丙硫菌唑合成工藝中副產(chǎn)物形成分析

閆景銘, 王夏菲, 程繹南*,,2,3, 張蒙萌, 馬藝超, 王利民,2, 李洪連,2

(1.河南農(nóng)業(yè)大學 植物保護學院，鄭州 450046；2.河南省植物健康保護技術工程研究中心，鄭州 450046；3.河南農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)藥納米工程技術中心，鄭州 450046)

丙硫菌唑是一種新型三唑硫酮類殺菌劑，其化學名為2-[(2RS-2-(1-氯代環(huán)丙基)-3-(2-氯苯基)-2-羥基丙基]-2H-1,2,4-三唑(4H)硫酮，由德國拜耳公司開發(fā)[1]，分子結構如圖式1 所示。

圖式 1 丙硫菌唑結構式Scheme 1 The formula of prothioconazole

丙硫菌唑?qū)y枯病、銹病、白粉病、枯萎病、菌核病、葉斑病、云紋病及網(wǎng)斑病等植物病害均具有較好的防效，廣泛應用于麥類作物[2]以及水稻、花生、大豆、油菜等作物的病害防治[3]。目前認為其作用機制是通過抑制細胞色素P450 家族甲基氧化酶CYP51 的活性，進而抑制真菌中羊毛甾醇或2,4-亞甲基二氫羊毛甾醇14 位甲基氧化和脫甲基化作用，阻斷甾醇的生物合成[4-5]。丙硫菌唑具有較好的內(nèi)吸活性、優(yōu)異的保護活性和治療活性[6]，持效期較長，與其他殺菌劑的交互抗性風險小[7-8]，于2019 年在我國登記，主要應用于小麥赤霉病、白粉病、銹病等病害的防治[9]。

由于丙硫菌唑結構的特殊性，其合成及純化方法面臨一定的挑戰(zhàn)。目前，按照三唑硫酮結構的構建方式不同，可將丙硫菌唑的合成分為如圖式2所示的3 條主要合成路線。

圖式 2 丙硫菌唑的3 條主要合成路線Scheme 2 The three main synthetic procedures of prothioconazole

路線1 是以1, 2, 4-三唑為單元構建三唑硫酮結構的合成路線 (三氮唑合成路線)[10]，該路線合成步驟少，但在原料1-氯-2-(1-氯環(huán)丙基)-3-(2-氯苯基)-2-丙醇(2) 向脫硫丙硫菌唑 (3) 的轉化過程中，由于三氮唑不同氮原子參與反應時的選擇性不高，導致發(fā)生副反應 (圖式3 副反應1)，使脫硫丙硫菌唑 (3) 的收率僅有50%左右，嚴重影響該路線工藝收率[11]。

路線2 是以取代肼(4)和丙酮為單元構建三唑硫酮結構的合成路線 (取代肼-丙酮合成路線)[12]，該路線所涉及的三唑硫啉酮中間體5 易于分離和純化，然而，在5 向丙硫菌唑轉化時產(chǎn)生的一些未知副產(chǎn)物對產(chǎn)品的分離、純化以及收率造成了較大負面影響 (圖式3 副反應2)。

路線3 是以取代肼(4)和甲醛為單元構建三唑硫酮結構的合成路線 (取代肼-甲醛合成路線)[13]，該路線涉及二氫丙硫菌唑(6)的催化氧化及丙硫菌唑的純化過程。在催化氧化過程中通常伴隨丙硫菌唑縮合物的產(chǎn)生 (圖式3 副反應3)，在純化過程中如果工藝條件操作不當，也會產(chǎn)生一些副產(chǎn)物 (圖式3 副反應4)，直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和收率。

圖式 3 丙硫菌唑不同合成路線所涉及的副反應Scheme 3 Side reactions involved in the different synthetic procedures of prothioconazole

不同合成路線發(fā)生副反應和后處理過程產(chǎn)生的副產(chǎn)物是影響產(chǎn)品收率和質(zhì)量的主要因素。為此，本課題組對丙硫菌唑不同合成路線中的關鍵副產(chǎn)物進行了合成、分離及結構解析，研究其轉化特性及其形成機制，旨在為丙硫菌唑的合成、提高與改進其工藝水平提供借鑒與參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

