水相反應(yīng)合成精異丙甲草胺

衛(wèi)天琪，林雙政，徐澤剛，李勇智，寧斌科

(西安近代化學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

精異丙甲草胺(S-metolachlor)是一種性能極佳的選擇性除草劑［1］，從20 世紀(jì)70 年代其消旋體商品推向市場(chǎng)以來，一直保持著很好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并且在近幾年市場(chǎng)份額呈現(xiàn)出增長(zhǎng)趨勢(shì)，是目前國際市場(chǎng)份額最大的手性除草劑，年使用量在3 萬t 以上。

精異丙甲草胺一般是通過相應(yīng)的胺和酰氯反應(yīng)形成，胺醚和氯乙酰氯的反應(yīng)一般都需要在較嚴(yán)格的無水溶劑如苯或者甲苯中進(jìn)行，同時(shí)需要過量的三乙胺或者吡啶作為堿以中和反應(yīng)過程中生成的HCl［2-5］。這種方法雖然在工業(yè)化過程中可行，但有明顯的缺陷，反應(yīng)的后處理需要大量水洗，以除去產(chǎn)品中的有機(jī)銨鹽。同時(shí)，后處理的水相中有機(jī)銨鹽需要回收，否則不僅會(huì)造成浪費(fèi)，而且會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的污染。US4317916 報(bào)道了一種無溶劑的合成方法，胺醚在10 倍量以上的氯乙酰氯中回流反應(yīng)，得到精異丙甲草胺產(chǎn)品［6］。但實(shí)際操作中，由于反應(yīng)過程中產(chǎn)生大量酸性氣體，對(duì)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，而且最終獲得的產(chǎn)品顏色很深，外觀差。

胺和酰氯在水相中反應(yīng)是一種合成酰胺的常用方法，即使是位阻較大的一些仲胺［7-8］。最近，Saaby 等報(bào)道了一種水相酰化合成精異丙甲草胺的方法，胺醚和氯乙酰氯在正己烷和水的兩相體系中反應(yīng)，碳酸鉀和氫氧化鈉為堿［9］。需要注意的是，Saaby 等的方法有個(gè)非常關(guān)鍵的步驟:氯乙酰氯溶液和氫氧化鈉溶液必須同時(shí)滴加入反應(yīng)體系中，滴加速度如果不匹配，則反應(yīng)效果不理想。本文采用一種操作很簡(jiǎn)單的水相反應(yīng)方法合成精異丙甲草胺，對(duì)于精異丙甲草胺的工業(yè)化生產(chǎn)具有很好的實(shí)際指導(dǎo)作用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

正己烷、乙酸乙酯、二氯甲烷、叔丁基甲基醚、苯、甲苯、碳酸鈉、碳酸氫鈉、碳酸鉀、氫氧化鈉和氫氧化鈣等均為分析純;氯乙酰氯(純度99%)，工業(yè)品;胺醚，自制［3］，純度99%。

LC-10A 高效液相色譜儀。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

將一定摩爾比值的胺醚和無機(jī)堿加入到裝有適當(dāng)比例的有機(jī)溶劑和水的反應(yīng)器中，高速攪拌，勻速滴加氯乙酰氯，溫度25 ℃左右，滴完后繼續(xù)攪拌0.5 h，靜置分液，有機(jī)相濃縮后，即得到精異丙甲草胺產(chǎn)品。反應(yīng)轉(zhuǎn)化率用高效液相色譜進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 溶劑類型對(duì)反應(yīng)的影響

在小試中，我們考察了純水體系中胺醚與氯乙酰氯的反應(yīng)，但實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，胺醚很難完全轉(zhuǎn)化，即使用了3 倍量以上的氯乙酰氯，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率也不超過85%，可能是由于胺醚粘度較大，在水相分散性差，導(dǎo)致反應(yīng)效果不理想。因此，我們?cè)诜磻?yīng)體系中添加不同有機(jī)溶劑，希望利于反應(yīng)物的分散，以促進(jìn)反應(yīng)。反應(yīng)條件:5 mmol 胺醚，7. 5 mmol 氯乙酰氯，25 mmol碳酸鉀，10 mL 水，10 mL 有機(jī)溶劑，25 ℃，酰氯滴加時(shí)間0.5 h，滴加完后繼續(xù)反應(yīng)0.5 h，測(cè)轉(zhuǎn)化率，結(jié)果見表1。

表1 溶劑類型對(duì)于精異丙甲草胺合成反應(yīng)的影響Table 1 Solvent effect on the synthesis of S-metolacholor

由表1 可知，添加有機(jī)溶劑后的水相酰化反應(yīng)效果均優(yōu)于純水體系。考慮反應(yīng)后處理的方便性，我們選用的有機(jī)溶劑均是不與水混溶的。極性較大的乙酸乙酯中，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率僅有90%。極性小的溶劑對(duì)于胺醚的酰化表現(xiàn)出更好的促進(jìn)作用，非極性的飽和烴和芳香烴中的反應(yīng)均有很好的轉(zhuǎn)化率，正己烷和環(huán)己烷中的反應(yīng)分別達(dá)到95%和97%的轉(zhuǎn)化率，而苯和甲苯中的反應(yīng)則可以達(dá)到99%以上的轉(zhuǎn)化率。醚類溶劑也有不錯(cuò)的表現(xiàn)，在甲基叔丁基醚中，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率達(dá)到97%。我們也嘗試了密度大于水的溶劑如二氯甲烷和二氯乙烷，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果稍劣于輕溶劑。由于苯的毒性較大，我們選擇了甲苯-水作為后續(xù)優(yōu)化過程中的溶劑。同時(shí)，作為對(duì)比，我們也嘗試了無水體系，在純甲苯中，酰化反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率僅有72%。因此，在胺醚的氯乙酰氯過程中，甲苯和水均有重要的作用，甲苯可以促進(jìn)兩種有機(jī)反應(yīng)物的分散，加快反應(yīng);而水的作用則是將反應(yīng)中生成的HCl 萃取出有機(jī)相，并作為HCl 與無機(jī)堿的反應(yīng)介質(zhì)，也有利于加快反應(yīng)。

