植物殺線蟲劑氟噻蟲砜的合成與譜學(xué)分析

石艷慧，李 悅，張沛之，賈愛銓，張千峰

（安徽工業(yè)大學(xué)分子工程與應(yīng)用研究所，安徽馬鞍山 243002）

氟噻蟲砜（商品名稱：MCW-2）是一種非熏蒸性殺線蟲劑，具有施用方便的優(yōu)點。已有研究表明氟噻蟲砜對多種有害線蟲均有較好的防效[1-3]，如黑根結(jié)線蟲[4]、沙根線蟲、爪哇根結(jié)線蟲[5]。此外，氟噻蟲砜可用于茄類作物、菊科作物、馬鈴薯和芋頭作物以及十字花科葉類蔬菜線蟲病的綜合防治。氟噻蟲砜因其低毒[6-8]、對非靶向生物具有良好的安全性能[9]、對環(huán)境的影響小、注冊限制較少而受到企業(yè)的關(guān)注[10-11]。氟噻蟲砜的良好殺線蟲活性與氟原子的存在有關(guān)，氟原子有助于影響電子效應(yīng)、穿透效應(yīng)和阻擋效應(yīng)。在農(nóng)藥中引入氟原子可以提高農(nóng)藥的功效，并帶來其他有益的特性[12]。雖然含氟化合物的成本相對昂貴，但由于含氟農(nóng)藥具有較高的生物活性和較低的環(huán)境影響，其開發(fā)和生產(chǎn)已變成熱點[13-16]。

氟噻蟲砜的一般合成方法是2-巰基噻唑和4-溴-1,1,2-三氟-1-丁烯為起始原料[17-18]。目前已知的4-溴-1,1,2-三氟-1-丁烯的合成方法在后處理方面存在困難，且對環(huán)境不友好[19]。因此，本研究首先以三氟溴乙烯為原料，通過格氏反應(yīng)、羥乙基化和溴化反應(yīng)合成了4-溴-1,1,2-三氟-1-丁烯；然后，4-溴-1,1,2-三氟-1-丁烯與2-巰基噻唑通過偶聯(lián)反應(yīng)、氯化反應(yīng)和氧化反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物氟噻蟲砜[17-18,20]。該方法具有操作簡單、綠色環(huán)保、成本低等優(yōu)點。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

儀器：Bruker Avance II 400 MHz核磁共振儀，布魯克（北京）科技有限公司；Nicolet 6700 FT-IR紅外光譜儀（溴化鉀壓片），美國尼高力儀器公司；島津UFLC-2010 PLUS高效液相色譜儀，日本島津公司。

試劑：無水甲醇、乙酸乙酯、四氯化碳、氯乙醛水溶液（40%）、二硫代氨基甲酸銨（純度97%）、4-溴-1,1,2-三氟-1-丁烯（純度97%），南京化學(xué)試劑有限公司；無水碳酸鎂、碳酸鉀、N-氯代琥珀酰亞胺（純度98%）、過硫酸氫鉀（純度47%），阿拉丁試劑有限公司。所有其他試劑和溶劑均為分析純（AR），未做進(jìn)一步處理直接使用。實驗室所用水均為純水設(shè)備系統(tǒng)制取的去離子水。

1.2 氟噻蟲砜的合成

1.2.1 2-巰基噻唑（化合物1）的合成

在氮氣保護(hù)下，將1.97 mL（64.5 mmol）濃鹽酸加入到4.45 mL（44 mmol）氯乙醛的水溶液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%）中。然后，在常溫水浴中，一邊攪拌一邊滴加溶于40 mL水的5.29 g（48 mmol）二硫代氨基甲酸銨水溶液，滴加速度為2～5滴/s，滴加時間約為60 min，滴加完成后，期間使用TLC點板［展開劑：石油醚-乙酸乙酯（1∶1，V/V）］，確定產(chǎn)物生成及反應(yīng)完全，得到淡黃色固體4.83 g，產(chǎn)率為93.8%。將淡黃色固體用熱水進(jìn)行重結(jié)晶后，得到白色片狀結(jié)晶3.87 g。

