磺草酮的綠色合成研究

劉 前 戴友鵬 鄧嬋娟 任正偉

（金華市環(huán)境科學研究院，金華 321017）

磺草酮（Sulcotrione）是由捷利康公司開發(fā)的三酮類除草劑，是對羥基丙酮酸雙加氧酶（HPPD）抑制劑［1］，能有效防除玉米田一年生闊葉雜草和一些禾本科雜草，如馬唐、血根草、錫蘭稗、洋野黍、茄、龍葵、酸膜等，不僅對玉米安全，而且對環(huán)境、后茬作物安全。

圖1 磺草酮的化學結(jié)構(gòu)式

文獻介紹的合成磺草酮及中間體的方法很多［2-4］，結(jié)合國內(nèi)原材料供應(yīng)情況，選擇以2-氯-4-甲砜基甲苯為起始原料，經(jīng)氧化、酰氯化、縮合和重排4步反應(yīng)來合成磺草酮。根據(jù)已有文獻報道，氧化反應(yīng)是2-氯-4-甲砜基甲苯在重鉻酸鈉、高錳酸鉀、次氯酸鈉、硝酸或空氣等氧化試劑的作用下［5-6］，生成2-氯-4-甲砜基苯甲酸；?；磻?yīng)是以2-氯-4-甲砜基苯甲酸為原料，以1，2-二氯乙烷、乙腈等為溶劑，加熱回流條件下，以氯化亞砜為酰化試劑，反應(yīng)得到2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯，尾氣中會產(chǎn)生有毒且高腐蝕氣體二氧化硫［7］；縮合和重排反應(yīng)基本采用一鍋法的方式進行，主要有2條路線，其一，是以二氯甲烷為溶劑，三乙胺為堿化試劑，1，3-環(huán)己二酮和2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯反應(yīng)，得到中間體烯醇，再加入重排試劑丙酮氰醇，反應(yīng)得到磺草酮原藥，收率80％左右［8］；其二，是以乙腈為溶劑，碳酸鉀為堿化試劑，反應(yīng)得到堿式1，3-環(huán)己二酮，然后滴加2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯的乙腈溶液，得到中間體烯醇，最后加入重排試劑1，2，4-三氮唑或丙酮氰醇，反應(yīng)得到磺草酮原藥，收率83.6％［9］。

在參考上述文獻和大量探索性實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了如下一條路線：以2-氯-4-甲砜基苯甲酸為起始原料，以乙酸乙酯為溶劑和固體光氣為?；噭?，反應(yīng)生成2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯；然后以乙腈為溶劑，碳酸鉀為堿化試劑，反應(yīng)得到堿式1，3-環(huán)己二酮，滴加2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯的乙腈溶液，最后加入重排試劑丙酮氰醇，反應(yīng)得到磺草酮。有關(guān)合成路線如下：

圖2 磺草酮的合成路線

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：所有試劑均為市售化學純、分析純或工業(yè)品級。

儀器：BUCHI Melting Point B-545熔點儀；高效液相色譜儀為HITCHI L-7000系列。

1.2 實驗方法

1.2.1 2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯的合成

向100mL三口瓶中加入10.0g（0.043mol）2-氯-4-甲砜基苯甲酸，5.1g（0.017mol）固體光氣和40mL乙酸乙酯，攪拌，加熱至50℃，滴加10mL乙酸乙酯和0.5mLDMF配成的溶液，在1h內(nèi)滴加完畢，繼續(xù)反應(yīng)2h。隨著反應(yīng)進行，反應(yīng)液由渾濁變澄清。反應(yīng)結(jié)束后，脫溶得到10.6g淺黃色固體。熔點：116.4℃～118.4℃，收率98.5％，純度99.5％。

1.2.2 磺草酮原藥的合成

向250mL三口瓶中加入4.8g（0.043mol）1，3-環(huán)己二酮，14.8g（0.107mol）碳酸鉀，80mL乙腈，室溫下攪拌反應(yīng)5h，反應(yīng)液慢慢變成絮狀，然后成粉紅色漿狀。用80mL乙腈溶解10.8g（0.043mol）2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯，10～15min內(nèi)緩慢滴加到反應(yīng)液中。1h后，加入0.1mL丙酮氰醇，升溫至50℃，反應(yīng)4h，冷卻，過濾，得到濾餅，加入80mL水得淺黃色溶液，滴加濃鹽酸，使體系pH＝1～2，析出固體，過濾，干燥，得12.1g磺草酮。熔點：137.0℃～140.0℃，收率86.9％，純度98.3％。

