拟除虫菊酯类农药产业链的设计

李 发，吴金华

(神华工程技术有限公司 安徽分公司，安徽 合肥 230009)

拟除虫菊酯类农药(pyrethroid)是一种高效的、低毒、低残留、易于降解的杀虫剂[1]，但作为新型高效的仿生杀虫剂，具有杀虫谱广、高效、并且对环境友好、低残留、安全等特点，还可广泛用于棉花、果木、茶山、菜园等，已被国家列入替代高毒农药的理想品种，其发展趋势前景非常广阔。

拟除虫菊酯类杀虫剂一直占据着全球杀虫剂市场的重要位置，2010-2014年拟除虫菊酯类杀虫剂在杀虫剂全世界销售额中排名均在前两位，2009年排名前3位[1]。2008-2014年杀虫剂全世界销售额前15位的品种中有4个拟除虫菊酯类杀虫剂，分别为高效氯氟氰菊酯、溴氰菊酯、氯氰菊酯、联苯菊酯[1]。

拟除虫菊酯系列产品, 属高效、安全、并且是环境友好的农药新品种，是《产业结构调整指导目录(2019年本)》(2019年10月30日国家发展改革委第29号令)鼓励类项目。符合国家的产业政策。

1 产品性质及用途

拟除虫菊酯杀虫剂刚开始就是对天然植物中除虫菊素的杀虫作用及化学结构进行分析，最后开始人工模拟合成的一类杀虫剂，为一类仿生合成的杀虫剂，是改变天然除虫菊酯的化学结构衍生的合成酯类[2-3]。

1.1 功夫菊酯

中文名称：功夫菊酯；CAS NO.：91465-08-6；化学名称：2,2-二甲基-3-(2-氯-3,3,3-三氟-1-丙烯基)环丙烷羧酸-alpha-氰基-3-苯氧基苄酯；英文名称：Cyhalothrin；分子式：C23H19ClF3NO3；相对分子质量：449.86。

结构式如下：

纯品为白色固体，熔点49.2℃。在275℃时分解，20℃时蒸气压267 μPa。原药为米黄色无臭固体，有效成分含量>90%，不溶于水，溶于大多数有机溶剂。在15～25℃条件下，贮存稳定性为6个月。在酸性溶液中稳定，在碱性溶液中易分解，它在水中的水解半衰期约为7天，性质较稳定，耐雨水冲刷。

用途：用于防治棉花、蔬菜、烟草等农作物上的害虫。

1.2 联苯菊酯

中文名称：联苯菊酯；CAS NO.：82657-04-3；化学名称：(1R,S)-顺式-(Z)-2,2-二甲基-3-(2-氯-3,3,3-三氟-1-丙烯基)环丙烷羧酸-2-甲基-3-苯基苄酯；英文名称：Bifenthrin；分子式：C23H22ClF3O2；相对分子质量：422.87。

结构式如下：

熔点：68～70.6℃/纯品；57～64℃/原药。密度：相对密度(d25)1.210。

1.3 氯氰菊酯

中文名称：氯氰菊酯；CAS NO.：86753-92-6；化学名称：(R,S)-α-氰基-(3-苯氧基苄基)-(ⅠR,S)-顺、反-3-(2,2- 二氯乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸酯；英文名称：Cypermethrin；分子式：C22H19Cl2NO3；相对分子质量：416.32。

结构式如下：

性状：工业品为黄色至棕色粘稠固体，60℃时为粘稠液体；熔点：60～80℃；相对密度(水=1)：1.1；闪点：80℃。

用途：适用于鳞翅目、鞘翅目等害虫，对螨类效果不好。对棉花、大豆、玉米、果树、葡萄、蔬菜、烟草、花卉等作物上的蚜虫、棉铃虫、斜纹夜蛾、尺蠖、卷叶虫、跳甲、象鼻虫等多种害虫有良好防治效果。

1.4 高效氯氰菊酯

中文名称：高效氯氰菊酯；CAS NO.：65731-84-2；化学名称：2,2-二甲基-3-(2,2-二氯乙烯基)环丙烷羧酸-α-氰基- (3-苯氧基)苄酯；英文名称：Beta cypermethrin；分子式：C22H19Cl2NO3；相对分子质量：416.32。

结构式如下：

性状：原药外观为白色至奶油色结晶体；熔点：64～71℃(峰值67℃)；相对密度(水=1)：1.32；溶解度：在pH质=7的水中，51.5(5℃)、93.4 (25℃)、276.0 (35℃)μg/L(理论值)，异丙醇11.5，二甲苯749.8，二氯甲烷3878，丙酮2102，乙酸乙酯1427，石油醚13.1(均为mg/mL，20℃)。

稳定性：150℃，空气及阳光下及在中性及微酸性介质中稳定。碱存在下差向异 构，强碱中水解。

用途：可应用于多种果树、多种蔬菜、粮棉油茶等作物及多种林木、多种中药植物，对烟青虫、棉铃虫、小菜蛾、甜菜夜蛾、斜纹夜蛾、茶尺蠖、红铃虫、蚜虫类、斑潜蝇类、毛虫类、刺蛾类及柑橘潜叶蛾、红蜡蚧等多种害虫均具有很好的杀灭效果。

