一種草銨膦新型中間體的合成和表征

吳憶雯，馬 銀，馮薇偉，舒 暢，奚 強，戶業麗，程 波

武漢工程大學化學與環境工程學院，湖北 武漢 430205

現全球大規模商品化種植轉基因作物，而轉基因作物種植面積約90%為種植含有抗草甘膦性狀的作物，草甘膦的大量重復使用導致抗性雜草的發展。全球第二大除草劑百草枯，由于沒有解毒藥，導致大量非生產性中毒死亡，因而將退出市場。所以位于草甘膦、百草枯之后的除草劑草銨膦獲得了巨大發展空間［1］。

草銨膦是一種谷氨酸的類似物，其本身沒有除草活性，但可在植物體內代謝為具有除草活性的草銨膦。研究發現植物吸收雙丙銨膦以后在體內代謝為L-型的草銨膦，L-型的草銨膦作用于谷氨酰胺合成酶，阻止了氨的同化，干擾氮的正常代謝，導致氨的積累，光合作用停止，葉綠體結構破壞，使雜草死亡，目前市售的草銨膦為草銨膦銨鹽的外消旋體［2-4］。

關于草銨膦合成方法的研究的文章有很多，概括起來有阿爾布佐夫合成法、高壓催化合成法、低溫定向合成法、蓋布瑞爾丙二酸合成法、strecker法、手性合成法等［5］。

本文首次以乙酰氨基丙二酸二乙酯（后簡稱二乙酯）為起始原料，經部分水解［6］得乙酰氨基丙二酸單乙酯（后簡稱單乙酯），再與自制2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛［7］（后簡稱膦醛）發生先加成后消除反應，制得中間體2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸，該中間體可進一步通過氫化制得外消旋草銨膦或L-草銨膦［8］。路線如圖1所示。

圖12-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的合成路線圖Fig.1 Synthetic route of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

乙酰氨基丙二酸二乙酯（化學純），百靈威科技有限公司生產；2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛（自制）；二氧六環、吡啶、乙酸酐、氫氧化鈉（化學純）均為國藥集團化學試劑有限公司生產。

PB203-N電子天平：Mettler Toledo Group生產；RE-52C旋轉蒸發儀：鞏義市予華儀器有限責任公司生產；SHZ-D（Ⅲ）循環水式真空泵：鞏義市予華儀器有限公司生產；DF-101S恒溫加熱磁力攪拌器：鞏義市予華儀器有限責任公司生產；核磁采用Agilent 400MR型核磁共振波譜儀。

1.2 實驗方法

1.2.1 乙酰氨基丙二酸單乙酯的合成 在1 L反應瓶中，量入300 mL溶劑1，4-二氧六環，攪拌下稱入50 g（230 mmol）乙酰氨基丙二酸二乙酯，邊攪拌邊滴加1 mol/L氫氧化鈉水溶液235 mL，控制滴加速度使內溫不超過30℃，滴加時間1.5 h～2 h，完畢后室溫25℃～30℃繼續攪拌反應16 h。減壓蒸出溶劑，所得的水溶液，用乙酸乙酯洗滌3次，每次100 mL。水相冷凍至0℃，用濃鹽酸調節pH為1，保溫結晶過夜。過濾，固體真空干燥，得白色固體37.1 g，熔點130 ℃～134 ℃，與文獻一致［9-10］，收率85.3%。

1.2.2 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的合成 在1 L反應瓶中，在氬氣保護下，量入160 mL無水吡啶（10 eqv.），冷凍至-15℃，攪拌下稱入30.0 g（200 mmol）2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛和41.6 g（220 mmol）乙酰氨基丙二酸單乙酯。邊攪拌邊滴加60 mL乙酸酐（1.6 mol/L），控制滴加速度使內溫不超過10℃，滴加完畢后自然升溫至室溫，繼續攪拌15 h。將反應液倒入1 L冰水中，用乙醚充分萃取3次，每次300 mL，合并有機相，旋干乙醚，加入5 mol/L鹽酸100 mL，升溫至50℃攪拌1 h，減壓旋干反應液。得粘稠物加入300 mL冰醋酸溶清，滴加甲苯析出晶體。過濾，真空干燥得白色固體32.7 g，熔點190 ℃～192℃，與文獻［11］一致，收率74%。

1.2.3 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的檢測 處理送檢樣品（無灰塵等雜質），以d6-DMSO為溶劑，送至檢測。