1.2.2 4-溴-1,1,2-三氟-1-丁烯（化合物2）的合成

控制整個反應(yīng)體系干燥無水，調(diào)節(jié)溫度為-5℃，在氮氣保護(hù)下，于25 mL的三頸瓶中置入0.29 g（12 mmol）鎂粉，10 mL無水THF（四氫呋喃）溶劑，1～2粒碘粒（引發(fā)劑），攪拌狀態(tài)下，將1.61 g（10 mmol）三氟溴乙烯緩慢滴加至含有鎂粉的THF溶液中。當(dāng)反應(yīng)開始時，碘粒會出現(xiàn)顏色消退，溶液也會漸漸變得渾濁。滴加完成后，繼續(xù)攪拌反應(yīng)，使反應(yīng)完全，時間為2 h。反應(yīng)結(jié)束后，在氮氣保護(hù)下將反應(yīng)液過濾，取濾液，旋蒸除去溶劑THF后，得到格氏試劑；接著，在冰浴攪拌條件下，將0.88 g（10 mmol）碳酸乙烯酯加入到10 mL的無水THF溶液中，再將2.22 g（12 mmol）格氏試劑的無水THF溶液緩慢滴加到碳酸乙烯酯的THF溶液中，完成滴加后，控制體系溫度為5℃下反應(yīng)0.5 h，再將反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)至室溫反應(yīng)2 h，反應(yīng)停止后，緩慢滴加含水的THF溶液進(jìn)行淬滅，水解。反應(yīng)結(jié)束后，過濾，取濾液，用50 mL乙酸乙酯溶液進(jìn)行萃取，重復(fù)3次，收集有機相，干燥后，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑，即得3,4,4-三氟-3-丁烯-1-醇；最后，在25 mL的三口瓶中依次置入10 mL的四氯乙烷溶液和1.26 g（10 mmol）的3,4,4-三氟-3-丁烯-1-醇，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為80℃，在攪拌狀態(tài)下，緩慢滴加三溴化磷3.25 g（12 mmol），完成滴加后，繼續(xù)反應(yīng)5 h。結(jié)束反應(yīng)后，過濾，取濾液，于100℃常溫蒸餾得到產(chǎn)物化合物21.47 g，為透明液體。

1.2.3 2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑（化合物3）的合成

在氮氣保護(hù)下，將1 g（8.5 mmol）化合物1、1.31 g（9.5 mmol）碳酸鉀和1.79 g（9.5 mmol）化合物2與12 mL的乙腈溶液混合，在85℃下加熱回流6 h。期間使用TLC點板［展開劑：石油醚-乙酸乙酯（4∶1，V/V）］，確定產(chǎn)物生成及反應(yīng)完全。反應(yīng)結(jié)束后，將其冷卻至室溫。過濾混合物，收集濾液，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除出溶劑，將剩下的油狀物用25 mL的二氯甲烷溶解后，柱色譜純化［流動相：石油醚-乙酸乙酯（8∶1，V/V）］，獲得目標(biāo)化合物淡黃色液體1.64 g。

1.2.4 5-氯-2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑（化合物4）的合成

在混合溶液中加入0.36 g（2.7 mmol）N-氯代琥珀酰亞胺，調(diào)節(jié)溫度為80℃，攪拌回流24 h。期間使用TLC點板［展開劑；石油醚-乙酸乙酯（16∶1，V/V）］，確定產(chǎn)物生成及反應(yīng)完全。反應(yīng)結(jié)束后，將其冷卻至室溫。過濾后取濾液濃縮，濃縮物用柱色譜提純［流動相：石油醚-乙酸乙酯（32∶1，V/V）］，獲得橙黃色液體0.4 g。

