引言

羟基亚乙基二磷酸(HEDP)为一种有机磷的缓蚀阻垢剂，是造纸、印染等行业目前最为常用的水处理剂之一.因此，研究羟基亚乙基二磷酸的合成具有重要的实际意义.“一锅法”合成工艺的总反应方程式为：

$ \text{2PC}{{\text{I}}_{\text{3}}}\text{+5}{{\text{H}}_{\text{2}}}\text{O+C}{{\text{H}}_{\text{3}}}\text{COOH}\to \text{HEDP+6HCI} $

反应历程如图 1所示，首先，三氯化磷分别与水和冰乙酸反应，生成亚磷酸和亚磷酸，乙酰氯.然后，亚磷酸进攻乙酰氯，先后生成单/双磷酸取代产物1和2，然后生成关键中间体3.最后，在酸性水溶液中，3水解生成最终产物HEDP.从反应历程还可以看出，在单磷酸基取代产物1转化为双磷酸基取代产物2的过程中，空间位阻增大，且底物1的活性也有所降低.因此，与单磷酸基取代产物1相比，双磷酸基取代产物2和3的生成需要更多的能量.

$ \begin{array}{l} \;\;\;\;{\rm{PC}}{{\rm{I}}_{\rm{3}}}{\rm{ + 3}}{{\rm{H}}_{\rm{2}}}{\rm{O}} \to {{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{P}}{{\rm{O}}_{\rm{3}}}{\rm{ + 3HCI}}\\ {\rm{PC}}{{\rm{I}}_{\rm{3}}} + 3{\rm{C}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{COOH}} \to 3{\rm{C}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{COCL}} \end{array} $

不难看出，“一锅法”合成工艺中有两个关键点.(1)中间体亚磷酸的转化.只有确保亚磷酸完全转化成中间体2，才可以进行下一步的水解反应.(2)关键中间体3的转化.因为关键中间体3能否完全转化以及反应条件直接影响到最终产品HEDP的品质.

HG/T3537-1999明确规定了最终产品中活性组分HEDP和相关杂质的含量指标及分析方法，但是没有给出合成反应过程的检测方法.然而，只有实现对反应过程的有效监控，才能保障最终产品的品质.由于反应液显强酸性，很难通过气相/液相来跟踪反应进程.对于中间体亚磷酸，通常采用以下两种分析方法.(1)取少量反应液，向其中加入KMnO₄溶液，通过观察紫色是否褪去以及是否有沉淀生成来判断亚磷酸是否转化完全；(2)取少量反应液，向其中缓慢加入I₂的水溶液，通过观察淀粉碘化钾试纸是否变成蓝色来判断亚磷酸是否转化完全.结果表明，当反应液中残留的亚磷酸浓度小于5%时，KMnO₄溶液和淀粉碘化钾试纸的颜色变化并不明显，难以准确判断亚磷酸是否完全转化.如果通过氧化-还原滴定法来判断反应终点，则耗时太长，也不符合生产检测的时效性要求.

本文建立了核磁共振磷谱(³¹P NMR)方法，实现了对合成反应过程的监控，方法准确度、灵敏度、时效性等指标均满足生产工艺的要求.利用³¹P NMR对反应过程实时监控分析，可以准确检测到反应组分中含磷化合物的变化情况，可作为生产和合成路线研发监控的一种新方法，为动态合成研究提供了有效参考.

1 实验部分 1.1 仪器及试剂

三氯化磷由滨海五洲化工有限公司生产，冰乙酸由国药集团化学试剂有限公司生产，D₂O由Aldrich Chemical Company生产.实验采用Bruker Ascend 400型超导核磁共振波谱仪进行测定.将装有85%H₃PO₄的密封毛细管垂直放入核磁共振管中，加入D₂O，待测.

1.2 分析条件

³¹P NMR的工作频率：162 MHz；检测探头：PABBO NMR；温度：300 K；脉冲宽度P1：11.2 μs；脉冲延迟时间d1：2 s；扫描次数NS：16；³¹P NMR的谱宽SWH：64 102 Hz；采样点数TD：65 536.

1.3 实验操作

向配置冷凝管的500 mL三口瓶中投120 g HOAc和18 g H₂O，磁力搅拌，升温至90℃，开始滴加137 g PCl₃，用冰水吸收HCl尾气.滴加完毕，升温至120℃，监控至亚磷酸反应完全.加入54 mL H₂O，搅拌回流，监控至关键中间体3反应完全.把反应液浓缩至干，得黄色通明粘稠液53 g，加入10 mL H₂O，自然冷却析晶，抽滤得类白色通明固体77.5 g，收率：75.2%.

关键中间体3：白色固体，¹H NMR (400 MHz, D₂O)：δ_H 2.15 (s, 3H, COCH₃)，1.84 [t, 3H, CH₃(PO₃H₂)(OCOCH₃)]；¹³C NMR (100 MHz, D₂O)：δ_C 175.41 [t, J=7.5 Hz, OCO(CH₃)]，81.76 [t, J=143.3 Hz, C(CH₃)(OH)]，23.87, 20.84; ³¹P NMR (162 MHz, D₂O)：δ_P 16.14~16.29.

HEDP：白色晶体，¹H NMR (400 MHz, D₂O)：δ_H 0.676 (t, 3H, J=16.4 Hz, CH₃)；¹³C NMR (100 MHz, D₂O)：δ_C 69.44 [t, J=151 Hz, C(CH₃)(OH)]，18.61(s, CH₃)；³¹P NMR (162 MHz, D₂O)：δ_P 19.29.

