《武汉工程大学学报》 2018年01期
17-22
出版日期：2018-02-25
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
一种草铵膦新型中间体的合成和表征
现全球大规模商品化种植转基因作物，而转基因作物种植面积约90%为种植含有抗草甘膦性状的作物，草甘膦的大量重复使用导致抗性杂草的发展。全球第二大除草剂百草枯，由于没有解毒药，导致大量非生产性中毒死亡，因而将退出市场。所以位于草甘膦、百草枯之后的除草剂草铵膦获得了巨大发展空间［1］。草铵膦是一种谷氨酸的类似物，其本身没有除草活性，但可在植物体内代谢为具有除草活性的草铵膦。研究发现植物吸收双丙铵膦以后在体内代谢为L-型的草铵膦，L-型的草铵膦作用于谷氨酰胺合成酶，阻止了氨的同化，干扰氮的正常代谢，导致氨的积累，光合作用停止，叶绿体结构破坏，使杂草死亡，目前市售的草铵膦为草铵膦铵盐的外消旋体［2-4］。关于草铵膦合成方法的研究的文章有很多，概括起来有阿尔布佐夫合成法、高压催化合成法、低温定向合成法、盖布瑞尔丙二酸合成法、strecker 法、手性合成法等［5］。本文首次以乙酰氨基丙二酸二乙酯（后简称二乙酯）为起始原料，经部分水解［6］得乙酰氨基丙二酸单乙酯（后简称单乙酯），再与自制2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛［7］（后简称膦醛）发生先加成后消除反应，制得中间体2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸，该中间体可进一步通过氢化制得外消旋草铵膦或L-草铵膦［8］。路线如图1所示。1 实验部分1.1 试剂与仪器乙酰氨基丙二酸二乙酯（化学纯），百灵威科技有限公司生产；2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛（自制）；二氧六环、吡啶、乙酸酐、氢氧化钠（化学纯）均为国药集团化学试剂有限公司生产。PB203-N电子天平：Mettler Toledo Group生产；RE-52C旋转蒸发仪：巩义市予华仪器有限责任公司生产；SHZ-D（Ⅲ）循环水式真空泵：巩义市予华仪器有限公司生产；DF-101S恒温加热磁力搅拌器：巩义市予华仪器有限责任公司生产；核磁采用Agilent 400MR型核磁共振波谱仪。1.2 实验方法1.2.1 乙酰氨基丙二酸单乙酯的合成 在1 L反应瓶中，量入300?mL溶剂1，4-二氧六环，搅拌下称入50?g（230?mmol）乙酰氨基丙二酸二乙酯，边搅拌边滴加1?mol/L氢氧化钠水溶液235?mL，控制滴加速度使内温不超过30?℃，滴加时间1.5 h~2 h，完毕后室温25 ℃~30?℃继续搅拌反应16 h。减压蒸出溶剂，所得的水溶液，用乙酸乙酯洗涤3次，每次100?mL。水相冷冻至0℃，用浓盐酸调节pH为1，保温结晶过夜。过滤，固体真空干燥，得白色固体37.1g，熔点130 ℃~134℃，与文献一致［9-10］，收率85.3%。1.2.2 2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的合成 在1 L反应瓶中，在氩气保护下，量入160mL无水吡啶（10eqv.），冷冻至-15℃，搅拌下称入30.0g（200?mmol）2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛和41.6g（220?mmol）乙酰氨基丙二酸单乙酯。边搅拌边滴加60?mL乙酸酐（1.6?mol/L），控制滴加速度使内温不超过10℃，滴加完毕后自然升温至室温，继续搅拌15 h。将反应液倒入1 L冰水中，用乙醚充分萃取3次，每次300?mL，合并有机相，旋干乙醚，加入5mol/L盐酸100?mL，升温至50℃搅拌1 h，减压旋干反应液。得粘稠物加入300mL冰醋酸溶清，滴加甲苯析出晶体。过滤，真空干燥得白色固体32.7g，熔点190 ℃~192℃，与文献［11］一致，收率74%。1.2.3 2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的检测 处理送检样品（无灰尘等杂质），以d6-DMSO为溶剂，送至检测。2 结果与讨论2.1 氢氧化钠用量（摩尔比）对乙酰氨基丙二酸单乙酯收率的影响在室温条件下，搅拌反应16 h，讨论了氢氧化钠的用量对乙酰氨基丙二酸单乙酯收率的影响，结果如图2（a）所示。由图2（a）可知，当NaOH和原料二乙酯摩尔比不断升高，产物单乙酯的收率呈先增加后减少的趋势。当n（NaOH）与n（二乙醇）摩尔比为1.02时，收率最高，达85.3%；进一步增加NaOH的用量，可能导致原料的过度水解，从而使产品的收率降低。综合考虑，控制NaOH用量在n（NaOH）与n（二乙醇）摩尔比1.02~1.03为最佳的水解用量。2.2 水解温度和时间对乙酰氨基丙二酸单乙酯收率的影响固定NaOH和原料摩尔比为1.02∶1，研究了反应温度和时间对单乙酯收率的影响，结果如图2（b）所示。由图2（b）可知，收率随着温度的升高呈现先上升后下降的趋势，在低温时，反应速度慢，副产物多，导致收率偏低，温度过高水解速度快，选择性较差，综合考虑，确认适宜的反应温度为20?℃~30?℃，在条件一定时，随着反应时间的延长，单乙酯的收率不断增加，最终达到最大值，在反应16?h后，收率72.6%，继续延长时间，收效不大，最终确定水解时间为16 h最佳。