CN113024506B - 3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开3‑甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，涉及有机合成技术领域，本发明包括以下步骤：(1)将硫化钠与式II所示2‑(2‑溴乙基)‑1,3‑二恶烷加热回流反应得到式III所示双(3,3‑二甲氧基丙基)硫烷；(2)在酸性条件下，将步骤(1)中的双(3,3‑二甲氧基丙基)硫烷与硫酸进行加热回流成环反应即得到式IV所示3‑甲酰‑5,6‑二氢噻喃；(3)在催化剂存在下，式IV所示3‑甲酰‑5,6‑二氢噻喃在高压下催化得到式I所示3‑甲酰四氢噻喃化合物。本发明的优点为：原料易得，操作简单，最高产率可达92％。

Description

3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法
技术领域
本发明涉及有机合成技术领域，具体涉及一种3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法。
背景技术
3-甲酰四氢噻喃化合物是有机合成中的一种重要骨架，是重要的有机合成中间体，在有机合成、工农业生产、医药工业和人们的日常生活中有着广泛应用。3-甲酰四氢噻喃化合物无论是在有机合成还是在精细化工中都有着重要的意义和应用价值，不管是在有机合成上还是在生物合成上都有着非常重要的作用。
近年来，高毒、高残留农药对环境的危害已被人们所认识，现在世界各国农药工作者都在致力于开发高效、低毒、低残留的新农药。杂环化合物一直是新农药发展的主流，近十年来在世界农药专利中，大约有90％是关于杂环化合物的。环己二酮类除草剂噻草酮(cycloxydim)是一种重要的含硫杂环化合物，属于一类高效、低毒、低残留的具有选择性的内吸传导型茎叶处理剂，目前国内尚无噻草酮的生产报道。因此进行噻草酮及其中间体的研究和开发具有十分重要的现实意义。
3-甲酰四氢噻喃化合物不仅是合成噻草酮和水田除草剂环苯草酮的关键原料，而且也是合成其他许多具有噻喃环化合物的中间体，如谭成侠,孙娜波,翁建全,等.中间体3-甲酰四氢噻喃的合成[J].浙江大学学报(理学版),2007(06):669-671.中公开以丙烯醛为原料制备3-甲酰-5，6-二氢噻喃，然后与乙酸乙酯、催化剂一起进行高压反应，合成2-甲酰四氢呋喃，收率达到90％以上，但现有技术中所用原料为二乙缩-3-氯丙醛或者丙烯醛和硫化氢，这些化合物一方面市场所售价格高昂，获取不便，且污染较大，如二乙缩-3-氯丙醛市售价格大约为206元/g，1033元/25mL，丙烯醛根据相关法律法规和政策，目前则禁止销售，而硫化氢除了获取不便之外，本身更是有剧毒、腐蚀性、易燃易爆的酸性气体，与空气混合能形成爆炸性混合物，遇明火、高热能引起燃烧爆炸；另一方面制备过程具有危险性，容易导致人员中毒，甚至导致爆炸。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有技术中制备3-甲酰四氢噻喃化合物方法所采用的原料价格昂贵、获取不便、污染较大，且具有危险性。
本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题：
3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，包括以下步骤：
(1)将硫化钠与式II所示2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷加热回流反应得到式III所示双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷；
(2)在酸性条件下，将步骤(1)中的双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷与硫酸进行加热回流成环反应即得到式IV所示3-甲酰-5,6-二氢噻喃；
(3)在催化剂存在下，式IV所示3-甲酰-5,6-二氢噻喃在高压下催化得到式I所示3-甲酰四氢噻喃化合物。
Figure GDA0003523857280000031
有益效果：本发明首先通过式II的2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷和硫化钠在溶剂下生成双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷，然后再与硫酸进行成环反应得到3-甲酰-5,6-二氢噻喃化合物，最后3-甲酰-5,6-二氢噻喃化合物在催化剂存在下进行高压氢化反应得到式I所示目标产物3-甲酰四氢噻喃化合物。
与现有技术相比，本发明采用一锅法合成3-甲酰四氢噻喃化合物，具有原料易得，操作简单等优点，最高产率可达92％，为3-甲酰四氢噻喃化合物的合成和工业化提供了一种全新的合成方法。
本发明所用原料为2-(2-溴乙基)-1，3-二恶烷，该化合物价格相比二乙缩-3-氯丙醛或者丙烯醛和硫化氢，除了价格更加便宜且容易获得、污染更少之外，实验过程相比现有论文中的实验方法则更加安全，实验处理也更加方便，符合绿色化学的发展理念。
优选地，所述步骤(1)中2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷与硫化钠的摩尔比为1～1.2:0.5～0.7。
