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氟吡菌酰胺合成新路线——基于镍催化还原交叉偶联,总收率57.6%,含量98%以上

2025-12-04 16:421550

来源:《中国新技术新产品》2025(20)

作者:江凌睿; 郑大治; 黄扬杰; 等 


氟吡菌酰胺(ISO通用名:Fluopyram)是由德国拜耳作物科学公司开发的新型高效、绿色并且低毒的含氟农药,是含2个三氟甲基的吡啶乙基苯甲酰胺结构的化合物。氟吡菌酰胺不仅可以作为广谱杀菌剂应用于谷物、蔬菜、瓜果和花卉等70多种作物的疫病防治,而且可以作为靶向琥珀酸脱氢酶(SDHI)的抑制剂应用于线虫的防治,具有非常广阔的应用前景。 

 

目前较流行的氟吡菌酰胺合成工艺存在以下问题:1)需要使用高毒氰化物,并且需要高温脱羧和使用大量的强酸强碱。2)需要进行危险的催化氢化反应,对设备要求比较高,极大地增加了合成成本。3)合成步骤多,中间产物分离困难,反应产物颜色较深,不利于反应进行,不符合原子经济性原则。 


因此,开发一种反应步骤少、操作简单、成本低、三废少、收率高和纯度高的氟吡菌酰胺合成新工艺是亟待解决的问题。本研究发展了两步法合成氟吡菌酰胺,如图1所示。第一步,酰氯与伯胺进行酰胺化反应合成中间体1;第二步,镍催化还原偶联反应,完成氟吡菌酰胺合成。本文主要对第二步合成过程进行讨论,着重考查催化剂、配体、溶剂、还原剂、温度和反应时间对该偶联反应的影响。


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图1 氟吡菌酰胺合成新路线


1、试验部分


1.1 试验材料 


试验所用试剂主要包括溴乙胺氢溴酸盐、2-三氟甲基苯甲酰氯、2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶、三乙胺(B1)、吡啶(B2)、二异丙基胺(B3)、氢氧化钠(B4)、氢氧化钾(B5)、碳酸钠(B6)、碳酸钾(B7)、碳酸氢钠(B8)、碳酸氢钾(B9)、锰粉、锌粉、无水氯化镍(Cat.1)、溴化镍(Cat.2)、碘化镍(Cat.3)、乙酰丙酮镍(Cat.4)、乙酸镍(II)四水合物(Cat.5)、三氟甲磺酸镍(Cat.6)、2,2'-联吡啶(L1)、5,5'-二甲基-2,2'-联吡啶(L2)、[2,2'-联吡啶]-4,4'-二羧酸二甲酯(L3)、1,10-邻菲啰啉(L4)、2,9-二甲基-1,10-菲罗啉(L5)、2,6-双(4,5-二氢噁唑-2-基)吡啶(L6)、2,2'∶6',2''-三联吡啶(L7)、二氯甲烷(DCM)、二氯乙烷(DCE)、四氢呋喃(THF)、乙腈(MeCN)、N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N,N-二甲基乙酰胺(DMAc)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基亚砜(DMSO)以及1,4-二氧六环。 


1.2 试验方法 


1.2.1 中间体1的制备方法 


在氮气氛围下,向100mL圆底烧瓶中依次加入2-溴乙胺氢溴酸盐(12mmol)、1,4-二氧六环(15mL)和2-(三氟甲基)苯甲酰氯(10mmol),并将反应瓶置于冰水浴中,以10%碳酸钠溶液为缚酸剂进行酰胺化反应,慢慢滴加碳酸钠溶液,使反应液pH值维持在8~9,反应搅拌6h。反应结束后,使用乙酸乙酯萃取反应液,使用饱和食盐水洗涤,并使用有机相用无水硫酸钠干燥,旋蒸除去乙酸乙酯,得到白色固体。白色固体使用少量正己烷洗涤3次,经核磁共振波谱仪和气相色谱质谱联用仪检测,得到产物为目标中间体1(2.65g),产率为90%,含量为97%。气质联用仪显示中间体1保留时间为10.834min。测试条件如下:色谱柱SH-Rxi-5Sil MS,进样口温度250℃,离子源240℃。


