高效安全除草剂硝磺草酮清洁生产技术研发与应用 然后滴加硝基甲砜基苯甲酰氯的乙腈溶液进行缩合接着加入催化剂

高效安全除草剂硝磺草酮清洁生产技术研发与应用项目可行性报告2012年3月29日一、项目可行性报告（一）立项的背景和意义硝磺草酮（Mesotrione）是一种在天然产物纤精酮(Leptospermone)的基础上经化学修饰得到的高效安全的三酮类除草剂，是一种新型的玉米田苗后除草剂。具有杀草谱较广，对禾本科、阔叶及莎草科杂草均有较好的防效。玉米是世界上分布最广泛的粮食作物之一，仅次于水稻和小麦，居第三位。我国是玉米生产和消费大国，玉米种植面积约23千万公顷，分布于全国北起黑龙江、南至海南的二十多个省区，年总产量2亿吨左右，为我国第二大粮食作物，在全球玉米产量上也仅次于美国。因此，保证玉米丰产和品质对我国经济、社会发展具有举足轻重的地位。玉米的种植除了与种子、土壤、气候、种植方式、肥料等因素有关外，还与农药的正确使用有很大关系，包括杀虫剂、杀菌剂和除草剂的使用。据报道，我国约有1/2面积的玉面田受到不同程度的草害，严重草害的面积约300万公顷，如果不除草，严重的可减产50%以上。目前，玉米田除草剂品种还较缺乏，主要是烟嘧磺隆、砜嘧磺隆、莠去津、乙草胺和磺草酮等品种，由于多年使用和品种少等原因，杂草抗性发展较快。开发新的高效玉米田除草剂对于杂草治理、保障玉米生产具有重要意义。硝磺草酮（Mesotrione）是一种高效安全的新型除草剂。70年代中期从来自澳大利亚与美国加州的桃金娘科(Myrtaceae)红千层(Callistemon citrinus)植物中分离出了一种挥发性油类植物毒素纤精酮(Leptospermone)，对若干阔叶与禾本科杂草具有中等除草活性，而玉米对其具有耐性。化学家在纤精酮的基础上进行了结构改造与修饰，发现了一些活性更高的化合物。捷利康公司（现属先正达公司）于1991年开发成功了第一个三酮类除草剂磺草酮(Sulcotrione)，其除草活性远高于纤精酮。硝磺草酮(mesotrione)则是通过磺草酮结构修饰而开发的另一个三酮类除草剂品种,其生物活性超过磺草酮10倍以上,更具有开发潜力与竞争性。硝磺草酮的作用靶标为对羟基苯基丙酮酸双氧化酶(HPPD)，主要用于防除玉米田的阔叶杂草和禾本科杂草，具有除草谱广、环境相容性好、对哺乳动物和水生生物毒性很低、对玉米十分安全及对后茬轮作作物无药害等特性，具有很大的市场需求和良好的应用前景。硝磺草酮对玉米安全的主要原因在于：(1)玉米叶片吸收比杂草缓慢，吸收及传导剂量低,藜在喷药后吸收量的48%从处理叶片传导至其它部位，而玉米向其它部位传导仅14%； (2)HPPD酶敏感性差异很大，单子叶植物对硝磺草酮的敏感性比阔叶杂草低数百倍； (3)玉米通过细胞色素P450催化的4-羟基化作用能迅速将硝磺草酮代谢为无活性化合物。在玉米田施用100150g/hm2硝磺草酮，可有效防除苍耳、苘麻、藜、苋、蓼、龙葵、三裂叶豚草等大多数重要阔叶杂草及幼龄稗、马唐、狗尾草、臂形草等部分禾本科杂草。此外，硝磺草酮防除抗三氮苯与抗磺酰脲的杂草特别有效，杂草在它与这些类型除草剂之间不存在交互抗性，这就给轮作中除草剂品种选择提供了便利。硝磺草酮先后于2000年和2001在欧洲和美国登记，此后在全球大面积推广，2003年全球销售额达到1.8亿美元，2009年攀升至4.45亿美元，近年来一直处于除草剂前列。2005年先正达公司在我国取得该产品的行政保护（NB-US2005020229），将于2012年8月到期，因此，现在进行该产品的产业化开发是最好的时机，对于提高企业竞争力和促进我国玉米种植具有重要意义。硝磺草酮及其中间体1,3-环己二酮的合成技术十分复杂，总共6步反应，工艺流程长，技术难度大。在现有工艺中存在原料毒性大、催化剂活性差、产品收率低和三废量大等问题，急需自主研发清洁生产新工艺。项目承担单位经过3年多的前期研发，开发了以2-硝基-4-甲砜基苯甲酸为主要起始原料，经酰氯化、酯化和催化重排三步反应合成硝磺草酮，以及以间苯二酚为起始原料，经碱化、催化加氢和酸化重排合成关键中间体1,3-环己二酮的工艺。