麥草畏的生產工藝設計.doc

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1、學 號： 專業課程設計題 目麥草畏的生產工藝設計學 院化學化工學院專 業化學工程與工藝班 級姓 名指導教師楊輝瓊、陽海、劉華杰2014年7月4日專業課程設計任務書一、設計時間2014年6月23日-2014年7月4日（第18和19周）二、設計題目麥草畏的生產工藝設計三、設計的目標化合物本次設計的目標化合物為麥草畏，其結構式如下：四、設計任務1、根據所給目標化合物設計一條合理的合成路線，并給出文獻支持。2、設計相應的工藝流程（要求有方框流程圖），并對工藝流程操作進行簡述。五、設計要求每個學生要全面認真地完成課程設計所規定的設計任務，查閱有關文獻、設計規范、手冊等資料，獨立按時完成任務；要正確綜合運

2、用所學的基礎理論，來分析和解決課程設計中的問題；要正確掌握課程設計的設計方法和計算方法，設計方案要正確，步驟要清楚、簡練；設計說明書要求邏輯清晰、層次分明、書寫整潔，圖紙表達內容完整、清楚、規范。六、課程設計進度安排序號設計內容所用時間1查閱文獻資料2天2設計合成路線，給出文獻支持2天3設計相應的工藝流程（方框流程圖），并對工藝流程操作進行簡述4天4編寫設計報告書2天合 計10天七、課程設計考核方法及成績評定本課程設計采用優秀、良好、中等、及格、不及格5級記分制。評分的主要依據為：說明書和圖紙的質量，獨立完成設計的工作能力。目 錄目 錄31 目標化合物的概述12 目標化合物已有合成線路簡介33

3、 目標化合物已有合成線路優劣分析94 目標化合物新合成線路設計105 最優合成路線的工藝流程設計（方框流程圖）及工藝流程操作簡述125.1 工藝流程設計125.2 工藝流程操作簡述136 總結14參考文獻151 目標化合物的概述麥草畏（Dicamba）又名百草敵（Banvel）化學名2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸，屬安息香酸系的除草劑，具有內吸傳導作用。對于一年生和多年生闊葉雜草有顯著的防除效果。麥草畏用于苗后噴霧，藥劑能很快的被雜草的葉、莖、根吸收，通過韌皮部及木質部向上下傳導，多集中在分生組織及代謝活動旺盛的部位，阻礙植物激素的正?；顒?，從而使其死亡。禾本科植物吸收藥劑后能很快的進行代謝分

4、解使之失效，故表現較強的抗藥性，對小麥、玉米、谷子、水稻等禾本科作物比較安全。麥草畏在土壤中經微生物較快分解后消失。用后一般24小時闊葉雜草即會出現畸形卷曲癥狀，1520天后死亡。同時，麥草畏與其它除草劑2甲4氯混配使用不僅可擴大殺草譜，而且可以減少麥草畏的用量，提高對麥苗的安全性1-3。王東華4等人通過對闊葉類雜草防除實驗，發現20 %農盛水劑（有效成分草甘膦和麥草畏）對非耕地雜草具有較好的防除效果。商品名：百草敵、Dicamba，Banvel化學名：2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸理化性質：白色結晶，比重 1.57（25 ），M.p. 114116 ，閃點 150 ，25 時溶解度：水 0.

5、65 g/100 ml，乙醇 92.2 g/100 ml，異丙醇 76.0 g/100 ml，丙酮 81.0 g/100 ml，甲苯 13.0 g/100 ml，二氯甲烷 26.0 g/100 ml，二噁烷 118.0 g/100 ml。王艷等人5做了幾種化學除草劑在草坪上的實驗研究，通過田間實驗、調查和室內測定分析，初步篩選出適用于防除草坪闊葉雜草的除草劑和適宜的濃度：麥草畏3 L/公頃，綠磺隆150 g/公頃。2甲4氯3 kg/公頃+麥草畏3 L/公頃，2,4-D丁酯3 L/公頃+2甲4氯3 kg/公頃。它們的鮮重除草率均在80 %以上。這些除草劑對草坪草無藥害，對草坪的鮮重、干重、側根、

