茚虫威合成工艺的优化策略

郭湘立，高中良(.天津职业大学，天津 30040；.河北工业大学，天津 30040)

0 引言

在对茚虫威的合成工艺进行研究时，首先应明确茚虫威及其主要特征，然后再对现有的合成工艺进行科学分析，再以此为依据，选择合理的工艺路线来进行合成。同时，也应该在此基础上对其合成工艺的优化措施进行深入研究。通过这样的方式，才可以确保茚虫威的合成效果，提升其生产效率与质量。

1 茚虫威及其特征概述

1.1 茚虫威

茚虫威属于一种带有恶二嗪结构的杀虫剂，其分子式是C22H17CIF3N3O7。这种杀虫剂可以将昆虫神经细胞中的钠离子通道阻断，进而使其神经细胞的功能丧失，在粮食、蔬菜、水果等农作物杀虫中具有良好的应用效果。茚虫威研发于美国，1992年开发，2001年登记上市[1]。直到当今，茚虫威依然作为一种重要的农作物杀虫剂在广泛应用。

1.2 茚虫威的主要特征

因为茚虫威具有较为独特的作用机理，所以该杀虫剂通常不会和其他形式的杀虫剂之间出现交互抗性，且对于各种龄期的害虫都十分有效，胃毒以及触杀作用十分明显。经实践研究发现，在茚虫威进入害虫体内或者是接触到害虫身体后的4 h之内，害虫便会被麻痹，不再取食，运动也会丧失协调性，进而在植物上掉落下来。通常情况下，在用药24～60 h之内，摄入或者是接触到茚虫威的害虫便会死亡。同时，茚虫威对非肥生物具有较高的安全性，在农作物中也不会有过多的残留，尤其是在多次采收的农作物中更是十分适用。

2 茚虫威合成工艺路线分析

在茚虫威产品的合成中，主要通过中间体(+).5-氯-2,3-二氢-2-羟基-1-氧-2茚-羟酸甲酯(这里用A表示)以及氯羟基[4-(三氟甲氧基)苯基]氨基甲酸甲酯(这里用B表示)来合成[2]。就目前来看，其合成工艺路线主要有两条，第一是先缩合后环合；第二是先环合后缩合。以下是对这两种合成工艺路线所进行的分析。

2.1 先缩合后环合

在通过该工艺路线进行茚虫威的合成过程中，首先需要将A中间体与肼-乙酸进行反应，以此来实现席夫碱化合物16的生成；然后再将其与B中间体进行反应，以此来实现缩氨基脲类化合物17的获得；在存在甲苯磺酸的情况下，使其与多聚甲醛产生回流反应。通过这样的方式，便可实现茚虫威的合成。图1是先缩合后环合形式的茚虫威合成工艺路线图。

图1 先缩合后环合形式的茚虫威合成工艺路线图

2.2 先环合后缩合

在通过该工艺路线进行茚虫威的合成过程中，首先需要将A中间体与肼甲酸酯进行反应，以此来实现化合物18的获得；然后将其与二甲氧基甲烷进行缩合成环反应，以此来实现化合物19的生成；接下来在存在钯-碳的条件下加氢将苄氧羟基保护基脱去，实现化合物20的生成；最后再使其与B中间体缩合。通过这样的方式，便可实现茚虫威的合成。下图是先环合后缩合形式的茚虫威合成工艺路线图，如图2所示。

图2 先环合后缩合形式的茚虫威合成工艺路线图

通过这两种工艺路线的分析发现，在通过先缩合后环合的方式进行茚虫威合成时，在化合物16的合成过程中，为防止副产物产生，肼-乙酸需要过量添加；而在恶二嗪环形成之前，便需要将昂贵的B中间体加以应用。这样的情况不仅会导致原材料成本的增加，同时也会加大闭环反应的难度，导致反应不完全，对茚虫威产品纯度造成不良影响。而在通过先环合后缩合的方式进行茚虫威合成时，因为化合物18在缩合闭环之后便可实现恶二嗪环的形成，然后将保护基脱去，最后才需要应用到昂贵的材料B中间体进行缩合。这个工艺路线更加合理，操作简便，反应条件十分温和，每一步都具有较高的回收率，不仅可实现原材料成本的进一步节约，同时也可以有效提升茚虫威产品的纯度。

由此可见，在茚虫威的合成过程中，先环合后缩合工艺路线更具合理性。而在本次的茚虫威合成工艺优化研究中，也是对该合成路线下的工艺优化进行分析。

3 茚虫威合成工艺优化分析

3.1 催化剂用量的优化

为实现催化剂用量的合理优化，本次特对催化剂用量在茚虫威合成反应中所产生的影响进行试验分析。具体试验中，将反应温度控制在5～10 ℃之间，将2-芐基-7-氯[1,2-e]茚并[1,3,4]恶二嗪-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、氢氧化钠以及磷酸二氢钠的物质的量之比控制在1:1:1:0.2，将每一次的加氢反应时间控制在了2 h，然后对HPLC进行取样分析[3]。具体分析中，需要将氢氧化物的具体含量作为依据，对氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯具体的滴加量来进行确定，在完成滴加15 min之后，再将摩尔数相同的氢氧化钠溶液滴加到其中，以此来实现催化剂用量的改变。以下是具体的试验结果，如表1所示。

