草铵膦国内绿色化学合成生产工艺点评与展望

　　据“草铵膦的绿色化学合成”（2015年第23期或“农药快讯信息网”）一文转述的浙工大研究员“草铵膦的合成与绿色化学探讨”，我来对国内已在线的草铵膦项目建言。 
　　1  史塔克（Strecker）路线 
　　浙江南部某企业格氏法制甲基亚膦酸二乙酯，膦化丙烯醛后经史塔克（Strecker）反应得草铵膦，总体看来合成路线正确，细节方面有3个问题待改。 
　　（1）膦化收率低，工艺条件未选好。甲基亚膦酸二乙酯膦化丙烯醛，文献参考资料少，这步Michael加成、亲核取代SN2反应，可以参考亚磷酸三甲酯（或亚磷酸三乙酯）与丙烯醛反应的文献。例如芝加哥大学Harvey的文章，这是最着名的关于Micheal加成的论文；巴斯夫（1975年）专利中，亚磷酸三甲酯与丙烯醛加少量乙醇于70℃反应2小时，收率85%。而甲基亚膦酸二乙酯比亚磷酸三甲酯活性高，收率可以更高。 
　　（2）甲基亚膦酸二乙酯纯度低。国内从甲基亚膦酸二乙酯至成品的收率长期以来约54%，近期才提高到近70%。拜耳US6359162专利中，从甲基亚膦酸二乙酯至草铵膦一锅法工艺收率近100%。验证德国人的专利时，须注意其所用的原料纯度。这篇专利在中国的申请日是1998年8月8日，CN1261442C，仍在保护期。而Hoechst不是一锅法的专利20世纪80年代就有。 
　　甲基亚膦酸二乙酯纯度低的原因，是格氏法所用的前体、二乙氧基氯化磷，现由亚磷酸三乙酯与三氯化磷酯交换而得，二乙氧基氯化磷其沸点与所用原料亚磷酸三乙酯几乎相同，常规方法无法分离，导致投料至格氏反应的二乙氧基氯化磷纯度低下，直接影响到甲基亚膦酸二乙酯纯度。 
　　（3）工序多、工艺过程冗长，效率低下，未能连续化自动化生产，生产线设备投资额高；收率低导致分离困难和“三废”量大。拜耳的草铵膦原料成本约4000美元，而国内的加工费用及污水治理费都不止此数。 
　　2  由甲基亚膦酸二乙酯出发的其它路线 
　　浙南企业是国内草铵膦工业化成功的第一家，其合成工艺鉴定会内容发布上网，技术泄密和扩散是不可避免的，流传出来的所谓该企业内部的技术资料往往是水货。 
　　国内众企业跟进浙南草铵膦项目时，收率经常低至得不到固体粉料，于是放弃史塔克路线进行技改。 
　　河北和江苏的工厂仍由格氏法制得的甲基亚膦酸二乙酯，与12-二溴乙烷或12-二氯乙烷做阿巴索夫（Arbusov）膦化得(O-乙基)甲基膦酸2-卤代乙酯，用此中间体对DEAM（乙酰氨基丙二酸二乙酯）烷基化，再水解脱羧得草铵膦，总收率约75%。不用氰化钠，分离过程无氯化铵存在，可稳定地产出固体粉料；废水量比目前的史塔克工艺少。缺点是DEAM等不是大宗化工产品，价格偏高，总成本与目前浙南企业平手。 
　　3  甲基二氯化膦及酮酸路线 
　　3.1  苏南的MDP(甲基二氯化膦) 
　　氯甲烷＋三氯化磷＋三氯化铝，气液固三者在溶剂中加压反应后，分离去溶剂和过量的三氯化磷得到络合物，先还原反应再解络合得MDP，该合成路线笔者在《草铵膦国外工业化路线的探讨和启迪》中已述，现闻苏南二家此法在线。 
　　Shell公司（1956年）的第一篇专利的标题“三元络合物……”，国外一直称三元络合物法，国内称“三氯化铝法”不恰当，“铝法”更不妥，因为铝粉仅是还原络合物时所选用的一种原料，不是最佳选择，用氢气、铁粉或黄磷都比铝粉效果好。 
　　参与反应的原料有3个，氯甲烷与三氯化磷是傅克（Friedel-Crafts）反应，所得的络合物视三氯化铝的投料量有两种，[MePCl3]+·[AlCl4]-或[MePCl3]+·[Al2Cl7]-，前者是固体后者是液体，后者所需的分离设备较简单。 