6、根狀莖等生長指標無不良影響，減少雜草危害，有利于草坪生長發育，并能提高草坪覆蓋度。這對于我國園林綠化建設中迅速發展的城市草坪管理養護、雜草防除有重要意義。Jack S.N等6認為已經商品化或在實驗階段的除草劑的數量很大并且每年在不斷的增長，確實需要一種能夠用于人畜食用作物植物種子的出土前和出土后施用的廣譜除草劑而沒有農藥劇毒物的殘留。作物農藥殘留原因有很多，其中之一是人們對于殺蟲劑和除草劑的過分依賴和大量施用，在作為食物或食物來源的動植物體內累積。例如被人們廣泛使用的殺蟲劑DDT，它會在某些人體器官的脂肪組織中累積而不被代謝排出體外。事實上，我們需要的除草劑應該是既要能對闊葉和窄葉雜草有效，又

7、要能用于作物的種子出土前后施用，而且應該是低殘留或是無殘留的。烷氧基多氯代苯甲酸系列物質正是符合了低殘留的要求，2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸（即麥草畏）就是其中之一。該類物質具有高的選擇性，能夠用來防除草坪、牧地、谷類等作物中的雜草，尤其是大麥、小麥、燕麥之類。也可以用來有效控制卷心菜、甘藍、菜花、油菜等作物中一年生雜草。對一年生及多年生闊葉雜草，如豬殃殃、大巢菜、養麥蔓、藜、牛繁縷、播娘蒿、蒼耳、薄塑草、田旋花、刺兒菜、問荊、鱧腸、篇蓄、香薷、蓼、薺菜、繁縷等200多種闊葉雜草防除效果頗佳。同時，麥草畏可以和其它除草劑復配使用，如氯代烷基芳基脲類、2,4-D、2甲4氯、氯代酯等。隨著綠麥隆

8、和甲磺隆制劑的禁用和限用，麥草畏的需求量將越來越大，市場前景看好。麥草畏作為一種低毒、高效、廣譜的除草劑，現已在國外農業上獲得廣泛的應用。因此，作為我國這樣一個農業大國，麥草畏具有較大的應用前景。麥草畏的開發生產，對我國的農業生產和出口創匯具有十分重要的意義。2 目標化合物已有合成線路簡介麥草畏由于有著良好的除草效果以及廣闊的市場前景，引起了越來越多的人對其化學合成的關注。迄今，已有許多合成路線。早期比較全面的合成報道有（1）Sidney. B. R等人7先將1,2,4-三氯苯和氫氧化鈉溶于甲醇中，溶液轉移至高壓釜加熱。反應結束后，冷卻過濾出酚鈉，溶于熱水中。用濃鹽酸酸化后得到粗產物2,5-二

9、氯苯酚（收率90 %）。將他溶于乙醚，無水硫酸鎂干燥，過濾，蒸出乙醚后得到較純的白色產品。將上述制得的2,5-二氯苯酚溶于氫氧化鉀的水溶液，投入到溶劑二甲苯中加熱共沸脫水，直到將水除盡后得到了酚鉀溶液。轉移該溶液于帶有攪拌和加熱裝置的高壓釜中，通二氧化碳加熱反應，冷卻后開啟高壓釜，得到產品的鉀鹽和未反應的原料酚鉀，鹽分離后溶于熱水中，過濾酸化沉淀，干燥得到產品3,6-二氯水楊酸，收率42 %。將所得的酸溶于氫氧化鈉水溶液中，冷卻，攪拌下滴加過量的硫酸二甲酯，冷卻下保溫攪拌，另一份硫酸二甲酯加入，保溫攪拌，然后混合物回流，再加入氫氧化鈉水溶液回流。冷卻反應物后用濃鹽酸酸化至剛果紅。過濾出固體，溶

