【精品论文】炔草酯的合成及工艺研究[专业：化学工艺].pdf

山东大学 硕士学位论文 炔草酯的合成及工艺研究 姓名 刘磊 申请学位级别 硕士 专业 化学工艺 指导教师 刘嘉丽 郝爱友 20070420 知识水坝论文 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方 式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 壶 l 磊日期 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 鱼 f 兹 导师签名 麦4 磊幽日期 兰盘 上 知识水坝论文 山东人学顾j 学位论文 摘要 炔草酯 r 2 一 4 一 5 氯一3 氟 2 一毗啶氧基 苯氧基 丙酸炔丙基酯 是一种新型 除草剂 它的结构特点是有手性的 含氟的和芳基苯氧基丙酸类的 它在性能上 表现为毒性小 用量少 药效高 代谢能力强 可以抑制多种杂草种子的生长 该品种首次应用于瑞士 南非和智利 现已在5 0 多个国家投入使用 但目前我 国内尚无规模化生产和使用炔草酯的报道 我们接受某企业的委托 通过试验选 择最佳合成方法和工艺路线来合成炔草酯 并能在小试基础上放大中试 最终实 现工业化生产 本文主要讨论了炔草酯及其中间体r 2 4 羟基苯氧基 丙酸 2 3 5 三氯 毗啶和5 氯一2 3 二氟毗啶的制各 通过对照实验 正交实验 过程控制等手段对 各种合成方法进行了对比 确定了较优化的合成工艺 为炔草酯的工业化生产提 供一条可借鉴的路线 炔草酯的制备是以r 2 4 羟基苯氧基 丙酸 5 氯一2 3 二氟吡啶和氯丙炔 为原料合成 主要讨论了反应原料摩尔比 催化剂 反应温度等对产品收率的影 响 通过实验 得到最佳工艺是以d m f 作溶剂 用k c 0 3 调节反应液p h 为8 l o 选择原料的摩尔比为n 5 氯 2 3 一二氟吡啶 r l i 己 2 一 4 一羟基苯氧基 丙酸 1 1 氯丙炔 l 1 1 2 在7 0 7 5o c 反应时闯1 0 h 完成反应 粗产品经乙醇 水 溶液洗涤析晶得产物 r 一2 一 4 羟基苯氧基 丙酸的制备 通过对反应环境 反应用碱 溶剂及分 离提纯条件的讨论 先确定反应的基本条件 再通过设计正交实验 得到制备 r 2 一 4 一羟基苯氧基 丙酸的最佳工艺 在充满n 2 的密闭环境中 以水为溶剂 n a o h 为碱试剂 原料的摩尔比为n 对苯二酚 n s 2 氯丙酸 1 2 l n 对 苯二酚 n 氢氧化钠产1 5 l 反应温度5 0o c 反应时间6h 租品经甲基异丁 基酮萃取 k o h 和n a h s 0 3 水溶液洗涤 浓盐酸酸化等操作得纯品 2 3 5 一三氯吡啶的制备包括两步反应 三氯乙醛与丙烯腈的加成反应及2 4 4 三氯 4 甲酰基丁腈的闭环反应 主要从溶剂 催化剂 反应原料摩尔比 反应 温度及压力角度考虑 考察了常压法和加压法等三种不同的制备方法 经综合比 较三条合成路线的优缺点 得到较优工艺路线 5 一氯 2 3 二氟吡啶的制各 是通过对两种不同方法的溶剂 氟化试剂 反应 山东大学硕l 学位论文 温度 时间以及粗产品成分的对比得出各自优缺点 确定了较为可行的合成方案 关键词 炔草酯 除草剂合成2 3 5 一三氯毗啶5 氯 2 3 二氟吡啶 r 一2 4 羟基苯氧基 丙酸 山东人学硕j 学位论文 a b s t r a c t c l o d i n a f o p p r o p a r g y l p r o p y n y l r 2 4 5 c h l o r o 3 f l u o r o 2 一p y r i d i n y l o x y l p h c n o x y p r o p a n o a t e i sa n e wk i n do f c h i r a l f l u o r i n a t e da n da r y l o x y p h e n o x y p r o p i o n a t e sh e r b i c i d e i ti sh i g h l ye f f e c t i v ew i t ha f e wq u a n t i t i e sa n dw i l lb ew e l l m e t a b o l i z e d i tw a sf i r s t l yu s e di ns w i t z e r l a n d t h es o u t ha f r i c aa n dc h i l ea n dh a s b e e np u ti n t oi l s ei nm o r et h a n5 0c o u n t r i e s b u tt h e r ei sn o ta n yr e p o r ta b o u ti t sb r o a d p r o d u c t i o na n d u s ei no u rc o u n t r ye x c e p tf o raf e ws i m i l a rs y n t h e s i st e c h n o l o g i e s a c c o r d i n gt oac o