（农药学专业论文）除草剂敌草快及其中间体的合成研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 摘要 敌草快，是英国卜内门化学公司( 现改名先难达化学公司) 开发的非选择 性接触除草剂和干燥剂。 本文重点研究了敌草快及其中间体2 ，2 一联吡啶的合成，完成了除草剂敌 草快小试合成的初步探索，并通过红外光谱、核磁共振、质谱等对其结构进行了 表征。 本文在查阅大量文献的基础上，采用以2 ，2 一联吡啶和l ，2 - 二溴乙烷为原 料合成敌草快二溴盐的合成路线，并对其合成工艺进行了深入的研究，筛选出较 佳的工艺条件。该合成工艺较优的反应条件是：2 ，2 一联吡啶与1 ，2 二溴乙 烷的投料比( 摩尔比) 为1 ：1 2 ，反应温度2 1 l 。反应时间2 小时。以2 ，2 一 联吡啶计，反应收率可达7 3 5 。 本文研究对敌草快的中间体2 ，2 一联吡啶的合成也进行了研究。选择以吡 啶为起始原料，以雷尼镍为催化剂的反应合成路线，该路线具有原料和催化剂容 易得到，工艺可靠等优点。根据相关文献，我们设计了适合该反应的特殊反应器， 取得了较好的效果，为敌草快的工程开发奠定了基础。同时，本文也对雷尼镍催 化剂的制备和再生活化等工艺条件进行了探索性研究。 本文对敌草快原药的合成进行了一定的研究。研究工作希望能为除草剂敌草 快在国内的投产作出一点贡献。 关键词敌革快- 2 ，2 一联吡啶雷尼镍催化剂 a b s t r a c t d i q u a ti s an o n - s e l e c t i v ec o n t a c th e r b i c i d ea n dd e s i c c a n t ，d e v e l o p e db yi c i p l a n tp r o t e c t i o nd i v i s i o n ( n o wz e n e c a a g r o c h e m i c a l s ) t h i s p a p e rm a i n l y d i s c u s s e st h e s y n t h e s i s o f d i q u a t a n di t si n t e r m e d i a t e s 2 , 2 - b i p y r i d y l s ，t h u so b t a i n i n g i t sb e t t e rt e c h n o l o g yi no u re x p e r i m e n t s t h es t r u c t u r e s o f d i q u a ta n di t si n t e r m e d i a t e s 勰c h a r a c t e r i z e d o ni r , t h - n m ra n dm s a c c o r d i n gt o c o n c e r n e dp a p e r s ，w eh a v ec h o s e nt h e w a yi n w h i c hd i q u a t d i b r o m i d ei ss y n t h e s i z e df r o m2 1 2 b i p y r i d y l sa n de t h y l e n ed i b r o m i d e t h i sp a p e r m a k e sf l l y t h e rr e s e a r c h i n t oi t s t e c h n o l o g y , t h u so b t a i n i n g b e t t e r s y n t h e s i z i n g c o n d i t i o n s t h eb e t t e rr e a c t i o nc o n d i t i o n sf o rt h ew a ya l ea gf o l l o w s ：t h er a t i oo f 2 , 2 一b i p y r i d y l s t oe t h y l e n ed i b r o m i d e ( m o l a rr a t i o ) i s1 ：1 2 ：r e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s 2 11 c ；r e a c t i o nt i m ei s2h o u r s i t sy i e l di s 印t o7 3 ，5 o u rs t u d yg i v e st h es y n t h e s i so f 2 , 2 - b i p y r i d y i s b yu s i n g p y r i d i n ei nc o n t a c t w i t hh o tr a n e yn i c k e lc a t a l y s t t h ew a yh a sa d v a n t a g e so fl o wm a t e r i a lc o