10、于乙醚，干燥，過濾后蒸除乙醚得到淺黃色固體2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸，收率65 %。用戊烷重結晶得到固體。同時，他們也進行了合成反應路線的嘗試：在低溫和高溫下合成目標物，發現均不理想。合成反應路線如下圖1-1所示。圖1-1（2）Ochiai M.C等人8以2,5-二氯苯酚為原料，使其在氫氧化鈉作用下與3-鹵代丙烯反應生成6-烯丙基-2,5-二氯苯甲醚，然后在氫氧化鉀的甲醇溶液中加熱，異構化生成2-丙烯基-3,6-二氯苯酚，然后用硫酸二甲酯通過甲基化反應得到2-丙烯基-3,6-二氯苯甲醚，最后在硝酸和釩酸銨的作用下回流得到了目標分子2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸?？偸章室?,5-二氯苯酚計為

11、32.4 %。反應合成線如下圖1-2所示。圖1-2（3）Manfred B.等人9-10認為美國專利（U.S. Pat.）No.3013054雖然提供了在二甲苯中加壓通二氧化碳羧基化2,5-二氯苯酚鉀來制備3,6-二氯苯甲酸的方法，但該反應收率較低（僅29 %）。他們通過實驗發現，在二氧化碳羧基化2,5-二氯苯酚鉀混合液反應中添加一定量精制的無水碳酸鉀可明顯提高3,6-二氯苯甲酸的收率。他們參照U.S.Pat.No.3297427將3,6-二氯苯甲酸進行甲基化反應生成有價值的麥草畏。反應合成路線如下圖1-3所示。圖1-3（4）Dong W. K.等11認為U.S.Pat.No.3013054報

12、道的合成除草劑2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸的過程中，所用的起始原料l,2,4-三氯苯在轉化為2,5-二氯苯酚的反應過程中會產生多種異構體（如2,4-二氯苯酚，3,4-二氯苯酚等），這些異構體由于熔點、沸點和溶解度接近，給分離提純帶來很大的困難，影響了最終產品的純度。由此，他們改進了工藝，避免了反應中產生異構體。采用主要來自已經工業化生產的3-氨基-2,5-二氯苯甲酸的副產物2-氨基-3,6-二氯苯甲酸作為起始原料，先制成相應的重氮鹽，水解該重氮鹽得到2-羥基-3,6-二氯苯甲酸，然后甲基化即可得到2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸。反應路線如下圖1-4所示。圖1-4（5）Heinz等人12以2,

13、5-二氯-4-溴苯酚為原料，經甲醛羥甲基化反應生2-羥基-5-溴-3,6-二氯芐醇，然后先甲醚化反應再脫溴或先脫溴再甲醚化反應生成2-甲氧基-3,6-二氯芐醇，最后再氧化生成目標分子2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸。具體為：化合物I經脫溴反應至化合物II可以通過電解和催化的方法，而從化合物IV到化合物V最好是催化法?；衔颕通過2,5-二氯-4-溴苯酚羥甲基化及甲醚化酚羥基即可得到，電解脫溴是在裝有陰極區、陽極區、多孔陶瓷隔膜的電解池中進行的。陽極區的合適電解液可以是稀的氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液。陽極浸入電解液中，它是在電解狀態下呈惰性的導電材料，如可由石墨、鉛等組成。陰極區裝有質子溶劑如水和低級

14、醇的混合液、乙腈、二氧六環、DMF等，對電解液如氫氧化鈉、氫氧化鉀等有足夠大的溶解性。另外，陰極應提供足夠高的陰極電位，如銅電極。當然也可以是鎳、錫、鉛、鋅、汞等。陰極電位受陰極材料和電流密度的影響，陰極電位和溫度應該不宜過高或過低，能使溴快速脫去而不影響其它的取代基團。電解適合是在改變電流密度下使用銅陰極。脫溴反應的終點可以通過分析反應產生氫氣質量和電量多少來決定。通過催化脫溴的方法可以使用Pd-C的形式，溶劑可以是甲醇或甲醇和水復配物。添加少量的醋酸鈉或氫氧化鈉有利反應。B法合成第一步用加氫催化劑催化脫溴2-羥基-5-溴-3,6-二氧芐醇，第二步將酚羥基甲醚化，第三步氧化羥甲基為羧基。從化

