（应用化学专业论文）七氟菊酯中间体的合成研究.pdf

摘要 本论文进行了七氟菊酯农药中间体4 甲基2 ，3 ，5 ，6 四氟苄醇的合成研究。 设计并合成了目标产物：首先对苯二甲酸在碘存在下以发烟硫酸为溶剂进行氯化 制备四氯对苯二甲酸，以d m f 为催化剂与二氯弧砜反应生成四氯对苯二甲酰氯， 经氟化钾置换氟化，甲醇酯化得到四氟对苯二甲酸二甲酯，在二乙二醇二甲醚中 以硼氢化钠进行还原生成四氟对苯二苄醇，在溴化氢溶液中溴化得到溴化产物， 最后再经镁粉还原得到目的产物。 论文中主要对影响氯化反应的各个因素、酰氯化反应的后处理方法进行了研 究；着重对氟化反应的影响因素进行了条件实验，包括溶剂、温度和相转移催化 剂，确定了氟化反应的最佳条件，并对微波激励氟化反应进行了初步探讨；选择 出合理可行的还原方法，得到了四氟对苯二苄醇，经溴化还原得到目的产物，总 收率可达1 7 4 产品经红外及气，质联用鉴定。 关键词：对苯二甲酸四氯对苯二甲酰氯四氟对苯二甲酸二甲酯相转移催 化剂4 ，甲基2 ，3 ，5 ，6 四氟苄醇 a b s t r a c t ，胁e s y n t h e s i s o f4 - m e t h y l 一2 ，3 ，5 ，6 一t e t r a f l u o r o b e n z e n em e t h a n o l ，w h i c hi s a n i m p o r t a n tp e s t i c i d e i n t e r m e d i a t eo ft e f l u t h r i n ，w a sd i s c u s s e di nt h i s p a p e r t e t r a c h l o r o t e r e p h t h a l i c a c i dw a sp r e p a r e db yc h l o r i n a t i n gt e r e p h t h a l i ca c i d ，o l e u m s o l v e n ta n di o d i n ec a t a l y s t t e t r a c h l o m t e r e p h t h a l i ca c i dw a sa c y l a t e db ys u l p h u r o u s o x y c h l o r i d ei nt h ep r e s e n c eo fd m f t of o r mt e t r a c h l o r o t e r e p h t h a l o y lc h l o r i d e t h e a c y l c h l o r i d e p r o d u c tw a s f l u o r i n a t e db yp o t a s s i u mf l u o r i d ea n de s t e r i f i e d b y m e t h a n o lt o s y n t h e s i z ed i m e t h y lt e t r a f l u o r o t e r e p h t h a l a t e t h e e s t e rw a sr e d u c e d w i t hs o d i u mb o r o h y d r i d et og i v et e t r a f l u o r o t e r e p h t h a l y la l c o h 0 1 t h ea b o v ep r o d u c t w a sb r o m a t e di nt h eh y d r o b r o m i ca c i dt oo b t a i n4 - b r o m o m e t h y l 一2 ，3 ，5 ，6 一t e t r a f l u o r o - b e n z e n em e t h a n o l ，t h ef i n a lp r o d u c tw a so b t a i n e db yr e d u c i n g4 - b r