1.2.5 氟噻蟲砜（化合物6）的合成

在氮氣保護(hù)下，將0.5 g化合物4置入5 mL的甲醇溶液中，攪拌狀態(tài)下，保持溫度為5℃，緩慢滴加5.4 mL含有1.45 g（3.8 mmol）KHSO5復(fù)合鹽的水溶液（KHSO5的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%），滴加時間為30 min。隨后，將白色的懸濁液在20℃下攪拌1.5 h。期間使用TLC點板［展開劑：石油醚-乙酸乙酯（16∶1，V/V）］，確定5-氯-2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基亞磺?；?噻唑（化合物5）生成。反應(yīng)完全時，TLC點板中無原料點化合物4，此時，完成了生成亞砜的步驟。在混合物中繼續(xù)加入0.074 g（0.2 mmol）KHSO5復(fù)合鹽，攪拌反應(yīng)30 min后，將混合物冷卻至5℃，使用0.002 mol/L NaOH水溶液調(diào)節(jié)pH至8～9。隨后，調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度為20℃，監(jiān)測反應(yīng)混合物的pH值，使其保持pH為8～9。攪拌時間為1 h。在混合物中加入0.044 g（0.12 mmol）KHSO5復(fù)合鹽，繼續(xù)攪拌20 min。期間使用TLC點板，確定反應(yīng)完成時，TLC點板中無化合物5的點。反應(yīng)結(jié)束后，抽濾，用30 mL甲醇溶液洗滌白色濾渣2次。取濾液，加入25 mL的NaHSO3溶液后，攪拌，用過氧化物試紙對其進(jìn)行過氧化物測試。在確定溶液中沒有過氧化物后，對濾液進(jìn)行減壓蒸餾除去溶劑。去除甲醇后的濾液出現(xiàn)分層，將有機相與水相兩相分離，用50 mL乙酸乙酯對水相進(jìn)行萃取3次，收集合并有機相，再次使用過氧化物試紙對有機相進(jìn)行過氧化物測試后，無水硫酸鈉干燥有機相，濃縮，濃縮物用柱色譜純化［流動相：石油醚-乙酸乙酯（20∶1，V/V）］，獲得淡黃色液體0.48 g。

1.3 儀器測試條件

1H NMR、13C NMR及19F NMR核磁共振譜圖分別對應(yīng)于400、101及377 MHz的頻率測定出；化學(xué)位移（ppm）分別參照基準(zhǔn)物質(zhì)四甲基硅烷、四甲基硅烷及三氟甲烷磺酸記錄。紅外光譜的樣品通過用點樣管把樣品滴在溴化鉀窗片上，抹勻，在紅外光譜儀上進(jìn)行測試記錄；采用定量方法為面積歸一化法，以乙腈為流動相，柱箱溫度為40℃；流動相速度為1.0 mL/min。

2 結(jié)果與討論

2.12 -巰基噻唑的核磁共振氫譜和HPLC分析

2-巰基噻唑熔點：79～80℃，產(chǎn)率：80.2%，純度經(jīng)HPLC測定為99.9%。1H NMR（400 MHz，CDCl3，ppm）δ：11.74（s，1H，SH）、7.02（s，1H，CH of Thiazole）、6.68（s，1H，CH of Thiazole）。13C NMR（101 MHz，CDCl3，ppm）δ：188.34（s）、127.42（s）、114.38（s）。FT-IR（KBr壓片，cm-1）：υ（C-H）3048、υ（S-H）2587、υas（C=C）1545、υs（C=N）1459、υs（C-N）1328、υas（C-S）1046。

從圖2中2-巰基噻唑的1H NMR我們可以看出δ=11.74 ppm處的單峰歸屬于巰基，δ=7.02和6.68 ppm處出現(xiàn)的吸收峰歸屬于噻唑環(huán)上2個芳基氫。從2-巰基噻唑的HPLC分析中看出其保留時間為3.204 min。

2.24 -溴-1,1,2-三氟-1-丁烯的核磁共振氫譜和HPLC分析

4-溴-1,1,2-三氟-1-丁烯收率為78%，純度由HPLC測定為93.2%。1H NMR（400 MHz，CDCl3，ppm）δ：3.49（t，J=6.8 Hz，2H，CH2）、2.90～2.80（m，2H，CH2）。13C NMR（101 MHz，CDCl3，ppm）δ：153.86（td，J1=287.0 Hz，J2=274.4 Hz，J3=45.7 Hz）、126.43（td，J1=234.6 Hz，J2=53.4 Hz，J3=17.1 Hz）、29.35（dd，J1=21.2 Hz、J2=2.1 Hz）、26.57～26.48（m）。19F NMR（377 MHz，MeOD，ppm）δ：-105.27～-105.70（td，J1=30.16 Hz，J2=46.24 Hz，J3=82.94 Hz）、-122.99～-123.53（td，J1=3.77 Hz，J2=86.71 Hz，J3=16.87 Hz）、-176.2～-177.49（td，J1=339.3 Hz，J2=116.87 Hz，J3=147.03 Hz）。FT-IR（KBr壓片，cm-1）：υ（C-H）2923、υ（FC=CF2）1792，υ（C-H）1485、υ（（C-F）1054、υ（C-Br）680。

通過觀察4-溴-1,1,2-三氟-1-丁烯的1H NMR我們可以看出，在δ=3.49 ppm處出現(xiàn)的三重峰為靠近溴原子的亞甲基氫BrCH2CH2-的特征吸收峰，在δ=2.90～2.80 ppm處出現(xiàn)的多重峰歸屬于鄰近三氟乙烯基團(tuán)亞甲基氫的特征吸收峰。從HPLC分析中看出其保留時間為4.863 min。