1.2.3 1，3-環(huán)己二酮的合成［11］

向300mL的三口燒瓶中加入130.0mL水和35.0g氫氧化鉀，攪拌至氫氧化鉀溶解完，然后，加入55.0g間苯二酚，攪拌反應(yīng)1h。將制得的間苯二酚鉀鹽水溶液轉(zhuǎn)移至500mL的壓力反應(yīng)釜中，加入0.5g自制鎳催化劑，氮氣置換釜內(nèi)空氣三次，再用氫氣置換三次，通入氫氣至1.5MPa，升溫至120℃，攪拌反應(yīng)，壓力降為0.5MPa時，再通入氫氣至1.5MPa，反應(yīng)80min至不吸氫為止。將反應(yīng)液冷卻到50℃以下，出料，過濾除去催化劑，將濾液轉(zhuǎn)移至500mL的三口燒瓶中，攪拌下滴入60mL濃鹽酸，室溫下進行酸化及重排反應(yīng)1h。然后，將反應(yīng)液冷卻至0℃～5℃，結(jié)晶，過濾，干燥，得到55.0g 1，3-環(huán)己二酮。熔點：103℃～104℃，收率98.1％，純度98.2％。

2 結(jié)果與討論

2.1 酰化反應(yīng)的優(yōu)化

固體光氣?；ㄖ饕绊懸蛩赜蟹磻?yīng)溶劑、反應(yīng)溫度以及固體光氣用量。殘留過多的固體光氣會對下一步反應(yīng)有很大影響，因此，反應(yīng)結(jié)束后應(yīng)除去多余的固體光氣。

2.1.1 反應(yīng)溶劑的選擇

溶劑的選擇不僅要考慮到固體光氣的用量，還要考慮環(huán)保和經(jīng)濟性等因素。在相同情況下，考察不同溶劑對反應(yīng)的影響，結(jié)果如表1所示。

表1 ?；磻?yīng)中反應(yīng)溶劑對反應(yīng)的影響

從表1中可以看出，反應(yīng)中甲苯、乙腈對固體光氣用量比較大，1，2-二氯乙烷、氯代苯和乙酸乙酯在反應(yīng)中固體光氣利用率高，反應(yīng)較為理想，但1，2-二氯乙烷、氯代苯毒性大且沸點高不易排除。因此，選擇乙酸乙酯作為?；磻?yīng)的溶劑。

2.1.2 反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響

固體光氣比較活潑，易于和2-氯-4-甲砜基苯甲酸反應(yīng)。但在一定溫度下，才可以加快反應(yīng)進行?？疾炝瞬煌瑴囟葘Ψ磻?yīng)的影響，結(jié)果如表2所示。

表2 ?；磻?yīng)中反應(yīng)溫度對反應(yīng)的影響

由表2可以看出，溫度越低，反應(yīng)時間越長，溫度越高，反應(yīng)時間越短，但固體光氣用量加大（隨著溫度升高，固體光氣分解損失加大）。因此，?；磻?yīng)的溫度為50℃比較合適。

2.2 縮合和重排反應(yīng)的優(yōu)化

磺草酮原藥的合成，對反應(yīng)收率的影響主要是反應(yīng)溶劑和反應(yīng)溫度。

2.2.1 反應(yīng)溶劑的選擇

反應(yīng)溶劑的選擇和1，3-環(huán)己二酮堿化有關(guān)，由于碳酸鉀為無機鹽，在極性小的溶劑中溶解性小，很難解離出陽離子，因此該選擇極性大的溶劑?？紤]到價格、回收套用、對環(huán)境友好等因素，本文選擇乙腈、乙酸乙酯、甲苯、二氯甲烷和氯代苯等不同溶劑中做了試驗，考察反應(yīng)溶劑對反應(yīng)的影響，結(jié)果如表3所示。

