CN114149381B - 一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种2,3‑二氢‑5‑甲基‑2‑氧‑1,3,4‑噁二唑‑3‑丙酮的制备方法，其采用KI、NaI为催化剂，使得在适当低温度下能够快速反应完全，避免了原料的累积、突然放热和冲料等安全风险，提高了烷基化反应生产过程的安全性和稳定性；工业化大生产周期由8～12hr缩短至2～5hr，较大程度的降低了其反应生产周期，有效的降低了生产成本；反应过程和减压蒸馏过程采用热水加热比较温和，易控制反应参数，避免了局部过热造成的副反应；产品收率进一步提高，可达95.0％以上，不需要精制提纯就可以直接得到含量在96.0％以上的产品，符合工业化安全生产要求。
Description
技术领域
本发明属于农药化学合成技术领域，涉及一种高效杀虫剂吡嗪酮农药的中间体，具体涉及一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法。
背景技术
吡嗪酮属于吡啶类或三嗪酮类杀虫剂，是全新的非杀生性杀虫剂，最早由瑞士汽巴嘉基公司于1988年开发，该产品对多种作物的刺吸式口器害虫表现出优异的防治效果。利用电穿透图(EPG)技术进行研究表明，无论是点滴、饲喂或注射试验，只要蚜虫或飞虱一接触到吡嗪酮立即产生口针阻塞效应，立刻停止取食，并最终饥饿致死，而且此过程是不可逆转的。吡嗪酮没有击倒活性，不对昆虫产生直接毒性，因此，吡嗪酮具有优异的阻断昆虫传毒功能。吡嗪酮药剂杀虫谱广，具有卓越的内吸渗透作用，并在很低的剂量即显示了很高的杀虫活性，并对作物、人畜和环境又十分安全，该农药有望成为世界性的大型农药。
2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮，熔点在49℃～51℃之间，结构式如式(Ⅰ)，
从文献报道来看，2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮作为吡嗪酮的关键中间体之一，目前主要生产工艺是以原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮和一卤代丙酮进行烷基化反应合成2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮产品。
CN102532046、CN102558152公开了一种制备方法，实施方式中，将1000g原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮加入到230g钠与10L甲醇的溶液中，混合物搅拌30分钟，然后于60℃下真空脱溶，得到式5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮钠盐，将该钠盐分批加入到925g氯代丙酮、20g四丁基溴化铵与5L氯仿的溶液中，混合物再65℃下搅拌4小时，冷却滤出无机盐，然后在50℃下真空脱溶后减压蒸馏的得1590g产品，淡黄色固体，收率：91.8％。
上述制备方法主要原理是，利用金属钠和甲醇反应所生产的甲醇钠对原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮的a-H进行活化，形成5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮钠，从而促进原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮和氯代丙酮的反应。反应过程中用到相转移催化剂四丁基溴化铵，主要是增加固液反应的相界面，适当缩短反应时间。
CN102532046、CN102558152实施方式中，上述制备方法要用到危险性极高的金属钠，反应过程会产生大量的氢气，操作危险度极高，而且反应生成5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮钠盐后必须完全蒸馏脱除带有活泼-H的质子溶剂甲醇，甚至要在合成产品前必须对原理钠盐进行干燥处理脱除质子溶剂，生产操作过程繁杂且危险性高，不利于工业化大生产的安全进行。
CN103254150公开了一种制备方法，实施方式中所得产品气相分析含量为89.1％，产品收率为84.0％。实施方式中，加入相转移催化剂四丁基溴化铵主要目的是增加固液反应的相界面，适当缩短反应时间，但不能对反应平衡有很大的改观，反应初期，反应体系有大量的原料共存，当反应进行到后期，始终有一部分原料残留，反应不彻底，降低了合成收率。为避免原料一氯代丙酮过度累积，确保反应安全性，一氯代丙酮的滴加时间比较长，一般要5～6hr，滴加完毕后，一氯代丙酮滴毕后的保温反应时间远大于8～12hr，甚至还需要延长更多的保温时间或进一步提高反应温度来促进反应合格，反应时间长，反应温度高，副反应增加，焦油产生量增加，反应体系颜色加深，反应物料发粘，反应收率和产品的含量均有一定幅度的降低。
高聪杰关于新型三嗪酮类化合物的合成及生物活性研究《现代农药》2012,第11卷(第2期),16-20，文献公开了一种制备方法，实施方式中，采用溴素与丙酮反应产生一溴代丙酮，利用一溴代丙酮比一氯代丙酮反应活性高的特性，来促进反应的进行。文献中采用危险的溴素先进行溴化反应，再进行烷基化反应，危险反应工艺过多，原料溴素、一溴代丙酮价格昂贵，生产成本非常高，因此，本方法无法参与激烈的市场竞争，工业化生产的可行性较差。