2 結果與討論

2.1 氫氧化鈉用量（摩爾比）對乙酰氨基丙二酸單乙酯收率的影響

在室溫條件下，攪拌反應16 h，討論了氫氧化鈉的用量對乙酰氨基丙二酸單乙酯收率的影響，結果如圖2（a）所示。

由圖2（a）可知，當NaOH和原料二乙酯摩爾比不斷升高，產物單乙酯的收率呈先增加后減少的趨勢。當n（NaOH）與n（二乙醇）摩爾比為1.02時，收率最高，達85.3%；進一步增加NaOH的用量，可能導致原料的過度水解，從而使產品的收率降低。綜合考慮，控制NaOH用量在n（NaOH）與n（二乙醇）摩爾比1.02～1.03為最佳的水解用量。

2.2 水解溫度和時間對乙酰氨基丙二酸單乙酯收率的影響

固定NaOH和原料摩爾比為1.02∶1，研究了反應溫度和時間對單乙酯收率的影響，結果如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，收率隨著溫度的升高呈現先上升后下降的趨勢，在低溫時，反應速度慢，副產物多，導致收率偏低，溫度過高水解速度快，選擇性較差，綜合考慮，確認適宜的反應溫度為20℃～30℃，在條件一定時，隨著反應時間的延長，單乙酯的收率不斷增加，最終達到最大值，在反應16 h后，收率72.6%，繼續延長時間，收效不大，最終確定水解時間為16 h最佳。

圖2（a）氫氧化鈉與乙酰氨基丙二酸二乙酯的摩爾比；（b）水解溫度和時間對乙酰氨基丙二酸單乙酯收率的影響Fig.2 Effect of（a）mole ratio of sodium hydroxide to diethyl acetamidomalonate（b）hydrolysis temperature and time on the yield of ethyl acetamidomalonate

2.3 乙酰氨基丙二酸單乙酯和2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩爾比對產物收率的影響

在n（膦醛）∶n（吡啶）∶n（乙酸酐）摩爾比為1∶10∶3.2的條件下，考察了單乙酯和膦醛的摩爾比對產物收率的影響，結果如圖3（a）所示。

由圖3（a）可知，隨著投料摩爾比值的增加，收率不斷增加，在超過1.1后，趨于平緩，可以確定較佳的摩爾比為1.1，此時收率74%。

2.4 吡啶和2［-乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩爾比對產物收率的影響

在n（單乙酯）∶n（膦醛）∶n（乙酸酐）摩爾比為1.1∶1∶3.2的條件下，研究了吡啶的用量對產物收率的影響，結果如圖3（b）所示。

由圖3（b）可知，吡啶提供所需的反應堿性環境［12］，隨著吡啶用量的增大，收率有很大的提高，超過摩爾比值10后，吡啶已大大過量，收率變化不大，綜合考慮，確定吡啶的用量為摩爾比值10為最佳。

2.5 乙酸酐和2［-乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛摩爾比對產物收率的影響

在n（單乙酯），n（膦醛）和n（吡啶）的摩爾比為1.1∶1∶10條件下，考察了脫水劑乙酸酐的用量對產物收率的影響，結果如圖3（c）所示。

由圖3（c）可知，隨著脫水劑用量不斷增加，產物收率也呈現不斷增加，最終趨于穩定的趨勢。脫水劑的加入會促進中間態脫水生成烯鍵，從而不斷地生成產物，量少時反應慢，副產物多，收率偏低。確認乙酸酐的摩爾比值3～4為最佳反應條件。

2.6 反應溫度對產物收率的影響

在n（單乙酯），n（膦醛），n（吡啶）和n（乙酸酐）的摩爾比=1.1∶1∶10∶3.2條件下，考查了反應溫度對產物收率的影響，結果如圖3（d）所示。

由圖3（d）可知，隨著溫度的提高，產物收率出現先增高后降低的趨勢，溫度偏低，反應速率小，溫度偏高，醛自身縮合副反應增多，綜合考慮，確認溫度20℃～30℃為較佳的反應條件。

2.7 產物結構表征

2.7.1 產物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的1HNMR 對產物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸經1H-NMR進行了測定，其1H-NMR圖譜見圖4（a），溶劑采用d6-DMSO，分析如表1所示，各吸收峰的積分面積比值與2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子結構中相應位置上H的數目吻合，證明所得物質為2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