m m i s s i o no f c e r t a i nc o r p o r a t i o n w ew i l lc o n f i r mt h eb e t t e r s y n t h e s i sm e t h o d sa n dt e c h n i c a lr o u t e so f c l o d i n a f o p p r o p a r g y la n dh o p et h a tt h e e x p e r i m e n t sc o u l db em a g n i f i e df o ri n d u s t r i a l i z e dp r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ei sm a i n l ya b o u tt h ep r e p a r a t i o no f c l o d i n a f o p p r o p a r g y l r 2 4 h y d r o p h e n o x y p r o p i o n i ca c i d 2 3 5 一t r i c h i o r o p y r i d i n ea n d5 c h l o r o 一2 3 d i f l u o r o p y r i d i n e t h o u g ht h ec o m p a r i s o no f e a c hs y n t h e s i sr o u t e t h eo p t i m u m o n ei s a d o p t e d w h i c hm i g h tb cp u ti n t oi n d u s t r i a lu s e c l o d i n a f o p p r o p a r g y li sp r e p a r e df r o mr 2 4 h y d r o p h e n o x y p r o p i o n i ca c i d 2 3 5 t r i c h l o r o p y r i d i n ea n dp r o p a r g l yc h l o r i d e d u r i n gt h ep r e p a r a t i o n t h em o l a rr a t i o o f r e a c t i o nm a t e r i a l s t h ec a t a l y s ta n dt h er e a c t i o nt e m p e r a t u r ea l ea l ld i s c u s s e d t h e b e s tr o u t ei s d m fa st h es o l v e n t k z c 0 3k e e p i n gt h er e a c t i o nm i x t u r ep h8 1 0 n 5 c h l o r o 2 3 一d i f l u o r o p y r i d i n e n r 一2 4 一h y d r o p h e n o x y p r o p i o n i ca c i d n p r o p a r g y lc h l o r i d e 1 1 1 2 t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e7 0 7 5 ca n d t h er e a c t i o n t i m e1 0h t h ef u 试p r o d u c ti sg a i n e db yf i l t r a t i o n w a s h i n ga n dr e c r y s t a l l i z a t i o n d u r i n gt h ep r e p a r a t i o no f r 2 4 h y d r o p h e n o x y p r o p i o n i ca c i d t h er e a c t i o n e n v i r o n m e n t s t h ea l k a l ia g e n t t h es o l v e n t sa n dt h ec o n d i t i o n so f p u r i f i c a t i o na r e f i r s t l yd i s c u s s e d t oc o n f i r mt h eb a s i cr e a c t i o nc o n d i t i o n s a n dt h e n a no r t h o g o n a l e x p e r i m e n ti sd e s i g n e df o r t h eb e s ts y n t h e s i sm e t h o d i nt h ec l o s e de n v i r o n m e n tf u l l o f n i t r o g e n w a t e ra st h es o l v e n t s n a o ha st h ea l k a l ia g