4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯的合成研究毕业论文
2020-03-22 14:03:15
摘 要
4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯是合成磺酰脲类除草剂甲基二磺隆的重要中间体，甲基二磺隆可以有效地除去春小麦和冬小麦中的一年禾木科杂草，具有无毒无害高效的特点，是德国拜耳作物科技公司的五大畅销品之一。2014年甲基二磺隆专利已经到期，但是国内还没有农药厂家大规模生产，所以，对该中间体的研究具有深远意义。
论文主要研究了4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯的合成方法，通过查阅相关文献和研究分析，总结设计了4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯的合成路线：以对苯甲腈为原料进行硝化反应制得4-甲基-3-硝基苯腈，4-甲基-3-硝基苯腈经过氧化反应生成4-氰基-2-硝基苯甲酸，所得的4-氰基-2-硝基苯甲酸再与甲醇进行酯化反应制得目标产物4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯。
实验结果表明：合成4-甲基-3-硝基苯腈时，以浓硫酸和浓硝酸制成混酸做为硝化试剂，以二氯甲烷为溶剂，投料比保持在n（HNO3）：n（原料）=3.5：1，反应最佳温度为40℃，最终产率为90.3%。在合成4-氰基-2-硝基苯甲酸时，选用重铬酸钾为氧化剂，保持投料比n（重铬酸钾）：n（4-甲基-3-硝基苯腈）=1.7:1，以80%硫酸为溶剂，最终产率为76.1%。在合成目标产物4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯时，将4-氰基-2-硝基苯甲酸与氯化亚砜反应生成中间产物4-氰基-2-硝基苯甲酰氯，再与甲醇进行酯化反应生成4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯，最终产率为87.1%。
本文的使用的制取4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯的反应路线产率较高，且操作简单，原材料成本较低，且反应条件较为温和，反应时间也相对较短，非常适合作为工业化生产的合成路线，值得推广运用。
关键词：对苯甲腈；硝化反应；氧化反应；酯化反应；4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯
Abstract
4-Cyano-2-nitro-benzoesaeure-methylest is an important intermediate for the synthesis of sulfonylurea herbicide methylsulfuron-methyl, which can effectively remove one- year wood weeds in spring wheat and winter wheat. Methylsulfuron-methyl is non-toxic, harmless and efficient and it is one of the five best-selling products of Bayer CropScience in Germany. Methylsulfuron patent has expired in 2004, but there is no large-scale production in China. Therefore, the study of this intermediate has far-reaching significance.
This paper mainly studied the synthesis method of 4-Cyano-2-nitro-benzoesaeure-methylest. Through reviewing the related literature and doing research, the synthesis route of 4-Cyano-2-nitro-benzoesaeure-methylest has been designed. The p-toluenenitrile is used as raw material to obtain 4-methyl-3-nitrobenzonitrile, and 4-methyl-3-nitrobenzonitrile is oxidized to obtain 4-cyano-2-nitrobenzoic acid. At last 4-cyano-2-nitrobenzoic acid is esterified with methanol to obtain the target product 4-Cyano-2-nitro-benzoesaeure-methylest.
The experimental results show that: when synthesizing 4-methyl-3-nitrobenzonitrile, mixed acid is nitrating reagents and it is made from concentrated sulfuric acid and nitric acid. Dichloromethane is used as the solvent, and the feed ratio is maintained at n(HNO3):n (The raw material) = 3.5:1, the optimum reaction temperature was 40°C, and the final yield was 90.3%. When synthesizing 4-cyano-2-nitrobenzoic acid, potassium dichromate is used as oxidant, and the charge ratio n (potassium dichromate):n(4-methyl-3-nitrobenzonitrile)=1.7 : 1, and solvent is 80% sulfuric acid, the final yield was 76.1%. In the synthesis of the target product 4-Cyano-2-nitro-benzoesaeure-methylest, 4-cyano-2-nitrobenzoic acid is reacted with thionyl chloride to produce 4-cyano-2-nitrobenzoyl chloride, which is then esterified with methanol to form 4-cyano-2-oxo Methyl benzoate, the final yield was 87.1%.