2.3 乙酰氨基丙二酸单乙酯和2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩尔比对产物收率的影响在n（膦醛）∶n（吡啶）∶n（乙酸酐）摩尔比为1∶10∶3.2的条件下，考察了单乙酯和膦醛的摩尔比对产物收率的影响，结果如图3（a）所示。由图3（a）可知，随着投料摩尔比值的增加，收率不断增加，在超过1.1后，趋于平缓，可以确定较佳的摩尔比为1.1，此时收率74%。2.4 吡啶和2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩尔比对产物收率的影响在n（单乙酯）∶n（膦醛）∶n（乙酸酐）摩尔比为1.1∶1∶3.2的条件下，研究了吡啶的用量对产物收率的影响，结果如图3（b）所示。由图3（b）可知，吡啶提供所需的反应碱性环境［12］，随着吡啶用量的增大，收率有很大的提高，超过摩尔比值10后，吡啶已大大过量，收率变化不大，综合考虑，确定吡啶的用量为摩尔比值10为最佳。2.5 乙酸酐和2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩尔比对产物收率的影响在n（单乙酯），n（膦醛）和n（吡啶）的摩尔比为1.1∶1∶10条件下，考察了脱水剂乙酸酐的用量对产物收率的影响，结果如图3（c）所示。由图3（c）可知，随着脱水剂用量不断增加，产物收率也呈现不断增加，最终趋于稳定的趋势。脱水剂的加入会促进中间态脱水生成烯键，从而不断地生成产物，量少时反应慢，副产物多，收率偏低。确认乙酸酐的摩尔比值3~4为最佳反应条件。2.6 反应温度对产物收率的影响在n（单乙酯），n（膦醛），n（吡啶）和n（乙酸酐）的摩尔比=1.1∶1∶10∶3.2条件下，考查了反应温度对产物收率的影响，结果如图3（d）所示。由图3（d）可知，随着温度的提高，产物收率出现先增高后降低的趋势，温度偏低，反应速率小，温度偏高，醛自身缩合副反应增多，综合考虑，确认温度20 ℃~ 30℃为较佳的反应条件。2.7 产物结构表征2.7.1 产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的1HNMR 对产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸经1H-NMR进行了测定，其1H-NMR图谱见图4（a），溶剂采用d6-DMSO，分析如表 1所示，各吸收峰的积分面积比值与2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子结构中相应位置上H的数目吻合，证明所得物质为2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。2.7.2 产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的的13CNMR 2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的13C-NMR图见图4（b），且有13CNMR（400 MHz，d6-DMSO） δ15.11， 22.96， 32.27， 40.1， 126.00， 131.05， 165.77， 168.95. 各吸收峰的位置与2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子结构中的相应位置吻合，证明所得物质为2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。2.7.3 产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的31PNMR 2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的31P-NMR图见图4（c），且有31P-NMR（400 MHz，d6-DMSO） δ 43.34. 吸收峰的位置与2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子结构中的相应位置吻合，证明所得物质为2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。根据1H-NMR，13C-NMR，31P-NMR确认制得的产物即为2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。3 结 语本文首次报道了一种合成草铵膦中间体2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的方法：以乙酰氨基丙二酸二乙酯为原料，部分水解可得到中间物乙酰氨基丙二酸单乙酯。中间物单乙酯和2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛在弱碱性条件下缩合，最终得到草铵膦中间体2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。根据投料比、温度、时间等条件对反应的影响可得，第一步水解反应中，当氢氧化钠和二乙酯摩尔比为1.02∶1，温度25 ℃~30℃，反应16 h为最佳，单乙酯收率85.3%；第二步缩合反应中，投料摩尔比n（单乙酯）∶n（膦醛）∶n（吡啶）∶n（乙酸酐）=1.1∶1∶10∶（3~4）为最佳，最终产物收率可达74%。该路线条件温和，得到的最终产物2-乙酰氨基-4-［羟基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸，可进一步氢化制得外消旋草铵膦或L-草铵膦。