背景及概述
草铵膦-N-乙酰是一种有机磷类除草剂，具有低毒、高效、非选择性等特点。 随着百草枯在全世界范围内的逐渐禁用，草铵膦-N-乙酰的抗药性逐渐增强以及抗草铵膦转基因作物的广泛种植，目前草铵膦-N-乙酰已成为炙手可热的除草剂品种， 2016 年草铵膦全球销售量达到 13.7 亿美元，预计 2020 年全球草铵膦-N-乙酰销售额将达到 23.3 亿美元，年均复合增长率高达 15% 。目前草铵膦-N-乙酰已成为 3 大灭生性除草剂之一，具有巨大的市场潜力和发展空间， 故研究草铵膦-N-乙酰的合成具有重要的意义。N-乙酰基草铵膦英文名称：GLUFOSINATE-N-ACETYL，CAS号：73634-73-8，分子式：C7H14NO5P，分子量：223.164。
制备
国内外关于草铵膦的合成主要有以下 3 条路线：1)Strecker 路线：以甲基亚磷酸二乙酯为原料，与丙烯醛发生缩醛反应，再经酸解、氰胺化、水解和提纯反应得到草铵膦铵盐。 目前工业上主要采用 Strecker工艺合成草铵膦，经与乙酸酐反应制备目标化合物。2) 海因路线：以 (3,3- 二乙酰氧基 ) 丙基甲基次膦酸异丁酯为原料， 与氰化钠和碳酸铵经 Burcherer-Bergs 反应关环得到海因衍生物，接着在碱性条件下水解得到草铵膦盐，再经中和过滤除盐及氨化得到草铵膦，经与乙酸酐反应制备目标化合物。3) 酮酸路线：以甲基亚磷酸二乙酯和丙烯酸乙酯为起始原料， 反应后生成甲基乙氧基膦酰基丙酸乙酯，再经克莱森缩合反应、碱解、中和以及氨化加氢得到草铵膦铵盐，经与乙酸酐反应制备目标化合物。本文拟采用 (3- 乙酰氧基 -3- 氰基 ) 丙基甲基次膦酸异丁酯 ( 自制 ) 为初始原料，经氨化得到 (3- 氨基 -3- 氰基 ) 丙基甲基次膦酸异丁酯，再经酸解、提纯制得草铵膦原药[1]。其合成反应式如下图：
图1 草铵膦-N-乙酰的合成反应式
实验操作：
(3- 氨基 - 3- 氰基 ) 丙基甲基次膦酸异丁酯 ( 简称氨基腈 ) 的合成
在 250 mL 三口烧瓶中加入 99% 的氯化铵固体 8.65 g(0.16 mol) 以及 25% 氨水 32.64 g(0.48 mol) ，搅拌使固体全部溶解，控制温度为 20 ℃ 。 接着通过恒压滴定漏斗，慢慢滴加含量为 92.35%(3- 乙酰氧基 -3- 氰基 ) 丙基甲基次膦酸异丁酯 22.59 g(0.08 mol) ，控制 1 h 滴完，并维持温度在20 ℃ 条件下发生氨化反应，反应结束后得到淡黄色的氨基腈水溶液。
草铵膦盐酸盐的合成
在 500 mL 的三口烧瓶中加入 31% 的盐酸水溶液178.97 g(1.52 mol) ，开启搅拌，接着加入上述制备好的氨基腈水溶液，控制 0.5 h 加完，加完后升高温度至回流，用分水器及时分离出反应过程中生成的轻组分，反应 4 h 结束，得到红棕色的草铵膦盐酸盐水溶液。
草铵膦提纯
将上述草铵膦盐酸盐水溶液脱溶后得到草铵膦盐酸盐粗品，接着加入甲醇，发生酯化反应，过滤去除氯化铵，滤液脱溶后得到草铵膦甲酯盐酸盐，在酸性条件下进行水解、脱溶后得草铵膦盐酸盐固体，再经氨化处理得到草铵膦固体，整体收率可达 75%[ 以 (3- 乙酰氧基 -3-氰基 ) 丙基甲基次膦酸异丁酯计 )] ，草铵膦纯度达到 97%。
草铵膦-N-乙酰的合成
加入草铵膦、新蒸馏的乙酸酐、碳酸钠催化剂于干燥洁净的圆底烧瓶中，进行加热，轻轻摇动烧瓶，使烧瓶中的物质混合均匀，加热并搅拌，回流反应一定时间．反应完结后，把圆底烧瓶中的物质转移到盛有少量蒸馏水的烧杯中，冷却，如有需要此时也可以进行冰水浴，待结晶完全后，过滤，再用蒸馏水洗涤结晶物２～３次，即可获得粗产品．将获得的草铵膦-N-乙酰粗产品倒进５０ｍＬ的烧杯中，然后向烧杯中缓慢的滴加乙醇溶液，加热使阿司匹林粗品溶解，边搅拌边倒入盛有热水的１００ｍＬ的烧杯中，加入活性炭，趁热过滤，将滤液自然冷却，析出结晶，将自然析出的结晶用５０％的乙醇洗涤２～３次，用真空泵抽滤、洗涤，得到草铵膦-N-乙酰。
结果与讨论
氨基腈合成方式对草铵膦合成的影响
首先以 (3- 乙酰氧基 -3- 氰基 ) 丙基甲基次膦酸异丁酯为原料，在氨水 / 氯化铵共存体系中发生氨化反应生成氨基腈，不经处理直接经盐酸酸解制备得到草铵膦盐酸盐粗品，粗收率达到 92.52% 。 接着尝试在氨基腈合成阶段仅加入氨水氨化，不加氯化铵，以减少后续除盐压力，试验结果显示：采用氨水直接进行氨化，可以合成出氨基腈，但后续水解制备草铵膦的收率较低，粗收率仅为85.62% ，较氨水 / 氯化铵共存工艺收率低近 7 个百分点；另尝试氨基腈合成后使用真空脱氨方式回收过量的氨，以减少后续三废产生量， 但草铵盐酸盐收率仅为 83.88%。
氨基腈合成条件优化
在氨水 / 氯化铵共存体系条件下，重点对氨基腈合成步骤进行了优化，分别就这 4 个因素对反应的影响，目前较优的反应条件：反应温度为20 ℃ ，反应时间为 4 h ，氨水浓度为 25% ， n( 氨水 )∶n(MPCA)=6∶1 。
结论
探讨了一种新工艺合成草铵膦-N-乙酰，以 (3- 乙酰氧基 -3- 氰基 ) 丙基甲基次膦酸异丁酯为初始原料与 6 倍当量的 25% 氨水以及 2 倍当量的氯化铵， 在 20 ℃ 条件下，反应 4 h ，发生氨化反应得到淡黄色的 (3- 氨基 -3- 氰基 ) 丙基甲基次膦酸异丁酯，不经处理，直接与 19 倍当量的31% 盐酸在回流条件下发生酸解反应，反应 4 h ，得到草铵膦盐酸盐溶液， 再经提纯可获得含量为 97% 的草铵膦原药，整体收率可达 75% 。 该工艺合成草铵膦具有操作简单，收率高的优点，副产盐仅为氯化铵，方便回收再利用，减少了三废产生量，相比现有草铵膦合成工艺具有一定的优越性
参考文献
[1]Rojano-Delgado, Antonia Maria; Priego-Capote, Feliciano; Barro, Francisco; Luque De Castro, Maria Dolores; De Prado, Rafael Phytochemistry, 2013 , vol. 96, p. 117 - 122