呋虫胺及中间体合成路线的再研究

呋虫胺及中间体合成路线的再研究

摘要:本文以丙二酸二乙酯为原料,在乙醇钠条件下与氯乙酸乙酯反应生成乙烷-1,2,2-三羧酸乙酯,再用硼氢化钠还原得2-羟基-1,4-丁二醇,在对甲苯磺酸的催化下脱水环合成3-羟甲基四氢呋喃,再与对甲苯磺酰氯、三乙胺反应生成3-四氢呋喃甲基对甲苯磺酸酯;甲醛水溶液、甲基硝基胍、甲胺水溶液在乙醇中反应生成1,5-二甲基-2-硝基亚胺六氢-1,3,5-三嗪;3-四氢呋喃甲基对甲苯磺酸酯与1,5-二甲基-2-硝基亚胺六氢-1,3,5-三嗪反应生成呋虫胺。

关键词:呋虫胺路线烟碱新工艺收率

1 概述

呋虫胺(dinotefuran)是日本三井东压化学株式会社开发,并在2002年上市的新型烟碱类杀虫剂。是唯一不含氯原子和芳环的新型烟碱,其特征取代基为(四氢-3-呋喃)-甲基。被称为第三代烟碱类杀虫剂[1]。

呋虫胺的化学名称为(R/S)-1-甲基-2-硝基-3-(四氢-3-呋喃甲基)胍。CAS号为165252-70-0。分子式为C7H14N4O,分子量为202.21。纯品为白色结晶,熔点107.5℃,蒸气压小于 1.7×10-6pa(30℃),密度1.33(25℃)。溶解度为水中40g/L,难溶于环己烷,二甲苯等有机溶剂。结构式如图1。

相对其他农药,呋虫胺对哺乳动物安全,无致畸性、致癌性和致突

变性。对水生动物、鸟类和蜜蜂安全。对半翅目、鳞翅目、双翅目、甲虫目和总翅目的害虫高效。其杀虫谱广泛。对水稻害虫褐飞虱、白背飞虱、灰飞虱、黑尾叶蝉、稻蛛椽蝽象、二小星蝽象、稻绿蝽象、红须盲蝽、稻负混虫、稻筒水螟,蔬菜水果害虫蚜虫类、粉虱类、蚧类、矢尖盾蚧、朱绿蝽、桃小食心虫、桔潜蛾、茶细蛾、黄条跳甲、豆潜蝇高效。对水稻害虫二化螟、稻蝗类和蔬菜水果害虫角腊蚧、小菜蛾、二黑条叶甲、茶黄蓟马、烟蓟马、黄蓟马、柑橘黄蓟马、大豆荚瘿蚊、番茄潜叶蝇有效。其作用机理主要是作用于昆虫的神经传递系统,使害虫引起麻痹而杀虫[2]。

现有的呋虫胺的合成主要以3-四氢呋喃甲醇或者3-四氢呋喃甲胺为原料,进行合成。主要的合成路线有如下:3-四氢呋喃甲基三氟甲基磺酸酯法、3-四氢呋喃甲基对甲苯磺酸酯法、S-甲基-N-硝基-N’-甲基异硫脲法,总收率36.4%、S-甲基-N-硝基-N’-邻苯二甲酰异硫脲法,总产量51.6%、O-甲基-N-硝基异脲法,总产率77.4%。

综合复杂程度和原料的易得程度考虑,该文选择3-四氢呋喃甲基对甲苯磺酸酯法。以此方法为基础,研究了新的生产工艺,即以丙二酸二乙酯为原料,在乙醇钠条件下与氯乙酸乙酯反应生成乙烷-1,2,2-三羧酸乙酯,再用硼氢化钠还原得2-羟基-1,4-丁二醇,在对甲苯磺酸的催化下脱水环合成3-羟甲基四氢呋喃,再与对甲苯磺酰氯、三乙胺反应生成3-四氢呋喃甲基对甲苯磺酸酯;甲醛水溶液、甲基硝基胍、甲胺水溶液在乙醇中反应生成1,5-二甲基-2-硝基亚胺六氢-1,3,5-三嗪;3-四

