情境八農(nóng)藥24D的合成精細(xì)化學(xué)品合成應(yīng)用技術(shù)09課件

教學(xué)情境八農(nóng)藥2,4—D的合成精細(xì)化學(xué)品合成應(yīng)用技術(shù)

農(nóng)藥的使用是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)的重要因素，是解決世界上70億人口溫飽問(wèn)題的有力措施。2,4-D是最早使用的除草劑之一，它還可作為植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑使用。2011年我國(guó)全年2,4-D原藥產(chǎn)量超過(guò)4萬(wàn)噸，總價(jià)值近十億元。任務(wù)一實(shí)驗(yàn)室合成農(nóng)藥2,4—D具體任務(wù)：葫蘆島市某農(nóng)藥企業(yè)擬開發(fā)2,4-D的合成新工藝；需設(shè)計(jì)2,4-D的新合成路線，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)室合成驗(yàn)證合成工藝的可行性。要求實(shí)驗(yàn)人員能夠掌握合成原理，準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)合成制備出合格的2,4-D產(chǎn)品，并具有較高的收率?！救蝿?wù)分析】

了解農(nóng)藥的基本知識(shí)；了解2,4-D的性質(zhì)及用途；根據(jù)合成路線，選擇正確的原料和合成儀器設(shè)備，確定合成實(shí)驗(yàn)的流程，完成儀器安裝，實(shí)驗(yàn)室合成出2,4-D產(chǎn)品?！鞠嚓P(guān)知識(shí)】8.1.1農(nóng)藥產(chǎn)品介紹一、農(nóng)藥及其作用農(nóng)藥是指那些具有殺滅農(nóng)作物病、蟲、草害和鼠害以及其它有毒生物或能凋節(jié)植物或昆蟲生長(zhǎng)，從而使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)達(dá)到增產(chǎn)、保產(chǎn)作用的化學(xué)物質(zhì)。它們可來(lái)源于人工合成的化合物，也可來(lái)源于自然界的天然產(chǎn)物，它們可以是單一的一種物質(zhì)，也可以是幾種物質(zhì)的混合物及其制劑。農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，農(nóng)藥在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程中具有十分重要的地位。進(jìn)入21世紀(jì)，糧食短缺已成為世界性問(wèn)題。農(nóng)藥對(duì)防治病、蟲、草害，挽回它們所造成的損失，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，有著不可替代的作用。表8-1是世界糧食作物產(chǎn)量及病、蟲、草害的損失量。如果沒(méi)有農(nóng)藥，全世界的糧食將會(huì)因病蟲害及雜草危害損失很大。8-1世界糧食作物產(chǎn)量及病、蟲、草害的損失量單位：100萬(wàn)噸作物實(shí)產(chǎn)量潛在產(chǎn)量損失量蟲害病害草害合計(jì)麥265.5355.117.833.334.585.6稻232.0438.812.739.446.7200玉米218.5339.544.032.744.3121其他谷物245.1338.121.029.941.993馬鈴薯270.8400.023.888.916.5129.2二、農(nóng)藥的分類農(nóng)藥種類很多，分類方法各異，如圖8-l所示。三、農(nóng)藥的毒性農(nóng)藥對(duì)有機(jī)體具有毒害作用，其毒害作用分為急性、慢性兩種。