CN111662325B - 一种制备l-草铵膦的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种制备L‑草铵膦的方法。相对于现有的方法，本发明是一种化学合成的新路线，步骤相对简单、原料易得、成本可控，无需进行手性催化即可得到高ee值的L‑草铵膦产品，具有潜在的工业化应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备L-草铵膦的方法。
背景技术
草铵膦是由赫斯特公司于80年代开发成功的一种广谱有机磷触杀型除草剂，草铵膦是一种谷氨酰胺合成抑制剂，其内吸作用不强，与早期的草甘膦杀根不同，草铵膦先杀叶，再通过植物蒸腾作用可以在植物木质部进行传导，其速效性间于百草枯和草甘膦之间，是一种非选择性触杀除草剂。草铵膦包括L-草铵膦和外消旋DL-型草铵膦，其中，L-草铵膦的除草活性为外消旋DL-型草铵膦的两倍。目前市场上销售的草铵膦制剂一般都是外消旋DL-型草铵膦，如果草铵膦产品能以L-构型的纯化学异构体形式予以使用，可使草铵膦的使用量降低50％左右，这对于提高原子经济性、降低使用成本、减轻环境压力都具有十分重要的意义。
L-草铵膦，又称精草铵膦，化学名称为4-[羟基(甲基)膦酰基]-L-高丙氨酸，结构式如下所示，分子式为C5H12NO4P，分子量181.1；精草铵膦易溶于水，不易溶于有机溶剂，且对光稳定；熔点为214-216℃，CAS号35597-44-5。精草铵膦是一种广谱灭生性除草剂，具有高效、低毒、易降解、使用安全方便等优点，一年生、多年生的双子叶和禾本科杂草具有较好的除草效果。
现有L-草铵膦的制备工艺主要包括化学法和生物法。化学法合成L-草铵膦主要包括手性辅助剂诱导法、外消旋体拆分法和不对称合成法等，但这些方法面临合成路线复杂、收率低或/和手性拆分试剂昂贵的问题，难以实现其高效工业化生产，或难以实现较大的工业化应用价值。生物法合成L-草铵膦主要包括蛋白酶法、氨基酸脱氢酶法和转氨酶法等，这些方法往往具有产物光学纯度低、分离难度大或/和底物耐受差等缺陷，其工业化应用价值相对较低。因此，开发一条步骤相对简单、原料易得、成本可控的具有潜在的工业化应用价值的L-草铵膦合成工艺具有十分重要的意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种制备L-草铵膦(I)或其盐的方法，
所述方法包括以下步骤：
(a)使式(II)所示化合物或其盐
与甲基二氯化膦反应，转化为式(III)所示化合物或其盐
(b)使所得的式(III)所示化合物或其盐经Arbuzov重排反应，转化为式(IV)化合物或其盐
以及，
(c)使所得的式(IV)化合物或其盐经水解反应得到式(V)所示化合物或其盐
以及，
(d)使所得式(V)所示化合物或其盐经水解得到式(I)所示化合物或其盐。
化合物(II)可以根据现有路线制备得到，也可以按照下述的具体的实施方式，采用成本较低的L-高丝氨酸为起始原料，经两步反应以90％以上收率制备得到，例如：
在500mL三口瓶中，加入L-高丝氨酸(140g，1.18mol)，尿素(85.5g，1.42mol)，水(250mL)，加热升至内温100℃反应8h，MS检测原料消失，冷却至室温下，滴加36％HCl(200mL，2.36mol)，加热搅拌升温至内温90℃反应6h，冷却至室温，将水旋干后得到白色固体，用乙醇(150mL x 3)洗白色固体，烘干，得到白色固体5-(2-羟基乙基)咪唑烷-2,4-二酮163.2g，收率96％，ee值90％，HPLC纯度97.5％。
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13C NMR(D2O,400MHz)δ：179.0,159.3,57.4,56.2,32.7.