圖3 （a）乙酰氨基丙二酸單乙酯，（b）吡啶，（c）乙酸酐與2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛的投料比及（d）反應溫度對收率的影響Fig.3 Effect of mole ratio of（a）acetaminomethylester，（b）Pyridineand and（c）acetic anhydride to 2-［ethoxy（methyl）phosphono］acetaldehyde and（d）reaction time on yield of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid

表12-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的核磁氫譜特征參數Tab.1 Characteristic parameters of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid in1HNMR

2.7.2 產物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的的13CNMR 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的13C-NMR圖見圖4（b），且有13CNMR（400 MHz，d6-DMSO）δ15.11，22.96，32.27，40.1，126.00，131.05，165.77，168.95.各吸收峰的位置與2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子結構中的相應位置吻合，證明所得物質為2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

2.7.3 產物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的31PNMR 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的31P-NMR圖見圖 4（c），且有31P-NMR（400 MHz，d6-DMSO）δ 43.34.吸收峰的位置與2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸分子結構中的相應位置吻合，證明所得物質為2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

根據1H-NMR，13C-NMR，31P-NMR確認制得的產物即為2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。

圖4 2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的（a）核磁氫譜，（b）核磁碳譜，（c）核磁磷譜Fig.4（a）1H-NMR，（b）13C-NMR and（c）31P-NMR of 2-acetamido-4-［hydroxy（methyl）phosphonyl］but-2-enoic acid

3 結語

本文首次報道了一種合成草銨膦中間體2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸的方法：以乙酰氨基丙二酸二乙酯為原料，部分水解可得到中間物乙酰氨基丙二酸單乙酯。中間物單乙酯和2-［乙氧基（甲基）膦酰基］乙醛在弱堿性條件下縮合，最終得到草銨膦中間體2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸。根據投料比、溫度、時間等條件對反應的影響可得，第一步水解反應中，當氫氧化鈉和二乙酯摩爾比為1.02∶1，溫度25℃～30℃，反應16 h為最佳，單乙酯收率85.3%；第二步縮合反應中，投料摩爾比n（單乙酯）∶n（膦醛）∶n（吡啶）∶n（乙酸酐）=1.1∶1∶10∶（3～4）為最佳，最終產物收率可達74%。該路線條件溫和，得到的最終產物2-乙酰氨基-4-［羥基（甲基）膦酰基］丁-2-烯酸，可進一步氫化制得外消旋草銨膦或L-草銨膦。

［1］ 莊建元，胡笑形.草銨膦國外工業化路線的探討和啟迪［J］.農藥，2014，53（10）：703-711.

［2］ 周岳明.草銨膦合成進展［J］.科教導刊，2015（11）：152-185.

［3］ 劉長令，韓亮，李正名.以天然產物為先導化合物開發的農藥品種（3）-除草劑［J］.農藥，2004，43（1）：1-4.

［4］ 蘇少泉.生物除草劑的研究與開發［J］.農藥，2004，3（43）：97-100.

［5］ 宋宏濤，楚士晉.草銨膦制備合成方法簡述［J］.現代農藥，2006，5（3）：1-3.

［6］ CHEN H J，mcdaniel K F，GREEN B E，et al.Macrocyclic hepatitis C serine protease inhibitors：US，8 748 3742［P］.2014-06-10.

［7］ RAZUMOV A I，LIORBER B G，PAVLOV V A，et al.Reactivity and structure of phosphorylated carbonyl compounds.XIII.Methylalkoxyphosphinylacetaldehydes［J］.Zhurnal Obshchei Khimii，1977（47）：243-246.

［8］ YANG H L，WANG E F，YANG P，et al.Pyridinedirected asymmetric hydrogenation of 1，1-diarylalkenes［J］.Organic Letters，2017，19（19）：5062-5065.

［9］ ALBERTSONB N F，TULLARJ F，KING A，et al.The preparation and some reactions of ethyl α-acetamidoacetoacetate［J］.Albertso，1948（70）：1150-1153.

［10］ HEINRICH H，KARL T，FRANZ L.α-Acylaminoacrylesteraus acylaminomalonestern［J］.Chemische Berichte，1958，91（11）：2427-2430.

［11］ ZEISS H J.Enantioselective synthesis of both enantiomers of phosphinothricinvia asymmetric hydrogenation of α-acylamido acrylates［J］. The Journal of Organic Chemistry， 1991，56（5） ：1783-1788.

［12］ MICHEL G， MYRON M D W.2-（Acetylamino）propanedioic acid ［J］. e-EROS encyclopedia of reagents for organic synthesis，2013（9）：17-26.