（有机化学专业论文）手性选择体萃取拆分几种拟除虫菊酯中间体对映体的研究.pdf

中南大学硕士论文摘要 摘要 光学活性农药以其药效高、用量少、对作物和环境更安全以及 市场竞争力强等特点引起了人们的广泛关注，分离光学活性农药及 中间体的对映异构体，已成为现代化学工业中研究的热点。本论文 主要工作是研究功夫菊酸、反式d v 菊酸、氰戊菊酸三种对映体在含 有手性选择体的水一有机溶剂两相系统中的萃取分配行为，考察p h 、 手性选择体浓度、有机溶剂等因素对萃取性能的影响。 ( 1 ) 建立了三种药物对映体的分析方法：利用奎宁生物碱手性 固定相法在反相条件下对功夫菊酸、反式d v 菊酸、氰戊菊酸进行拆 分，实现了对三种药物对映体的基线分离，探索了三种菊酸对映体 的h p l c 分析方法，为下一步萃取拆分提供了分析依据。 ( 2 ) 合成了一系列的手性选择体三、伊酒石酸酯：以厶刃酒石 酸和脂肪醇为原料，合成了一系列的手性选择体三、伊酒石酸酯。 ( 3 ) 对功夫菊酸、反式d v 菊酸、氰戊菊酸对映体的萃取拆分： 以合成的三、d - 酒石酸酯为手性选择体，萃取拆分手性农药中间体 功夫菊酸、反式d v 菊酸、氰戊菊酸对映体，考察了各对映体在以 酒石酸酯为单一手性选择体的体系中的萃取分配行为，试验了有机 相的种类、酒石酸酯烷基链长度、水相的p h 值和酒石酸酯的浓度等 因素对分配比( k ) 和分离因子( c 【) 的影响。 ( 4 ) 在对各对映体的萃取拆分中发现手性萃取剂对拆分对象有 较好的识别作用，不同的手性选择体对不同对映体的两不同单一旋 光体形成复合物的稳定性不同，从而达到萃取拆分的目的，对实验 中出现的这种规律通过三点识别作用进行了分析。有机相的种类、 酒石酸酯烷基链长度、水相的p h 值等因素对萃取拆分影响较大，并 有定的规律性，本文对其进行了初步的机理探讨。 关键词功夫菊酸，反式d v 菊酸，氰戊菊酸，对映体，手性萃取 中南大学硕士论文 a b s t r a c t a bs t r a c t t h eo p t i c a l l ya c t i v ep e s t i c i d e sa reh i g h l ye f f i c i e n t ，f e wa m o u n t u s a g e ，m o r es e c u r et oc r o p sa n dt h ee n v i r o n m e n ta n dm o r ec o m p e t i t i v e i nt h em a r k e t 。i th a sa r o u s e dw i d e s p r e a dp u b l i cc o n c e r n ，t h es e p a r a t i o n o f o p t i c a l l ya c t i v ei n t e r m e d i a t e so fp e s t i c i d e sa n de n a n t i o m e r s ，h a sb e e n i n t oam o d e mi n d u s t r yr e s e a r c h s t u d yh o ts p o t s i n t h i s p a p e r ， l a m b d a c y h a l o t h r i ca c i d ，t r a n s - p e r m e t h r i n i ca c i da n df e n v a l e r i ca c i d e n a n t i o m e r sw e r es e p a r a t e db yc h i r a le x t r a c t i o nw i t hs y n t h e s i z e dl 一d t a r t a r i ce s t e r sa sc h i r a ls e l e c t o r t h em a i nc o n t e n t sc a l lb es u m m a r i z e d a sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ee s t a b l i s h m e n to ft h ea n a l y t i cm e t h o d s i nr e v e r s e p h a s e c o n d i t i o n s t h e c h i r a l s e p a r a t i o n o f l a m b d a c y h a l o t h r i ca c i d ，t r a n s p e r m e t h r i n i ca c i da n df e n v a l e r i ca c i d w e r ep e r f o r m e do nq u i n i n ea l k a l o i dc h i r a l s t a t i o n a r yp h a s e sw i t h a c e t o n i t r i l ea