2.32 -(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑的核磁共振氫譜和HPLC分析

2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑產(chǎn)率：76.8%，純度由HPLC測定，為99.8%。1H NMR（400 MHz，CDCl3，ppm）δ：7.65（d，J=4.0 Hz，1H，CH of Thiazole）、7.20（d，J=4 Hz，1H，CH of Thiazole）、3.37（t，J=8 Hz，2H，CH2）、2.81～2.71（m，2H，CH2）。13C NMR（101 MHz，CDCl3，ppm）δ：163.13（s）、153.84（td，J1=46.46 Hz，J2=274.72 Hz，J3=287.85 Hz）、142.74（s）、126.41（td，J1=234.8 Hz，J2=53.4 Hz，J3=16.4 Hz）、119.18（s）、29.85（s）、26.54（t，J=1.01 Hz）。19F NMR（377 MHz，CDCl3，ppm）δ：-103.18～-103.49（dd，J1=33.93 Hz，J2=86.71 Hz）、-122.37～-122.90（dd，J1=82.94 Hz，J2=113.1 Hz）、-175.42～-175.81（dd，J1=30.16 Hz，J2=113.1 Hz）。FT-IR（KBr壓片，cm-1）：υ（C-H）3087、υas（C-H）2932、υs（C-H）2852，υas（FC=CF2）1799，υ（C=C）1606，υ（C=N）1500，υas（C-N）1299、υs（C-S）1087、υ（C-F）1020。

從2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑的1H NMR中我們可以看出，δ=3.37 ppm處出現(xiàn)的峰為硫原子相連碳上亞甲基氫的特征吸收峰，δ=2.81～2.71 ppm處出現(xiàn)的峰為與三氟乙烯基團(tuán)相連碳上亞甲基氫的特征吸收峰，受三氟乙烯基團(tuán)的影響，該峰分裂為多重峰。從HPLC分析中看出2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑保留時間為5.180 min。

2.45 -氯-2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑的核磁共振氫譜和HPLC分析

5-氯-2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑產(chǎn)率：70.6%，純度由HPLC測定為98.5%。1H NMR（400 MHz，CDCl3，ppm）δ：7.44（s，1H，CH of Thiazole）、3.35（t，J=4.0 Hz，2H，CH2）、2.80～2.70（m，2H，CH2）。13C NMR（101 MHz，CDCl3，ppm）δ：161.78（s）、153.55（td，J1=46.46 Hz，J2=275.73 Hz，J3=288.86 Hz）、140.56（d，J=1.01 Hz）、127.88（dd，J1=53.53 Hz，J2=17.17 Hz）、125.57（dd，J1=319.57 Hz，J2=353.50 Hz）、29.55（s）、26.11（dd，J1=22.22 Hz，J2=3.03 Hz）。19F NMR（377 MHz，CDCl3，ppm）δ：-102.92～-103.23（dd，J1=33.93 Hz，J2=49.01 Hz）、-122.20～-122.72（dd，J1=82.94 Hz，J2=113.1 Hz）、-175.47～-175.87（dd，J1=33.93 Hz，J2=116.87 Hz）。FT-IR（KBr壓片，cm-1）：υ（C-H）3096、υas（C-H）2932、υs（C-H）2843、υas（FC=CF2）1795、υ（C=C）1674、υ（C=N）1500、υs（C-N）1300、υs（C-S）1087、υ（C-F）1036、υs（C-Cl）732。

在5-氯-2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑的1H NMR中，δ=7.44 ppm處出現(xiàn)的單峰歸屬于噻唑環(huán)上氫，δ=3.35 ppm處出現(xiàn)三重峰，歸屬于與硫原子相連亞甲基氫的特征吸收峰，δ=2.80～2.70 ppm處的峰為與三氟乙烯基相連的亞甲基氫的特征吸收峰，與2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑的對應(yīng)氫的化學(xué)位移相近。從HPLC分析顯示該化合物保留時間為7.140 min。