化學試劑購自上海百舜生物科技有限公司和安耐吉化學有限公司等，所有試劑未經(jīng)純化直接使用。薄層色譜板用羧甲基纖維素鈉水溶液(3.5‰)與青島海洋化工廠生產(chǎn)的硅膠 (GF254) 制備。

Bruker DPX-400 型超導核磁共振儀 (德國Bruker 公司)，以氘代二甲亞砜 (DMSO-d6) 或氘代氯仿 (CDCl3) 為溶劑，以四甲基硅烷 (TMS) 為內(nèi)標；安捷倫HP1100 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀 (安捷倫科技中國有限公司)；SPSIC WRS-1B 數(shù)字熔點儀(上海精密科學儀器有限公司)； Xcalibur, Eos,Gemini 衍射儀 (安捷倫科技中國有限公司)。除特殊說明，制備色譜均以V(乙酸乙酯) :V(石油醚) =1 : 5 為流動相。

1.2 合成方法

1.2.1 脫硫丙硫菌唑及副產(chǎn)物7 的合成與表征 以正丁醇 (20 mL) 為溶劑，向反應瓶中加入0.83 g(12 mmo1) 1, 2, 4-三氮唑與1.66 g (12 mmo1) 碳酸鉀，攪拌混合均勻后，加入2.78 g (0.01 mo1)1-氯-2-(1-氯環(huán)丙基)-3-(2-氯苯基)-2-丙醇 (2) 和0.06 g (0.50 mmol) 4-二甲氨基吡啶，加熱至回流反應3 h。反應液冷卻后加水 (50 mL)，用乙酸乙酯萃取（25 mL×3），合并有機相，有機相經(jīng)水洗后，用無水硫酸鈉干燥，抽濾，濾液脫除溶劑得棕色物質(zhì)3.13 g。粗產(chǎn)物以V(乙酸乙酯) ：V(石油醚)= 1 : 20 為流動相進行柱層析分離，得白色固體產(chǎn)物脫硫丙硫菌唑 (3) 1.05 g，收率 34%；同時得另一白色副產(chǎn)物2-(1-氯環(huán)丙基)-1-(2-氯苯基)-3-(1H-1,2,4-唑-1-基)-2-丙醇 (7) 0.93 g，收率 30%。脫硫丙硫菌唑3：m.p.107.6～109.4oC;13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 9.55, 10.80, 37.94, 45.99,53.08, 75.60, 126.62, 128.45, 129.43, 133.57, 133.86,134.84, 145.05, 152.08.1H NMR 與文獻[14]一致。副產(chǎn)物7：m.p.119.2～120.8oC;13C NMR (100 MHz,DMSO-d6)δ: 9.23, 10.68, 38.19, 46.06, 49.75, 73.85,126.71, 128.56, 129.26, 133.45, 133.57, 134.21, 144.05.1H NMR 與文獻[15]一致。

1.2.2 取代肼-丙酮路線所涉及丙硫菌唑及副產(chǎn)物8 的合成與表征 將64.30 g (0.17 mol) 二甲基三唑硫啉酮 (5) (參照文獻[12]合成) 加入到盛有394.80 g(8.58 mol) 甲酸和592 mL 甲酸異丁酯的反應瓶中，加熱回流反應16 h，TLC(V(乙酸乙酯) :V(石油醚) = 1 : 5)監(jiān)測反應物轉化完全，停止反應。減壓脫除過量的甲酸和甲酸丁酯，殘余物溶于400 mL甲苯中，用300.00 g 質(zhì)量分數(shù)為10% 水溶液洗滌，分別得到甲苯相和堿水相。將所得堿水相加入500 mL 甲苯并用10%鹽酸酸化到pH 值約為3～4 后分液，有機相加入無水硫酸鈉干燥、抽濾脫除溶劑，得到丙硫菌唑粗品52.00 g，甲醇重結晶得到白色針狀結晶 (1) 44.10 g，收率74%。甲苯相濃縮，殘余物甲醇重結晶得無色固體副產(chǎn)物6-(2-氯芐基)-6-(1-氯環(huán)丙基)-5,6-二氫-4H-1,3,4-噁二嗪-4-硫代甲酰胺 (8) 7.70 g，收率13%；副產(chǎn)物8： m.p.154.7～156.3oC；1H NMR (400 MHz,CDCl3)δ: 0.87-1.00 (m, 4H, CH2CH2), 3.45 (d,J=14 Hz, 1 H, CH2), 3.53 (d,J= 14 Hz, 1H, CH2), 4.12(d,J= 14 Hz, 1H, CH2), 4.99 (d,J= 14 Hz,1 H, CH2), 6.24 (s, 1H, NH2), 6.62 (s, 1H, OCHN),7.20-7.22 (m, 3H, ArH and NH2), 7.33-7.35 (m, 1H,ArH), 7.48-7.50 (m, 1H, ArH).13C NMR, (100 MHz,CDCl3)δ: 11.25, 12.26, 36.82, 43.96, 48.15, 79.13,126.40, 128.73, 129.55, 132.19, 133.36, 135.30, 140.27,179.49; HRMS (m/z)：C14H16Cl2N3OS [M + H]+，計算值344.0391, 實測值344.0391。

