一种草铵膦新型中间体的合成和表征

吴忆雯，马 银，冯薇伟，舒 畅，奚 强，户业丽，程 波

武汉工程大学化学与环境工程学院，湖北 武汉 430205

现全球大规模商品化种植转基因作物，而转基因作物种植面积约90%为种植含有抗草甘膦性状的作物，草甘膦的大量重复使用导致抗性杂草的发展。全球第二大除草剂百草枯，由于没有解毒药，导致大量非生产性中毒死亡，因而将退出市场。所以位于草甘膦、百草枯之后的除草剂草铵膦获得了巨大发展空间［1］。

草铵膦是一种谷氨酸的类似物，其本身没有除草活性，但可在植物体内代谢为具有除草活性的草铵膦。研究发现植物吸收双丙铵膦以后在体内代谢为L-型的草铵膦，L-型的草铵膦作用于谷氨酰胺合成酶，阻止了氨的同化，干扰氮的正常代谢，导致氨的积累，光合作用停止，叶绿体结构破坏，使杂草死亡，目前市售的草铵膦为草铵膦铵盐的外消旋体［2-4］。

关于草铵膦合成方法的研究的文章有很多，概括起来有阿尔布佐夫合成法、高压催化合成法、低温定向合成法、盖布瑞尔丙二酸合成法、strecker法、手性合成法等［5］。

本文首次以乙酰氨基丙二酸二乙酯（后简称二乙酯）为起始原料，经部分水解［6］得乙酰氨基丙二酸单乙酯（后简称单乙酯），再与自制2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛［7］（后简称膦醛）发生先加成后消除反应，制得中间体2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸，该中间体可进一步通过氢化制得外消旋草铵膦或L-草铵膦［8］。路线如图1所示。

图12-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的合成路线图Fig.1 Synthetic route of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

乙酰氨基丙二酸二乙酯（化学纯），百灵威科技有限公司生产；2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛（自制）；二氧六环、吡啶、乙酸酐、氢氧化钠（化学纯）均为国药集团化学试剂有限公司生产。

PB203-N电子天平：Mettler Toledo Group生产；RE-52C旋转蒸发仪：巩义市予华仪器有限责任公司生产；SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵：巩义市予华仪器有限公司生产；DF-101S恒温加热磁力搅拌器：巩义市予华仪器有限责任公司生产；核磁采用Agilent 400MR型核磁共振波谱仪。

1.2 实验方法

1.2.1 乙酰氨基丙二酸单乙酯的合成 在1 L反应瓶中，量入300 mL溶剂1，4-二氧六环，搅拌下称入50 g（230 mmol）乙酰氨基丙二酸二乙酯，边搅拌边滴加1 mol/L氢氧化钠水溶液235 mL，控制滴加速度使内温不超过30℃，滴加时间1.5 h～2 h，完毕后室温25℃～30℃继续搅拌反应16 h。减压蒸出溶剂，所得的水溶液，用乙酸乙酯洗涤3次，每次100 mL。水相冷冻至0℃，用浓盐酸调节pH为1，保温结晶过夜。过滤，固体真空干燥，得白色固体37.1 g，熔点130 ℃～134 ℃，与文献一致［9-10］，收率85.3%。

1.2.2 2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的合成 在1 L反应瓶中，在氩气保护下，量入160 mL无水吡啶（10 eqv.），冷冻至-15℃，搅拌下称入30.0 g（200 mmol）2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛和41.6 g（220 mmol）乙酰氨基丙二酸单乙酯。边搅拌边滴加60 mL乙酸酐（1.6 mol/L），控制滴加速度使内温不超过10℃，滴加完毕后自然升温至室温，继续搅拌15 h。将反应液倒入1 L冰水中，用乙醚充分萃取3次，每次300 mL，合并有机相，旋干乙醚，加入5 mol/L盐酸100 mL，升温至50℃搅拌1 h，减压旋干反应液。得粘稠物加入300 mL冰醋酸溶清，滴加甲苯析出晶体。过滤，真空干燥得白色固体32.7 g，熔点190 ℃～192℃，与文献［11］一致，收率74%。

1.2.3 2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的检测 处理送检样品（无灰尘等杂质），以d6-DMSO为溶剂，送至检测。

