用一锅法合成吡虫啉的工艺研究,植物保护论文

用一锅法合成吡虫啉的工艺研究,植物保护论文吡虫啉[化学名：1-〔6-氯-3-吡啶甲基〕-N-硝基-2-咪唑啉亚胺]是20世纪80年代由德国拜耳公司和日本特殊农药株式会社共同开发的新型烟碱类杀虫剂，因其具有高活性、低毒，且对环境安全，相关的研究遭到人们广泛的关注.当前，吡虫啉的合成工艺主要有直接缩合法、后硝化法以及硝基胍法三大类。直接缩合法，反响简单，但对原料的纯度要求较高，并且催化剂成本高，难于回收;后硝化法需使用大量的浓硫酸和硝酸，三废污染严重;硝基胍法中第一步合成的活性中间体N-〔2-氯-5-吡啶甲基〕乙二胺收率低，难于分离，且上述3种制备方式方法的收率均未达90%.近年来，串联反响作为一种高效、绿色的合成方式方法，具有无需分离反响中间体、操作步骤简单、副反响少、收率高等优点,被广泛应用于合成化学和药物开发中。Ponpandian等[利用一锅法合成了一系列1,3,4-恶二唑-2〔3H〕-酮取代物，得到的产物收率高达94%.Yan等利用一锅法合成了1-芳基-1,2,3-三氮唑，得到的产物收率高达98%.笔者分析了吡虫啉的合成道路，中间体N-〔2-氯-5-吡啶甲基〕乙二胺活性大，较合适于串联反响，由此，本文设计、报道了用一锅法合成吡虫啉的结果。1、实验部分1.1主要仪器与试剂WRS-2型微机熔点仪；BrukerAdvance400型核磁共振谱仪〔氘代丙酮为溶剂，TMS为内标〕;NEXUS470FT-IR型红外光谱仪〔KBr压片〕;戴安Ultimate3000型高效液相色谱仪〔色谱柱：C18柱〔4.6mm150mm,5流动相：甲醇∶水=20∶80〔V∶V〕;检测波长260nm;柱温25℃;流速0.8mL/min〕.2-氯-5-氯甲基吡啶〔CCMP〕,上海达瑞精细化学品有限公司，纯度98%;硝基胍，上海达瑞精细化学品有限公司，纯度98%;其余所用均为市售分析纯级试剂，乙腈在使用前用无水硫酸镁浸泡24h以上。1.2实验方式方法在三口烧瓶中参加3.01g〔50mmol〕无水乙二胺、1.04g〔10mmol〕硝基胍以及一定量的溶剂，滴加一定量的浓盐酸，搅拌下于一定温度下缓慢滴加溶于一定量溶剂的1.62g〔10mmol〕CCMP混合液，反响一定时间后，停止反响。参加碳酸钾固体中和HCl,过滤得黄色澄清液。通过减压蒸馏，将溶剂和未反响的无水乙二胺蒸除，得到浅黄色固体，即吡虫啉粗品。将其参加纯水中加热搅拌至近沸，趁热过滤，所得的结晶用纯水洗涤3次，沉淀物枯燥后在丙酮中结晶，真空枯燥，即得浅黄色晶体。称重，计算得产率，并用液相色谱分析纯度。m.p.144.9℃,〔文献值：143℃~144℃〕;1HNMR〔400MHz,acetone-d6〕：8.422〔s,1H,-CH-N〕,7.852〔d,1H,-CHC-C〕,7.461〔d,1H,-CH-C〕,4.584〔s,2H,-CH2〕,3.819〔t,2H,-CH2〕,3.647〔t,2H,-CH2〕,2.799〔s,1H,-NH〕;13CNMR〔100MHz,acetone-d6〕；28.341,41.670,44.748,124.181,131.501,139.226,149.530,206.217;IR〔KBr〕/cm-1:3354.08〔s〕,3042〔w〕,2984〔w〕,2900〔w〕,1566.92〔s〕,1474.99〔m〕,1441.49〔s〕,1390.57〔m〕,1292.25〔s〕,1239.87〔s〕,1139.67〔w〕,1097.14〔m〕,1046.86〔m〕,935.97〔m〕,829.25〔m〕,617.00〔m〕.2、结果与讨论2.1串联反响设计思路由图1可知，两步反响合成吡虫啉的方式方法为先由CCMP与乙二胺反响生成N-〔2-氯-5-吡啶甲基〕乙二胺，而后与硝基胍在盐酸溶液中成环反响生成吡虫啉。