背景及概述

溴氰菊酯屬于擬除蟲菊酯類化合物，在該類化合物中其殺蟲能力強，具有觸殺迅速、殺蟲徹底以及殺蟲范圍廣等特點，因此其使用量較大，應(yīng)用對象廣泛，包括各種水果蔬菜、煙草茶葉等的害蟲防治。但是溴氰菊酯對很多水生生物及有益昆蟲高毒，另外，溴氰菊酯通過自然沉降、降雨沖洗、廢水排放等方式進入自然環(huán)境中，再進入人體會危害健康。溴氰菊酯在人體內(nèi)累積會干擾人的內(nèi)分泌系統(tǒng)，引發(fā)突變和癌癥。

制備

天然豐度溴氰菊酯最初在1974 年報道，其合成方法為二溴菊酸與氰醇的酯化反應(yīng)。后期為了提高合成產(chǎn)率，加快反應(yīng)速率，簡化合成工藝，發(fā)展出相轉(zhuǎn)移催化酯化的方法，即以酰氯與醛類為原料一步法得到擬除蟲菊酯。目前該方法在擬除蟲菊酯生產(chǎn)工業(yè)中應(yīng)用廣泛，該方法最早于一些日本專利中被報道，所選用的催化劑有三乙胺、四乙基溴化銨等。本文結(jié)合溴氰菊酯主要工業(yè)合成方法，設(shè)計溴氰菊酯的合成路線。即從苯酚出發(fā)，通過脫水反應(yīng)得到苯酚鈉，苯酚鈉再與間溴苯甲醛催化縮合得到中間體間苯氧基苯甲醛，最后中間體與溴氰菊酰氯通過相轉(zhuǎn)移催化酯化反應(yīng)得到溴氰菊酯[1]。合成路線如下圖所示。

圖1 溴氰菊酯合成路線圖

苯酚鈉的合成

將 4. 00 g(39. 9 mmol)化合物 1、1. 64 g(39. 9mmol)氫氧化鈉、150 mL 甲苯投入 500 mL 單口圓底燒瓶中，油浴 110 ℃分水器脫水 1 h，反應(yīng)完成后抽濾，得 4. 77 g 白色固體粉末，約為 39. 3mmol，粗產(chǎn)率 98. 6%。

間苯氧基苯甲醛的合成

將 4. 77 g(約 39. 3 mmol) 化合物 2、3. 89 g(39. 3 mmol)氯化亞銅投入 250 mL 圓底燒瓶中，再向反應(yīng)體系中加入 7. 27 g(39. 3 mmol)間溴苯甲醛、12 mL 吡啶，80 ℃ 回流 1 h;反應(yīng)結(jié)束乙醚萃取，過濾，水洗，分液，有機相干燥后待用;柱層析分離提純，得間苯氧基苯甲醛。

標(biāo)題化合物的合成

將 0. 23 g(1. 0 mmol，6 mol%)芐基三乙基氯化銨、1. 08 g(22. 0 mmol)氰化鈉、3. 42 g 水混合投入100 mL 單口瓶中攪拌溶解，加入20 mL 正己烷和 3. 43 g(16. 9 mmol)化合物 3，再用精細(xì)恒壓滴液漏斗滴加 5. 35 g(16. 9 mmol，等物質(zhì)的量)由 20 mL 正己烷稀釋后的溴氰菊酰氯，然后恒溫加熱磁力攪拌器控制反應(yīng)溫度 25 ℃下保溫反應(yīng)至少 12 h;TLC 監(jiān)測反應(yīng)結(jié)束后，有機相水洗、干燥、過濾、除溶，得到 8. 26 g 標(biāo)題化合物粗產(chǎn)品。經(jīng)柱層析分離提純后，得到5. 11 g(10. 0 mmol)標(biāo)題化合物純品。