2 结果与讨论

2.1 氢氧化钠用量（摩尔比）对乙酰氨基丙二酸单乙酯收率的影响

在室温条件下，搅拌反应16 h，讨论了氢氧化钠的用量对乙酰氨基丙二酸单乙酯收率的影响，结果如图2（a）所示。

由图2（a）可知，当NaOH和原料二乙酯摩尔比不断升高，产物单乙酯的收率呈先增加后减少的趋势。当n（NaOH）与n（二乙醇）摩尔比为1.02时，收率最高，达85.3%；进一步增加NaOH的用量，可能导致原料的过度水解，从而使产品的收率降低。综合考虑，控制NaOH用量在n（NaOH）与n（二乙醇）摩尔比1.02～1.03为最佳的水解用量。

2.2 水解温度和时间对乙酰氨基丙二酸单乙酯收率的影响

固定NaOH和原料摩尔比为1.02∶1，研究了反应温度和时间对单乙酯收率的影响，结果如图2（b）所示。由图2（b）可知，收率随着温度的升高呈现先上升后下降的趋势，在低温时，反应速度慢，副产物多，导致收率偏低，温度过高水解速度快，选择性较差，综合考虑，确认适宜的反应温度为20℃～30℃，在条件一定时，随着反应时间的延长，单乙酯的收率不断增加，最终达到最大值，在反应16 h后，收率72.6%，继续延长时间，收效不大，最终确定水解时间为16 h最佳。

图2（a）氢氧化钠与乙酰氨基丙二酸二乙酯的摩尔比；（b）水解温度和时间对乙酰氨基丙二酸单乙酯收率的影响Fig.2 Effect of（a）mole ratio of sodium hydroxide to diethyl acetamidomalonate（b）hydrolysis temperature and time on the yield of ethyl acetamidomalonate

2.3 乙酰氨基丙二酸单乙酯和2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩尔比对产物收率的影响

在n（膦醛）∶n（吡啶）∶n（乙酸酐）摩尔比为1∶10∶3.2的条件下，考察了单乙酯和膦醛的摩尔比对产物收率的影响，结果如图3（a）所示。

由图3（a）可知，随着投料摩尔比值的增加，收率不断增加，在超过1.1后，趋于平缓，可以确定较佳的摩尔比为1.1，此时收率74%。

2.4 吡啶和2［-乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩尔比对产物收率的影响

在n（单乙酯）∶n（膦醛）∶n（乙酸酐）摩尔比为1.1∶1∶3.2的条件下，研究了吡啶的用量对产物收率的影响，结果如图3（b）所示。

由图3（b）可知，吡啶提供所需的反应碱性环境［12］，随着吡啶用量的增大，收率有很大的提高，超过摩尔比值10后，吡啶已大大过量，收率变化不大，综合考虑，确定吡啶的用量为摩尔比值10为最佳。

2.5 乙酸酐和2［-乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩尔比对产物收率的影响

在n（单乙酯），n（膦醛）和n（吡啶）的摩尔比为1.1∶1∶10条件下，考察了脱水剂乙酸酐的用量对产物收率的影响，结果如图3（c）所示。

由图3（c）可知，随着脱水剂用量不断增加，产物收率也呈现不断增加，最终趋于稳定的趋势。脱水剂的加入会促进中间态脱水生成烯键，从而不断地生成产物，量少时反应慢，副产物多，收率偏低。确认乙酸酐的摩尔比值3～4为最佳反应条件。

2.6 反应温度对产物收率的影响

在n（单乙酯），n（膦醛），n（吡啶）和n（乙酸酐）的摩尔比=1.1∶1∶10∶3.2条件下，考查了反应温度对产物收率的影响，结果如图3（d）所示。

由图3（d）可知，随着温度的提高，产物收率出现先增高后降低的趋势，温度偏低，反应速率小，温度偏高，醛自身缩合副反应增多，综合考虑，确认温度20℃～30℃为较佳的反应条件。

2.7 产物结构表征

2.7.1 产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的1HNMR 对产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸经1H-NMR进行了测定，其1H-NMR图谱见图4（a），溶剂采用d6-DMSO，分析如表1所示，各吸收峰的积分面积比值与2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子结构中相应位置上H的数目吻合，证明所得物质为2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