步骤(a)中，式(II)所示化合物或其盐与甲基二氯化膦的摩尔量之比不低于2。
步骤(a)中，前述反应可以在无机碱或有机碱的存在下进行。无机碱可以选自碱金属氢氧化物、碱土金属氢氧化物、碱金属碳酸盐、碱土金属碳酸盐、碱金属碳酸氢盐、碱土金属碳酸氢盐、碱金属乙酸盐或氨。在具体的实施方式中，有机碱选自三乙胺、二乙基异丙胺、三正丁胺、吡啶、甲基吡啶，较为优选的有机碱为三乙胺。
步骤(a)中，前述反应可以在适当的溶剂中进行，溶剂可以选自醚类溶剂、酰胺类溶剂、卤代烷烃类溶剂或苯类溶剂。在具体的实施方式中，溶剂选自三甲苯、二甲苯、甲苯、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺和1,2-二氯乙烷中，其中较为优选的溶剂为三甲苯。
步骤(a)中，前述反应的温度为-40～40℃，优选-10～-20℃。
步骤(b)中，前述反应的温度为100～200℃。
步骤(b)中，前述反应可以额外加入催化剂，所述催化剂为碘单质或含碘化合物，如在碘单质、碘化钾、碘化钠、碘甲烷或碘乙烷的催化下进行，发现无机催化剂催化效果较优，其中较优的催化剂为碘单质。
步骤(b)中，前述催化剂用量为式(III)所示化合物或其盐的1-10wt％。
步骤(b)中，前述反应在苯类溶剂中进行，优选甲苯、二甲苯和三甲苯中的任一种或多种。
步骤(c)中，可以采用无机酸水解，在具体的实施方式中，无机酸选自盐酸或硫酸。
步骤(d)中，可以采用碱或无机酸水解。在具体的实施方式中，碱或无机酸选自NaOH、KOH、Ba(OH)2、HCl或H2SO4。
本发明还进一步提供了式(III)所示化合物或其盐，或该化合物的立体异构体或其盐
本发明还进一步提供了式(IV)化合物或其盐，或该化合物的立体异构体或其盐
与现有的L-草铵膦合成路线相比，本发明是一种化学合成的新路线，步骤相对简单、原料易得、成本可控，无需进行手性催化即可得到高ee值的L-草铵膦产品，具有潜在的工业化应用价值。
具体实施方式
实施例1
(1)化合物2的合成
氮气氛围，往三口烧瓶中加入化合物(1)27.1g(ee值90％)，三乙胺38.1g以及三甲苯100mL，降至-20℃下，滴加甲基二氯化膦10g，保持-20℃条件下搅拌反应，反应液用Ms监测，直至原料反应完全后，减压蒸馏出三甲苯和三乙胺，得到粗产品化合物(2)28.1g，基于化合物(1)的摩尔收率为90％。粗产品化合物(2)无需进一步纯化，直接用于下一步。
(2)化合物3的合成
在氮气氛围下，将化合物(2)溶于三甲苯(120mL)后，加入颗粒状碘单质1.2g，升温至150℃，搅拌反应直至原料反应完全。减压蒸馏出三甲苯，用乙酸乙酯重结晶得到化合物(3)25.6g，基于化合物(2)的摩尔收率收率91％。
(3)L-草铵膦的合成
将化合物(3)溶于18wt％HCl(39mL)水溶液中，加热回流，直至原料消失。减压蒸馏出溶剂，用甲醇重结晶两次，得到化合物(4)，基于化合物(3)的摩尔收率为92.4％。
将母液合并，经减压蒸馏，回收化合物(1)。
取11.5g化合物(4)溶于水中，加入氢氧化钠2.7g，加热至回流反应，直至原料消失。加入36％HCl调节体系pH至5～6，减压蒸馏出溶剂后，用乙醇进行重结晶，得到目标产物L-草铵膦9.6g(ee值为85％)，基于化合物(4)的摩尔收率为95％。
实施例2
按照实施例1的方法，改变步骤(1)中的碱类型、溶剂类型以及反应温度，结果如下表1所示。
表中摩尔收率为化合物(2)基于化合物(1)的摩尔收率。
表1
实施例3
按照实施例1的方法，改变步骤(2)中的催化剂类型、溶剂类型以及反应温度，结果如下表2所示。
表中摩尔收率为化合物(3)基于化合物(2)的摩尔收率。
表2
Claims (21)
1.一种制备L-草铵膦(I)或其盐的方法，
其特征在于：所述方法包括以下步骤：
(a)使式(II)所示化合物或其盐
与甲基二氯化膦反应，转化为式(III)所示化合物或其盐
(b)使所得的式(III)所示化合物或其盐经Arbuzov重排反应，转化为式(IV)化合物或其盐
以及，
(c)使所得的式(IV)化合物或其盐经水解反应得到式(V)所示化合物或其盐
以及，
(d)使所得式(V)所示化合物或其盐经水解得到式(I)所示化合物或其盐。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于：步骤(a)中，式(II)所示化合物或其盐与甲基二氯化膦的摩尔量之比不低于2。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述反应在无机碱或有机碱的存在下进行。
4.根据权利要求3的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述有机碱选自三乙胺、二乙基异丙胺、正丁胺、吡啶、甲基吡啶。
5.根据权利要求4的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述有机碱选自三乙胺。
6.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述反应在溶剂中进行，所述溶剂选自醚类溶剂、酰胺类溶剂、卤代烷烃类溶剂或苯类溶剂。
7.根据权利要求6的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述反应在三甲苯、二甲苯、甲苯、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺和1,2-二氯乙烷中的任一种或多种中进行。
8.根据权利要求3的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述反应在溶剂中进行，所述溶剂选自醚类溶剂、酰胺类溶剂、卤代烷烃类溶剂或苯类溶剂。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述反应在三甲苯、二甲苯、甲苯、四氢呋喃、N,N-二甲基甲酰胺和1,2-二氯乙烷中的任一种或多种中进行。
10.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述反应的温度为-40～40℃。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于：步骤(a)中，所述反应的温度为-10～-20℃。
12.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应的温度为100～200℃。
13.根据权利要求1或2的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应在碘单质、碘化钾、碘化钠、碘甲烷或碘乙烷的催化下进行。
14.根据权利要求13的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应在碘单质的催化下进行。
15.根据权利要求12的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应在碘单质、碘化钾、碘化钠、碘甲烷或碘乙烷的催化下进行。
16.根据权利要求15的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应在碘单质的催化下进行。
17.根据权利要求1、2、14～16任一项的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应在苯类溶剂中进行。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应在甲苯、二甲苯和三甲苯中的任一种或多种中进行。
19.根据权利要求12的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应在苯类溶剂中进行。
20.根据权利要求13的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应在苯类溶剂中进行。
21.根据权利要求19或20的方法，其特征在于：步骤(b)中，所述反应在甲苯、二甲苯和三甲苯中的任一种或多种中进行。
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