s ta n dh i g h y i e l d a c c o r d i n g t oc o n c e r n e d p a p e r s ，w eh a v ed e s i g n e d as p e c i a la p p a r a t u sw h i c hi s s u i t a b l e f o rt h i sr e a c t i o n ，a n d g i v e s b e t t e rr e s u l t s ，t h e r e f o r ei th a sl a i dg o o d f o u n d a t i o n si ni n d u s t r i a lp r o d u c e t i o n w h a ti sm o r e ，t h ew a yt op r e p a l a t i o n a n d r e g e n e r a t i o no f r a n e y n i c k e lc a t a l y s ti ss t u d i e dt e n t a t i v e l y o u rw o r kt od e v e l o pd i q u a ti sm a i n l yg i v e ni nt h i sp a p e r w eh o p et h a tw e c a n d oo u rb e s ti nt h ed e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o no f d i q u a ti no u rc o u n t r y k e yw o r d s ：d i q u a t2 , 2 - b i p y f i d y l sr a n e y n i c k e lc a t a l y s t 浙江工业大学颂上学位论文 第一章前言 第一节近年世界农药概况 l 。12 1 世纪仍然需要化学农药 人口、粮食、环境仍然是进入2 l 世纪后摆在人类面前的突出问题。世界人 口不断增加，可是耕地面积不断减少。目前，世界人口每年约增长8 0 0 0 万人，每 年需增加谷物2 6 0 0 万吨据报道，1 9 5 0 年人均谷物面积约0 ，2 3 公顷，而到2 0 3 0 年将降至0 0 8 公顷。自1 9 5 0 年起，通过提高农业生产技术和复种指数，加强优 质高产农作物品种的培育和种植，以及使用化学农药防治农作物病虫草害，使 世界作物产量有效地提高了3 倍。而到2 0 4 0 年，世界人口预计将达到8 5 亿，新 增的2 5 亿多的人口需要解决食品问题，为此，人类必须将世界上现有农作物 的产量再提高3 倍，才能满足人口增长对粮食的需要：何况我国也还有6 0 0 0 万 人没有脱贫。据中国科学院国情研究中心公布的资料，“中国的整个自然环境最 多能容纳1 5 1 6 亿人口”。因此，未来几十年间解决人口与粮食的矛盾仍是我国 的首要任务，主要手段仍离不开化肥、农药和先进的种植技术。 目前，在使用农药情况下，全球每年仍有3 5 的农作物受到损失，如果不用 农药，损失则高达7 0 。根据联合国粮农组织( f a o ) 的调查，全世界每年被病 虫害夺去的谷物量为预计收成量的2 0 4 0 ，经济损失达1 2 0 0 亿美元，因此 在可预见的未来，农药仍然是解决人类生存问题不可缺少的物资要素。而且还可 以明确地说，2 1 世纪仍然需要农药：而且更明确地讲是需要“化学农药”e 根据 专家预澳4 ：在2 l 世纪中叶之前，化学农药仍然是植物保护的主体。如英刊 ( ( a g r o w ) 2 0 0 0 年7 月报道，德国联邦生物研究院教授f r e dk l i n g a n f 认为，在 4 0 年之内，对于作物保护，化学农药仍然是必须的。他说：“非化学农药的开发 研究还没有产生许多专家所预期的结果，化学农药仍然是最重要的作物保护手 段”。 美国国家研究委员会( n r c ) 认为，使用农药的好处在于其价值超过风险， 至少今后几十年内化学农药在美国农业中仍然起着必不可少的作用。该委员会说 在对可替换物，例如对转基因作物( g m c ) 尚未有更多了解之前，“将仍然保留对 浙江工业大学硕士学位论文 化学农药的需要”，而且“可提供的替换物尚不能像正在提高环境相容性的传统 农药那样普遍易得。” 可以说，世界和中国，包括最发达的国家美国，在可预见的未来，仍然需要 化学农药。 同时，我们也要看到人类对生存环境的保护意识在不断增强，农药对环境 造成的不利影响已受到广泛关注，甚至已使其发展和改进工作受到了影响或限 制。农药的功、过评说，从1 9 6 2 年美国专栏作家卡逊女士的小说寂静的春天 开始，至今已4 0 年。但客观冷静地看，历史证明，农药的“功”是大于“过”的。 1 22 1 世纪农药的特点“1 2 l 世纪农药一一环境相容农药、绿色农药或生物调控剂( b i o r e g u l a t o r ) ； 是影响、控制和调节各种有害生物的生长、发育和繁殖的过程，在保障人类健康 和合理的生态平衡的前提下，使有益生物得到保护，有害生物得到较好的抑制， 以促进农业现代化向更高层次发展的特殊生物活性物质。