1.2.3 丙硫菌唑縮合物9 的合成與表征 將4.50 g(13.00 mmol)的二氫丙硫菌唑 (6) (參照文獻[13]溶于50 mL 甲醇中，加入20% FeCl3(8.40 g) 水溶液，在劇烈攪拌下室溫反應5 h。減壓濃縮除去溶劑，殘液加30 mL 水，用甲苯萃?。?0 mL×3），有機相干燥濃縮后，用制備薄層色譜分離得白色固體丙硫菌唑2.70 g，收率60.4% 和丙硫菌唑縮合物(9) 1.40 g，收率31.4%。化合物9：m.p.128.5～130.3oC.1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ: 0.43-0.57 (m, 4H, CH2CH2), 0.75-0.78 (m, 2H, CH2CH2),0.95-0.97 (m, 2H, CH2CH2), 3.03-3.08 (m, 2H, CH2),3.64-3.69 (m, 2 H, CH2), 3.91-4.00 (m, 2H, CH2),4.31-4.33 (m, 2H, OH), 5.03-5.08 (m, 2H, CH2), 7.19-7.25 (m, 4H, ArH), 7.37-7.39 (m, 2H, ArH), 7.51-7.53 (m, 2H,ArH), 7.96(s, 1H, Triazole-H), 7.98(s, 1H, Triazole-H)；13C NMR, (100 MHz, CDCl3)δ: 10.09, 10.17,10.95, 11.04, 38.12, 38.16, 45.60, 53.13, 53.24, 75.68,126.60, 128.47, 129.42, 133.54, 133.58, 133.81, 133.84,134.89, 151.73, 151.86, 152.24.HRMS (m/z)：C28H29Cl4N6O2S2[M + H]+, 計算值687.0548, 實測值687.0543.熔點與文獻(m.p.128.0～131.0oC)[16-17]一致。

1.2.4 堿處理副產(chǎn)物10 的合成與表征 將丙硫菌唑 (1)(5.00 g) 溶于10% NaOH (1.20 g)水溶液中，室溫攪拌反應10 h。反應液用30 mL 甲苯萃取得到有機相，有機相經(jīng)水洗、分離、干燥后濃縮。殘余物用薄層色譜分離得0.20 g 副產(chǎn)物2-(2-氯芐基)-2-((5-硫酮-4,5-二氫-1,2,4-三唑-1-基)甲基)環(huán)丁酮 (10)，白色固體，收率4.5%。副產(chǎn)物10：m.p.101.9～103.8oC.1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ: 1.96-2.04(m, 1H, CH2CH2), 2.17-2.25 (m, 1H, CH2CH2), 2.58-2.67 (m, 1H, CH2CH2), 2.90-2.99 (m, 1H, CH2CH2),3.19 (d,J= 14 Hz, 1 H, CH2), 3.28 (d,J= 14 Hz, 1H,CH2CH2), 4.39 (d,J= 14 Hz, 1H, CH2CH2), 4.63 (d,J= 14 Hz, 1H, CH2CH2), 7.19-7.22 (m, 2H, ArH),7.27-7.30 (m, 1H, ArH), 7.38-7.40 (m, 1H, ArH),7.89 (s, 1H, Triazole-H), 12.74 (brs, 1H, NH).13C NMR (100 MHz, CDCl3)δ: 19.10, 35.34, 44.41, 50.76,68.65, 127.05, 128.48, 129.81, 132.04, 134.22, 134.98,137.82, 166.11, 210.94.HRMS (m/z)：C14H15ClN3OS[M + H]+，計算值308.0624, 實測值308.0623.熔點與文獻(m.p.102.5～103.5oC)[18]一致。

