哌啶并咪唑啉二酮類化合物的除草活性研究

劉 克，張 帆，楊輝斌，李 斌

(沈陽中化農(nóng)藥化工研發(fā)有限公司 新農(nóng)藥創(chuàng)制與開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110021)

根據(jù)Phillips McDougall公司的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年全球作物用農(nóng)藥市場(chǎng)的銷售額為598.27億美元，其中除草劑銷售額為261.75億美元，占全球作物用農(nóng)藥市場(chǎng)的43.8%，是全球農(nóng)藥市場(chǎng)第一大產(chǎn)品類型[1]。

原卟啉原氧化酶(PPO)是葉綠素和血紅素生物合成途徑中的最后一種酶，能將原卟啉原IX催化氧化成原卟啉IX[2]。PPO抑制劑可抑制原卟啉原氧化酶的活性，導(dǎo)致原卟啉原IX不能氧化為原卟啉IX，大量積累的原卟啉原 IX流入到細(xì)胞質(zhì)并在其中氧化為原卟啉IX，原卟啉IX在光和氧條件下產(chǎn)生單線態(tài)氧破壞細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，最終造成植物死亡。PPO抑制劑具有高效、低毒、安全的作用特點(diǎn)[3]，是新型除草劑研發(fā)中的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。20世紀(jì)60年代開發(fā)的二苯醚類除草劑是最早出現(xiàn)的 PPO抑制劑，1970-1980年期間，PPO抑制劑被大量研究[4]，其結(jié)構(gòu)類型主要包括二苯醚類和其他 PPO抑制劑兩大類，其中1-雜環(huán)基-2,4,5-四取代苯類是其他PPO抑制劑中最主要的一類。自1969年第一個(gè)四取代苯類化合物噁草酮推廣上市以來，目前已有20多個(gè)四取代苯類化合物進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)階段，如丙炔氟草胺、氟噻乙草酯、三氟草嗪等。四取代苯類除草劑具有除草活性高、用量低、殺草譜廣的優(yōu)點(diǎn)，值得對(duì)其進(jìn)行深入的研究與開發(fā)。

本課題組前期考察了不同的 1-位雜環(huán)基對(duì)四取代苯類化合物的除草活性的影響，其中 2-[2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基]-四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H, 5H)-二酮(a)、2-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-四氫-[1,2,4]三唑并[1,2-a]噠嗪-1,3(2H)-二酮(b)、2-[2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基]-4,5,6,7-四氫異吲哚-1,3(2H)-二酮(c)、1-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-哌啶-2,6-二酮(d)和 3-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-1-甲基-6-三氟甲基-2,4-(1H,3H)-嘧啶二酮(e)的除草活性較高[5](圖1)。因?yàn)檫哙げ⑦溥蜻s環(huán)易制得且原料成本低，所以本文選取化合物a為先導(dǎo)，對(duì)苯環(huán)5-位取代基部分進(jìn)行變化，考察5-位取代物對(duì)苘麻生長(zhǎng)的抑制活性，總結(jié)構(gòu)效關(guān)系，為發(fā)現(xiàn)高除草活性的PPO抑制劑提供參考。結(jié)構(gòu)通式如圖2所示：

圖1 高活性四取代苯類化合物

圖2 哌啶并咪唑啉二酮類化合物的設(shè)計(jì)

化合物的合成路線如圖3所示。

圖3 哌啶并咪唑啉二酮類化合物的合成路線

以 2-氟-4-氯-5-硝基苯酚和 2-氟-4-氯-5-硝基苯甲酸為起始原料，經(jīng)取代、硝基還原，制備異氰酸酯，環(huán)合得到目標(biāo)化合物。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器

Mercury 300核磁共振儀(TMS為內(nèi)標(biāo)，美國(guó)瓦里安公司)；VG ZAB-HS質(zhì)譜儀、旋光儀Autopol VI(美國(guó)魯?shù)婪蚬?；X4型顯微熔點(diǎn)儀(北京第三光學(xué)儀器廠)，溫度計(jì)未經(jīng)校正。