其特点可以用6 个字概 括：高效、安全、经济。 高效：生物活性高且可靠、选择性高、作用方式独特、内吸性强( 即在植物 中可均匀分布) 、持效期适度、作物耐受性好、抗性产生机率低。安全：对环境 而言，对有益生物低毒、易于降解、土壤中移动性低、在食品和饲料中无或无明 显残留。对使用者而言，施用剂量低、急性毒性低、积蓄毒性低、包装安全、制 剂性能优良、使用方便、长期贮存稳定。经济：花费少效益高、适宜于综合作物 管理体系、应用范围广、产品性能独一无二、具有竞争力、具有专利权。 1 3 世界农药发展近况” 据统计，世界农作物的病虫草害，约有5 0 0 0 0 种真菌，1 8 0 0 种杂草和1 5 0 0 种线虫使世界粮食减产约5 0 。采用化学农药是防治病、虫、草害的重要措施。 目前世界上生产的农药品种主要有4 2 0 种，其中1 6 0 种杀虫剂和杀螨剂，1 6 0 种 除草剂，5 0 种杀菌剂，其余是植物生长调节剂和驱避剂。经常大量使用的有1 0 0 多种。 1 3 1 市场：农药需求趋于饱和 2 浙江工业大学硕士学位论文 由于世界耕地面积减少和高效、超高效品种的开发，农药产量、销售额增长 趋缓，部分年份甚至出现负增长。进入1 9 9 0 年代。全球农药销售额基本稳定在 $ 2 7 0 - - 3 0 0 亿左右，其中除草剂占4 7 ，杀虫剂占2 9 ，杀菌剂占1 9 ，其它占 5 。如图1 3 1 所示，自1 9 9 7 年以来，名义上全球的农药市场总值每年下降， 除1 9 9 8 年，实际上的总值也每年下降。1 9 9 6 年主要由于全球谷物贮存通过高 涨的农产品价格驱动，农药销售额达到了峰值3 2 3 5 0 亿美元，2 0 0 2 年农药( 传 统农药) 市场总值2 6 5 6 1 亿美元。2 0 0 2 年己比1 9 9 6 年下降约1 8 。1 9 9 6 年 以来，许多因素促成了农药市场的下降趋势，其中关键因素是农产品价格下降、 农业经济疲软、周期性的经济危机、g m c 的扩大以及普通农药的竞争加剧，使 过去5 年间名义上的市场总值年均下降3 o ，实际市场总值年均下降2 0 。 图1 3 - 11 9 9 2 - 2 0 0 2 年世界农药市场演变 3 3 0 0 0 3 2 0 0 0 譬3 1 0 0 0 窭3 0 0 0 0 蠢2 9 0 0 0 r 0 0 0 2 7 0 0 0 2 6 0 0 0 襄誉摹晷萎襄 蓑誉善季 鲞 墨墨笔墨墨墨圣 墨 善甍1 、1 11 按地区划分，北美和东南亚销售额增长，欧洲市场萎缩。北美已成为世界 上最大的市场，占3 0 ：东南亚居第2 位，占2 6 。按作物划分， 用药最多的 当数果蔬，占2 6 ，其他依次为水稻、麦类、棉花、玉米等。 发达国家中以玉 米用药量最高，主要是除草剂。大豆用药量也相当可观。 1 3 2 工业：农药工业走向联合之路 浙江工业大学硕士学位论文 近年来， 农药工业利润连年下降，已由1 9 8 0 年代的1 1 多下降至1 9 9 0 年 代的8 左右。随着竞争加剧，新品种玎发风险剧烈攀升，公司别无选择，兼并、 合并、重组、分化成了1 9 9 0 年代农药行业的显著特点，超级农药公司应运而生， 雄踞世界农药市场。目前，年销售额超过2 0 亿美元的农药公司有7 家，其销售 额占全世界农药销售额的8 0 左右。 1 3 3 开发：农药开发难度加大 由于环境及登记要求越来越高，迫切需要寻找药效更好、使用更安全的新结 构化合物。这加剧了新农药的开发难度，成功率急剧下降，1 9 5 0 年代为1 1 8 0 0 ， 1 9 6 0 年代为1 1 3 0 0 0 ，1 9 7 0 年代为1 1 2 0 0 0 ，1 9 8 0 年代为1 1 2 0 0 0 0 ，进入1 9 9 0 年代为1 3 0 0 0 0 ，丽到了1 9 9 6 年下降至l 8 0 00 0 仅为1 9 5 0 年代的1 4 0 。冒前 开发一个新农药化合物需历时7 1 0 年，耗资上亿甚至几亿美元。虽然如此， 每年农药公司仍投入$ 3 0 亿的资金从事新农药的研究和开发。同时随着科技进 步和计算机辅助农药分子设计技术的应用，农药的开发速度加快，每年投放市场 的新结构农药由1 9 7 0 年代的9 个上升至目前的1 3 个。 1 3 4 热点：生物农药迅速崛起 通常所说的生物农药是指以细菌、真菌、病毒、线虫以及由它们产生的代谢 物( 农用抗生素) 为有效成分的农药，起源于1 9 6 0 年代，其开发在1 9 7 0 年代曾掀 起过高潮，但由于当时生物技术、手段、水平相对较低，生物农药本身对工艺、 贮藏、运输要求又高，及随后拟除虫菊酯的崛起造成生物农药的开发步入低潮。 近年来，随着人类对生存环境质量的要求越来越高，无公害、无污染、无残留、 成本低、且不易产生抗性的生物农药又重新受到关注。生物农药包括生物源农 药直接利用生物体本身或从中提取出有效成分配制成的农药。根据美国 e p a 的规定，转基因作物( g m c ) 及种子，亦属于农药的范畴。