乙蒜素合成新工藝研究

徐方舟，陳順紅，薛照先，王順清，吳 劍*

（1.貴州大學(xué)綠色農(nóng)藥與農(nóng)業(yè)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴陽(yáng)550025；2.海南正業(yè)中農(nóng)高科有限公司，?？?70206；3.廣西田園生化股份有限公司，南寧530007）

硫代磺酰酯衍生物具有優(yōu)異的殺菌活性，乙蒜素是這類優(yōu)異殺菌活性的化合物之一。其是一種植物仿生農(nóng)藥，具有優(yōu)異殺菌活性的內(nèi)吸性殺菌劑[1-2]。在防治病害時(shí)，由于其活性穩(wěn)定，與植物親和力強(qiáng)，容易被作物吸收，且易降解，不易產(chǎn)生抗性而被廣泛應(yīng)用[3]。合成乙蒜素的傳統(tǒng)工藝是以廉價(jià)的硫化鈉和硫粉為原料，制備得到二硫化二鈉后與氯乙烷反應(yīng)，生成關(guān)鍵中間體二乙基二硫醚，隨后在硝酸的氧化下制備得到乙蒜素[4]。該方法是目前國(guó)內(nèi)企業(yè)合成乙蒜素主要采用的方法，雖然廉價(jià)，目標(biāo)物的收率也較高，但存在工藝操作繁瑣復(fù)雜、三廢排放量大、環(huán)境污染嚴(yán)重等弊端，特別是二乙基二硫醚的制備階段，往往會(huì)排出大量難處理的含鹽廢水，這是當(dāng)前制約了二乙基二硫醚產(chǎn)能的擴(kuò)大重要因素。該反應(yīng)過(guò)程中還會(huì)生成二乙基醚、二乙基三硫醚等副產(chǎn)物，嚴(yán)重影響二乙基二硫醚的純度，同時(shí)也制約了下游產(chǎn)品乙蒜素等產(chǎn)品的生產(chǎn)。此外，制備乙蒜素過(guò)程中，如果處理不當(dāng)，會(huì)排放大量的二氧化氮?dú)怏w，也是乙蒜素生產(chǎn)過(guò)程中的潛在污染源。因此，如何直接合成高純度的二乙基二硫醚及減少乙蒜素制備過(guò)程中的廢氣排放是工業(yè)上亟需解決的難題。

圖1 傳統(tǒng)乙蒜素合成方法

目前采用乙硫醇作為起始原料，在適當(dāng)?shù)拇呋饔孟逻M(jìn)行氧化是制備高純度的二乙基二硫醚的常見(jiàn)方法。據(jù)報(bào)道，除了化學(xué)計(jì)量的氧化劑（如高錳酸鹽[5-6]、雙氧水[7]），金屬氧化物[8]外，還有許多催化劑（如VOCl3[9]，鹵素[10-14]，Al2O3/KF[15]，Ni2FeO4/H2O2[16]和活性炭/空氣[17]）等可用于硫醇的氧化。此外，有研究者報(bào)道使用曙紅Y[18]、Bi2WO6[19]、固定在氧化石墨烯上的酞菁鐵（II）[20]、酞菁鈷[21-23]等為催化劑，氧化硫醇的方法來(lái)制備二乙基二硫醚。然而，這些方法往往需要昂貴的試劑、操作步驟繁瑣、催化劑合成難度較大。

為了克服以上缺點(diǎn)，筆者探討了以乙硫醇為原料，以碘化鉀（KI）為催化劑，雙氧水為氧化劑，高效制備二乙基二硫醚的方法，并在此基礎(chǔ)上制備了高純度的乙蒜素，為乙蒜素的清潔合成提供一條新思路。合成路線路見(jiàn)圖2。

圖2 乙蒜素合成路線路圖

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

JOEL 500 MHz型核磁共振儀，日本電子株式會(huì)社；Agilent 1260氣相色譜儀，美國(guó)安捷倫科技有限公司；N-1100旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，東京理化器械株式會(huì)社；WFH-203B型三用紫外分析儀，上海精科實(shí)業(yè)有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)試劑

主要試劑：乙硫醇、雙氧水、碘化鉀、硝酸、醋酸。本實(shí)驗(yàn)所用試劑均為市售化學(xué)純或分析純。

1.3 實(shí)驗(yàn)操作

1.3.1 二乙基二硫醚的合成

將200.0 g（3.22 mol）乙硫醚和10.7 g（64.38 mmol）KI加入到500 mL的三口燒瓶中，室溫?cái)嚢?，然后滴?0%的雙氧水219 g（1.93 mol），滴加時(shí)間為3 h，滴加完畢后繼續(xù)反應(yīng)20 min，停止反應(yīng)。加入硫代硫酸鈉還原產(chǎn)生的碘單質(zhì)（I2），即脫色，靜置，二乙基二硫醚在反應(yīng)混合液上方，可分液得到二乙基二硫醚產(chǎn)品，待用。收率可達(dá)85%以上，純度大于99%。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ2.68（q，J=7.5 Hz，4H）、1.30（t，J=7.4 Hz，6H）；13C NMR（125 MHz，CDCl3）δ33.0、14.6。

1.3.2 乙蒜素的合成

將上述制備的二乙基二硫醚300.0 g（2.45 mol）和冰醋酸17.7 g（294.5 mmol）加入到500 mL三口燒瓶中，加熱攪拌，溫度控制在50～60℃，之后滴加41%稀硝酸546.9 g（3.6 mol），滴加時(shí)間為8～9 h，滴加完硝酸繼續(xù)反應(yīng)時(shí)間為2 h，靜止分層，收率大于82%。用外標(biāo)法定量法測(cè)得乙蒜素產(chǎn)品純度為98%。1H NMR（500 MHz，CDCl3）δ3.31（q，J=7.4 Hz，2H）、3.13（q，J=7.5 Hz，2H）、1.45（t，J=7.4 Hz，3H）、1.41（t，J=7.5 Hz，3H）；13C NMR（125 MHz，CDCl3）δ57.2、30.8、15.3、8.5。

