三氯氧磷在有机合成及工业生产中的应用

2013-10-25曾平莉

化工技术与开发 2013年2期

曾平莉，王东

（浙江医药高等专科学校，浙江宁波 315100）

三氯氧磷，又名磷酰氯﹑氧氯化磷，英文名称为Phosphorus Oxychloride，是无色透明的液体，常因溶有氯或五氯化磷呈微黄色。其分子式为POC13，分子量153.33，相对密度1.675，凝固点-10℃，熔点2℃，沸点105.3℃。它易挥发，遇潮湿空气形成白烟；易被水和乙醇分解并发出大量热和盐酸气。

三氯氧磷广泛用于农药﹑医药﹑染料﹑磷酸酯及阻燃剂的生产，是制造有机磷农药除草剂﹑杀虫脒等的原料，用于生产塑料增塑剂，还用于长效磺胺药品的氯化反应，是生产染料的中间体，有机合成的氯化剂﹑催化剂和铀矿提取剂。

1 三氯氧磷在有机合成中的应用

1.1 三氯氧磷在Niementowski 反应中作用

4(3H).喹唑啉酮类化合物在抗肿瘤﹑抗炎﹑抗高血压及免疫抑制等方面都具有良好的活性，许多以4(3H).喹唑啉酮为母体结构的药物在临床治疗中应用十分广泛。因此，4(3H).喹唑啉酮环的合成也备受关注，在众多合成方法中，Niementowski 反应显得尤为重要。但Neimentowski 反应存在反应温度高，反应物容易炭化变黑，产物难以分离纯化等缺点。针对以上缺点，刘志红等[1]研究表明，在Niementowski 反应中加入三氯氧磷可使反应温度显著降低，产物易于分离纯化，且反应历程与Niementowski 反应一致，但有关三氯氧磷在反应中的作用机制还不清楚。张洋，沈浴辉[2]对Niementowski 反应进行研究，提出三氯氧磷可能的作用机制。合成路线如下：

1.2 有机硫代磷(膦)酸铵盐与三氯氧磷的氯化反应合成硫(酮)代磷(膦)酰氯新方法

通常，有机硫代磷(膦)酸能顺利地与五氯化磷反应，得到相应的硫(酮)代磷(膦)酰氯。早在1966年Michalski[3]曾用五氯化磷与O-二乙基硫代磷酸反应，得O-二乙基硫(酮)代膦酰氯。1983 年，唐除痴等[4]用五氯化磷与(+)-O-乙基O-苯基硫代磷酸反应，立体专一性地得到(-)-O-乙基O-苯基硫代磷酰氯。刘伦祖等［5～6］用O,S-二烷基二硫代磷酸铵盐与五氯化磷反应，也顺利地得到了O,S-二烷基二硫代磷酰氯酯。由于上述产物中O-乙基S-丙基二硫代磷酰氯酯是合成含丙硫基不对称磷酸酯类杀虫剂(如丙硫磷Prothiofos和甲丙硫磷Sulprofos)的关键中间体，所以这类硫(酮)代磷(膦)酰氯的合成方法一直受到人们的关注。虽然文献上均是采用五氯化磷作为氯化剂与硫代磷(膦)酸或其铵盐反应合成硫(酮)代磷(膦)酰氯，后来贺峥杰﹑刘菊湘﹑周正洪等发现三氯氧磷也能作为氯化剂与有机硫代磷(膦)酸铵盐反应，得到硫(酮)代磷(膦)酰氯[7]。反应式如下：

并初步探讨了该氯化反应的机理：

1.3 三氯氧磷与氨基酸及四氢呋喃的反应

周贵积曾在博士论文中研究了6 种非极性氨基酸与POCl3在THF 中的反应。该研究将甘氨酸（G）﹑丙氨酸(A)﹑亮氨酸(L)﹑异亮氨酸(I)﹑缬氨酸(V)和苯丙氨酸(F)等6 种氨基酸与三氯氧磷在四氢呋喃中加热回流反应，发现氨基酸可以较快地成肽，而且四氢呋喃可以开环并与氨基酸或肽生成相应的酯。产物结构通过ESI 多级串联质谱得到确定，从肽-4-氯丁基酯的质谱裂解方式，发现它们按照相同的质谱裂解规律发生断裂，相同的裂解途径都会产生相似的离子。同时，充分利用ESI-MS﹑P-NMR﹑C-NMR等技术手段，跟踪了反应进程，提出了氨基酸反应成肽和四氢呋喃开环成酯的机理。