本项目将在已有研究基础上，进一步深入研究硝磺草酮及关键中间体1,3-环己二酮的清洁生产工艺，解决原料的绿色化、溶剂绿色化及催化剂的绿色化等关键问题，从源头减少三废，提高收率和产品质量，降低成本，并建成300吨/年硝磺草酮和500吨/年1,3-环己二酮的清洁生产装置，生产高质量的产品，在为企业带来良好经济效益的同时，保障和促进我国农业生产，尤其是玉米种植的稳定发展。（二）国内外研究现状和发展趋势硝磺草酮是由美国施多福化学公司（Stauffer Chemical Co.）于1984年发明的（EP0186118），而后由捷利康公司（Zeneca Ltd.）开发，应用于玉米田防除多种重要阔叶杂草和部分禾本科杂草。由于跨国农药公司的兼并重组，该产品的知识产权归属了先正达公司（Syngenta Co., Ltd.）。该产品的专利已于2004年过期，但于2005年在我国取得了行政保护，将于今年8月到期，我国企业即将可以登记注册和生产销售硝磺草酮。文献报道的硝磺草酮的合成路线较多，最实用的方法是以1,3-环己二酮和2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯为原料，经碱化、缩合和重排三步反应来合成硝磺草酮。其中涉及的重要中间体有1,3-环己二酮和2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯。1,3-环己二酮以间苯二酚为原料，经碱化、催化加氢和酸化重排3步反应合成。现有工艺中，碱化使用了大量三正丁胺等有机胺，对环境危害大；加氢催化剂采用Pd、Pt等贵金属，难回收，成本较高。2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯由2-硝基-4-甲砜基苯甲酸在1,2-二氯乙烷、乙腈等溶剂中与过量氯化亚砜加热回流得到。该方法使用大量高毒的氯化亚砜，并产生二氧化硫和氯化氢等有毒高腐蚀性气体，而且由于二者不能有效分离，没有利用价值，对环境影响很大。硝磺草酮原药的合成包括碱化、缩合和重排三步，目前文献报道的合成方法主要有两种：(1) 以二氯乙烷为溶剂，1,3-环己二酮在三乙胺的作用下碱化，然后和2硝基-4-甲砜基苯甲酰氯缩合得到中间体烯醇酯，烯醇酯以乙腈为溶剂，丙酮氰醇或氰化钾等为催化剂，经重排反应得到硝磺草酮。该方法先后使用卤代烃和乙腈为溶剂，中间处理繁琐，且溶剂回收较难，不仅增加成本，而且对环境存在危害；此外，催化剂剧毒，存在安全风险。(2) 以乙腈为溶剂，1,3-环己二酮在碳酸钾的作用下碱化，然后滴加2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯的乙腈溶液进行缩合，接着加入催化剂丙酮氰醇，经重排反应得到硝磺草酮。该方法只使用一种溶剂，可简化中间处理过程，但是实际操作中乙腈的回收率不高，导致成本增加和环境污染；此外，仍然使用剧毒催化剂，安全性差。综上所述，现有硝磺草酮及其中间体的生产工艺还存在较多的环境污染和安全问题，有必要利用绿色化学原理对现行工艺进行改进，研发适宜工业化应用的清洁生产技术。（三）项目主要研究开发内容、技术关键及主要创新点1主要研发内容：本项目主要研发内容包括：1.1. 硝磺草酮原药的清洁生产技术研发（1）研究以2-硝基-4-甲砜基苯甲酸为起始原料，经酰氯化、酯化和重排3步反应合成硝磺草酮的工艺技术；（2）优化每步反应原料、溶剂、催化剂及其它工艺条件，加强绿色合成技术的研究和应用，从源头减少三废；（3）研发300吨/年工业试验装置，进行工程放大试验；（4）溶剂和副产物回收套用及三废治理，实现清洁生产；1.2. 关键中间体1,3-环己二酮的清洁生产技术研发（1）研究以间苯二酚为起始原料，经碱化、加氢和酸化3步反应合成1,3-环己二酮的工艺技术；（2）优化每步反应原料、溶剂、催化剂及其它工艺条件，从源头减少三废；（3）着重研究骨架镍催化剂的改性，提高活性和寿命；（4）研制产品保护剂，提高储藏稳定性；（5）研发500吨/年工业试验装置，进行工程放大试验；（6）催化剂回收套用及三废治理，实现清洁生产。