茚蟲威合成工藝的優化策略

郭湘立，高中良(.天津職業大學，天津 30040；.河北工業大學，天津 30040)

0 引言

在對茚蟲威的合成工藝進行研究時，首先應明確茚蟲威及其主要特征，然后再對現有的合成工藝進行科學分析，再以此為依據，選擇合理的工藝路線來進行合成。同時，也應該在此基礎上對其合成工藝的優化措施進行深入研究。通過這樣的方式，才可以確保茚蟲威的合成效果，提升其生產效率與質量。

1 茚蟲威及其特征概述

1.1 茚蟲威

茚蟲威屬于一種帶有惡二嗪結構的殺蟲劑，其分子式是C22H17CIF3N3O7。這種殺蟲劑可以將昆蟲神經細胞中的鈉離子通道阻斷，進而使其神經細胞的功能喪失，在糧食、蔬菜、水果等農作物殺蟲中具有良好的應用效果。茚蟲威研發于美國，1992年開發，2001年登記上市[1]。直到當今，茚蟲威依然作為一種重要的農作物殺蟲劑在廣泛應用。

1.2 茚蟲威的主要特征

因為茚蟲威具有較為獨特的作用機理，所以該殺蟲劑通常不會和其他形式的殺蟲劑之間出現交互抗性，且對于各種齡期的害蟲都十分有效，胃毒以及觸殺作用十分明顯。經實踐研究發現，在茚蟲威進入害蟲體內或者是接觸到害蟲身體后的4 h之內，害蟲便會被麻痹，不再取食，運動也會喪失協調性，進而在植物上掉落下來。通常情況下，在用藥24～60 h之內，攝入或者是接觸到茚蟲威的害蟲便會死亡。同時，茚蟲威對非肥生物具有較高的安全性，在農作物中也不會有過多的殘留，尤其是在多次采收的農作物中更是十分適用。

2 茚蟲威合成工藝路線分析

在茚蟲威產品的合成中，主要通過中間體(+).5-氯-2,3-二氫-2-羥基-1-氧-2茚-羥酸甲酯(這里用A表示)以及氯羥基[4-(三氟甲氧基)苯基]氨基甲酸甲酯(這里用B表示)來合成[2]。就目前來看，其合成工藝路線主要有兩條，第一是先縮合后環合；第二是先環合后縮合。以下是對這兩種合成工藝路線所進行的分析。

2.1 先縮合后環合

在通過該工藝路線進行茚蟲威的合成過程中，首先需要將A中間體與肼-乙酸進行反應，以此來實現席夫堿化合物16的生成；然后再將其與B中間體進行反應，以此來實現縮氨基脲類化合物17的獲得；在存在甲苯磺酸的情況下，使其與多聚甲醛產生回流反應。通過這樣的方式，便可實現茚蟲威的合成。圖1是先縮合后環合形式的茚蟲威合成工藝路線圖。

圖1 先縮合后環合形式的茚蟲威合成工藝路線圖

2.2 先環合后縮合

在通過該工藝路線進行茚蟲威的合成過程中，首先需要將A中間體與肼甲酸酯進行反應，以此來實現化合物18的獲得；然后將其與二甲氧基甲烷進行縮合成環反應，以此來實現化合物19的生成；接下來在存在鈀-碳的條件下加氫將芐氧羥基保護基脫去，實現化合物20的生成；最后再使其與B中間體縮合。通過這樣的方式，便可實現茚蟲威的合成。下圖是先環合后縮合形式的茚蟲威合成工藝路線圖，如圖2所示。

圖2 先環合后縮合形式的茚蟲威合成工藝路線圖

通過這兩種工藝路線的分析發現，在通過先縮合后環合的方式進行茚蟲威合成時，在化合物16的合成過程中，為防止副產物產生，肼-乙酸需要過量添加；而在惡二嗪環形成之前，便需要將昂貴的B中間體加以應用。這樣的情況不僅會導致原材料成本的增加，同時也會加大閉環反應的難度，導致反應不完全，對茚蟲威產品純度造成不良影響。而在通過先環合后縮合的方式進行茚蟲威合成時，因為化合物18在縮合閉環之后便可實現惡二嗪環的形成，然后將保護基脫去，最后才需要應用到昂貴的材料B中間體進行縮合。這個工藝路線更加合理，操作簡便，反應條件十分溫和，每一步都具有較高的回收率，不僅可實現原材料成本的進一步節約，同時也可以有效提升茚蟲威產品的純度。

由此可見，在茚蟲威的合成過程中，先環合后縮合工藝路線更具合理性。而在本次的茚蟲威合成工藝優化研究中，也是對該合成路線下的工藝優化進行分析。

3 茚蟲威合成工藝優化分析

3.1 催化劑用量的優化

為實現催化劑用量的合理優化，本次特對催化劑用量在茚蟲威合成反應中所產生的影響進行試驗分析。具體試驗中，將反應溫度控制在5～10 ℃之間，將2-芐基-7-氯[1,2-e]茚并[1,3,4]惡二嗪-2,4a(3H,5H)-二甲酸甲酯、氯裁基一(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯、氫氧化鈉以及磷酸二氫鈉的物質的量之比控制在1:1:1:0.2，將每一次的加氫反應時間控制在了2 h，然后對HPLC進行取樣分析[3]。具體分析中，需要將氫氧化物的具體含量作為依據，對氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯具體的滴加量來進行確定，在完成滴加15 min之后，再將摩爾數相同的氫氧化鈉溶液滴加到其中，以此來實現催化劑用量的改變。以下是具體的試驗結果，如表1所示。