e n t n h y d r o q u i n o n e n s 一 2 c h l o r o p r o p i o n i ca c i d 1 2 l n h y d r o q u i n o n e n n a o h 2 1 5 l t h e r e a c t i o nt e m p e r a t u r e5 0 c t h er e a c t i o nt i m e6l lt h ep u r ep r o d u c ti so b t a i n e d t h r o u g he x t r a c t i o nb ym i b i gw a s h i n gw i t hw a t e rs o l u t i o no f k o h a n dn a h s 0 3a t a d 3 出东夫学硕l 学位论殳 a c i d i f i c a t i o nw i t hs t r o n gh y d r o c h l o r i ca c i d t h e p r e p a r a t i o no f 2 3 5 一t r i c h l o r o p y r i d i n ei n c l u d e st w op r o c e d u r e s t h ea d d i t i o n r e a c t i o no f t r i c h l o r o a c e t a l d e h y d ew i t ha c r y l o n i t r i l ea n dt h ee y c l i s a t i o no f 2 4 4 t r i c h l o r o 4 f o r m y lb u t y r o n i t f i l e t h r e ed i f f e r e n tm e t h o d sa l ec o m p a r e df r o mt h e s o l v e n t t h em o l a rr a t i oo f r e a c t i o nm a t e r i a l s t h ec a t a l y s t t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e a n dt i m e a n df i n a l l yt h eb e s tr o u t ei sc o n f i r m e d d u r i n gt h ep r e p a r a t i o no f5 c h l o r o 2 3 d i f l u o r o p y r i d i n e t w od i 鼠r e n tm e t h o d s a r ea d o p t e dt oc o m p a r et h e i ra d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e s a n dl a s t t h eo p t i m u m o n e sc o n f i r m e d k e y w o r d sc l o d i n a f o p p r o p a r g y lh e r b i c i d e s y n t h e s i s2 3 5 t r i c h l o m p y r i d i n e 4 5 c h l o r o 2 3 一d i f l u o r o p y r i d i n er 一2 4 h y d r o p h e n o x y p r o p i o n i c a c i d 山东大学顾上学位论文 第一章前言 炔草酯 c l o d i n a f o p p r o p a r g y l 的化学名称为 r 2 4 5 氯 3 氟一2 一吡啶氧基 苯氧基 丙酸炔丙基酯 它是一种手性的 含氟的 苯氧丙酸类的新型高效除草 剂 是c i b a g e i g y 公司开发的谷物地芽后除草剂 主要用于防除野燕麦 看麦娘 黑麦草和狗尾草等 年生禾本科杂草 该除草剂具有以下几个特点 1 毒性小 2 用量少 药效高 3 代谢能力强 4 药效基本不受气候影响 5 可以抑制 多种杂草种子的生长 该品种首次应用于瑞士 南非和智利 现已在5 0 多个国家 投入使用 但目前我国国内尚无规模化生产和使用炔草酯的报道 只有极个别研 究单位有类似的合成技术 1 1 除草剂简介 1 1 i 概述 1 3 i 杂草会跟农作物争夺阳光 永分以及土壤中的养分 严重影响作物的生长与 发育 降低作物的产量和质量 许多杂草还是农作物病菌 病毒和害虫的宿主 易导致病虫害在作物中的蔓延 因此杂草的防除在农作物生产中起着重要的作 用 随着社会生产力的发展 迫切需要消除杂草的地方不仅局限于农田 其他如 排灌系统 航道 机场 油田 露天仓库 工业区 道路两旁 森林甚至公园等 地的杂草也会妨碍安全卫生和生产 影响环境的清洁 杂草一般被认为是 长在 人们不希望它长的地方的草本植物 杂草的危害不仅涉及农业生产 也影响到 国民经济的许多部门 农田杂草在长期的自然选择中 形成了独特的生物学特性 如结实能力强 种子数量多 