o m o m e t h y l - 2 ，3 ， 5 , 6 一t e t r a f l u o r o b e n z e n em e t h a n o lw i t hm a g n e s i u m t h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ec h l o r i n a t i o na n dt h ef o l l o w i n gt r e a t m e n tm e t h o do f t h ea c y lc h l o r i n a t i o nw a s s t u d i e d ，e s p e c i a l l yt h ef a c t o r si n f l u e n c i n gf l u o r i n a t i o nw a s s u c ha s s o l v e n t ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dp h a s e - t r a n s f e rc a t a l y s t s t h eo p t i m u m c o n d i t i o nw a sd e t e r m i n e d m i c r o w a v es t i m u l a t i n gf l u o r i n a t i o nw a sa l s os t u d i e di n t h i sp a p e r t h ep r a c t i c a lr e d u c i n gp r o c e s s t og e tt e t r a f l u o r o t e r e p h t h a l y la l c o h o lw a s o b t a i n e dw h i c hw a sb r o m a t e da n dr e d u c e dt og i v et h ef i n a lp r o d u c t t h eo v e r a l l y i e l dw a s1 7 4 t h es t r u c t u r eo f t h ep r o d u c tw a s i d e n t i f i e db yi ra n dg c m s k e yw o r d s ：t e r e p h t h a l i ca c i d t e t r a c h l o r o t e r e p h t h a l o y lc h l o r i d e d i m e t h y lt e t r a f l u o r o t e r e p h t h a l a t e p h a s e - t r a n s f e rc a t a l y t i c 4 一m e t h y l - 2 ，3 ，5 ，6 一t e t r a f l u o r o b e n z e n em e t h a n o l 独创性声明 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘茎或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：琴援乞签字日期：乙护影年月岁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授 权鑫连盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：张宅 签字目期：z 哆年月够e t 导师签名： ) s 蓝青 签字日期：心年1 月t t - 日 天津大学硕士学位论文 前言 天然除虫菊直是防治家庭、畜舍、仓储等虫害的理想杀虫剂。天然杀虫菊 紊是除虫菊花中的有效成分，但因除虫菊花的生长受土地、气候、农田栽培条件 和劳力的限制，其产量有限。四十年代后期第一种人工合成的拟除虫菊酯问世， 这为拟除虫菊酯杀虫剂的发展开辟了广阔的前景。 