从生物农药发展到仿 生合成农药，显示出生物农药与化学农药之间并没有截然的分野，实际上两者 是互相渗透、密切相关的。 生物技术尤其是微生物技术的进步更为这类农药的开发提供了便利。生物农 药重获青睐还有一个重要原因，即费用低廉，开发费用仅为化学农药的1 4 0 ，登 浙江工业大学硕士学位论文 记费用也仅为化学农药的1 1 0 0 。目前生物农药销售额达$ 3 0 亿，约占整个农药 市场的1 0 i 4j 。： 总而言之，世界农药的发展趋向是高效、商安全性、作用机制多样化、良好 的环境相容性，符合这一潮流的品种在未来一定会得到长足发展。 第二节除草剂敌革快脚旧 2 1 除草剂敌草快品种介绍 敌草恢c d i q u a t ) 是一种接触性干燥剂稳具有菜些内吸性质的除草荆。别 名，利农；利收谷；r e g l o n e ；a q u a e i d e ；d e x 订o n e 。由英国先正达公司开发。 2 1 1 理化性质 敌草快的化学名称为l ，l 一乙撑一2 ，2 一联毗啶二给盐。i u p a c 名称为； 1 ，l 一e t h y l e n e 一2 ，2 b i p y r i d y l d i y l i u m ；9 ，1 0 一d i h y d r o 一8 a , 1 0 a - d i a z o n i a p h e n a n t h r e n e ； l ，1 - e t h y l e n e - 2 ，2 - b i p y r i d y l d i y l i u m 。 c a 名称为6 ，7 一d i h y d r o p y r i d o 1 ，2 - a ：2 ，1 一c p y r a z i n e 一5 ，8 - d i i u ma c a sn o 2 7 6 4 7 2 9 ，e e cn o 2 2 0 4 3 3 0 。 敌草快：分子量1 8 4 2 ，分子式c 1 2 h t 刹：。 敌草快j 般以二溴盐的形式存在，其化学结构为： 敌草快二溴盐( d i q u a td i b r o m i d e ) ：分子量3 4 4 1 ，分子式c z h z b r ：n z ，敌 草快二溴盐以单水化合物形式存在，是一种淡黄色晶体。熔点：3 2 5 。c 以上分解。 溶解度( 2 0 。c ) ：其不溶于非极性有机溶液，激溶于乙醇和羟基溶液，在水中的 溶解度为7 0 0 9 1 。稳定性( d t 。) ：在p h 7 条件下模拟光照d t s o = 7 4 天。在中性和 酸性溶液( p h 5 。7 ) 中稳定，黑睹条件下( 2 5 c ) p h 9 时，3 0 天降解1 0 ，p h 9 以上 矿拼 一一 浙江1 二业大学硕：t 学位论文 时不增加降解。本品可以被惰性粘土和阴离子表面活性剂纯化。其二溴化物对大 多数普通金属特别是铝和锌有腐蚀性，但经加工含有防腐剂的产品其水溶液能够 使用喷雾机具喷药。 2 1 2 剂型： 敌草快的主要加工制剂为2 0 水剂，此外敌草快还可与百草枯、百草枯 氯化物、杀草强、西玛津和三氯醋酸等复配。 2 1 3 霉理 大鼠急性经口l d 。2 3 1 m g k g ：小鼠1 2 5 m g k g ：狗1 0 0 2 0 0 m g k g ：牛3 0 m g k g 。 延长接触时间，人的皮肤能吸收敌草快，引起暂时的刺激，可是伤口愈合延迟。 对眼睛有刺激，如果吸入可引起鼻出血和暂时性的指甲损伤。两年饲养无作用剂 量：大鼠2 5 m g k g 饲料，以3 5 m g k g 饲料喂养，1 2 4 天后出现白内障；四年饲养 无作用剂量：狗5 0 m g k g 饲料。人a d i 为0 0 0 8 m g k g 体重。母鸡急性经口l d 。 2 0 0 - 4 0 0 m g k g ，p a r t r i d g e2 9 5 m g k g 。鱼毒l c 。( 9 6 h ) ：缸鳟鱼2 1 m g 1 ，鲤鱼 6 7 m g 1 。蜜蜂口服l d 。约1 0 0 0 m g k g ，触杀毒型l c s o8 6 9 1 。 2 1 4 作用方式及应用 敌草快是一种非选择性触杀型的除草剂也是一种接触性干燥剂，稍有传导 性，被绿色植物吸收后抑制光合作用的电子传递，还原状态的联吡啶化合物在光 诱导下，有氧存在时很快被氧化，形成活泼的过氧化氢，这种物质的积累使植物 的细胞膜被破坏。受药部位枯黄，适用于阔叶杂草占优势的地块除草及防治水生 杂草；还可作为种子植物的干燥剂：也可用于马铃薯、棉花、大豆、玉米、高粱、 亚麻，向日葵等作物的催枯剂；当处理成熟作物时，残余的绿色部分和杂草迅速 干枯，可提早收割，种子损失较少：还可作为甘蔗花序的抑制剂。由于不能穿透 成熟的树皮，对地下的根茎基本无破坏作用。用于植物催枯，用量为3 - 6 克( 有 效成分) l o om 1 。用于农田除草、夏玉米免耕除用量为4 5 - 6 克( 有效成分) 1 0 0m 2 ，果园为6 - 9 克( 有效成分) 1 0 0m 2 ，切忌对作物幼树进行直接喷洒， 因接触作物绿色部分会产生药害。 