传播途径广 生长能力强以及具有多种繁殖方式等 这些特性无疑 给除草造成巨大的困难 而人工除草在农业生产中是一项高强度的体力劳动 在 农忙季节一旦除草不及时 很易造成草荒而导致巨大损失 化学除草是一项重要 的技术革新措施 它可杀死杂草而不伤害作物 能把杂草连根彻底消灭 并能在 土壤中保持一段较长时间 继续发挥药效 不让杂草滋生 化学除草剂不但可以 节省大量劳动力 增产增收 还有利于农业机械化的发展和耕作栽培技术的革新 由世界粮食组织统计表明 1 9 0 4 年以来 由于施用除草剂 杂草明显减少 1 9 7 4 年间的试验结果表明 一切不施用农药 只用非化学的机械除草防治法 虫 5 山东人学形 l 学位论文 害增加5 病害增加3 草害增加1 估计总受害率将达到4 2 而施用2 2 亿美元的农药 就可避免6 9 亿美元的损失 从而得到将近4 7 亿美元的经济效益 由于除草剂对农业的增产增收具有重大意义 世界上除草剂的销售额在农药中所 占比例日益增大 1 9 8 6 年世界除草剂市场占农药总市场的4 4 9 0 年代初 除草 荆需要量达7 7 亿美元 占农药销售总额的6 5 到本世纪初 除草刹的需求量己 经达到1 0 0 亿美元左右 1 1 2 除草剂的发展概况h 1 1 2 1 国外除草静j 的发展史 据记载 人类在早期的耕作时期就认识到了杂草的危害 并用简单的工具与 之进行斗争 直到大约十八世纪中叶 人们发现某些化学品对植物有杀灭作用 从而显示出用化学品除草的可能性 1 8 9 5 年 法国葡萄种植者m l b o n n e t 在应 用波尔多液防除葡萄病害时 偶然发现硫酸铜溶液能杀死田芥等一些阔叶杂草 而不伤害麦苗 从而开始了化学除草剂的历史 二十世纪3 0 年代初 人们使用的 除草剂都是无机的金属盐和酸 主要是依靠其腐蚀性 它的主要缺点是用量大 选择性差 杀草谱窄 成本高以及使用麻烦 限制了其使用 1 9 3 2 年 二硝基酚 d n o c 2 甲基 4 6 二硝基酚 和地乐酚的成功开发 标 志着除草剂进入了有机化合物阶段 虽然这些化合物选择性不强 仅能局部杀死 杂草植株 不能斩草除根 但却使除草剂向自f 迈进了一步 1 9 4 2 年开发的两个选择性除草剂2 甲4 氯和2 4 滴 2 4 二氯苯氧乙酸 开创了 现代除草剂工业的新纪元 它们不仅除草效果好 杀草谱广 而且对单双子叶植 物具有显著的选择性 因而迅速得到发展和使用 二次世界大战后 工农业发展开始全面复苏 除草剂生产有了较大的发展 它在农业生产上的推广和应用 取得了显著的经济效益和社会效益 从而吸引一 些化工企业相继投入大量的人力 物力去研制和开发新型除草剂 促进了多种新 型除草剂的合成和筛选 二十世纪5 0 年代中期出现了均三氮苯类 取代脲类等许 多新除草剂品种 如西马津 敌草隆等 6 0 年代又出现了敌稗等具有属问选择的 除草剂 从而在选择性除草剂对作物的安全性方面又跃进了一大步 7 0 年代以来 由于许多大型化工企业投入了巨额资金 进行大规模的除草剂筛选和开发生产 终于在7 0 年代末出现了磺酰脲类 8 0 年代初又出现了咪唑磷酮类等一批超高效低 6 山东大学硕l 学位沦义 毒 低用量的新型除草剂 取得了除草剂发展史上具有里程碑意义的显赫成果 5 0 年来除草剂的总趋势是朝着高效低毒 选择性强 杀草谱广的方向发展 当今全世界生产的除草剂多达3 0 0 种以上 其中那些超高效的除草剂对提高农业 生产率 保护生态环境具有重要意义 近年来 除草帮已成为世界农药产业中最 活跃的部分之一 1 1 2 2 国内除草剂的发展情况 我国除草剂生产开始于二十世纪5 0 年代中期 1 9 7 8 年以来 许多地方使用除 草剂都有了较快的发展 防治面积从1 9 8 3 年的0 7 亿亩增长至目前的约l o 亿亩 除草剂市场潜力巨大 与此同时 除草剂的生产自9 0 年代以来也得到迅速发展 这是我国农村经济体制改革 进一步解放生产力的必然结果 除草剂总产量连年 增长 从1 9 9 1 年的1 9 8 万吨增至2 0 0 6 年的6 9 3 万吨 目前生产的品种以苯氧羧酸 二苯醚 苯胺 酰胺 三氮苯 取代脲有机杂环类为主 而英 美 日等发达国 家 除草剂生产约占农药市场的5 0 左右 农田化学除草率一般在8 0 左右 而我国化学除草仅占播种面积的4 7 由此可见 我国化学除草还有待大力发展 我国的杂草科学亦有了长足的发展 新型除草剂的国产化 除草剂应用技术 的研究都取得了很大成就 一个以化学除草剂为主体的杂草综合防除体系已经在 我国农村逐渐形成 为了推动杂草科学的发展 全国先后成立了杂草研究会 1 9 8 5 年开始又出版 杂草科学 及 杂草学报 两个中高级杂草专业刊物 学术交流 活动亦十分活跃 目前 我国科技工作者队伍不断壮大 素质不断提高 杂草科 学已经在我国农业 化工和生物学中占有重要地位 并且日益发展和提高 目前 我国化学除草剂品种与产量尚不能适应农业发展的需要 预计 2 0 0 7 年除草剂需 求将保持一定增幅 需求总量为7 2 8 万吨 将比今年增长5 1 1 目前我国三大 类农药产品中 杀虫剂 除草剂 杀菌剂的产量比大概为6 0 3 0 1 0 与发达国 家比较合理的3 0 5 0 2 0 相差还很远 在2 1 世纪前十年加快除草剂发展 努力增加 