n dw a t e ra sc h i r a lm o b i l ep h a s e t h ee n a n t i o m e r sw e r e s e p a r a t e da tab a s e l i n el e v e l a n a l y t i cm e t h o d sw e r ee s t a b l i s h e d ( 2 ) t h es y n t h e s i so f l , d t a r t a r i ce s t e r s as e r i e so fc h i r a ls e l e c t o rl d t a r t a r i ce s t e r sw e r es y n t h e s i z e db y r e f l u x i n gl ，dt a r t a r i ca c i da n df a t t ya l c o h 0 1 ( 3 ) c h i r a le x t r a c t i o no fl a m b d a c y h a l o t h r i ca c i d ，t r a n s p e r m e t h r i n i c a c i da n df e n v a l e r i ca c i d ： i th a sb e e ns t u d i e dt h er e s o l u t i o no fl a m b d a c y h a l o t h r i ca c i d ， t r a n s - p e r m e t h r i n i ca c i da n df e n v a l e r i ca c i db ye n a n t i o s e l e c t i v e e x t r a c t i o nw i 绣t a r t a r i ce s t e r s 乃ed i s t r i b u t i o nb e h a v i o ro f l a m b d a c y h a l o t h r i ca c i d ，t r a n s p e r m e t h r i n i ca c i da n df e n v a l e r i ca c i d e n a n t i o m e r sw a se x a m i n e di na q u e o u ss o l u t i o na n do r g a n i cs o l v e n t c o n t a i n i n gac h i r a ls e l e c t o rh y d r o p h o b i ct a r t a r i ce s t e r s t h ei n f l u e n c e so f o r g a n i cs o l v e n t s ，l e n g t ho fa l k y lc h a i no ft a r t a r i ce s t e r s ，p ha n dt h e c o n c e n t r a t i o n so ft a r t a r i ce s t e r so nt h ep a r t i t i o nt o e 衔c i e n t sa n d s e p a r a t i o nf a c t o r sw e r ei n v e s t i g a t e d ( 4 ) a tt h ee x t r a c t i o ns e p a r a t i o no ft h ev a r i o u se n a n t i o m e r s ，i tw e r e f o u n dt h a tt h ec h i r a le x t r a c t a n t sc o u l dr e c o g n i z et h eo b j e c tv e r yw e l l t h e v a r i o u sc o m p l e xf o r m e db yc h i r a le x t r a c t a n t sw i t hd i f f e r e n te n a n t i o m e r h a v ed i f f e r e n t s t a b l i t y , s o a st oa c h i e v et h e p u r p o s eo fe x t r a c t i o n s e p a r a t i o n t h ep a p e rh a si d e n t i f i e dt h er o l eo ft h ea d o p t i o no ft h r e e e x p e r i m e n t sa p p e a ri na l la n a l y s i so fs u c hl a w s t h ei n f l u e n c eo ft h e t y p eo fo r g a n i cp h a s e ，t a r t