硝磺草酮的绿色合成

何小强，杨鑫瑶，沈 琼

(重庆华歌生物化学有限公司，重庆 万州 404000)

硝磺草酮又名甲基磺草酮、米斯通(mesotrione)，是一种具有内吸性、芽前和苗后广谱选择性的玉米田除草剂，也是瑞士先正达公司继磺草酮之后开发的第2个三酮类除草剂[1-2]，于2005年2月2日在中国取得行政保护，保护期至2012年8月2日[3-4]。硝磺草酮能够有效抑制HPPD(4-羟基苯基丙酮酸双氧化酶)的活性，主要用来防除玉米田一年生阔叶杂草和某些禾本科杂草，如苘麻、苍耳、刺苋等。其特点是杀草谱广、活性强、可混性强、毒性低、对环境友好、对后茬作物安全、使用灵活等[5]，在我国具有较大的开发价值及较好的推广前景。

硝磺草酮的合成方法众多[6-11]，一般以对甲苯磺酰氯、对氯甲苯、对硝基甲苯为起始原料，经还原、磺酰化、硝化、氧化、氯化、缩合、重排7步反应合成。其中的氯化、缩合、重排3步反应存在着原料毒性大、催化剂活性差、产品收率低等问题，也存在着较大的环境污染和安全风险[12]，所以，有必要利用绿色化学原理进行改进，研发适宜工业化应用的清洁生产技术。本文着重研究了以中间体2-硝基-4-甲砜基苯甲酸为起始原料，经氯化、缩合、重排3步反应合成硝磺草酮的新工艺。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

1.1.1 仪器 岛津高效液相色谱仪(LC-16C，岛津企业管理(中国)有限公司南京分公司)；显微熔点测定仪(X4，巩义市予华仪器有限责任公司)；恒温磁力搅拌器(DF-101S，巩义市予华仪器有限责任公司)；高压反应釜(TGYF-C，巩义市予华仪器有限责任公司)等。

1.1.2 试剂 2-硝基-4-甲砜基苯甲酸(工业级，99%，寿光市丽盛化工有限公司)；二(三氯甲基)碳酸酯(工业级，99%，武汉拉那白医药化工有限公司)；1,3-环己二酮(工业级，99%，济南谷瑞特化工有限公司)；乙腈(工业级，99%，南昌金沙化工原料有限公司)；二氯乙烷(工业级，99.9%，山东茂军化工科技有限公司)；三乙胺(工业级，99%，济南创世化工有限公司)；乙酸乙酯(工业级，99.5%，武汉远城共创科技有限公司)等。

1.2 实验原理 将一定量的2-硝基-4-甲砜基苯甲酸(a)和二(三氯甲基)碳酸酯加入到反应釜，使其发生氯化反应生成2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯(b)，然后再与过量的1,3-环己二酮发生缩合反应生成烯醇酯(c)，最后在乙腈的条件下进行重排得到最终产品硝磺草酮(d)。其合成路线(图1)：

图1 硝磺草酮的合成路线

1.3 实验方法

1.3.1 氯化反应 将24.5g(0.1moL)的2-硝基-4-甲砜基苯甲酸加入到装有温度计、回流冷凝管和搅拌器的四口烧瓶中，用乙酸乙酯溶解后，加入10.4g的氯化剂二(三氯甲基)碳酸酯，恒温35℃加热搅拌，待其反应完全(用HPPLC检测)，转移至烧杯，室温冷却结晶，过滤得到中间体2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯25.8g。收率96.5%，纯度97.6%。用熔点仪测得其熔点109.2℃(与文献值108～111℃相符[13])。

