高效体烯效唑的不对称还原合成方法

李明

（江苏剑牌农化股份有限公司，江苏盐城 224700）

烯效唑，化学名为(E)-(RS)-1-(4-氯苯基)-4,4-二甲基-2-(1H-1,2,4-三唑-1-基)戊-1-烯-3-醇，是继植物生长调节剂多效唑（PP333）之后由日本住友化学公司开发的又一高活性的新型植物生长调节剂，兼有卓越的杀菌效果，是目前所开发的三唑类农用化学品中矮化植株、抗倒伏能力最强的植物生长调节剂[1-3]。烯效唑被植物吸收后，可以阻碍内源赤霉素的生物合成[4-6]，从而延缓植株的营养生长，减缓细胞的分裂和伸长，抑制茎秆伸长，幼苗高度明显降低，茎粗和分蘖数增加，最终达到使作物增效增产的目的。

另外，烯效唑具有手性中心，属于手性农药，而环境中手性农药对映体选择性差异的研究历史并不长。目前，我国市场上使用的农药中40%以上具有手性结构，主要为拟除虫菊酯杀虫剂、有机磷杀虫剂、三唑类农药及芳氧丙酸酯类[7]。通常，手性化合物中只有一种异构体具有所期望的生物活性，而另一种没有显著的生物活性甚至无效，或其中一个异构体对环境具有更强的危害。例如：除草剂异丙甲草胺，其S-型对映体有很好的除草活性，而R-型对映体不仅无除草活性，还有致癌作用［8］。常见的三唑类手性农药对映体不仅杀菌活性不同，对大鼠的肝脏毒性也不同，已被美国环境保护署（EPA）列为潜在的手性致癌物质。因此，手性农药对映异构体的分离也受到人们的高度关注[9-10]，研发应用性好的单对映体并提高产率，对提高化工生产经济效益和保护环境安全均具有重要的意义。

烯唑醇的R-对映体表现出杀菌作用，而S-对映体却表现出植物调节剂的作用。由于手性农药对映体功效和毒性不同，对其对映体进行拆分、测定含量很有必要。其中，本文研究的光学活性物质6不仅具有高效、广谱杀菌等特点，而且具有优异的植物生长调节和除草的作用。光学活性物质6含有碳碳双键和手性碳，它的E-异构体表现出优异的生物活性，而Z-异构体在很大程度上无活性。研究结果表明，烯效唑（化合物6）的(E)-(S)-(-)-对映体具有良好的杀菌活性，而(E)-(R)-(+)-对映体具有良好的植物生长调节活性和除草活性。因此，应用活性较高的单对映体，可使化学物质用量减少，从而使实际应用过程的经济性提高，对环境污染的减少和安全性的提高具有重要的意义。因此，化合物6的单对映体合成一直受到有机化学家的广泛关注。

图1 烯效唑

要研究和利用这些立体异构体，就有必要使用一种有效的方法获得对映体纯的手性化合物。目前获得手性纯物质方法大致有：天然产物分离或转化、拆分、不对称合成和酶化学方法。其中不对称合成方法避免了烦琐的拆分和分离，开辟了从非手性物质人工合成不对称产物的新途径，因此，本实验选用不对称方法采用L-脯氨醇作为辅助试剂改良硼氢化钠，从而直接手性合成烯效唑。

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

BRUKER AV400型核磁共振仪，瑞士布鲁克公司；安捷伦1260高效液相色谱仪，安捷伦科技（中国）有限公司；DF-101S恒温加热磁力搅拌器，上海予康仪器厂；S212机械搅拌器，上海予康仪器厂；RE-52AA旋转蒸发仪，上海亚荣生化仪器厂；CP214精密电子天平，速展机电有限公司；WRS-1C熔点仪，上海精密仪器仪表有限公司。