2技术关键（1）用环境友好的原料替代高毒原料：在酰氯化反应中，原工艺使用大量高毒氯化亚砜，产生大量二氧化硫等副产物，安全隐患多，环境危害大，急需用环境友好的原料来替代，这也是农药产业的一个关键共性问题；（2）溶剂的绿色化问题：硝磺草酮合成步骤多，原工艺使用了大量和多种卤代烃和芳香烃类溶剂，对环境影响大，减少溶剂种类和数量，并用环境友好酯类溶剂来替代是一个技术难点和共性问题；（3）催化剂的高效化、绿色化：关键中间体1，3-环己二酮的原工艺采用Pd、Pt等贵金属催化剂，成本高、回收难，而镍催化剂的活性又不高，需通过改性来提高活性和使用寿命；硝磺草酮的原工艺采用丙酮氰醇等剧毒物质作为重排催化剂，安全性差，需研发低毒催化剂来替代；（4）中间体1，3-环己二酮储存稳定性差，需研发处理技术和保护剂。3主要创新点（1）原料绿色化：用环境友好原料双（三氯甲基）碳酸酯替代氯化亚砜合成酰氯的共性技术，提高操作安全性，消除二氧化硫排放，降低原料和副产物的环境危害，提高收率和产品质量；用氢氧化钠替代二正丁胺等成盐剂，简化工艺、减少污染、降低成本。（2）溶剂绿色化：用环境友好酯类溶剂替代氯代烃类环境危害大的溶剂，并在同一溶剂中实现三步反应，简化了工艺流程，有效减少了有害物质的释放。（3）催化剂绿色化：在重排催化剂的选择上，发明了低毒的嘌呤类催化剂来替代丙酮氰醇等剧毒催化剂，提高操作安全性，降低环境风险。在环己二酮合成中，自制改性骨架镍催化剂替代贵金属催化剂，提高产品收率和质量，降低成本。（4）产品保护剂：新保护剂可有效抑制1,3-环己二酮的氧化变质，提高储存稳定性。（四）项目预期目标1主要技术经济指标项目完成后，建成300吨/年硝磺草酮和500吨/年1,3-环己二酮清洁生产装置各一套，主要技术经济指标如下： （1）以2-硝基-4-甲砜基苯甲酸为起始原料，采用双（三氯甲基）碳酸酯（BTC）酰氯化得2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯，然后与1,3-环己二酮经缩合与重排反应得到硝磺草酮，硝磺草酮总收率80%以上（以2-硝基-4-甲砜基苯甲酸计），含量98%以上。（2）以间苯二酚为起始原料，经碱化、催化加氢和酸化重排合成1,3-环己二酮，收率90%以上（以间苯二酚计），含量98%以上。（3）建成300吨/年硝磺草酮和500吨/年1,3-环己二酮装置，实现产业化应用。（4）硝磺草酮生产过程中的溶剂回收率达到90%以上，副产物氯化氢回收率95%以上。（5）与老工艺相比，硝磺草酮和1,3-环己二酮的生产废水减排50%以上。（6）项目建成达产后预计新增产值1.82亿元，利税5100万元。2社会效益通过本项目的实施，可提高我国三酮类除草剂生产厂家工业化生产水平，提升我省玉米田除草剂相关行业的技术水平，能够促使项目示范区的农业生产技术和除草剂使用技术的进一步提高，实现节能减排；可带动三酮类除草剂生产等相关产业的发展，促进农业和农村经济的稳定持续发展，产品的推广应用有利于促进我国玉米种植和丰产，保障国家粮食安全。创造巨大的社会经济效益。本项目的实施中，通过技术培训和现场指导可全面提高农民的科学使用除草剂水平。3.技术应用和产业化前景目前，我国是玉米生产和消费大国，玉米种植面积约23千万公顷，年总产量2亿吨左右，为我国第二大粮食作物。硝磺草酮先后于2000年和2001在欧洲和美国登记，此后在全球大面积推广，硝磺草酮在玉米田施用量为100150g/hm2， 2003年全球销售额达到1.8亿美元，2009年攀升至4.45亿美元，近年来一直处于除草剂前列。2005年先正达公司在我国取得该产品的行政保护（NB-US2005020229），将于2012年8月到期，现在进行该产品的产业化开发是最好的时机， 故本项目完成后，通过技术成果的示范，可提高三酮类除草剂产业化水平，为作物高产、优质、高效生产提供有效保障，具有显著的经济、社会效益和良好的生态效益，对促进我省农业的跨越式发展，提高农业综合生产效益，开拓国内外市场等均具有重大的应用价值和广阔的应用前景。