一種草銨膦新型中間體的合成和表征

吳憶雯，馬 銀，馮薇偉，舒 暢，奚 強(qiáng)，戶(hù)業(yè)麗，程 波

武漢工程大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430205

現(xiàn)全球大規(guī)模商品化種植轉(zhuǎn)基因作物，而轉(zhuǎn)基因作物種植面積約90%為種植含有抗草甘膦性狀的作物，草甘膦的大量重復(fù)使用導(dǎo)致抗性雜草的發(fā)展。全球第二大除草劑百草枯，由于沒(méi)有解毒藥，導(dǎo)致大量非生產(chǎn)性中毒死亡，因而將退出市場(chǎng)。所以位于草甘膦、百草枯之后的除草劑草銨膦獲得了巨大發(fā)展空間［1］。

草銨膦是一種谷氨酸的類(lèi)似物，其本身沒(méi)有除草活性，但可在植物體內(nèi)代謝為具有除草活性的草銨膦。研究發(fā)現(xiàn)植物吸收雙丙銨膦以后在體內(nèi)代謝為L(zhǎng)-型的草銨膦，L-型的草銨膦作用于谷氨酰胺合成酶，阻止了氨的同化，干擾氮的正常代謝，導(dǎo)致氨的積累，光合作用停止，葉綠體結(jié)構(gòu)破壞，使雜草死亡，目前市售的草銨膦為草銨膦銨鹽的外消旋體［2-4］。

關(guān)于草銨膦合成方法的研究的文章有很多，概括起來(lái)有阿爾布佐夫合成法、高壓催化合成法、低溫定向合成法、蓋布瑞爾丙二酸合成法、strecker法、手性合成法等［5］。

本文首次以乙酰氨基丙二酸二乙酯（后簡(jiǎn)稱(chēng)二乙酯）為起始原料，經(jīng)部分水解［6］得乙酰氨基丙二酸單乙酯（后簡(jiǎn)稱(chēng)單乙酯），再與自制2-［乙氧基（甲基）膦?；菀胰?］（后簡(jiǎn)稱(chēng)膦醛）發(fā)生先加成后消除反應(yīng)，制得中間體2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸，該中間體可進(jìn)一步通過(guò)氫化制得外消旋草銨膦或L-草銨膦［8］。路線如圖1所示。

圖12-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸的合成路線圖Fig.1 Synthetic route of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

乙酰氨基丙二酸二乙酯（化學(xué)純），百靈威科技有限公司生產(chǎn)；2-［乙氧基（甲基）膦?；菀胰ㄗ灾疲欢趿h(huán)、吡啶、乙酸酐、氫氧化鈉（化學(xué)純）均為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)。

PB203-N電子天平：Mettler Toledo Group生產(chǎn)；RE-52C旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)；SHZ-D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵：鞏義市予華儀器有限公司生產(chǎn)；DF-101S恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司生產(chǎn)；核磁采用Agilent 400MR型核磁共振波譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 乙酰氨基丙二酸單乙酯的合成 在1 L反應(yīng)瓶中，量入300 mL溶劑1，4-二氧六環(huán)，攪拌下稱(chēng)入50 g（230 mmol）乙酰氨基丙二酸二乙酯，邊攪拌邊滴加1 mol/L氫氧化鈉水溶液235 mL，控制滴加速度使內(nèi)溫不超過(guò)30℃，滴加時(shí)間1.5 h～2 h，完畢后室溫25℃～30℃繼續(xù)攪拌反應(yīng)16 h。減壓蒸出溶劑，所得的水溶液，用乙酸乙酯洗滌3次，每次100 mL。水相冷凍至0℃，用濃鹽酸調(diào)節(jié)pH為1，保溫結(jié)晶過(guò)夜。過(guò)濾，固體真空干燥，得白色固體37.1 g，熔點(diǎn)130 ℃～134 ℃，與文獻(xiàn)一致［9-10］，收率85.3%。

