何小強(qiáng)，楊鑫瑤，沈 瓊

(重慶華歌生物化學(xué)有限公司，重慶 萬(wàn)州 404000)

硝磺草酮又名甲基磺草酮、米斯通(mesotrione)，是一種具有內(nèi)吸性、芽前和苗后廣譜選擇性的玉米田除草劑，也是瑞士先正達(dá)公司繼磺草酮之后開發(fā)的第2個(gè)三酮類除草劑[1-2]，于2005年2月2日在中國(guó)取得行政保護(hù)，保護(hù)期至2012年8月2日[3-4]。硝磺草酮能夠有效抑制HPPD(4-羥基苯基丙酮酸雙氧化酶)的活性，主要用來防除玉米田一年生闊葉雜草和某些禾本科雜草，如苘麻、蒼耳、刺莧等。其特點(diǎn)是殺草譜廣、活性強(qiáng)、可混性強(qiáng)、毒性低、對(duì)環(huán)境友好、對(duì)后茬作物安全、使用靈活等[5]，在我國(guó)具有較大的開發(fā)價(jià)值及較好的推廣前景。

硝磺草酮的合成方法眾多[6-11]，一般以對(duì)甲苯磺酰氯、對(duì)氯甲苯、對(duì)硝基甲苯為起始原料，經(jīng)還原、磺酰化、硝化、氧化、氯化、縮合、重排7步反應(yīng)合成。其中的氯化、縮合、重排3步反應(yīng)存在著原料毒性大、催化劑活性差、產(chǎn)品收率低等問題，也存在著較大的環(huán)境污染和安全風(fēng)險(xiǎn)[12]，所以，有必要利用綠色化學(xué)原理進(jìn)行改進(jìn)，研發(fā)適宜工業(yè)化應(yīng)用的清潔生產(chǎn)技術(shù)。本文著重研究了以中間體2-硝基-4-甲砜基苯甲酸為起始原料，經(jīng)氯化、縮合、重排3步反應(yīng)合成硝磺草酮的新工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

1.1.1 儀器 島津高效液相色譜儀(LC-16C，島津企業(yè)管理(中國(guó))有限公司南京分公司)；顯微熔點(diǎn)測(cè)定儀(X4，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)；恒溫磁力攪拌器(DF-101S，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)；高壓反應(yīng)釜(TGYF-C，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司)等。

1.1.2 試劑 2-硝基-4-甲砜基苯甲酸(工業(yè)級(jí)，99%，壽光市麗盛化工有限公司)；二(三氯甲基)碳酸酯(工業(yè)級(jí)，99%，武漢拉那白醫(yī)藥化工有限公司)；1,3-環(huán)己二酮(工業(yè)級(jí)，99%，濟(jì)南谷瑞特化工有限公司)；乙腈(工業(yè)級(jí)，99%，南昌金沙化工原料有限公司)；二氯乙烷(工業(yè)級(jí)，99.9%，山東茂軍化工科技有限公司)；三乙胺(工業(yè)級(jí)，99%，濟(jì)南創(chuàng)世化工有限公司)；乙酸乙酯(工業(yè)級(jí)，99.5%，武漢遠(yuǎn)城共創(chuàng)科技有限公司)等。

1.2 實(shí)驗(yàn)原理 將一定量的2-硝基-4-甲砜基苯甲酸(a)和二(三氯甲基)碳酸酯加入到反應(yīng)釜，使其發(fā)生氯化反應(yīng)生成2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯(b)，然后再與過量的1,3-環(huán)己二酮發(fā)生縮合反應(yīng)生成烯醇酯(c)，最后在乙腈的條件下進(jìn)行重排得到最終產(chǎn)品硝磺草酮(d)。其合成路線(圖1)：

圖1 硝磺草酮的合成路線

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 氯化反應(yīng) 將24.5g(0.1moL)的2-硝基-4-甲砜基苯甲酸加入到裝有溫度計(jì)、回流冷凝管和攪拌器的四口燒瓶中，用乙酸乙酯溶解后，加入10.4g的氯化劑二(三氯甲基)碳酸酯，恒溫35℃加熱攪拌，待其反應(yīng)完全(用HPPLC檢測(cè))，轉(zhuǎn)移至燒杯，室溫冷卻結(jié)晶，過濾得到中間體2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯25.8g。收率96.5%，純度97.6%。用熔點(diǎn)儀測(cè)得其熔點(diǎn)109.2℃(與文獻(xiàn)值108～111℃相符[13])。