品种和产量 增加除草剂在总量中的比例从而使三大类农药比例更趋合理 是农 业现代化发展的需要 1 2 手性除草剂概述 现代农药的特点为超高效 尽量减少药剂或其代谢物对环境的影响 施药量 每亩在1 克左右 选择性 施药仅对靶标有害生物有抑制作用 对非靶标生物是 7 山东大学硕l 学位论文 安全的 无公害 药剂在防治后迅速降解为无害物质 对人体 有益生物体 生 态平衡等无不良影响 手性除草剂正是作为一种很好的现代农药得到越来越广泛 的应用 手性除草剂得到普遍使用的主要原因在于 5 1 目前所有新化合物都具有复杂的分子结构 含有立体变化 其中包括手 性 2 在传统筛选过程中发现个别有效的化合物具有手性 导致开发相关的化 合物 结果新化合物也有手性 3 以天然产物作为开发新品种的来源 使手性化合物增多 4 根据除草剂的尘物化学途径开发新化合物 导致设计细胞受体的分子结 构 而这样的受体本身有手性 因而设计的分子也有手性 根据除草剂在靶标中的生物化学作用与代谢途径来筛选细胞水平的化合物 这样能发现更为合理的化合物 由于它们是在手性生物化学体系中发现的 因而 一种成功的化合物含有手性的机率更多 除草剂的除草作用f 6 主要是干扰和破坏作用对象的正常生理生化过程 当除 草剂是手性分子时 它的构型对其除草活性有至关重要的影响 通常合成的具有 手性中心的除草剂往往是对映异构体的外消旋混合物 而真正起除草作用的往往 是其中一个对映异构体 7 9 1 另一个对映异构体是低活性或者没有除草活性 甚 至有大的毒副作用 比如 在含有一个手性碳原子的这类除草剂分子中 1 0 l 有 两种旋光异构体 其中d 为高效体 药效比l 体高6 一 2 倍 后来又进一步开 发其高效异构体 r 光学异构体 这样则可以减少除草剂用量 如精喹禾灵 精毗氟禾草灵 高效氟毗甲禾灵和精嗯唑禾草灵等 早期的除草剂品种1 5 1 结构比较简单 不存在旋光异构问题 随着除草剂品种 的发展 结构日趋复杂以及天然产物及其衍生物的增多 手性化合物显著增加 如t 9 8 0 年仅有1 9 农药品种是手性化合物 近年来增至3 0 以上 其中除草剂占 较大比重 涉及多种类型化合物 如表1 1 8 表1 l 主要手性除草剂品种 t a b l e1 1t h em a i nk i n d so f c h i r a lh e r b i c i d e s 山东大学预i 学位论文 化合物类型 主要品种 苯氧羧酸 芳氧苯氧丙酸 环己烯酮 眯唑啉酮 嘧啶氧苯丙酸 三嗪类 酰胺 二苯醚 三唑啉酮 有机膦 其它 除草剂安全剂 2 甲4 氯丙酸 m c p b 2 4 滴丙酸 2 4 一d b 吡氟禾草灵 f l u a z i f o p 禾草灵 d i c l o f o p 吡氟氯禾灵 h a l o x y f o p 喹禾灵 q u i z a l o f o p 嗯唑禾草灵 f e n o x a p r o p 氰氟草酯 c y h a l a t b p b u t y l 炔草酯 c l o d i n a f o p p r o p a r g y l 喔草酯 p r o p a q u i z a f o p 稀禾定 s e t h o x y d i n 烯草酮 c l e t h o d i m 噻草酮 e y e l o x y d i m 吡喃草酮 t e p r a l o x y d i m c l o p r o x y d i m 咪唑乙烟酸 i m a z e t h a p y r 灭草烟 i m a z a p y r 甲氧咪草烟 i m a z a m o x 咪唑喹啉酸 i m a z a q u i n 咪草酯 i m a z a m e t h a b e n z 甲基咪草烟 i m a z a p i c 环酯草醚 p y r i f t a l i d 三嗪氟草胺 t d a z m a m 异丙甲草胺 m e t o l a c h l o r 萘丙胺 n a p r o a n i l i d e 萘氧丙草胺 n a p r o p a m i d e 溴丁酰草胺 b r o m o b u t i d e 二甲噻草胺 d i m e t h e n a m i d 稗草胺 c l o m e p r o p 麦草伏 f l a m p r o p 氯氟草醚 e t h o x y f e n e t h y l 唑酮草酯 c a r t i m t r a z o n e e t h y l 双丙氨酰膦 b i l a n a f o s 草铵膦 g l u f o s i n a t e 环庚草醚 c i n m e t h y l i n 氟咯草酮 f l u r o c h l o r i d o n e 呋草酮 f l u r t a m o n e 茚草酮 i n d a n o f a n 灭草环 t r i d i p h a n e 解草酮 b e n o x a c o r 呋喃解草唑 f u r i l a z o l e 吡唑解草酯 m e r e n p y r d i e t h y l 关于手性除草剂的发展 欧盟己撤销了异构体混合的手性除草剂如苯噻草 胺 异丙甲草胺 喹禾灵 吡氟禾草灵 嗯唑禾草灵的登记 