1.2 試劑

試劑均為市購分析純。層析硅膠(GF245)薄板(滌綸片基，5×10 cm，浙江省臺(tái)州市路橋四甲生化塑料廠)；快速柱層析用硅膠(ZCX-II，粗孔，100～140目，青島海洋化工廠)。

1.3 旋光測(cè)試

采用鈉光譜的D線(589 nm)測(cè)定旋光度，測(cè)定管長(zhǎng)度為1 dm，測(cè)定溫度為20 ℃。稱取1.0 g樣品用丙酮配成濃度0.1 g/mL的供試溶液，將測(cè)定管用供試溶液沖洗數(shù)次，緩緩注入供試溶液，置于旋光計(jì)內(nèi)檢測(cè)讀數(shù)，即得供試液的旋光度。用同法讀取旋光度3次，取3次的平均數(shù)，按照下列公式計(jì)算，即得供試品的比旋度。

式中：[α]為比旋光度；D為鈉光譜的D線；t為測(cè)定時(shí)的溫度，℃；l為測(cè)定管長(zhǎng)度，dm；a為測(cè)得的旋光度；c為溶液濃度，g/100 mL。

1.4 合成方法

1.4.1 2-(4-氯-5-乙氧基-2-氟苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(I-1)的制備

向反應(yīng)瓶中加入 2-氯-4-氟-5-硝基苯酚(1.0 g,5.2 mmol)、DMF (20 mL)、碳酸鉀(0.9 g, 6.2 mmol)，滴加溴乙烷(0.6 g, 5.2 mmol)，室溫反應(yīng)6 h，向反應(yīng)液中加入乙酸乙酯(20 mL)和水(20 mL)萃取分液，有機(jī)相用飽和氯化鈉溶液(10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥，減壓蒸盡溶劑，得黃色固體，直接用于下一步。向反應(yīng)瓶中加入 1-氯-2-乙氧基-5-氟-4-硝基苯(1.1 g, 5.0 mmol)、水合氯化亞錫(2.8 g, 12.5 mmol)、乙酸乙酯(20 mL)，回流攪拌1 h，向反應(yīng)液中加入氫氧化鈉水溶液調(diào)節(jié)pH為7，過濾，濾液用乙酸乙酯和水萃取，有機(jī)相用飽和氯化鈉溶液(10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥，減壓蒸盡溶劑，得黑色固體，直接用于下一步。向反應(yīng)瓶?jī)?nèi)加入 4-氯-5-乙氧基-2-氟苯胺(0.9 g, 5.0 mmol)、甲苯(20 mL)、三乙胺(0.8 g, 7.5 mmol)，在冰浴冷卻條件下緩慢滴加三光氣(0.7 g, 2.5 mmol)的甲苯溶液，加熱回流3.5 h，減壓蒸盡溶劑，直接用于下一步。向反應(yīng)瓶?jī)?nèi)加入2-哌啶甲酸乙酯(0.9 g, 5.5 mmol)、二氯甲烷(20 mL)、三乙胺(1.0 g, 10.0 mmol)，滴加1-氯-2-乙氧基-5-氟-4-異氰酸酯苯的二氯甲烷溶液(5 mL)。室溫?cái)嚢? h，向反應(yīng)液中加入二氯甲烷(25 mL)，分別用水(20 mL)、飽和碳酸氫鈉溶液(20 mL)、飽和氯化鈉溶液(20 mL)洗滌，有機(jī)相無水硫酸鎂干燥，減壓抽濾，減壓蒸盡溶劑，殘余物柱色譜提純(淋洗液：乙酸乙酯/石油醚=1/3)，得黃色黏液1.6 g，純度98% (美國(guó)化學(xué)文摘登錄號(hào)：85113-28-6[6])，收率95%。1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.28 (d,J=9.0 Hz,1H), 6.83 (d,J=6.0 Hz, 1H), 4.27～4.23 (m, 1H), 4.07(q,J=7.2 Hz, 2H), 3.98～3.96 (m, 1H), 2.95～2.90 (m,1H), 2.33-2.29 (m, 1H), 2.09～2.06 (m, 1H), 1.82～1.79(m, 1H), 1.60～1.47 (m, 3H), 1.46 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