近些年来国外拟除虫菊酯杀虫剂的发展很快。七十年代初，英国m e t l i o t t 合成了氯菊酯、氯氰菊酯和滨氰菊酯，日本o t m o 合成了氯戊菊酯等。随着国外 很多化学公司对拟除虫菊酯杀虫剂的研究，我国也开始了对拟除虫菊酯杀虫荆的 开发。迄今已有氨菊酯、甲醚菊酯、氯菊酯、戊菊酯、氰戊菊酯、氯氰菊酯、高 效氯氰菊酯、顺氯氰菊酯和氟氰菊酯、二氯炔戊菊酯等几大种类菊酯的投产 o ”。 我国虽然已具有系统地研究开发拟除虫菊酯类杀虫剂的能力，并已形成了一 定的基础，但在其发展中还存在着许多阃题：首先，应注重结合我国的国情，考 虑原料、技术条件和应用水平等等。其次，要注意拟除虫菊酯的立体异构与其生 物活性有极大的关系。第三，要加强中间体的配套、保证中间体的质量才能得到 高质量的菊酯。第四，要积极探索和筛选新的拟除虫菊酯剂型和复配的研究以及 应用技术的开发。 七氟菊酯( t e f l u t h r i n ) 是一种重要的拟除虫菊酯类杀虫剂。主要应用领域为 土壤杀虫。该药剂是在1 9 8 6 年由英国h 内门( i c i ) 公司开发的，在国内该药完 全依赖进口，直到目前仍属空白产品，市场前景十分广阔。因而开发“七氟菊酯” 农药工艺具有重大的社会意义和经济价值。 圣堡查堂堡主兰垡丝塞 第一章文献综述 第一节七氟菊酯农药简介 七氟菊酯的化学名称是( z ) 一o r s ，3 r s ) 一3 - ( 2 氯一2 ，3 ，3 - 三氯丙一1 一稀基) - 2 ，2 一二甲 基环丙烷羧酸一2 ，3 ，5 ，6 - 四氟一4 - 甲基苄基酯。商品名称有：f o r c e ，f o r z a ，p p - 9 9 3 ， t f 一3 7 5 4 等。化学结构为： 隆公cfa- i c = c - 2 上c c h 3 七氟菊酯纯品是无色晶体，原药为米黄色固体，无特殊气味。其熔点为4 4 6 ，1 2 0 。c 时蒸汽压为8 m p a ，2 0 c 时为2 5 m p a 。七氟菊酯难溶于水，能溶于大多 数有机溶剂，如2 0 c 时，在丙酮、二氯甲烷、乙酸乙酯、甲苯中溶解度均大于 5 0 0 9 l 。在1 5 2 5 c 时，七氟菊酯至少稳定9 个月，其水解半衰期为3 0 天。 七氟菊酯对人畜、水生生物的毒性很高，其对雄大鼠急性经口毒性l d 5 0 为2 2 m g k g ，雌大鼠为3 5m g k g 对雄大鼠急性经皮毒性l d 5 0 为1 4 8 1 4 8 0 m g k g ，雌大鼠为2 6 2m g k g 对大鼠急性吸入毒性l d 5 0 ( 4 h ) 为o 4 - 0 5m g l l 空气，其对鱼毒性l d 5 0 ( 9 6 h ) 为虹鳟6 m g l 。七氟菊酯对鸟类和蚯蚓的毒性较 低，对鹌鹑急性经口毒性l d 5 0 为7 3 0m g k g ，野鸭为4 1 9 0 m g k g 。 七氟菊酯药剂能有效地防治鞘翅目、栖息于土中的鳞翅且以及某些双翅目害 虫，常用于玉米、甜菜等作物的杀虫。1 1 0 9 ( 有效成分) 亩即可有效防治南瓜 十二星瓢虫、金针虫、跳甲、地老虎、玉米螟、麦杆蝇等土壤害虫。七氟菊酯也 可以用于种子处理，它的制剂类型有1 5 ，3 0 颗粒剂和1 0 乳油。 七氟菊酯可由1 氯1 。三氟甲基菊酰氯( 菊酰氯) 与2 ，3 ，5 ，6 四氟4 甲基苄基 醇( 简称四氟苄醇) 反应制取 4 1 。反应方程式如下： 天津大学硕士学位论文 甚厶 c f ，厂6 ：c _ 上尘l c c l 十 ；一c “c ：lc 俨位k f 吼 fh = 二 菊酰氯和四氟苄醇是合成七氟菊酯的重要中间体。菊酰氯已完成了工业化 生产而四氟苄醇在国内尚属空白。 本论文的目的是设计并合成四氟苄醇，为国内工业化生产七氟菊酯农药提供 基础数据。 第二节四氟苄醇合成路线的选择 1 2 1 四氟苄醇简介： 四氟苄醇的化学名称为：2 , 3 ，5 ，6 一四氟4 一甲基苄醇，分子式c 8 h 6 f 4 0 ，熔点 6 1 6 2 e r ”，其结构式如下： 四氟苄醇不仅可以用于合成七氟菊酯，而且也是合成其它菊酯类农药的重要 中间体，如将其对位进行甲基氯化、氧化、酯化1 5 卅等不同反应，可以制得一系 列菊酯类化合物。