浙江工业大学硕士学位论文 2 2课题的提出 1 9 9 9 年、2 0 0 0 年英国先j 下达公司在江苏省农垦集团做敌草快2 0 水荆催 枯登记试验。2 0 0 1 年在水稻上做催枯示范试验”3 。美国2 0 0 1 年在马铃薯上使用 的干燥剂中最广泛使用的产品就是敌草快”1 。 除草剂敌草快主要是通过抑制植物光合作用进行作用的，故其杀草谱广，用 量少和作用迅速，在国外至今使用面积仍达数千公顷。其与百荜枯等除草剂的复 配制剂仍在大量使用。由于此类除草剂对土壤的吸附力极强，因而不易被植物的 根部吸收，因此土壤处理无效，此类除草剂在避免土壤侵蚀严重地区的免耕法实 施中具有重要意义9 。至今国外已有多种复配制荆问世。因此近年来敌草快在国 外的用量和需求量越来越大，同时敌草快在国内也有相当的应用前景。因此进行 除草剂敌草快合成工艺及工程开发的研究就显得十分迫切。本课题试图以现有实 验室条件，对除草剂敌草快的合成路线及工艺、工程开发进行一定的研究。 参考文献 1 胡笑形2 1 世纪全球植物保护的主体农药环境友好化学农药s c i e n c e a n dt e c n a o l o g yr e v i e wi ( 1 2 ) ，p 3 3 - 3 6 2 0 0 3 2 刘长令2 l 世纪农药的创制与展望 2 0 0 0 3 刘志俊世界农药发展近况p 1 2 2 0 0 0 4 胡笑形2 0 0 2 年世界农药工业现代农药v 0 1 2 n o 32 0 0 3 5 t h ee p e s t i c i d em a n u a l ( t w e l f t he d i t i o n ) v e r s i o n2 0 ，t h e b r i t i s h c r o p p r o t e c t i o nc o u n c i l ，g l u f o s i n a t e a m m o n i u m ( 4 0 6 ) 2 0 0 0 6 周学良，朱良天精细化学品大全农药卷p 6 3 4 1 9 9 9 7 冯维卓利收谷在水稻上的催枯技术及使用效果现代农药2 0 0 2 年第5 期 8 9 胡 唐 2 0 0 2 笑形 2 0 0 3 除痴 2 0 0 1 年美国农药使用情况农药科学与管理2 4 ( i ) p 4 1 4 4 等农药化学p 5 7 8 1 9 9 8 浙江1 二业大学硕士学位论文 第二章文献综述 第一节敌草快合成综述 l 。l 敌草快的合成简介 1 1 一乙撑一2 ，2 一二吡啶基二翁盐可由图1 1 一l 来表示，图中x 代表负离 子，如溴、氯、碘、对甲苯磺酸根m 。敌草快往往是以二溴盐的单水化合物的形 式存在，但是其负离子是否为溴和敌草快的除草性能是无关的。1 。 一般可用2 ，2 一联吡啶和不同的亚乙基化合物制备而成。 图1 卜i 敌草快= 错盐 r l、 p 一咯2 1 2 敌草快的合成 1 2 1 用2 ，27 一联吡啶和l ，2 - 二卤乙烷为原料 f = 2 j 、 + b r c h 2 c h 2 b r 这是制备敌草快的传统方法，就是将主要原料( 2 ，2 一联毗啶和1 ，2 - 二 卤乙烷或1 ，2 - 二磺酸基乙烷) 一起共热制备。但此方法需1 ，2 - 二卤乙烷大大 过量，同时时间较长，往往需回流1 0 - 2 0h 。为解决这个问题，可以在反应液中 加入一种高沸点的极性有机溶剂，如硝基苯或b 一乙氧基一乙醇a 加入这种有机 溶剂可大大缩短反应时间。 制备实例： 1 _ 6 份2 ，：2 ，一联吡啶和2 1 份1 ，2 - 二溴乙烷溶解在1 0 份硝基苯中，将混 浙江工业大学硕士学位论文 合物回流3 0m i n 后，倒入2 0 份丙酮，过滤出沉淀物，将此沉淀物在甲醇中重结 晶后所得晶体即为敌草快二溴盐的单水化合物。此方法的产率大约在6 0 左右 ( 以2 ，2 - 联吡啶计算) 。 l _ 2 2 用2 ，2 联吡啶和乙二醇为原料。 一一f + f 0 “+ h = s 0 4 一nh jc h 2 0 i - i 用第一种方法制备有很多缺点，例如用1 ，2 - 二溴乙烷作为原料，产物中占 分子量大部分的两个溴原子对除草作用是没有什么影响的，然丽成本却比较高。 而用1 ，2 - - - 氯乙烷作为原料，虽降低了成本，但其在高温下有很强的腐蚀性， 对设备的要求比较高。 而此方法的特点是其所用的原料的腐蚀性比氯小得多，但是毫无除草作用的 负离子部分的成本却比用澳低得多。 该方法使用2 ，2 - 联吡啶、乙二醇和一种酸共热制备1 ，1 ，一乙撑一2 ，2 一二 毗啶基二翁盐。其中，酸可用无机酸( 盐酸、溴化氢) 或含氧酸( 硫酸、磷酸、 硼酸) 。乙二醇可以用乙二醇酯的形式来使用，比如用碳酸乙二酯。在反应中往 往加热2 ，2 一联吡啶和2 倍计量的酸及过量的乙二醇。反应温度一般控制在 l o o 之5 0 之间，最好控制在1 6 0 - 2 l o 之问。 这个反应后的混合液加水稀释之后就可作为除草剂使用。其中含有一定量未 反应的2 ，2 - 联吡啶，其在处理之后仍可以使用，故需将其分离出来。所以一般 先将反应后的混合液中和至p h 6 8 ，再用与水不混溶的溶剂( 如甲苯) 萃取出2 ， 2 - 联吡啶。 