,4,6-三乙氧基吡啶盐酸盐)、四氢呋喃及二氯甲烷(所用试剂均为市售分析纯或化学纯).

1.2实验方法

1.2.1 氯代亚磷酸二乙酯的合成

在无水无氧氮气保护条件下，于500 mL的四口烧瓶中投入亚磷酸三乙酯83.5 g(0.50 mol)，复合催化剂2.5 g(其中A 组分1.0 g，B 组分1.5 g)，降温至20 ℃，缓慢滴加三氯化磷34.5 g(0.24 mol)，滴毕，于30 ℃下保温反应5 h，得氯代亚磷酸二乙酯120.5 g，氮气密封待用，经气相色谱检测氯代亚磷酸二乙酯质量分数为92.8%，收率为92.8%(以三氯化磷计).

气相色谱条件：色谱柱：HP-5 30 m×0.32 mm 19091J-413；程序升温：初温100 ℃(保留3 min)—升温速率30 ℃/min —末温250 ℃(保留5 min)；进样口温度：280 ℃；进样量：1 μL ；进样方式：二氯甲烷溶解后进样；出峰时间：二氯代亚磷酸乙酯2.56 min,亚磷酸二乙酯2.66 min,氯代亚磷酸二乙酯2.70 min,亚磷酸三乙酯2.89 min.

1.2.2甲基亚磷酸二乙酯的合成

在30 ℃时，向第一步反应液中滴加3 mol/L甲基氯化镁格式试剂(THF)288 mL(0.87 mol)和300 mL新鲜的四氢呋喃的混合液，滴毕，于35 ℃下保温反应4 h.缓慢升温，控制温度不能超过100 ℃，常压蒸馏回收四氢呋喃320 mL，蒸馏完毕；再开启真空泵至0.098 MPa，控制温度不超过150 ℃，减压蒸馏得粗产品馏分；对粗产品进行精馏，得到无色有特殊气味的甲基亚磷酸二乙酯78.9 g，经气相色谱检测质量分数为97.6%，收率为84.6%(以氯代亚磷酸二乙酯计).

气相色谱条件：色谱柱：HP-5 30 m×0.32 mm 19091J-413；程序升温：初温100 ℃(保留3 min)—升温速率30 ℃/min —末温250 ℃(保留5 min)；进样口温度：280 ℃；进样量：1 μL ；进样方式：二氯甲烷溶解后进样；出峰时间：甲基亚膦酸二乙酯2.17 min.

结构表征数据：1HNMR(500 MHz,CDCl3)δ3.88(q,J=11.4 Hz, 4H),1.27(s, 3H),1.25(t,J=11.2 Hz, 6H).MS-EI (m/z):136[M+],121 [(M-CH3)+] ,91 [(M-C2H5O)+].IR (KBr):σ(H2C—H,CH3CH—H)为2 983～2 939 cm-1,γ(P—CH3) 为1 300～1 280 cm-1,β(P—CH3)为875 cm-1,σ(P—O—C)为961 cm-1.

2结果与讨论

2.1合成氯代亚磷酸二乙酯反应条件优化

在三氯化磷和亚磷酸三乙酯(以下简称三乙酯)制备氯代亚磷酸二乙酯(以下简称一氯)的过程中，不可避免的会伴随生成少量副产物二氯代亚磷酸乙酯(以下简称二氯)和水解产物亚磷酸二乙酯.

主产物氯代亚磷酸二乙酯的合成反应方程式为

主要副反应二氯代亚磷酸乙酯生成的反应方程式为

在实验过程中，分别从反应物的摩尔比、滴加温度、保温温度及催化剂4个方面对合成一氯进行优化.

2.1.1反应物的摩尔比对一氯质量分数的影响

三氯化磷与亚磷酸三乙酯在催化剂作用下生成一氯的过程中，反应物的摩尔比对一氯质量分数有着较大的影响，其结果见表1.

表1反应物的摩尔比对一氯质量分数的影响

Table 1Effect of the mole ratio to the mass fraction of the diethyl phosphonate chloride

序号12345n(PCl3)∶n(P(OEt)3)1∶2.21∶2.11∶2.01∶1.91∶1.8一氯质量分数/%92.792.891.989.685.6

由表1可知：当n(PCl3)∶n(P(OEt)3)=1∶2.1时，一氯质量分数最高.三乙酯大于二倍量三氯化磷以保证一氯质量分数较高，同时抑制副反应二氯生成.进一步提高三乙酯的比例(如n(PCl3)∶n(P(OEt)3)=1∶2.2)，一氯质量分数没有明显提高，但当三乙酯小于二倍量三氯化磷时，副产物二氯质量分数升高，一氯质量分数下降.从节省原料成本角度考虑，反应物较佳摩尔比为n(PCl3)∶n(P(OEt)3)=1∶2.1.