1.3.2 缩合重排反应 将上述制得的2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯加入到装有电动搅拌器、滴液漏斗和温度计的四口烧瓶中，加入80mL二氯乙烷(溶剂)，缓慢加入46mL三乙胺(缚酸剂)、1,3-环己二酮12.6g，在0℃的条件进行缩合反应1h生成烯醇酯，加入重排催化剂乙腈，将反应温度升至50℃重排反应1h，得到硝磺草酮粗品，将反应液冷却至室温，加入水静止分层，水相进行回收处理，有机相用甲醇重结晶，过滤，干燥，得到黄色固体硝磺草酮30.6g，收率87.4%，纯度95.9%，用熔点仪测得其熔点165.4℃(与文献值164～167℃相符[13])，表征结果1H NMR(600MHz，CDCl3)δ：0.441(s，1H，CH-H)，0.899(m，2H，CH2-H)，3.136(s，3H，SO2，CH3-H)，8.041(d，1H，ArH)，8.267(d，1H，ArH)，8.481(d，1H，ArH)。

2 结果与讨论

2.1 氯化反应 二(三氯甲基)碳酸酯别名固体光气，简称BTC。外观为白色结晶固体，用二(三氯甲基)碳酸酯作为氯化剂，副产物为氯化氢和二氧化碳，二者不溶于反应体系而气化溢出，氯化氢经水吸收可制得盐酸。因此用二(三氯甲基)碳酸酯作为氯化剂相对于传统的氯化亚砜而言对环境的危害要小很多。考察2-硝基-4-甲砜基苯甲酸和二(三氯甲基)碳酸酯发生氯化反应时，物料配比对收率的影响。结果(表1)所示：

表1 氯化反应中原料配比对收率的影响

注：表格中的原料摩尔比=n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酸)：n(二(三氯甲基)碳酸酯)，产品为中间体2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯。收率以2-硝基-4-甲砜基苯甲酸计。

由表1可知，氯化反应后所得中间体的纯度在97.0%以上，当n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酸)∶n(二(三氯甲基)碳酸酯)=1∶0.35时，产品收率最佳，为96.0%。因此，在氯化反应中原料的最佳配比为n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酸)∶n(二(三氯甲基)碳酸酯)=1∶0.35。

2.2 缩合重排反应 2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯和1,3-环己二酮发生缩合反应，考察其生成2-硝基-4-甲砜基苯甲酸时，原料配比对收率的影响。结果(表2)所示:

表2 缩合反应中原料配比对收率的影响

注：表格中的原料摩尔比=n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯)：n(1,3-环己二酮)，2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯为自制(纯度97%)，产品为目标产物硝磺草酮，产品收率以2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯计。

由表2可知，缩合重排反应后所得目标产物硝磺草酮的纯度在95.0%以上，当n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯)∶n(1,3-环己二酮)=1∶1.15时，产品收率最佳，为87.4%。因此，在缩合重排反应中原料的最佳配比为n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯)∶n(1,3-环己二酮)=1∶1.15。

按照上述的最佳物料配比，在固定的条件下，研究了用该方法合成硝磺草酮的重复性试验，结果(表3)所示：

表3 硝磺草酮合成的稳定性数据

观察其稳定性，由表3可知，硝磺草酮的纯度在95.0%以上，最终收率超过87.0%，该方法反应平稳，可操作性强。

3 结论

3.1 以2-硝基-4-甲砜基苯甲酸为原料，经氯化、缩合、重排反应制得硝磺草酮，在优化的条件下，硝磺草酮的收率超过87.0%，纯度>95.0%。

3.2 经过实验，最终确定氯化反应中原料的最佳配比为n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酸)∶n(二(三氯甲基)碳酸酯)=1∶0.35，缩合反应中原料的最佳配比为n(2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯)∶n(1,3-环己二酮)=1∶1.15。

3.3 氯化反应中氯化剂采用二(三氯甲基)碳酸酯代替常规的氯化亚砜，不仅可以消除二氧化硫所带来的尾气治理难题，而且产品的品质得到了改善，色泽比氯化亚砜法好。二(三氯甲基)碳酸酯法是用环境友好的原料替代有毒有害原料，而且副产物无毒，与绿色化学相符，适宜在农药合成上广泛使用。

3.4 重排催化剂选用乙腈代替剧毒物质氰化钾、丙酮氰醇，极大的减少了硝磺草酮合成中对环境的伤害，提高了反应中的安全系数，适用于工业化生产。