噻虫嗪绿色合成工艺

魏义兰 , 张 旭 , 王 宇 , 李华轩

(1.湖南化工职业技术学院 化学工程学院 , 湖南 株洲 412000 ; 2.湘潭市污水处理有限责任公司 , 湖南 湘潭 411100 ; 3.湖南比德生化科技股份有限公司 , 湖南 岳阳 414306)

新烟碱类化合物是一类具有新颖化学结构、独特生物活性的化学杀虫剂,其发现在杀虫剂控制历史上具有里程碑式的意义。噻虫嗪作为第二代新烟碱类高效低毒杀虫剂,对害虫具有胃毒、触杀及内吸活性,是新烟碱类杀虫剂中的重要品种[1-2]。噻虫嗪既可用于叶面处理,也能用于种子处理。截至2021年9月,我国共有616个含噻虫嗪成分的产品在有效登记状态,包括原药62个,制剂554个[3-4]。而现有噻虫嗪的工业生产存在产品纯度低、废水排放量大且难降解等对环境不友好问题,通过工艺优化减少废水排放量是企业发展的方向。

噻虫嗪的主要合成路线为不同中间体与3-甲基-4-硝基-亚氨基四氢-1,3,5-噁二嗪(简称噁二嗪)反应,工业生产中常采用的中间体为2-氯-5-氯甲基噻唑(简称CCT)[5-7]。基于“清洁生产,绿色农药,健康环境”的理念,从改进生产工艺、优化工艺条件出发,从源头上降低废水排放量,提高产品的收率与纯度,降低生产成本。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

2-氯-5-氯甲基噻唑(CCT),纯度≥99%,湖北巨胜科技有限公司;N,N-二甲基甲酰胺(DMF),纯度≥99%,广州中冠安泰石油化工有限公司;无水K2CO3,AR,甲醇,HPLC,乙腈,HPLC,天津科密欧化学试剂有限公司;液碱,纯度32%,聊城市三江化工有限公司;3-甲基-4-硝基亚胺基四氢-1,3,5-噁二嗪,纯度≥98%,湖南比徳生化科技股份有限公司。

集热恒温加热磁力搅拌器,DF-101S,巩义市予华仪器有限责任有限公司;无级恒速搅拌器,D971,长城科工有限公司;电子天平,TP-1200C,湘仪天平仪器设备有限公司;分析天平,AUY120,SHIMADZU CORPORATION JAPAN;电热恒温鼓风干燥箱,DHG-101-4A,巩义市予华仪器有限责任有限公司;双A循环水式多用真空泵,SHB-IV,长城科工有限公司;旋片式真空泵,2X-15,上海沪冈真空泵制造公司;超声波清洗器,KQ-50B,昆山市起予仪器有限公司;高效液相色谱仪,SSI1500,埃文森科技有限公司。

1.2 合成与表征

1.2.1合成路线

中间体2-氯-5-氯甲基噻唑与3-甲基-4-硝基亚胺基四氢-1,3,5-噁二嗪经缩合反应得噻虫嗪。

此路线步骤少,操作简单,适合工业化生产,但2-氯-5-氯甲基噻唑的纯度对原药合成的收率影响较大,近两年噻虫嗪原料成本逼近10万元/t。为降低生产成本,部分厂家着手生产原料中价格较高的2-氯-5-氯甲基噻唑,此外,噻虫嗪废水量大且难处理仍是困扰企业的难点。

1.2.2合成步骤与表征

2 结果与讨论

2.1 溶剂对反应的影响

文献报道3-甲基-4-硝基亚胺四氢-1,3,5-噁二嗪与2-氯-5-氯甲基噻唑合成噻虫嗪为双分子亲核取代SN2反应,应选用非质子溶剂。筛选了N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、乙腈、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二氯甲烷、丙酮等溶剂进行“一锅法”合成噻虫嗪。反应温度为45 ℃,无水K2CO3作缚酸剂,n(3-甲基-4-硝基亚胺四氢-1,3,5-噁二嗪)∶n(CCT)∶n(K2CO3)为1.1∶1.0∶1.2,考察了不同溶剂对实验结果的影响。

由表1可知,由于溶剂对双分子亲核取代反应(SN2)的影响较大,DMF作溶剂反应收率最高,且反应时间较短;乙腈作溶剂反应时间太长,收率较低;NMP与丙酮作溶剂,反应结果较好,但杂质含量较高,产品颜色较差。二氯甲烷作溶剂,由于其沸点较低,反应过程中必须不断补加溶剂,且最终没有产品。验证了极性非质子溶剂丙酮、DMF等对SN2反应有利,最终确定DMF作溶剂。