按上述操作，分別制得化合物(I-2至I-5)。其物性及核磁數(shù)據(jù)如下：

2-(2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)乙酸乙酯(I-2)：黃色黏液(美國(guó)化學(xué)文摘登錄號(hào)：101650-26-4[7])，收率80%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.31 (d,J=9.0 Hz, 1H), 6.86 (d,J=6.6 Hz, 1H), 4.67 (s, 2H), 4.27 (q,J=7.2 Hz, 2H), 4.26～4.22 (m, 1H), 3.98～3.95 (m, 1H),2.96～2.89 (m, 1H), 2.32～2.29 (m, 1H), 2.09～2.04 (m,1H), 1.82～1.80 (m, 1H), 1.60～1.45 (m, 3H), 1.29 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

2-(2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)丙酸乙酯(I-3)：黃色黏液，收率 78%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.28(d,J=9.0 Hz, 1H), 6.87～6.85 (m, 1H), 4.72～4.68 (m,1H), 4.26～4.19 (m, 3H), 3.97～3.94 (m, 1H), 2.94～2.89(m, 1H), 2.31～2.29 (m, 1H), 2.09～2.04 (m, 1H),1.82～1.79 (m, 1H), 1.67 (d,J=6.6 Hz, 3H), 1.61～1.44(m, 3H), 1.26～1.23(m, 3H)。

(2S)-2-(2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)丙酸乙酯(I-4)：黃色黏液，[α]D20=-1.78 (c10, 丙酮)，收率 91%；1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.28 (d,J=9.0 Hz, 1H),6.88～6.86 (m, 1H), 4.72～4.68 (m, 1H), 4.26～4.19 (m,3H), 3.96～3.94 (m, 1H), 2.94～2.89 (m, 1H), 2.31～2.28(m, 1H), 2.09～2.04 (m, 1H), 1.82～1.79 (m, 1H), 1.67 (d,J=6.6 Hz, 3H), 1.61～1.44 (m, 3H), 1.26～1.23(m, 3H)。

(2R)-2-(2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)丙酸乙酯(I-5)：黃色黏液，[α]D20= +1.34 (c10, 丙酮)，收率73%；1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.28 (d,J=9.0 Hz, 1H),6.87～6.85 (m, 1H), 4.72～4.68 (m, 1H), 4.26～4.19 (m,3H), 3.96～3.94 (m, 1H), 2.94～2.89 (m, 1H), 2.31～2.28(m, 1H), 2.09～2.04 (m, 1H), 1.82～1.79 (m, 1H), 1.67 (d,J= 6.6 Hz, 3H), 1.60～1.44 (m, 3H), 1.26～1.23(m, 3H)。

