磺草酮的绿色合成研究

刘 前 戴友鹏 邓婵娟 任正伟

（金华市环境科学研究院，金华 321017）

磺草酮（Sulcotrione）是由捷利康公司开发的三酮类除草剂，是对羟基丙酮酸双加氧酶（HPPD）抑制剂［1］，能有效防除玉米田一年生阔叶杂草和一些禾本科杂草，如马唐、血根草、锡兰稗、洋野黍、茄、龙葵、酸膜等，不仅对玉米安全，而且对环境、后茬作物安全。

图1 磺草酮的化学结构式

文献介绍的合成磺草酮及中间体的方法很多［2-4］，结合国内原材料供应情况，选择以2-氯-4-甲砜基甲苯为起始原料，经氧化、酰氯化、缩合和重排4步反应来合成磺草酮。根据已有文献报道，氧化反应是2-氯-4-甲砜基甲苯在重铬酸钠、高锰酸钾、次氯酸钠、硝酸或空气等氧化试剂的作用下［5-6］，生成2-氯-4-甲砜基苯甲酸；酰化反应是以2-氯-4-甲砜基苯甲酸为原料，以1，2-二氯乙烷、乙腈等为溶剂，加热回流条件下，以氯化亚砜为酰化试剂，反应得到2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯，尾气中会产生有毒且高腐蚀气体二氧化硫［7］；缩合和重排反应基本采用一锅法的方式进行，主要有2条路线，其一，是以二氯甲烷为溶剂，三乙胺为碱化试剂，1，3-环己二酮和2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯反应，得到中间体烯醇，再加入重排试剂丙酮氰醇，反应得到磺草酮原药，收率80％左右［8］；其二，是以乙腈为溶剂，碳酸钾为碱化试剂，反应得到碱式1，3-环己二酮，然后滴加2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯的乙腈溶液，得到中间体烯醇，最后加入重排试剂1，2，4-三氮唑或丙酮氰醇，反应得到磺草酮原药，收率83.6％［9］。

在参考上述文献和大量探索性实验的基础上，设计了如下一条路线：以2-氯-4-甲砜基苯甲酸为起始原料，以乙酸乙酯为溶剂和固体光气为酰化试剂，反应生成2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯；然后以乙腈为溶剂，碳酸钾为碱化试剂，反应得到碱式1，3-环己二酮，滴加2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯的乙腈溶液，最后加入重排试剂丙酮氰醇，反应得到磺草酮。有关合成路线如下：

图2 磺草酮的合成路线

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：所有试剂均为市售化学纯、分析纯或工业品级。

仪器：BUCHI Melting Point B-545熔点仪；高效液相色谱仪为HITCHI L-7000系列。

1.2 实验方法

1.2.1 2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯的合成

向100mL三口瓶中加入10.0g（0.043mol）2-氯-4-甲砜基苯甲酸，5.1g（0.017mol）固体光气和40mL乙酸乙酯，搅拌，加热至50℃，滴加10mL乙酸乙酯和0.5mLDMF配成的溶液，在1h内滴加完毕，继续反应2h。随着反应进行，反应液由浑浊变澄清。反应结束后，脱溶得到10.6g浅黄色固体。熔点：116.4℃～118.4℃，收率98.5％，纯度99.5％。

1.2.2 磺草酮原药的合成

向250mL三口瓶中加入4.8g（0.043mol）1，3-环己二酮，14.8g（0.107mol）碳酸钾，80mL乙腈，室温下搅拌反应5h，反应液慢慢变成絮状，然后成粉红色浆状。用80mL乙腈溶解10.8g（0.043mol）2-氯-4-甲砜基苯甲酰氯，10～15min内缓慢滴加到反应液中。1h后，加入0.1mL丙酮氰醇，升温至50℃，反应4h，冷却，过滤，得到滤饼，加入80mL水得浅黄色溶液，滴加浓盐酸，使体系pH＝1～2，析出固体，过滤，干燥，得12.1g磺草酮。熔点：137.0℃～140.0℃，收率86.9％，纯度98.3％。

1.2.3 1，3-环己二酮的合成［11］

向300mL的三口烧瓶中加入130.0mL水和35.0g氢氧化钾，搅拌至氢氧化钾溶解完，然后，加入55.0g间苯二酚，搅拌反应1h。将制得的间苯二酚钾盐水溶液转移至500mL的压力反应釜中，加入0.5g自制镍催化剂，氮气置换釜内空气三次，再用氢气置换三次，通入氢气至1.5MPa，升温至120℃，搅拌反应，压力降为0.5MPa时，再通入氢气至1.5MPa，反应80min至不吸氢为止。将反应液冷却到50℃以下，出料，过滤除去催化剂，将滤液转移至500mL的三口烧瓶中，搅拌下滴入60mL浓盐酸，室温下进行酸化及重排反应1h。然后，将反应液冷却至0℃～5℃，结晶，过滤，干燥，得到55.0g 1，3-环己二酮。熔点：103℃～104℃，收率98.1％，纯度98.2％。