a r i ca c i de s t e ra l k y lc h a i nl e n g t h ，t h ep hv a l u e o fa q u e o u sp h a s eo nt h ee x t r a c t i o ns e p a r a t i o nw a sv e r yo b v i o u s ，a n d t h e r ei sac e r t a i nd e g r e eo fr e g u l a r i t yf r o mt h e e x p l o r a t yo ft h e p r e l i m i n a r ym e c h a n i s m k e yw o r d s l a m b d a - c y h a l o t h r i ca c i d ，t r a n s p e r m e t h r i n i ca c i d f e n v a l e r i ca c i d ，e n a n t i o m e r , c h i r a le x t r a c t i o n i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：丑年月塑日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：麴新签短蹶出勘凼 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 拟除虫菊酯类农药概述 第一章绪论 拟除虫菊酯类农药是具有划时代意义的农药，它是在天然除虫菊酯的基础 上发展起来的一类高效、低毒、广谱的杀虫剂，在农业和卫生方面起着重要的 作用，占杀虫剂数量的2 0 t 。拟除虫菊酯的化学研究始于1 9 1 0 年，人们把农 药的发展史分为天然药物时代和有机合成农药时代。后者又可分为有机农药合 成前期和当代有机农药时期，两者的分界线便是高效的光稳定性农用拟除虫菊 酯的出现【2 - 3 1 。发展大致包括三个主要阶段： 第一阶段：研究天然除虫菊酯的有效成分和化学结构及立体结构： 第二阶段：对天然除虫菊酯进行结构修饰和先导优化，包括醇部分、酸部分 和酯键的修饰，并进行立体化学研究； 第三阶段：开发低鱼毒和无交互抗性的拟除虫菊酯品种，如非酯类、含氟、 硅原子等与传统拟除虫菊酯结构和作用点完全不同的品种。 1 2 拟除虫菊酯农药发展历程 1 2 1 天然除虫菊的历史回顾 除虫菊，原产地为南斯拉夫的达尔马提亚地区、意大利东部的亚得里亚海的 地中海沿岸，是一种菊属植物。1 6 9 4 年，其生长地区的居民把其花磨成粉后用 于杀虫，直到1 8 4 0 年才证实了它的杀虫活性。1 8 6 0 年和1 8 8 5 年除虫菊花被引 进到美国和日本。日本除虫菊株式会社的首任董事长e u e y a m a 是在和歌山县 种植除虫菊的第一人。此后，除虫菊花的种植便扩展于全日本。1 8 9 8 年日本开 始出口干花。4 0 年后( 1 9 3 8 年) ，日本的除虫菊花的干花产量达到每年1 3 0 0 0 吨的 高峰，约占当时世界产量的7 0 。肯尼亚和坦桑尼亚由于气候适宜和它们国家 也提倡种植，从而替代了日本而成为主要产出国。目前，非洲国家，包括有肯尼 亚、坦桑尼亚和鲁旺达生产着世界大部分的除虫菊，其他生产国还有塔斯尼拉和 巴布。 由于受到种植条件的限制，天然除虫菊远远不能满足需要，而且天然除虫菊 花在空气中和阳光下极不稳定，易分解失效，不适于农业使用，只能用于室内防 治卫生害虫，使其应用范围受到限制。因此，2 0 世纪初期，化学家们开始对天 中南大学硕：卜论文第一帝绪论 然除虫菊有效成分进行化学结构研究，以期弄清它的组成和化学结构，并进行仿 生合成【4 5 1 。 1 2 2 天然除虫菊酯的化学组成、活性和立体结构研究 1 9 0 9 年，f u j i t a n i n 从除虫菊花中分离出了有杀虫活性的酯浆液，称其为 t p y r e t h r o n y a m a m o t o 将p y r e t h r o n 皂化产物经臭氧氧化后分离出反式c a r o n i e 酸和醛，虽然y a m a m o t o 没有测出此酸的结构，但是他还是推测出是p y r e t h r o n 酸1 9 2 3 年，他第一次证实构成酯的酸为三碳环结构。次年，瑞士化学家 h s t a u d i n g e r 和l r u z i c k a 首先报道了两种除虫菊素一除虫菊素i 和除虫菊素 i i 的结构，杀虫活性最高的是除虫菊素i 。 o c o h 图1 - 1 除虫菊i 的结构 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r eo f p y r e t h r u mi 1 9 4 5 年，l a f o r g e 和b a r t h e l 报道了天然除虫菊酯含有4 个衍生物。随后又 清楚地确定，天然除虫菊酯有6 个成分，除虫菊素i ，i i ，瓜叶菊素i ，i i 和 茉酮菊素i ，i i ，这些都是以酸和醇组分而形成的酯化合物。 