52918-63-5 / 溴氰菊酯的合成

背景及概述

溴氰菊酯屬于擬除蟲菊酯類化合物，在該類化合物中其殺蟲能力強，具有觸殺迅速、殺蟲徹底以及殺蟲范圍廣等特點，因此其使用量較大，應用對象廣泛，包括各種水果蔬菜、煙草茶葉等的害蟲防治。但是溴氰菊酯對很多水生生物及有益昆蟲高毒，另外，溴氰菊酯通過自然沉降、降雨沖洗、廢水排放等方式進入自然環境中，再進入人體會危害健康。溴氰菊酯在人體內累積會干擾人的內分泌系統，引發突變和癌癥。

制備

天然豐度溴氰菊酯最初在1974 年報道，其合成方法為二溴菊酸與氰醇的酯化反應。后期為了提高合成產率，加快反應速率，簡化合成工藝，發展出相轉移催化酯化的方法，即以酰氯與醛類為原料一步法得到擬除蟲菊酯。目前該方法在擬除蟲菊酯生產工業中應用廣泛，該方法最早于一些日本專利中被報道，所選用的催化劑有三乙胺、四乙基溴化銨等。本文結合溴氰菊酯主要工業合成方法，設計溴氰菊酯的合成路線。即從苯酚出發，通過脫水反應得到苯酚鈉，苯酚鈉再與間溴苯甲醛催化縮合得到中間體間苯氧基苯甲醛，最后中間體與溴氰菊酰氯通過相轉移催化酯化反應得到溴氰菊酯[1]。合成路線如下圖所示。

圖1 溴氰菊酯合成路線圖

苯酚鈉的合成

將 4. 00 g(39. 9 mmol)化合物 1、1. 64 g(39. 9mmol)氫氧化鈉、150 mL 甲苯投入 500 mL 單口圓底燒瓶中，油浴 110 ℃分水器脫水 1 h，反應完成后抽濾，得 4. 77 g 白色固體粉末，約為 39. 3mmol，粗產率 98. 6%。

間苯氧基苯甲醛的合成

將 4. 77 g(約 39. 3 mmol) 化合物 2、3. 89 g(39. 3 mmol)氯化亞銅投入 250 mL 圓底燒瓶中，再向反應體系中加入 7. 27 g(39. 3 mmol)間溴苯甲醛、12 mL 吡啶，80 ℃ 回流 1 h;反應結束乙醚萃取，過濾，水洗，分液，有機相干燥后待用;柱層析分離提純，得間苯氧基苯甲醛。

標題化合物的合成

將 0. 23 g(1. 0 mmol，6 mol%)芐基三乙基氯化銨、1. 08 g(22. 0 mmol)氰化鈉、3. 42 g 水混合投入100 mL 單口瓶中攪拌溶解，加入20 mL 正己烷和 3. 43 g(16. 9 mmol)化合物 3，再用精細恒壓滴液漏斗滴加 5. 35 g(16. 9 mmol，等物質的量)由 20 mL 正己烷稀釋后的溴氰菊酰氯，然后恒溫加熱磁力攪拌器控制反應溫度 25 ℃下保溫反應至少 12 h;TLC 監測反應結束后，有機相水洗、干燥、過濾、除溶，得到 8. 26 g 標題化合物粗產品。經柱層析分離提純后，得到5. 11 g(10. 0 mmol)標題化合物純品。

結果與討論

溴氰菊酯的合成

投料溫度對相轉移催化酯化反應的影響

從溴氰菊酰氯和間苯氧基苯甲醛出發，共進行 6 組投料溫度實驗，投料比為 n(間苯氧基苯甲醛) ∶n(溴氰菊酰氯) ∶n(氰化鈉)=1∶1∶1. 3，反應溫度 25 ℃，反應時間 12 h，相轉移催化劑芐基三乙基氯化銨，相轉移催化劑用量6 mol%，氰化鈉水溶液質量分數 9. 64%，以投入的間苯氧基苯甲醛的物質的量及溴氰菊酯粗產品質量計算粗產率。投料溫度從 5 ℃到 25 ℃，溴氰菊酯粗產率隨溫度上升而上升;溫度高于 25 ℃后粗產率變化不明顯。溴氰菊酰氯的投料溫度過低不利于氰醇與酰氯的酯化反應的進行，而該酯化反應與酰氯跟水的反應存在競爭反應，當溫度較低時，大部分酰氯直接與水反應生成菊酸，只有少部分酰氯發生酯化反應，導致溴氰菊酯產率下降。因此，投料溫度宜設為 25 ℃(室溫)左右，無需額外控溫較利于氯氰菊酯的合成。

反應溫度對相轉移催化酯化反應的影響

固定投料比為 n(間苯氧基苯甲醛) ∶n(溴氰菊酰氯) ∶n(氰化鈉)= 1 ∶1 ∶1. 3，投料溫度 25 ℃，反應時間 12 h，相轉移催化劑用量 6 mol%，氰化鈉水溶液質量分數 9. 64%，以投入的間苯氧基苯甲醛的物質的量及溴氰菊酯粗產品質量計算粗產率，共進行 5 組反應溫度實驗，反應溫度從 10 ℃升至 25 ℃時，溴氰菊酯粗產率逐漸增大，溫度高于 25 ℃后產率變化不再明顯。該相轉移催化酯化反應在特定時間內的反應溫度不宜過低，而溫度超過 30 ℃后一方面增加了能耗，產率提升并不明顯;另一方面溫度過高會使反應體系中的雜質含量增加。綜上所述，反應溫度定為室溫 25 ℃較為合適。

反應時間對相轉移催化酯化反應的影響

投料比為 n(間苯氧基苯甲醛) ∶n(溴氰菊酰氯) ∶n(氰化鈉)= 1∶1∶1. 3，投料溫度 25 ℃，反應溫度 25 ℃，相轉移催化劑芐基三乙基氯化銨，相轉移催化劑用量 6 mol%，氰化鈉水溶液質量分數 9. 64%，反應時間考察范圍為 10～15 h，反應過程中每隔 1 h進行一次 TLC 監測查看反應情況。TLC 監測，反應進行至 12 h 左右，原料點消失，反應基本結束。因此反應時間應定為不少于12 h 較為合適。

相轉移催化劑種類對相轉移催化酯化反應的影響

共進行 5 組相轉移催化劑種類實驗，5 種相轉移催化劑催化效果均不錯，其中芐基三乙基氯化銨效果相對較好，因此采用芐基三乙基氯化銨作為該反應的相轉移催化劑。

結論

由苯酚出發，與氫氧化鈉反應成鹽后再與間溴苯甲醛按優化后的反應條件縮合得到間苯氧基苯甲醛，最后與溴氰菊酰氯通過氰化鈉水溶液構成無機相的相轉移催化酯化反應成功得到溴氰菊酯。對相轉移催化酯化合成反應進行了優化，得到了較好的工藝條件:當投料溫度為 25 ℃、反應溫度為 25 ℃、反應時間不少于12 h、相轉移催化劑為芐基三乙基氯化銨、催化劑用量 6 mol%，溴氰菊酯-d 5 的產率最優。

參考文獻

[1] PÉＲEZ J J，WILLIAMS M K，WEEＲASEKEＲA G，et al．Measurement of pyrethroid，organophosphorus，and carbamate insecticides in human plasma using isotope dilution gas chromatography-high resolution mass spectrometry［J］． J． Chromatogr．B，2010，878(27):2554-2562