荷兰 瑞典与丹麦 在最近1 0 年中 异构体混合的手性农药己减少5 0 荷兰与瑞士要求手性苯氧基 除草剂必须注册单一异构体产品 此外瑞典根据农药活性成份重量进行征税 其 9 山泉人学顷l 学位论文 它国家也在效仿 在美国 e p a 已撤销异丙甲草胺的登记而批准了高效异丙甲草 胺的登记 对于手性对映体的拆分 定向合成和构效关系的研究已成为当前农药 研究的热点 可以预见 许多切实可行的拆分方法 立体有择合成和分析鉴定方 法将会不断出现 大多数手性农药将会以经济有效的高效异构体投入市场 单一商活性手性体或不含无效手性体的手性除草剂以低的剂量达到高的药 效 减少了除草剂向自然界的投入 在避免药害的同时 节省了一半以上原科 满足了社会发展的要求 提高了经济效益 目前我国已在手性除草剂的定向合成中进行了卓有成效的研究 如精喹禾 灵 精嚼唑禾草灵与精吡氟氯禾灵均已工业化生产 手性化合物的有择合成是必 然趋势 应当引起我们特别关注 1 3 含氟除草剂概述 由于氟原子半径小 与氢原子接近 生物体对其分辨不清 而误把含氟化合 物当作氢化合物射入组织并参与代谢过程 且氟又具有较大的电负性 它所形成 的c f 键键能要比c h 键键能大得多 明显地增加了有机氟化物的稳定性和 生理活性 另外含氟有机化合物还具有较高的脂溶性和疏水性 促进其在生物体 内吸收与传递速度 使生理作用发生变化 所以很多含氟农药在性能上具有用量 小 毒性低 药效高等特点 含杂环和含氟农药的开发是当今新农药研制的主体 i l 1 3 在世界上千余个农 药商品中 含氟农药约占1 5 左右 在近1 0 年所开发的新农药品种内 含氟化合 物更是高达5 0 以上 而既含杂环又含氟的农药则达3 0 左右 含氟农药的开 发已成为当今新农药开发的热点之一 尤其是既含杂环又含氟的农药 不仅现在 而且将来也是人们研究开发新农药的主要特点 含氟除草剂主要可分为以下几类 1 4 芳 杂 环上含氟原子的除草剂 芳 杂 环上含 c f 3 的除草剂 芳 杂 环上含 o c f 3 c h f 2 o c h f 2 等基团的除草剂 烷碳链上和非直连于芳 杂 环上含氟原子的除草剂 芳 杂 环上含氟原予的除草剂 最早是r 本三菱化成公司开发的氟化除草 醚 比较典型的产品是酰胺类除草剂麦草伏和激素型除草剂氟草烟 近年来又开 发出许多新品种 如氢氟草酯 丙炔氟草胺等 麦草伏是典型的芳 杂 环上含氟的除草剂 属酰胺类品种 国内没有生产 l o 山东大学硕j 二学位论文 但是有制荆使用 氟草烟 是由英国i c i 开发成功的毗啶氧乙酸类激素型除草剂 在禾谷类作 物上的使用期较宽 而且对禾谷类作物安全 目前国内仅有常州市武进恒隆农药 有限公司生产 该品种所需要的中间体为3 5 二氯 6 一氟吡啶 氢氟草酯 商品名 千金 是由陶氏农业科学公司开发的芳氧苯氧丙酸类除 草剂 在中国已经申请专利 并得到原石油化工局授予的行政保护 是水稻田选 择性除草剂 只能做茎叶处理 芽前处理无效 主要防除稗草 千金子等禾本科 杂草 目前国内已经有使用 丙炔氟草胺 商品名 速收 是一种由幼芽和叶片吸收的除草剂 主要用于 阔叶杂草的防除 对大豆和花生油很好耐药性 目前国内没有生产 但有使用报 道 其他的如唑嘧磺胺酯 是由美国陶氏农业科学公司开发的嘧啶并三唑类除草 剂 戊曝唑草是由日本科研制药公司开发的环酰亚胺类除草裁 异丙睦草酯是由 美国孟山都公司开发的吡唑类除草剂 陶氏开发的含噻二唑环的酰胺类除草剂氟 噻草胺 氟吡草腙是由美国氰胺公司开发的含毗啶环的脲类除草剂 氟噻草乙酯 是由日本组合化学公司研制 诺华公司开发的酰亚胺类除草剂 该化合物己获得 多国专利包括中国专利等 除上述介绍的品种外 近年来国内外报道的芳 杂 环上含氟的新开发的除草 剂还有 由陶氏农业科学公司开发的三睦并嘧啶类 同唑嘧磺胺酯结构相似的双 氟磺草胺 n o r a s u l a m 属于a l s 抑制剂 用于苗后防除小麦田阔叶杂草 由杜 邦公司开发的酰亚胺类除草剂 属于原卟啉原氧化酶抑制剂 p r o l f l a z 0 1 安万特 公司开发的原卟啉原氧化酶抑制 i f i 日本曹达公司开发的噻二睦类除草剂n s 2 4 2 4 7 9 可以防除大豆田一年生阂叶杂莩等 美国氰胺公司开发的毗啶酰胺类除 草剂a c 9 0 00 0 1 通用名称 p i c o l i n f e n 等 含三氟甲基芳 杂 环的除草剂最早开发出的是二硝基苯胺类除草剂氟乐灵 后来将三氟甲基引入二苯醚类和苯氧丙酸类除草荆结构中 明显提高其活性 二 苯醚类品种有三氟羧草醚 氟氯草醚等 苯氧丙酸类主要品种有吡氟禾革灵 氟 萘草酯等 除这两大类外 含三氟甲基芳 杂 环的农药还有呋草酮 氟草咯酮 氟醚草酯等 芳 杂 环上含 o c f 3 c h f 2 o e i 虾2 等基团的除草剂主要品种为 山东大学硕i 学位论文 氟嘧磺隆 唑酮草酯 氟硫草啶等 在烷链碳上含有氟原子的除草剂以磺酰脲类 为主 也有一些其他品种 具有该结构的除草剂品种不多 主要有三唑类胺草唑 f l u p o x a m 另外还有磺酰脲类的三氟丙磺隆 三嗪类的三嗪氟草胺 酰胺类的 m e f l u i d i d e 出i d m r s uk o s a a 公司最近开发的三嚎胺类除草剂t 由z i t