噻蟲嗪綠色合成工藝

魏義蘭 , 張 旭 , 王 宇 , 李華軒

(1.湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 化學(xué)工程學(xué)院 , 湖南 株洲 412000 ; 2.湘潭市污水處理有限責(zé)任公司 , 湖南 湘潭 411100 ; 3.湖南比德生化科技股份有限公司 , 湖南 岳陽(yáng) 414306)

新煙堿類化合物是一類具有新穎化學(xué)結(jié)構(gòu)、獨(dú)特生物活性的化學(xué)殺蟲劑,其發(fā)現(xiàn)在殺蟲劑控制歷史上具有里程碑式的意義。噻蟲嗪作為第二代新煙堿類高效低毒殺蟲劑,對(duì)害蟲具有胃毒、觸殺及內(nèi)吸活性,是新煙堿類殺蟲劑中的重要品種[1-2]。噻蟲嗪既可用于葉面處理,也能用于種子處理。截至2021年9月,我國(guó)共有616個(gè)含噻蟲嗪成分的產(chǎn)品在有效登記狀態(tài),包括原藥62個(gè),制劑554個(gè)[3-4]。而現(xiàn)有噻蟲嗪的工業(yè)生產(chǎn)存在產(chǎn)品純度低、廢水排放量大且難降解等對(duì)環(huán)境不友好問(wèn)題,通過(guò)工藝優(yōu)化減少?gòu)U水排放量是企業(yè)發(fā)展的方向。

噻蟲嗪的主要合成路線為不同中間體與3-甲基-4-硝基-亞氨基四氫-1,3,5-噁二嗪(簡(jiǎn)稱噁二嗪)反應(yīng),工業(yè)生產(chǎn)中常采用的中間體為2-氯-5-氯甲基噻唑(簡(jiǎn)稱CCT)[5-7]。基于“清潔生產(chǎn),綠色農(nóng)藥,健康環(huán)境”的理念,從改進(jìn)生產(chǎn)工藝、優(yōu)化工藝條件出發(fā),從源頭上降低廢水排放量,提高產(chǎn)品的收率與純度,降低生產(chǎn)成本。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

2-氯-5-氯甲基噻唑(CCT),純度≥99%,湖北巨勝科技有限公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),純度≥99%,廣州中冠安泰石油化工有限公司;無(wú)水K2CO3,AR,甲醇,HPLC,乙腈,HPLC,天津科密歐化學(xué)試劑有限公司;液堿,純度32%,聊城市三江化工有限公司;3-甲基-4-硝基亞胺基四氫-1,3,5-噁二嗪,純度≥98%,湖南比徳生化科技股份有限公司。

集熱恒溫加熱磁力攪拌器,DF-101S,鞏義市予華儀器有限責(zé)任有限公司;無(wú)級(jí)恒速攪拌器,D971,長(zhǎng)城科工有限公司;電子天平,TP-1200C,湘儀天平儀器設(shè)備有限公司;分析天平,AUY120,SHIMADZU CORPORATION JAPAN;電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱,DHG-101-4A,鞏義市予華儀器有限責(zé)任有限公司;雙A循環(huán)水式多用真空泵,SHB-IV,長(zhǎng)城科工有限公司;旋片式真空泵,2X-15,上海滬岡真空泵制造公司;超聲波清洗器,KQ-50B,昆山市起予儀器有限公司;高效液相色譜儀,SSI1500,埃文森科技有限公司。

1.2 合成與表征

1.2.1合成路線

中間體2-氯-5-氯甲基噻唑與3-甲基-4-硝基亞胺基四氫-1,3,5-噁二嗪經(jīng)縮合反應(yīng)得噻蟲嗪。

此路線步驟少,操作簡(jiǎn)單,適合工業(yè)化生產(chǎn),但2-氯-5-氯甲基噻唑的純度對(duì)原藥合成的收率影響較大,近兩年噻蟲嗪原料成本逼近10萬(wàn)元/t。為降低生產(chǎn)成本,部分廠家著手生產(chǎn)原料中價(jià)格較高的2-氯-5-氯甲基噻唑,此外,噻蟲嗪廢水量大且難處理仍是困擾企業(yè)的難點(diǎn)。