1.5 市场预测分析

拟除虫菊酯的杀虫毒力比老一代杀虫剂如有机氯、有机磷、氨基甲酸酯类提高10～100倍[3]，优越的性能使其在全球杀虫剂销售额的占比高达19%。我国菊酯类杀虫剂在2007年甲胺磷等5种高毒农药全面退市后才迅速发展起来，目前在全国杀虫剂销售额的占比约为12%，相对于全球水平而言，还有很大的市场增长潜力，见图1。

预计在未来几年，随着绿色环保类高效农药的需求量不断攀升，拟除虫菊酯系列产品将以每年15%的速度增长，从而一跃成为全球需求量最大的几种杀虫剂之一，但目前国内生产厂家较少，仅有的几家也产品单一、规模较小、分布散乱，没有形成大型化、集约化、规模化。因此，基于拟除虫菊酯系列产品的独特性质以及目前市场迫切需求，而现有生产厂家由于技术壁垒，无法满足需求的现状，预计在未来5～10年内拟除虫菊酯系列产品必将成为发展潜力巨大的新型高科技产品。

图1 全球杀虫剂销售额分布

2 工艺技术方案的比较和选择

国内外文献报道拟除虫菊酯类农药的合成以贲亭酸甲酯为源头，分别合成功夫酰氯和菊酰氯，再与醚醛、联苯醇等反应生成菊酯类产品。

2.1 贲亭酸甲酯

贲亭酸甲酯化学名称为3,3-二甲基-4-戊烯酸甲酯，分子式为 C8H14O2，是无色透明液体，易燃、具有特殊刺激气味，溶于乙醇、乙酸乙酯、乙醚等有机溶剂，不溶于水。

有关贲亭酸甲酯的合成研究报道很多，较为常见的几种合成路线如下[4]：

(1)以异戊烯醇及原乙酸三甲酯为原料来制取，此工艺技术较为简单，收率较高且选择性好，是一条较为可取的路线。

(2)以异戊二烯及偏二氯乙烯为原料制取。前阶段合成收率可以，但后几段收率较低，且所需的溶剂价格较高，后处理难度较大。

(3)以丙酮、乙腈为原料制取。此路线原材料简单，但合成收率低，且工艺操作技巧性较高。

2.2 功夫菊酯

功夫菊酯主要有以下四种合成路线[5]。

合成路线1：3 -( 2-氯-3＇3＇3＇-三氟-1-丙烯基)- 2＇2-二甲基环丙基甲酸(以下简称取代的环丙基甲酸)或相应的酰氯与α-氰基-3-苯氧基苄醇在碱存在下缩合。反应方程式如下：

合成路线2：取代的环丙基甲酸或相应的酰氯与3-苯氧基苯甲醛、碱金属的氰化物( NaCN 或KCN) 直接反应得到。反应方程式如下：

合成路线3：取代的环丙基甲酸在碱存在下与α-氰基-3-苯氧基苄氯反应。反应方程式如下：

合成路线4：取代的环丙基甲酸与α-氰基-3-苯氧基苄基三烷基铵盐反应得到。其中α-氰基-3-苯氧基苄基三烷基铵盐由α-氰基-3-苯氧基苄氯与三烷基胺反应制得，也可以从3-苯氧基苯甲醛出发，先与二烷基胺、氢氰酸反应生成α-氰基-3-苯氧基苄基二烷基胺，再与卤烷反应得到。

由上可知，四条路线中均需用取代的环丙基甲酸作中间体，路线的选择关键在于另一中间体合成的难易。相对来说2工艺路线较简单，而且所用中间体3-苯氧基苯甲醛工业上合成研究较充分。

2.3 氯氰菊酯

早先国外合成氯氰菊酯最后一步酯化采用的是酰氯-氰醇法，即将二氯菊酸酰氯和α-氰基-3 -苯氧基苯甲醇一起进行酯化反应得到氯氰菊酯[6-7]。

制备α-氰基-3-苯氧基苯甲醇的有下述两种方法。

方法1：3-苯氧基苯甲醛与氰化氢直接进行加成反应得到氰醇。

方法2： 3-苯氧基苯甲醛先与亚硫酸氢钠反应生成加成物，后者再和氰化钠作用转化为氰醇。

2.4 高效氯氰菊酯

高效氯氰菊酯是1986年由匈牙利Hidasi等人首次报道，从氯氰菊酯的8个异构体中分离出1R-S/1S-cis和1R trans-S/1S trans-R两对外消旋体混合物(简称高效体或α-体)。高效氯氰菊酯是用氯氰菊酯经差向异构化制备的。工艺流程是用异丙醇作溶剂，三乙胺作催化剂在低温搅拌下，整体反应10 天左右，使氯氰菊酯中的高效体达到90%以上制成的[8]。