上述合成方法中，主要不足之处主要有：反应时间比较长，合成工艺收率低，产品纯度比较低；本反应是典型的烷基化反应，是主要危险化工工艺之一，合成反应中控分析环节和反应风险评估过程中都能够检测到反应体系残存大量的一卤代丙酮，滴加结束后检测反应体系一卤代丙酮大约残留25％～40％，特别是价格便宜的原料一氯代丙酮反应活性低，在滴加过程和滴加结束后保温反应过程中均有大量存留，一氯代丙酮大约残留35％～40％，不能立即转化反应完全的现象，本反应是放热反应，由于2种主要反应原料同时存在于反应体系，当累积一定浓度时2种原料会突然加速反应，反应温度飞升，反应速率继续加快，反应温度更加加快上升，相互促进恶性循环，可能会造成反应失控、冲料、超温超压爆炸等重大安全风险；而且本反应体系有一定的热敏性，温度越高产品也容易降解损失。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明人尝试了各种技术方案，本发明人尝试了各种技术方案，发明人意外发现加入KI、NaI、KBr、NaBr催化剂，可以提高一卤代丙酮的反应活性，降低了反应活化能，提高反应效率，但KBr、NaBr催化效果不如KI、NaI好，而且KI、NaI催化剂用量对本反应影响很大，精确控制KI、NaI催化剂的用量，可以使原料反应更加充分彻底，反应时间更短，收率更高。克服了现有技术中的上述缺陷，发明提供了一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法。
本制备方法为：向反应釜内投入溶剂、原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮、缚酸剂、相转移催化剂、催化剂，开启搅拌，加热升温至一定温度，并保温下缓慢滴加一卤代丙酮，滴加完毕后保温反应一定时间，取样分析，反应合格后冷却降温至20℃～35℃，放料抽滤，滤除和洗涤固体，滤液减压脱除溶剂，控制真空度在-0.095Mpa，减压蒸馏温度在≤70℃，脱净溶剂后得到产品。
为实现上述发明目的，本发明提供如下技术方案：
2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮，结构式如式(Ⅰ)，
其特征是：以原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮、缚酸剂碳酸钠、相转移催化剂四丁基溴化铵、催化剂碘化钾和原料卤代丙酮进行烷基化反应生成上述产品2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮。
其反应如式(II)：
其中：X表示卤素Cl、Br、I等。
特指的是，以原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮、缚酸剂碳酸钠、相转移催化剂四丁基溴化铵、催化剂碘化钾和原料一溴代丙酮进行烷基化反应生成上述产品，其反应如式(Ⅲ)：
更进一步特指的是，由于原料一溴代丙酮特别昂贵，大生产原料成本特别高，所以尽量采用价格便宜的原料一氯代丙酮，以原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮、缚酸剂碳酸钠、相转移催化剂四丁基溴化铵、催化剂碘化钾和原料一氯代丙酮进行烷基化反应生成上述产品，其反应如式(Ⅳ)：
一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法，该方法步骤：向反应釜内投入溶剂、5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮、缚酸剂、相转移催化剂、催化剂，开启搅拌，加热升温至一定温度，并保温下缓慢滴加一卤代丙酮，滴加完毕后保温反应一定时间，取样分析，反应合格后冷却降温至20℃～35℃，放料抽滤，滤除和洗涤固体，滤液减压脱除溶剂，控制真空度在-0.095Mpa，减压蒸馏温度在≤70℃，脱净溶剂后得到产品。
(1)、本发明步骤中：一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法，其特征在于：所述溶剂为二氯乙烷、甲苯、丙酮、二甲苯、氯苯等。溶剂数量一般优选原料重量的1.0～3.00倍wt。
(2)、本发明步骤中：所述的一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法，其特征在于：所述缚酸剂为有机弱碱或无机弱碱等，无机弱碱为碳酸氢钠、碳酸氢钾、碳酸钠、碳酸钾、氧化钙、碳酸钙等，有机弱碱为三乙胺、吡啶、N，N-二甲基苯胺等。
(3)、本发明步骤中：所述的一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法，其特征在于：所述相转移催化剂为季铵盐类或聚醚类或环状冠醚类。本反应为固液相间反应，需要加入相转移催化剂来促进相间反应。季铵盐类为四丁基溴化铵、四丁基氯化铵、四丁基硫酸氢铵(TBAB)、苄基三乙基氯化铵(TEBA)、十二烷基三甲基氯化铵、氯化甲基三丁基铵等，优选四丁基溴化铵。聚醚类为PEG400、PEG600、PEG1000、聚乙二醇二烷基醚等。环状冠醚类为18冠6、15冠5、环糊精等。相转移催化剂为上述之中的一种或多种，优选四丁基溴化铵，相转移催化剂数量一般为原料的0.30％～3.00％mol。