The reaction route for preparing 4-Cyano-2-nitro-benzoesaeure-methylest in this article has a high yield, simple operation, low raw material cost, relatively mild reaction conditions, and relatively short reaction time. It is suitable as a synthetic route for industrial production .
Key words: Benzonitrile; nitration; Oxidation; esterification; 4-Cyano-2-nitro-benzoesaeure-methylest
目 录
摘 要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 除草剂概述 2
1.2.1 除草剂的发展现状 2
1.2.2 除草剂的分类 3
1.3 除草剂甲基二磺隆 4
1.3.1 甲基二磺隆的介绍 4
1.3.1.1 甲基二磺隆的理化性质 4
1.3.1.2 甲基二磺隆发展现状 4
1.3.2 甲基二磺隆的合成方法 5
1.3.2.1 光气法 5
1.3.2.2 非光气法 5
1.3.2.3 氯甲酸酯法 6
1.3.2.4 异氰酸酯法 6
1.3.2.5 氨基甲酸法 7
1.3.3 甲基二磺隆的发展前景 7
1.4 4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯的介绍 8
1.4.1 理化性质 8
1.4.2 合成所涉及反应介绍 8
1.4.2.1 硝化反应 8
1.4.2.2 氧化反应 9
1.4.2.3 酯化反应 10
1.5 合成路线设计 11
1.6 研究的目的、意义和内容 11
1.6.1 研究的目的和意义 11
1.6.2 研究的内容 12
第2章 4-甲基-3-硝基苯腈的合成 13
2.1 概述 13
2.2 实验仪器和试剂 13
2.2.1 化学原料和试剂 13
2.2.2 实验仪器和设备 14
2.3 实验步骤 14
2.4结构的的表征、分析 15
2.4.1 熔点的测定 15
2.4.2 核磁共振谱图 15
2.5 实验结果与讨论 18
2.5.1 硝化试剂对产率的影响 18
2.5.2 投料比对产率的影响 19
2.5.3 温度对产率的影响 20
2.6 小结 21
第3章 4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯的合成 22
3.1 4-氰基-2-硝基苯甲酸的合成 22
3.1.1 概述 22
3.1.2 实验仪器和试剂 22
3.1.2.1 化学原料和试剂 22
3.1.2.2 实验仪器和设备 23
3.1.3 实验步骤 23
3.1.4 结构的表征、分析 24
3.1.4.1 熔点的测定 24
3.1.4.2 核磁共振谱图 25
3.1.5 实验结果与讨论 26
3.1.5.1 氧化剂对产率的影响 26
3.1.5.2 重铬酸钾的用量对产率的影响 26
3.1.5.3 硫酸对产率的影响 27
3.2 4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯的合成 29
3.2.1 概述 29
3.2.2 实验仪器和试剂 29
3.2.2.1 化学原料和试剂 29
3.2.2.2 实验仪器和设备 30
3.2.3实验步骤 30
3.2.4 结构的表征、分析 32
3.2.4.1 熔点的测定 32
3.2.4.2 核磁共振谱图 32
3.2.5 实验结果与讨论 35
3.3 小结 36
第4章 结论 37
参考文献 38
致 谢 40
第1章 绪论
1.1 引言