优选地，所述步骤(1)中2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷与硫化钠的摩尔比为1:0.6。
优选地，所述步骤(1)中的加热回流反应的温度为80-120℃，反应时间为8-20h，反应溶剂为无水乙醇和水。
有益效果：在该温度和时间范围内，反应较好，收率较高，90℃、15h时反应最好收率最高，温度低于80℃或者高于120℃，反应收率明显较低，时间低于8h或者高于20h，反应收率也明显较低或者基本没有提升反应收率。反应温度选取为90℃时最佳，可以获得最优的收率。
优选地，所述步骤(1)中的加热回流反应的温度为90℃。
优选地，所述步骤(1)中2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷、硫化钠、无水乙醇的摩尔比为1:0.6:6。
优选地，所述步骤(2)成环反应中双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷与硫酸的摩尔比为(1～1.1):(2.0～3.5)。
优选地，所述步骤(2)成环反应中双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷与硫酸的摩尔比为1:2.7。
优选地，所述步骤(2)中成环反应的温度为70-100℃，反应时间为0.5-3h，反应溶剂为乙醇。
有益效果：在该温度和时间范围内，反应较好，收率较高，90℃、2h时反应最好收率最高，温度低于70℃或者高于100℃，反应收率明显较低，时间低于0.5h或者高于3h，反应收率也明显较低、或者基本没有提升反应收率。
优选地，所述步骤(2)中成环反应的温度为90℃，反应时间为2h。
优选地，所述步骤(2)中硫酸的浓度为5-7mol/L。
优选地，所述步骤(3)高压氢化中，式IV所示3-甲酰-5,6-二氢噻喃与催化剂的摩尔分数比为(3.5～7.7):(0.5～1.2)。
优选地，所述步骤(3)高压氢化中，式IV所示3-甲酰-5,6-二氢噻喃与催化剂的摩尔分数比为6:1。
有益效果：本发明操作简单，避免使用高成本、有毒的有机溶剂，采用无毒的乙醇水溶液在较高温度下以优良的收率获得3-甲酰四氢噻喃化合物，可以大规模应用于工业生产。
优选地，所述步骤(3)中高压氢化反应的温度为110-120℃，反应时间为6～8h，反应溶剂为乙酸乙酯，反应压强为1-2MPa。
有益效果：在该温度和时间范围内，反应较好，收率较高，120℃、6h时反应最好收率最高，温度低于110℃或者高于120℃，反应收率明显较低，时间低于6h或者高于8h，反应收率也明显较低、或者基本没有提升反应收率，步骤(3)需在高压条件下进行，氢气压强为1MPa～2MPa，具体可为1Mpa，若压强小于1Mpa或者高于2Mpa，反应效果明显较差或者基本没有明显提升。
优选地，所述步骤(3)中高压氢化反应的温度为120℃，反应压强为1MPa。
优选地，所述步骤(3)中高压氢化反应的催化剂为Raney-Ni、钯催化剂或铂催化剂。
优选地，所述步骤(1)和步骤(2)中均采用通过TLC监测反应完全，TLC监测过程中的展开剂为石油醚和乙酸乙酯，所述石油醚与乙酸乙酯的体积比为8:1。
优选地，所述步骤(1)中待反应完全后，向反应液中加入水和乙酸乙酯进行萃取，所得的有机相用饱和氯化钠洗涤，无水硫酸钠干燥后浓缩，得到纯化后的双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷。
优选地，所述步骤(2)中待反应完全后，向反应液中加入水和乙酸乙酯进行萃取，所得的有机相用饱和氯化钠洗涤，无水硫酸钠干燥后浓缩，得到纯化后的3-甲酰-5,6-二氢噻喃化合物。
优选地，所述步骤(3)中采用通过TLC监测反应完全，TLC监测过程中的展开剂为石油醚和乙酸乙酯，所述石油醚与乙酸乙酯的体积比为2:1。
优选地，所述步骤(3)中待反应完全后，向反应液中加入水进行萃取，所得的有机相用饱和氯化钠洗涤，无水硫酸钠干燥后浓缩，得到纯化后的3-甲酰四氢噻喃化合物。
本发明的优点在于：本发明采用一锅法合成3-甲酰四氢噻喃化合物，具有原料易得，操作简单等优点，最高产率可达92％，为3-甲酰四氢噻喃化合物的合成和工业化提供了一种全新的合成方法。
本发明操作简单，避免使用高成本、有毒的有机溶剂，采用无毒的水溶液或乙醇在较高温度下以优良的收率获得3-甲酰四氢噻喃化合物，可以大规模应用于工业生产。
附图说明
图1为本发明实施例中3-甲酰四氢噻喃化合物的制备路线图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例中所用的试验材料和试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例中未注明具体技术或条件者，均可以按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。
实施例1
3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，其制备路线如图1所示，具体包括以下步骤：
