甲基亚磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯在微反应器中加成反应研究

张先龙，史玉龙，李 宁，刘典典

（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-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯是一种重要的有机农药合成中间体，其最重要的用途是用于下游产品L-草铵膦的合成。该产品的合成方法国内外均有报道。本文针对该反应的强放热特性，采用微反应器进行连续化加成的模拟，并对该过程的连续化反应工艺参数进行优化。由于连续化反应的需要，在工艺开发设计过程中，对该工艺的动力学数据进行系统性模拟研究，优化工艺参数，以获得最佳的合成条件，为其后续的实际生产应用提供参考。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

甲基亚磷酸二乙酯，99.5%，湖北洪湖一泰有限公司；丙烯酸甲酯，99.5%，成都科龙化工；其余药品为AR级试剂。

G1 微反应器（美国Corning 公司）；ALC210.4 分析天平（德国sartorius）；高压计量泵（江苏hanbon 科技公司）；HC-G1-B 冷热一体机（无锡冠亚）；GC-2014 气相色谱仪（日本岛津）；LC-16 液相色谱仪（日本岛津）；SHZ-3 型水循环真空泵（河南巩义市予华仪器设备有限公司）；RV10 数显型旋转蒸发仪（德国IKA）。

实验过程以气相色谱检测，色谱条件为:SE-30 毛细管柱，检测器温度：260℃；进样器温度：260℃；柱温：180℃恒温。

1.2 3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯的合成

图1 G1 微反应器实验流程

以甲基亚磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯为原料，甲醇为溶剂在微反应器中直接进行高压迈克尔加成反应生成3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯。按图1 将微反应器模块串联连接后，将配制好的丙烯酸甲酯-甲醇溶液和甲基亚磷酸二乙酯分别和计量泵相连并接于微反应器上。先同时按比例进样后调节背压阀至反应器一定压力后，系统逐渐升至设定温度，原料甲基亚磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯在甲醇环境中，在微反应器第一个模块中开始预热，发生加成反应并生成产物3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯，并与甲醇溶剂混溶，直至最后一个模块反应结束；反应液分别经过背压阀、冷凝器收集。

通过分别调节原料的进料流速来控制物料反应的摩尔比和反应停留时间。待系统运行稳定后收集出料液，GC 检测反应液中原料和产物组分，并计算产品收率。

2 结果与讨论

甲基亚磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯的加成反应为均相反应，放热量大，在常规釜式反应器中通常采用滴加的方式间歇操作，反应速率低，反应时间过长，控温难。因此，本文拟改变反应压力以提高反应物料沸点，以提高加成反应速率。微通道反应器具备较大的比传热面积，能够实现物料的快速换热并迅速反应生成产物。

本研究分别考查了反应温度、反应压力、物料摩尔比、溶剂用量、停留时间对反应的影响并优化。

2.1 温度对加成反应影响

n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=1.05∶1，n（甲醇）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=6∶1，压力1 MPa，反应物料停留时间为110 s 的条件下，考查反应温度对反应的影响，结果见表1。

表1 温度对加成反应的影响

由表1 可见：随着反应温度的升高，甲基亚磷酸二乙酯的转化率迅速提高，产物3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯的选择性均高于96%。40℃时甲基亚磷酸二乙酯的转化率仅为22.4%，体系中反应温度较低，原料在该温度下的加成反应速率很低；60℃时反应速率迅速增加，至120℃时原料甲基亚磷酸二乙酯的转化率达到99%以上，产品中几乎无副产物。考虑到反应温度越高，能耗越高，且产物有高温分解的潜在风险，因此，该反应的优化反应温度为120℃时，原料转化率99.7%。

2.2 压力对加成反应影响

在温度60℃，n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=1.05∶1，n（甲醇）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=6∶1,反应物料停留时间110 s,考查反应压力对反应的影响，结果见表2。