氢呋喃甲基对甲苯磺酸酯与1,5-二甲基-2-硝基亚胺六氢-1,3,5-三嗪反应生成呋虫胺。具体的步骤为(图2)

2 实验部分

2.1 呋虫胺合成的中间体3-四氢呋喃甲醇的合成(图3)

2.2 乙烷-1,2,2-三羧酸乙酯的合成(图4)

量取300ml的无水乙醇加入三口瓶中,加入磁子,并在三口瓶处加入球形冷凝管和恒压滴液漏斗,通冷凝水。搅拌中缓慢加入12g的金属钠。待金属钠完全溶解后,油浴升温至回流,分别滴加87g的丙二酸二乙酯和59g的氯乙酸乙酯。待滴加完毕后,加入少量的KI,继续回流12h。回流结束后,冷却反应;抽滤白色固体氯化钠;加入80ml蒸馏水,旋蒸除去乙醇,加入40ml×2乙酸乙酯进行萃取,加入25ml的蒸馏水洗涤有机相,MgSO4干燥,过滤,减压蒸馏,前馏分在38℃～42℃;第二馏分在108℃～112℃;加热至172℃,收集产物,馏程为120℃～142℃。得到产品53g左右,无色透明液体,51ml,收率为45%。

实验现象:

2.2.1 无水乙醇中加入金属钠,反应激烈,15min后完全溶解;

2.2.2 升温至90℃的时候,溶液开始回流;

2.2.3 滴入丙二酸二乙酯和氯乙酸乙酯后,溶液中有大量的白色固体出现,为NaCl;

2.3 2-羟基-1,4-丁二醇的合成(图5)

量取乙烷-1,1,2-三羧酸乙酯51ml和25g的硼氢化钠溶于380ml 的叔丁醇溶液中,加热至回流;缓慢加入30ml的甲醇,加完后继续回流4h。反应结束后,冷却至室温,加入浓HCl(6M),调至pH为中性,有大量白色的固体出现,抽滤。300ml乙醇洗涤固体,无水硫酸镁干燥,过滤,旋蒸浓缩,得到淡黄色油状物17g。

实验现象:

2.3.1 回流的温度为90℃;

2.3.2 加入甲醇后,溶液呈现淡黄色;反应2h后,溶液呈现淡黄色;

2.3.3 加入浓盐酸后,有大量白色固体出现;

2.4 3-羟甲基四氢呋喃的合成(图6)

将12g的2-羟甲基-1,4-丁二醇和50ml的甲苯溶液置于反应瓶中,磁力搅拌,加入0.1g对甲苯磺酸作催化剂,进行回流,回流温度在110℃左右。回流反应16h。旋蒸除去甲苯,残物用乙醚萃取,无水硫酸镁干燥。除去乙醚,然后减压蒸馏得到产品3g,无色透明的溶液,收率为29%。

2.5 3-甲烷磺酸氧甲基四氢呋喃的合成(图7)

称取3g 3-四氢呋喃甲醇、对甲苯磺酰氯48g、三乙胺26g和甲苯75ml,置于反应瓶中,磁力搅拌,进行回流。回流反应需进行10h。待反应冷却后,加入100ml的水洗涤,分层后继续用50x2ml水洗涤。有机层用无水硫酸镁干燥,减压蒸去甲苯,后减压得到产品 5.1g,褐色液体,收率为69%。

2.6 1,5-二甲基-2-硝基亚胺六氢-1,3,5-三嗪的合成(图8)

将48.7g 37%甲醛水溶液在冰冷下慢慢地滴入18g的甲基硝基胍、37.2g 30%甲胺水溶液和15ml乙醇中。在50°C下搅拌了6h。冷至0°C,有大量固体,过滤,烘干,得到产品10g,白色固体,收率为38%。

2.7 1-甲基-2-硝基-3-(四氢-3-呋喃甲基)胍(呋虫胺)的合成(图9)