　　还原反应把[MePCl3]+·[AlCl4]-或[MePCl3]+·[Al2Cl7]-变为[MePCl2]·[AlCl3]或[MePCl2]·[Al2Cl6]，此时仍是络合物，需用某种与三氯化铝络合力更强的试剂如氯化钠或苯甲腈，取代得到MDP。 
　　用铝粉还原劣处是产生了更多的三氯化铝，需用更多的解络合剂。用黄磷还原，通常需加碘，解络合前需蒸发三氯化磷。 
　　用氯化钠解络合的操作，140℃左右才馏出MDP，假如釜内氯化钠和三氯化铝比例高，需加热到更高温度物料才能沸腾，理论上150℃时MDP开始分解为二甲基一氯化膦和三氯化磷。所以说，三氯化铝多了，蒸出的MDP减少，并且纯度下降。 
　　三元络合物法制MDP，国外未商业化。 
　　此路线的收率以三氯化磷（已扣除回收量）计约65%，原料成本3万元/吨MDP。苏南企业的实际成本不详。 
　　3.2  酮酸路线 
　　苏南企业用三元络合物法所得MDP（甲基二氯化膦）制甲基亚膦酸二乙酯，成本比格氏法高，遂采用酮酸路线，不失为良策。 
　　MDP与丙烯酸生成双酰氯，再用乙酐酐交换得膦环酸酐，两步合计99%收率（Hoechst 1977US4062888），实际碳架结构C-P-C-C-C，用草酸酯经克莱森（Claisen）缩合，再脱羧得酮酸即α-羰基-4-(羟基甲基膦酰)丁酸，两步合计75%收率。在氨水中加氢，或经刘卡特（Leuckart）反应得该氨基酸收率为95%，从MDP至草铵膦总收率为70%。每吨成品草铵膦消耗MDP约800 kg，其它原料耗资2万元，总成本优于浙企。这是理想状况。 
　　事与愿违，苏南企业酮酸工艺的成本并不低于浙企，怎么啦？ 
　　成败取决于细节，魔鬼藏在细节中。笔者揣测是克莱森缩合收率未做上去，未达到80%以上收率，原因是中间体膦环酸酐的酸值过高，这是MDP纯度低的间接后果。 
　　拿到一手好牌，未赢，可惜了。 
　　4  草铵膦纵横对比、趋势展望 
　　4.1  国内史塔克路线 
　　一个化学品，可以用不同原料来生产，也可以用相同原料经历不同的合成路线生产，化工研究做的是“过程研究”（process research），过程问题不会只有一种答案，凡是存在的即是合理的。 
　　笔者观点，今后能够存在的草铵膦合成路线，按中间体可分为两种，甲基亚膦酸单烷酯和甲基亚膦酸二烷酯，这两个中间体都应由MDP（甲基二氯化膦）生产。 
　　从甲基亚膦酸二乙酯出发，惟有史塔克路线有很大改进余地，今后可做到90%以上收率，DEAM（乙酰氨基丙二酸二乙酯）等路线是权宜之计，即便改进也做不到80%的收率。 
　　制甲基亚膦酸二乙酯从MDP（甲基二氯化膦），需要特制设备，收率90%～98%。 
　　酮酸路线因克莱森缩合收率低，成本远高于史塔克路线。 
　　勿忽视酮酸路线，他有一独特优点，可以合成L-草铵膦。酮酸路线的最后一道工序，羰基转化为氨基，可以“选择性加氢”、不对称合成光学活性的草铵膦，平均ee 91%。 
　　4.2  L-PT(活性草铵膦) 
　　草铵膦中文通用名glufosinate-ammonium，学界称phosphinothricine或phosphinothricin，缩写PTc或PT。是由一对具旋光的对映体混合而成，内混旋外消旋，可以把它拆分为二，即为左旋体和右旋体，或称顺式构型D和反式构型L，草铵膦中只有一半是有效体，即L型，或称反式，或称右旋，是手性体、有光学活性的glufosinate-ammonium，学界称L-phosphinothricin，缩写L-PTc或L-PT。笔者建议称“活性草铵膦”。 