急性中毒是藥劑一次性進(jìn)入體內(nèi)后，在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生毒害作用的現(xiàn)象；慢性中毒則是藥劑長(zhǎng)期反復(fù)與有機(jī)體作用后，引起藥劑在體內(nèi)的累積，造成體內(nèi)機(jī)能損害的累積而引起的中毒現(xiàn)象。半致死量(lethaldose-50，簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)D50)是衡量其毒害作用的尺度，即指被試驗(yàn)的動(dòng)物(大白鼠或小白鼠)一次口服、注射或皮膚涂抹后產(chǎn)生急性中毒，50%死亡所需藥劑的量，LD50的單位是mg/kg體重。LD50數(shù)值越小，表示藥劑的毒性越大。8.1.2農(nóng)藥2,4-D的生產(chǎn)方法一、農(nóng)藥2,4-D概述2,4-D（又稱2,4-滴，2,4-D酸;2,4-二氯苯氧基乙酸;2,4-滴酸）是最早使用的除草劑之一，2,4-D還可作為植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑使用。2,4-D于1942年由美國(guó)Amchem公司開發(fā)，1945年后許多國(guó)家投入生產(chǎn)，應(yīng)用廣泛。2,4-D是以鈉鹽、胺鹽或酯的形式應(yīng)用。在我國(guó)最廣泛應(yīng)用的是其丁酯。常見的2,4-D劑型為80%可濕性粉劑，72%丁酯乳油，55%、50%胺鹽水劑。2,4-D隨使用濃度和用量不同，對(duì)植物可產(chǎn)生多種不同的效應(yīng)：在較低濃度（0.5-1.0mg/L）下是植物組織培養(yǎng)的培養(yǎng)基成分之一；在中等濃度（1-25mg/L）下可防止落花落果，能有效刺激生長(zhǎng)，誘導(dǎo)無(wú)籽果實(shí)和果實(shí)保鮮等作用；更高濃度（1000mg/L）下作為除草劑可殺死多種闊葉雜草。因此在對(duì)作物施用時(shí)一定要注意所用的量。較高濃度，抑制生長(zhǎng)，更高濃度可使植物畸形發(fā)育致死。作為芽后使用的除草劑，單子葉的禾本植物對(duì)其一定的耐受力，雙子葉的闊葉植物對(duì)其非常敏感，利用這種選擇性，可用于水稻、麥類禾本科作物田間防除闊葉雜草。1.產(chǎn)品性質(zhì)

CAS:94-75-7，分子式C8H6Cl2O3，分子量221.04，無(wú)臭白色棱形晶體或粉末。熔點(diǎn)（m.p.）140.5℃，沸點(diǎn)160℃（53kPa）。25℃水中溶解度620mg/L,可溶于液堿、乙醇、丙酮、乙酸乙醋，溶于熱苯，冷苯中溶解度較小，不溶于石油醚，不吸濕，有腐蝕性。鈉鹽m.p.215-2I6℃,室溫下鈉鹽在水中溶解度為4.5%。2.毒性屬中等毒類。急性毒性：LD50375mg/kg(小鼠經(jīng)口)；666～1313mg/kg(大鼠經(jīng)口)。二、2,4-D的生產(chǎn)原理2,4–D的合成方法有多種。工業(yè)上生產(chǎn)2,4–D主要有兩種方法：苯酚氯化縮合法，即苯酚在熔融狀態(tài)下氯化，隨后將得到的二氯酚與氯乙酸縮合，這一方法易產(chǎn)生劇毒物質(zhì)，會(huì)對(duì)周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的安全問(wèn)題，同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)人員直接造成危害。而且二氯酚與氯乙酸縮合時(shí)產(chǎn)生的大量有毒廢物會(huì)帶來(lái)費(fèi)用昂貴的三廢治理問(wèn)題。因此該法已被淘汰。苯酚與氯乙酸在堿性條件下縮合生成苯氧乙酸，再使用氯氣氯化來(lái)生產(chǎn)，為避免直接使用氯氣帶來(lái)的危險(xiǎn)和不便，可通過(guò)濃鹽酸加過(guò)氧化氫和用次氯酸鈉在酸性介質(zhì)中的氯化來(lái)代替。此種方法可防止劇毒物質(zhì)的產(chǎn)生，并克服前一方法的其他缺陷，三廢處理量小，產(chǎn)品產(chǎn)率較高，因此具有較好的應(yīng)用前景。