制备实例： 将5 份2 ，2 - 联吡啶、2 0 份乙二醇和5 5 份9 8 的硫酸在1 8 5 一1 9 5 9 c 下共热 lh ，然后加入2 2 份乙二醇，再加热3 5h 。将反应液冷却过滤。此时，在溶液 中已有3 份敌草快二硫酸氢盐。以2 ，2 - 联吡啶计算，其转化率为5 1 。将此 溶液在旋转蒸发器中真空蒸干，所得残留物用乙醇清洗后所得的浅黄色固体即为 浙江工业大学硕士学位论文 产物。 i 2 3 用2 ，2 一联毗啶的二卤化盐和环氧乙烷为原料 、q 1 j2 b f + - - - n n 一7 p h n 0 3 2 b r - 前两种制备方法是较常用的，但是产率均不是很高。所以h e i s z m a nj o z e s f 等入在1 9 7 6 年提出了一种新的方法。其将2 ，2 一联毗啶的二卤化盐或2 ，2 一 联吡啶的二硫酸氢盐和环氧乙烷在p h n 0 ，p h o m e 或d m f 中3 0 一5 0 下加热，然后 将该溶液在1 0 0 - 2 5 0 ( 2 下回流1 - 3h ，敌草快二溴盐的产率可达7 1 。 1 3 敌草快合成综述小结 一般而言，敌草快基本上都是由中间体2 ，2 一联吡啶和不同的皿乙基化合 物制备而成。在这几种合成方法中，我们认为2 ，2 一联吡啶和1 ，2 一二溴乙烷 为原料的方法是较易实现工业化的方法。虽然用2 ，2 一联毗啶的二卤化盐和环 氧乙烷为原料能取得更高的收率，但是其多了一步中间体的二卤化盐制备过程。 所以在进行敌草挟的工艺研究时，我们采用了以2 ，2 一联吡啶和l ，2 - 二溴乙 烷为原料的合成方法。 浙江_ t 业大学硕士学位论文 第二节中间体2 ，2 一联毗啶的合成综述 2 1 中间体2 ，2 联吡啶简介“ 2 ，2 一联毗啶是一种很有用的毗碇衍生物。它是一种应用广泛的螫合剂、 油漆、涂料的添加剂、医药和农药的中间体。所以其在经济，技术上都有一定 的重要性。 2 ，2 一联吡啶的英文名称是2 ，2 一b i p y r i d i n e ，c a sn o ： 3 6 6 1 8 7 。 分子式：c 。h 。n ：结构式 厂，p 、 i 扛，： 分子量： 晶体：m p 7 2 6 c ，b p 2 7 3 。c 。其对强氧化莉、 联毗啶一般是由毗啶或者2 一位取代吡啶合成。 2 2中间体2 ，2 一联毗啶的合成综述 2 2 1 以吡啶作为原料 2 2 1 。l 使用雷尼镍催化刺啷 r a n e y n i 1 5 6 1 9 ：外观：浅黄色或无色 大多数金属和光敏感。2 ，2 一 0 、p 、 过烈乡 2 ，2 - 联吡啶的合成是让原料吡啶和雷尼镍催化剂在一起搅拌加热，结果发 现催化剂很快就失效了，原因是产物2 ，2 - 联吡啶使催化剂中毒了。同期，i c l 公司提出用2 一卤吡啶和雷尼镍催化齐j 在压力反应器中共热l 3 小时制各2 ，2 一 联吡啶，也是因同样的原因使得产率不高。 2 2 1 2 使用雷尼镍催化剂“m m l ( 改良型) 由于反应计划和装备的发展，产生了类似于s o x h | e t 萃取器的装置，此方法 的进步在于使2 ，2 一联毗啶产生后马上与催化剂相分离，使催化剂的使用寿命 延长，同时产物2 ，2 一联毗啶的产率也有了定的提高，达到了o 0 2 3 1 9 2 ，2 一 联吡啶住雷尼镍小时( 以下均用简化为g g h ) ，而用最初的方法的产率仅为 0 0 0 7 9 g h 。 浙江工业人学硕：b 学位论文 在实验室规模可以使用个改型的s o x h l e t 器。反应器见图2 2 1 ，反应器有 下列组件组成：再沸器( 3 ) 、一个连接再沸器和回流冷凝器( 6 ) 的管子( 5 ) 、雷尼镍 放在一个容器( 7 ) 中并且要一直浸在吡啶中，这 个容器置于吡啶从冷凝器回到再沸器的通路 中，其有个向上的出口管( 9 ) 连接容器的底部 ( 8 ) 和再沸器。在反应开始前，在再沸器和放 催化剂的容器中放入吡啶，将再沸器的温度维 持在1 1 5 左右。吡啶由冷凝器冷凝后进入容 器，其与催化剂进行热交换并且发生反应产生 2 ，2 - 联吡啶，同时经过催化剂和开口管进入 再沸器。2 ，2 - 联毗啶由于沸点较高，留在再 沸器中，而吡啶则又进入循环。反应结 图2 2 - 1 改型的s o ) 【i l l e t 反应器 束后将再沸器中的混合液分馏即可得到产物，但含有异构化产物( 不会大于5 ) 。 这样的设计使产物2 ，2 - 联吡啶与催化剂接触的时间大大减少，所以催化剂的使 用寿命得以延长。 对于反应后产物的分离一般是在分离出沉淀物之后，用减压蒸馏的方法将产 物与未反应的吡啶分离。但是这样的操作稍显繁杂，所以在实际生产上往往使用 吡啶和一些有机溶剂的混合物代替纯毗啶进行反应。反应后，产物不需进行减压 分馏，在冷却过程中，产物会结晶析出，过滤即可得到产物2 ，2 一联吡啶。常 用的混合溶剂有甲苯、甲基环己烷、二氧杂环已烷、二丁己醚。 2 2 1 3 使用雷尼镍催化剂( g e r a l d l c ( g 法) “ g e r a l dl g o e 在9 0 年代提出了种生产2 ，2 一联吡啶的方法。