茚蟲威合成工藝的優(yōu)化策略

郭湘立，高中良(.天津職業(yè)大學(xué)，天津 30040；.河北工業(yè)大學(xué)，天津 30040)

0 引言

在對茚蟲威的合成工藝進行研究時，首先應(yīng)明確茚蟲威及其主要特征，然后再對現(xiàn)有的合成工藝進行科學(xué)分析，再以此為依據(jù)，選擇合理的工藝路線來進行合成。同時，也應(yīng)該在此基礎(chǔ)上對其合成工藝的優(yōu)化措施進行深入研究。通過這樣的方式，才可以確保茚蟲威的合成效果，提升其生產(chǎn)效率與質(zhì)量。

1 茚蟲威及其特征概述

1.1 茚蟲威

茚蟲威屬于一種帶有惡二嗪結(jié)構(gòu)的殺蟲劑，其分子式是C22H17CIF3N3O7。這種殺蟲劑可以將昆蟲神經(jīng)細胞中的鈉離子通道阻斷，進而使其神經(jīng)細胞的功能喪失，在糧食、蔬菜、水果等農(nóng)作物殺蟲中具有良好的應(yīng)用效果。茚蟲威研發(fā)于美國，1992年開發(fā)，2001年登記上市[1]。直到當(dāng)今，茚蟲威依然作為一種重要的農(nóng)作物殺蟲劑在廣泛應(yīng)用。

1.2 茚蟲威的主要特征

因為茚蟲威具有較為獨特的作用機理，所以該殺蟲劑通常不會和其他形式的殺蟲劑之間出現(xiàn)交互抗性，且對于各種齡期的害蟲都十分有效，胃毒以及觸殺作用十分明顯。經(jīng)實踐研究發(fā)現(xiàn)，在茚蟲威進入害蟲體內(nèi)或者是接觸到害蟲身體后的4 h之內(nèi)，害蟲便會被麻痹，不再取食，運動也會喪失協(xié)調(diào)性，進而在植物上掉落下來。通常情況下，在用藥24～60 h之內(nèi)，攝入或者是接觸到茚蟲威的害蟲便會死亡。同時，茚蟲威對非肥生物具有較高的安全性，在農(nóng)作物中也不會有過多的殘留，尤其是在多次采收的農(nóng)作物中更是十分適用。

2 茚蟲威合成工藝路線分析

在茚蟲威產(chǎn)品的合成中，主要通過中間體(+).5-氯-2,3-二氫-2-羥基-1-氧-2茚-羥酸甲酯(這里用A表示)以及氯羥基[4-(三氟甲氧基)苯基]氨基甲酸甲酯(這里用B表示)來合成[2]。就目前來看，其合成工藝路線主要有兩條，第一是先縮合后環(huán)合；第二是先環(huán)合后縮合。以下是對這兩種合成工藝路線所進行的分析。

2.1 先縮合后環(huán)合

在通過該工藝路線進行茚蟲威的合成過程中，首先需要將A中間體與肼-乙酸進行反應(yīng)，以此來實現(xiàn)席夫堿化合物16的生成；然后再將其與B中間體進行反應(yīng)，以此來實現(xiàn)縮氨基脲類化合物17的獲得；在存在甲苯磺酸的情況下，使其與多聚甲醛產(chǎn)生回流反應(yīng)。通過這樣的方式，便可實現(xiàn)茚蟲威的合成。圖1是先縮合后環(huán)合形式的茚蟲威合成工藝路線圖。

圖1 先縮合后環(huán)合形式的茚蟲威合成工藝路線圖

2.2 先環(huán)合后縮合

在通過該工藝路線進行茚蟲威的合成過程中，首先需要將A中間體與肼甲酸酯進行反應(yīng)，以此來實現(xiàn)化合物18的獲得；然后將其與二甲氧基甲烷進行縮合成環(huán)反應(yīng)，以此來實現(xiàn)化合物19的生成；接下來在存在鈀-碳的條件下加氫將芐氧羥基保護基脫去，實現(xiàn)化合物20的生成；最后再使其與B中間體縮合。通過這樣的方式，便可實現(xiàn)茚蟲威的合成。下圖是先環(huán)合后縮合形式的茚蟲威合成工藝路線圖，如圖2所示。