本任務(wù)采用第二種方法，以苯氧乙酸為原料，由HCl-H2O2作為鹵化劑，通過(guò)芳環(huán)上的取代鹵化反應(yīng)合成2,4-D。反應(yīng)方程式如下：三、鹵化反應(yīng)（一）鹵化反應(yīng)及其重要性向有機(jī)化合物分子中引入鹵素（X）生成C－X鍵的反應(yīng)稱為鹵化反應(yīng)。按鹵原子的不同，可以分成氟化、氯化、溴化和碘化。鹵化有機(jī)物通常有鹵代烴、鹵代芳烴、酰鹵等。在這些鹵化物中，由于氯的衍生物制備最經(jīng)濟(jì)，氯化劑來(lái)源廣泛，所以氯化在工業(yè)上大量應(yīng)用；溴化、碘化的應(yīng)用較少；氟的自然資源較廣，許多氟化物具有較突出的性能，近年來(lái)人們對(duì)含氟化合物的合成十分重視。鹵化是精細(xì)化學(xué)品合成中重要反應(yīng)之一。通過(guò)鹵化反應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)如下主要目的：1.增加有機(jī)物分子極性，從而可以通過(guò)鹵素的轉(zhuǎn)換制備含有其它取代基的衍生物，如鹵素置換成羥基、氨基、烷氧基等。其中溴化物中的溴原子比較活潑，較易為其它基團(tuán)置換，常被應(yīng)用于精細(xì)有機(jī)合成中的官能團(tuán)轉(zhuǎn)換。2.通過(guò)鹵化反應(yīng)制備的許多有機(jī)鹵化物本身就是重要的中間體，可以用來(lái)合成染料、農(nóng)藥、香料、醫(yī)藥等精細(xì)化學(xué)品。3.向某些精細(xì)化學(xué)品中引入一個(gè)或多個(gè)鹵原子，還可以改進(jìn)其性能。例如，含有三氟甲基的染料有很好的日曬牢度；銅酞菁分子中引入不同氯、溴原子，可制備不同黃光綠色調(diào)的顏料；向某些有機(jī)化合物分子中引入多個(gè)鹵原子，可以增進(jìn)有機(jī)物的阻燃性。（二）鹵化類型及鹵化劑鹵化反應(yīng)主要包括三種類型：即鹵原子與不飽和烴的鹵加成反應(yīng)、鹵原子與有機(jī)物氫原子之間的鹵取代反應(yīng)和鹵原子與氫以外的其他原子或基團(tuán)的鹵置換反應(yīng)。鹵化時(shí)常用的鹵化劑有：鹵素單質(zhì)、鹵素的酸和氧化劑、次鹵酸、金屬和非金屬的鹵化物等，其中鹵素應(yīng)用最廣，尤其是氯氣。但對(duì)于F2，由于活性太高，一般不能直接用作氟化劑，只能采用間接的方法獲得氟衍生物。上述鹵化劑中，用于取代和加成鹵化的鹵化劑有：鹵素（Cl2、Br2、I2）、氫鹵酸和氧化劑（HCl＋H2O2、HCl＋NaClO、HCl＋NaClO3、HBr＋NaBrO、HBr＋NaBrO3）及其他鹵化劑（SO2Cl2、SOCl2、HOCl、COCl2、SCl2、ICl）等，用于置換鹵化的鹵化劑有HF、KF、NaF、SbF3、HCl、PCl3、HBr等。（三）取代鹵化取代鹵化是合成有機(jī)鹵化物最重要的途徑，主要包括芳環(huán)上的取代鹵化、芳環(huán)側(cè)鏈及脂肪烴的取代鹵化。取代鹵化以取代氯化和取代溴化最為常見。1．芳環(huán)上的取代鹵化（1）反應(yīng)歷程反應(yīng)通式為：ArH＋X2—→ArX＋HX

例如，苯的氯化：反應(yīng)一般需使用催化劑，其作用是促使鹵分子極化并轉(zhuǎn)化成親電質(zhì)點(diǎn)鹵正離子。常用的催化劑為路易斯酸，如FeCl3、AlCl3、ZnCl2、SnCl4、TiCl4等；工業(yè)上廣泛采用FeCl3，其與Cl2作用，使Cl2離解成Cl＋反應(yīng)歷程是：（2）影響因素及反應(yīng)條件的選擇第一被鹵化芳烴的結(jié)構(gòu)