其方法还 是用吡啶和雷尼镍催化剂，控制反应温度在2 0 0 - 一2 4 0 之间( 实验中得出最好在 2 2 0 c t 进行) ，因为反应温度太高使催化荆很快失效，温度过低则使反应产率下 降。体系的压力只要控制在使一部分毗啶保持在液态即可。 反应中所用到的雷尼镍催化剂中的镍金属至少要有3 0 保持在非氧化态，而 浙江丁业大学硕士学位论文 且其含量越高，产物的转化率也越大。此催化剂的制各方法与上面提到的传统方 法不同，它是采用浸渍、沉降或联合沉降的方法将一种合适的镍盐( 硝酸镍) 附 着在一种支撑物的表面或与其结合，然后进行煅烧和还原。常用的支撑物有硅、 铝、高岭土或硅铝混合物，但实践证明单独使用铝的效果最好。其形状可以是球 状、半球状、片状。尺寸可以从i 1 6 英寸到l 4 英寸直径不等。此催化剂完全 可以在蒸馏水中保存，并且在使用前无需除水。在反应前应对其进行预处理。 此方法使用的是两种标准反应器，一种是管式反应器，还有一种是催化蒸馏 反应器。将催化剂直接置于其中，并用蒸馏水浸泡。在反应过程中，为了延长催 化剂的使用寿命可以在毗啶中参入占原料总质量o 卜0 2 的硼氢化钠和硼氢化 铵的甲醇溶液。这样可以使催化剂的寿命加倍。 2 2 1 4 使用重金属及其含氧盐催化剂m ”州“3 i c i 公司在开发使用雷尼镍催化剂的工艺的同时，也进行了用其他金属作 为催化剂的研究。在6 0 年代中期到7 0 年代中期，他们发现许多贵金属在合成2 ， 2 联吡啶的反应中不易中毒，同时易于处理、操作的优点。所以在合成中广泛 使用铑、锇、铱、铂和钌等金属催化剂。方法是将其和毗啶在2 0 0 4 5 0 。c 范围中 搅拌共热，催化剂的用量为毗啶质量的卜5 0 。一般可以用硝酸和赫酸将失效的 催化剂氧化，再用还原剂将其还原为金属进行再生。其中，发现钌催化剂的使用 寿命较长，产率较高。同时，他们也发现铑、锇、铱、铂和钌等金属的卤化物、 硝酸盐、硫酸盐和醋酸盐在加入还原剂的情况下，可直接作为催化剂使用。最后， i c l 的工程师总结出，在2 5 0 - 5 0 0 c 、压力大于1 3 8 1 0 6 p a 的情况下，一种或 多种ia 、ib 、i i a 、i i b 、i i i a 、i l l b 、i v a 、i v b 、v a 、v b 、v i a 、a 和a 族 元素的氧化物或含氧盐均可作为此反应的催化剂。其主要反应产物是2 ，2 一联 吡啶，也有一部分异构体( 4 ，4 一联吡啶和2 ，4 一联毗啶) 。用4 份以上催化 剂和2 5 份吡啶在3 4 0 。c ，5 5 2 1 0 6 p a 压力下共热1 0 小时。其产率均低于 0 0 0 2 9 g h 。 2 2 1 5 吡啶的自由基反应“。 i c i 公司曾经采用一种很极端的方法制备2 ，2 联毗啶，就是在5 5 0 7 0 0 。c 下，压力为1 0 0 3 0 0 个大气压，将吡啶高温分解后合成2 ，2 一联吡啶，其原理 浙江工业大学硕士学位论文 是自由基反应，故其异构化产物较多。 2 2 2以2 一位取代毗啶为原料制备2 ，2 联毗啶 2 2 2 1 以2 乙酰基吡啶为原料m 州”2 ” b e s c h k e 发现2 位被芳环或芳杂环基团取代的吡啶可以在催化剂的作用下由 一个脂肪族芳香酮或脂肪族杂原子芳香酮和一个含氧的脂肪族化合物( 此类化合 物须在含氧碳原子上连有乙烯型的不饱和的碳碳双键) 以及氨水存在下，一种用 于脱水脱氢催化剂的情况下制备方法。 b e s c h k e 在实验部分例举了以下资料，其用2 一乙酰基吡啶、丙烯醛、氨水， 其摩尔比为l ：2 ：6 。实验温度4 4 0 c 。反应催化剂由氧化铝、硝酸镁和四氟化 钛组成。原子比为：a i ：m g ：t i ：f = 1 0 0 0 ：2 5 ：2 5 ：1 0 0 。催化剂的颗粒尺寸为0 4 - - 1 0 m m 。产物为2 ，27 一联吡啶，产率为6 9 ( 以2 一乙酰基吡啶为基准) 。主要 副产物为，1 3 毗啶和2 3 的3 一甲基毗啶( 以加入的丙烯醛为基准) 。其在文 献中指出，该反应一般在2 5 0 5 5 0 。c 下进行，同时保持1 - 4 b a r 的压力，反应在气 相中进行，反应中可用惰性气体稀释反应物。 b e s c h k e 的方法最大的特点是在气相中进行，反应能连续进行。而且催化剂 的处理、活化均较容易。其产率较高，适用于工业规模生产。 2 2 ，2 2 以二卤毗啶为原料。 x = c i b 在8 0 年代后期，由于金属有机化合物大量的在有机合成中使用。在合成2 ， 2 一联毗啶的工艺中也出现了以金属有机化含物作为催化荆的反应过程。 其中日本在这时开始使用n i x 。( p p h ：) ：作为合成2 ，2 一联吡啶的催化剂。此 方法主要是在用n i x 。( p p h 。) 。、锌粉和e t ，n i 所组成的催化剂的作用下，用2 位卤 素取代吡啶作为原料制备2 ，2 一联吡啶 此反应起催化作用是n i x ：( p p h 。) 。，但是产物联吡啶倾向于和催化剂产生稳定 浙江工业大学硕士学位论文 的复合物。