1.2.2合成步驟與表征

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑對(duì)反應(yīng)的影響

文獻(xiàn)報(bào)道3-甲基-4-硝基亞胺四氫-1,3,5-噁二嗪與2-氯-5-氯甲基噻唑合成噻蟲嗪為雙分子親核取代SN2反應(yīng),應(yīng)選用非質(zhì)子溶劑。篩選了N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙腈、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二氯甲烷、丙酮等溶劑進(jìn)行“一鍋法”合成噻蟲嗪。反應(yīng)溫度為45 ℃,無(wú)水K2CO3作縛酸劑,n(3-甲基-4-硝基亞胺四氫-1,3,5-噁二嗪)∶n(CCT)∶n(K2CO3)為1.1∶1.0∶1.2,考察了不同溶劑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

由表1可知,由于溶劑對(duì)雙分子親核取代反應(yīng)(SN2)的影響較大,DMF作溶劑反應(yīng)收率最高,且反應(yīng)時(shí)間較短;乙腈作溶劑反應(yīng)時(shí)間太長(zhǎng),收率較低;NMP與丙酮作溶劑,反應(yīng)結(jié)果較好,但雜質(zhì)含量較高,產(chǎn)品顏色較差。二氯甲烷作溶劑,由于其沸點(diǎn)較低,反應(yīng)過(guò)程中必須不斷補(bǔ)加溶劑,且最終沒有產(chǎn)品。驗(yàn)證了極性非質(zhì)子溶劑丙酮、DMF等對(duì)SN2反應(yīng)有利,最終確定DMF作溶劑。

表1 溶劑對(duì)反應(yīng)的影響

2.2 溫度對(duì)反應(yīng)的影響

DMF作溶劑,n(3-甲基-4-硝基亞胺四氫-1,3,5-噁二嗪)∶n(CCT)∶n(K2CO3)為1.1∶1.0∶1.2,控制不同的反應(yīng)溫度,反應(yīng)結(jié)束后,采用過(guò)量DMF充分溶解生成噻蟲嗪,過(guò)濾,濾餅用DMF洗,測(cè)定產(chǎn)品收率,溫度對(duì)反應(yīng)結(jié)果的影響見圖1。

圖1 溫度對(duì)反應(yīng)的影響

由圖1可知,隨反應(yīng)溫度的升高,反應(yīng)時(shí)間縮短,產(chǎn)品收率開始基本保持不變,約為82%;但當(dāng)溫度升至70 ℃后,反應(yīng)收率大幅下降,且液相色譜分析中無(wú)CCT的面積峰,推測(cè)溫度太高造成CCT不穩(wěn)定。據(jù)報(bào)道,CCT的熱重分析中40.5 ℃左右開始減重分解,且CCT在堿性條件下易水解,因此溫度不能太高,確定反應(yīng)溫度為35 ℃[8]。

2.3 重結(jié)晶溶劑對(duì)反應(yīng)的影響

噻蟲嗪在后處理前的產(chǎn)品純度僅為80%,不能滿足市場(chǎng)需求。采用重結(jié)晶進(jìn)行提純,依據(jù)噻蟲嗪在不同溶劑中溶解度的不同,考察了水、乙腈、甲醇等溶劑,結(jié)果見表2。