通过改变THF 和POCl3的摩尔比，研究了反应产物随摩尔比变化而变化的情况。从实验结果来看，产物的产率和聚合程度主要依赖于反应底物的不同摩尔比。当THF 与POCl3的摩尔比较低时，产物的产率较高，但聚合度较低；当两者摩尔比较大时，产物的产率较低，但聚合度提高了。从合成双4-氯丁基醚的角度和实际生产的具体情况考虑，三氯氧磷与四氢呋喃反应比较有实用价值的摩尔比是2。同时，反应时间对产率也有影响，反应时间越长，产率越高。这个研究结果对于三氯氧磷和四氢呋喃反应用于实际生产有很强的理论指导作用。

1.4 三氯氧磷法制备1,1,3,3-四甲基-2-环己基胍(CyTMG)

孙潇磊﹑赵新强等[8]研究了以环己胺和四甲基脲为原料，采用三氯氧磷法制备了1,1,3,3-四甲基-2-环己基胍(CyTMG)。通过正交实验对制备条件进行了优化，优化的制备条件为：四甲基脲与三氯氧磷的摩尔比为1∶1.0，加入三氯氧磷后﹑加入环己胺前的反应时间为11h，加入环己胺后，加入蒸馏水前的反应时间为36h，加入蒸馏水后的反应时间为15min。在此条件下，CyTMG 收率为50.1%。利用红外光谱﹑核磁共振﹑电喷雾质谱等方法对CyTMG 的结构进行了表征。将CyTMG 作为催化剂和缚酸剂用于CO2法合成二甘醇双烯丙基碳酸酯(ADC)的反应，适宜的反应条件为：反应温度80℃，反应初始压力4.0MPa，氯丙烯与二甘醇摩尔比为6，CyTMG 与二甘醇摩尔比为3.4，反应时间12h。在此条件下，ADC 收率为63.0%。采用NaOH 溶液回收CyTMG，回收率为80.4%。

1.5 异戊烯酸酯的合成

异戊烯酸酯作为重要的有机中间体，常用于医药﹑农药的合成，如异戊烯酸甲酯或乙酯在烯键上进行环丙基化后，酯水解得到的2,2-二甲基环丙烷甲酸是合成抗菌药物添加剂西司他丁的关键中间体，同时异戊烯酸酯本身也是重要的香气物质，作为天然组分存在于一些物质中，用化学法合成的异戊烯酸酯类可以用作香精﹑香料。王瑞丽[9]采用三氯氧磷作为催化剂，一步合成异戊烯酸酯，合成路线为：

1.6 合成S-烷基( 芳基) 硫代磷( 膦) 酰氯酯的新方法

贺峥杰﹑陈文彬﹑马缚鹏等[10]在研究O,O-二烷基O-芳基硫代磷酸酯与三氯氧磷的异构化氯化反应机理时, 发现O,O-二烷基O-芳基硫代磷酸的异构化产物O,S-二烷基硫代磷酸酯能顺利地与三氯氧磷反应，O, S-二烷基硫代磷酸酯中的烷氧基被氯原子取代, 得到产物S-烷基硫代磷酰氯酯和O-烷基磷酰二氯酯。当O,S-二烷基硫代磷酸酯中的R 为烷基或苯基, R′为烷氧基﹑芳氧基﹑烷硫基﹑芳硫基﹑二烷基氨基﹑氮杂环基﹑苯基和甲基, R″为C1-4烷基时,O,S-二烷基硫代磷酸酯的氯化反应也能顺利发生，并得到较高产率的预期产物。反应机理如下：