表1 - 1 天然除虫菊有效成分的结构 t a b l e1 - 1t h en a t u r a ls t r u c t u r eo f t h ea c t i v ei n g r e d i e n tp y r e t h r u m 6 种除虫菊素的化学结构都比较复杂，其共同的特征是具有酯的结构，所 以又叫天然除虫菊酯。天然除虫菊花中一般含有百分之一左右的杀虫成分，高 者达百分之三。天然除虫菊酯具有良好的触杀作用，击倒快，对人和哺乳动物 2 中南大学硕上论文第一章绪论 的毒性小，常用于家庭、畜舍和仓贮害虫的防治。但由于它对空气和阳光不稳 定，故不适于农田害虫的防治 6 - 7 1 。 1 2 3 仿天然除虫菊素活性衍生物的合成和拟除虫菊酯农药的研发 拟除虫菊酯发展到今天，已先后经历了从对光不稳定性到对光稳定性，从 环丙烷结构到非环结构、从羧酸酯类到非羧酸酯类，以及引入含氟基团、杂环 结构等一系列过程8 1 。 ( 1 ) 光敏型拟除虫菊酯 在天然除虫菊的杀虫有效成分被确定后，人们致力于用化学合成方法来制备 除虫菊素的类似物。s c h e c h t e r 和l af o r g e 于1 9 4 7 年首先用菊酸与2 一烯丙基一3 一 甲基环戊- 2 - 烯4 一醇- 1 - 酮( 丙烯醇酮) 合成了第一个拟除虫菊酯丙烯菊酯 f 9 】，这是第一个利用天然先导化合物仿生合成的农药。丙烯菊酯在化学结构、 生物活性方面与天然除虫菊素差不多，对光仍不稳定，使用范围受到很大限制， 但它的合成和投产引起了许多科学家的兴趣 1 0 l 。在保留其菊酸结构的前提下， 科学家在醇部分化学结构改造方面做了大量工作。b a r t h e l ( 1 9 6 1 ) 和e l l i o t t ( 1 9 6 5 ) 等在研究合成菊酸丙烯基苄酯时，用苯环代替了天然除虫菊素醇部分的五碳酮 ( 环戊烯醇酮) ，并且证明苯环上含不饱和取代基表现出较强杀虫活性。e l l i o t t 、 j a m e s ( 1 9 6 5 ) 用呋喃环代替环戊烯醇酮，并在呋喃环上引入苄基作为醇部分， 合成非常高效的苄呋菊酯【1 1 1 。此后，在醇结构改造方面还开发了胺菊酯( k a t o ， 1 9 6 4 ) 1 2 】、苯醚菊酯( 板谷，1 9 6 8 ) 1 3 】和氰苯醚菊酯( 松尾，1 9 7 1 ) 等，这些 拟除虫菊酯虽然在毒效方面较天然除虫菊素有很大提高，但对光的稳定性问题 仍未得到解决，拟除虫菊酯的稳定性问题仍然困扰着科学家。 ( 2 ) 农用拟除虫菊酯 在光敏型拟除虫菊酯合成阶段，对光稳定性问题仍未能解决。但科学家在 前期研究中发现用苯环结构( 苯醚) 代替天然除虫菊素醇部分的不饱和结构， 可提高拟除虫菊酯对光的稳定性【1 4 1 。而在苯醚醇的基础上引入氰基( - c n ) 则 毒力大大提高。带氰基的苯氧苄醇成为后来一系列光稳定性高效拟除虫菊酯的 基本组成部分 1 5 】。对天然除虫菊素菊酸部分的改造，在光敏型拟除虫菊酯合成 阶段虽然成效不大，但对光稳定性农用拟除虫菊酯的合成亦作出了贡献。1 9 5 8 年，f a r k a s 在菊酸异丁基侧链上以卤素代替偕二甲基，合成了二氯代拟除虫菊 酯。1 9 7 3 年，e u i o t t 用这个二氯代菊酸与苯氧苄醇合成了第一个商品化的农用光 3 中南大学硕十论文 第一章绪论 稳定性拟除虫菊酯一二氯苯醚菊酯。二氯苯醚菊酯由于对天然除虫菊素的两 个光不稳定中心( 菊酸侧链的偕二甲基和醇部分的不饱和结构) 都进行了改造， 使它的光稳定性大大提高，杀虫活性也进一步提高t 1 6 1 7 1 ，而对哺乳动物仍保持 低毒性。二氯苯醚菊酯的出现，在拟除虫菊酯的发展史上是一个突破性的进展。 ( 3 ) 非三碳环拟除虫菊酯 在早期拟除虫菊酸及其他羧酸环戊烯酮的研究中，人们一直认为，菊酸的 三碳环结构是菊酯部分杀虫活性必不可少【l 引。但1 9 7 4 年，日本住友公司的大野 信夫却对菊酸部分进行了根本改造，即以取代苯基异戊酸代替三碳环菊酸，成 功合成了有优良活性的氰戊菊酯【1 9 1 。氰戊菊酯的合成引起了巨大轰动，一方面 使拟除虫菊酯酸部分的合成大为简化，成本大为降低；另一方面，它的成功合 成完全打破了拟除虫菊酯必须含有三碳环结构的传统概念，为拟除虫菊酯的开 发开辟了新的领域【2 0 2 4 】。此后还开发了一些代表性的不含三碳环菊酸基团的拟 除虫菊酯，如氟胺氰菊酯、溴氰戊菊酯( 中国创制的第一个除虫菊酯) 等品种 1 2 5 o ( 4 ) 非酯类拟除虫菊酯 长期以来，人们一直认为羧酸酯是拟除虫菊酯具有杀虫活性至关重要而不 可缺少的母体结构。1 9 8 0 年，n 姐j y 0 和b u l l 等人以氰戊菊酯为原型，用肟醚 代替酯基合成了不含酯结构的拟除虫菊酯肟醚菊酯 2 6 - 2 8 】。1 9 8 2 年三井公压 化学公司则合成了只含碳氢氧三元素的醚类化合物【2 9 1 ，它打破了拟除虫菊酯农 药必须有酯结构的一般认识，开拓出另一个农药品种新领域。其实在拟除虫菊 酯的非酯结构改造中，研究者已把研究扩大到脂肪酮、烯烃、烷烃为母体的新 型活性化合物上。