表2 重結(jié)晶溶劑對(duì)反應(yīng)的影響

由表2可知,DMF作重結(jié)晶溶劑所得產(chǎn)品純度為98.50%,但析晶過(guò)程利用的是水加入DMF的冷卻熱飽和溶液法,此過(guò)程產(chǎn)生大量廢水,COD值很高,同時(shí)DMF的沸點(diǎn)較高,與水共沸不易回收。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),噻蟲嗪在濃鹽酸中的溶解度較大,加堿中和后可析出噻蟲嗪晶體,此方法消耗大量濃鹽酸,產(chǎn)生大量廢水與鹽,產(chǎn)品純度僅為96.80%。由于噻蟲嗪隨溫度變化其在水中的溶解度變化較大,用水作溶劑進(jìn)行重結(jié)晶,產(chǎn)品純度僅為96.2%,且產(chǎn)生大量廢水;噻蟲嗪在乙腈、丙酮、碳酸二甲酯等溶劑中的溶解度較高,但隨溫度變化較小,產(chǎn)品純度未達(dá)98%,最終選用甲醇作重結(jié)晶溶劑,考慮噻蟲嗪在甲醇中易光解,重結(jié)晶時(shí)間要低于0.5 h。

2.4 公斤級(jí)放大工藝確認(rèn)

在優(yōu)選條件下,反應(yīng)溫度35 ℃,DMF作溶劑,n(3-甲基-4-硝基亞胺四氫-1,3,5-噁二嗪)∶n(CCT)∶n(K2CO3)為1.1∶1.0∶1.2,反應(yīng)結(jié)束后,加酸、過(guò)濾、水洗、干燥。結(jié)果見表3。

表3 公斤級(jí)放大工藝確認(rèn) %

由表3可知,經(jīng)重復(fù)穩(wěn)定實(shí)驗(yàn),產(chǎn)品收率與含量較穩(wěn)定,DMF平均回收率可達(dá)80%以上,降低了反應(yīng)成本,減少了廢水量,產(chǎn)品純度滿足市場(chǎng)需求,收率可達(dá)80%,為工業(yè)生產(chǎn)提供了可靠數(shù)據(jù)。

3 結(jié)論

①噻蟲嗪的合成為雙分子親核取代SN2反應(yīng)。由于2-氯-5-氯甲基噻唑分子中的噻唑環(huán)是一個(gè)五原子六電子的封閉共軛體系,具有芳香性。雖然N、S的電負(fù)性比C大,但因?yàn)镹提供兩個(gè)電子參加共軛,亞甲基上的空軌道與噻唑環(huán)上的π軌道交蓋,形成離域軌道,使碳正離子更加穩(wěn)定,易發(fā)生親核取代。3-甲基-4-硝基亞胺基四氫-1,3,5-噁二嗪是親核試劑,氨基氮原子上含有一對(duì)孤對(duì)電子,易進(jìn)攻碳正離子發(fā)生親核取代反應(yīng)。因此噻蟲嗪的反應(yīng)機(jī)制為3-甲基-4-硝基亞胺基四氫-1,3,5-噁二嗪與堿反應(yīng)生成負(fù)離子;氮負(fù)離子具有強(qiáng)親核性,進(jìn)攻2-氯-5-氯甲基噻唑的亞甲基,形成過(guò)渡態(tài);過(guò)渡態(tài)脫去氯離子,得到噻蟲嗪。

②以3-甲基-4-硝基亞胺四氫-1,3,5-噁二嗪與2-氯-5-氯甲基噻唑(關(guān)鍵組分)為原料,反應(yīng)完后先酸化,再減壓蒸餾回收溶劑,重結(jié)晶提純,活性炭脫色,所得噻蟲嗪產(chǎn)品的外標(biāo)含量>98%,收率達(dá)80%以上。優(yōu)選的工藝條件為:DMF作溶劑,K2CO3作縛酸劑,反應(yīng)溫度為35 ℃,甲醇做重結(jié)晶,重結(jié)晶時(shí)間低于0.5 h。通過(guò)工藝改進(jìn),噻蟲嗪廢水排放量降為原來(lái)的5%～7%,溶劑DMF回收率為80%～90%,副產(chǎn)物鉀鹽全部回收。

③建立了噻蟲嗪的液相色譜分析方法,可準(zhǔn)確判定反應(yīng)終點(diǎn),對(duì)工業(yè)生產(chǎn)具有重要指導(dǎo)意義。