4.获取自主知识产权的情况硝磺草酮是由美国施多福化学公司（Stauffer Chemical Co.）于1984年发明的（EP0186118），而后由捷利康公司（Zeneca Ltd.）开发，但生产工艺中仍存在许多急待解决的难题，本项目的实施，预期可创制产业化生产关键技术3-4项，制定产品企业标准2项，目前已申请相关专利2项，项目执行过程中新申请发明专利1项。（五）项目实施方案、技术路线、组织方式与课题分解本项目实行产学研结合模式进行实施，承担单位由1所高校和2家生产企业组成。该高校在科研上具有较强的实力，拥有相应的科技成果；2家生产企业均是经营良好的国家重点扶持的高新技术企业，具有本课题科技成果转化的条件和实力。三家单位已有长期和坚实的合作基础，共同合作完成了多项国家和省部级科研项目，取得了良好的经济和社会效益。采用的技术方案包括：（1）采用催化加氢技术生产1,3-环己二酮，重点研究催化剂、溶剂、稳定剂等关键因素，实现清洁生产。（2）用双（三氯甲基）碳酸酯作为酰氯化试剂生产2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯。（3）采用先酯化再重排的方案生产硝磺草酮，并将上述两步反应在一锅内完成。（4）尽可能采用环境友好的溶剂和催化剂，减少溶剂种类，加强溶剂、催化剂和副产物的回收与综合利用。技术路线如下图所示： 根据项目研究内容的需要，成立硝磺草酮课题攻关领导小组，由承担单位和参与单位的领导、技术主管、项目负责人和财务主管等人员组成，全面组织和管理研究内容的实施。各成员明确分工，责任落实。领导小组负责落实和调配人员、经费、场所、设备和物资等的条件，定期对任务进度、人力资源及经费使用情况进行检查和监督，确保研究内容按计划完成。“企业1”担任本项目的牵头单位，承担硝磺草酮的工程放大试验；“企业2”承担1,3-环己二酮的工程放大试验； “高校”承担小试技术深入研发和协助工程放大试验。（六）计划进度安排本项目实施计划进度安排如下：1）2012年01月-2012年12月（1）小试深入研究，选定替代有毒有害原料、溶剂和催化剂的环境友好原料、溶剂和催化剂；（2）确定优惠的小试合成条件，1,3-环己二酮小试收率达到90%，含量达到98%；硝磺草酮小试收率达到80%，含量达到98%；2）2013年01月-2013年05月（1）完成500吨/年1,3-环己二酮试验生产装置的设计工作；（2）完成300吨/年硝磺草酮试验生产装置的设计工作。 3）2013年06月-2013年12月（1）建成500吨/年1,3-环己二酮试验生产装置； （2）建成300吨/年硝磺草酮试验生产装置。4）2014年01月-2014年12月（1）完成500吨/年1,3-环己二酮工程放大试验，连续5批1,3-环己二酮收率达到90%，含量达到98%；实现正常生产。（2）完成300吨/年硝磺草酮工程放大试验，连续5批收率达到80%，含量达到98%，溶剂回收率达到90%，副产氯化氢回收率达到95%；实现正常生产。（3）完成硝磺草酮原药登记试验，取得正式登记。（4）分别完成硝磺草酮和1,3-环己二酮的三废综合处理工程，三废达到排放标准。（5）项目总结，完成项目验收。（七）现有工作基础和条件承担单位“企业1”是一家专业从事农药及农药中间体生产的国家重点扶持的高新技术企业。该企业于2008年6月经国家发展与改革委员会核准，正式成为农药生产定点企业。该企业从成立之日起就按照国际化标准建设，同时引进了国际化大公司的先进生产管理经验，包括EHS和质量管理理念，并于2007年1月通过了北京兴原认证中心关于ISO9001、ISO14001、OHSAS18001体系的认证，是第一批省级安全标准化企业。现有员工420余人，其中博士学位1名，工程硕士学位4名，各类大专以上专业人员130余名。经过几年的发展，现已拥有总资产62259.2万元，其中固定资产22500万元。