(4)、本发明步骤中：所述的一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法，其特征在于：所述催化剂为碘化钾、碘化钠、溴化钾、溴化钠等，优选碘化钾，催化剂数量一般为原料的0.05％～3.00％mol。
(5)、本发明步骤中：所述的一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法，其特征在于：所述加热升温至一定温度，并保温下缓慢滴加卤代丙酮，滴加完毕后保温反应一定时间，是指：加热升温至40℃～65℃，保温下缓慢滴加一氯代丙酮或一溴代丙酮等，滴加完毕后保温反应2～5hr；
(6)、所述的一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法，其特征在于：所述合成反应加热方式和减压蒸馏加热方式优选采用70℃热水加热。
与目前的合成方法比较，本发明具有以下的优点：
1、本发明方法采用碘化钾、碘化钠等催化剂，反应可以平稳而彻底的进行，KI、NaI等催化剂一方面可以提高一卤代丙酮的反应活性，降低了反应活化能，提高反应效率，由于I-既是很好的亲核基团也是很好的离子基团，所以KI、NaI等催化剂的加入催化加快了主反应反应速度，降低反应时间，而且使原料反应更加充分彻底，使得在适当低温度下能够快速反应完全，避免了原料的累积、突然放热、反应温度飞升和冲料等安全风险，降低了操作的危险性，提高了烷基化反应生产过程的安全性和稳定性，符合工业化安全生产要求。
2、本发明方法采用相转移催化剂和催化剂等协同作用下，不仅缩短了反应时间，工业化大生产周期由8～12hr缩短至2～5hr，较大程度的降低了其反应生产周期，有效的降低了生产成本；而且产品收率进一步提高，可达95.0％以上，不需要精制提纯就可以直接得到含量在96.0％以上的产品，原料更经济及生产更清洁。
3、本发明方法反应过程和减压蒸馏过程采用热水加热比较温和，易控制反应参数，避免了局部过热造成的副反应和产品等因热敏性而造成的降解损失，也确保了操作的安全性能。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明，并使本发明的上述优点能够更加明显易懂，下面结合具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
在3000L烷基化反应釜中，加入溶剂二氯乙烷2500kg，原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮1000kg、缚酸剂碳酸钠580kg、相转移催化剂四丁基溴化铵25kg、催化剂碘化钾25kg，开启搅拌，采用70℃热水加热升温至45℃～50℃，并保温下缓慢滴加一氯代丙酮917kg，滴加完毕后55℃～65℃保温反应2.5hr，取样分析原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮残留≤0.80％，一氯丙酮残留≤0.50％，保温反应3.0hr冷却降温至20℃～35℃，放料密闭抽滤，滤除和洗涤固体，抽滤操作比较容易，固体无机盐为淡黄色或淡灰白色，滤液为透亮的淡金黄色澄清溶液。
滤液转入减压蒸馏釜中，采用70℃热水缓慢加热升温进行减压脱除溶剂，蒸馏末期控制真空度在极限真空-0.090～-0.095Mpa，蒸馏终点温度在≤70℃，脱净溶剂后得到2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮产品，产品颜色为淡黄色，产品收率96.4％(以5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮计)，产品GC含量97.1％。
实施例2
在3000L烷基化反应釜中，加入溶剂甲苯2000kg，原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮1000kg、缚酸剂碳酸钠580kg、相转移催化剂四丁基溴化铵25kg、催化剂碘化钠15kg，开启搅拌，采用70℃热水加热升温至45℃～50℃，并保温下缓慢滴加一氯代丙酮917kg，滴加完毕后55℃～65℃保温反应3.0hr，取样分析原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮残留1.8％，一氯丙酮残留约1.3％，继续保温反应1.0hr，取样分析合格，冷却降温至20℃～35℃，放料密闭抽滤，滤除和洗涤固体，抽滤操作比较容易，固体无机盐为淡黄色或淡灰白色，滤液为透亮的淡金黄色澄清溶液。
滤液转入减压蒸馏釜中，采用70℃热水缓慢加热升温进行减压脱除溶剂，蒸馏末期控制真空度在极限真空-0.090～-0.095Mpa，蒸馏终点温度在≤70℃，脱净溶剂后得到2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮产品，产品颜色为淡黄色或黄色，产品收率95.3％(以5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮计)，产品GC含量96.2％。