2.5 氟噻蟲砜譜學(xué)分析

2.5.1 氟噻蟲砜的傅里葉變換-紅外光譜（FT-IR）分析

我們可以看到在3100 cm-1有一個清楚的尖峰，歸屬于噻唑環(huán)不飽和C-H的伸縮振動峰，2932、2860 cm-1處出現(xiàn)的強吸收峰分別為飽和C-H的伸縮振動峰，1800 cm-1處出現(xiàn)的明顯的尖峰為FC=CF2的伸縮振動峰，氟噻蟲砜中砜基的不對稱伸縮振動峰和伸縮振動峰分別在1340、1140 cm-1處。

2.5.2 氟噻蟲砜的核磁共振氫譜和HPLC分析

氟噻蟲砜產(chǎn)率：82.7%，純度由HPLC測定為99.1%。1H NMR（400 MHz，CDCl3，ppm）δ：7.86（s，1H，CH of Thiazole）、3.61（t，J=8.0 Hz，2H，CH2）、2.95～2.85（m，2H，CH2）。13C NMR（101 MHz，CDCl3，ppm）δ：162.59（s）、156.12～150.06（m）、143.46（s）、135.52（s）、131.24～123.68（m）、50.47（s）、19.98（d，J=3.03 Hz）。19F NMR（377 MHz，CDCl3，ppm）δ：-101.19～-101.50（dd，J1=33.93 Hz，J2=79.17 Hz）、-120.32～-120.84（dd，J1=79.17 Hz，J2=113.1 Hz）、-175.65～-176.04（dd，J1=339.3 Hz，J2=113.1 Hz）。FT-IR（KBr壓片，cm-1）：υ（C-H）3100、υas（C-H）2932、υs（C-H）2860、υas（FC=CF2）1800、υ（C=C）1675、υ（C=N）1634、υas（O=S=O）1340和1140、υs（C-N）1330、υs（C-S）1090、υ（C-F）1042、υs（C-Cl）754。

在氟噻蟲砜的1H NMR中共有3種吸收峰，其中，化學(xué)位移為δ=7.86 ppm處的單峰歸屬為噻唑環(huán)上的氫，δ=3.61 ppm處的三重峰為與硫原子相連亞甲基的氫，δ=2.95～2.85 ppm處出現(xiàn)的多重峰歸屬為與三氟乙烯基相連亞甲基的氫。從HPLC分析中看出其保留時間為4.604 min。

2.5.3 氟噻蟲砜的核磁共振碳（13C NMR）譜和核磁共振氟（19F NMR）譜

通過觀察氟噻蟲砜的13C NMR我們可以看出，譜圖中含有7種不同類型的吸收峰。其中，在化學(xué)位移為δ=162.59 ppm處的單峰歸屬為氟噻蟲砜中噻唑環(huán)上2位碳的特征吸收峰，δ=156.12～150.06 ppm處出現(xiàn)的多重峰歸屬于CF2碳的特征吸收峰，δ=143.46 ppm出現(xiàn)的單峰歸屬為噻唑環(huán)上4位碳的特征吸收峰，δ=135.52 ppm出現(xiàn)的單峰為CF碳的特征吸收峰，δ=50.47 ppm處出現(xiàn)的單峰為CH2S特征吸收峰，δ=19.98 ppm為CH2CF碳的特征吸收峰。

氟噻蟲砜的19F NMR中共有3種吸收峰，化學(xué)位移 分 別 在δ=-101.19～-101.50 ppm、δ=-120.32～-120.84 ppm、δ=-176.65～-175.04 ppm處。其中，δ=-101.19～-101.50 ppm、δ=-120.32～-120.84 ppm處出現(xiàn)的峰分別歸屬為氟噻蟲砜中三氟乙烯基團(tuán)上同一個碳原子上取代的2個氟的特征吸收峰，δ=-175.04～-175.65 ppm處出現(xiàn)的峰歸屬為氟噻蟲砜中三氟乙烯基團(tuán)上另一個碳原子上氟的特征吸收峰。

3 結(jié) 論

我們以二硫代氨基甲酸銨、氯乙醛及三氟溴乙烯為原料，經(jīng)過環(huán)化反應(yīng)，格式試劑親核加成反應(yīng)，親核取代反應(yīng)以及氯代、低溫氧化反應(yīng)得到產(chǎn)物氟噻蟲砜，比較詳細(xì)地提供了氟噻蟲砜的譜學(xué)分析與純度分析。本研究開發(fā)了一條高效的高純度氟噻蟲砜合成路線，該路線的起始原料可在商業(yè)上獲得，且價格低廉。此外，該方法有助于實現(xiàn)氟噻蟲砜的工業(yè)化生產(chǎn)。