1 9 8 0 年，j h p a u l 报道了7 个酮类化合物结构的拟除虫菊酯 杀虫剂，这些化合物对南方粘虫、象鼻虫等有效。k o t s s u t a 则报道了一类分子 中心部分为饱和烃结构的具有杀螨活性的新杀虫剂，相当于醚菊酯( m t i 5 ) ，药 效优于m t i 5 。1 9 8 6 年，e l l i o t t 等报道了结构中心部位包含烯键的新杀虫剂， 具有高效、低毒、安全和无药害的特点，对蚊虫、蝇、白蚁等有效。1 9 8 4 年， 日本住友公司合成了以苯基异戊酸酯或醚菊酯为母体的含硅原子的杀虫剂，德 国赫司特公司也开发出了硅醚菊酯【3 0 3 5 1 。 上述肟醚、醚、酮、烃基等代替拟除虫菊酯的酯基以及含硅原子化合物有 拟除虫菊酯杀虫活性，使拟除虫菊酯农药的化学结构范畴扩大到非常广泛的范 围。 4 中南大学硕士论文第一章绪论 1 3 菊酯类杀虫剂在中国的发展简介 我国利用天然除虫菊素为基础的制剂研究，在三十年代前后中国化学工业 社用除虫菊粉制作三星牌蚊香及臭虫粉，一九五四年南京制药厂以国产除虫菊 花为原料进行防蚊油的生产，上海农业制械厂亦以同样除虫菊花生产除虫菊乳 油和六六六合剂。随着国外很多化学公司都对光稳定性的拟除虫菊酯进行开发 研究，一批高效的拟除虫菊酯新品种不断进入市场，引起我国农药界的重视， 也拟开发研究除虫菊酯类杀虫剂，但由于此类杀虫剂的合成工艺比较复杂，原 料中间体多，成本高，拟除虫菊酯在我国农业上能否推广应用，在植保和农药 界开始是有怀疑和争论的，经过了一段曲折和徘徊的道路。一九七二年江苏省 农药研究所才首先开展拟除虫菊酯的合成研究，该所与无锡市化工研究所协作， 开始探索以菊酸为基础的拟除虫菊酯的合成方法，首先用s h h a r p e r 和 c a m p b e l l 法即重氮醋酸乙酯与2 ，5 二甲基2 ，4 己二烯合成菊酸乙酯，进一步合 成了胺菊酯和苄呋菊酯，进行了防止卫生害虫试验，开创了我国合成除虫酯类 杀虫剂的研究【3 。一九七五年该所又合成了氯菊酯，在此期间上海农药研究 所、中国科学院有机化学所等也采用不同合成路线合成氯菊酯。一九八五年中 国科学院大连化学物理研究所催化中心进行了甲氰菊酯杀虫剂的合成研究，它 杀虫谱广、兼杀螨虫，可广泛应用于棉花、水果、蔬菜、茶叶等作物，深受广 大农民欢迎j 。 我国拟除虫菊酯的开发利用已近三十年的历史，形成了一批生产厂家，迄 今已有胺菊酯、醚菊酯、戊菊酯、甲氰菊酯和氯氰菊酯等相继投产，目前已有 一定的基础，无论在科研、生产和应用方面都有较大的发展，与国外的水平差 距不大，尤其在应用方面我国使用面积比较大，在防止棉虫、蔬菜、果树虫害 已取得成绩，在生产方面，我国已能生产农用和卫生用的多品种拟除虫菊酯和 一些重要的中间体，基本上能配套。目前国外拟除虫菊酯杀虫剂仍在不断发展， 新的品种不断涌现，我国应结合国情稳步开发拟除虫菊酶类杀虫剂，为我国农 业生产和保障人民身体健康做出新贡献。 1 4 拟除虫菊酯与立体化学 1 4 1 光学活性拟除虫菊酯 由于农药工业中许多化合物中存在手性中心，多以外消旋混合物的形式生 产和使用。然而，当它们参与生成反应和作用于受体时，在手性异构体之间会 显示出差异。在某些情况下，两种异构体之间的活性差别不大，而有时差别会 5 中南大学硕士论文 第一章绪论 很大，由于活性不同，会产生下列结果：( 1 ) 产品中可能有一半无效，从而影 响生产成本；( 2 ) 有一半产品成为施药系统的荷载，不得不除去：( 3 ) 有一半 产品可能与不同的受体作用从而产生潜在的药害或副作用【4 2 1 。 2 0 世纪9 0 年代以来，光学活性农药的高生物活性越来越引起人们的重视。 光学活性拟除虫菊酯杀虫剂的研究尤为突出，光学活性拟除虫菊酯商品的种类 和产量都在迅速增加。拟除虫菊酯农药分子的酸和醇部分均含1 2 个手性碳原 子，可以有2 8 个光学异构体，很多拟除虫菊酯在菊酸部分有碳碳双键或三碳 环，故还有因之产生的顺反异构现象，各立体异构体间生物活性和毒性差异很 大。表1 2 、1 3 、1 - 4 分别列出丙烯菊酯、氰戊菊酯和溴氰菊酯各光学异构体的 相对毒力和毒性。从表中可以看出，丙烯菊酯光学异构体的生物活性相差2 0 0 倍，而s ，孓氰戊菊酯的活性比其他对映体活性高出4 0 0 倍，且毒性较低，不会 诱变产生肉牙瘤【4 3 1 。 表1 2 丙烯菊酯光学异构体对蝇的活性 t a b l e1 - 2p r o p y l e n ep e r m e t h r i no p f i c a li s o m e r s0 1 1t h ea c t i v i t yo ff l i e s 表1 3 氰戊菊酯光学异构体的生物活性 t a b l e l - 3f e n v a l e r a t eo p t i c a li s o m e r so f b i o l o g i c a la c t i v i t y 6 中南大学硕士论文第一章绪论 表l - 4 溴氰菊酯与其他7 各光学异构体的活性比较 t a b l e1 - 4d e l t a m e t h r i na n do t h e ro p t i c a li s o m e r so ft h e7a c t i v i t yc o m p a r e d 在下列通式( 图1 - 2 ) 中在酸的不饱和侧链引入不同取代基，其立体异构体 生物活性的差异如表1 5 所示。