因此，研究四氟苄醇的合成具有重要的意义。 1 2 2 合成路线 根据文献报道及理论分析，合成四氟苄醇可能的主要有以下几条合成路线， 有以下几条： ( 一) 以四氟苯为原料 文献中对于四氟苄醇合成路线报道较少，下面是文献【7 9 】中仅见到的一条路 线：以四氟苯为原料经过甲基化、羰基化、还原的合成方法，具体路线如下： 天津大学倾十学位论文 觏等噜；等 l i a l l if f 这条路线所用的原料四氟苯价格较贵，目前市场价格为8 0 万吨，合成中所 用的试剂如碘甲烷，氢化铝锂价格也非常昂贵，不适合于工业化生产；而且反应 条件要求较苛刻，如甲基化中需要在低温一4 5 。c 下操作，羰基化则需要使用高压 致使生产成本较高。反应最终收率也不高，不到1 。这条路线作为工业化路线 必然使得四氟苄醇的价格较高，这也是目前七氟菊酯价格达到1 0 0 0 万元 g 的一 个原因。 ( 二) 以六氟苯为原料 六氟苯经甲基化、侧链溴化、氧化、氯酰化、还原、部分还原六步合成四氟 苄醇。 fc l i e f 乙醚 f b r ， o + f u v f氧化 fk m n 0 4 c o o hc lc h 2 0 h 玲；监呦骂晗；驾 f f 这条路线总共6 步，除第4 、6 步文献 7 1 中仅提到方法，而未提到收率外， 其他各步均有收率数据。不计第4 、6 步的收率按照文献值计算出总收率为o 1 7 ， 可以看出收率很低，而且反应中所用的试剂甲基锂、六氟苯，价格十分昂贵，因 此无论从收率、还是从经济角度看这都不是一条适合于工业化的路线。 m 喀 天津大学硕士学位论文 ( 三) 以对二甲苯为原料 1 对二甲苯经氨氧化、氯化、氟化、甲基化、侧链部分溴化、还原合成四氟苄 醇。 f “3刚 訾 m g c h 3 b r t h f c h 3 c 1 2c f b r 9 2 fu v c 1 k f c 1 f n a b h 4 f c h 3 f f f f 这条路线所用原料价格便宜，除了第1 步外，其余各步实现较容易。但据文 献资料其收率的瓶颈在于第4 步即： y f _ 杰_ ，峄c h 3 ； 收率只有1 2 ，因此根据文献【8 4 3 1 值计算整个反应收率小于9 3 6 ，而且第一步 氨氧化反应需采用固定床气固相接触催化反应，条件不好控制而且催化剂需进行 筛选，反应复杂因此也需要对这一步反应单独研究从而提高成本。 2 对二甲苯经氨氧化、氯化、氟化、甲基化、氧化酯化、水解合成四氟苄醇。 鳖 + l ll i c l ，c c c l c l f f 天津大学硕士学位论文 m g c t l 3 b r t i 【f fc h 。c o o n a f0 2 o 0 n a o h f f 该路线与上条路线前四步相同，只是最后两步是经甲基氧化酯化及水解合 成，同样存在最后总收率不高，第1 步反应复杂的问题。 3 对二甲苯经氨氧化、氯化、氟化、部分甲基化、水解，还原合成四氟苄醇。 墼 + l il l m g c h 3 b r t h f c l 。c c n f h 。o 二二 fn a o h c 1 c 1 f h f f f f 这条路线与第一条路线前三步相同，只是最后三步采用了部分甲基化、水解、 还原的合成方法，解决了第4 步收率只有1 2 的瓶颈，即由 呤；警f 嚏邯f 收率达到了7 8 ，最后一步收率也有4 4 ，但仍然存在第1 步反应复杂的缺点， 若对苯二腈作为商品能够买到，而且价格不贵，那么该路线将是一条非常理想的 工艺路线。 ( 四) 以对苯二甲酸为原料 1 对苯二甲酸经氯化、氨化脱水、氟化、水解、( 氯化) 、还原、部分还原合成 四氟苄醇。 胪喀 天津火学硕士学位论文 f f c o o h c 】。 c l c i c n c 。c l fn a o h f h 2 0 c i n h 3p e 1 5 c 1 j c 1一h 2 0 c l f 部分还原 f pp c i ； f f f c o c l c 1k f c l f n a b h 4 c h 2 0 hc h 2 0 h 这条路线有7 步，其中反应步骤虽然文献4 1 有报道，但是收率不详。