圖2 先環(huán)合后縮合形式的茚蟲威合成工藝路線圖

通過這兩種工藝路線的分析發(fā)現(xiàn)，在通過先縮合后環(huán)合的方式進行茚蟲威合成時，在化合物16的合成過程中，為防止副產(chǎn)物產(chǎn)生，肼-乙酸需要過量添加；而在惡二嗪環(huán)形成之前，便需要將昂貴的B中間體加以應(yīng)用。這樣的情況不僅會導(dǎo)致原材料成本的增加，同時也會加大閉環(huán)反應(yīng)的難度，導(dǎo)致反應(yīng)不完全，對茚蟲威產(chǎn)品純度造成不良影響。而在通過先環(huán)合后縮合的方式進行茚蟲威合成時，因為化合物18在縮合閉環(huán)之后便可實現(xiàn)惡二嗪環(huán)的形成，然后將保護基脫去，最后才需要應(yīng)用到昂貴的材料B中間體進行縮合。這個工藝路線更加合理，操作簡便，反應(yīng)條件十分溫和，每一步都具有較高的回收率，不僅可實現(xiàn)原材料成本的進一步節(jié)約，同時也可以有效提升茚蟲威產(chǎn)品的純度。

由此可見，在茚蟲威的合成過程中，先環(huán)合后縮合工藝路線更具合理性。而在本次的茚蟲威合成工藝優(yōu)化研究中，也是對該合成路線下的工藝優(yōu)化進行分析。

3 茚蟲威合成工藝優(yōu)化分析

3.1 催化劑用量的優(yōu)化

為實現(xiàn)催化劑用量的合理優(yōu)化，本次特對催化劑用量在茚蟲威合成反應(yīng)中所產(chǎn)生的影響進行試驗分析。具體試驗中，將反應(yīng)溫度控制在5～10 ℃之間，將2-芐基-7-氯[1,2-e]茚并[1,3,4]惡二嗪-2,4a(3H,5H)-二甲酸甲酯、氯裁基一(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯、氫氧化鈉以及磷酸二氫鈉的物質(zhì)的量之比控制在1:1:1:0.2，將每一次的加氫反應(yīng)時間控制在了2 h，然后對HPLC進行取樣分析[3]。具體分析中，需要將氫氧化物的具體含量作為依據(jù)，對氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯具體的滴加量來進行確定，在完成滴加15 min之后，再將摩爾數(shù)相同的氫氧化鈉溶液滴加到其中，以此來實現(xiàn)催化劑用量的改變。以下是具體的試驗結(jié)果，如表1所示。

表1 催化劑用量對茚蟲威合成反應(yīng)所產(chǎn)生的影響試驗結(jié)果

通過試驗分析可知，隨著催化劑用量的不斷增加，反應(yīng)速度也在持續(xù)上升，但是反應(yīng)液中的產(chǎn)物含量卻在持續(xù)下降。之所以會出現(xiàn)這樣的情況，是因為催化劑的大量應(yīng)用會導(dǎo)致催化活性持續(xù)升高，這樣便會使環(huán)合物分子內(nèi)的氯原子從中脫落，進而有更多的副產(chǎn)物形成。經(jīng)進一步的試驗分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)催化劑用量被控制在0.8%～1.0%之間時，不僅可顯著提升反應(yīng)速度，同時也可以讓副產(chǎn)物產(chǎn)量得到良好控制，這樣便可實現(xiàn)催化劑用量的最佳優(yōu)化。

3.2 磷酸二氫鈉用量的優(yōu)化

為實現(xiàn)磷酸二氫鈉用量的合理優(yōu)化，本次特對磷酸二氫鈉在茚蟲威合成反應(yīng)中所產(chǎn)生的影響進行試驗分析。具體試驗中，將反應(yīng)溫度控制在5～10 ℃之間，將2-芐基-7-氯［1，2-e］茚并［1,3,4］惡二嗪-2,4a(3H,5H)-二甲酸甲酯、氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯以及氫氧化鈉的物質(zhì)的量之比控制在1:1:1，將催化劑用量控制在8%，將每一次的加氫反應(yīng)時間控制在2 h，然后對HPLC進行取樣分析[4]。具體分析中，需要將氫氧化物的具體含量作為依據(jù)，對氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯具體的滴加量來進行確定，在完成滴加15 min之后，再將摩爾數(shù)相同的氫氧化鈉溶液滴加到其中。以下是具體的試驗結(jié)果，如表2所示。