1.2.5 丙硫菌唑與丙硫菌唑縮合物9 的轉化 稱取丙硫菌唑0.34 g (1.00 mmol)，投入盛有25 mL甲醇的三口燒瓶中，加入20% FeCl3(1.62 g)水溶液，在50oC (甲醇微負壓脫溶溫度) 劇烈攪拌下反應8 h，真空濃縮。殘液加30 mL 水，用甲苯萃取（20 mL×3），合并有機相并干燥濃縮后，以乙酸乙酯和石油醚 (V:V= 1 : 10) 為展開劑，用薄層色譜分離得0.23 g 淡黃色固體丙硫菌唑縮合物9，收率67%。

稱取0.69 g (1.00 mmol) 化合物9 投入50 mL 三口燒瓶中，加入四丁基溴化胺3.25 mg (0.01 mmol)、連二硫酸鈉(Na2S2O4) 0.44 g ( 2.50 mmol) 和水20 mL，攪拌反應4 h。反應液用乙酸乙酯萃?。? 0 mL×3），合并有機相并干燥濃縮后，殘余物以V(乙酸乙酯) :V(石油醚) = 1 : 10 為展開劑，用薄層色譜分離得白色固體丙硫菌唑0.56 g，收率81%。

2 結果與討論

2.1 丙硫菌唑三氮唑合成路線主要副產(chǎn)物結構及產(chǎn)生機制分析

在丙硫菌唑三氮唑合成路線中，首先通過1,2,4-三唑中的氮原子向原料2 中的碳-氯鍵發(fā)生親核取代反應引入三唑結構，然后再通過硫的氧化反應合成丙硫菌唑[11]。但在該合成步驟中，無論反應條件如何優(yōu)化，總有一個副產(chǎn)物產(chǎn)生，且與目標產(chǎn)物數(shù)量相當，嚴重影響了目標產(chǎn)物的收率和中間體的純化。高分辨質(zhì)譜顯示，其分子質(zhì)量與脫硫丙硫菌唑 3 相同。核磁圖譜顯示，三唑官能團的氫信號在δ8.37 的低場處顯示1 單峰為2 個氫，與脫硫丙硫菌唑 3 分別在δ8.26 和δ7.95處出現(xiàn)1 單峰各1 個氫形成鮮明對比，出現(xiàn)了氫信號的簡并現(xiàn)象；同時其碳信號在δ144.05 的低場處也出現(xiàn)了簡并，說明三唑的連接方式具有對稱性特征，因此判斷其為如圖式3 所示結構的副產(chǎn)物7。分析其形成機制為在堿性條件下，1,2,4-三唑被奪去質(zhì)子后，存在兩種共振氮負離子(如圖式4 所示)，從而導致副產(chǎn)物7 的產(chǎn)生。改變實驗條件，如降低反應溫度，改變?nèi)虻耐读媳纫约翱`酸劑等，該副產(chǎn)物相對于目標產(chǎn)物的比例均沒有明顯改變。目前，副產(chǎn)物7 并不能通過反應條件的優(yōu)化得到明顯改善，這是制約該合成路線的嚴重不利因素。

圖式 4 副產(chǎn)物7 可能的形成機制Scheme 4 The possible mechanism of formation of by-product 7