　　L-PT（活性草铵膦）存在于自然界。 
　　明治制果用酶法制得L-PT（活性草铵膦），用于庭院除草。 
　　若干年后草铵膦禁用，但L-PT（活性草铵膦）不可能被禁，天然存在的你怎么禁？ 
　　又假如L-PT（活性草铵膦）的制造成本只有草铵膦的一半，L-PT（活性草铵膦）将取代草铵膦。 
　　磷是人体和植物必不可缺的元素，地球表面含量千分之一。开采磷矿方面，中国富磷、印度无磷，欧美惜磷。中国的富磷矿只够开采20年。 
　　可喜的是，国内一批草铵膦企业已研发、已在布局推出L-PT（活性草铵膦）；可悲的是，成本高昂。 
　　不对称合成L-PT（活性草铵膦），甲基亚膦酸单烷酯将提供很多选择，譬如与L-乙烯基甘氨酸进行自由基加成，更多的是用L-恶唑烷酮衍生物；或Michaelis-Becker反应用L-4-卤-2-氨基丁酸；甲基亚膦酸二烷酯做不了L-乙烯基甘氨酸等中间体的Micheal加成。 
　　下来再谈谈甲基亚膦酸单烷酯，瞧瞧与拜耳的差距。 
　　4.3  距离拜耳有多远？ 
　　拜耳（Hoechst 1985USP4549995）MDP（甲基二氯化膦）与异丁醇气相法制甲基亚膦酸单异丁酯，收率99.8%，不用水不用碱，过程副产是氯代异丁烷和氯化氢。 
　　甲基亚膦酸单烷酯加热至沸点时仍是稳定的，甲基亚膦酸二烷酯沸腾时将自行阿巴索夫（Arbusov）反应，放出大量热，形同爆炸。甲基亚膦酸二烷酯的纯度越高，越容易自行阿巴索夫（Arbusov）反应。 
　　拜耳从甲基亚膦酸单丁酯合成草铵膦，非史塔克路线，是自由基加成。 
　　另一个中间体ACA，acrolein cyanohydrin acetate，丙烯醛氰醇乙酸酯，用丙烯醛与氢氰酸先氰化再酯化所得（Hoechst 1980 EP19750）。这类似孟山都的IDA法中的原料羟基甲氰，利用丙烯腈的副产氢氰酸与甲醛生成。 
　　甲基亚膦酸单丁酯与ACA自由基加成，用过氧特戊酸叔丁酯引发，产物氨基腈[(3-乙酰氧-3-氰-丙基)-甲基膦酸丁酯]塔顶馏出，收率98.9%。再氨化、水解得草铵膦。 
　　收率高“三废”就少，拜耳才可以在科隆的Knapsack化工园和美国阿拉巴马州建厂。 
　　国内用黄磷试制甲基亚膦酸单丁酯，原料成本高、制造效率低，这是科莱恩2000年以来10多篇专利的内容，仍在保护期。 
　　4.4  今天，明天 
　　今天，笔者作为农药的方外人士，以下小段文，当作“草铵膦十年殇”。 
　　草铵膦热潮，十年，浙南企业首航，后有十家企业跟进，还有十家正造着船、厉兵秣马，准备下水。江湖险恶，逆水行舟，何时能抵彼岸？谁能到彼岸？ 
　　十度寒暑弹指一挥，企业家烧钱、工程师殚精竭虑，执着坚持、过程艰辛令人唏嘘。产能刚有起色，售价即遇腰斩，项目投资能收回吗？员工十年的青春光阴有什么回报？何不急流勇退！ 
　　原料消耗高出拜耳1倍、高能耗、高“三废”、未建立连续化自动化生产线、工艺技术无自主知识产权、没有一家未炸过，何谈绿色化学？ 
　　月满月亏潮涨潮落，市场经济是无情的，当草铵膦热潮退去时，有多少船搁浅，多少人裸泳？ 
　　明天，新的一天。希望在明天。 
　　十年生聚，十年教训，十年盈育。明天，中国的草铵膦将破茧而出，涅磐重生。 
　　草铵膦市场多大？草铵膦每吨卖16万元，农民用不起。卖6万元怎么样？ 
　　旧时王谢堂前燕，飞入寻常百姓家。市场经济讲商品的性价比，草铵膦药效是草甘膦的2.5～3倍，价格如果降至草甘膦的2.5～3倍时，将侵占草甘膦的市场份额。 
　　明天，中国的草铵膦项目各项经济技术指标将超过拜耳，走向世界。 
　　为中国工业的现代化，为人类文明，为让世界更美好，咱们一起努力吧! （庄建元）