1.2.2 镍催化氟吡菌酰胺的合成 


在氮气氛围下,向50mL烧瓶中依次加入中间体1(4.0mmol)、乙酸镍(II)四水合物(0.4mmol)、2,2'-联吡啶(0.6mmol)、锰粉(6.0mmol)以及DMAc溶剂(10mL),进而加入2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶(4.8mmol),在常温下将混合物搅拌2h。反应结束后,加入20mL水,进而使用乙酸乙酯萃取混合液,使用有机相用饱和食盐水洗涤3次,并使用有机相用无水乙酸钠干燥,旋蒸得到油状混合物,经柱色谱纯化得到白色固体,即为目标产物氟吡菌酰胺(1.03g),产率65%。气质联用仪显示氟吡菌酰胺保留时间为13.507min。测试条件如下:色谱柱SH-Rxi-5Sil MS,进样口温度250℃,离子源240℃。


2、结果和讨论 


本文发展了两步法合成氟吡菌酰胺,如图1所示。第一步,酰氯与伯胺进行酰胺化反应合成中间体1;第二步,镍催化还原偶联反应,完成氟吡菌酰胺合成。本文主要对第二步合成过程进行讨论,着重考查催化剂、配体、溶剂、还原剂、温度和反应时间对该偶联反应的影响。 

 

2.1 碱对中间体1合成的影响 


2-溴乙胺氢溴酸盐和2-(三氟甲基)苯甲酰氯在碱性条件下通过酰胺化反应制得中间体1。本文对该部分使用的碱进行了筛选,分别探索了有机碱三乙胺、吡啶、二异丙基胺和无机碱氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾对酰胺化反应的影响。反应条件如下:


准备2-溴乙胺氢溴酸盐(1.2mmol)、1,4-二氧六环(1.5mL)和2-(三氟甲基)苯甲酰氯(1.0mmol),并将反应瓶置于冰水浴中,以不同的碱为缚酸剂进行酰胺化反应,慢慢滴加不同的碱,使反应液pH值维持在8~9,反应搅拌6h。酰胺化反应碱的筛选如图2所示。当使用有机碱三乙胺、吡啶和二异丙基胺时,能够进行酰胺化反应,并且中间体1产率中等。当换成更廉价的无机碱时,特别是使用碳酸钠和碳酸钾时,产率分别为90%和87%。如果使用碱性更强的氢氧化钠和氢氧化钾,那么中间体产率约为50%;如果使用碱性较弱的碳酸氢钠和碳酸氢钾时,产率约为60%。因此该酰胺化反应选用碳酸钠作为碱。 


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图2 酰胺化反应碱的筛选 


2.2 还原偶联反应催化剂的筛选 


镍是一种常见的丰产金属催化剂,常用于还原反应、氧化反应、环加成反应和偶联反应等。镍用于催化2种亲电试剂的还原偶联反应已成为构建有机分子的有效策略。因此本文将通过C(sp2)-Cl与C(sp3)-Br偶联合成目标产物。先对催化剂进行筛选,反应条件为中间体1(1.0mmol)、2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶(1.1mmol)、镍催化剂(10mmol%)、2,2’-联吡啶(15mmol%)、锰粉(1.5mmol)和DMF(1.5mL),反应时间1h,并在25℃下,结果如图图3(a)所示。

 

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图3 不同催化剂、配体、溶剂和还原剂的筛选 


从图3(a)可以看出,所选的6种镍催化剂都是相对廉价易得的正二价镍盐,与活性更高的零价镍相比,二价镍盐更适合作为卤代烃还原偶联反应的催化剂,而使用零价镍更容易使底物发生脱卤氢化,无法得到目标产物或者产率很低。所选二价镍盐都能发挥作用,产率为16%~40%,当乙酸镍(II)四水合物作为催化剂时,产率为40%,因此接下来探索所用催化剂。 