2.2 取代肼-丙酮合成路線主要副產(chǎn)物結構及產(chǎn)生機制分析

在取代肼-丙酮的合成路線中，涉及如圖式2 路線2 所示的合成過程，其中中間體5 通過取代肼、硫氰酸鹽和丙酮的縮合而成[12]。由于丙酮參與的硫酮雜環(huán)構建，反應的區(qū)域選擇性強，所產(chǎn)生的中間體5 容易分離，該合成路線具有一定的優(yōu)勢。然而，中間體5 在甲酸及甲酸酯的存在下向丙硫菌唑轉化過程中，伴隨一個主要副產(chǎn)物的產(chǎn)生。從核磁圖譜分析，其氫及碳信號與丙硫菌唑在數(shù)量上完全一致，質(zhì)譜分析表明其分子質(zhì)量也與丙硫菌唑完全相同，因此難以確定其結構。為此，培養(yǎng)了副產(chǎn)物8 的晶體進行了X-射線衍射分析，其晶體結構如圖1 所示 (CCDC 號為2305552)，最終確定其為具有如圖式3 化合物8 所示結構的化合物。

圖1 副產(chǎn)物8 的晶體結構Fig.1 Crystal structure of by-product 8

化合物8 的形成出乎意料，原料分子骨架中的叔羥基參與了雜環(huán)的重組過程。可能的形成機制如圖式5 所示，首先，三唑硫啉酮(5) 1 位的氮原子與甲酸酯發(fā)生酯胺交換反應；其次，三唑硫啉酮在水的存在下水解開環(huán)；接著，在酸的催化下，羥基向羰基發(fā)生加成、消除反應，形成噁二嗪環(huán)；最后取代硫脲的氮原子上進一步發(fā)生水解反應，釋放出一分子丙酮和水，最終形成副產(chǎn)物8。在目前實驗條件下，副產(chǎn)物8 相對于中間體5約有13%的收率 (見實驗部分)，嚴重影響丙硫菌唑的工藝收率、產(chǎn)品純化和質(zhì)量。

圖式 5 副產(chǎn)物8 可能的形成機制Scheme 5 The possible mechanism of formation of by-product 8

2.3 取代肼-甲醛合成路線副產(chǎn)物結構及產(chǎn)生機制分析

在取代肼-甲醛的合成路線中，取代肼在硫氰酸鹽和甲醛的存在下縮合得到二氫丙硫菌唑 (6)(圖式2 路線3)。6 在氧化劑的存在下氧化脫氫，轉化為丙硫菌唑 (1)，目前多以水-醇溶液為媒介，采用三氯化鐵為氧化劑實現(xiàn)氧化過程 (圖式6)。然而，在氧化步驟中產(chǎn)品收率波動較大。分析其原因發(fā)現(xiàn)，在氧化過程中，不同操作條件下除生成丙硫菌唑以外，還伴隨一個主要副產(chǎn)物的生成，從而造成收率的降低。1H NMR 圖譜表明，該副產(chǎn)物氫信號與丙硫菌唑相比少了一組活潑氫(酰胺N-H)，其他出峰位置及裂分與丙硫菌唑相似。HPLCMS 顯示，其質(zhì)荷比[M + H]+/z為687.0543，表明其相對分子質(zhì)量為丙硫菌唑的2 倍少兩個質(zhì)量數(shù)，判斷該產(chǎn)物為丙硫菌唑縮合物，其結構如圖式3化合物9 所示。該化合物的熔點和1H NMR 與文獻[16-17]基本一致，所不同的是看似對稱的質(zhì)子及碳信號并不能完全重疊。丙硫菌唑分子中叔醇碳原子為手性碳，丙硫菌唑是(R/S)構型消旋體，而當兩分子間發(fā)生縮合時會生成(R/S)、(S/R)、(R/R)和(S/S)4 個異構體，其中(R/S)和(S/R)的NMR 信號完全相同，(R/R)和(S/S) 的NMR 信號也完全相同。但(R/S)和(S/R)與(R/R)和(S/S) 是差向異構體，它們的NMR 信號十分相似并不完全相同，如1H NMR 譜中在δ7.98和7.96 出現(xiàn)兩組三唑環(huán)的質(zhì)子單峰,13C NMR譜在δ10.09 和10.17,10.95 和11.04, 38.12 和38.16 以及53.13 和53.24等處出現(xiàn)成對的共振信號，證明了這種差向異構體的存在。但這一細微差別只有在較高分辨率的情況下才能觀察到。