表3 不同溶劑對反應(yīng)的影響

從表3中可以看出，乙腈的極性比較大，1，3-環(huán)己二酮堿化比較徹底，產(chǎn)品收率和純度都比較理想，其他溶劑做溶劑時不僅收率較低，且純度更低。因此，選擇乙腈為反應(yīng)的溶劑。

2.2.2 反應(yīng)溫度的選擇

磺草酮原藥的制備主要經(jīng)過堿化、縮合及重排三步，因此對應(yīng)的也有三個反應(yīng)溫度。堿化和縮合對溫度要求不是很高，考慮到生產(chǎn)成本，選擇在常溫下進行。本文著重考察了重排溫度對反應(yīng)的影響，結(jié)果如表4所示。

表4 重排溫度對反應(yīng)的影響

從表4中可以看出，重排溫度越低，反應(yīng)時間越長，溫度越高，反應(yīng)時間越短且收率和純度都差不多?？紤]到能耗等因素，重排溫度為50℃，反應(yīng)為佳。

2.3 1，3-環(huán)己二酮的合成的優(yōu)化

1，3-環(huán)己二酮的合成反應(yīng)，影響因素有：反應(yīng)原料的配比、氫氧化鉀的濃度、反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力。根據(jù)初步單因素實驗研究結(jié)果，進行了正交優(yōu)化試驗研究。試驗采用四因素三水平正交試驗表，如表5所示。

表5 正交優(yōu)化因素水平表

表6 正交優(yōu)化試驗結(jié)果一覽表

由表6可以看出，影響反應(yīng)收率的因素大小次序是反應(yīng)原料的摩爾配比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間及氫氧化鉀的濃度。其中原料摩爾配比的影響最為顯著，等摩爾反應(yīng)會造成反應(yīng)不完全，因此，氫氧化鉀的比例要稍大才有利于反應(yīng)完全進行。其次，反應(yīng)溫度和反應(yīng)壓力對反應(yīng)重要的影響，溫度越高和壓力越大越有利于反應(yīng)的進行，但溫度和壓力大于一定程度后，反應(yīng)的改變不大。氫氧化鉀的濃度對反應(yīng)的影響最小。綜合考慮較佳工藝組合為A2B3C2D3。

3 結(jié)論

根據(jù)以上結(jié)果和分析，得出的較佳反應(yīng)條件為：?；磻?yīng)以乙酸乙酯為溶劑，DMF為催化劑，固體光氣為?；瘎?，固體光氣和2-氯-4-甲砜基苯甲酸的摩爾比為1.2：1，在50℃反應(yīng)3h，收率98.5％左右，純度99.5％左右；縮合和重排反應(yīng)以乙腈為反應(yīng)溶劑，碳酸鉀為堿化試劑，在室溫下進行5h的堿化反應(yīng)和1h的縮合反應(yīng)，然后在50℃溫度下，加入重排試劑丙酮氰醇，反應(yīng)4h，得到產(chǎn)品，收率86.9％，純度98.3％；1，3-環(huán)己二酮的合成以間苯二酚和氫氧化鉀為原料，以自制的改性骨架鎳為催化劑，在120℃和1.5MPa的體系里反應(yīng)得到1，3-環(huán)己二酮，收率98.1％，純度98.2％。

?；磻?yīng)中用固體光氣替代氯化亞砜，易于生產(chǎn)，不產(chǎn)生有毒的SO2氣體，用乙酸乙酯替代1，2-二氯乙烷和乙腈，降低了毒性和對環(huán)境的污染，符合綠色化工的要求；1，3-環(huán)己二酮的合成反應(yīng)用氫氧化鉀為堿中和成鹽試劑，避免使用毒性相對較高的有機堿，使用自制的改性骨架鎳催化劑，代替價格高的貴金屬鈀催化劑和用量大的普通鎳催化劑，實現(xiàn)了在溫和反應(yīng)條件下的高轉(zhuǎn)化率和高選擇性。該路線具有收率高、產(chǎn)物純度好、操作簡便和對環(huán)境友好等優(yōu)點，從而為工業(yè)化生產(chǎn)提供了重要依據(jù)。

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