4-甲基苯基溴化镁四氢呋喃溶液，试剂级，上海毕得医药科技股份有限公司；N-叔丁氧基羰基-L-脯氨酸甲酯，试剂级，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；二氯甲烷、浓硫酸，试剂级，上海泰坦科技股份有限公司；四氢呋喃（THF）、石油醚、乙酸乙酯（EtOAc）、硼氢化钠、硼氢化钾和氯化锌，工业级，上海泰坦科技股份有限公司。浓盐酸、盐酸氢钠、乙醚、二氯乙烷、4-甲基苯基溴化镁四氢呋喃溶液，试剂级，上海毕得医药科技股份有限公司；N-叔丁氧基羰基-L-脯氨酸甲酯，试剂级，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；四氢呋喃（THF）、二氯甲烷（DCM）、石油醚、乙酸乙酯（EtOAc）、乙醚、二氯乙烷（DCE），试剂级，上海泰坦科技股份有限公司；硼氢化钠、硼氢化钾、氯化锌、氯化铁、氯化铝、浓盐酸、浓硫酸、碳酸氢钠、碳酸钾、磷酸钾、吡啶、1,8-二氮杂二环十一碳-7-烯（DBU）、三乙烯二胺（DABCO）、磷酸二氢钾、氢氧化钠、氢氧化钾、三乙胺、叔丁醇钾、碳酸铯，试剂级，上海泰坦科技股份有限公司。

1.2 实验步骤

1.2.1 L-脯氨醇手性助剂（化合物3）的合成

(-)-(S)-N-叔丁氧基羰基-2-[双(4-甲基苯基)羟基甲基]吡咯烷（化合物3）的制备，如图2所示：在N2保护和0 ℃下，向4-甲基苯基溴化镁（300 mL，300 mmol）的THF溶液中滴加N-叔丁氧基羰基-L-脯氨酸甲酯（17.25 g，75 mmol）的THF（50 mL）溶液。室温下搅拌过夜，TLC监测直至原料1反应完全，加入1 mol/L HCl水溶液（75 mL）淬灭反应并继续搅拌30 min。用DCM（4×60 mL）萃取混合液，合并的有机相用饱和食盐水洗涤并用无水硫酸钠干燥。旋干溶剂，得到黄色残余物，用PE-EtOAc重结晶得到22.30 g白色固体，产率78.00%。

图2 (-)-(S)-N- 叔丁氧基羰基-2-[ 双(4- 甲基苯基)羟基甲基]吡咯烷的合成

1.2.2 (-)-(S)-2-[双(4-甲基苯基)羟甲基]吡咯烷盐酸盐（化合物4）的合成

如图3所示：将化合物3（20 g，52.42 mmol）加入到100 mL EtOAc中，不能完全溶解，得到白色浑浊液；在常温搅拌下，将浓硫酸缓慢滴加到浓盐酸中，产生的HCl气体经浓硫酸干燥通入常温搅拌下的化合物3的EtOAc溶液中，尾气用NaHCO3溶液吸收，随着HCl的通入，白色浊液逐渐变成黄色透明溶液，直到TLC检测原料化合物3消失为止；40 ℃减压下将溶液旋蒸至稍有流动状态的粘稠状液体，加入50 mL乙醚搅拌0.5 h后过滤，用2×5 mL乙醚洗涤滤饼，产率71.91%。

图3 ( -)-(S)-2-[ 双(4- 甲基苯基) 羟甲基]吡咯烷盐酸盐的合成

1.2.3 NaBH4法直接手性合成烯效唑

如图4所示，在N2保护下，投入化合物4（0.143 g，0.45 mmol）、NaBH4（0.017 g，0.45 mmol）、0.5 mL 的DCE，放入-20 ℃的冷阱中30 min，在搅拌状态下，2 h内将试管中的溶液温度逐渐由-20 ℃升至室温。之后放入50 ℃油浴中，投入(E)-烯唑酮（0.087 g，0.3 mmol）和0.5 mL的DCE，TLC监测反应进度。50 ℃反应4～8 h。加入2 mol/L的HCl水溶液（5 mL）淬灭反应并继续搅拌2 h。50 ℃静置分层，水层用5×3 mL的DCM萃取，合并的有机相用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥。浓缩溶液，爬小板分出产物点用于测试ee值。

图4 烯效唑合成

1.2.4 ee值测试

流动相A为异丙醇，流动相B为正己烷，A和B体积比为3∶97；流速为0.750 mL/min；检测波长230 nm；柱温为35 ℃；OD-3色谱柱（250 mm×4.6 mm, 5 μm）。