表2 磷酸二氫鈉用量對茚蟲威合成反應(yīng)所產(chǎn)生的影響試驗結(jié)果

在具體的反應(yīng)中，會伴隨著氯化氫的產(chǎn)生，而磷酸二氫鈉所起到的主要是緩沖作用，它可以防止催化劑在酸性過高的條件下失去活性。在沒有磷酸二氫鈉作為緩沖劑的情況下，該反應(yīng)在進行一段時間之后便會由于催化劑失去活性而停止；隨著磷酸二氫鈉用量的增加，催化劑活性的降低程度也會逐漸減少；但是在增加到一定量的情況下，催化劑活性將會趨于穩(wěn)定，反應(yīng)也會趨于穩(wěn)定。經(jīng)進一步的試驗分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)磷酸二氫鈉摩爾比小于0.10:1的情況下，繼續(xù)加量并不會對反應(yīng)產(chǎn)生多大影響。由此可見，在摩爾比是0.20:1～0.30:1的情況下，磷酸二氫鈉用量可得到最佳優(yōu)化。

3.3 氫氧化鈉滴加時間的優(yōu)化

為實現(xiàn)氫氧化鈉滴加時間的合理優(yōu)化，本次特對氫氧化鈉滴加時間在茚蟲威合成反應(yīng)中所產(chǎn)生的影響進行試驗分析。具體試驗中，其反應(yīng)條件與磷酸二氫鈉用量試驗中的反應(yīng)條件完全一致。然后對HPLC進行取樣分析，具體分析中，需要將氫氧化物的具體含量作為依據(jù)，對氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯具體的滴加量來進行確定，接下來將后續(xù)的氫氧化鈉滴加時間加以改變[5]。以下是具體的試驗結(jié)果，如表3所示。

表3 氫氧化鈉滴加時間對茚蟲威合成反應(yīng)所產(chǎn)生的影響試驗結(jié)果

在氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯和氫化物中間體發(fā)生反應(yīng)之后，便可實現(xiàn)氯化氫的合成，而氯化氫將會導(dǎo)致催化劑的活性逐漸喪失，所以，如果氫氧化鈉滴加太遲，反應(yīng)便會終止；而如果滴加太早，便會有大量的副產(chǎn)物生成。由此可見，氫氧化鈉滴加時間需要得到合理控制。經(jīng)進一步的試驗分析發(fā)現(xiàn)，在加入了氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯之后，經(jīng)過15 min再進行強氧化鈉滴加，便可達到最佳的優(yōu)化效果。

3.4 反應(yīng)溫度的優(yōu)化

為實現(xiàn)反應(yīng)溫度的合理優(yōu)化，本次特對反應(yīng)溫度在茚蟲威合成反應(yīng)中所產(chǎn)生的影響進行試驗分析。具體試驗中，除反應(yīng)溫度之外，其他的反應(yīng)條件與磷酸二氫鈉用量試驗中的反應(yīng)條件完全一致。在加入了氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯15 min之后進行氫氧化鈉的滴加。在此過程中，將反應(yīng)溫度加以改變。以下是具體的試驗結(jié)果，如表4所示。

表4 反應(yīng)溫度對茚蟲威合成反應(yīng)所產(chǎn)生的影響試驗結(jié)果

因為氫化物中間體穩(wěn)定性很差，且在溫度不斷上升的過程中，溶液內(nèi)的中間物穩(wěn)定時間也會不斷降低。經(jīng)進一步的試驗分析發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)溫度是6～10 ℃的情況下，可達到最佳的優(yōu)化效果。

4 結(jié)語

綜上所述，茚蟲威是一種常用且有效的農(nóng)作物殺蟲劑。因其應(yīng)用效果十分顯著，所以市場需求量也很大。為實現(xiàn)茚蟲威合成效果的良好優(yōu)化，在確保茚蟲威合成純度、效率與數(shù)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)經(jīng)濟效益的進一步提升，相關(guān)企業(yè)應(yīng)通過先環(huán)合后縮合的工藝路線來進行合成。為實現(xiàn)其合成工藝的進一步優(yōu)化，還需要對其合成中的催化劑用量、磷酸二氫鈉用量、氫氧化鈉滴加時間以及反應(yīng)溫度等進行合理優(yōu)化。通過這樣的方式，才可以讓茚蟲威的合成工藝實現(xiàn)良好優(yōu)化，使其在當(dāng)今時代中得到更好的生產(chǎn)、應(yīng)用與發(fā)展。