(1)往250mL圆底烧瓶中依次加入适量水溶解的硫化钠、2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷、无水乙醇，升温至90℃，其中2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷、硫化钠、乙醇的用量分别为2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷(73.0mmol)、硫化钠(43.8mmoL)、无水乙醇(25mL)；
2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷、硫化钠在加热回流的条件下于乙醇中搅拌反应15h，待反应完全后，得到图1中式III所示的双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷，通过TLC(展开剂为石油醚:乙酸乙酯＝8:1)监测反应，当2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷反应完全后，向反应液中加入10mL水，加入50mL乙酸乙酯萃取，所得的有机相用饱和氯化钠洗涤，无水硫酸钠干燥后于旋转蒸发仪上浓缩，即得到较纯的双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷(结构式为式III)；
(2)随后将纯化后的双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷加入25mL的6mol/L稀硫酸中，再加入60mL乙醇，升温至90℃，搅拌2h，双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷与稀硫酸的摩尔比为1:2.7，得到式IV所示3-甲酰-5,6-二氢噻喃化合物，通过TLC(展开剂为石油醚:乙酸乙酯＝8:1)监测反应，当双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷(结构式为式III)反应完全后，向反应液中加入10mL水，加入50mL乙酸乙酯萃取，所得的有机相用饱和氯化钠洗涤，无水硫酸钠干燥后于旋转蒸发仪上浓缩，即得到纯化后的式IV所示3-甲酰-5,6-二氢噻喃化合物；
(3)将步骤(2)中的3-甲酰-5,6-二氢噻喃化合物加入到含有5％催化剂Raney-Ni的60mL乙酸乙酯中，设定高压氢化反应釜升温至120℃，压力为1MPa，搅拌反应6h后，得到式I所示的3-甲酰四氢噻喃化合物，其中3-甲酰-5,6-二氢噻喃化合物与催化剂的摩尔比为6:1；
通过TLC(展开剂为石油醚:乙酸乙酯＝2:1)监测反应，当3-甲酰-5,6-二氢噻喃(结构式为式IV)反应完全后，向反应液中加入20mL水萃取，所得的有机相用饱和氯化钠洗涤，无水硫酸钠干燥后于旋转蒸发仪上浓缩，即得到较纯的式I所示3-甲酰四氢噻喃化物。
产率：95％。1H NMR(600MHz,Chloroform-d)δ9.31(d,J＝1.0Hz,1H),6.86(dt,J＝4.2,2.2Hz,1H),3.26(dq,J＝3.4,2.1Hz,2H),2.74(td,J＝5.8,1.8Hz,2H),2.62(tdt,J＝6.1,4.6,2.3Hz,2H).13C NMR(151MHz,CDCl3)δ192.81,151.09,138.84,77.33,77.12,76.90,27.47,24.65,22.27.由上可知，该化合物结构正确，为式IV所示化合物。
产率92％。1H NMR(600MHz,Chloroform-d)δ9.60(s,1H),2.83(dd,J＝13.6,3.1Hz,1H),2.66(dd,J＝13.6,9.2Hz,1H),2.56(qd,J＝9.4,5.0Hz,3H),2.06–1.95(m,2H),1.78–1.65(m,1H),1.55–1.45(m,1H).由上可知，该化合物结构正确，为式I所示化合物。
实施例2
本实施例与实施例1的区别之处为：步骤(1)中2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷与硫化钠的摩尔比为1:0.7；步骤(2)中双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷与稀硫酸的摩尔比1:2；步骤(3)中3-甲酰-5,6-二氢噻喃化合物与催化剂的摩尔比为3.5:1.2。
实施例3
本实施例与实施例1的区别之处为：步骤(1)中2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷与硫化钠的摩尔比为1.2:0.5；步骤(2)中双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷与稀硫酸的摩尔比1.1:3.5；步骤(3)中3-甲酰-5,6-二氢噻喃化合物与催化剂的摩尔比为7.7:0.5。
对比例1
本对比例与实施例1的区别之处为：2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷的量为73mmol，硫化钠用量为36.5mmol，无水乙醇的用量为290mmol，则得到的产品Ⅲ质量为25.6mmol(6g)，远远小于理论产量8.55g，产率为70％。
对比例2