表2 压力对加成反应的影响

由表2 可见：随着反应压力的增大，甲基亚磷酸二乙酯的转化率增加非常明显，产物3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯的选择性仍在范围内波动。常压下甲基亚磷酸二乙酯的转化率仅为13.7%，原料加成反应速率非常慢；0.2 MPa 时反应速率即有明显提高，待压力为0.8 MPa 时，原料甲基亚磷酸二乙酯的转化率即达到76%以上，产物选择性达到96%左右。考虑到反应压力对能耗的影响较低，仅仅是对设备的要求增加，因此，为确保原料甲基亚磷酸二乙酯几乎完全反应（提高原材料利用率，减少原料甲基亚磷酸二乙酯挥发对大气环境的污染），优化的反应压力为1 MPa，转化率为82.7%（考虑到低压高温条件下溶剂的气化问题，此处未进行65℃以上的常压加成反应，后期可在此压力基础上进行温度的提高来验证原料的转化率情况）。

2.3 物料摩尔配比对加成反应影响

在温度120℃，压力1 MPa，n（甲醇）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=6∶1，反应物料停留时间为110 s，考查n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）对反应的影响，结果见表3。

表3 物料配比对加成反应的影响

由表3 可知：随着丙烯酸甲酯用量的增加，原料甲基亚磷酸二乙酯接触丙烯酸甲酯的几率增大，原料转化反应能力增强。当n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=1∶1 时，甲基亚磷酸二乙酯的转化率约96%；随着丙烯酸甲酯用量的不断增加，甲基亚磷酸二乙酯转化率可逐渐增大至99.7%以上。提高原料中丙烯酸甲酯的摩尔比可以促进甲基亚磷酸二乙酯的完全转化，但过高的丙烯酸甲酯会带来反应液中杂质的增加以及成本的增大，不利于工业化。综合考虑，优化的原料摩尔比为n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=1.05∶1。

2.4 溶剂对加成反应的影响

在温度60℃，压力1 MPa，n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=1.05∶1，反应物料停留时间为110 s 的条件下，考查n（甲醇）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）对反应的影响，结果见表4。

表4 溶剂用量对加成反应的影响

由表4 可知：甲醇的存在不仅是作为该反应体系的溶剂起稀释作用，还起到为迈克尔加成反应提供质子氢的作用。当甲醇为当量添加时，迈克尔加成反应结束后无法轻易地就近得到甲醇的质子氢从而发生副反应，影响产物的生成，选择性低。当溶剂用量不断增加时，迈克尔加成中间产物很容易得到就近的甲醇质子氢从而生成产物。而随着甲醇的进一步增多，原料在溶剂中的浓度降低，溶剂效应增强，反应转化率减小。因此，综合考虑优化的n（甲醇）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）为6∶1。

2.5 停留时间对加成反应影响

在温度60℃，压力1 MPa，n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=1.05∶1；n（甲醇）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=6∶1 的条件下，考查反应物料停留时间对反应的影响，结果见表5。

表5 停留时间对加成反应的影响

甲基亚磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯的加成反应是均相连续化反应，因此，在反应釜的基础上提高甲基亚磷酸二乙酯的转化率除了提高反应温度、反应压力外，另一个重要的参数就是延长反应液在加成温度下的停留时间。由表5 可见：在停留时间30 s 时，甲基亚磷酸二乙酯的转化率为48.1%；随着停留时间的延长，甲基亚磷酸二乙酯的转化率迅速提高并趋于平衡；停留时间120 s 以上时，甲基亚磷酸二乙酯的转化率可达到99.5%以上，且加成反应过程中几乎无副反应发生。因此，综合考虑优化的停留时间为120 s。

3 结论

（1）以甲基亚磷酸二乙酯和丙烯酸甲酯为原料，在微通道反应器中研究了除草剂L-草铵膦中间体3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯的连续化合成工艺，为该技术间歇生产的连续化改进及应用提供了参考。

（2）优化了微通道反应器中连续合成L-草铵膦中间体3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯的工艺条件：温度120℃，压力1 MPa，n（丙烯酸甲酯）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=1.05∶1，n（甲醇）∶n（甲基亚磷酸二乙酯）=6∶1，反应物料停留时间为120 s，原料甲基亚磷酸二乙酯转化率99.5%以上，产物3-（甲基甲氧基膦酰基）丙酸甲酯的选择性96%以上。