15、合物到化合物V可以是在鈀碳催化下常壓加氫，甲醚化反應使用常用的硫酸二甲酯。最后，通過A法和B法合成的化合物II用常用的氧化試劑如熱的堿性高錳酸鉀溶液氧化或過氧化鎳，當然利用鉑催化下通氧氣氧化的方法是比較經濟的。Heinz等做了A法和B法不同條件下的平行實驗，得到了滿意的結果。具體反應合成路線如下圖1-5所示。Method A：Method B:圖1-5當然，關于麥草畏的合成，也許有許多報道是使用其關鍵中間體作為原料，通過一步反應直接制得的。如Velsicol C. C申請專利13-17中報道的直接將3,6-二氯水楊酸溶于氫氧化鈉、水中，冷卻，加入硫酸二甲酯，充分攪拌。保溫后，再加入硫酸二甲酯，

16、保溫后，混合液回流，加氫氧化鈉和水，再回流，冷卻，濃鹽酸酸化至剛果紅。過濾出固體，乙醚溶解，干燥，過濾，減壓蒸除乙醚，即得淺黃色2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸，戊烷重結晶，收率65 %。此外，該機構研究人員還做了嘗試18，將 3,6-二氯水楊酸溶于氫氧化鈉水溶液中，在一定條件下通一氯代甲烷。反應期間加適量的氫氧化鈉溶液保持pH在1012之間。反應后，放出多余的其它，再加入一定量的氫氧化鈉溶液，加熱回流，充分水解形成的酯。酸化混合液得到2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸。同時他們指出，如果用純的起始原料，相同條件下可得純品酸。Jack S. N.19他們研究了將100份2,3,6-三氯苯甲酸加到裝有

17、過量甲醇和甲醇鈉的壓力釜中加熱攪拌反應，測定氯離子濃度超過理論量后即可冷卻，停止反應。減壓蒸除甲醇得到油狀殘留物，色譜分析有目標分子存在，通過水和甲醇的分步重結晶得到了產品。Arct J.等人20-21研究了在一定時間內將硫酸二甲酯滴加到3,6-二氯水楊酸和氫氧化鈉、水的混合液中，加熱反應，然后加入氯化鈣、NaCl、水的混合液，攪拌并加熱反應，冷卻過濾，酸化處理出產品并回收原料，收率64 %?？梢钥闯?，該過程類似上面用硫酸二甲酯的方法，只不過在后處理過程中添加了氯化鈣、氯化之類的物質使反應完全。我們簡單的將上述反應過程合成路線表述如下圖1-6所示。圖1-6上述4種部分合成麥草畏的方法給我們完成

18、其合成提供了很好的參考價值。3 目標化合物已有合成線路優劣分析關于2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸的全合成，我們分析前面5條比較全面的合成路線可以知道：路線（1）雖然合成路線短，方法簡單，但對于1,2,4-三氯苯轉化為二氯苯酚的反應過程中，副反應多，給分離提純帶來困難。影響了整個路線的經濟性，且三步反應總收率僅為24.6 %。路線（2）過程較長成本高，總收率以2,5-二氯苯酚計為32.4 %。路線（4）原料價格較高，不易得到。路線（5）的缺點也是過程長，成本高。而路線（3）工藝簡單，合成步驟少，原料易得，我們參考它來合成目標分子麥草畏，并提高反應的收率。4 目標化合物新合成線路設計對于2-甲氧基