表1 催化剂用量对茚虫威合成反应所产生的影响试验结果

通过试验分析可知，随着催化剂用量的不断增加，反应速度也在持续上升，但是反应液中的产物含量却在持续下降。之所以会出现这样的情况，是因为催化剂的大量应用会导致催化活性持续升高，这样便会使环合物分子内的氯原子从中脱落，进而有更多的副产物形成。经进一步的试验分析发现，当催化剂用量被控制在0.8%～1.0%之间时，不仅可显著提升反应速度，同时也可以让副产物产量得到良好控制，这样便可实现催化剂用量的最佳优化。

3.2 磷酸二氢钠用量的优化

为实现磷酸二氢钠用量的合理优化，本次特对磷酸二氢钠在茚虫威合成反应中所产生的影响进行试验分析。具体试验中，将反应温度控制在5～10 ℃之间，将2-苄基-7-氯［1，2-e］茚并［1,3,4］恶二嗪-2,4a(3H,5H)-二甲酸甲酯、氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯以及氢氧化钠的物质的量之比控制在1:1:1，将催化剂用量控制在8%，将每一次的加氢反应时间控制在2 h，然后对HPLC进行取样分析[4]。具体分析中，需要将氢氧化物的具体含量作为依据，对氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯具体的滴加量来进行确定，在完成滴加15 min之后，再将摩尔数相同的氢氧化钠溶液滴加到其中。以下是具体的试验结果，如表2所示。

表2 磷酸二氢钠用量对茚虫威合成反应所产生的影响试验结果

在具体的反应中，会伴随着氯化氢的产生，而磷酸二氢钠所起到的主要是缓冲作用，它可以防止催化剂在酸性过高的条件下失去活性。在没有磷酸二氢钠作为缓冲剂的情况下，该反应在进行一段时间之后便会由于催化剂失去活性而停止；随着磷酸二氢钠用量的增加，催化剂活性的降低程度也会逐渐减少；但是在增加到一定量的情况下，催化剂活性将会趋于稳定，反应也会趋于稳定。经进一步的试验分析发现，当磷酸二氢钠摩尔比小于0.10:1的情况下，继续加量并不会对反应产生多大影响。由此可见，在摩尔比是0.20:1～0.30:1的情况下，磷酸二氢钠用量可得到最佳优化。

3.3 氢氧化钠滴加时间的优化

为实现氢氧化钠滴加时间的合理优化，本次特对氢氧化钠滴加时间在茚虫威合成反应中所产生的影响进行试验分析。具体试验中，其反应条件与磷酸二氢钠用量试验中的反应条件完全一致。然后对HPLC进行取样分析，具体分析中，需要将氢氧化物的具体含量作为依据，对氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯具体的滴加量来进行确定，接下来将后续的氢氧化钠滴加时间加以改变[5]。以下是具体的试验结果，如表3所示。

表3 氢氧化钠滴加时间对茚虫威合成反应所产生的影响试验结果

在氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯和氢化物中间体发生反应之后，便可实现氯化氢的合成，而氯化氢将会导致催化剂的活性逐渐丧失，所以，如果氢氧化钠滴加太迟，反应便会终止；而如果滴加太早，便会有大量的副产物生成。由此可见，氢氧化钠滴加时间需要得到合理控制。经进一步的试验分析发现，在加入了氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯之后，经过15 min再进行强氧化钠滴加，便可达到最佳的优化效果。

3.4 反应温度的优化

为实现反应温度的合理优化，本次特对反应温度在茚虫威合成反应中所产生的影响进行试验分析。具体试验中，除反应温度之外，其他的反应条件与磷酸二氢钠用量试验中的反应条件完全一致。在加入了氯羰基［4-(三氟甲氧基)苯基］氨基甲酸甲酯15 min之后进行氢氧化钠的滴加。在此过程中，将反应温度加以改变。以下是具体的试验结果，如表4所示。

表4 反应温度对茚虫威合成反应所产生的影响试验结果

因为氢化物中间体稳定性很差，且在温度不断上升的过程中，溶液内的中间物稳定时间也会不断降低。经进一步的试验分析发现，在反应温度是6～10 ℃的情况下，可达到最佳的优化效果。

4 结语

综上所述，茚虫威是一种常用且有效的农作物杀虫剂。因其应用效果十分显著，所以市场需求量也很大。为实现茚虫威合成效果的良好优化，在确保茚虫威合成纯度、效率与数量的基础上实现经济效益的进一步提升，相关企业应通过先环合后缩合的工艺路线来进行合成。为实现其合成工艺的进一步优化，还需要对其合成中的催化剂用量、磷酸二氢钠用量、氢氧化钠滴加时间以及反应温度等进行合理优化。通过这样的方式，才可以让茚虫威的合成工艺实现良好优化，使其在当今时代中得到更好的生产、应用与发展。