本发明提出杀虫剂杀螟丹的一种全新的合成方法。
背景技术：
杀螟丹，又名巴丹、派丹，国外商品名为Cartap。是日本武田药品工业株式会社依据动物性毒素——沙蚕毒素研制的一种杀虫剂。它是一种防治水稻螟虫、茶叶、果树、蔬菜等害虫的高效低毒、广谱的新型杀虫剂。对人畜毒性低，使用安全方便。
杀螟丹的杀虫机理是它能浸入神经细胞的结合部，起到阻断一个细胞所分泌的乙酰胆碱传递给第二个神经细胞的作用。因此，它和有机磷杀虫剂相反，它使得虫体神经细胞既不发生正常兴奋，又不传达刺激第二个神经细胞，失去食害作物的能力，发育停止，虫体软化，至死亡。杀螟丹的杀虫力强，对二化螟有特效，对抗性螟虫有效。对鳞翅目和鞘翅目有卓效。一般而言，对咀嚼口器害虫有强大的杀虫力，对蚜虫、棉花红蜘蛛、地下害虫亦有较为显著的效果。
杀螟丹的化学名称为1,3-双(氨基甲酰硫基)-2-(N,N-二甲胺基)丙烷盐酸盐，或者叫S,S’-[2-(N,N-二甲胺基)丙撑]-双硫代氨基甲酸酯盐酸盐。其结构式如下：
目前公开的关于杀螟丹的合成方法均是由1-(N,N-二甲氨基)-2,3-二氯丙烷经异构化磺化、氰化、醇解或水解制得。美国专利US3332943A及湖南化工研究院(《农药工业》，1977.2，P52-86)均是采用这条路线合成出最终产品，具体如下：
专利CN101302179采用杀虫单成品，即上述磺化产物结构的单钠盐为起始原料，进而氰化、醇解得到产品。工艺路线如下：
上述工艺均存在路线冗长、操作繁杂、收率低下、原材料原子利用率低等缺点。尤其是氰化反应使用到剧毒的氰化钠，给安全生产和环境保护带来很大的风险。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种杀螟丹的合成方法，本发明采用一锅法分步反应制取杀螟丹，具有设备投资小、能耗低、操作简便，转化率大幅提高的优点；本发明杜绝了大量含亚硫酸钠、氰化钠的污水产生；本发明大幅提高反应过程中的选择性和转化率，提高了生产效率、极大的降低了生产成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种杀螟丹的合成方法，采用氧硫化碳、氨与1-(N,N-二甲氨基)-2,3-二氯丙烷(以下简称氯化物)在碱溶液中一锅法制得杀螟松原药。本发明的原理可分为成盐、取代及酸化三步反应：首先是氧硫化碳、氨和碱在溶剂中反应制得中间产物，即单硫代氨基甲酸盐；其次，中间产物再与氯化物进行取代反应；最后用氯化氢酸化制得杀螟松原药。所述合成原理的化学反应式如下：
与现有工艺相比，本发明采用一锅法分步反应。具有设备投资小、能耗低、操作简便，转化率大幅提高的优点。更重要的是，采用本发明步骤能彻底避免使用大量的大苏打(硫代硫酸钠)、氰化钠等无机化合物。在现有工艺中，硫代硫酸钠分子中只有一个硫原子参与到构成最终产物的结构中，这就势必造成原子利用率低、生产效率低、产生大量的含亚硫酸钠废水；而剧毒氰化钠的使用必将造成含氰废水的排放，其处理成本高昂，对环境容量要求很高。
在第一步单硫代氨基甲酸盐的合成过程中，由于过量的氧硫化碳可以继续与产物结构中的酰胺基发生缩合反应，生成双硫代甲酰胺结构的副产物。反应式如下：
当氨及碱相对于氧硫化碳过量时，可以有效避免氧硫化碳与单硫代氨基甲酸盐进一步反应。结合原材料价格及投料的方便程度，本发明选择氧硫化碳对氨、碱的摩尔比为1:(1.0-1.5):(1.0-15.0)。本发明选择氢氧化钠、氢氧化钾、氨、甲醇钠、乙醇钠、甲醇钾、乙醇钾或者叔丁醇钾作为第一步反应中与单硫代氨基甲酸反应成盐的碱。