2 结果与分析

2.1 碱类型筛选

按照文献方法进行手性物质合成：先加化合物4（0.143 g，0.45 mmol）、NaBH4（0.017 g，0.45 mmol），塞上橡胶塞，抽真空，N2保护，用注射器加入0.5 mL的DCE和0.5 mL的N-二甲基甲酰胺，放入-20 ℃的冷阱中30 min；在搅拌下，2 h内将试管中的溶液温度逐渐由-20 ℃升至室温；之后放入50 ℃油浴中，在N2保护和搅拌下，用注射器加入1 mL化合物5（0.087 g，0.3 mmol）的DCE液体（难溶），得到白色浊液，TLC监测反应进度。结果发现，反应48 h后大部分烯酮仍无法还原，因此考虑添加当量的碱促进反应，所选碱的类型如表1所示。实验发现，加入当量碱后，反应生成的化合物有Z构型（图6）和E构型（图7）。尤其是添加DBU后，反应生成的化合物只有Z构型。我们对反应条件8、10的样进行柱层析分离，送检，得到相应的核磁氢谱数据。

表1 碱的种类筛选

图5 TLC谱图

图6 Z构型1HNMR

图7 E构型1HNMR

2.2 酸类型筛选

由于添加当量的碱以后，化合物发生转位变成了Z构型，因此考虑加入酸进行调整。经过考察，加入三氟乙酸、乙酸、盐酸、苯甲酸、磷酸二氢钠和硫酸后对实验结果无影响，可能是酸性太强，因此使用酸性较弱的路易斯酸进行实验。结果发现，添加当量的氯化锌（表2），反应可以进行，且生成的烯效唑有比较好的ee值，因此选择氯化锌作为反应的酸性催化剂。

表2 路易斯酸种类筛选

2.3 反应温度优化

查阅相关文献可知，高温不利于高选择性地合成有旋光性的产物，，因此考察了0 ℃、25 ℃、50 ℃下的反应情况。结果显示，在所选温度范围内产物均有旋光性，但随着反应温度的提高，反应所需时间变短，因此以50 ℃为反应条件进行溶剂筛选。

表3 不同反应温度下反应所需时间及ee值

2.4 反应溶剂筛选

以实验室常用的溶剂四氢呋喃、二氯乙烷、正己烷、甲苯等进行实验，反应所需时间及产物ee值如表4所示。结果表明，四氢呋喃作溶剂时，生成的烯效唑没有ee值；二氯乙烷溶剂反应所需时间为4 h，与三氯乙烷、正己烷和甲苯相同，但产物ee值最高，为70%。因此，后续实验以二氯乙烷作为溶剂。

表4 不同溶剂下反应所需时间及产物ee值

2.5 手性助剂投料量优化

从手性助剂（化合物4）的投料量优化结果（表5）中可以看出，使用催化量的手性助剂能得到不同程度消旋的产物；增大手性助剂的比例，产物会逐渐具有旋光性，在1.5当量时ee值最高，可以达到71%；继续增大手性助剂的量，产物ee值变化不明显。因此，选择1.5当量的化合物4作为手性助剂。

表5 手性助剂（化合物4）投料量对产物的影响

综上，反应最优条件为：1.5当量的化合物4作为手性助剂，NaBH4作还原剂，催化剂为氯化锌，反应温度为50 ℃，溶剂为二氯乙烷。在此条件下产物的ee值为71%，收率为73.5%。

2.6 (-)-(S)-2-[双(4-甲基苯基)羟甲基]吡咯烷盐酸盐、(E)-烯效唑的表征

(-)-(S)-2-[双(4-甲基苯基)羟甲基]吡咯烷盐酸盐1HNMR结构如图8所示。

图8 (-)-(S)-2-[双(4-甲基苯基)羟甲基]吡咯烷盐酸盐

白色固体，1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ：1.9-2.06（m，4H），2.29（d，J=4 Hz，6H），3.17-3.36（m，2H），4.93（t，J=8 Hz，1H），7.09-7.17（m，4H），7.26-7.28（m，2H），7.56（d，J=8 Hz，2H），11.31（s，1H）。(E)-烯效唑结构如图9所示。

图9 (E)-烯效唑

白色固体，熔点：166℃，1H NMR（400 MHz，CDCl3），δ：0.66（s，9H），4.25（d，J=8 Hz，1H），4.53（d，J=12 Hz，1H），6.90（s，1H），7.26（d，J=8 Hz，2H），7.33（d，J=8 Hz，2H），8.06（s，1H），8.48（s，1H）。

3 结论

在50 ℃条件下，用1.5当量的手性助剂α-二取代吡咯烷-2-甲醇盐酸盐，二氯乙烷作溶剂，氯化锌为催化剂，用NaBH4作还原剂，能以较高的立体选择性和化学选择性得到相应的烯效唑。