第二鹵化劑第三反應(yīng)介質(zhì)第四反應(yīng)溫度第五原料純度與雜質(zhì)第六反應(yīng)深度第七混合作用2.脂肪烴及芳烴側(cè)鏈的取代鹵化脂肪烴及芳烴側(cè)鏈取代鹵化的反應(yīng)特點(diǎn)如下：（1）反應(yīng)是典型的自由基反應(yīng)其歷程包括鏈引發(fā)、鏈增長(zhǎng)和鏈終止三個(gè)階段。反應(yīng)一經(jīng)引發(fā)，便迅速進(jìn)行。（2）反應(yīng)具有連串反應(yīng)特征與芳烴環(huán)上的取代鹵化一樣，脂肪烴及芳烴側(cè)鏈取代鹵化反應(yīng)也是一個(gè)連串反應(yīng)。如烷烴氯化時(shí)，在生成一氯代烷的同時(shí)，氯自由基可與一氯代烷繼續(xù)反應(yīng)，生成二氯代烷，進(jìn)而生成在地三氯、四氯及至多氯代烷。（3）反應(yīng)的熱力學(xué)特征發(fā)生取代鹵化時(shí)，氟化是高度放熱反應(yīng)，氯化是較高放熱反應(yīng)，溴化是中等放熱反應(yīng)，而碘化則是吸熱反應(yīng)。（四）其它鹵化1．加成鹵化加成鹵化是鹵素、鹵化氫及其他鹵化物與不飽和烴進(jìn)行的加成反應(yīng)。含有雙鍵、叁鍵和某些芳烴等有機(jī)物常采用鹵加成的方法進(jìn)行鹵化。例如：2．置換鹵化置換鹵化是以鹵基置換有機(jī)物分子中其他基團(tuán)的反應(yīng)。與直接取代鹵化相比，置換鹵化具有無(wú)異構(gòu)產(chǎn)物、多鹵化和產(chǎn)品純度高的優(yōu)點(diǎn)，在藥物合成、染料及其他精細(xì)化學(xué)品的合成中應(yīng)用較多?？杀畸u基置換的有羥基、硝基、磺酸基、重氮基。鹵化物之間也可以互相置換，如氟可以置換其他鹵基，這也是氟化的主要途徑。例如：【任務(wù)實(shí)施】?jī)x器準(zhǔn)備主要任務(wù)：完成儀器準(zhǔn)備合成儀器：磁力加熱攪拌器、磁力攪拌子、250ml四口瓶、冷凝器、溫度計(jì)、恒壓滴液漏斗100ml、量筒10ml、量筒50ml、抽濾瓶500ml、布氏漏斗各1個(gè)；錐形瓶250ml、燒杯250ml各2個(gè)。儀器要保持清潔，干燥。公用儀器：天平、循環(huán)水真空泵。主要任務(wù)：完成試劑準(zhǔn)備試劑：苯氧乙酸（自制）；濃鹽酸，過(guò)氧化氫33%，三氯化鐵（六水），乙醇95%，次氯酸鈉5%，冰醋酸，碳酸鈉，乙醚，四氯化碳，上述試劑均為分析純（AR）；碳酸鈉配成10%水溶液。試劑準(zhǔn)備儀器安裝調(diào)試主要任務(wù)：完成儀器安裝調(diào)試安裝與調(diào)試：磁力加熱攪拌器上依次安裝四口瓶、溫度計(jì)、冷凝管、恒壓滴液漏斗；四口瓶?jī)?nèi)加磁力攪拌子一枚；開動(dòng)攪拌，磁力攪拌子攪拌正常。4-氯苯氧乙酸的合成主要任務(wù)：完成4-氯苯氧乙酸的合成操作在250mL四口燒瓶中加入6.0g苯氧乙酸(0.04mol)和20．00mL冰醋酸，啟動(dòng)攪拌并用水浴加熱，待浴溫升至55℃時(shí)加入少許(0.04g)三氯化鐵和20mL濃鹽酸，攪拌后在10min內(nèi)慢慢滴加6mL的33％過(guò)氧化氫。滴完后維持此溫度攪拌反應(yīng)20min，升溫至瓶?jī)?nèi)固體全部溶解，冷卻結(jié)晶完全后抽濾，粗產(chǎn)品用水洗滌3次，用1：3的乙醇-水混合試劑將粗品重結(jié)晶。干燥后稱重。純對(duì)氯苯氧乙酸熔點(diǎn)為158℃～159℃。2,4-D的合成主要任務(wù)：完成2,4-D的合成實(shí)驗(yàn)操作，得到合格產(chǎn)品在250mL錐形瓶中加入2.0g干燥的4-氯苯氧乙酸和24mL冰醋酸。振蕩溶解后在冰浴冷卻和振蕩下分批加入38mL的5％次氯酸鈉溶液，加完后撤掉冰浴，待溫度升至室溫后放置5min，反應(yīng)液顏色變深。向錐形瓶中加入100mL水，然后用6mol/L鹽酸酸化至剛果紅試紙變藍(lán)。用乙醚萃取反應(yīng)物2次。每次50mL。合并乙醚萃取液于分液漏斗中，先用30mL水洗滌。再用30mL的10％碳酸鈉溶液萃取產(chǎn)物．將堿性萃取液轉(zhuǎn)移至燒杯中．加入50mL水，再用鹽酸酸化至剛果紅試紙變藍(lán)，抽濾。用冷水洗滌3次。粗品用四氯化碳重結(jié)晶。熔點(diǎn)140.5℃?！練w納總結(jié)】1.儀器安裝：儀器安裝要端正，儀器試運(yùn)行平穩(wěn)，攪拌順暢。2.加料：按實(shí)驗(yàn)要求按順序完成。3.攪拌：攪拌速度穩(wěn)定，避免突然加速。4.反應(yīng)溫度的控制：