表中数据是对家蝇点滴实验的相对毒力，对照 药剂为溴氰菊酯( 相对毒力为1 0 0 ) ，其中酸组分侧链烯键的e 、z 异构体的最 大活性差别可达3 7 倍。 心u 图1 2 某拟除虫菊酯的结构通式 f i s 1 - 2t h es t r u c t u r eo fag e n e r a lf o r m u l ap y r e t h r o i d 表1 5 改变酸侧链取代基对杀虫活性的影响 t a b l el 一5t h ee f f e c to ft h ea c i ds i d ec h a i ns u b s t i t u e n t so nt h ei n s e c t i c i d a la c t i v i t y 7 中南大学硕士论文第一章绪论 1 4 2 光学异构体菊酸的制备方法 制备光学活性菊酸是合成光学活性拟除虫菊酯的前提之一。光学异构体的 制备方法有外消旋体的拆分、不对称合成和差向异构化3 种。 ( 1 ) 外消旋体拆分外消旋体的拆分即将一个外消旋体的两个对映体， 通过各种方法分离，使之成为纯净的过程。拆分外消旋体的方法很多，最常用 的是形成和分离非对映体异构法。 根据对映体在晶体状态下晶间力相互作用的差异，外消旋体可以分成以下 3 种情况g 外消旋化合物：当各个对映体的分子在晶体上，对其相同种类的分子具有 较大的亲和力时，只要有一个( + ) 分子晶体，则只有( + ) 分子在其上增长， 分别结晶成为( + ) 或( ) 对映体的晶体。可见，外消旋混合物是( + ) 型晶 体与( ) 型晶体的混合物，其性质在很多方面与其纯态对映体相似。 外消旋固体溶液：当一个外消旋体的相同构型分子之间和相反构型分子之 间的亲和力相差小时，此外消旋体所形成的固体，其分子的排列是混乱的，即 得到外消旋体固体溶液。它的性质在很多方面与两个对映体相同。 利用它们的熔点图或溶解度图可以确定一个外消旋体是属于上述哪种类 型，比较简便的方法如下所述。在外消旋混合物中加入纯的对映体，通常熔点 上升；在外消旋化合物中，则导致熔点下降：而在外消旋体固体溶液的情况下， 熔点无明显变化。在溶解度方面，外消旋混合物和外消旋体固体溶液的饱和溶 液，对其对映体也是饱和的；但是外消旋化合物的饱和溶液，对其对映体却不 饱和。 优势结晶法 优势结晶法即从外消旋体的过饱和溶液中将一个对映体先行结晶出来。只 有外消旋混合物可采用优势结晶的方法分离。在外消旋混合物的过饱和溶液中， 用所需对映体的晶种诱导，则该对映体便优先结晶出来。例如用优势结晶法拆 分氰戊菊酸，在( 士) 氰戊菊酸二乙胺盐的饱和溶液中加入2 5 0 r a g ( + ) 氰戊菊 酸二乙胺盐，缓慢冷却，过滤得双+ ) 氰戊菊酸二乙胺盐5 6 9 ， 【a o - - - - + 2 4 8 0 ( c _ 2 0 0 ，c h 3 0 h ) ，光学纯度9 3 1 。在分离后的滤液中加入5 5 9 外消 旋盐加热溶解，冷却至3 5 时加入r ( ) 氰戊菊酸二乙胺盐，静置过滤得r ( ) 氰戊菊酸盐结晶6 o 舀m 萨一2 6 0 。( c = 2 。0 0 ，c h 3 0 h ) ，光学纯度8 5 2 。如 此交替重复可拆分得( + ) 和( ) 一氰戊菊酸盐结果见表1 - 6 。南京农业大学王 鸣华老师啪3 曾用优先结晶法连续拆分( 士) 2 ( 对一氯苯基) 异戊酸( 氰戊菊酸) 的二乙胺盐，分别制得光学纯度9 5 以上的孓( + ) 戊菊酸和光学纯度9 0 以上 8 中南大学硕上论文第一章绪论 的尺( ) 氰戊菊酸，成本低，收率高，已投入工业化生产【卅。 表1 _ 6 氰戊菊酸二乙胺盐选择结晶实验结果 t a b l e1 - 6f aa c i dt r i e t h y l a m i n es a l tc r y s t a l l i z a t i o ns e l e c t i o nr e s u l t s 表1 - 7 二乙胺拆分( 士) 氰戊菊酸的熔点和光学纯度 t a b l e1 - 7s p l i td i e t h y l a m i n e ( 士) 一f aa c i dm e l t i n gp o i n ta n do p t i c a lp u r i t y 优势结晶拆分虽然应用有限，但因其工艺简便，成本低，拆分效果好，若 运用恰当，可作为生产上比较理想的大规模拆分方法。 化学拆分法 用光学活性化合物与外消旋体反应生成非对映体的盐、酯、酰胺衍生物， 利用非对映体物理性质的差异，采用结晶或层析法分离，将分离出的各非对映 异构体用合适的试剂分解，便可得到单一光学异构体( 图1 - 3 ) 。非对映体分解 时不应发生外消旋化，同时要求拆分剂有较高的回收率。此法是外消旋体拆分 制备光学异构体的主要方法【4 卯。 