两步反响均为亲核取代反响，反响的速率和亲核试剂的亲核性大小有关，当CCMP与乙二胺反响生成中间产物后，中间产物的亲核性远大于乙二胺，因而，造成中间产物再与原料CCMP反响生成副产物N,N-二-〔2-氯-5-吡啶甲基〕乙二胺，该副反响的发生使第二步反响产率遭到影响。笔者以为，假如合理利用仲胺的高活性，将原料硝基胍一起放入反响体系内，高活性的N-〔2-氯-5-吡啶甲基〕乙二胺与硝基胍成环生成产物吡虫啉，能够抑制副反响发生，而且由于N-〔2-氯-5-吡啶甲基〕乙二胺的活性远大于乙二胺，在受控制的反响条件下也不会发生乙二胺与硝基胍成环副反响。设计的反响体系中硝基胍作为N-〔2-氯-5-吡啶甲基〕乙二胺的捕获剂，N-〔2-氯-5-吡啶甲基〕乙二胺一旦产生立即与硝基胍成环，副反响由此得到控制，进而提高反响的收率和改善产品的纯度。这种直接一锅法合成目的产物的方式方法即为串联合成方式方法，反响式见图式2.2.2串联反响的条件优化2.2.1pH对吡虫啉收率的影响碱性条件对CCMP和无水乙二胺的反响有利，酸性条件对N-〔2-氯-5-吡啶甲基〕乙二胺与硝基胍的反响有利。串联反响是在同一pH环境下发生的，由此，反响中的pH控制是一个重要影响因素。设计通过改变盐酸的用量来调节反响体系的pH.令37%盐酸和无水乙二胺的摩尔比为R,表1反映了R与产品收率的关系。由表1可知，当R=0.329时，测得反响体系的pH=8,此条件下吡虫啉的收率最高〔96.35%〕.2.2.2溶剂对吡虫啉收率的影响溶剂的选择，要同时考虑原料CCMP和硝基胍的溶解性，使它们都能溶解。硝基胍的极性大，可溶解于水和极性质子溶剂，而CCMP可溶于大多数的有机溶剂而不溶于水等质子溶剂中，因而选择乙腈、甲醇等作为溶剂进行了考察。这些溶剂的极性大小顺序：乙腈甲醇乙醇二氯甲烷。表2反映的是溶剂对吡虫啉收率的影响。从表2能够看到，以乙腈和二氯甲烷作溶剂，吡虫啉的收率分别为96.35%和94.08%,乙醇体系中，吡虫啉的收率达69.40%,甲醇溶液中的收率仅为44.65%.相比乙腈、二氯甲烷，质子性溶剂中吡虫啉收率均下降，讲明CCMP与乙二胺反响的溶剂选择占主导地位，最合适此反响的溶剂是乙腈或二氯甲烷，这是由于CCMP与乙二胺反响后体系的极性增大，体系极性增大使得硝基胍的溶解性得到改善所致。为此，选择以乙腈作溶剂，可使得吡虫啉获得较高收率。2.2.3温度对吡虫啉收率的影响反响温度对反响速率有显着影响，温度每上升10℃，反响速率大约增加2~4倍，温度太低，反响转化不完全，时间延长；但温度太高，易导致副反响发生。因而，选择适宜的反响温度也是工艺研究中的一项重要工作。笔者考察了不同的反响温度对产品收率的影响，结果示于表3.由表3能够看到，随着反响温度的升高，反响速率增大，吡虫啉的产率也随之增加，反响一定时间时，反响速率到达最大，若继续升温，仲胺与CCMP的副反响速率增加，导致最终吡虫啉收率的降低。结果表示清楚，乙腈作溶剂，选择温度为20~30℃,收率最高。2.2.4反响时间对吡虫啉收率的影响反响时间确实立用以反映串联反响能否到达反响平衡，因而严格控制反响时间是必要的。在确定了反响温度的条件下，笔者还考察了不同反响时间对产品收率的影响，结果见表4.由表4能够看到，反响时间短，反响不完全。随着反响时间的延长，吡虫啉的产率也随之增加，一定时间后，其产率基本保持恒定。由表4数据可知，乙腈作溶剂，反响温度30℃，选择反响时间t=120min,产率96.35%.3、结论利用串联反响合成吡虫啉的方式方法可行，并且解决了活性中间体进一步发生副反