光气法合成氯甲酸辛硫酯*

杨振宁，杜祥伦

(重庆长风化学工业有限公司 光气衍生物工程技术研究中心，重庆 401221)

光气是一种剧毒气体，在第一次世界大战期间被用作化学武器。吸入高浓度的光气会引起严重的肺部刺激，并导致潜伏性肺水肿。由于光气的安全性问题和监管要求限制了其应用范围。作为一种活泼的亲电试剂，光气广泛用于有机合成中作为提供羰基结构的原料，如氨基甲酸酯、碳酸酯、异氰酸酯、脲类、杂环的合成等，光气也用作氯化、脱水、烷基化、脱烷基化等反应的试剂。

氯甲酸辛硫酯(S-octyl chlorothioformate)用于合成除草剂原药哒草特。以哒草特为有效成分的除草剂可用于玉米、薄荷、豆类等作物杂草防治，对于难以控制的阔叶杂草具有很好的效果。哒草特可用于防治困难的红根苋和长芒苋，且对环境友好，无污染[1]。也有报道氯甲酸辛硫酯用于合成酰胺类杀虫剂和药物的[2～4]。

EF Rogers等人[5]将 180 g(1.23 mol)1-辛硫醇和 97.2 g(1.23 mol)吡啶在 1 h 内滴加到 2000 g 12.5% 光气的苯溶液中，用冰水浴降温使温度保持在 10～12 ℃，使反应混合物升温至室温并搅拌 21 h。将反应混合物过滤出吡啶盐酸盐并用无水苯洗涤，滤液浓缩后再次过滤，进一步浓缩得到油状氯甲酸辛硫酯。该方法采吡啶为催化剂和大量苯作为溶剂，吡啶和苯的回收都较为麻烦，限制了该方法的工业化应用。本文直接采用三乙胺为催化剂，不在另外加溶剂，1-辛硫醇和光气为原料反应，经过氮气赶气后得到氯甲酸辛硫酯，避免了溶剂回收等步骤，并利用气相色谱法对产品纯度进行分析。

1 实验部分

1.1 试剂

1-辛硫醇(AR分析纯)，来自上海阿拉丁生化科技股份有限公司；三乙胺(AR分析纯)，来自成都市科隆化学品有限公司；光气(工业级)为重庆长风化学工业有限公司生产。

1.2 实验方案

称取 100 g 1-辛硫醇和 0.5 g 三乙胺，加入 500 mL 的烧瓶中，光气通过插入管缓慢均匀地通入到烧瓶中，总量约 70 g。反应期间，通过低温恒温反应浴控制反应温度在 0 ℃ 左右，光气通入完毕后常温保温 2 h，然后用氮气赶气，去除反应液中残留的光气和氯化氢，过滤后取样用气相色谱法进行分析。应当注意的是，光气有剧毒，该反应过程必须在带有通风监测系统的通风橱中进行，反应产生的尾气必须通过烧碱洗气系统彻底进行吸收。

1.3 测试与表征

本实验采用美国安捷伦科技有限公司的7820 A 型气相色谱仪分析样品，仪器设置参数如下：汽化室温度 270 ℃，分流比30∶1，柱箱程序升温 120 ℃—15 ℃/min—270 ℃(10 min)，色谱柱载气流速 1.5 mL/min，FID 加热器 300 ℃，空气流量：400.0 mL/min，尾吹气流量(N2)25.0 mL/min，进样量 0.4 μL。色谱柱型号：HP-5，30 m×320 μm×0.25 μm。

2 结果与讨论

2.1 氯甲酸辛硫酯的合成

一般而言，以醇为原料和光气反应不需要使用催化剂，醇作为亲核试剂直接进攻光气中的碳氧双键，脱去氯化氢后得到氯甲酸酯。例如，氯甲酸正辛酯(n-octyl chloroformate)的合成。如图1所示。

就亲核能力而言，硫醇巯基上S的亲核能力要强于醇羟基上的O。然而，1-辛硫醇与光气直接反应的速率十分缓慢，远不及1-辛醇与光气反应的速率。笔者认为，这是因为硫的原子半径较大阻碍了其进攻光气的亲电中心。

采用叔胺作为催化剂可以有效促进反应进程，并使得反应在较低的温度下进行。叔胺的催化作用来源于其可以和光气形成离子化合物，叔胺和光气离子化合物的结构已经得到了较为充分的研究证实[6～7]，这种离子化合物和硫醇之间进行亲核取代反应要容易得多。

光气-三乙胺离子化合物形成如图2所示。

Ali Osman Konuray等人[8]研究了叔胺催化硫醇环氧加成的反应机理，并推测[R-S--铵根]离子对中间体的存在。笔者推测，硫醇与光气-三乙胺离子化合物反应更容易的原因也可能是形成了离子对中间体，更加有利于亲核取代的进行。

离子对的形成及离子对内的亲核取代反应如图3所示。

2.2 反应温度对产品纯度的影响

结合气相色谱仪分析结果(图4)，在 1.47 min 处的1-辛硫醇原料峰消失，表明反应已经到达终点。

本反应过程中，控制适当的反应温度有利于生成的氯化氢及时以气体形式排出，温度过高又有可能导致氯甲酸辛硫酯与原料1-辛硫醇反应生成碳酸酯，也有可能导致碳硫键断裂形成其它杂质。本文考察了反应温度对产品纯度的影响，结果见表1。

表1 反应温度对产品纯度的影响

由表1可知，当反应温度超过10℃后，随着反应温度的升高，产品纯度反而有所下降。这是因为氯甲酸酯类化合物的稳定性较差，反应温度稍高就可能导致分解，产生氯代烃等杂质。另外，温度过高也容易导致碳酸酯的生成。结合实验结果来看，光化反应控制温度0℃左右是比较合适的。

2.3 反应时间对产品纯度的影响

在确定反应温度对反应时间的影响基础上，进一步考察了反应时间对产品纯度的影响。

表2 反应时间对产品纯度的影响

实验表明，反应时间低于25 h时，产品纯度较低，这主要是由于较短的反应时间导致原料未能完全转化；当反应时间控制在27～31 h时，产品纯度达到99.8 %以上；反应时间超过31 h后，产品纯度反而略有降低，这可能与反应产生的杂质增多有关。

2.4 催化剂回收套用对产品纯度的影响

图2中介绍了三乙胺盐酸盐在光气作用下再生的反应机理。为了验证三乙胺盐酸盐的催化效果，进一步开展了催化剂回收套用实验，分析了产品纯度。

实验证明，在完成首批光化反应后，先采用氮气赶气，然后过滤，得到的三乙胺盐酸盐直接继续用于下一批光化投料的催化剂。考虑到催化剂的损失，另外补加0.1 g三乙胺。表3表明，对于次数不多的套用，重复使用三乙胺盐酸盐为催化剂对于产品的纯度没有明显的影响。

表3 催化剂套用对产品纯度的影响

3 结论

以1-辛硫醇和光气为原料，采用三乙胺为催化剂合成氯甲酸辛硫酯，并探讨了三乙胺催化酰基转移反应的机理。本方法避免了大量溶剂和缚酸剂的使用和回收，经过滤后催化剂可直接用于下一批投料循环使用。当温度为0 ℃，反应时间29 h左右时，产品纯度达到最高。结合标准样品比对，证明该产物即为目标产物。本方法操作工艺简单，反应可控，成本较低，而且产物的收率和纯度都较高，特别适用于大规模工业化生产。