故需加入过量的锌粉作为还原金属来还原镍。此类还原金属还可以用 镁或锰。e t 。n i 的作用是显著的具体的实验举例如下所述。 将2 2 3 9 ( 3 m m 0 1 ) n i x 2 ( p p h 3 ) ：、9 8 1 m g ( 1 5 r e t 0 0 1 ) 锌粉、卜l o m m o le t d n i 溶于 2 0 m lt h f 中，将l o m l2 一氯毗啶溶于l o m lt h f 中后加入到上面溶液中。将混 合物在5 0 下搅拌加热6 3 0 小时。此反应由于含有金属有机化合物，它对于空 气不稳定，因此要在氮气或氩气中进行。将反应液倒入l o o m l 浓度为2 m 的氨水 中，同时加入5 0 m l 醚和5 0 m l 苯。此时，把沉淀过滤和分出有机层。剩下的水层 用5 0 m l1 ：1 的苯和醚的混合液萃取两次。将萃取液和原先的有机层混合后，依 次用水、饱和氯化钠溶液洗，之后用无水硫酸镁干燥，最后在真空中蒸干。蒸干 后的残留物用苯和醚作为洗脱剂在硅胶( 5 0 9 ) 上用色谱法测出产量，见表2 2 一l 。 表2 2 - 1 反应效果 1 2 z 。x , 。；冷州。1 2 z n o 112z。，(2ni，ni厂。、rn。：。，：。， j jx n o j ，。j ， 。x r n i f - 、 f x 7 a 州i x 浙江工业大学硕士学位论文 是相当可观的。催化机理可用图2 2 2 来表示，即反应是通过镍( n i 。) 和镍( n i 3 ) 作为中间体来完成的。其中，关键步骤是以锌粉作为媒介将a r n i 2 x 还原成a r n i l 。 同时，此以镍作为催化剂的芳基偶联反应可以在诸如t h f 的单极性溶剂中进行 避免加入额外的p p h 3 和使用诸如d m f ，h m p a 等双极性溶剂。因为使用这些溶剂 往往造成偶联产物的异构化。 此方法的特点是催化剂的制备和处理都较简单，反应产率较高，反应条件也 较温和。特别是由于不是采用元素镍作为催化剂，产物2 ，2 联毗啶的产生不会 使催化剂失效，反而会减少副反应的发生。此反应只有在实验室规模的研究数据， 未查到其有关的工业化规模的文献。 2 2 。2 3 以2 一溴吡啶和2 一甲锡基毗啶为原料m m 州嘲 q q 。悯 p d ( p p b ) 4 2 一溴毗啶和2 一甲锡基吡啶在二甲苯中，在p b ( p p h 3 ) 4 的催化下，能获得5 9 7 7 的2 ，2 一联吡啶。 2 2 2 4 以2 氰基毗啶为原料 8 0 年代一家德国公司用三甲基甲硅烷基环五二烯基钴环八一( 1 ，5 ) 一二烯和 2 氰基吡啶制备2 ，2 联毗啶。0 0 3 6 9 ( o 1 1 9 m m 0 1 ) 三甲基甲硅烷基环五二烯基 钴环八一( 1 ，5 ) 二烯和5 2 4 9 ( o 5 0 3 8 m 0 1 ) 的2 一氰吡啶被溶解在1 0 0 m l 的甲苯中。 将此反应液吸入一个内有盘旋冷凝器的5 0 0 m l 的高压反应器内。在3 0 4 1 07 p a p a 的压力下，将2 1 9 ( 0 8 0 8 m 0 1 ) 的乙炔加入反应器内。在4 5 分内将反应器加热到 l5 00 0 。然后，用1 2 0 分钟加热到2 0 2 ( 2 。最后，用水冷却4 0 分钟后到2 0 。2 ， 2 联吡啶的产率为6 6 4 ( 以反应的2 氰毗啶计算) 。催化剂的效率：1 6 3 3k 9 2 ， 2 联吡啶k 钴盐。 2 2 。2 5甲基吡啶氧化法。” 在俄国的一片专利中提出，2 , 2 联毗啶可由气态吡啶氧化制备，用3 0 5 0 的 双氧水溶液在6 5 0 7 2 5 。0 下，即能把甲基毗啶氧化成2 ，2 - 联吡啶，产率不详。 6 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 2 62 氯吡啶的金属有机催化法。州 一家德国公司在2 0 0 1 年获得的专利中提出，由芳环和硼酸芳环( 硼酸酯芳 环) 在金属有机化合物( 钯) 得催化下，能获得高产率的联芳环。故2 ，2 一联 毗啶可出5 0 m m o l2 - 氯吡啶、5 0 r n m o l2 - 硼酸乙二醇酸酯毗啶、2 5 r n m o l 氯化锂、 5 0 m m o l氢氧化钾、l m m o l b u 4 n c l和 o 0 5 m m o l 的 l r a n s - d i u - a c e t a t o b i s 2 - b i s ( 1 ，1 一d i m e n t h y l e t h y l ) 一p h o s p h i n o 2 一m e t h y l p r o p y lc ，p d i p a l l a d i u m 的混合物在四氢呋哺( 1 5 0 m 1 ) 中在7 0 。c 下回流5 小时。2 ，2 一联 毗啶的产率为9 l 。 2 2 2 7 毗啶氧化物还原法 在5 0 年代中期，日本学者就提出了一种方法，将o 。9 5 9 吡啶一1 一氧化物、1 3 9 的氯