2 结果与讨论

由于反应过程中反应液成分的不断变化，化学位移的解析并不能完全说明化合物的结构，因此在组分确定上采用标准品添加法将85%的H₃PO₄的化学位移设定为0.

2.1 反应过程的监控 2.1.1 中间体亚磷酸的监控

三氯化磷与冰乙酸和水的反应很快，当三氯化磷滴加完毕，几乎全部转化为亚磷酸，因此，三氯化磷的转化不作重点考查.

三氯化磷滴加完毕，升温至120℃，分别在反应进行0.5，1.0，1.5，2.0 h采样，进行³¹P NMR检测，监控中间体亚磷酸的转化，如图 2.从图 2(a)可以看出，反应0.5 h后，反应液中以亚磷酸为主，³¹P NMR的化学位移为δ_P3.89~4.28，面积归一法相对含量约为68%，还包括13.6%的关键中间体3和18.4%的HEDP.随着亚磷酸的不断消耗，关键中间体3和HEDP的相对含量不断增加.当反应进行2.0 h，亚磷酸反应完全，如图 2(b)所示.从图 2(b)还可以看出，尽管反应体系中存在较多游离态的乙酰氯，仍然有少量HEDP没有发生乙酰化而生成关键中间体3.

当反应液中残留的亚磷酸的浓度小于5%时，通过高锰酸钾溶液或淀粉碘化钾试纸进行定性检测几乎观察不到颜色的变化，定量分析又耗时太长.然而，³¹P NMR可以快速地测出反应液中亚磷酸的面积归一法含量，最低检测下限为0.5%，不仅提高了检测的精度，也缩短了检测时间.

2.1.2 关键中间体3水解反应的监控

当亚磷酸反应完全，如图 2(b)，加入水，关键中间体3开始水解.分别在反应进行0.5，1.0，1.5，2.0 h采样，进行³¹P NMR检测，监控关键中间体3的转化.监控结果表明，水解初期，反应液中以关键中间体3为主，面积归一法相对含量约为96%，还包括4%的磷酸（图 2）.随着水解反应的进行，关键中间体3的不断消耗，HEDP的相对含量不断增加.当反应进行2 h，关键中间体3反应完全（图 3）.

2.2 工艺条件的优化

从羟基亚乙基二磷酸的反应历程可以看出，关键中间体3的合成工艺以及水解工艺对最终产品HEDP的品质起关键作用.因此，接下来将围绕这两方面进行工艺优化.

2.2.1 关键中间体3合成工艺的优化

从反应历程可以得到关键中间体3的反应方程式为：

$ {\rm{2PC}}{{\rm{I}}_{\rm{3}}} + 2{\rm{C}}{{\rm{H}}_{\rm{3}}}{\rm{COOH + 4}}{{\rm{H}}_2}{\rm{O = 关键中间体\boldsymbol{3} + 4HCL}} $

合成关键中间体3的反应物有三氯化磷、冰乙酸和水.在“一锅法”合成工艺中，相对三氯化磷，加入的水是恒定的，为三氯化磷的2倍当量.这样，不仅生成等量的关键中间体产物3，还可以减少乙酸的用量，还能够有效避免大量乙酰氯的生成，进而能够大大减少关键中间体3水解过程时所需的水的用量，最终大幅降低工艺开发成本.

从“一锅法”合成工艺的总反应方程式可以看出，生成1分子关键中间体3只需要1分子乙酸，可见乙酸的用量是大于化学反应量的.为进一步考查乙酸的用量，平行实验设计如下：投入的乙酸与三氯化磷的摩尔量之比依次为1.6，1.8，2.0，2.5.监控反应体系中亚磷酸量的变化.结果表明，乙酸与三氯化磷的最佳摩尔比为1.8.

2.2.2 水解反应温度的考查

关键中间体3的转化率和水解反应的温度将影响最终产品的色泽及纯度.为此，重点考查了水解反应的温度.平行实验设计如下：水解反应温度依次为105℃，110℃，115℃和120℃.监控反应体系中关键中间体3的变化.结果表明，水解反应的最佳温度为105℃.

2.3 反应体系中磷酸来源的考查

在“一锅法”合成过程中，每次都会看到反应液中有少量的磷酸，并且其含量在反应过程中保持不变.通过对反应机理的分析，排除了反应过程中生成磷酸的可能性.通过分析三氯化磷的生产工艺得知，若通入氯气过量会生成五氯化磷，五氯化磷在反应过程中水解生成磷酸.另外，三氯化磷在长期储存过程中也会发生氧化、水解等副反应而略显黄色.

将三氯化磷重新蒸馏，去除黄色的高沸点残渣.再采用“一锅法”合成，并通过³¹P NMR谱监测.实验结果表明，反应液中磷酸的相对含量只有0.5%，最终产品达到优等品的指标要求.

3 结论

首先分析了羟基亚乙基二磷酸的反应历程，确立了两个关键监控点.然后通过³¹P NMR对羟基亚乙基二磷酸的反应过程进行跟踪，实现了对中间体亚磷酸和关键中间体3的监测.在此基础上，还对乙酸的用量和水解反应的温度进行考查，优化后的反应条件为：乙酸与三氯化磷的摩尔比最佳为1.8，水解反应的最佳温度为105℃.最后，分析了反应液中的磷酸来源，并通过重新蒸馏，大大减少了最终产品中磷酸的含量.