9 中南大学硕士论文第一章绪论 宫 s 小苯乙胺 c - - o h c i ( + ) 氯霉胺 - - - - 一o h o h 协，c h s 拄o h 州卢d 一晰黼酸 + 图1 3 化学拆分法实例 f i g ，i - 3t h ee x a m p l e so f t h ec h e m i c a ls e p a r a t i o nm e t h o d 以手性试剂与外消旋体反应生成非对映异构体，它们在一些溶剂中的溶解 度呈明显差异。一般可用结晶分离，分离后的非对映体经解析后可等到纯的单 一光学异构体，并回收拆分剂。拆分成功的关键是选择适当的拆分剂和溶剂。 一个理想的拆分剂必须具备以下条件： 第一，拆分剂必须容易与外消旋体结合成非对映异构体，经拆分后又容易 分解成原来的组分。如果拆分酸性化合物，则手性碱试剂是最常用的拆分剂。 反之，若拆分碱性化合物，则应选择酸性拆分剂。因为酸碱反应非常快速、简 便，形成的盐具有较好的结晶性，较容易分离提纯。 第二，形成的非对映异构体，至少二者之一能形成好的结晶，且溶解度有 比较大的差异。 第三，拆分剂应尽可能达到旋光纯度。原则上被拆分的化合物可能达到的 旋光纯度不会超过所用拆分剂的旋光纯度。例如用光学纯度9 0 的拆分剂拆分 外消旋体时，将生成1 0 的对映异构体。即使整个拆分过程非常理想，拆分的 旋光异构体的光学纯度最高只能达到9 0 。 第四，拆分剂必须价廉易得，并能够定量回收。否则，在大量拆分过程中 会使成本过高。许多植物碱，如马钱子碱、麻黄碱都比较低廉，且容易回收。 一些酸性拆分剂如( + ) 1 0 樟脑磺酸、酒石酸等却比较低廉，以致可以放弃回收。 m a t s u i 报道了顺式菊酸的拆分，以三( + ) 赖氨酸为拆分剂，得到其两对映 体：y u k i o 用r ( + ) n ( 2 羟基3 甲氧苄基) 1 苯乙胺对q 苯基异戊酸进行拆分 f 3 3 】；用d ( ) 氯霉胺或三( + ) 氯霉胺拆分剂分离( + ) 反式菊酸和( ) 反式菊酸一些常 用的化学拆分剂，见表1 - 8 至表1 - 1 0 。其他拆分剂：酒石酰苯胺酸、异氰酸薄 荷酯、薄荷肼、氨基脲等。 1 0 中南大学硕士论文第一章绪论 表1 8 碱性拆分剂 t a b l e1 - 8s p l i ta l k a l i n ea g e n t 试剂 r ( + ) 酒石酸s ( - ) 苹果酸d - 1 0 樟脑磺酸6 , 6 硝基- 2 ，2 联苯 二甲酸 旋光性 a v + 1 2 0 。【a l v - 5 。9 。【a i d + 2 1 6 。【c t i q ：1 2 7 0 表1 1 0 除虫菊酸的拆分 t a b l e1 - 10s p l i to fp y r e t h r u m 酶和微生物拆分法 由于酶和微生物的高度立体专一性，它只对外消旋体的一种对映体作用， 故可使外消旋体拆分为光学异构体。用酶和微生物拆分外消旋体，比化学拆分 法具有一些明显的优越性：第一，酶催化的反应通常具有高度立体专一性。因 中南大学硕：l 论文 第一章绪论 此，得到的产物光学纯度很高；第二，副反应少，产率高，产品分离提纯简单； 第三，酶催化的反应大多在温和条件下进行，p h 值接近中性。因此没有设备腐 蚀问题，安全性也高；第四，酶无毒，易降解，不会造成环境污染，适合大规 模生产。由于酶的特异性只得到对映体中的一种，光学纯度几乎1 0 0 。1 9 8 8 年，m i s t u t a 申请了三项酶法拆分菊酯系列的专利，分别采用球形节杆菌 ( a r t h r o b a e t e rg l o b c if o m i s ，t h e r m o m y e e sl a n u g i n o s u s ) 、猪肝脂酶( p l e ) 、节杆菌 ( a r t h r o b a c t e rs p ) 、杆状菌( b a c i l l u s s p ) 水解二氯菊酸酯和氯三氟甲基菊酸酯，得 到光学纯度1 0 0 的光学异构体。1 9 9 5 年n i s h i z a w a 等【3 4 】从a r t h r o b a c t e r g l o b i f o r m i s 克隆了酯酶基因，并在e c o l i 细胞中进行表达，高立体选择性催化 水解反式一菊酸乙酯获得光学纯度大9 9 9 的反式( 1 r ，3 r ) 菊酸 4 6 1 。 高效液相色谱法 用非对称化合物，如淀粉、蔗糖、环糊精、纤维素及衍生物、石英砂等作 为柱色谱吸附剂，对映异构体即形成具有非对映立体异构关系的两种吸附物。 它们的稳定性有差异，吸附性能差异使其在洗脱过程中，吸附较松弛的异构体 优先被洗脱，使外消旋体被拆分成旋光异构体【4 7 1 。在流动相中添加手性试剂， 也能达到同样效果。由于纤维素具有不对称结构，因此，纸色谱分离法也可以 被用于外消旋体的拆分。 用柱色谱、气相色谱、高效液相色谱拆分农药分子的例子很多。随着色谱 技术、手性固定相( c c p s ) 合成方法和拆分过程的手性识别机理等方面研究工作 的巨大进展，色谱拆分方法更广泛地被应用，并越来越成为解决立体化学问题 的重要而有效地工到4 引。 ( 2 ) 立体转换在适当条件下，一种光学异构体可以差向异构化为其对映 体或另一种构型的异构体。这方面研究最多的就是将菊酸的三个活性较差的光 学异构体差向异构化为活性较高的1 尺，3 r ，t r a n s 异构体( 图1 4 ) 。 应用差向异构化技术最有使用价值的例子是拟除虫菊酯a 位构型的转化。 ( 3 ) 天然手性物质的利用自然界存在很多价廉易得的天然手性化合物， 其中含量较大的天然手性化合物常称为“手性池 化合物，它们通常只含有一 种对映体。用它们作为起始原料制备手性化合物，无需经过复杂的拆分过程， 原料丰富，价廉易得，生产过程简单，产品光学纯度高，是光学活性农药生产 的重要方法。如碳水化合物、氨基酸、酒石酸、维生素c 等均可作为起始原料 或光学活性诱导剂合成光学活性菊酬4 9 1 。 1 2 中南大学硕士论文第一章绪论 a 1 b r 3 f i b h p 或b c l 3 , b f 3 - - - - - - - h 消旋化 砖洲 【+ ) - i r ，3 s ，c i s ( ) i s , 3 r c i | h 图1 4 菊酸的差向异构化 f i g 1 - 4e p i m e d z a t i o no f p y r e t h r u m ( 4 ) 不对称合成不对称合成是从非手性化合物出发，利用不对称反应直 接合成光学活性物质的一种方法。当利用某些不对称因素如不对称试剂、不对 称溶剂或不对称催化剂进行反应时。可获得不对称的光学活性物质。近年来， 不对称合成制备光学活性菊酸的报道日益增多，如用不对称铜络合物作催化剂 的重氮乙酸乙酯法合成菊酸时，得到光学纯度9 4 的1 r ，3 r ，t r a n s 菊酸乙酯。 收率8 9 9 ，产物的构型取决于催化剂的构型【5 0 】。也有用酶催化的不对称合成 用于光学活性菊酸合成的实例，如氧化一还原酶、水解酶等。 1 5 研究光学活性拟除虫菊酯的意义 ( 1 ) 手性是一切生命的基础，由于生物体对手性物质具有精确的识别作 用，所以不同异构体的生物活性有可能存在着极大的差异，光学活性产品的高 效性不言而喻。通过异构体分离，可减少占二分之一的低效体或无效体进入环 境，符合人类保护生态环境的要求。高效、超高效产品的问世，使生产吨位大 大降低，工厂成本降低，产品附加值增高，并节约包装运输等费用，最终使成 本降低。与创一个全新结构的农药相比，在现有品种的基础上开发光学活性产 品的成功几率可能要大一些，并且光学活性产品对靶标酶具有更好的立体选择 性，减少对非靶标生物的毒性药害等不安全因素。研究光学活性拟除虫菊酯， 不仅可以开发出生物活性更高的杀虫剂，而且在环境学、经济学、毒理学等方 面都具有重要意义t m j 。 中南大学硕：仁论文 第一章绪论 ( 2 ) 拟除虫菊酯的酸和醇结构中有多个手性碳原子，存在多个光学异构 体，因此通过拆分外消旋体来获得单一光学异构体拟除虫菊酯是非常困难的， 也没有相关文献报道。单一光学异构体菊酸是合成单一光学异构体拟除虫菊酯 的关键，因此如何获得单一光学异构体菊酸成为热门课题。 运用差向异构化法，手性源合成法和不对称合成法这些方法虽然成功地制 备了单一光学异构体菊酸，但由于生产成本太高，目前仍难以广泛应用。另外， 据统计，大约有6 5 的非天然手性化合物是由外消旋体或中间体产物的拆分得 到的。 而优势结晶法需要大量的拆分剂和溶剂，操作繁琐啼刳；化学拆分法操作繁 琐，成本较高：酶和微生物拆分法由于反应进行缓慢，被酶作用物浓度低，分 离产物费时费力，拆分成本较高【5 3 】：手性h p l c 法由于手性填充剂价格昂贵， 操作时需耗用大量溶剂，分离的量有限，仅用于标准样品的制备【3 9 】，而用于手 性农药对映体制备性分离的研究工作还不多i 剐。 目前，随着支载液膜、手性固膜、动力学分离【s 5 】等方法拆分对映体的研究， 手性溶剂萃取是近年发展起来的一种新的对映体制备性分离技术【5 6 1 ，由于其分 离体系有一定的规律，并且适用范围较其它分离方法大大扩宽，近年来受到众 多研究者的高度重视【5 刀。 1 6 本课题研究的主要目标和任务 本文采用手性溶剂萃取拆分法，对功夫菊酸、反式d v 菊酸、氰戊菊酸三种 药物对映体进行了拆分研究，考察了功夫菊酸、反式d v 菊酸、氰戊菊酸药物对 映体在含有手性选择体的水一有机溶剂两相系统中的萃取分配行为，考察p h 、手 性选择体浓度、有机溶剂等因素对萃取性能的影响。 ( 1 ) 建立了功夫菊酸、反式d v 菊酸、氰戊菊酸三种对映体手性固定相高效 液相色谱分析方法。 ( 2 ) 基于化学热力学原理和质量守恒定律，对手性萃取平衡的基本理论进行 了研究，指出手性萃取是依据手性选择体和药物对映体生成了两个非对映体复合 物来实现，两非对映体复合物在疏水性有机相中自由能差a ( a g ) 为手性萃取分 离提供推动力。理论上，只要a ( a g ) 大于0 ，即分离因子( 大于l ，就能实现对 映体的萃取分离。 ( 3 ) 采用具有应用前景的酒石酸衍生物作为手性选择体，考察p h 、手性选择 体浓度、有机溶剂等因素对各药物对映