利用二氧化锰制备2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的绿色合成方法

冯 健，谢媛媛

(浙江工业大学 药学院，浙江杭州310014)

2-硝基-4-甲砜基苯甲酸(NMSBA)是合成硝磺草酮 (Mesotrione)的重要中间体，硝磺草酮是一种绿色高效的玉米田专用除草剂，与传统玉米田除草剂相比，其对玉米田中的阔叶杂草和禾本科杂草都有更好的防除效果，生物活性是磺草酮10倍以上，对环境影响非常小，具有巨大的开发潜力与竞争性.[1-3]目前，制备2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的途径多为氧化2-硝基-4-甲砜基甲苯 (NMST)，但将NMST氧化为NMSBA非常困难，传统的方法是采用强氧化剂，如高锰酸钾、次氯酸钠或有机过氧化物将苯环上的甲基氧化为羧酸，如图1所示.[4]这种方法虽然成本低，但副产物高、环境污染大，因此，开发一种绿色可工业化的工艺方法制备NMSBA 显得极为重要.

图1 使用V2O5/HNO3氧化NMST为NMSBA

近些年，众多团队已经尝试了多种方法以实现NMST到NMSBA的制备过程：

图2 反应体系示意图

以铁 (II)酞菁 (FePc)和铜 (II)酞菁 (CuPc)为催化剂，用氧气氧化NMST可生产NMSBA，但气液两相反应依赖高压氧气环境限制了该方法的进一步应用；[5]以N，N’，N”-三羟基异氰尿酸 (THICA)为催化剂，硝酸为促进剂，分子氧为氧化剂，在泰勒流反应器下生产NMSBA，该方法可实现无金属催化氧化，但催化性能相较金属催化剂还有一定的差距；[6]采用钼酸盐作为催化剂和石墨棒作为阳极，在环境压力和温度下可实现NMST的高选择性电化学氧化，该项工作证明了钼酸盐是一种高效的催化剂，而且还为高选择性地生产NMSBA提供了一种新的电化学方法.[7]此外，还可以用电解、微孔反应器等特殊设备进行氧化，如以微通道反应器制备NMSBA，将NMST溶于硫酸中制得溶液，并与浓硫酸、双氧水一起送入微通道反应器可制备NMSBA.[8]该制备方法不仅投资成本、维护成本高，而且容易造成设备堵塞、腐蚀，同时难以与其他普通化工工艺设备进行通用，因此很难被推广.

本文采用较为绿色的过渡金属氧化剂——二氧化锰构建氧化NMST的新的氧化体系，[9]具体试验方案如图2所示.

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

所有试剂与溶剂都是从安耐吉化学公司或国药集团购买，如未特别指明，使用前都未进行特别处理.实验用到ME-104型电子分析天平(梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司)、ZF- I型紫外分析仪(上海驰唐电子有限公司)、85- I 型磁力搅拌器(河南艾伯特电子科技发展有限公司)、DHG-9140A型电热鼓风干燥箱(上海一恒科技有限公司)、OTF-1200X型管式炉(合肥科晶材料技术有限公司)、Phenom Pure型台式扫描电镜(复纳科学仪器(上海)有限公司)和Varian 400MHz型核磁共振仪(美国Varian 公司).

1.2 实验

1.2.1 二氧化锰的一般活化过程

将二氧化锰研细，装在陶制坩埚中，置于管式炉氮气气氛下于150 ℃加热3～4 h，制得活化二氧化锰.

1.2.2 利用二氧化锰氧化制备NMSBA

将98%浓硫酸与水小心混合，配成体积比为70%硫酸10 mL，将预先活性过的二氧化锰(0.35 g，4 mmol)倒入该硫酸中并搅拌成棕黑色悬浊液，再将NMST (2.15 g，10 mmol)加入到上述悬浊液中，加热至160 ℃并搅拌，反应16 h.反应完成后，趁热过滤，热水洗涤滤饼，滤液合并冷却至0～-5 ℃，抽滤并用冰水洗涤滤饼，得到主要产物.再将滤液合并后加水稀释，并用乙酸乙酯萃取后，脱溶剂可再回收少量主产物，一并称量计算产率.

2 结果与讨论

2.1 条件优化

考虑到工业化应用前景，本文对活性二氧化锰/硫酸催化氧化体系的相关反应条件展开了系统的研究，并评估了硫酸浓度(体积比)、活性二氧化锰、反应温度、反应时间对反应的影响，具体见表1所示.

表1 条件优化

注：起始反应条件：2-硝基-4-甲砜基甲苯 (10 mmol)，活性二氧化锰 (15 mmol)，40%浓度硫酸

(10 mL)，140 ℃下反应12 h

由表1可知，当硫酸浓度不高于50%，反应并未发生，原因可能是环境中质子浓度过低时二氧化锰的氧化性能不足以氧化底物，需要使用更高浓度的硫酸，当硫酸浓度达到70%时，收率可达57%；二氧化锰作为该体系中的氧化剂，需要过量地使用以确保底物的转化，在进行多次尝试后发现，当反应中使用350%的活性二氧化锰时收率可达68%；最后，对反应的温度和时间进行了筛选，确定最佳反应条件为2-硝基-4-甲砜基甲苯 (10 mmol)、活性二氧化锰 (35 mmol)、70%含水硫酸，在160 ℃下反应16 h，收率可达93%.

2.2 机理研究

2.2.1 二氧化锰活化机理

在150 ℃下烧结得到活化二氧化锰，其结构内分散着大量的介孔与间隙，与烧结温度过低的二氧化锰相比，其表面大、反应活性高，如图3、图4所示，其中，A为未活化二氧化锰，B为活化二氧化锰.可以清晰看出，在3.00 μm的尺度下，未活化的二氧化锰介孔多分布在表面，内部结构较为致密，而活化后的二氧化锰可以明显地观察到较为深邃的介孔，且结构疏松.在500 nm的尺度下，未活化的二氧化锰结构呈片状堆叠，内部未见明显的介孔与间隙，活化后的二氧化锰呈棒状堆积，结构内分散大量介孔.

2.2.2 反应机理

甲苯氧化为苯甲酸的机理一般分为自由基机理和离子机理两类，但由于在加入了20%的2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物后未发现反应被抑制，因此排除了自由基机理的可能，可能的反应机理是二氧化锰和硫酸在高温下反应形成MnO(OH)+HSO4-，与苯环上的甲基上的氢结合，使得C-H断裂，生成了碳正离子，同时，产生的还有硫酸锰与水分子，碳正离子与水分子结合形成C-OH键，体系中的强氧化分子MnO(OH)+HSO4-继续氧化C-OH可生成对-甲砜基邻-硝基苯甲酸，具体见图5所示.

图3 3.00 μm下未活化二氧化锰与活化二氧化锰的结构表征图4 500 nm尺度下未活化二氧化锰与活化二氧化锰的结构表征

图5 活性二氧化锰/硫酸氧化制备NMSBA的可能反应机理

3 结语

本文设计了一种应用二氧化锰和硫酸将2-硝基-4-甲砜基甲苯氧化制备2-硝基-4-甲砜基苯甲酸的绿色合成方法，并通过大量实验得到了最佳反应条件：在3.5当量的二氧化锰和70%含水硫酸中，在160 ℃下反应16 h，可使2-硝基- 4-甲砜基苯甲酸的最终收率可达93%，且只需使用简单的萃取、过滤操作即可完全分离产物.同时整个过程中不使用硝酸，也不产生污染气体，是一种高效、节能、环保的氧化NMST制备NMSBA的技术，易于应用在化学工业中大规模制备NMSBA.