对比实施例1：不加催化剂碘化钾
在3000L烷基化反应釜中，加入溶剂二氯乙烷2000kg，原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮1000kg、缚酸剂碳酸钠580kg、相转移催化剂四丁基溴化铵20kg、不加催化剂碘化钾，开启搅拌，采用70℃热水加热升温至45℃～50℃，并保温下缓慢滴加一氯代丙酮917kg，滴加完毕后55℃～65℃保温反应8.0hr，保温反应过程中要仔细观察和控制温度，以防反应突然升温，取样分析原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮残留仍残留3.50％左右，一氯丙酮残留2.5％左右，适当升温至70℃继续保温反应3.0hr，取样分析原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮残留残留1.20％左右，一氯丙酮残留1.5％左右，冷却降温至20℃～35℃，放料密闭抽滤，滤除和洗涤固体，物料体系有一定粘性，抽滤操作不畅通，抽滤不干且抽滤时间比较长，固体无机盐为灰黑色或棕黑色，无机盐粘附少量产品。
滤液转入减压蒸馏釜中，采用70℃热水缓慢加热升温进行减压脱除溶剂，蒸馏末期控制真空度在极限真空-0.090～-0.095Mpa，蒸馏终点温度在≤70℃，脱净溶剂后得到2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮产品，产品颜色为棕黑色，产品收率85.3％(以5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮计)，产品GC含量88.5％。
对比实施例2：不加催化剂碘化钾、相转移催化剂四丁基溴化铵
在3000L烷基化反应釜中，加入溶剂丙酮2000kg，原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮1000kg，开启搅拌，采用70℃热水加热升温至40℃，加入缚酸剂碳酸钾690kg。保温缓慢滴加一氯代丙酮925kg，滴加时间3hr，滴加完毕保温反应8.0hr，保温反应过程中要仔细观察和控制温度，以防反应突然升温，取样分析原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮残留仍残留2.50％左右，一氯丙酮残留3.50％左右，继续保温反应3.0hr，取样分析原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮残留残留1.20％左右，一氯丙酮残留1.5％左右，冷却降温至20℃～35℃，放料密闭抽滤，滤除和洗涤固体，物料体系有一定粘性。滤液转入减压蒸馏釜中，采用70℃热水缓慢加热升温进行减压脱除溶剂，蒸馏末期控制真空度在极限真空-0.090～-0.095Mpa，蒸馏终点温度在70℃，脱净溶剂后得到红棕色固体2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮产品，产品收率83.3％(以5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮计)，产品GC含量89.2％。
以上所述实施例仅仅是本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征间的相互不同组合，例如相转移催化剂的改变，无机碱的改变，等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现与上述实施例基本相同功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。
Claims (1)
1.一种2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的制备方法，所述2,3-二氢-5-甲基-2-氧-1,3,4-噁二唑-3-丙酮的结构式如式(Ⅰ)：
其特征在于，以原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮和一卤代丙酮，所述催化剂为碘化钾，缚酸剂为碳酸钠，相转移催化剂为四丁基溴化铵，其反应如式(Ⅳ)所示：
所述催化剂用量为原料的0.05％～3.00％mol；
所述溶剂为二氯乙烷或甲苯，溶剂用量为原料重量的1.0～3.00倍wt；
所述相转移催化剂数量为原料的0.30％～3.00％mol；
其制备步骤如下：
向反应釜内投入溶剂、原料5-甲基-1,3,4-噁二唑-2-(3H)-酮、缚酸剂、相转移催化剂和催化剂，开启搅拌，加热升温至一定温度，并保温下缓慢滴加一卤代丙酮，滴加完毕后保温反应一定时间，取样分析，反应合格后冷却降温至20℃～35℃，放料抽滤，滤除和洗涤固体，滤液减压脱除溶剂，控制真空度在-0.095Mpa，减压蒸馏温度在≤70℃，脱净溶剂后得到产品；
所述合成反应加热方式和减压蒸馏加热方式采用70℃热水加热。
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