2 三氯氧磷在食品行业的应用

2.1 三氯氧磷磷酸化提高谷朊粉黏性

贾光锋﹑邹乐等[11]研究了磷酸化处理对谷朊粉黏性的影响，研究了谷朊粉浓度﹑pH﹑三氯氧磷体积对谷朊粉改性后黏度及PDI 的影响，结果表明，磷酸化可以在很大程度上提高植物蛋白的凝胶性，且作为磷酸化试剂的三氯氧磷可以促进蛋白发生交联，提高其胶黏性。磷酸化处理提高谷朊粉黏性的最佳条件为：谷朊粉浓度7.5%，pH 6.0，三氯氧磷体积0.5mL，此条件下谷朊粉的黏度为2.88mPa·s。诸因素对改善黏性的重要性依次为谷朊粉浓度＞三氯氧磷体积＞pH。采用三氯氧磷处理，研究其对小麦谷朊粉黏性的影响，旨在为谷朊粉的工业化转化，充分利用可再生的植物蛋白资源提供依据。

2.2 三氯氧磷用于淀粉交联

淀粉是自然界重要的碳水化合物，易被生物体消化吸收利用并能被环境中的微生物所降解。变性淀粉由于各种化学基因的引入和淀粉结构的改变，势必对淀粉的消化性能和微生物降解程度有所影响。研究变性淀粉的消化性能及所含的抗酶解淀粉，有助于发展高膳食纤维食品，改善食品营养成分。而淀粉与变性淀粉又是新型生物降解材料﹑医药﹑化工和造纸等领域的重要原辅材料，研究变性淀粉的微生物降解性对开发新型材料及防止变性淀粉对环境的二次污染具有重要意义。

交联是淀粉变性的重要手段之一，并且还能与其他变性方法结合广泛用于复合变性淀粉的生产。三氯氧磷交联淀粉是交联淀粉中的一个重要产品，POC13同环氧氯丙烷﹑甲醛和三偏磷酸钠一样，常用作淀粉的交联反应试剂。在淀粉中加入微量的交联剂就能明显改变淀粉的糊化和溶胀性质。淀粉交联后，糊化温度上升，糊稳定性提高，抗酸能力明显优于原淀粉，膜强度上升[12]。

3 三氯氧磷在合成阻燃剂方面的应用

磷系阻燃剂有效地克服了卤系阻燃剂的缺点，引起了人们的普遍关注。

3.1 甲基丙烯酰氧乙基二甲基磷酸酯的合成

于丹琦﹑陈国强[13]以甲基丙烯酸羟乙酯﹑三氯氧磷和甲醇为原料，合成了一种新型磷系阻燃剂——甲基丙烯酰氧乙基二甲基磷酸酯，其结构经HNMR 和IR 表征。甲基丙烯酰氧乙基二甲基磷酸酯的反应性基团(CH：=CH．)可通过接枝聚合将阻燃元素引入织物中，使其具有永久性阻燃效果。合成路线如下：

3.2 阻燃剂中间体(2,4,6-三溴苯基)磷酸单脂的合成

李志伟﹑轩新[14]以三溴苯酚﹑三氯氧磷为原料合成了新型的阻燃剂中间体磷酸单(2,4,6-三溴苯基)酯。合成路线如下：

3.3 含多种阻燃元素的阻燃剂

目前，高分子材料的阻燃处理最常用的方法是添加一定量的阻燃剂。一般地，这些阻燃剂中常含有P﹑Br﹑Sb﹑N﹑Cl 等元素，如果高分子材料中只添加含一种阻燃元素的阻燃剂时，添加量较大，这样往往会降低高分子材料的物理机械性能。研究表明，不同的阻燃元素之间具有一定的协同作用，不同的阻燃元素并用，不但可以减少阻燃剂的添加量，而且可以克服单一阻燃元素的种种缺点。Lyons 等的研究表明，磷和溴具有协同的阻燃性，并用时可以减少阻燃剂的总用量，而且磷和溴在同一分子中比在不同分子中具有更好的阻燃效果。将磷﹑溴这2 种元素合成于一种化合物中，得到一个中间体产物，然后再和含其它阻燃元素的化合物反应，可获得同一个分子中含多种阻燃元素的高效阻燃剂。