1.2.2 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸的合成 在1 L反應(yīng)瓶中，在氬氣保護(hù)下，量入160 mL無(wú)水吡啶（10 eqv.），冷凍至-15℃，攪拌下稱(chēng)入30.0 g（200 mmol）2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛和41.6 g（220 mmol）乙酰氨基丙二酸單乙酯。邊攪拌邊滴加60 mL乙酸酐（1.6 mol/L），控制滴加速度使內(nèi)溫不超過(guò)10℃，滴加完畢后自然升溫至室溫，繼續(xù)攪拌15 h。將反應(yīng)液倒入1 L冰水中，用乙醚充分萃取3次，每次300 mL，合并有機(jī)相，旋干乙醚，加入5 mol/L鹽酸100 mL，升溫至50℃攪拌1 h，減壓旋干反應(yīng)液。得粘稠物加入300 mL冰醋酸溶清，滴加甲苯析出晶體。過(guò)濾，真空干燥得白色固體32.7 g，熔點(diǎn)190 ℃～192℃，與文獻(xiàn)［11］一致，收率74%。

1.2.3 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸的檢測(cè) 處理送檢樣品（無(wú)灰塵等雜質(zhì)），以d6-DMSO為溶劑，送至檢測(cè)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氫氧化鈉用量（摩爾比）對(duì)乙酰氨基丙二酸單乙酯收率的影響

在室溫條件下，攪拌反應(yīng)16 h，討論了氫氧化鈉的用量對(duì)乙酰氨基丙二酸單乙酯收率的影響，結(jié)果如圖2（a）所示。

由圖2（a）可知，當(dāng)NaOH和原料二乙酯摩爾比不斷升高，產(chǎn)物單乙酯的收率呈先增加后減少的趨勢(shì)。當(dāng)n（NaOH）與n（二乙醇）摩爾比為1.02時(shí)，收率最高，達(dá)85.3%；進(jìn)一步增加NaOH的用量，可能導(dǎo)致原料的過(guò)度水解，從而使產(chǎn)品的收率降低。綜合考慮，控制NaOH用量在n（NaOH）與n（二乙醇）摩爾比1.02～1.03為最佳的水解用量。

2.2 水解溫度和時(shí)間對(duì)乙酰氨基丙二酸單乙酯收率的影響

固定NaOH和原料摩爾比為1.02∶1，研究了反應(yīng)溫度和時(shí)間對(duì)單乙酯收率的影響，結(jié)果如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，收率隨著溫度的升高呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在低溫時(shí)，反應(yīng)速度慢，副產(chǎn)物多，導(dǎo)致收率偏低，溫度過(guò)高水解速度快，選擇性較差，綜合考慮，確認(rèn)適宜的反應(yīng)溫度為20℃～30℃，在條件一定時(shí)，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，單乙酯的收率不斷增加，最終達(dá)到最大值，在反應(yīng)16 h后，收率72.6%，繼續(xù)延長(zhǎng)時(shí)間，收效不大，最終確定水解時(shí)間為16 h最佳。

圖2（a）氫氧化鈉與乙酰氨基丙二酸二乙酯的摩爾比；（b）水解溫度和時(shí)間對(duì)乙酰氨基丙二酸單乙酯收率的影響Fig.2 Effect of（a）mole ratio of sodium hydroxide to diethyl acetamidomalonate（b）hydrolysis temperature and time on the yield of ethyl acetamidomalonate

2.3 乙酰氨基丙二酸單乙酯和2-［乙氧基（甲基）膦?；菀胰┠柋葘?duì)產(chǎn)物收率的影響

在n（膦醛）∶n（吡啶）∶n（乙酸酐）摩爾比為1∶10∶3.2的條件下，考察了單乙酯和膦醛的摩爾比對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖3（a）所示。

由圖3（a）可知，隨著投料摩爾比值的增加，收率不斷增加，在超過(guò)1.1后，趨于平緩，可以確定較佳的摩爾比為1.1，此時(shí)收率74%。

2.4 吡啶和2［-乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩爾比對(duì)產(chǎn)物收率的影響

在n（單乙酯）∶n（膦醛）∶n（乙酸酐）摩爾比為1.1∶1∶3.2的條件下，研究了吡啶的用量對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖3（b）所示。

由圖3（b）可知，吡啶提供所需的反應(yīng)堿性環(huán)境［12］，隨著吡啶用量的增大，收率有很大的提高，超過(guò)摩爾比值10后，吡啶已大大過(guò)量，收率變化不大，綜合考慮，確定吡啶的用量為摩爾比值10為最佳。