1.4.2 2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸乙酯(I-6)的合成

向反應(yīng)瓶中加入2-氯-4-氟-5-硝基苯甲酸(1.1 g,5.2 mmol)、二氯甲烷(20 mL)、EDCI (2.0 g, 10.4 mmol)、DMAP (0.1 g, 1.0 mmol)，滴加乙醇(0.2 g, 5.2 mmol)，室溫反應(yīng)4 h，向反應(yīng)液中加入二氯甲烷(20 mL)，分別用水(20 mL)、飽和碳酸氫鈉溶液(20 mL)和飽和氯化鈉溶液(20 mL)洗滌，有機(jī)相無水硫酸鎂干燥，減壓蒸盡溶劑，得黃色固體，直接用于下一步。向反應(yīng)瓶中加入 2-氯-4-氟-5-硝基苯甲酸乙酯(1.2 g,5.0 mmol)、鐵粉(0.8 g, 15.0 mmol)、乙醇(20 mL)、四氫呋喃(10 mL)，在冰浴冷卻條件下緩慢滴加37%鹽酸(3.0 g, 30.0 mmol)。室溫?cái)嚢? h后減壓蒸盡溶劑，加入乙酸乙酯(20 mL)和水(40 mL)萃取分液，有機(jī)相用飽和氯化鈉溶液(10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥，減壓蒸盡溶劑，得棕色固體，直接用于下一步。向反應(yīng)瓶?jī)?nèi)加入2-氯-4-氟-5-氨基苯甲酸乙酯(1.1 g,5.0 mmol)、甲苯(20 mL)、三乙胺(0.8 g, 7.5 mmol)，在冰浴冷卻條件下緩慢滴加三光氣(0.7 g, 2.5 mmol)的甲苯溶液，加熱回流3.5 h，減壓蒸盡溶劑，直接用于下一步。向反應(yīng)瓶?jī)?nèi)加入2-哌啶甲酸乙酯(0.9 g,5.5 mmol)、二氯甲烷(20 mL)、三乙胺(1.0 g, 10.0 mmol)，滴加2-氯-4-氟-5-異氰酸酯苯甲酸乙酯的二氯甲烷溶液(5 mL)。室溫下攪拌1 h，向反應(yīng)液中加入二氯甲烷(25 mL)，分別用水(20 mL)、飽和碳酸氫鈉溶液(20 mL)和飽和氯化鈉溶液(20 mL)洗滌，有機(jī)相無水硫酸鎂干燥，減壓抽濾，減壓蒸盡溶劑，殘余物柱色譜提純(淋洗液：乙酸乙酯/石油醚=1/3)，得白色固體 1.5 g，純度 98%，m.p.100～102 ℃(lit.102～103 ℃[8]，美國(guó)化學(xué)文摘登錄號(hào)：91623-94-8 )，收率 79%。1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.91 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.36 (d,J=9.0 Hz, 1H), 4.38 (q,J=7.2 Hz, 2H), 4.27～4.24 (m, 1H), 4.00～3.98 (m, 1H),2.96～2.91 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.09～2.06 (m,1H), 1.83～1.80 (m, 1H), 1.61～1.47 (m, 3H), 1.39 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

按上述操作，分別制得化合物(I-7至I-11)。其物性及核磁數(shù)據(jù)如下：

2-乙氧基-2-氧乙基 2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-7)：黃色黏液，收率85%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 8.05 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.39 (d,J= 9.0 Hz, 1H),4.83 (t,J=16.2 Hz, 2H), 4.26 (q,J=7.2 Hz, 2H),4.27～4.23 (m, 1H), 4.00～3.98 (m, 1H), 2.96～2.91 (m,1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.09～2.06 (m, 1H), 1.83～1.80(m, 1H), 1.60～1.47 (m, 3H), 1.30 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

1-乙氧基-1-氧丙烷-2-基 2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-8)：黃色黏液，收率66%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 8.00 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.37 (d,J=9.0 Hz, 1H),5.31 (q,J=7.2 Hz, 1H), 4.27～4.21 (m, 3H), 4.01～3.98(m, 1H), 2.96～2.91 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H),2.09～2.07 (m, 1H), 1.83～1.81 (m, 1H), 1.62(d,J=7.2 Hz,3H), 1.59～1.48 (m, 3H), 1.29 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

(S)-1-乙氧基-1-氧代丙烷-2-基 2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-9)：黃色黏液，[α]D20=-2.41(c10, 丙酮)，收率70%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 8.00 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.37 (d,J=9.0 Hz, 1H), 5.31 (q,J=7.2 Hz, 1H), 4.27～4.21 (m, 3H), 4.00～3.98 (m, 1H),2.96～2.91 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.09～2.07 (m,1H), 1.83～1.81 (m, 1H), 1.62(d,J=7.2 Hz, 3H),1.59～1.48 (m, 3H), 1.29 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

(R)-1-乙氧基-1-氧代丙烷-2-基 2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-10)：黃色黏液，[α]D20= +1.20 (c10, 丙酮)，收率 68%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 8.00 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.37 (d,J=9.0 Hz, 1H), 5.31 (q,J=7.2 Hz, 1H), 4.27～4.21 (m, 3H), 4.00～3.98 (m, 1H),2.96～2.91 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.09～2.07 (m,1H), 1.83～1.81 (m, 1H), 1.62 (d,J=7.2 Hz, 3H),1.58～1.47 (m, 3H), 1.29 (t,J= 7.2 Hz, 3H)。