图3 （a）乙酰氨基丙二酸单乙酯，（b）吡啶，（c）乙酸酐与2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛的投料比及（d）反应温度对收率的影响Fig.3 Effect of mole ratio of（a）acetaminomethylester，（b）Pyridineand and（c）acetic anhydride to 2-［ethoxy（methyl）phosphono］acetaldehyde and（d）reaction time on yield of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid

表12-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的核磁氢谱特征参数Tab.1 Characteristic parameters of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid in1HNMR

2.7.2 产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的的13CNMR 2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的13C-NMR图见图4（b），且有13CNMR（400 MHz，d6-DMSO）δ15.11，22.96，32.27，40.1，126.00，131.05，165.77，168.95.各吸收峰的位置与2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子结构中的相应位置吻合，证明所得物质为2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

2.7.3 产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的31PNMR 2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的31P-NMR图见图 4（c），且有31P-NMR（400 MHz，d6-DMSO）δ 43.34.吸收峰的位置与2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子结构中的相应位置吻合，证明所得物质为2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

根据1H-NMR，13C-NMR，31P-NMR确认制得的产物即为2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

图4 2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的（a）核磁氢谱，（b）核磁碳谱，（c）核磁磷谱Fig.4（a）1H-NMR，（b）13C-NMR and（c）31P-NMR of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid

3 结语

本文首次报道了一种合成草铵膦中间体2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的方法：以乙酰氨基丙二酸二乙酯为原料，部分水解可得到中间物乙酰氨基丙二酸单乙酯。中间物单乙酯和2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛在弱碱性条件下缩合，最终得到草铵膦中间体2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。根据投料比、温度、时间等条件对反应的影响可得，第一步水解反应中，当氢氧化钠和二乙酯摩尔比为1.02∶1，温度25℃～30℃，反应16 h为最佳，单乙酯收率85.3%；第二步缩合反应中，投料摩尔比n（单乙酯）∶n（膦醛）∶n（吡啶）∶n（乙酸酐）=1.1∶1∶10∶（3～4）为最佳，最终产物收率可达74%。该路线条件温和，得到的最终产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸，可进一步氢化制得外消旋草铵膦或L-草铵膦。

［1］ 庄建元，胡笑形.草铵膦国外工业化路线的探讨和启迪［J］.农药，2014，53（10）：703-711.

［2］ 周岳明.草铵膦合成进展［J］.科教导刊，2015（11）：152-185.

［3］ 刘长令，韩亮，李正名.以天然产物为先导化合物开发的农药品种（3）-除草剂［J］.农药，2004，43（1）：1-4.

［4］ 苏少泉.生物除草剂的研究与开发［J］.农药，2004，3（43）：97-100.

［5］ 宋宏涛，楚士晋.草铵膦制备合成方法简述［J］.现代农药，2006，5（3）：1-3.

［6］ CHEN H J，mcdaniel K F，GREEN B E，et al.Macrocyclic hepatitis C serine protease inhibitors：US，8 748 3742［P］.2014-06-10.

［7］ RAZUMOV A I，LIORBER B G，PAVLOV V A，et al.Reactivity and structure of phosphorylated carbonyl compounds.XIII.Methylalkoxyphosphinylacetaldehydes［J］.Zhurnal Obshchei Khimii，1977（47）：243-246.

［8］ YANG H L，WANG E F，YANG P，et al.Pyridinedirected asymmetric hydrogenation of 1，1-diarylalkenes［J］.Organic Letters，2017，19（19）：5062-5065.

［9］ ALBERTSONB N F，TULLARJ F，KING A，et al.The preparation and some reactions of ethyl α-acetamidoacetoacetate［J］.Albertso，1948（70）：1150-1153.

［10］ HEINRICH H，KARL T，FRANZ L.α-Acylaminoacrylesteraus acylaminomalonestern［J］.Chemische Berichte，1958，91（11）：2427-2430.

［11］ ZEISS H J.Enantioselective synthesis of both enantiomers of phosphinothricinvia asymmetric hydrogenation of α-acylamido acrylates［J］. The Journal of Organic Chemistry， 1991，56（5） ：1783-1788.

［12］ MICHEL G， MYRON M D W.2-（Acetylamino）propanedioic acid ［J］. e-EROS encyclopedia of reagents for organic synthesis，2013（9）：17-26.