社会的经济发展离不开粮食生产，然而这些年来由于农田中杂草滋生，粮食的产量受到了很大的制约。据统计，每年全球耗费在除杂草作业的时间就高达1500到3000亿天，但是就是这样高强度的除草劳动也没有显著改善农田中杂草滋生的情况。终于，在1840年，科学家成功研制出了2,4-滴钠（2,4-DNa），这标志着除草剂工业化的兴起[1]。1870年，氯磺隆的发明，使除草剂工业进入了一个全新的高速发展的时代。根据记载，19世纪除草剂的出售量占世界化工产品出售总量的四成，20世纪除草剂的出售量占世界化工产品出售总量的一半[2]。直到今天，除草剂的销售量也在逐年增长并始终保持较高的市场占有率。回顾整个除草剂工业的发展：1940年以前，无机化工产品和农药在除草剂市场中占主导地位；1940年以后，除草剂市场发生较大改变，有机氯除草剂逐渐成为主流；但是随着各国逐渐开始重视日趋严重的环保问题，1970年前后，有机氯除草剂开始逐渐被淘汰，同时开始加大对有机磷研究的投资，除草剂逐渐向环保、安全和更有成效的方向发展[3]。随着21世纪的到来，随着科学的日趋发展，人们越来越渴望生活在环保无污染的环境中，因此，开发出更有效更环保的除草剂是大势所趋。农业专家预测，随着人口的增加，对于粮食的需求量也会大大增加，所以对除草剂的需求也会一年比一年大，除草剂的需求量将会在未来几年达到一个高峰，预计十年内将达到6.7到6.8万吨，这将占到整个农产品市场需求量的50%[4]。
目前，根据市场反馈，几乎所有的除草剂在使用时都会遇到以下问题：对环境污染严重、对农产品的生长产生抑制作用、对使用者身体健康有害以及使杂草的耐药性增强。所以，当今的开发热点是开发无污染、高效能、无毒性、环境友好的新型除草剂[5]。
随着人们对于新型除草剂的需求日益增大，磺酰脲类除草剂横空出世，上世纪七十年代末，美国的杜邦公司开发出了世界上第一种磺酰脲类除草剂：氯磺隆。磺酰脲类除草剂的主要作用机理是降低杂草的乙酰乳酸合成酶的活性，进而阻止其产生氨基酸。磺酰脲类除草剂以其独有的性能和良好的作用方式很快占据了大半除草剂市场，由此除草剂工业进入了一个新时代[6]。磺酰脲类除草剂的优点有很多，其中最重要的就是它不易失活、对环境污染小和对人类以及哺乳动物低毒。4-氰基-2-硝基苯甲酸甲酯是磺酰脲类除草剂甲基二磺隆的重要中间体，甲基二磺隆是德国拜耳作物科技公司的五大畅销品之一，2014年之前处于专利保护期，技术完全被拜耳公司掌握。虽然现在甲基二磺隆绝大多数专利保护和资料保护都已经到期，但在国内并没有厂家大规模生产，因此对甲基二磺隆的研究和开发依然有着广阔的前景。
1.2 除草剂概述
1.2.1 除草剂的发展现状
除草剂（herbicide）是指那些可以除去野草，即彻底使野草枯死的化工药剂，是用来抑制植物成长的一种物质[7]。在农业历史的发展长河中，人工除草一直以来都占有重要地位，但是人工除草效率低、耗时长、适用范围小，所以除草剂的出现对现代农业发展有着非常重要意义。20世纪初，法国植物学家M.Bonnet在一次种植葡萄的过程中意外发现波尔多液中的五水合硫酸铜可以杀死某些十字花科杂草，这个有些意外的发现成为了农业中应用除草剂的开端[8]。这之后直到1934年，来自德国、法国、美国等国家的科学家几乎同时发现硫酸亚铁和硫酸铜有除草的作用，他们由此制得了农药用于经济作物的除草，从此开启了无机除草的新阶段。但是此时的除草剂使用效果非常不理想，效率低并且使用量过大。终于，1937年二硝酚和地乐酚的发现，标志着一个新的除草剂阶段：有机化学阶段的开始。1942年是对除草剂工业具有划时代意义的一年，在这一年科学家们发明了内吸性除草剂2,4-滴钠（2,4-DNa），这极大地提高了除草效率[9]。2,4-滴钠（2,4-DNa）有选择性高、生产简单、合成成本低、对人和哺乳动物毒性低等优点，迅速在农业生产领域广泛应用，是20世纪农业方向最重要的发现之一[10]。这之后，在发现了除草剂市场的发展前景后，各大化学公司和科研机构争相研究新型除草剂，除草剂市场也迎来了春天。从20世纪80年代起，除草剂年销售额超过杀虫剂，成为三大农药之首[11]。根据数据统计，2014年除草剂的销售额达到168.4亿美元，占整个农药市场的52.86%，这表明除草剂的销售额超过了杀虫剂和杀菌剂之和。（表1.1）