2.2 無機(jī)堿類型對(duì)反應(yīng)的影響

以甲苯-水作為精異丙甲草胺合成反應(yīng)的溶劑體系，反應(yīng)條件:5 mmol 胺醚，7.5 mmol 氯乙酰氯，25 mmol 無機(jī)堿，10 mL 水，10 mL 甲苯，25 ℃，酰氯滴加時(shí)間0.5 h，滴加完后繼續(xù)反應(yīng)0.5 h，測(cè)轉(zhuǎn)化率。不同無機(jī)堿對(duì)于反應(yīng)的影響見表2。

表2 無機(jī)堿類型對(duì)于精異丙甲草胺合成反應(yīng)的影響Table 2 Base effect on the synthesis of S-metolacholor

由表2 可知，弱堿性的碳酸鹽和碳酸氫鹽的效果優(yōu)于強(qiáng)堿性的NaOH、KOH 和Ca(OH)2，這可能是因?yàn)閺?qiáng)堿性的氫氧化物加快了氯乙酰氯的水解過程，與胺醚的酰化反應(yīng)形成競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)化率下降。由于碳酸鈉廉價(jià)易得，并且在反應(yīng)中效果很好，因此，以其作為反應(yīng)的優(yōu)選無機(jī)堿。

2.3 試劑用量對(duì)反應(yīng)的影響

反應(yīng)條件:5 mmol 胺醚，25 ℃，酰氯滴加時(shí)間0.5 h，滴加完后繼續(xù)反應(yīng)0.5 h，測(cè)轉(zhuǎn)化率。考察酰氯、碳酸鈉以及溶劑用量等對(duì)于反應(yīng)的影響，以期減少原材料的消耗，降低成本，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 試劑用量對(duì)于精異丙甲草胺合成反應(yīng)的影響Table 3 Reagent ratios effect on the synthesis of S-metolacholor

氯乙酰氯用量不少于1.1 mol 時(shí)，反應(yīng)轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到99%以上，氯乙酰氯用量進(jìn)一步降低時(shí)，則反應(yīng)轉(zhuǎn)化不能完全。反應(yīng)中堿的用量也可以減少，碳酸鈉的用量可以降低至0.8 mol，進(jìn)一步降低時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)不完全。反應(yīng)可以在濃度比較大的條件下進(jìn)行，5 mmol 的胺醚反應(yīng)物僅需要1 mL甲苯和2 mL 水作為反應(yīng)溶劑，轉(zhuǎn)化率仍然在99%以上，產(chǎn)品收率達(dá)96.5%，并且產(chǎn)品外觀色澤是清亮的淡黃色，含量達(dá)到98%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。進(jìn)一步降低溶劑水的用量，產(chǎn)品的收率、含量幾乎不變，但色度明顯變深;進(jìn)一步降低有機(jī)溶劑用量，則反應(yīng)轉(zhuǎn)化不完全。

溫度25 ℃左右比較合適。溫度低時(shí)，反應(yīng)進(jìn)行慢，時(shí)間變長(zhǎng);溫度高時(shí)，酰氯水解速度較快，需要消耗較多的氯乙酰氯，同時(shí)，產(chǎn)品的純度也會(huì)下降。

2.4 精異丙甲草胺合成放大實(shí)驗(yàn)

在10 L 反應(yīng)器中，加入1 L 甲苯和2 L 水，放入424 g 的碳酸鈉和1.04 kg 自制胺醚，體系溫度保持25 ℃左右，緩慢滴加615 g 氯乙酰氯，約1.5 h 滴完，繼續(xù)攪拌反應(yīng)0.5 h，靜置20 min 分層后，棄去水層。有機(jī)層用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀蒸去甲苯，得到淡黃色的油狀產(chǎn)品，經(jīng)砂芯漏斗過濾，除去少量無機(jī)鹽，即得到1 397 g 精異丙甲草胺原藥產(chǎn)品，收率98.5%，純度用液相色譜外標(biāo)法標(biāo)定后達(dá)到98.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。放大實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)效果甚至優(yōu)于小實(shí)驗(yàn)結(jié)果，證明所建立的精異丙甲草胺水相合成法是實(shí)際可行的。

3 結(jié)論

通過對(duì)于溶劑類型、堿類型以及反應(yīng)物料比等反應(yīng)條件進(jìn)行考察，建立了一種簡(jiǎn)單易行的水相精異丙甲草胺合成方法，在千克量級(jí)的實(shí)驗(yàn)中，精異丙甲草胺產(chǎn)品收率達(dá)到98.5%，純度達(dá)到98.2%，是一種適用于工業(yè)化生產(chǎn)的綠色合成方法。與傳統(tǒng)的有機(jī)溶劑合成方法［2-5］相比，避免了有機(jī)堿的使用，后處理步驟少，生產(chǎn)污染小，成本低;與其他的水相合成方法［6］相比，本方法操作更簡(jiǎn)單，所需物料種類少，溶劑用量少，成本低。

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