可以 看到反应路线较长，过程繁琐，明显不如下面一条类似的合成路线。 2 对苯二甲酸经氯化、氟化、酯化、还原、侧链部分溴化、再经还原制备四氟 苄醇。 c 1 。 c o + c f h b r f c l k f c 1c h 3 0 h f f m e ( h f f 这条路线所用原料价格便宜，且各步实现方法较简单。除了第3 、5 步反应 收率文献中没有报道其余均有报道，总收率达到4 8 1 。而且据文献7 ，1 5 _ 1 8 】中说 第3 、5 步实现并不困难。综合考虑认为这是一条较合理的工艺路线，本课题将 采用该路线合成目标产物四氟苄醇。 删审嘞删审嘞 天津大学硕士学位论文 第三节论文研究内容 本论文主要对路线中四氟苄醇的合成进行研究，采用由对苯二甲酸经氯化、 酰氯化、氟化、酯化、还原、溴化再还原而最终得到目的产物的合成路线，具体 步骤如下所示： c i o o hc o o h c o c i 9 马颜於纠- - c i 翔- 7 即c i c o o h c i 。h6 0 c ， g o fg o o c h 3 o h o h 旦固二；蛆中p 、一r 竺k ；企；f y - f 占o f c o o c h 3 c j h ，。h h b rf r _ f f 该路线所用原料对苯二甲酸价格便宜，虽然步骤较多，但是操作较简单，容 易实现，预期收率可望达到2 0 。 1 3 1氯化和酰氯化 氯化的方法主要有三种类型，即取代氯化、加成氯化和置换氯化。对于苯环 匕的氯化则主要是取代氯化和置换氯化两种。芳环上的取代氯化是亲电取代反 应，由于对苯二甲酸两个致钝基团的存在，使亲电取代反应较难进行。 文献中提到过三种合成四氧对苯二甲酰氯的方法：( 1 ) 对苯二甲酸经酰氯化 制得对苯二甲酰氯再氯化制得四氯对苯二甲酰氯1 2 0 之 】。其反应方程式如下： + 2 s o c 5 骂十2 s 晚十2 h c j & 鼢 【l 【l j h坠 严嘻 6 艿 天津大学硕士学位论文 4 c 1 2 + ( 1 ) f ef 、 + 。 ( 2 ) f e c i ，c + 4 h c l c o c i e o c l 注：第二步反应既可以用铁做催化剂也可以用三氯化铁做催化剂 ( 2 ) 以氯磺酸为溶剂，加入三氧化硫为脱水剂，碘为催化剂通氯气的一步合成 法1 2 ”。反应方程式如下： + 4 c | 2 + 4 s 0 3 叫c c 1 + 2 c i s 0 3 h + 2 h 2 s 0 4 1 c o o h c o c l ( 3 ) 以发烟硫酸为溶剂，先氯化制得四氯对苯二甲酸再酰氯化得到四氯对苯二 甲酰氯2 3 1 ，路线如下： c 1 2 + 碘 发烟硫酸 11 鱼竺! 1 1 精带j d m f c o c l c l c l 本论文将对以上三条路线分别进行实验以找到一条最适合于工业化生产的 路线，并优化反应条件，提高反应的收率。 1 3 2 氟化和酯化 氟化反应将是本论文研究的一个重点。拟采用k f 为氟化剂进行氟卤置换氟 化。由于氟的化学修饰作用使许多芳环化合物显示出特殊的生物活性，使得具有 低毒高效等优点的含氟芳杂环化合物取得迅速发展，从1 9 8 1 年到1 9 8 6 年，世界 范围内就有1 3 万份有关于含氟医药和农药的专利申报【2 4 1 。如今，芳香族氟化物 在精细化工应用领域的年消费量约在4 0 0 0 4 5 0 0 吨。其中农业方面最大，占2 0 0 0 吨；医药方面其次，占1 5 0 0 吨：其余是聚合物、染料、液晶方面嘲，且整个市 场需求的年增长率在7 左右。同时有机氯及有机磷等农药因污染严重在生产和 应用方面受到限制，含氟农药得到了迅速发展，其主要用作除草剂和杀虫剂，七 拄 h 卜 天津大学硕士学位论文 氟菊酯正是其中的一个品种。 芳香族氟化方法可分为直接氟化、重氮盐转化、氟卤置换氟化等。本论文采 用氟卤置换氟化合成四氟对苯二甲酸酯。 卤素交换法既是用氟的碱金属赫类作为氟化剂，对含有其他卤素( 如氯) 的 芳香族化合物进行取代而制备芳香族化合物的方法。卤素交换法具有原料容易得 到、反应简单和专一性高的优点，应用日益广泛。 