吡蟲啉的清潔合成工藝

杜友興，何 立

(上海康鵬科技股份有限公司，上海 200331)

吡蟲啉是由德國拜耳和日本特殊農(nóng)藥株式會社于1984年共同開發(fā)并推向市場的新煙堿類殺蟲劑，通用名為imidacloprid，化學名稱是1-(6-氯-3-吡啶甲基)-N-硝基咪唑-2-亞胺。吡蟲啉具有廣譜、高效、低毒和低殘留等特點，并有觸殺、胃毒和內(nèi)吸等多重作用，主要用于刺吸式口器害蟲的防治[1]。近年吡蟲啉全球年銷售額達10億美元，位居殺蟲劑銷售額榜首，在全球植保行業(yè)中占據(jù)非常重要的地位。因此，研究吡蟲啉的清潔生產(chǎn)工藝有著重要意義。

吡蟲啉的主要合成路線有4種：①直接縮合法：陸陽等[2]以碳酸鉀作縛酸劑，氯化銫作催化劑，2-氯-5-氯甲基吡啶和 2-硝基亞氨基咪唑烷在乙腈溶劑中反應制備吡蟲啉，產(chǎn)率93.7%，純度95.3%。該方法產(chǎn)物純度低且提純難度大，再加之對原料的純度要求高，所用催化劑成本也不低，導致其工業(yè)化成本高。目前國內(nèi)很少有廠家采用。②消化法[3]：首先 2-氯-5-氯甲基吡啶和乙二胺發(fā)生親核反應，然后和溴化氰發(fā)生閉環(huán)反應，最后在硝酸和硫酸的混酸體系中消化得到吡蟲啉。該方法使用大量濃硫酸和硝酸，以及劇毒的溴化氰，“三廢”污染嚴重，潛在危險大。目前國內(nèi)也很少有廠家采用。③硝基胍法：鄭亞清等[4]以2-氯-5-氯甲基吡啶為原料，首先和乙二胺發(fā)生親核反應，再與硝基胍成環(huán)得到吡蟲啉，反應總收率 78.0%。該方法原料易得，反應條件溫和，反應較為簡單，但存在反應收率低的問題。④串聯(lián)反應：章瑛等[5]以2-氯-5-氯甲基吡啶、無水乙二胺和硝基胍為原料，運用串聯(lián)反應方法合成了吡蟲啉，產(chǎn)率93.7%，純度95.3%。該方法原料易得，并且反應較為簡單，操作方便，但使用乙腈作為反應溶劑，反應后處理較為繁瑣，成本較高。

本文在串聯(lián)反應方法的基礎上，對溶劑體系進行了篩選，以更經(jīng)濟和更安全的二氯乙烷代替了價格較高、毒性較大的乙腈，并實現(xiàn)了二氯乙烷的套用，水相可以回收氯化鉀。改進后的工藝操作方便，成本降低，綠色環(huán)保，符合國家對環(huán)保的要求，具有工業(yè)生產(chǎn)前景。具體合成路線見圖1。

圖1 吡蟲啉合成反應方程式

1 試驗部分

1.1 主要試劑與儀器

2-氯-5-氯甲基吡啶(CCMP)，江蘇威耳化工有限公司，外標含量 96.1%；硝基胍，上海達瑞精細化學品有限公司，含量 98.0%；其他原料均為商業(yè)可得的國產(chǎn)工業(yè)級產(chǎn)品，未經(jīng)過處理直接使用。

安捷倫 1200系列液相色譜儀，美國安捷倫公司；安捷倫1200/6220液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，美國安捷倫公司；Advance DMX400型核磁共振儀，德國Bruker公司，TMS為內(nèi)標；MP70熔點儀系統(tǒng)，梅特勒-托利多國際貿(mào)易(上海)有限公司；S312-120W數(shù)顯電動攪拌器，上海羌強實業(yè)發(fā)展有限公司。