2 结果与讨论

2.1 酰化反应的优化

固体光气酰化法主要影响因素有反应溶剂、反应温度以及固体光气用量。残留过多的固体光气会对下一步反应有很大影响，因此，反应结束后应除去多余的固体光气。

2.1.1 反应溶剂的选择

溶剂的选择不仅要考虑到固体光气的用量，还要考虑环保和经济性等因素。在相同情况下，考察不同溶剂对反应的影响，结果如表1所示。

表1 酰化反应中反应溶剂对反应的影响

从表1中可以看出，反应中甲苯、乙腈对固体光气用量比较大，1，2-二氯乙烷、氯代苯和乙酸乙酯在反应中固体光气利用率高，反应较为理想，但1，2-二氯乙烷、氯代苯毒性大且沸点高不易排除。因此，选择乙酸乙酯作为酰化反应的溶剂。

2.1.2 反应温度对反应的影响

固体光气比较活泼，易于和2-氯-4-甲砜基苯甲酸反应。但在一定温度下，才可以加快反应进行。考察了不同温度对反应的影响，结果如表2所示。

表2 酰化反应中反应温度对反应的影响

由表2可以看出，温度越低，反应时间越长，温度越高，反应时间越短，但固体光气用量加大（随着温度升高，固体光气分解损失加大）。因此，酰化反应的温度为50℃比较合适。

2.2 缩合和重排反应的优化

磺草酮原药的合成，对反应收率的影响主要是反应溶剂和反应温度。

2.2.1 反应溶剂的选择

反应溶剂的选择和1，3-环己二酮碱化有关，由于碳酸钾为无机盐，在极性小的溶剂中溶解性小，很难解离出阳离子，因此该选择极性大的溶剂。考虑到价格、回收套用、对环境友好等因素，本文选择乙腈、乙酸乙酯、甲苯、二氯甲烷和氯代苯等不同溶剂中做了试验，考察反应溶剂对反应的影响，结果如表3所示。

表3 不同溶剂对反应的影响

从表3中可以看出，乙腈的极性比较大，1，3-环己二酮碱化比较彻底，产品收率和纯度都比较理想，其他溶剂做溶剂时不仅收率较低，且纯度更低。因此，选择乙腈为反应的溶剂。

2.2.2 反应温度的选择

磺草酮原药的制备主要经过碱化、缩合及重排三步，因此对应的也有三个反应温度。碱化和缩合对温度要求不是很高，考虑到生产成本，选择在常温下进行。本文着重考察了重排温度对反应的影响，结果如表4所示。

表4 重排温度对反应的影响

从表4中可以看出，重排温度越低，反应时间越长，温度越高，反应时间越短且收率和纯度都差不多。考虑到能耗等因素，重排温度为50℃，反应为佳。

2.3 1，3-环己二酮的合成的优化

1，3-环己二酮的合成反应，影响因素有：反应原料的配比、氢氧化钾的浓度、反应温度和反应压力。根据初步单因素实验研究结果，进行了正交优化试验研究。试验采用四因素三水平正交试验表，如表5所示。

表5 正交优化因素水平表

表6 正交优化试验结果一览表

由表6可以看出，影响反应收率的因素大小次序是反应原料的摩尔配比、反应温度、反应时间及氢氧化钾的浓度。其中原料摩尔配比的影响最为显著，等摩尔反应会造成反应不完全，因此，氢氧化钾的比例要稍大才有利于反应完全进行。其次，反应温度和反应压力对反应重要的影响，温度越高和压力越大越有利于反应的进行，但温度和压力大于一定程度后，反应的改变不大。氢氧化钾的浓度对反应的影响最小。综合考虑较佳工艺组合为A2B3C2D3。

3 结论

根据以上结果和分析，得出的较佳反应条件为：酰化反应以乙酸乙酯为溶剂，DMF为催化剂，固体光气为酰化剂，固体光气和2-氯-4-甲砜基苯甲酸的摩尔比为1.2：1，在50℃反应3h，收率98.5％左右，纯度99.5％左右；缩合和重排反应以乙腈为反应溶剂，碳酸钾为碱化试剂，在室温下进行5h的碱化反应和1h的缩合反应，然后在50℃温度下，加入重排试剂丙酮氰醇，反应4h，得到产品，收率86.9％，纯度98.3％；1，3-环己二酮的合成以间苯二酚和氢氧化钾为原料，以自制的改性骨架镍为催化剂，在120℃和1.5MPa的体系里反应得到1，3-环己二酮，收率98.1％，纯度98.2％。

酰化反应中用固体光气替代氯化亚砜，易于生产，不产生有毒的SO2气体，用乙酸乙酯替代1，2-二氯乙烷和乙腈，降低了毒性和对环境的污染，符合绿色化工的要求；1，3-环己二酮的合成反应用氢氧化钾为碱中和成盐试剂，避免使用毒性相对较高的有机碱，使用自制的改性骨架镍催化剂，代替价格高的贵金属钯催化剂和用量大的普通镍催化剂，实现了在温和反应条件下的高转化率和高选择性。该路线具有收率高、产物纯度好、操作简便和对环境友好等优点，从而为工业化生产提供了重要依据。

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