i a r a 等 这些品 种国内均未见研究 生产与使用的报道 除草剂是农药发展的重点 而含氟和含杂环的除草剂成为新农药研制的重要 目标之一 成为国内外农药界发展的热点 目i j 我国含氟除草剂主要是一些传统 的老品种 与国外发达国家和地区相比差距很大 近年来国内含氟农药中间体生 产与开发进展很快 但是国内含氟除草剂由于受到多种因素制约发展缓慢 因此 大部分中间体用于出口 今后我国有关部门应密切关注含氟农药的发展动态和专 利法律状态 生产 些专利保护期已到的性能优异的品种 更为重要的是在借鉴 他人成果的基础上 开发出拥有自主知识产权的新型除草剂品种 1 4 芳氧苯氧丙酸酯类除草剂概述 芳氧苯氧丙酸酯 a r y l o x y p h e n o x y p r o p i o n a t e s 简称a p p 类除草剂是近二十 年来发展起来的新型除草剂 被用于阔叶作物中苗后防除一年或多年生禾本杂草 1 5 6 1 1 4 1 芳氧苯氧丙酸酯类除草剂的除草原理i 体2 1 l 脂肪酸是植物体的重要能源 由它组成的甘油三酯可在植物种子活果实中大 量储存 氧化1g 脂肪酸所释放的能量相当于lg 水化了的糖原所释放能量的六倍 所以在生物进化过程中脂肪被选择为贮存能量的重要方式 另外 磷脂是组成生 物膜的主要成分 还有许多类脂类衍生物都有重要的生理作用 迄今 已在植物体中发现2 0 0 3 0 0 种不同的脂肪酸 其中1 2 1 4 1 6 1 8 烷 酸四种饱和酸和油酸 1 8 1 亚油酸0 8 2 亚麻酸 i s 3 种不饱和酸占植 物组织脂肪酸总量的9 0 以上 植物脂肪酸的生物合成定位于叶绿体内 脂肪酸 合成所需的碳源来自乙酰辅酶a a c e t y l c o a s t a m p h 将高等植物脂肪酸生物合成租分为四个阶段 1 起始反应 由乙酰 辅酶a 合成丙二酸单酰辅酶a m a l o n y l c o a 其中乙酰辅酶a 羧化酶 a c c t y l c o a c a r b o x y l a s e 简称a c c 酶 是起始反应的关键酶 2 在脂肪酸合成酶 f a s 酶 的 作用下 合成1 6 1 8 烷酸 3 1 8 l 不饱和酸得生物合成 4 1 8 2 1 8 3 及 1 2 山东人学硕上学位论文 其不饱和酸的生物合成 芳氧苯氧丙酸酯类 a p p 抑制脂肪酸的从头合成 其靶标位置就在质体基质 中的a c c 酶上 从而达到除草效果 所以也被称为a c c 酶抑制剂 1 4 2 芳氧苯氧丙酸酯类发展过程1 1 7 l 早在七十年代 日本石原产业公司的一个研究小组将四十年代初发现的2 4 滴和六十年代开发的二苯醚结构结合起来开发了第一个a p p 类除草剂一禾革灵 d i c l o f o p m e t h y l 几乎同时 1 9 7 1 年 赫司特公司从医药部门研究的抗血脂药 剂的候选物中进行除草活性测试时 也发现了一系列芳氧苯氧丙酸酯对禾本科杂 草具有除草选择活性 迸一步优化也独立地开发了禾草灵 并于1 9 7 2 年第一个 申请了专利 这一发现导致了这类除草剂的迅速发展 在随后的七年中 据资料 统计 各公司共合成和研究了5 0 0 0 6 0 0 0 个结构相似的化合物 申请专利近1 4 0 个 继1 9 7 5 年赫司特公司第一个推出禾草灵商品之后 1 9 7 6 年日本石原产业公 司又推出了第一个含毗啶环的杂环a p p 在这一系列a p p 的开发过程中 人们发现 当吡啶氧基替代苯氧基时 得 到了一系列活性更高 选择性更好的除草剂 可见 这一芳环的变化强烈地影响 着化合物的生物性质 鉴于吡啶氧基化合物工业化过程中合成工艺的复杂性 人 们开始将目光转向易于合成的稠杂环a p p 上来 又是赫司特公司率先申请了第 一个含稠杂环的a p p 的专利 这就是后来商品化的威霸 f e n o x a p r o p e t h y l 和噻 唑禾革克 f e n t i a p r o p e t h y l 它们不仅提商了a p p 的除草活性 而且也提高了选 择性 进入八十年代以后 这一发现极大地鼓舞了各大公司在这一领域的研究兴 趣 致使a p p 的研制开发又进入第二个高潮期 除含苯并噻唑杂环的a p p 以外 还先后报道了含喹啉基 喹喔啉基 苯并咪唑基 吡啶并噻唑基 邻二氮杂萘基 吡啶并吡啶基a p p 等一系列新型化合物 其中已商品化的只有禾草克 q u i z a l o f o p e t h y l 进入九十年代以后 已商品化的a p p 除草剂的应用更加广泛 随着已有品 种除草机制研究的深入 出现了在除草原理中提到的基于a c c 酶的抑制研究 1 5 炔草酯简介 炔草酯是c i b a o e i g y 公司开发的谷物地芽后除草剂 主要用于防除野燕麦 山东大学颈 学位论文 看麦娘 黑麦草和狗尾草等一年生禾本科杂草 商品名称 t o p i c c e l l o 顶尖 炔草酸等 该除草剂是一种手性的含氟苯氧羧酸类除草剂 纯品为白色结晶体 熔点5 9 5 c 相对密度为1 3 7 2 0 c 水中溶解度为4 0m g l 2 5 c 在甲苯 丙酮和乙醇中溶解度较大 其在酸性介质中相对稳定 碱性介质中水解 炔草酯 的作用机理与特点是乙酰辅酶a 羧化酶 