丙硫菌唑原药中3 个主要杂质合成及产生历程分析

杨丙连，王建博，丁亚伟

(1.南通泰禾化工股份有限公司，江苏 南通 226407；2.上海泰禾化工有限公司，上海 201612)

丙硫菌唑(prothioconazole，CAS：178928-70-6)作为全球第二大杀菌剂，是拜耳作物科学公司成功开发的新型三唑硫酮类高效广谱杀菌剂，作用机制为抑制真菌甾醇合成，可用于谷物、大豆和棉花等作物多种病害的防治[1-3]。

丙硫菌唑的主流合成工艺是以邻氯氯苄为原料，与镁反应生成格氏试剂，再与2-氯-1-(1-氯环丙基)乙酮发生加成反应，然后经肼化、关环、氧化等一系列反应制备得到丙硫菌唑[4-5]，具体合成路线如图1。

基于原药分析和文献调研，发现丙硫菌唑合成过程会产生图2 所示的3 个主要杂质：2-[2-(1-氯环丙基)-2-羟基-3-苯基丙基]-2,4-二氢-3H-1,2,4-三唑-3-硫酮(简称脱氯丙硫，DC-PTC)、2-[2-(1-氯环丙基)-1-(2-氯苯基)-3-(1H-1,2,4-三唑-1-基)丙烷基]-2-醇(简称脱硫丙硫，DS-PTC)和2-{2-(1-氯环丙基)-1-(2-氯苯基)-3[5-(甲巯基)-1H-1,2,4-三唑-1-基]丙烷基}-2-醇(简称甲基化丙硫，Me-PTC)。

图2 丙硫菌唑原药中3 个主要杂质

杂质不仅影响原药品质，且杂质的毒理学特性与丙硫菌唑差异较大，在原药中均有明确限量要求。如美国环境保护署2007 年发布的丙硫菌唑人类健康风险评估报告中表明杂质DS-PTC 具有致畸性，会导致幼儿畸形，其在原药中的含量要求低于500 mg/L。

据文献调查，尚无丙硫菌唑上述3 个杂质产生原因的分析和合成方法报道。本文基于丙硫菌唑原药合成路线分析推测了杂质产生的可能历程，并设计了下述合成路线对3 个杂质进行了合成，其结构经LC-MS、NMR 等表征确证，为丙硫菌唑工艺优化、杂质和产品质量控制提供参考。

脱氯丙硫杂质(DC-PTC)合成路线：

脱硫丙硫杂质(DS-PTC)合成路线：

甲基化丙硫杂质(Me-PTC)合成路线：

1 实验部分

1.1 试剂和仪器

试剂：甲醇、甲苯、水合肼、硫氰酸钠、碘甲烷、无水碳酸钾、氯化苄、镁屑、氢氧化钠和1,2,4-三氮唑等均为分析纯，均购自国药试剂；2-氯-1-(1-氯环丙基)乙酮(90%)和2-(1-氯环丙基)-2-(2-氯苯基)甲基环氧乙烷(75%)为实验室自制。

仪器：多电子天平(梅特勒-托利公司)、GC-14C岛津气相色谱仪(日本岛津公司)、DionexUltimate TM 3000 超高效液相色谱仪(美国Dionex 公司)；智能数显恒温油/水浴锅和机械搅拌器(巩义市予华仪器有限责任公司)；AV400 型(400 Hz)核磁共振仪(瑞士Bruker 公司)；Q-ExactiveTM 组合型四极杆-高分辨轨道阱质谱仪[赛默飞世尔科技(中国)有限公司]。

1.2 杂质的合成

1.2.1 2-[2-(1-氯环丙基)-2-羟基-3-苯基丙基]-2,4-二氢-3H-1,2,4-三唑-3-硫酮(DC-PTC)的合成

2-(1-氯-环丙基)-2-(苯基)甲基环氧乙烷：500 mL四口反应瓶中加入镁屑(7.3 g,0.3 mol)，甲苯(15.0 g)与四氢呋喃(15.0 g)的混合溶剂30.0 g，氮气置换3 次，开启搅拌，升温至35～40 ℃，滴加氯化苄(25.3 g,99%,0.2 mol)与甲苯(50.0 g)、四氢呋喃(50.0 g)的混合液，滴完后保温15 min，氮气保护下将上清液转移至另一500 mL 反应瓶中。开启搅拌，降温至10～15 ℃，于30 min左右滴加29.0 g(95.0%,0.18 mol)2-氯-1-(1-氯环丙基)乙酮，继续保温反应20 min，得到浅黄色透明格氏加成液。将上述加成液倒入200 g冰水中淬灭，用浓盐酸调pH=5～6，充分搅拌约30 min后静置分层，有机相依次用水、饱和食盐水洗涤，再用无水硫酸钠干燥，过滤，脱除溶剂得41.8 g(69.9%，0.14 mol)2-(1-氯-环丙基)-2-(苯基)甲基环氧乙烷粗品，不经纯化直接投下一步反应。

