三嗪酮甲基化反應合成嗪草酮的工藝研究

李 林 王鵬鵬

(鹽城普魯泰克炭素有限公司，江蘇 鹽城 224300；*東南大學化學化工學院，江蘇 南京 211189)

嗪草酮是一種典型的偏三氮苯類除草劑，屬于選擇性除草劑；其最初由聯邦德國拜耳(Bayer)公司開發，在我國被正式登記于1988年[1]。嗪草酮主要適用于馬鈴薯、胡蘿卜、甘蔗、蒼耳、苜蓿、西紅柿、菠蘿等作物，可以防除禾本科以及多種闊葉雜草[2]。嗪草酮是我國除草劑主要的品種之一，在我國農田除草劑的市場中占有重要的地位。因此，對其合成工藝的研究具有重要意義。

以中間體三嗪酮(6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮)為原料經過甲基化反應合成嗪草酮；甲基化反應是合成嗪草酮工藝中關鍵的一步。孫曉紅等人報道甲醇/硫酸法以濃硫酸作溶劑無疑存在對反應設備腐蝕嚴重、廢酸排量過大、產品色澤較深等弊端[3]；Frank Runar Haglid等人采用鹵代甲烷為甲基供體合成嗪草酮[4,5]，鹵代甲烷毒性較大、價格昂貴，在生產過程中極易造成人員中毒等事故，并且根據《蒙特利爾議定書哥本哈根修正案》限制了溴甲烷在工業上的應用[6]；因此，考慮到成本、環保、安全等發展要求，迫切需要尋找合適的甲基化試劑生產嗪草酮。

本文采用6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮為原料，以(CH3)2SO4為甲基供體制得嗪草酮，反應式如上所示。在甲基化反應合成嗪草酮的同時總會伴隨著平行的副反應，提高反應原料的轉化率、增加反應的選擇性，降低N-甲基化副產物的產量，提高嗪草酮的收率是本文需要克服的一個難題。

1 實驗部分

1.1 原料與試劑

6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮，氫氧化鈉，硫酸二甲酯。

1.2 實驗儀器

集熱式恒溫磁力加熱攪拌器：DF-101AS，南京科爾儀器廠；旋轉蒸發儀：RE52CS，上海亞榮生化儀器廠；高效液相色譜儀：LC-10AT，日本島津儀器(上海)有限公司；核磁共振儀：AV-500，瑞士Bruker公司。

1.3 實驗方法

準確稱取5.0 g(0.025 mol)6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮固體，室溫下，將其緩慢加入到盛有pH為11的100 mL氫氧化鈉水溶液的反應裝置中，快速攪拌下，通過向反應溶液中緩慢滴加質量分數為10%的氫氧化鈉溶液10 g，使6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮固體溶解完全，持續攪拌一段時間以期6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮在堿性溶液中由酮式轉化為烯醇式。采用冰水混合液調節反應溫度為10 ℃，通過恒壓滴液漏斗向反應體系中緩慢滴加硫酸二甲酯3.1 mL，約半小時滴加完畢，維持溫度在10 ℃下保溫反應4 h。期間不斷向反應溶液中補加適量的氫氧化鈉溶液維持反應溶液的pH值為11。結束反應，過濾所得反應液，并用水洗滌所得濾餅層直至濾液呈中性，真空下干燥濾餅層得到粗產物嗪草酮5.1 g，純度88.2%(HPLC)，收率84.1%。

2 結果與討論

實際上6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮分子存在著烯醇式與酮式互變異構體，它的酮式和烯醇式互變異構體總是以一定的比例共同存在[7,8]，如下式所示。因此，在6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮酮式異構體分子環上氮原子的氫亦可以被甲基取代生成N-甲基化副產物；對反應溫度、時間、投料比等因素進行探索優化以期提高嗪草酮的收率。

2.1 溫度對反應收率的影響

在6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮與Me2SO4物質的量比為1∶1.3、反應時間3小時以及溶液的pH值12的條件下，對反應溫度作出單因素考察，結果見圖1。

圖1 溫度對收率的影響Fig 1 The yield with temperature

由圖1可知，隨著實驗溫度的升高反應的收率逐漸下降。溫度在10 ℃至20 ℃區間時反應的收率的降低并不明顯，推測反應在20 ℃的時候硫酸二甲酯在堿液中已經開始緩慢水解；當反應溫度上升到30℃以上時，反應的收率急劇下降，通過薄層色譜實時監測可知原料點較明顯且溶液的pH值亦迅速的降低，由此可知Me2SO4在反應液中已經大量的水解，所以控制反應溫度在20 ℃以下為佳。

2.2 物料配比對反應收率的影響

維持溶液的反應溫度20 ℃、溶液的pH=12不變并控制反應時間為3 h，考察硫酸二甲酯與6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮物質的量比對反應收率的影響，結果如圖2。