本对比例与实施例1的区别之处为：2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷的量为73mmol，硫化钠用量为51.1mmol，无水乙醇的用量为438mmol，则得到的产品Ⅲ质量为65.7mmol(15.4g)，小于理论产量16.42g，产率为90％。
通过实验可以看出若比例较小，则反应效果不好，收率较低；若比例稍大，则对反应效果的提升很小；若比例较大，对反应甚至有阻碍，导致产率降低，由此可见2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷与硫化钠、无水乙醇的摩尔分数比为1:0.6:6时，对整个反应更好，收率高，污染少，节能环保。从原理上分析，比如从原料2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷、硫化钠的反应方程式和反应原理可以分析，理论上2分子的2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷需要1分子的硫化钠，但是由于反应是在高温下进行，并且原料有损耗，所以在结合实验的情况下可以得到硫化钠的量需要稍微过量，即2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷与硫化钠的摩尔分数比为1:0.6为最好，过量多了，反应的收率提升很少甚至收率会下降，乙醇的使用量也是同理，最终得出三种原料的最佳配比为2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷与硫化钠、无水乙醇的摩尔分数比为1:0.6:6。
对比例3
本对比例与实施例1的区别之处为：步骤(1)中的反应温度为70℃。双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷的产量为11.97g(51mmol)，远远低于理论产量17.1g，产率70％；若温度为130℃，则双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷的产量为13.47g(57.5mmol)，远远低于理论产量17.1g，产率78.77％。从实验结果可以得出当温度低于90℃时，反应收率不是最高，而当温度高于90℃而没有超过120℃时，反应收率略有升高，但提升很少，却随着温度的提高，耗能变大，从节能环保等各方面考虑，反应温度选取为90℃时最佳，可以获得最优的收率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)将硫化钠与式II所示2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷加热回流反应得到式III所示双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷；所述2-(2-溴乙基)-1,3-二恶烷与硫化钠的摩尔比为1～1.2:0.5～0.7；所述加热回流反应的温度为80-120℃，反应时间为8-20h，反应溶剂为无水乙醇和水；
(2)在酸性条件下，将步骤(1)中的双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷与硫酸进行加热回流成环反应即得到式IV所示3-甲酰-5,6-二氢噻喃；
(3)在催化剂存在下，式IV所示3-甲酰-5,6-二氢噻喃在高压下催化得到式I所示3-甲酰四氢噻喃化合物，所述高压氢化反应的催化剂为Raney-Ni、钯催化剂或铂催化剂。
Figure FDA0003523857270000011
2.根据权利要求1所述的3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)成环反应中双(3,3-二甲氧基丙基)硫烷与硫酸的摩尔比为(1～1.1):(2.0～3.5)。
3.根据权利要求1所述的3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中成环反应的温度为70-100℃，反应时间为0.5-3h，反应溶剂为乙醇。
4.根据权利要求1所述的3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中硫酸的浓度为5-7mol/L。
5.根据权利要求1所述的3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)高压氢化中，式IV所示3-甲酰-5,6-二氢噻喃与催化剂的摩尔分数比为(3.5～7.7):(0.5～1.2)。
6.根据权利要求1所述的3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中高压氢化反应的温度为110-120℃，反应时间为6～8h，反应溶剂为乙酸乙酯，反应压强为1-2MPa。
7.根据权利要求1所述的3-甲酰四氢噻喃化合物的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)和步骤(2)中均采用通过TLC监测反应完全，TLC监测过程中的展开剂为石油醚和乙酸乙酯，所述石油醚与乙酸乙酯的体积比为8:1。
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