至于該副產(chǎn)物的形成機制，由于丙硫菌唑具有如圖式6 所示硫酮式1 和硫醇式11 兩種互變異構體，而硫醇通常在氧化劑或酸的存在下發(fā)生縮合反應[19]，因此判斷縮合物9 由丙硫菌唑硫醇式11 氧化縮合生成 (圖式6)。為了進一步證實這一轉化，直接將分離純的丙硫菌唑在二氫丙硫菌唑相似的氧化條件下使用三氯化鐵處理，最后以67%的收率分離得到了縮合體9。

圖式 6 丙硫菌唑縮合物9 可能的形成機制Scheme 6 Possible mechanism of formation of dimer 9

進一步研究發(fā)現(xiàn)，縮合體9可以在 Na2S2O4存在下解聚[20]，轉化為丙硫菌唑 (圖式6)。為此，將丙硫菌唑縮合物在相轉移催化劑存在下用保險粉水溶液處理，以81%的收率將丙硫菌唑縮合物還原為丙硫菌唑 ，此方法可以解決丙硫菌唑因縮合造成的收率損失問題。

2.4 丙硫菌唑純化過程中副產(chǎn)物結構及產(chǎn)生機制分析

由于丙硫菌唑具有溶于堿性水溶液的特點，通常使用氫氧化鈉水溶液將其溶解，先萃取去除有機雜質(zhì)，再酸化水相得到丙硫菌唑并純化。然而在純化過程中，通常伴隨一個少量雜質(zhì)的產(chǎn)生。

核磁圖譜顯示，該雜質(zhì)的Ar-CH2以及三唑N-CH2信號清晰可見，而相對高場質(zhì)子信號發(fā)生了較大變化，其化學位移較丙硫菌唑向低場移動，4 個質(zhì)子都分別裂分為多重峰 (δ1.96～2.99)，表明它們之間彼此仍是互相靠近的，羥基質(zhì)子信號消失，表明環(huán)丙烷及其鄰近結構發(fā)生了變化。結合碳譜在化學位移為δ210.94 處的低場出現(xiàn)一個碳信號，說明存在1 個羰基碳。HPLC-MS 顯示，其質(zhì)荷比[M + H]+/z為308.0623，與理論值308.0624對應。結合以上特征，綜合判斷其為圖式3化合物10所示的結構，參考相關文獻[18]進一步印證了結構的正確性。

在文獻[18, 21]中，雖然提及該化合物為丙硫菌唑雜質(zhì)，但并沒有分析其形成原因。我們分析該化合物的形成可能經(jīng)歷了如圖式7所示的步驟：首先，丙硫菌唑在堿的存在下在環(huán)丙烷端發(fā)生C－Cl 鍵的水解或羥基向C－Cl 鍵的親核取代，分別形成鄰二醇12或雙環(huán)結構13[22]，然后再分別發(fā)生重排反應[23]生成副產(chǎn)物10。因此，在丙硫菌唑純化處理過程中，控制氫氧化鈉的濃度、處理溫度、與氫氧化鈉的接觸時間以及后續(xù)的酸化條件等，是防止該副產(chǎn)物產(chǎn)生的關鍵因素。

圖式 7 丙硫菌唑堿及酸處理副產(chǎn)物10 的可能形成機制Scheme 7 Possible mechanism of formation of by-product 10 in prothioconazole treatment with base and acid in sequence

3 結論

通過對丙硫菌唑不同合成路線中副產(chǎn)物的分離，借助1H NMR、13C NMR、ESI-MS 或 X-射線衍射等手段對其結構進行了表征，分別明確了三氮唑合成路線、取代肼-丙酮合成路線、取代肼-甲醛合成路線以及丙硫菌唑純化工藝中的主要副產(chǎn)物結構，并分析了其形成機制。提出了丙硫菌唑縮合物形成及控制措施，丙硫菌唑純化中堿處理需要注意的關鍵因素等。丙硫菌唑不同合成路線主要副產(chǎn)物的表征、形成機制分析以及相關控制措施的驗證，為丙硫菌唑產(chǎn)品的合成路線選擇、工藝控制及產(chǎn)品質(zhì)量的提高提供了重要參考。