表1 溶剂对反应的影响

2.2 温度对反应的影响

DMF作溶剂,n(3-甲基-4-硝基亚胺四氢-1,3,5-噁二嗪)∶n(CCT)∶n(K2CO3)为1.1∶1.0∶1.2,控制不同的反应温度,反应结束后,采用过量DMF充分溶解生成噻虫嗪,过滤,滤饼用DMF洗,测定产品收率,温度对反应结果的影响见图1。

图1 温度对反应的影响

由图1可知,随反应温度的升高,反应时间缩短,产品收率开始基本保持不变,约为82%;但当温度升至70 ℃后,反应收率大幅下降,且液相色谱分析中无CCT的面积峰,推测温度太高造成CCT不稳定。据报道,CCT的热重分析中40.5 ℃左右开始减重分解,且CCT在碱性条件下易水解,因此温度不能太高,确定反应温度为35 ℃[8]。

2.3 重结晶溶剂对反应的影响

噻虫嗪在后处理前的产品纯度仅为80%,不能满足市场需求。采用重结晶进行提纯,依据噻虫嗪在不同溶剂中溶解度的不同,考察了水、乙腈、甲醇等溶剂,结果见表2。

表2 重结晶溶剂对反应的影响

由表2可知,DMF作重结晶溶剂所得产品纯度为98.50%,但析晶过程利用的是水加入DMF的冷却热饱和溶液法,此过程产生大量废水,COD值很高,同时DMF的沸点较高,与水共沸不易回收。实验发现,噻虫嗪在浓盐酸中的溶解度较大,加碱中和后可析出噻虫嗪晶体,此方法消耗大量浓盐酸,产生大量废水与盐,产品纯度仅为96.80%。由于噻虫嗪随温度变化其在水中的溶解度变化较大,用水作溶剂进行重结晶,产品纯度仅为96.2%,且产生大量废水;噻虫嗪在乙腈、丙酮、碳酸二甲酯等溶剂中的溶解度较高,但随温度变化较小,产品纯度未达98%,最终选用甲醇作重结晶溶剂,考虑噻虫嗪在甲醇中易光解,重结晶时间要低于0.5 h。

2.4 公斤级放大工艺确认

在优选条件下,反应温度35 ℃,DMF作溶剂,n(3-甲基-4-硝基亚胺四氢-1,3,5-噁二嗪)∶n(CCT)∶n(K2CO3)为1.1∶1.0∶1.2,反应结束后,加酸、过滤、水洗、干燥。结果见表3。

表3 公斤级放大工艺确认 %

由表3可知,经重复稳定实验,产品收率与含量较稳定,DMF平均回收率可达80%以上,降低了反应成本,减少了废水量,产品纯度满足市场需求,收率可达80%,为工业生产提供了可靠数据。

3 结论

①噻虫嗪的合成为双分子亲核取代SN2反应。由于2-氯-5-氯甲基噻唑分子中的噻唑环是一个五原子六电子的封闭共轭体系,具有芳香性。虽然N、S的电负性比C大,但因为N提供两个电子参加共轭,亚甲基上的空轨道与噻唑环上的π轨道交盖,形成离域轨道,使碳正离子更加稳定,易发生亲核取代。3-甲基-4-硝基亚胺基四氢-1,3,5-噁二嗪是亲核试剂,氨基氮原子上含有一对孤对电子,易进攻碳正离子发生亲核取代反应。因此噻虫嗪的反应机制为3-甲基-4-硝基亚胺基四氢-1,3,5-噁二嗪与碱反应生成负离子;氮负离子具有强亲核性,进攻2-氯-5-氯甲基噻唑的亚甲基,形成过渡态;过渡态脱去氯离子,得到噻虫嗪。

②以3-甲基-4-硝基亚胺四氢-1,3,5-噁二嗪与2-氯-5-氯甲基噻唑(关键组分)为原料,反应完后先酸化,再减压蒸馏回收溶剂,重结晶提纯,活性炭脱色,所得噻虫嗪产品的外标含量>98%,收率达80%以上。优选的工艺条件为:DMF作溶剂,K2CO3作缚酸剂,反应温度为35 ℃,甲醇做重结晶,重结晶时间低于0.5 h。通过工艺改进,噻虫嗪废水排放量降为原来的5%～7%,溶剂DMF回收率为80%～90%,副产物钾盐全部回收。

③建立了噻虫嗪的液相色谱分析方法,可准确判定反应终点,对工业生产具有重要指导意义。