19、-3,6-二氯苯甲酸全合成的起始原料2,5-二氯苯酚，考慮到實現其工業化的要求，我們還是自行合成為主。Masataka W. N.等人22提出制備多鹵代苯酚可以是先將多鹵代苯胺與濃硫酸混合生成硫酸鹽，然后與亞硝酸鈉反應生成重氮鹽，最后加熱水解得到多鹵代苯酚，且過程中使用的硫酸可以回收。反應路線如下圖1-7所示。圖1-7從上面我們的合成路線設計可以知道，在合成了2,5-二氯苯酚之后還需合成關鍵中間體2-羥基-3,6-二氯苯甲酸。對于2-羥基-3,6二氯苯甲酸的合成，我們參考了文獻報道后發現，一般通過二氧化碳羧基化反應生成目標分子3,6-二氯水楊酸較為經濟可行，現工業化生產。如Becher M.等

20、人23-25先將2,5-二氯苯酚和氫氧化鉀在二甲苯中加熱共沸脫水生成2,5-二氯苯酚鉀，然后投入到高壓釜中，加入無水碳酸鉀，在一定條件下通二氧化碳，然后加熱攪拌，反應得到3,6-二氯水楊酸，收率62.2 %。因此我們參考該合成方法來合成3,6-二氯水楊酸，并提高其反應收率。最后，為完成麥草畏的全合成，我們將該酚甲醚化反應，從上面的合成（圖1-1圖1-6）我們發現，雖然使用的甲醚化試劑硫酸二甲酯毒性大，但若用氯代甲烷，則反應條件苛刻，一般要在高壓釜中反應。而使用硫酸二甲酯所需實驗條件溫和，產品易處理，收率好。至此，我們完成了麥草畏的合成路線的設計，如下圖1-8所示。通過各步反應的工藝優化，簡化操

21、作，提高收率，為實現麥草畏生產的工業化打下一定的基礎。圖1-85 最優合成路線的工藝流程設計（方框流程圖）及工藝流程操作簡述5.1 工藝流程設計本設計的生產工藝的操作方式采用的是間歇操作， 整個工藝總體上分為三個工段，包括重氮化、羧基化、皂化三個單元反應，和減壓操作、蒸餾、過濾、壓濾、抽濾、重結晶等一系列單元過程。以方框和圓框分別表示單元過程及單元反應，以箭頭表示物料和載能介質流向，該設計的生產工藝流程方框圖如下所示： 5.2 工藝流程操作簡述（1）2,5-二氯苯酚合成：向釜內計量投入2,5-二氯苯胺、濃硫酸，加熱至2,5-二氯苯胺完全溶解，將2,5-二氯苯胺的硫酸溶液快速冷卻，將上述溶液放至

22、重氮化反應釜，在低溫下邊攪拌邊加入一定比例的亞硝酸鈉的固體鹽。把反應液緩慢加熱至70 左右，加入到熱的75 %的濃硫酸中。反應畢，低溫冷卻，抽濾，得2,5-二氯苯酚。（2）3,6-二氯水楊酸（以下簡稱水楊酸）合成：向水楊酸成鹽釜計量投入二甲苯、苯酚和50 % KOH，升溫脫水后，降溫放料至羧酸化釜，降溫，加入無水碳酸鉀，通CO2置換，加壓平穩后，升溫至一定溫度、壓力，保溫畢，降溫泄去壓力，加水溶鹽。將上述料液放至酸化釜內，進行酸化處理，降溫過濾，得水楊酸。（3）2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸合成：向2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸合成釜內投入甲醇、水楊酸、水、NaOH（溶液），升溫溶解后，滴加硫

23、酸二甲酯，保溫，加堿升溫皂化，脫去溶劑，加水稀釋，壓濾去鹽，酸化、降溫、過濾、重結晶得2-甲氧基-3,6-二氯苯甲酸。6 總結我們先介紹了安息香酸系除草劑對小麥等禾本科作物田防除一年或多年闊葉雜草良好的防除效果。然后介紹了其化學合成的研究進展，在參考了多種合成路線的基礎上，通過分析比較，我們設計了一條比較適宜的路徑來合成目標物。以2,5-二氯苯胺為起始原料，經重氮化，水解得到2,5-二氯苯酚，經成鹽脫水，羧化反應，甲醚化反應合成了麥草畏。通過對工藝條件的優化，解決了收率低的問題。本實驗路線原料易得，反應得率較高。特別是第一步的硫酸可以回用，回用率為80 %，既可以降低成本又可以減少環境污染，比