2-(1-氯-环丙-1-基)-3-(苯基)-2-羟基-丙基-1-肼盐酸盐：于500 mL 四口瓶中依次投入甲醇(100 g)、水合肼(44.0 g,80%,0.70 mol)、氢氧化钠(6.2 g,96%,0.15 mol)和2-(1-氯环丙基)-2-(苯基)甲基环氧乙烷粗品(41.8 g,69.9%,0.14 mol)，氮气保护下升温至回流反应2 h。将上述反应液脱除甲醇，残余物用甲苯(100 g)充分溶解后分层，有机相经水洗涤2 次。再向该有机相滴入浓盐酸(16.6 g,37%,0.17 mol)，控制内温不超过35 ℃，滴完后搅拌2 h 至固体完全析出，过滤，干燥后得到32.0 g 浅黄色粉末状2-(1-氯环丙基)-3-(苯基)-2-羟基-丙基-1-肼盐酸盐(含量97.1%)。

2-(1-氯-环丙-1-基)-1-(苯基)-2-羟基-3-(1,2,4-三唑烷-5-硫羰-1-基)-丙烷：于500 mL 四口瓶中加入甲苯和上一步骤得到的2-(1-氯环丙基)-3-(苯基)-2-羟基-丙基-1-肼盐酸盐(32.0 g,97%,0.11 mol)，氮气保护下滴入氢氧化钠溶液(17.6 g,30%,0.13 mol)进行反应，约30 min 后加入甲醛溶液(8.9 g,37%,0.11 mol)和硫氰酸钠(9.1 g,99%,0.11 mol)，搅拌反应约30 min 后滴入盐酸(12.8 g,37%,0.13 mol)，全程控制反应温度20～30 ℃，保温反应约4 h。过滤，滤饼依次用甲苯、水洗涤，干燥后得到29.8 g(98.0%,0.09 mol) 2-(1-氯-环丙-1-基)-1-(苯基)-2-羟基-3-(1,2,4-三唑烷-5-硫羧-1-基)-丙烷，直接用于下一步反应。

2-(1-氯-环丙-1-基)-1-(苯基)-3-(4,5-二氢-1,2,4-三唑-5-硫羰-1-基)-丙-2-醇：在500 mL 四口瓶中加入上一步得到的2-(1-氯-环丙-1-基)-1-(苯基)-2-羟基-3-(1,2,4-三唑烷-5-硫羧-1-基)-丙烷(29.8 g,98.0%,0.09 mol)和甲醇(70.0 g)，再于25 ℃左右缓慢滴入氯化铁溶液(127.0 g, 30%,0.20 mol)，保温反应5 h。反应结束，过滤，水洗，滤饼用甲醇重结晶得到22.0 g 白色固体(DC-PTC)，即2-(1-氯-环丙-1-基)-1-(苯基)-3-(4,5-二氢-1,2,4-三唑-5-硫羧-1-基)-丙-2-醇，含量98.5%，熔点：189～191 ℃。HRMS(m/z,ESI+)：310.0774(M+H)+；理论值：310.0775。

1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 8.450 (s, 1H),7.351～7.330 (m, 2H); 7.268～7.200 (m, 3H); 5.091 (s,1H); 4.647 (d,J=14.4 Hz, 1H); 4.328 (d,J=14.0 Hz,1H); 3.171 (d,J=13.6 Hz, 1H); 2.865 (d,J=14.4 Hz,1H); 0.923～0.866 (m, 1H); 0.654～0.596 (m, 1H),0.549～0.400(m,2H)。

1.2.2 2-[2-(1-氯环丙基)-1-(2-氯苯基)-3-(1H-1,2,4-三唑-1-基)丙烷基]-2-醇(DS-PTC)的合成

在500 mL 四口瓶中依次投入1,2,4-三氮唑(27.9 g,99%, 0.40 mol)，碳酸钾(55.8 g, 99%, 0.40 mol)和的DMF(150 g)，搅拌并升温至90 ℃左右滴加2-(1-氯环丙基)-2-[(2-氯苯基)甲基]环氧乙烷(108.1 g,90%,0.40 mol)，滴完后保温反应10 h，然后将反应液降至室温，过滤，滤饼用适量DMF 洗涤，合并DMF溶液，脱溶得到釜残。向其釜残中加入甲苯(200 g)和水(50 g)，溶解，分层得到有机相，降温结晶，过滤、干燥得到63.6 g(98.2%，0.20 mol)DS-PTC，熔点：104～106 ℃。HRMS(m/z，ESI+)：312.0662(M+H)+；理论值：312.0665。