a c c a s e 抑制剂 内吸传导性除草剂 由植物体的叶片和叶鞘吸收 韧皮部传导 积累于植物体的分生组织内 抑制乙 酰辅酶a 羧化酶 使脂肪酸合成停止 细胞的生长分裂不能正常进行 膜系统 等含脂结构破坏 最后导致植物死亡 从炔草酯被吸收到杂草死亡比较缓慢 二 般需要1 3 周 单施进时 小粒谷类作物无足够的耐药性 要专用的作物安全剂 1 6 小结 1 6 1 除草剂发展特点 1 品种多 目前全世界生产的除草剂品种多达3 0 0 多个左右 总的趋势是 向着高效 低毒 选择性强 杀草谱广的方向发展且以茎叶处理剂为主流 2 剂型日益增多 一种原药平均有l o 余种加工剂型 在美国 一个药剂 甚至有3 6 个剂型及混配制剂 近年来 市场上出现了控制释放剂 高浓度颗粒 剂 胶悬剂 大粒剂等新剂型 3 使用方法多种多样 使用技术是发挥药效的关键问题 目前喷雾方式的 革新 施药器械的改进 以及用药方法的完善 可以用最少的药剂发挥最大的除 草效果 4 使用面积迅速扩大 随着耕作方式由人力 畜力向机械耕作方式转变 劳动力的减少 杂草危害加剧 农田化学除草的面积也在迅速扩大 5 增长速度快 以我国为例 预计2 0 0 7 年除草剂需求将保持一定增幅 需求总量为7 2 8 万吨 将比2 0 0 6 年增长5 6 复配技术的使用 为了取长补短 使用方式日益趋向除草剂之间的复配 除草剂与其他农药间的混用及增效剂的应用 这样能降低用量 提高和延长药效 降低残留 增强对气候条件的适应性 扩大杀草谱 提高对作物的安全性 7 安全剂 解毒剂进一步发展 目前这一领域研究相当活跃 使用也日趋 广泛 1 6 2 除草剂发展趋势 1 4 山东人学颂l 学位论文 1 品种的生物活性大大提高 杀草谱显著扩大 茎叶处理的品种越来越多 现今歼发的除草剂只需1 0 2 0 9 就能获得充分的药效 2 生物除草剂的研究进一步加强 一种子植物释放到环境中的某种化合物 可以直接或间接的危害另一种植物 利用植物的这种展品株克生现象筛选新的除 草剂品种正在不断深入 随着土壤生物与杂草学联系的加强 微生物除草剂的开 发迅速兴起 3 种子包衣剂的发展和应用 用除草剂包农作物种子是除草剂品种及使用 技术研究的新的发展方向 如将氟毗醚溶于桐油中后 处理大豆 棉花种子可有 效地防治杂草 而不伤害作物 4 抗除草剂作物的开发 由于选取育抗除草剂的作物新品种比创制一个选 择性除草剂新品种更为经济 所以 通过人工杂交 基因移植 个体选择等除草 剂的应用范围进一步扩大 并解决某些每感作物田的杂草防治问题 对于我国现阶段来说 仿制开发一些无知识产权纠纷的除草活性高 对环境 安全的除草剂 尤其是我国生产较少的棉田 花生田 油菜田除草剂品种是十分 必要的 仿制安全 高效的除草剂品种 仍将是我国除草剂工业的主流 而炔草 酯的研发正是符合这一主流趋势 总之 近年来 新型除草剂的开发工作十分活 跃 尤其是光学活性农药将更加引人注目 我们相信具有高效 无公害的新型除 草荆将继续造福于人类 1 7 研究意义及论文创新点 炔草酯是二十世纪末新开发的新型高效的手性含氟苯氧丙酸酯类除草剂 在 国外已取得很好的除草效果 然而 我国国内目前尚无规模化生产炔草酯及其中 间体 只有极个别研究单位有类似的合成技术 且成本较高 严重制约了其在农 业领域的推广和应用 因此 找到一条适合我国国情的工业化炔草酯制备工艺具 有重大的经济价值和现实意义 在此基础上 本论文通过对比炔草酯及其中间体各自的不同制备路线 从成 本控制和工艺可行角度考虑 找到一整条比较适合炔草酯工业化的制备工艺 1 综合对比了炔草酯及中间体2 3 5 三氯吡啶 5 氯 2 3 二氟吡啶 h 2 4 羟基苯氧基 丙酸的不同制各路线 确定一条从对苯二酚 三氯乙醛等 初始低成本原料出发的整条炔草酯制各路线 1 5 山东人学硕 学位沧文 2 系统研究了r 2 一 4 羟基苯氧基 丙酸的制备及提纯路线 3 定性研究了r c 2 4 羟基苯氧基 丙酸及炔草酯的紫外光谱性质 参考文献 i 张玉聚等 除草剥及其混用与农田杂草化学防治 m 中国农业科技出版社 2 0 0 0 2 苏少泉 除草荆作用靶标与新品种刨制 m 化学工业出版社 2 0 0 3 3 杨风蛉 新璎咪唑啉酮类除草荆和杀菌荆的设计 合成及性质 华中师范大学博士学位 论文 2 0 0 3 4 刘长令 世界农药火全一除草刺卷 m 化学工业出版社 2 0 0 2 5 苏少泉 除草莉中的手性化合物 j 现代农药 2 0 0 5 4 5 i 5 6 臧二乐 李萍 除草剂的手性和除草活性川 农药 1 9 9 5 3 4 7 6 9 7 g e r w i c kb c j a c k s o n l a e ta 1 p r e e m e r g e n c ea n dp o s t e m e r g e n c ea c t i v i t i e so f t h e r a n d s e n a n t i o m e r so f h a l o x y f o p 们 w e e ds c i 1 9 8 8 3 6 4 5 3 4 5 6 8 w a l k e rk a r i d l 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