24、較適合工業化大生產。兩周的課程設計結束了，在這次的課程設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。課程設計是我們專業課程知識綜合應用的實踐訓練，著是我們邁向社會，從事職業工作前一個必不少的過程?！扒Ю镏惺加谧阆隆?，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義。我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎。參考文獻1 馮維卓.江蘇農藥, 1989, (1): 19-21.2 高生,李鳳和.黑龍江農業科學, 1989, (4): 8-12.3 李善林.中國草地, 2001, 23

25、(6): 73-74.4 王東華,嚴雪芳.江蘇農藥, 2001, 23(3): 31-32.5 王艷,陳中林,代保清,李超.遼寧大學學報,1998, 25(4): 389-392.6 Jack S. N. , Wilson S. Y. . US Patent 3444192, 1969.7 Sidney B. R. . US Patent 3013054, 1961.8 Ochiai M. C. , Kamikado T. . Japan Patent 7305574, 1973.9 Eckstein Z. , Alster K. , Domanska H. . Przem. Chem. 19

26、79, 58(10): 533-536.10 Manfred B. , Richard S. . US Patent 4232172, 1980.11 Dong W. K. . US Patent 4161611, 1979.12 Heinz M. B. , Richard S. . US Patent 3928432, 1975.13 Velsicol Chemical Corp. . GB Patent 901553, 1962.14 Velsicol Chemical Corp. . FR Patent 1345638, 1963.15 Velsicol Chemical Corp. .

27、 US Patent 3297427, 1965.16 Aken M. R. . GB Patent 1038065. 1966.17 Matyakh F. A. , Filimonor B. F. , Gusar N. I. . USSR Patent 345129, 1970.18 Velicol Chemical Corp. . Ne Patent 6506507, 1965.19 Jack S. N. , Wilson N.Y. . US Patent 3444192, 1969.20 Cieslak M. , Koperska M. , Eckstein Z. . Pol Paten

28、t 85546, 1973.21 Arct J. , Cieslak M. , Ecktein Z. Kopresk M. . Pol Patent 78848, 1975.22 Nagareyama M. W. , Hiratsuka N. O. , Yokohama S. I. . US Patent 4005151.23 Gusar N. I. , Filimonor B. F. , Bryzh A. S. . USSR Patent 292955, 1971.24 Sankichi T. , Minoru N. , Atsushi S. . Japan Patent 8965, 195

29、8.25 Becher M. , Sehring R. . DE Patent 2922340, 1980.14化學化工學院課程設計評分表專業班級 姓名 學號 評價單元評價要素評價內涵滿分評分知識水平30%文獻查閱與知識運用能力能獨立查閱文獻資料，并能合理地運用到課程設計之中；能將所學課程（專業）知識準確地運用到課程設計之中，并歸納總結本課程設計所涉及的有關課程知識30課程設計方案設計能力課程設計整體思路清晰，課程設計方案合理可行說明書質量50%文題相符與課程設計任務書題目相符，內容與文題相符50寫作水平整體思路清晰，結構合理，層次分明，語言表達流暢，綜合概括能力強寫作規范符合課程設計說明書的基本要求，用語、格式、圖表、數據、量和單位及各種資料引用規范（符合標準）；符合課程設計規定字數學習表現20%工作量課程設計工作量飽滿，能按時完成課程設計規定的工作量20學習態度學習態度認真，遵守課程設計階段的紀律，作風嚴謹，按時完成課程設計規定的任務，按時上交課程設計有關資料指導教師評定成績：實評總分；成績等級 指導教師（簽名）注：按優（90-100分）、良（80-89分）、中（70-79分）、及格（60-69分）、不及格（60分以下）五檔制評定成績。