2.1.2滴加温度对一氯质量分数的影响

由于滴加温度会对主产物一氯质量分数和其他副反应的产生影响较大，因此在反应过程中，考察不同滴加温度对一氯质量分数的影响，从而选择较佳滴加温度，其结果见表2.

表2滴加温度对一氯质量分数的影响

Table 2Effect of the dropping temperature to the mass fraction of the diethyl phosphonate chloride

序号12345滴加温度/℃1015202530一氯质量分数/%92.292.592.891.289.5

由表2可知：滴加温度在10～20 ℃时，一氯质量分数无明显变化.从转化效率角度考虑，稍提高滴加温度(20 ℃)有利于一氯转化；滴加温度在20～30 ℃时，一氯质量分数降低较明显，可能是由于温度高时，三乙酯和一氯中键能较高的磷氧键被破坏，生成较多副产物二氯，因此较佳滴加温度为20 ℃.

2.1.3保温温度对一氯质量分数的影响

对较佳保温温度的选择主要依据反应热力学和动力学的综合影响：保温温度较低，生成较多动力学控制下的主产物一氯；保温温度较高，生成较多热力学控制下的副产物二氯.比较不同的保温温度，通过一氯质量分数的变化，选择较佳保温温度，其结果见表3.

表3保温温度对一氯质量分数的影响

Table 3Effect of the holding temperature to the mass fraction of the diethyl phosphonate chloride

序号12345保温温度/℃2025303540一氯质量分数/%92.592.692.891.483.1

由表3可知：当保温温度在20～30 ℃时，一氯质量分数较高(大于92%)，30 ℃时达到最高；当保温温度在30～40 ℃时，一氯质量分数下降较明显.在35～40 ℃时，一氯质量分数下降最为突出，说明35 ℃是副反应开始转化的最低保温温度，此时主要生成热力学稳定的副产物二氯.根据一氯和二氯的分子构型(不规则的三角锥形)，基团吸电子性能(乙氧基高于氯)和键能数据(磷氧键高于磷氯键)三方面综合判断，二氯中的磷氧键相对一氯中的磷氯键更加稳定，使得高温时二氯比一氯稳定.因此较佳保温温度为30 ℃.

2.1.4催化剂对一氯质量分数的影响

催化剂A的作用主要是加快原料三乙酯的转化速率，催化剂B的作用主要是抑制二氯的生成速率.复合型催化剂A+B可以将两者的优点进行结合，其结果见表4.

表4催化剂对一氯质量分数的影响

Table 4Effect of the catalyst to the mass fraction of the diethyl phosphonate chloride

序号1234催化剂无催化剂A催化剂B催化剂A+B一氯质量分数/%52.789.680.492.8

由表4可知：在相同时间下，使用复合催化剂A+B时可以达到最佳效果，在使用单一催化剂A时，三乙酯的转化率较高，但二氯质量分数也较高；在使用单一催化剂B时，能较好抑制二氯含量，但一氯生成率较低.原因可能是催化剂改变了反应历程：催化剂A削弱了磷氧键从而使三氯化磷和三乙酯反应时间缩短，但同时一氯转化为二氯更加容易；催化剂B增强了氯的吸电子能力，加强了磷氯键使生成的一氯更加稳定，削弱了二氯中的磷氧键，使得原来热力学稳定的二氯不再稳定，从而达到抑制二氯的作用.因此将两者以一定比例搭配构成的复合催化剂应用于上述反应，可以有效的抑制副反应二氯的生成，显著提高主产物一氯的质量分数，达到最佳的效果.

2.2合成甲基亚磷酸二乙酯反应条件优化

甲基亚磷酸二乙酯(以下简称二酯)的合成反应方程式为

格式试剂(甲基氯化镁)与一氯及二氯的作用机理，主要是通过甲基负离子对三价磷的亲核取代反应.反应机理如下：

1) 一氯与甲基氯化镁反应机理(主反应)为

2) 二氯与甲基氯化镁反应机理(副反应)为

在实验过程中，分别从摩尔比、滴加温度和保温温度3个方面对合成二酯进行优化.

2.2.1摩尔比对二酯收率的影响

格式液为3 mol/L的市售甲基氯化镁的THF溶液，一氯摩尔数以第一步反应生成的一氯质量分数为标准计算，其结果见表5.

由表5可知：当n(ClP(OEt)2)∶n(CH3MgCl)=1∶1.1时，二酯收率没有达到最高值，说明第一步反应的副产物二氯和少量的水解产物亚磷酸二乙酯会消耗部分格式试剂.为确保一氯与甲基氯化镁完全反应，以提高二酯转化率，要求提高格式试剂的比例，以保证二酯转化完全，当n(ClP(OEt)2)∶n(CH3MgCl)=1∶1.2时，二酯收率达到最高值.但当格式试剂的比例过高(n(ClP(OEt)2)∶n(CH3MgCl)=1∶1.3)时，二酯收率再无明显提高，从节省原料角度考虑，较佳投料比为n(ClP(OEt)2)∶n(CH3MgCl)=1∶1.2.