另外，氧硫化碳制取单硫代氨基甲酸盐的反应是放热反应，及时移走反应放出的热量有利于产物的生成。本发明选择反应温度为0-50℃之间。
在单硫代氨基甲酸盐与氯化物的反应过程中，在体系呈碱性的条件下，氯化物首先生成环状乙烯亚胺季胺盐结构的过渡态，再异构化为2-(N,N-二甲氨基)-1,3-二氯丙烷的结构。反应机理如下：
a型氯化物及b型异构化物2-(N,N-二甲氨基)-1,3-二氯丙烷均可与单硫代氨基甲酸盐发生亲核取代反应，得到以下两个构型的产物：
因为二甲氨基是一个强大的供电子基团，所以在极性溶剂中，当氯化物受到亲核试剂进攻时，它互变的b型异构化物的结构中电荷更分散、更稳定，其1号位及3号位的碳正离子更稳定，更容易形成。为了尽可能以高的选择性得到上述Ⅱ型杀螟丹正构体，本发明选择极性溶剂作为反应溶剂，包括但不限于水、乙腈、甲醇、乙醇、甲酰胺、二甲基甲酰胺(DMF)等。
反应温度越高越有利于亲核取代的进行，但是高温又会造成消除副反应的发生。本发明选择反应温度为0-80℃之间。反应时间为1-48小时。理论上，1摩尔的氯化物需要2摩尔的单硫代氨基甲酸盐反应。考虑到原材料成本的问题，本发明选择单硫代氨基甲酸盐过量。实际投料中，采氯化物与氧硫化碳的摩尔比为1:(2-5)来实现单硫代氨基甲酸盐的过量反应。
亲核取代的产物在与盐酸成盐的过程，实际上是酸碱中和的反应。反应放热，及时移走反应放出的热量，有利于减少副反应的发生。本发明选择酸化成盐过程中温度控制在0-30℃。理论上，氯化氢与氯化物的摩尔比为1:1。实际上，当氯化氢过量，上述Ⅰ型异构体结构化合物在体系中的溶解度更大，有利于Ⅱ型杀螟丹正构体从体系中单独结晶出来。本发明选择氯化氢与氯化物的摩尔比为(1-15):1。
本发明实际操作时，首先将计量好的碱溶液投入到反应瓶中，低温下依次通入计量好的氨及氧硫化碳。搅拌一定时间后，加入计量好的氯化物溶液，在一定温度下搅拌反应一段时间。反应完成后，通入一定量的氯化氢气体或者滴加一定量的盐酸，并在一定温度下保温析晶，最后过滤，滤饼用少量甲醇淋洗，紫外灯下烘干，得到产品。
氯化物常温下不稳定，没有市售商品。试验时现制现用。采用工业品氯化物的盐酸盐水溶液为原料，加入等摩尔的稀氢氧化钠水溶液中和，然后分层。下层油层即为游离的氯化物。
具体实施方式
具体参见以下实例：
实例1：
在装有机械搅拌器、冰盐乙醇浴、尾气吸收装置及温度计的1000ml四口烧瓶中，搅拌下加入300g质量分数为20％的氢氧化钠水溶液(1.50mol)，当温度降至0℃时，向体系内滴加50g质量分数为30％的氨水溶液(0.88mol),控制滴加速度，使体系温度不超过15℃。滴加完毕后，缓慢通入50g(0.83mol)氧硫化碳气体。控制通气速度，控制体系温度不超过30℃。通气结束后，撤去冰盐乙醇浴，在室温下搅拌30分钟。
向体系内加入60g(0.38mol)氯化物，水浴升温至60℃，并保温反应15小时。保温反应结束后，用冰盐乙醇浴降温，在体系内温度0-10℃范围内滴加200g(1.97mol)质量分数为36％浓盐酸，滴加完毕后，继续用冰盐乙醇降至零下10℃，并保温搅拌1小时。
用布氏漏斗过滤，滤饼用50ml冷甲醇淋洗，烘干得61.5g白色针状结晶粉末。测熔程为179.7℃-181.2℃，气相色谱检测含量为97.85％。以氯化物计，收率为59.11％。
实例2：