圖2 原料配比對收率的影響Fig 2 The yield with the material ratio

如圖2所示，反應原料6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮與硫酸二甲酯的摩爾比為1∶1時，反應的收率較低，通過薄層色譜檢測反應液可知原料多有剩余，當硫酸二甲酯的用量為3.1ml(1∶1.3)時，反應的收率達到最大值80.4%。繼續增加硫酸二甲酯的用量并不能夠繼續提升收率，究其原因是過量的硫酸二甲酯雖然保持反應進行徹底，但過量的Me2SO4水解致使溶液pH值的快速降低，pH值降低致使親核試劑的活性與原料在溶液中的溶解度均降低，實驗中控制6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮與硫酸二甲酯的摩爾比為1∶1.3為佳。

2.3 pH值對反應收率的影響

在6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮與Me2SO4物質的量比為1∶1.3、反應時間3h及溫度為20℃的反應條件下，考察不同溶液的pH值對反應收率的影響，結果如圖3所示。

結合圖3可知，反應的收率隨著溶液pH值的升高呈緩慢上升的趨勢。一方面，溶液pH的升高促使① 原料在溶液中的溶解度增大，② 親核試劑的活性增強，③ 6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮在堿性溶液中由酮式結構轉化為烯醇式，這三點因素有利于反應目標產物的生成；另一方面產品將會在pH高于12的溶液中被分解，降低反應的收率；在以上兩方面因素的共同作用下導致反應的收率隨pH值的變化并不明顯。實驗在pH值為12的條件下進行為宜。

圖3 pH值對反應收率的影響Fig 3 The value of pH on the production yield

2.4 反應時間對反應收率的影響

在反應溫度20 ℃、溶液的pH值12與6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮與Me2SO4物質的量比1∶1.3的情況下，考察不同的反應時間對收率的影響，結果如圖4。

圖4 反應時間對收率的影響Fig 4 Effect of reaction time on the yield

從圖4中可看出，反應進行到3 h，嗪草酮的收率達到最大值80.4%。當反應時間持續到5 h，得到顏色泛黃的嗪草酮固體，收率有較為明顯的下降；推測反應時間過長導致產物在堿性溶液中發生副反應，部分產物分解。因此最佳的反應時間應為3 h左右。

2.5 正交實驗

實驗采用四因素三水平L9(34)的正交試驗來探索影響反應收率的主要因素,正交實驗結果以嗪草酮的收率為評價標準，由實驗結果確定各因素對反應收率的主次影響關系。正交實驗結果如表2。

表1 正交設計方案表Table 1 Factors and levels

表2 正交實驗結果Table 2 Orthogonal experiment result

對正交實驗進行極差分析，結果見表3。

表3 嗪草酮收率極差分析表Table 3 Range analysis on metribuzin yield

表4 優化條件下的實驗Table 4 Results in the optimal condition

從表2可以看出，2號工藝條件下6-叔丁基-4-氨基-3-甲硫基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮的收率達到最高81.9%；由表3極差分析得到影響嗪草酮收率的主次因素順序為：反應溫度，嗪草酮與硫酸二甲酯的物料比，反應時間，溶液pH值。通過K值的計算得出合成嗪草酮最佳反應工藝條件為A1B2C3D2,即當反應溫度為10 ℃，溶液pH值為11，反應時間4 h，嗪草酮與硫酸二甲酯物料比1∶1.3時，嗪草酮的收率將會達到最高。在最佳工藝條件下展開實驗考察嗪草酮的收率，實驗結果如表4。

3 產品分析

(1)熔點測定

實測126-127 ℃，與文獻值一致[9]。

(2)核磁共振氫譜

核磁共振分析: TMS作內標, CDCl3為溶劑,分析結果如表5。

表5 核磁共振氫譜分析Table 5 The 1H-NMR spectrum analysis of product

圖5 6-叔丁基-4-氨基-3-甲硫基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮核磁氫譜圖Fig 5 1H-NMR spectrum of Metribuzin

4結論以(CH3)2SO4作甲基化試劑與6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮反應得到嗪草酮。在反應溫度10 ℃、溶液pH值為11、6-叔丁基-4-氨基-3-巰基-1, 2, 4-三嗪-5(4H)-酮與硫酸二甲酯的物料比1∶1.3、反應時間4h最佳工藝條件下嗪草酮的收率達到84.1%。與傳統鹵代烷烴甲基化工藝相比本路線具有成本低、反應條件溫和、對生產反應設備的要求低及目標產物收率高等優點。得到了一條適合工業化生產的工藝路線。

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[6] 胡建信, 姚薇, 熊康 等. 中國履行《蒙特利爾議定書》面臨的挑戰[J]. 環境保護, 2006(14): 37～39.

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