1.2 試驗方法

在裝有機械攪拌棒、冷凝器、溫度計和通入N2的3 L四口燒瓶中加入240.4 g (4.0 mol) 無水乙二胺、104.1 g (1.0 mol) 硝基胍、300.0 g二氯乙烷和3.3 g四丁基溴化銨，滴加10%的濃鹽酸474.5 g (1.3 mol)，攪拌下于60 ℃緩慢滴加162.1 g (1.0 mol) 2-氯-5-氯甲基吡啶的二氯乙烷溶液(400.0 g)。滴加完畢，用液相色譜儀跟蹤檢測至反應結束(約2.0 h)。分批加入碳酸鉀固體中和至體系pH=6～7，趁熱過濾，分液，得到下層有機相和上層水相。水相用200.0 g二氯乙烷萃取1次。合并有機相，常壓脫溶回收二氯甲烷400.0 g，剩余物冷卻至0℃，保溫0.5 h，抽濾得到吡蟲啉固體，80 ℃鼓風干燥得到類白色固體242.5 g，收率95.2%，含量99.2%。分析數(shù)據(jù)：m.p. 144.9 ℃，(文獻[6]值：143～144 ℃；1H NMR (400 MHz, DMSO-d6)δ: 8.71 (s, 1H), 8.05 (d,J=8.1 Hz, 1H) , 7.34 ( d,J=8.2 Hz, 1H), 4.65( s, 1H), 4.26 (s, 2H), 2.81 (t,J=9.0 Hz,2H) , 2.77 (t,J=9.0 Hz, 2H), 1.98 (s, 1H)；13C-NMR(100 MHz，DMSO-d6)δ: 167.4, 150.4, 149.6, 138.4,131.4, 123.5, 82.6, 58.6, 52.0, 42.7；LC-MS，m/z(%)：254.06 (100%)。

2 結果與討論

2.1 單因素試驗確定反應工藝條件

2.1.1 溶劑的選擇

不同的溶劑對原料和產(chǎn)品的溶解性不同，從而會影響到反應的活性。溶劑的選擇要同時考慮原料2-氯-5-氯甲基吡啶(CCMP)和硝基胍。CCMP可溶于大多數(shù)的有機溶劑而不溶于水等質(zhì)子溶劑，而硝基胍極性較大，易溶解于水和極性質(zhì)子溶劑。乙二胺與CCMP反應合成N-(2-氯-5-吡啶甲基)乙二胺，而后與硝基胍在鹽酸溶液中成環(huán)生成吡蟲啉，兩步反應均為SN2親核取代反應，反應向著極性弱的方向進行時，溶劑的極性增大不利于該反應速率增加。由于反應過程中要滴加10%的鹽酸，因此，反應體系實際是溶劑與水的混合溶劑體系。

固定反應溫度60 ℃，反應時間2.0 h，nCCMP∶n乙二胺∶nHCl=1.0∶4.0∶1.3，考察了乙腈-水、乙醇-水、丙酮-水、二氯甲烷-水和二氯乙烷-水 5種溶劑體系對反應產(chǎn)率的影響，結果見表1。

表1 溶劑對收率的影響

從表1可見，二氯乙烷-水體系反應收率最高，其次是乙腈-水體系，收率最低的是丙酮-水體系。因此，選擇二氯乙烷作為反應溶劑。

2.1.2 原料配比的確定

對于串聯(lián)法合成吡蟲啉的工藝而言，堿性條件對CCMP和乙二胺的反應有利，酸性條件對N-(2-氯-5-吡啶甲基) 乙二胺與硝基胍的反應有利。由于串聯(lián)反應是在同一 pH環(huán)境下發(fā)生，因此，體系的pH是影響反應收率的重要因素。

通過加入過量乙二胺促使反應向右移動，以保證原料CCMP反應完全。通過改變滴加鹽酸的量來調(diào)整體系的pH，以保證成環(huán)反應完全。試驗條件同1.2節(jié)，通過改變乙二胺和鹽酸的用量，考察了nCCMP∶n乙二胺∶nHC對反應收率的影響，結果見表2。