2.5 工艺技术方案的比较和选择

在综合相关文献[9-10]的基础上，以异戊二烯为起始原料合成异戊烯醇，以乙腈和甲醇为原料合成原乙酸三甲酯，原乙酸三甲酯和异戊烯醇在催化剂作用下，缩合成贲亭酸甲酯。再以贲亭酸甲酯为源头，分别合成功夫酰氯和菊酰氯，再与醚醛、联苯醇等反应生成菊酯类产品，见图2。

图2 拟除虫菊酯农药产业链工艺路线图

3 工艺流程说明

3.1 贲亭酸甲酯

3.1.1 异戊烯醇的制备

异戊二烯和盐酸经加成、酯化、皂化成异戊烯醇。反应方程式如下：

3.1.2 原乙酸三甲酯的制备

乙腈和甲醇在盐酸的作用下生成原乙酸三甲酯。反应方程式如下：

3.1.3 贲亭酸甲酯的合成

原乙酸三甲酯和异戊烯醇在催化剂作用下，缩合成贲亭酸甲酯。反应方程式如下：

工艺流程见图3。

图3 贲亭酸甲酯工艺流程方框图

3.2 功夫菊酯

3.2.1 功夫酰氯的制备

合成：将贲亭酸甲酯、叔丁醇投入反应釜中，升温滴加三氟三氯乙烷，滴加保温数小时后结束，后处理得三氯酯馏份。

环合：将溶剂吸入反应釜中，降温投入叔丁醇钠，滴加三氯酯，取样检测物料中的三氯酯余量≤2.0%方可结束，制得二氯酯粗品经处理后皂化。

皂化：将液碱、甲醇、二氯酯投入釜中，升温回流保温后，减压脱溶，脱溶结束后过料至酸化釜酸化。

酸化：加入盐酸酸化，pH值2～6结束。

酰化：将三氟一氯菊酸、DMF投入釜中，一定温度下滴加SOCl2，反应数小时后静置，过料至酰化脱溶釜，升温减压脱氯化亚砜。取样分析，物料中氯化亚砜的余量必须≤1%方合格。

3.2.2 功夫菊酯的制备

酯化：将氰化钠、水依次投入反应釜中，搅拌溶解后将醚醛、环已烷加入釜中，将酰氯与环已烷吸入滴加槽中。降温滴加酰氯，滴加结束后保温数小时取样检测物料中醚醛余量≤2%方可过料至酯化水洗釜；分水结束后，加入水，水洗结束后，升温常压脱除环已烷，再过料至减压脱溶釜继续脱溶。

转位：将原油、异丙醇、二异丙胺依次投入反应釜中，充分搅拌后开始慢慢降温。当温度为0℃时，逐步降温保温后取样检测物料中，高效体与低效体的比例≥85：15方合格。

工艺流程见图4、5。

图4 功夫酰氯工艺流程方框图

图5 功夫菊酯工艺流程方框图

3.3 联苯菊酯

酯化：将联苯醇、环己烷加入釜中，将酰氯与环己烷吸入滴加槽中。降温滴加酰氯，滴加结束后保温数小时取样检测物料中联苯醇余量≤2%方可过料至酯化水洗釜；分水结束后，有机相经处理后升温常压脱除溶剂，再过料至减压脱溶釜继续脱溶[11]。

工艺流程见图6。

图6 联苯菊酯工艺流程方框图

3.4 氯氰菊酯

贲亭酸甲酯与四氯化碳经加成、环化制得DV-菊酸甲酯[12-13]。

加成反应：

DV菊酸甲酯经过皂化、酸化、酰氯化反应制得菊酰氯。

酰氯化反应：

菊酰氯与醚醛制得氯氰菊酯。

缩合反应：

工艺流程见图7：氯氰菊酯、高效氯氰菊酯工艺流程方框图。

3.5 高效氯氰菊酯

转位：氯氰原油在催化剂作用下分段保温制得高效氯氰菊酯原药[14]。

工艺流程见图7。

图7 氯氰菊酯、高效氯氰菊酯工艺流程方框图

4 工艺控制方案

本产业链生产功夫酰氯、菊酰氯时，使用氯化亚砜作为氯化剂制备氯化物，此工艺属于危险化工工艺(重点监管)。按照《首批重点监管的危险化工工艺安全控制要求、重点监控参数及推荐的控制方案》(国家安全生产监督管理总局令 安监总管三〔2009〕116号)，此反应过程中要重点监控氯化反应釜温度和压力、反应物料的配比、氯化剂进料流量等。

建议自控系统遵循“经济合理、技术先进、运行可靠、操作方便"的原则，采用分散型控制系统(DCS)对工艺过程以及配套的公用工程生产装置实施过程检测、数据处理、过程控制(连续控制、顺序控制)、一般工艺联锁、能量平衡核算、计量管理、用电设备状态显示，以及实现部分先进过程控制策略等。对于上述涉及到危险工艺的工艺过程采用危险与可操作性分析(HAZOP)确定需要的安全仪表功能(SIF)的安全度等级(SIL)，采用独立于DCS系统和其它子系统的安全仪表系统(SIS)对危险工艺的关键设备和生产过程进行安全联锁保护，实现生产安全、稳定、长期高效运行。