2 結(jié)果與討論

2.1 二乙基二硫醚合成的優(yōu)化

2.1.1 催化劑及雙氧水用量

以10%的雙氧水為氧化劑，對(duì)催化劑及雙氧水的用量進(jìn)行了考察，結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可見(jiàn)，對(duì)于該反應(yīng)，KI的用量在1%～20%都可以順利進(jìn)行，但當(dāng)KI的用量過(guò)大，反應(yīng)體系顏色會(huì)變深；而當(dāng)降低KI用量，同時(shí)降低雙氧水的用量，對(duì)二乙基二硫醚產(chǎn)品的純度影響不大；當(dāng)KI用量降低到1.5%時(shí)，在相同雙氧水用量下（編號(hào)5～9），產(chǎn)品的純度及收率降低較快。反應(yīng)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，雙氧水滴加時(shí)間是影響收率和純度的重要因素。該反應(yīng)是比較劇烈的放熱反應(yīng)，乙硫醇和二乙基二硫醚的沸點(diǎn)都較低，緩慢滴加氧化劑有助于收率的提升，隨著雙氧水滴加時(shí)間的延長(zhǎng)（滴加完后反應(yīng)20 min），二乙基二硫醚產(chǎn)品的收率是顯著提升的，但當(dāng)縮短滴加時(shí)間，盡管大幅度延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間（編號(hào)10～11）和增加KI的用量（編號(hào)11），得到的結(jié)果并不理想。通過(guò)氣相色譜跟蹤，還有大量乙硫醇沒(méi)有反應(yīng)完全，產(chǎn)品二乙基二硫醚的純度也較低。綜合考慮，在10%的雙氧水濃度下，KI用量為2%mol，雙氧水為0.6倍當(dāng)量時(shí)，通過(guò)滴加3 h后反應(yīng)20 min，二乙基二乙醚的收率和純度均較高。

表1 催化劑及雙氧水用量篩選

2.1.2 雙氧水濃度的影響

在上述條件下，雙氧水的濃度涉及到反應(yīng)后期廢水量的多少，如果采用30%的雙氧水為氧化劑，要比采用10%的雙氧水減少?gòu)U水排放一半以上。因此，筆者對(duì)雙氧水的濃度進(jìn)行了考察（表2）。

表2 雙氧水濃度的影響

由表2可見(jiàn)，在10%～30%雙氧水的用量下，當(dāng)催化劑用量為2%時(shí)，均可以得到較好的反應(yīng)結(jié)果。當(dāng)提高雙氧水的濃度時(shí)，雙氧水的濃度對(duì)于產(chǎn)品的收率影響不大，產(chǎn)品的收率和純度均較高，而在30%的雙氧水用量下，相應(yīng)降低KI的用量，收率和純度均有一定的影響（編號(hào)4～5），特別是將碘化鉀的用量變?yōu)?%mol時(shí)，反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)了，同時(shí)收率也降低較多。因此，綜合考慮相關(guān)因素，在30%的雙氧水濃度下，KI用量為2 % mol、雙氧水為0.6倍當(dāng)量時(shí)，通過(guò)滴加3 h后反應(yīng)20 min，二乙基二乙醚的收率和純度均較高。

2.1.3 反應(yīng)的放大

基于上述結(jié)果，筆者考察了小試反應(yīng)放大的情況（表3），將反應(yīng)分別放大10倍（編號(hào)1～3）、20倍（編號(hào)4）和40倍（編號(hào)5～6）。結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，小試優(yōu)化的條件穩(wěn)定，二乙基二硫醚的收率均在85%以上，純度均在99%以上。

表3 反應(yīng)的放大實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.4 反應(yīng)的后處理

對(duì)于該反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大量的I2，反應(yīng)結(jié)束時(shí)，I2會(huì)被萃取到二乙基二硫醚層中，使得體系呈現(xiàn)褐色。為了降低I2的生成量，一方面降低KI用量，另一方面可以加入硫代硫酸鈉，將I2還原為I-，從而除去其中的I2，除色的效果如圖3所示。經(jīng)測(cè)試，在200 g級(jí)別的反應(yīng)中，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束時(shí)，需要加入3 g硫代硫酸鈉，即可將其中顏色去除。

圖3 二乙基二硫醚除去雜色效果圖

2.2 乙蒜素的制備

在上述制備二乙基二硫醚的基礎(chǔ)上，采用41%的硝酸為氧化劑，冰醋酸為催化劑（投料比為M二乙基二硫醚∶M硝酸∶M冰醋酸=1∶1.45∶0.12），可制備得到的乙蒜素，其收率為85%，純度大于98%（200 g級(jí)別）。在該過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的紅棕色的二氧化氮，可將其用水吸收制備成稀硝酸。進(jìn)一步回收使用，可減少?gòu)U氣的排放。

3 結(jié) 論

筆者采用乙酸醇為原料，采用雙氧水/碘化鉀體系，催化氧化得到高收率的二乙基二硫醚，并在此基礎(chǔ)上采用硝酸/醋酸體系合成乙蒜素。本工藝具有操作簡(jiǎn)單、試劑便宜、反應(yīng)時(shí)間短、催化劑使用少、后處理簡(jiǎn)單、廢棄物少等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的應(yīng)用，為乙蒜素的清潔合成提供一條新途徑。