其反应机理可用下式表示： 仔- 腑一锚一 c z ：n 0 2 ，c n ，c f 3 该反应属亲核取代反应，由于强吸电子基团的z 的作用，使其邻位和对位 缺电子而带有6 + 。另外，溶剂的极化作用使碱金属氟化物形成极化m + f 一，在无 水情况下产生氟负离子。金属氟化物的氟离子进攻苯环上6 + 的位置而发生取代 反应。 由以上反应历程可以看出。适宜的反应温度( 达到f - 进攻8 + 位的活化能) 和非质子极性溶剂( 稳定、利于碱金属氟化物的极化) 是影响反应的关键。 本论文将主要采用置换氟化法，采用氟化钾作氟化剂，探讨反应温度、溶剂 对反应的影响，考虑采用的反应溶剂有：d m f 、d m s o 、d m s 0 2 、t m s 0 2 、n m p 等，反应温度拟选用1 3 0 。c 、1 5 0 。c 、1 7 0 。c 、1 9 0 。c 等，通过条件实验确定最佳 的反应条件。另外探讨相转移催化剂对反应的影响，考察聚乙= 醇类、杯芳烃类 相转移催化性能，通过条件实验选定最佳的相转移催化剂。 由于微波具有对物质高效、均匀的加热作用，同时化学反应的速率与温度 又有显著的关系，因此人们自然联想到将微波应用于化学反应以提高反应速率。 并且大量实验表明微波确实可以极大的提高一些化学反应的速率，使一些在通常 情况下不易进行的反应迅速进行。但也有一些研究发现，微波有时也会抑制一些 反应的进行。 这表明微波除了具有热效应以外，还存在一种不是由温度引起的非热效应。 微波作用下的有机反应不仅改变其反应速率，而且也改变了反应动力学。因此需 天津大学硕士学位论文 从多方面考虑微波对于反应可能引起的影响因素。 由于微波合成法较之于传统化学合成方法的多种优越性，将微波应用于氟 化反应可以显示其快速的特点。微波不仅可以迅速提供氟化反应所需要的高温条 件，并且微波法对于极性溶剂的极性效应有利于k f 的极化，使氟亲核取代反应 容易进行。另外，微波法的操作程序简便，反应产物单一。因此，微波在有机氟 化物的合成中有着广阔的应用价值。 由于该方法现阶段工业化还不成熟，因此本论文只作初步研究，探讨微波 法对于氟化反应的适用状况，考虑用到的反应溶剂：t m s 0 2 、d m f 等，反应时间 1 2 r a i n 。 1 3 3 还原 这一步将进行酯的还原，四氟对苯二甲酸二甲酯的还原合成四氟对苯二苄 醇未见有文献报道。对于一般的酯还原常采用氢化催化的方法和化学还原的方 法。氢化催化的方法可采用铜铬催化剂，在高压釜中1 0 0 3 0 0 m p a ，2 7 0 左右还 原，该方法需高温高压成本较高，而且在高温条件下氟原子容易脱落。酯的化学 还原方法可以使用氢化铝锂和硼氢化钠两种方法。氢化铝锂目前价格较高，对于 实现工业化较困难。因此实验中将主要采用硼氢化钠还原方法。文献中报道有对 苯二甲酸酯以三氯化铝为催化剂的硼氢化钠还原方法【2 7 】和四氟苯甲酸的硼氢化 钠还原方法口8 1 ，本论文将参照这些方法，选择合适的反应溶剂及后处理方法进 行还原，完成四氟对苯二苄醇的合成。 l 。3 4 溴化 拟采用文献中报道的方法即溴化氢溶液在甲苯存在下亲核置换的溴化方法 。”j ，反应方程式如下： c h 2 0 h + h b r 里茎 8 5 - - 9 0 0 c c h 2 0 h o 2 h + r f f b 一 一 天津大学硕士学位论文 1 3 5 还原 采用金属镁在甲醇溶液中的还原方法 1 8 1 ，反应路线如下： f f c h 2 0 h f m g f - - - f c h ，o h f c h 2 0 h f f 天津大学硕士学位论文 第二章实验部分 第一节主要原料及试剂 2 1 1 主要原料及试剂 表2 1 主要原料及试剂 t a b 2 1m a i nm a t e r i a l sa n d r e a g e n t s 序号名称纯度生产厂家 1 对苯二甲酸工业品中国天津石化总公司 发烟硫酸( 2 0 2 3 ) 碘 氢氧化钠 无水碳酸钠 盐酸( 3 6 3 8 ) 无水甲醇 n ，n 二甲基甲酰胺 二氯亚砜 丙酮 无水乙醇 石油醚( 6