目前，已有除草剂中间体2000吨/年甲氧基丙酮、200吨/年NC-43、3000吨/年NC-21、300吨/年乳氟禾草灵原药、4000吨/年异丙甲草胺原药、600吨/年戊唑醇原药、1200吨/年乙氧氟草醚原药、2300吨/年安全剂技术改造项目先后投入生产，其中2009年实现销售收入32574.8万元（人民币），2010年实现销售收入53027.1万元（人民币）。2011年实现销售收入70492.6万元（人民币）。公司目前拥有两个厂区，南厂区占地126000m2，北厂区占地19433m2。公司目前公用工程设施齐全，拥有628.2kw冷冻机组两台，1200 m3/h循环水处理装置，800kv.a、21600kv.a变压器各一台，800kv.a发电机组及2000t/d的污水生化处理装置一套。现有装置只使用冷冻装置运行能力的40左右，1600kv.a的变压器现未用，循环水池预留有多个冷却塔的使用空间，蒸汽的提供量现可达12t/h，为以后的进一步建设及发展打下坚实的基础。完全能满足新装置生产的需求。承担单位之二“高校”的相关研究中心依托绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地和浙江省应用化学重中之重学科，拥有一支在农药及其绿色合成技术研发上卓有建树的创新团队，负责人为浙江省特级专家，先后两次获得“浙江省重大贡献奖”，并荣获“建国六十周年中国农药工业突出贡献奖”和“侯德邦化工科学技术奖创新奖”等荣誉，团队现有核心成员9名，其中博士6名，硕士2名，正高5名，副高2名，“新世纪百千万人才工程”国家级人选1名，浙江省151 人才重点1人，第二层次2人。主要从事绿色农药、清洁生产技术、催化加氢、不对称合成和绿色溶剂等领域的研究与开发，先后承担和完成了国家863课题、科技支撑项目（科技攻关）、973子课题、国家基金、省绿色化工重大专项、长三角联合重大科技攻关、省基金重点及其他省部级项目数十项，取得了一系列突出的科技成果和显著的经济、社会效益，为我省和我国的农药科技创新与发展做出了较大贡献。先后荣获了国家科技进步二等奖4项、中国发明专利金奖1项、国家发明三等奖1项、省部级科技进步一、二等奖10余项，获得授权发明专利近30项，发表论文120余篇，其中SCI、EI收录90余篇，IF2的论文30余篇。承担单位之三“企业2”是一家集科研、开发、生产、经营于一体的农药化工企业，是原化工部农药定点生产企业。公司现有总资产2.7亿多元，职工总数544人，其中科研人员68人，年销售收入4.1亿元，利税4568万元，出口创汇1708万美元。公司先后被授予国家火炬计划重点高新技术企业、国家重点扶持的高新技术企业、浙江省“五个一批重点骨干企业”、浙江省首批“诚信示范企业”、省政府环保“六个一工程”先进企业等数十项荣誉。公司拥有省级高新技术研究开发中心和省级行业技术中心。目前，企业研发中心研究人员年龄结构、职称结构、学历结构和专业背景合理化、多元化。中心全职研发人员为68人，占企业总人数12.5%，本科学历及以上43人，本科学历以上占全职研发人员比例为63.24%。先后承担了国家“九五”、“十五”科技攻关计划、“十一五”重大科技支撑计划、 863计划、国家重点新产品计划和国家火炬计划项目14项，承担省重大专项、重点科技攻关、省级新产品计划项目17项，获得1项国家科技进步二等奖、3项浙江省科学技术一等奖、1项中国石化协会科技进步一等奖和3项省部级科技进步二等奖等科技奖励，拥有各类专利24项，其中发明专利6项。公司荣列全国农药制造业“自主创新能力连续二年十强”。三家单位长期进行产、学、研联合开发，形成了很好的合作创新机制。目前，“高校”已经初步完成了1,3-环己二酮和硝磺草酮的小试研发工作，在催化加氢、环境友好溶剂、酰化剂和重排催化剂的选择上，小试阶段均已取得突破性进展。“企业1”正在进行硝磺草酮的小试放大研究，关键技术环境友好的酰化剂和重排催化剂替代技术工艺放大试验获得成功，并形成样品，委托了相关单位完成了药效试验和毒理试验研究，取得了较好使用的效果。“企业2”正在进行硝磺草酮重要中间体1，3-环己二酮的小试放大研究，已取得了突破性进展，形成了小试放大试验样品。为下一步项目产品工程放大深入研究创造了良好的基础。15