表2 原料配比對產(chǎn)率的影響

從表2數(shù)據(jù)可知，反應收率隨乙二胺用量增加而增加，而隨鹽酸用量增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當nCCMP∶n乙二胺=1.0∶4.0和1.0∶5.0時，反應收率相差不大，考慮到經(jīng)濟因素，選擇nCCMP∶n乙二胺=1.0∶4.0。因此，最佳的原料配比為nccmp∶n乙二胺∶nHCl=1.0∶4.0∶1.3。

按照nccmp∶n乙二胺∶nHCl=1.0∶4.0∶1.3 的原料配比進行了 3次平行試驗，收率分別為 95.2%、95.1%、95.3%，平均收率為95.2%。

2.1.3 反應溫度的確定

反應溫度對反應速率有顯著影響，溫度升高會使反應速率提高，但同時也會導致更多副反應發(fā)生。試驗條件同 1.2節(jié)，通過改變反應溫度，考察了其對反應收率的影響，結果見圖2。

從圖2可知，隨著溫度的升高反應速率提高，吡蟲啉的收率也隨之增加，當溫度為60 ℃時，吡蟲啉的收率達到最大值為95.2%。繼續(xù)升高溫度，副產(chǎn)物隨著增加，吡蟲啉的收率下降。故選擇60 ℃作為最佳反應溫度。

圖2 反應溫度對收率的影響

2.1.4 反應時間的確定

反應時間的控制對反應也非常重要，反應時間短，反應不完全；反應時間太長，則容易生成更多的副產(chǎn)物。試驗條件同1.2節(jié)，通過改變反應時間，考察了其對反應收率的影響，結果見圖3。

圖3 反應時間對收率的影響

從圖3可知，隨著反應時間的延長，反應收率也隨之增加，直至反應時間為 2.0 h時，收率達到95.2%。繼續(xù)延長反應時間，反應收率基本保持恒定。故選擇2.0 h作為最佳反應時間。

2.2 含鹽水相的處理

反應結束后用碳酸鉀中和后分液得到的水相，主要成分有氯化鉀、碳酸鉀、碳酸氫鉀及少量焦油。首先將該水相用濃鹽酸中和，將碳酸鉀和碳酸氫鉀全部轉化為氯化鉀。將該氯化鉀溶液冷卻至0 ℃，過濾，得到灰白色濾餅，此即為氯化鉀粗品。為使回收氯化鉀的質(zhì)量達到工業(yè)副產(chǎn)品質(zhì)量要求，將氯化鉀粗品采用不同的溶劑處理，結果見表3。

表3 處理溶劑對氯化鉀鹽質(zhì)量的影響

采用不同的有機溶劑對氯化鉀粗品進行后處理，得到氯化鉀的含量、收率和外觀不同。由于甲醇價格便宜、處理收率略高且處理所得氯化鉀外觀較好，故選擇甲醇作為處理溶劑。

3 結 論

遵循“清潔生產(chǎn)、綠色工藝”的理念，利用串聯(lián)反應合成了吡蟲啉，改進了反應溶劑，以二氯乙烷替代價格較高的乙腈，并對廢水處理回收得到副產(chǎn)品氯化鉀。

通過單因素試驗考察了溶劑、原料配比、反應溫度以及反應時間對吡蟲啉收率的影響，得到合成吡蟲啉的優(yōu)化條件：二氯乙烷為溶劑，2-氯-5-氯甲基吡啶、乙二胺和鹽酸的物質(zhì)的量之比為1.0∶4.0∶1.3，反應溫度60 ℃，反應時間2.0 h。在此優(yōu)化條件下，反應產(chǎn)率95.2%，產(chǎn)品含量99.2%。

與其他方法相比，串聯(lián)法合成吡蟲啉具有操作簡單，耗時短，反應條件溫和的優(yōu)勢，具有工業(yè)化生產(chǎn)前景。