在装有机械搅拌器、冰盐乙醇浴、尾气吸收装置及温度计的1000ml四口烧瓶中，搅拌下加入500g甲醇，当温度降至0℃时，向体系内通入70g(4.12mol)液氨。随即缓慢通入50g(0.83mol)氧硫化碳气体。控制通气速度，控制体系温度不超过30℃。通气结束后，撤去冰盐乙醇浴，在室温下搅拌30分钟。
向体系内加入60g(0.38mol)氯化物，室温搅拌反应24小时。结束后，用冰盐乙醇浴降温，在体系内温度0-10℃范围内滴加350g(3.45mol)质量分数为36％浓盐酸，滴加完毕后，继续用冰盐乙醇降至零下0℃，并保温搅拌1小时。
用布氏漏斗过滤，滤饼用50ml冷甲醇淋洗，烘干得78g白色针状结晶粉末。测熔程为161.5℃-175.8℃，气相色谱检测含量为61.77％。以氯化物计，收率为74.96％。
实例3：
在装有机械搅拌器、冰盐乙醇浴、尾气吸收装置及温度计的1000ml四口烧瓶中，搅拌下加入300g质量分数为30％的乙醇钠乙醇溶液(1.32mol)，当温度降至10℃时，向体系内滴加15g质量分数为40％的液氨乙醇溶液(0.35mol),控制滴加速度，使体系温度不超过15℃。滴加完毕后，缓慢通入20g(0.33mol)氧硫化碳气体。控制通气速度，控制体系温度不超过10℃。通气结束后，撤去冰盐乙醇浴，在室温下搅拌30分钟，体系变为混浊液。
向体系内加入23g(0.15mol)氯化物及0.5g四丁基溴化铵，室温搅拌1小时后，水浴升温至回流，并回流反应10小时。保温反应结束后，冷却到常温。取少许反应液，用布氏漏斗过滤，滤液经气质联谱检测，杀螟丹正构体与杀螟丹异构体的峰面积比例为6.69:1，正构体的选择性为87％。
用冰盐乙醇浴降温，在体系内温度0-10℃范围内滴加180g(1.78mol)质量分数为36％浓盐酸，滴加完毕后，继续用冰盐乙醇降至0℃，并保温搅拌1小时。
用布氏漏斗过滤，滤饼用20ml冷甲醇淋洗，烘干得33.7g白色针状结晶粉末。测熔程为182.1℃-183.5℃，气相色谱检测含量为99.48％。以氯化物计，收率为82.06％。
实例4：
在装有机械搅拌器、冰盐乙醇浴、尾气吸收装置及温度计的500ml四口烧瓶中，搅拌下加入200g二甲基甲酰胺(DMF)及50g(0.45mol)叔丁醇钾，当温度降至10℃时，向体系内滴加11g质量分数为32.5％的液氨DMF溶液(0.21mol),控制滴加速度，使体系温度不超过15℃。滴加完毕后，缓慢通入12g(0.20mol)氧硫化碳气体。控制通气速度，控制体系温度不超过10℃。通气结束后，撤去冰盐乙醇浴，在室温下搅拌30分钟，体系变为浅绿色混浊液。
向体系内加入14g(0.09mol)氯化物及0.1g四丁基溴化铵，室温搅拌1小时后，水浴升温至80℃，并保温反应6小时。保温反应结束后，冷却到常温。
用冰盐乙醇浴降温，在体系内温度0-10℃范围内滴加60g(0.52mol)质量分数为31.7％的氯化氢甲醇溶液。滴加完毕后，继续用冰盐乙醇降至0℃，并保温搅拌30分钟。用布氏漏斗过滤，滤饼用10ml冷甲醇淋洗，烘干得23.9g白色针状结晶粉末。
经气质联谱检测，杀螟丹正构体与杀螟丹异构体的峰面积比例为14.7:1，正构体的选择性为93.63％。
以氯化物计，正构体转化率为90.82％。
将上述23.9g产物用质量比为80％的丙酮水溶液重结晶，得到21.5g白色结晶粉末。测熔程为181.7℃-183.1℃，气相色谱检测含量为98.85％。以氯化物计，收率为87.25％。