結(jié)果與討論

溴氰菊酯的合成

投料溫度對相轉(zhuǎn)移催化酯化反應(yīng)的影響

從溴氰菊酰氯和間苯氧基苯甲醛出發(fā)，共進行 6 組投料溫度實驗，投料比為 n(間苯氧基苯甲醛) ∶n(溴氰菊酰氯) ∶n(氰化鈉)=1∶1∶1. 3，反應(yīng)溫度 25 ℃，反應(yīng)時間 12 h，相轉(zhuǎn)移催化劑芐基三乙基氯化銨，相轉(zhuǎn)移催化劑用量6 mol%，氰化鈉水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù) 9. 64%，以投入的間苯氧基苯甲醛的物質(zhì)的量及溴氰菊酯粗產(chǎn)品質(zhì)量計算粗產(chǎn)率。投料溫度從 5 ℃到 25 ℃，溴氰菊酯粗產(chǎn)率隨溫度上升而上升;溫度高于 25 ℃后粗產(chǎn)率變化不明顯。溴氰菊酰氯的投料溫度過低不利于氰醇與酰氯的酯化反應(yīng)的進行，而該酯化反應(yīng)與酰氯跟水的反應(yīng)存在競爭反應(yīng)，當(dāng)溫度較低時，大部分酰氯直接與水反應(yīng)生成菊酸，只有少部分酰氯發(fā)生酯化反應(yīng)，導(dǎo)致溴氰菊酯產(chǎn)率下降。因此，投料溫度宜設(shè)為 25 ℃(室溫)左右，無需額外控溫較利于氯氰菊酯的合成。

反應(yīng)溫度對相轉(zhuǎn)移催化酯化反應(yīng)的影響

固定投料比為 n(間苯氧基苯甲醛) ∶n(溴氰菊酰氯) ∶n(氰化鈉)= 1 ∶1 ∶1. 3，投料溫度 25 ℃，反應(yīng)時間 12 h，相轉(zhuǎn)移催化劑用量 6 mol%，氰化鈉水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù) 9. 64%，以投入的間苯氧基苯甲醛的物質(zhì)的量及溴氰菊酯粗產(chǎn)品質(zhì)量計算粗產(chǎn)率，共進行 5 組反應(yīng)溫度實驗，反應(yīng)溫度從 10 ℃升至 25 ℃時，溴氰菊酯粗產(chǎn)率逐漸增大，溫度高于 25 ℃后產(chǎn)率變化不再明顯。該相轉(zhuǎn)移催化酯化反應(yīng)在特定時間內(nèi)的反應(yīng)溫度不宜過低，而溫度超過 30 ℃后一方面增加了能耗，產(chǎn)率提升并不明顯;另一方面溫度過高會使反應(yīng)體系中的雜質(zhì)含量增加。綜上所述，反應(yīng)溫度定為室溫 25 ℃較為合適。

反應(yīng)時間對相轉(zhuǎn)移催化酯化反應(yīng)的影響

投料比為 n(間苯氧基苯甲醛) ∶n(溴氰菊酰氯) ∶n(氰化鈉)= 1∶1∶1. 3，投料溫度 25 ℃，反應(yīng)溫度 25 ℃，相轉(zhuǎn)移催化劑芐基三乙基氯化銨，相轉(zhuǎn)移催化劑用量 6 mol%，氰化鈉水溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù) 9. 64%，反應(yīng)時間考察范圍為 10～15 h，反應(yīng)過程中每隔 1 h進行一次 TLC 監(jiān)測查看反應(yīng)情況。TLC 監(jiān)測，反應(yīng)進行至 12 h 左右，原料點消失，反應(yīng)基本結(jié)束。因此反應(yīng)時間應(yīng)定為不少于12 h 較為合適。

相轉(zhuǎn)移催化劑種類對相轉(zhuǎn)移催化酯化反應(yīng)的影響

共進行 5 組相轉(zhuǎn)移催化劑種類實驗，5 種相轉(zhuǎn)移催化劑催化效果均不錯，其中芐基三乙基氯化銨效果相對較好，因此采用芐基三乙基氯化銨作為該反應(yīng)的相轉(zhuǎn)移催化劑。

結(jié)論

由苯酚出發(fā)，與氫氧化鈉反應(yīng)成鹽后再與間溴苯甲醛按優(yōu)化后的反應(yīng)條件縮合得到間苯氧基苯甲醛，最后與溴氰菊酰氯通過氰化鈉水溶液構(gòu)成無機相的相轉(zhuǎn)移催化酯化反應(yīng)成功得到溴氰菊酯。對相轉(zhuǎn)移催化酯化合成反應(yīng)進行了優(yōu)化，得到了較好的工藝條件:當(dāng)投料溫度為 25 ℃、反應(yīng)溫度為 25 ℃、反應(yīng)時間不少于12 h、相轉(zhuǎn)移催化劑為芐基三乙基氯化銨、催化劑用量 6 mol%，溴氰菊酯-d 5 的產(chǎn)率。

參考文獻(xiàn)

[1] PÉＲEZ J J，WILLIAMS M K，WEEＲASEKEＲA G，et al．Measurement of pyrethroid，organophosphorus，and carbamate insecticides in human plasma using isotope dilution gas chromatography-high resolution mass spectrometry［J］． J． Chromatogr．B，2010，878(27):2554-2562