2.5 乙酸酐和2［-乙氧基（甲基）膦?；菀胰┠柋葘?duì)產(chǎn)物收率的影響

在n（單乙酯），n（膦醛）和n（吡啶）的摩爾比為1.1∶1∶10條件下，考察了脫水劑乙酸酐的用量對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖3（c）所示。

由圖3（c）可知，隨著脫水劑用量不斷增加，產(chǎn)物收率也呈現(xiàn)不斷增加，最終趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。脫水劑的加入會(huì)促進(jìn)中間態(tài)脫水生成烯鍵，從而不斷地生成產(chǎn)物，量少時(shí)反應(yīng)慢，副產(chǎn)物多，收率偏低。確認(rèn)乙酸酐的摩爾比值3～4為最佳反應(yīng)條件。

2.6 反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響

在n（單乙酯），n（膦醛），n（吡啶）和n（乙酸酐）的摩爾比=1.1∶1∶10∶3.2條件下，考查了反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果如圖3（d）所示。

由圖3（d）可知，隨著溫度的提高，產(chǎn)物收率出現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，溫度偏低，反應(yīng)速率小，溫度偏高，醛自身縮合副反應(yīng)增多，綜合考慮，確認(rèn)溫度20℃～30℃為較佳的反應(yīng)條件。

2.7 產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

2.7.1 產(chǎn)物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸的1HNMR 對(duì)產(chǎn)物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸經(jīng)1H-NMR進(jìn)行了測(cè)定，其1H-NMR圖譜見(jiàn)圖4（a），溶劑采用d6-DMSO，分析如表1所示，各吸收峰的積分面積比值與2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸分子結(jié)構(gòu)中相應(yīng)位置上H的數(shù)目吻合，證明所得物質(zhì)為2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸。

圖3 （a）乙酰氨基丙二酸單乙酯，（b）吡啶，（c）乙酸酐與2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛的投料比及（d）反應(yīng)溫度對(duì)收率的影響Fig.3 Effect of mole ratio of（a）acetaminomethylester，（b）Pyridineand and（c）acetic anhydride to 2-［ethoxy（methyl）phosphono］acetaldehyde and（d）reaction time on yield of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid

表12-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的核磁氫譜特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid in1HNMR

2.7.2 產(chǎn)物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸的的13CNMR 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸的13C-NMR圖見(jiàn)圖4（b），且有13CNMR（400 MHz，d6-DMSO）δ15.11，22.96，32.27，40.1，126.00，131.05，165.77，168.95.各吸收峰的位置與2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸分子結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)位置吻合，證明所得物質(zhì)為2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸。

2.7.3 產(chǎn)物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的31PNMR 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸的31P-NMR圖見(jiàn)圖 4（c），且有31P-NMR（400 MHz，d6-DMSO）δ 43.34.吸收峰的位置與2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子結(jié)構(gòu)中的相應(yīng)位置吻合，證明所得物質(zhì)為2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

根據(jù)1H-NMR，13C-NMR，31P-NMR確認(rèn)制得的產(chǎn)物即為2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

圖4 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸的（a）核磁氫譜，（b）核磁碳譜，（c）核磁磷譜Fig.4（a）1H-NMR，（b）13C-NMR and（c）31P-NMR of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid

3 結(jié)語(yǔ)

本文首次報(bào)道了一種合成草銨膦中間體2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的方法：以乙酰氨基丙二酸二乙酯為原料，部分水解可得到中間物乙酰氨基丙二酸單乙酯。中間物單乙酯和2-［乙氧基（甲基）膦?；菀胰┰谌鯄A性條件下縮合，最終得到草銨膦中間體2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。根據(jù)投料比、溫度、時(shí)間等條件對(duì)反應(yīng)的影響可得，第一步水解反應(yīng)中，當(dāng)氫氧化鈉和二乙酯摩爾比為1.02∶1，溫度25℃～30℃，反應(yīng)16 h為最佳，單乙酯收率85.3%；第二步縮合反應(yīng)中，投料摩爾比n（單乙酯）∶n（膦醛）∶n（吡啶）∶n（乙酸酐）=1.1∶1∶10∶（3～4）為最佳，最終產(chǎn)物收率可達(dá)74%。該路線條件溫和，得到的最終產(chǎn)物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦?；荻?2-烯酸，可進(jìn)一步氫化制得外消旋草銨膦或L-草銨膦。

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