表5摩尔比对二酯收率的影响

Table 5Effect of the mole ratio to the yield of the diethyl methyl-phosphonite

序号12345n(ClP(OEt)2)∶n(CH3MgCl)1∶1.31∶1.21∶1.11∶1.01∶0.9二酯收率/%84.584.682.577.770.9

2.2.2滴加温度对二酯收率的影响

由于滴加温度会对二酯收率产生较大影响，因此在反应过程中，考察不同滴加温度对二酯收率的影响，从而选择较佳滴加温度，其结果见表6.

表6滴加温度对二酯收率二酯收率的影响

Table 6Effect of the dropping temperature to the yield of the diethyl methyl-phosphonite

序号12345滴加温度/℃2025303540二酯收率/%84.484.584.678.270.7

由表6可知：当温度高于30 ℃时，原料氯代亚磷酸二乙酯会部分转化为二氯代亚磷酸乙酯，使得二酯收率偏低.当温度在20～30 ℃时，二酯收率较高.在30 ℃时二酯收率达到最高，因此较佳滴加温度为30 ℃.

2.2.3保温温度对二酯收率的影响

尽管此步反应一氯的转化较彻底，但保温温度仍会对此反应有较大影响：保温温度较低会延长反应时间，增加能耗；保温温度较高会增加副反应，使二酯收率降低.因此在反应过程中，考察不同保温温度对二酯收率的影响，从而选择较佳保温温度，其结果见表7.

表7保温温度对二酯收率的影响

Table 7Effect of the holding temperature to the yield of the diethyl methyl-phosphonite

序号12345保温温度/℃2530354045二酯收率/%80.784.084.668.658.5

由表7可知：当保温温度超过35 ℃，二酯收率明显下降.可能是二氯与格式试剂反应生成较多副产物二甲基亚磷酸乙酯.当保温温度低于30 ℃时二酯收率较低，可能是由于此反应有较高的活化能，需要提高保温温度来推动反应向二酯方向进行；当保温温度在30～35 ℃时得到较高收率.综合考虑得到较佳保温温度为35 ℃.

3结论

以廉价易得的三氯化磷为起始原料，先经歧化反应制得中间体氯代亚磷酸二乙酯，再经甲基化反应制得目标产物甲基亚磷酸二乙酯.氯代亚磷酸二乙酯合成的较佳条件：采用n(PCl3)∶n(P(OEt)3)=1∶2.1的投料比，三氯化磷滴加温度20 ℃，保温温度30 ℃并使用一定比例的复合型催化剂；甲基亚磷酸二乙酯合成的较佳条件：n(ClP(OEt)2)∶n(CH3MgCl)=1∶1.2的投料比，格式液滴加温度30 ℃，保温温度35 ℃.在上述优化条件下，反应总收率达到78.5%，中间体氯代亚磷酸二乙酯纯度达到92.8%，主产物甲基亚磷酸二乙酯纯度达到97.6%.该合成路线独创的复合型催化剂安全环保，弥补了传统工艺合成甲基亚磷酸二乙酯时总收率低于65%的缺陷.优化后的工艺具有产物纯度高、收率高、条件较为温和等优点，是一条理想的工业化路线.

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(责任编辑：陈石平)

Research on the synthetic process of diethyl methyl-phosphonite

DING Chengrong, GUO Weichen, LIANG Hongfei, JI Fangliang, ZHANG Guofu, YANG Huadong

(College of Chemical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

Abstract:Diethyl methyl-phosphonite is a key intermediate in organic chemical industry. In order to diminish the cost of production of its relevant products, we determine using phosphorus trichloride and triethyl phosinite to give diethyl phosphonate chloride, then reacting with Grignard reagent to produce diethyl methyl-phosphonite. The effects of material ratio, reaction temperature and the catalyst types on the yield were studied. This synthetic approache could give an excellent total yield of 78.5% under a higher purity of 97.6%. Its structure was characterized by1HNMR ,GC-MS and IR. A newly developed complex catalyst was employed. It can restrain the formation of by-products effectively and then increase the purity and the yield of the main product. It has great potential in industrial applications.

Keywords:intermediate;diethyl methyl-phosphonite;synthesize

收稿日期：2015-11-09

基金项目：国家自然科学基金资助项目(20702051)；浙江省自然科学基金资助项目(LY13B020017)；浙江省科技重点创新团队(2010R50018)

作者简介：丁成荣(1966—)，男，浙江东阳人，教授级高级工程师，研究方向为农药及其相关中间体的合成，E-mail：dingcr@zjut.edu.cn.

中图分类号：TQ 460.3

文献标志码：A

文章编号：1006-4303(2016)02-0150-04