1H NMR(400 MHz,DMSO-d6)δ: 8.397(s,1H);7.974 (s, 1H); 7.597 (dd,J=7.4, 2.2 Hz, 1H); 7.439(dd,J=7.4,1.8 Hz,1H);7.311～7.211(m,2H);5.145(s,1H); 4.748 (d,J=14.4 Hz, 1H); 4.120 (d,J=14.4 Hz,1H); 3.425 (d,J=14.0 Hz, 1H); 3.116 (d,J=14.0 Hz,1H); 0.898～0.839 (m, 1H), 0.712～0.653 (m, 1H),0.512～0.398(m,2H)。1.2.3 2-{2-(1-氯环丙基)-1-(2-氯苯基)-3[5-(甲巯基)-1H-1,2,4- 三唑-1- 基] 丙烷基}-2- 醇(Me-PCT)的合成

在500 mL 四口瓶中依次投入丙硫菌唑原药(34.8 g,98.8%,0.10 mol)、乙腈(150 g)和无水碳酸钾(13.9 g,99%,0.10 mol)，然后于室温、氮气保护下缓慢入碘甲烷(28.7 g,99%,0.20 mol)，滴毕体系升温回流反应过夜。反应结束减压蒸馏除去低沸，向其中加入乙酸乙酯(100 g)和水(70 g)充分搅拌溶解，有机相依次用水、饱和食盐水洗涤、无水硫酸钠干燥后旋干得到25.0 g 黏稠油状物，柱层析得到12.5 g 白色固体状甲基化丙硫(98.0%,0.03 mol)，熔点60～62 ℃。HRMS (m/z，ESI+)：312.0662 (M+H)+；理论值：312.0665。

1H NMR (400 MHz,DMSO-d6)δ:7.999(s,1H),7.676～7.653(dd,J=7.0，2.2 Hz，1H);7.455～7.432(dd,J=7.4,1.8 Hz,1H);7.337～7.265(m,2H);5.078(s,1H);4.560 (d,J=14.0 Hz, 1H); 3.948 (d,J=10.0 Hz, 1H);3.528 (d,J=14.4 Hz, 1H); 3.093(d,J=14.4 Hz, 1H);2.522 (s, 3H); 1.036～0.981 (m, 1H), 0.768～0.647(m,3H)。

2 结果与讨论

2.1 产生DC-PTC 原因分析

原因可能有：⑴起始原料邻氯氯苄中残余少量氯化苄，氯化苄形成的格氏试剂苄基溴化镁依次进行加成、肼化、关环、氧化等后续步骤反应最终生成DC-PTC 杂质；⑵起始原料邻氯氯苄发生格氏反应时，苯环上的氯也参与了格氏反应，加成反应后的酸水中淬灭时，发生水解反应得到脱氯杂质2-苄基-2-(1-氯环丙基)环氧乙烷，脱氯杂质通过后续肼化、合环和氧化等反应最终生成DC-PTC 杂质。反应路线见图3。

图3 DC-PTC 产生原因的路线分析

基于丙硫菌唑登记公开资料，DC-PTC 在其原药中含量约0.5%，而起始原料邻氯氯苄含量>99.5%，据此可以推测，原因1 可能性小。基于原因2，即邻氯氯苄与镁发生格氏反应时，邻氯氯苄苯环上氯也与镁发生格氏反应，由于反应活性较弱，无法与2-氯-1-(1-氯环丙基)乙酮发生反应，在后续酸水中淬灭时形成2-苄基-2-(1-氯环丙基)环氧乙烷，通过后续肼化、合环、氧化等反应最终生成DC-PTC 杂质。

2.2 产生DS-PTC 原因分析

据文献[6]报道，丙硫菌唑采用图4 中R1 路线合成，即化合物1 与1,2,4-三氮唑反应生成DS-PTC，DS-PTC 再与硫磺反应得到丙硫菌唑。该路线收率低，条件苛刻，硫氧化反应不彻底，导致少量的DS-PTC残留。据环境公开数据，DS-PTC 的限量为0.5%。

图4 DS-PTC 产生原因的路线分析

DS-PTC 本身毒性较高，且原研路线残留量较大，很难除去。因此原研公司又开发了路线R2，即化合物1 依次与水合肼、甲醛、硫氰酸钠和氯化铁等反应得到丙硫菌唑。在氯化铁氧化过程中，仍会有极少量的(约100 mg/L)DS-PTC 形成(图4)。

2.3 产生Me-PTC 原因分析

据文献，丙硫菌唑原药合成步骤是在甲醇中进行的，推测存在少量甲醇与丙硫菌唑发生反应形成Me-PTC 的情况。

本文参照现有文献方法对其进行合成，即采用碘甲烷与丙硫菌唑反应制备甲基化丙硫[7]，具体的化学反应式如图5 所示。

图5 Me-PTC 产生原因的路线分析

3 结论

基于丙硫菌唑原药合成路线和相关文献资料调查，分析推测了丙硫菌唑原药中脱氯丙硫、脱硫丙硫和甲基化丙硫3 个主要杂质产生的可能历程，并设计了合成路线对3 个杂质进行了合成、纯化，合成杂质含量>97%。研究结果可为丙硫菌唑研究、开发提供基础与指导。