1.3.2 縮合重排反應(yīng) 將上述制得的2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯加入到裝有電動(dòng)攪拌器、滴液漏斗和溫度計(jì)的四口燒瓶中，加入80mL二氯乙烷(溶劑)，緩慢加入46mL三乙胺(縛酸劑)、1,3-環(huán)己二酮12.6g，在0℃的條件進(jìn)行縮合反應(yīng)1h生成烯醇酯，加入重排催化劑乙腈，將反應(yīng)溫度升至50℃重排反應(yīng)1h，得到硝磺草酮粗品，將反應(yīng)液冷卻至室溫，加入水靜止分層，水相進(jìn)行回收處理，有機(jī)相用甲醇重結(jié)晶，過濾，干燥，得到黃色固體硝磺草酮30.6g，收率87.4%，純度95.9%，用熔點(diǎn)儀測(cè)得其熔點(diǎn)165.4℃(與文獻(xiàn)值164～167℃相符[13])，表征結(jié)果1H NMR(600MHz，CDCl3)δ：0.441(s，1H，CH-H)，0.899(m，2H，CH2-H)，3.136(s，3H，SO2，CH3-H)，8.041(d，1H，ArH)，8.267(d，1H，ArH)，8.481(d，1H，ArH)。

2 結(jié)果與討論

2.1 氯化反應(yīng) 二(三氯甲基)碳酸酯別名固體光氣，簡(jiǎn)稱BTC。外觀為白色結(jié)晶固體，用二(三氯甲基)碳酸酯作為氯化劑，副產(chǎn)物為氯化氫和二氧化碳，二者不溶于反應(yīng)體系而氣化溢出，氯化氫經(jīng)水吸收可制得鹽酸。因此用二(三氯甲基)碳酸酯作為氯化劑相對(duì)于傳統(tǒng)的氯化亞砜而言對(duì)環(huán)境的危害要小很多?？疾?-硝基-4-甲砜基苯甲酸和二(三氯甲基)碳酸酯發(fā)生氯化反應(yīng)時(shí)，物料配比對(duì)收率的影響。結(jié)果(表1)所示：

表1 氯化反應(yīng)中原料配比對(duì)收率的影響

注：表格中的原料摩爾比=n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酸)：n(二(三氯甲基)碳酸酯)，產(chǎn)品為中間體2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯。收率以2-硝基-4-甲砜基苯甲酸計(jì)。

由表1可知，氯化反應(yīng)后所得中間體的純度在97.0%以上，當(dāng)n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酸)∶n(二(三氯甲基)碳酸酯)=1∶0.35時(shí)，產(chǎn)品收率最佳，為96.0%。因此，在氯化反應(yīng)中原料的最佳配比為n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酸)∶n(二(三氯甲基)碳酸酯)=1∶0.35。

2.2 縮合重排反應(yīng) 2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯和1,3-環(huán)己二酮發(fā)生縮合反應(yīng)，考察其生成2-硝基-4-甲砜基苯甲酸時(shí)，原料配比對(duì)收率的影響。結(jié)果(表2)所示:

表2 縮合反應(yīng)中原料配比對(duì)收率的影響

注：表格中的原料摩爾比=n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯)：n(1,3-環(huán)己二酮)，2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯為自制(純度97%)，產(chǎn)品為目標(biāo)產(chǎn)物硝磺草酮，產(chǎn)品收率以2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯計(jì)。

由表2可知，縮合重排反應(yīng)后所得目標(biāo)產(chǎn)物硝磺草酮的純度在95.0%以上，當(dāng)n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯)∶n(1,3-環(huán)己二酮)=1∶1.15時(shí)，產(chǎn)品收率最佳，為87.4%。因此，在縮合重排反應(yīng)中原料的最佳配比為n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯)∶n(1,3-環(huán)己二酮)=1∶1.15。

按照上述的最佳物料配比，在固定的條件下，研究了用該方法合成硝磺草酮的重復(fù)性試驗(yàn)，結(jié)果(表3)所示：

表3 硝磺草酮合成的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)

觀察其穩(wěn)定性，由表3可知，硝磺草酮的純度在95.0%以上，最終收率超過87.0%，該方法反應(yīng)平穩(wěn)，可操作性強(qiáng)。

3 結(jié)論

3.1 以2-硝基-4-甲砜基苯甲酸為原料，經(jīng)氯化、縮合、重排反應(yīng)制得硝磺草酮，在優(yōu)化的條件下，硝磺草酮的收率超過87.0%，純度>95.0%。

3.2 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，最終確定氯化反應(yīng)中原料的最佳配比為n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酸)∶n(二(三氯甲基)碳酸酯)=1∶0.35，縮合反應(yīng)中原料的最佳配比為n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯)∶n(1,3-環(huán)己二酮)=1∶1.15。

3.3 氯化反應(yīng)中氯化劑采用二(三氯甲基)碳酸酯代替常規(guī)的氯化亞砜，不僅可以消除二氧化硫所帶來的尾氣治理難題，而且產(chǎn)品的品質(zhì)得到了改善，色澤比氯化亞砜法好。二(三氯甲基)碳酸酯法是用環(huán)境友好的原料替代有毒有害原料，而且副產(chǎn)物無毒，與綠色化學(xué)相符，適宜在農(nóng)藥合成上廣泛使用。

3.4 重排催化劑選用乙腈代替劇毒物質(zhì)氰化鉀、丙酮氰醇，極大的減少了硝磺草酮合成中對(duì)環(huán)境的傷害，提高了反應(yīng)中的安全系數(shù)，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。