表1 催化劑用量對茚蟲威合成反應所產生的影響試驗結果

通過試驗分析可知，隨著催化劑用量的不斷增加，反應速度也在持續上升，但是反應液中的產物含量卻在持續下降。之所以會出現這樣的情況，是因為催化劑的大量應用會導致催化活性持續升高，這樣便會使環合物分子內的氯原子從中脫落，進而有更多的副產物形成。經進一步的試驗分析發現，當催化劑用量被控制在0.8%～1.0%之間時，不僅可顯著提升反應速度，同時也可以讓副產物產量得到良好控制，這樣便可實現催化劑用量的最佳優化。

3.2 磷酸二氫鈉用量的優化

為實現磷酸二氫鈉用量的合理優化，本次特對磷酸二氫鈉在茚蟲威合成反應中所產生的影響進行試驗分析。具體試驗中，將反應溫度控制在5～10 ℃之間，將2-芐基-7-氯［1，2-e］茚并［1,3,4］惡二嗪-2,4a(3H,5H)-二甲酸甲酯、氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯以及氫氧化鈉的物質的量之比控制在1:1:1，將催化劑用量控制在8%，將每一次的加氫反應時間控制在2 h，然后對HPLC進行取樣分析[4]。具體分析中，需要將氫氧化物的具體含量作為依據，對氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯具體的滴加量來進行確定，在完成滴加15 min之后，再將摩爾數相同的氫氧化鈉溶液滴加到其中。以下是具體的試驗結果，如表2所示。

表2 磷酸二氫鈉用量對茚蟲威合成反應所產生的影響試驗結果

在具體的反應中，會伴隨著氯化氫的產生，而磷酸二氫鈉所起到的主要是緩沖作用，它可以防止催化劑在酸性過高的條件下失去活性。在沒有磷酸二氫鈉作為緩沖劑的情況下，該反應在進行一段時間之后便會由于催化劑失去活性而停止；隨著磷酸二氫鈉用量的增加，催化劑活性的降低程度也會逐漸減少；但是在增加到一定量的情況下，催化劑活性將會趨于穩定，反應也會趨于穩定。經進一步的試驗分析發現，當磷酸二氫鈉摩爾比小于0.10:1的情況下，繼續加量并不會對反應產生多大影響。由此可見，在摩爾比是0.20:1～0.30:1的情況下，磷酸二氫鈉用量可得到最佳優化。

3.3 氫氧化鈉滴加時間的優化

為實現氫氧化鈉滴加時間的合理優化，本次特對氫氧化鈉滴加時間在茚蟲威合成反應中所產生的影響進行試驗分析。具體試驗中，其反應條件與磷酸二氫鈉用量試驗中的反應條件完全一致。然后對HPLC進行取樣分析，具體分析中，需要將氫氧化物的具體含量作為依據，對氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯具體的滴加量來進行確定，接下來將后續的氫氧化鈉滴加時間加以改變[5]。以下是具體的試驗結果，如表3所示。

表3 氫氧化鈉滴加時間對茚蟲威合成反應所產生的影響試驗結果

在氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯和氫化物中間體發生反應之后，便可實現氯化氫的合成，而氯化氫將會導致催化劑的活性逐漸喪失，所以，如果氫氧化鈉滴加太遲，反應便會終止；而如果滴加太早，便會有大量的副產物生成。由此可見，氫氧化鈉滴加時間需要得到合理控制。經進一步的試驗分析發現，在加入了氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯之后，經過15 min再進行強氧化鈉滴加，便可達到最佳的優化效果。

3.4 反應溫度的優化

為實現反應溫度的合理優化，本次特對反應溫度在茚蟲威合成反應中所產生的影響進行試驗分析。具體試驗中，除反應溫度之外，其他的反應條件與磷酸二氫鈉用量試驗中的反應條件完全一致。在加入了氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯15 min之后進行氫氧化鈉的滴加。在此過程中，將反應溫度加以改變。以下是具體的試驗結果，如表4所示。

表4 反應溫度對茚蟲威合成反應所產生的影響試驗結果

因為氫化物中間體穩定性很差，且在溫度不斷上升的過程中，溶液內的中間物穩定時間也會不斷降低。經進一步的試驗分析發現，在反應溫度是6～10 ℃的情況下，可達到最佳的優化效果。

4 結語

綜上所述，茚蟲威是一種常用且有效的農作物殺蟲劑。因其應用效果十分顯著，所以市場需求量也很大。為實現茚蟲威合成效果的良好優化，在確保茚蟲威合成純度、效率與數量的基礎上實現經濟效益的進一步提升，相關企業應通過先環合后縮合的工藝路線來進行合成。為實現其合成工藝的進一步優化，還需要對其合成中的催化劑用量、磷酸二氫鈉用量、氫氧化鈉滴加時間以及反應溫度等進行合理優化。通過這樣的方式，才可以讓茚蟲威的合成工藝實現良好優化，使其在當今時代中得到更好的生產、應用與發展。