1-乙氧基-2-甲基-1-氧丙烷-2-基 2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-11)：黃色黏液，收率 22%；1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ(ppm): 7.89 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.36 (d,J=9.6 Hz, 1H), 4.27～4.20 (m, 3H), 4.01～3.98 (m, 1H),2.95～2.92 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.10～2.07 (m,1H), 1.83～1.81 (m, 1H), 1.69(s, 6H), 1.61～1.47 (m,3H), 1.26 (t,J=4.2 Hz, 3H)。

1.5 除草活性的測(cè)試

按設(shè)計(jì)劑量，分別稱取1～8 mg供試樣品于稱量瓶中，加入1 mL丙酮使其充分溶解，然后加入含有1‰吐溫80的靜置自來水，攪拌均勻后得到所需濃度的樣品溶液。以丙酮/水(1/3，含1‰吐溫80)的處理作為空白對(duì)照。

將定量的苘麻種子分別播種于直徑為 7 cm的裝有營(yíng)養(yǎng)土的紙杯中，播后覆土1 cm。種子發(fā)芽并生長(zhǎng) 10～21 d，是處理前具有一系列生育階段的試材。然后選擇大小、生育階段一致的試材，于 2～3葉期進(jìn)行處理，處理后置于溫室并澆水。試驗(yàn)用Airbrush噴霧機(jī)進(jìn)行處理(噴液量100 mL/m2)。試驗(yàn)設(shè)3次重復(fù)。處理后置于溫室按常規(guī)方法培養(yǎng)，定期觀察苘麻的生長(zhǎng)發(fā)育情況。于處理后15 d目測(cè)調(diào)查供試藥劑對(duì)苘麻的抑制生長(zhǎng)效果，0為無抑制，100%為完全抑制。結(jié)果見表1。

表1 哌啶并咪唑啉二酮類化合物的結(jié)構(gòu)及除草活性

續(xù)表1

2 結(jié)果與討論

根據(jù)表1中哌啶并咪唑啉二酮類化合物的結(jié)構(gòu)及其對(duì)苘麻的抑制活性分析，得出如下構(gòu)效關(guān)系：苯環(huán)5-位氧乙基化合物(化合物I-1、I-6)有較高的除草活性，在 9.375 g/hm2劑量下與先導(dǎo)化合物(a)相當(dāng)，繼續(xù)延長(zhǎng)鏈(化合物I-2、I-7)后除草活性降低，說明增加側(cè)鏈長(zhǎng)度會(huì)使除草活性降低。

在側(cè)鏈中引入甲基的支鏈化合物，其除草活性與甲基數(shù)量相關(guān)，當(dāng)引入 1個(gè)甲基時(shí)(化合物 I-3、I-8)，化合物表現(xiàn)出中等強(qiáng)度的除草活性，引入第2個(gè)甲基形成偕甲基化合物時(shí)(化合物I-11)，化合物表現(xiàn)出較高的除草活性，在側(cè)鏈中引入支鏈會(huì)增加除草活性，可能與占據(jù)靶點(diǎn)附近小的疏水口袋相關(guān)。

在側(cè)鏈中引入手性碳后，對(duì)映異構(gòu)體(化合物I-4 vs化合物I-5；化合物I-9 vs化合物I-10)之間的活性無顯著差異。說明手性側(cè)鏈對(duì)除草活性影響較小。

在2.3 g/hm2劑量下，化合物I-1、I-6、I-11比先導(dǎo)化合物a的除草活性均低，說明炔丙氧基對(duì)保持高除草活性有利。

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)合成了 11個(gè)哌啶并咪唑啉二酮類化合物，研究了苯環(huán)5-位取代基變化對(duì)除草活性的影響。當(dāng)苯環(huán)5-位為乙氧基或乙氧羰基時(shí)，除草活性較好?；衔颕-1和化合物I-6在9.375 g/hm2劑量下，對(duì)苘麻生長(zhǎng)抑制率為 100%。當(dāng)苯環(huán) 5-位為空間位阻較大的取代基時(shí)，除草活性較差。

本研究結(jié)果表明：當(dāng)把苯環(huán)上的炔丙基變化為取代烷基后，除草活性降低。本文后續(xù)的研究重點(diǎn)將在以炔丙基和乙基為先導(dǎo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行新化合物的設(shè)計(jì)與合成，以發(fā)現(xiàn)更高除草活性的化合物。