2.3 催化反应配体筛选 


在镍催化还原偶联反应中,通常将双齿氮化合物作为配体,因此在确定以乙酸镍(II)四水合物为催化剂后,本文对不同的氮配体进行了筛选,反应条件为中间体1(1.0mmol)、2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶(1.1mmol)、乙酸镍(II)四水合物(10mmol%)、L1~L7(15mmol%)、锰粉(1.5mmol)和DMF(1.5mL),反应时间为1h,在25℃下,结果如图3(b)所示。本文尝试双齿氮配体,例如2,2'-联吡啶及其取代的衍生物和1,10-邻菲啰啉及其取代的衍生物,如反应序号1~5所示,产率为15%~40%,当以2,2'-联吡啶为配体时产率最高。同时,从反应序号6~7可以看出,单齿氮配体和三齿氮配体不适合该反应,没有检测到目标产物,因此后续将继续将2,2'-联吡啶作为该反应的配体。 


2.4 偶联反应溶剂筛选 


确定以乙酸镍(II)四水合物/2,2'-联吡啶为催化体系后,本文对反应的溶剂进行筛选,反应条件为中间体1(1.0mmol)、2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶(1.1mmol)、乙酸镍(II)四水合物(10mmol%)、2,2'-联吡啶(15mmol%)、锰粉(1.5mmol)和溶剂(1.5mL),反应时间为1h,在25℃下,结果如图3(c)所示。从中可以看出,低沸点溶剂,例如DCM、DCE、THF和MeCN不适用于该还原偶联体系,而高沸点溶剂,例如DMF、DMAc、NMP和DMSO能够得到较好的收率,其中DMAc最优产率为51%。因此选用DMAc为该反应的溶剂,继续探索其他反应条件。 

 

2.5 偶联反应还原剂筛选 


在还原偶联反应中,通常将金属单质作为还原剂,本文探索了不同锰粉的用量对偶联产物产率的影响,同时将锌粉替代锰作为还原剂,结果如图3(d)所示。当锰粉用量为中间体2当量时,目标产物的收率最高为59%。但是,使用锌粉替换锰粉后,产率下降。因此本文选用锰粉作为该还原偶联反应的还原剂。 


2.6 偶联反应的时间和温度的筛选 


为了进一步提高产率,本文对反应的时间和温度进行了优化,结果见表1。本文在常温下分别探索了不同时间对偶联反应的影响。在常温下反应2h可以得到64%的目标产物。同时继续尝试探索不同温度对反应的影响,无论低温还是稍微提高温度,反应均无法顺利进行。当处于低温时,反应原料还有剩余;当提高温度时,反应出现大量原料脱卤氢化的副产物,从而导致产率低。 

 

反应条件包括中间体1(1.0mmol)、2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶(1.1mmol)、乙酸镍(II)四水合物(10mmol%)、配体(15mmol%)、锰粉(2.0mmol)和DMAc(1.5mL),反应时间为1h~6h,温度为0℃~45℃。 

 

表1 反应时间和反应温度的筛选 

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3、结论 


本文提出以2-三氟甲基苯甲酰氯为原料,与溴乙胺氢溴酸盐经酰胺化后得到中间体1,再在镍催化下,与2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶经C(sp2)-C(sp3)还原偶联合成氟吡菌酰胺的新路线。利用单因素控制试验,本文详细研究了还原偶联反应的催化剂、配体、溶剂、还原剂、反应时间和温度6个因素,并得到了两步法合成氟吡菌酰胺的最佳工艺条件,总收率为57.6%,含量98%以上。与其他文献方法相比,该工艺路线具有如下优点:1)原料价格便宜,合成步骤仅需要2步。2)反应不需要强酸、强碱,减少″三废″,同时也避免了高温脱羧和氢化还原操作,安全系数更高。3)总收率提高显著,产品的纯度更高。该新工艺是一种理想、绿色的合成路线,适合工业化生产。


来源: 中国新技术新产品-CNKI


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