表1.1 2014年三大农药销售额对比
Table 1.1 The sales of three pesticides in 2014
销售额（亿美元） | 占比（百分比） | |
除草剂 | 168.4 | 52.86 |
杀虫剂 | 79.8 | 29.01 |
杀菌剂 | 70.6 | 18.13 |
1.2.2 除草剂的分类
目前，全球各研发机构和化学公司共研发超过220种成功投入生产的除草剂，为了加以区分，人们根据作用机理和结构的不同，把这220余种除草剂分成了19大类。这19类之中，最受人们欢迎的是氨基酸类除草剂，氨基酸类除草剂已经连续多年蝉联除草剂市场销量冠军了[12]。而甲基二磺隆所属的磺酰脲类除草剂则占据数量优势，每年的上市品种都稳居第一。近十年市场占比较大的除草剂种类有如下5种：
（1）酰胺类：近几年酰胺除草剂的市场份额越来越大，市场销量已经逐渐稳定在除草剂市场的前5名。酰胺类的代表除草剂包括二丙烯除草剂和氯乙酰氨除草剂，在中国，这两种除草剂都很受广大农民朋友欢迎。酰胺除草剂的作用机制与甲基二磺隆为代表的磺酰脲类除草剂相似，都是通过抑制蛋白质的合成从而影响杂草的细胞，不同的是酰胺除草剂的最终效果是通过阻止蛋白质的合成从而限制杂草细胞的细胞分裂[13]。酰胺除草剂需要改进的地方还很多，例如降低对人和哺乳动物的毒性，减少对江河湖泊的污染。尽管存在诸多问题，它仍然有着良好的发展前景。
（2）磺酰胺类：磺酰胺类除草剂作用广泛，能应用于除去很多种类的阔叶杂草和禾本科杂草。它的作用机理与酰胺类除草剂相似，都是通过降低杂草中乙酰乳酸合成酶的活性，从而抑制乙酰乳酸的生成，进而阻止植物产生相关的氨基酸，以此使杂草枯死从而达到除草的效果[14]。
（3）咪唑啉酮类：咪唑啉酮类除草剂是由美国氰安公司研制的一种新型除草剂，这种除草剂按化学物质分类来看属于杂环化合物。该类除草剂优点很多，如使用剂量不高、除草效果好、对人和哺乳动物的毒性低，因此，咪唑啉酮类除草剂很受广大农民朋友欢迎。大量的咪唑啉酮类除草剂被运用于豆田中，除草效果显著。该类除草剂的作用方式同样是通过抑制乙酰乳酸合成酶的合成，进而破坏植物体内多种氨基酸的合成过程，如缬氨酸和异亮氨酸[15]。进而使杂草中的蛋白质发生病变，干扰细胞分类，以此来达到除草的效果。
（4）磺酰脲类：磺酰脲类的诞生在除草剂史上具有划时代的意义，这是因为此类除草剂直接提升了数倍的除草效率[13]。因此磺酰脲类除草剂在1981年被美国杜邦公司研制成功后，以很快的速度成为了农田中运用最多的除草剂[16]。磺酰脲类除草剂与以上3种除草剂的作用机制大致相同，都是通过限制杂草产生乙酰乳酸，来抑制杂草蛋白质的合成，从而破坏杂草的内部结构使杂草枯死。
（5）尿嘧啶类：尿嘧啶类除草剂是磺酰脲类除草剂开发出来之前使用最广泛的除草剂种类之一。但是尿嘧啶类除草剂具有很大的局限性，其中它的选择性相比其他种类的除草剂较差，这也极大地限制了它的适用范围，因此在磺酰脲类除草剂研制成功后尿嘧啶类除草剂很快被其取代[17]。尿嘧啶类除草剂的作用机理与以上4种除草剂的作用机制有很大的区别，它的最终目的是限制杂草叶绿素的合成，运用的方法是阻止原卟啉原氧化酶的形成。
1.3 除草剂甲基二磺隆
1.3.1 甲基二磺隆的介绍
1.3.1.1 甲基二磺隆的理化性质
甲基二磺隆（mesosulfouron），别名甲磺胺基隆，分子式为：C18H26N5O9S2；相对分子质量为503.08；CAS编号为208465-21-8；呈浅黄色粉末状；常温下化学性质相对稳定，难溶于水等无机物。其详细理化性质见表1.2：
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