一种脲酶抑制剂NPPT的合成方法

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( 1． 金正大生态工程集团股份有限公司，山东 临沭 276700;2．养分高效开发与综合利用国家实验室，山东 临沭 276700；3.国家缓控释肥工程技术研究中心，山东 临沭 276700)

尿素作为我国现有的主要氮源之一，因其养分含量高、水溶性好、成本低廉而被广泛应用，但其利用率却只有30%左右。究其原因，主要是由于土壤中存在的脲酶能将氮转化为氨挥发至大气损失[1]。磷酰胺类化合物是目前使用最多的一类脲酶抑制剂，而正丁基硫代磷酰三胺(NBPT)作为磷酰胺类化合物最重要的一种代表，目前使用量最大[2]。但正丁基硫代磷酰三胺的缺陷是稳定性较差，其在常温25 ℃下会缓慢分解，一个月内就会分解30%左右，这就导致其使用面窄，利用率低[3]。巴斯夫公司最新研制的一款新型脲酶抑制剂产品“力谋仕”[4]，其有效成分为NBPT和NPPT(正丙基硫代磷酰三胺)，这两种活性成分能够相互协同，在一定程度上提高了其分解温度，使有效时间大大延长，从而有效提高氮肥利用率，帮助农民增产增收的同时减少环境污染。

目前，NPPT的合成方法相对较少[3，5]，本研究以三氯硫磷、正丙胺为原料，采用“一锅法”合成NPPT，先经亲核取代反应生成中间体正丙基硫代磷酰二氯，再经氨解反应合成最终产物NPPT。该合成方法产品收率高，生产成本低，基本无三废排放，操作简便省工，易于工业化生产。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

仪器：电子天平JA2003N( 上海精密科学仪器有限公司)、DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)、高效液相色谱仪Agilent Technologies 1260 Infinity Ⅱ(安捷伦科技中国有限公司)、X-4型显微熔点测定仪(北京泰克公司) 、循环水式真空抽滤泵SHZ-D( 巩义市予华仪器有限责任公司)、真空干燥箱DZF-6020(嘉兴市中新医疗仪器有限公司)。试剂：三氯硫磷C.P、正丙胺C.P、氢氧化钾AR、氨气为C.P、乙酸乙酯为AR。

1.2 合成路线

本研究内容——以三氯硫磷与正丙胺为起始物，合成正丙基硫代磷酰三胺(NPPT)的主要合成路线见图1。

图1 NPPT合成路线

Fig.1 synthetic route of NPPT

1.3 实验步骤

1.3.1 中间体正丙基硫代磷酰二氯的制备

向500 mL三口烧瓶中加入三氯硫磷PSCl333.88 g(0.2 mol)，乙酸乙酯EA 150 mL，氢氧化钾KOH固体11.2 g(0.2 mol)，搅匀后，于冰水浴中降温至0～10 ℃，缓慢滴加正丙胺与乙酸乙酯的混合液(正丙胺12.41 g+乙酸乙酯50 mL)，约1.5 h加完，待混合液滴加完全，在该温度下反应1.5 h，液相(HPLC)跟踪监测原料反应完全后，反应液留待下步操作。

1.3.2 NPPT的制备

将上述反应液降温至5 ℃以下，搅拌下通入计量的氨气14.96 g (0.88 mol)，液相( HPLC)跟踪反应原料，待原料完全反应后，继续反应1 h。过滤除去反应副产物，滤液缓慢降温至5 ℃，保温1 h，过滤所得白色晶体于50 ℃下烘干，得正丙基硫代磷酰三胺24.67 g，mp：88.5～90 ℃(文献[5]:mp:88～89 ℃)，反应总收率为80.5 % ，产品经 HPLC 检测保留时间与标准品一致，纯度98.6 % 。

2 结果与讨论

以反应原料三氯硫磷、正丙胺、氢氧化钾为起始物合成正丙基硫代磷酰二氯是合成正丙基硫代磷酰三胺(NPPT)的关键步骤，其中缚酸剂种类、溶剂的选择以及原料配比直接影响反应的总收率，下面分别从以上几点进行考察论述。

2.1 缚酸剂种类对产品收率的影响

在第一步合成反应中，以三氯硫磷、正丙胺为起始原料发生亲核取代反应生成中间体正丙基硫代磷酰二氯时，分别以氨气、三乙胺、氢氧化钾为缚酸剂，保持其他反应条件不变，各实验所得收率如表1所示。

表1 不同缚酸剂对反应的影响Table.1 Effect of different acid binding agents on reaction

由表1可知，当缚酸剂的种类不同时，反应的收率变化较大。使用氨气时，由于其为气态，与反应体系不能完全接触，导致反应收率不高，再有就是由于第二步氨化反应也需要通氨，两次通氨量不好把握，很容易过量或反应不完全，致使氨化后的料浆粘稠，增加过滤难度，也造成产品的损失；采用三乙胺为缚酸剂，收率大幅提高，但三乙胺价格偏贵，气味大，且回收套用过程增加了成本；选用价格相对较低的无机碱氢氧化钾收率最高，且反应生成的副产物氯化钾干燥后可直接造肥使用，实现了绿色节能环保的化工生产模式，故缚酸剂优选氢氧化钾。

2.2 溶剂的选择对产品收率的影响

在确定缚酸剂为KOH后，利用原料三氯硫磷、正丙胺制备中间体时，反应溶剂的种类对产品收率也有很大的影响，据文献介绍[6-7]，常选溶剂主要有甲苯、乙酸乙酯、二氯甲烷，现分别对几种溶剂进行实验效果验证，实验结果如表2所示。

表2 不同溶剂对反应的影响Table.2 Effect of different solvents on reaction

由表2可知，当反应溶剂的种类不同时，反应的收率也会有较大的变化。当选用甲苯做溶剂时，反应收率较低，效果并不理想，这可能是由于反应放热，致使产品在甲苯中有一定的溶解度所致；溶剂改为二氯甲烷，收率大幅提高，但是跟乙酸乙酯对比起来，没有优势，且二氯甲烷为有毒试剂，因此优选乙酸乙酯为溶剂。

2.3 原料配比对产品收率的影响

在合成正丙基硫代磷酰二氯的反应中，其他条件不变，通过改变反应物物质的量比确定原料最佳配比，实验数据如表3所示。

表3 不同原料配比对反应的影响Table 3 Effect of different raw material ratio on reaction

从表3可以看出，当三氯硫磷和正丙胺、氢氧化钾的物质的量比为1.0∶1.05∶1.0时，产品收率最高为80.5 %，增加或降低物质的量配比，产品收率均有所降低。所以，最佳的原料配比为 n(三氯硫磷)∶n(正丙胺)∶n(氢氧化钾)= 1.0∶1.05∶1.0。

3 结论

以三氯硫磷和正丙胺为原料，于反应釜中制得中间体正丙基硫代磷酰二氯，反应完成后料液不经分离，采用“一锅法”， 直接通入适量氨气反应制得目标产物正丙基硫代磷酰三胺(NPPT)，其中纯度为98.6 %，总收率80.5 %。反应产生的副产物氯化钾、氯化铵直接用于复合肥造肥使用，实现了绿色节能环保的化工生产模式。该工艺具有产品收率高，生产成本低，基本无三废排放，易于实现工业化生产等优点。