管式反应器连续化合成3,5,6-三氯吡啶-2-醇钠工艺研究

周爱民，王佳，汪 姣，濮梦华

（安徽国星生物化学有限公司，安徽省杂环化学实验室，安徽马鞍山243100）

3,5,6-三氯吡啶-2-醇钠工业品是灰黄色粉末状固体，纯品为白色，常温下微溶于水，是合成广谱、高效、无残留、选择性高的新型吡啶杂环类农药毒死蜱、甲基毒死蜱的关键中间体[1-3]。

传统工艺采用三氯乙酰氯与丙烯腈加成环化，经碱处理得三氯吡啶醇钠，该合成工艺操作环境恶劣，制得的三氯吡啶醇钠外观色泽偏深，不加处理烘干最高含量只有80%左右，直接影响收率、质量和生产成本；产生“三废”较多，处理费用也高，制约了规模效益[4-8]。有文献报道，先由吡啶氯化合成2,3,5,6-四氯吡啶，再碱解得3,5,6-三氯吡啶醇钠，此路线具有工艺路线短、收率高、产品纯度高、“三废”量少等优点[9-15]，但反应时间较长，生产效率不高。本文研究以水作为反应溶剂，在管式反应器中连续化合成三氯吡啶醇钠的工艺，并考查了反应温度、停留时间、物料配比等参数对四氯吡啶转化率和三氯吡啶醇钠收率的影响。

1 实验部分

1.1 主要原料及试剂

原料：2,3,5,6-四氯吡啶（工业品），氢氧化钠（片状），去离子水。

实验装置：PPS-100B-MC型柱塞计量泵（杭州普普科技）；管式反应器（安徽科幂机械科技有限公司）；背压阀（非托克）；加热套；循环水式真空泵。

检测条件：岛津LC-20AT型高效液相色谱仪；色谱柱：WondaSil C18-WR（150 mm×4.6 mm,5 μm）；流动相：甲醇∶0.05%三氟乙酸水溶液=80∶20（V/V）；流速:1.0 mL/min。

1.2 合成原理

2,3,5,6-四氯吡啶在水中与氢氧化钠反应，2-位的氯原子被取代生成3,5,6-三氯吡啶醇钠和氯化钠。

图1 三氯吡啶醇钠合成反应式

传统工艺采用间歇式反应合成三氯吡啶醇钠，由于醇钠在水中溶解度低，固含量过高，流体流动性难以保证，四氯吡啶常温下也是固体，因此连续化反应十分困难。本文基于对三氯吡啶醇钠在水中不同温度下溶解度的研究，通过增加体系压力提高溶剂水的沸点，降低体系固含量，将四氯吡啶加热熔融，保证流体流动性能。

1.3 工艺流程

将氢氧化钠固体与水配制成水溶液，将四氯吡啶加热熔融，两者分别预热到合适温度后均匀混合，在管式反应器中发生水解反应，冷却收集产物，抽滤、洗涤、干燥得到三氯吡啶醇钠成品，流程简图见图2，反应装置见图3。

图2 三氯吡啶醇钠合成工艺流程图

图3 管道式反应装置图

1.4 合成方法

用去离子水配制不同浓度的氢氧化钠溶液，称取足量四氯吡啶在电加热套中加热熔融，用计量泵打入前置混合器，同时打入经预热器预热到合适温度的氢氧化钠溶液。通过背压阀控制体系压力在0.5 MPa左右，以保证溶剂水处于液相状态，四氯吡啶和氢氧化钠溶液混合均匀后在管式反应器中完成反应，反应结束后在收料罐中冷却收集，再经过抽滤、洗涤、干燥得到三氯吡啶醇钠纯品。

2 结果与讨论

2.1 温度对反应的影响

四氯吡啶与氢氧化钠水溶液在100℃以下温度时反应十分缓慢，温度过高时，副反应较多，产物颜色会变黄。因此，本文在120℃～160℃范围内考查不同反应温度对四氯吡啶转化率和三氯吡啶醇钠收率的影响，结果见图4。

图4 温度对反应的影响

实验结果表明，四氯吡啶转化率随反应温度升高而增加，在140℃以上时可以完全转化，反应温度为140℃时取得最佳收率，温度进一步升高会增加副反应，导致收率下降，160℃时收率仅94.6%。因此，将温度控制在140℃时反应转化率和收率取得最佳值。

2.2 原料配比对反应的影响

四氯吡啶与氢氧化钠反应生成三氯吡啶醇钠和氯化钠，1分子四氯吡啶需要消耗2分子氢氧化钠。当氢氧化钠投加量少时，四氯吡啶不能完全转化；投加量过大时，可能会与生成的三氯吡啶醇钠进一步反应，影响收率。因此，本文在氢氧化钠与四氯吡啶摩尔比2.0～2.4范围内进行单因素考查，结果见图5。

图5 物料配比对反应的影响

实验结果表明，氢氧化钠与四氯吡啶摩尔比为2.0时，四氯吡啶不能完全转化，摩尔比提高到2.1以上时，四氯吡啶即可完全转化，且三氯吡啶醇钠收率随摩尔比升高而升高，在2.2～2.3之间达到最高值。但摩尔比超过2.4时，由于氢氧化钠过量会导致过度水解，收率开始下降。因此，最合适的氢氧化钠用量为四氯吡啶摩尔量的2.2～2.3倍。

2.3 溶剂用量对反应的影响

四氯吡啶不溶于水，但其熔点为90.5℃，在反应温度下为液相状态。三氯吡啶醇钠在沸腾温度下饱和浓度为20%，实际反应温度为120℃～160℃，溶解度会有所上升。为了保证流体在反应通道中的稳定性，溶剂水应至少为反应完全转化时三氯吡啶醇钠质量的3倍以上；另一方面，水量增加时，各物料尤其是氢氧化钠的相对浓度会显著降低，将直接影响反应速率和转化率，因此，本文研究了水用量为四氯吡啶质量3～8倍时的反应规律，结果见图6。

图6 溶剂用量对反应的影响

实验结果表明，水用量少时，四氯吡啶转化为三氯吡啶醇钠后，固含量增加，物料流动性不稳定，传质效果差。在一定范围内，水用量越大，四氯吡啶转化率和三氯吡啶醇钠收率越高，在4倍水用量时，四氯吡啶可以转化完全，收率达到97.2%。继续增加水用量，会导致氢氧化钠浓度降低，不能保证转化率，收率也随之下降。因此，最佳水用量为四氯吡啶质量的4倍。

2.4 停留时间对反应的影响

根据文献报道，在间歇反应中，四氯吡啶水解通常需要在120℃～140℃下反应3～5 h才能完全转化。通过实验摸索，四氯吡啶水解在停留时间2～10 min内有较好的效果，结果见图7。

图7 停留时间对反应的影响

实验结果表明，停留时间达到4 min以上时，四氯吡啶转化率接近100%，收率随停留时间延长而增长，在8 min时收率达到98.0%，继续延长停留时间，收率和转化率几乎没有变化。因此，最佳停留时间为8 min。

3 结论

当四氯吡啶与氢氧化钠在管式反应器中连续化水解合成三氯吡啶醇钠时，原料氢氧化钠与四氯吡啶摩尔比为2.2，水用量为四氯吡啶的4倍，停留时间8 min，反应温度140℃，反应转化率100%，三氯吡啶醇钠收率98.0%。