新穎除草劑苯并噁唑類

張翼翾 編譯

(上海市農(nóng)藥研究所，上海 200032)

已知芳香雜環(huán)化合物有廣譜的生物活性。在雜環(huán)類化合物中，苯并噁唑骨架是數(shù)個(gè)天然產(chǎn)品和許多合成藥物的組成部分(圖1)。

苯并噁唑衍生物已被用于醫(yī)藥，許多化合物具有抗病毒、抗真菌、抗細(xì)菌和抗癌等化學(xué)治療活性。由此，苯并噁唑衍生物被認(rèn)為是能結(jié)合多個(gè)靶標(biāo)的優(yōu)勢骨架，是藥物設(shè)計(jì)的新的骨架基礎(chǔ)。

一般在催化劑、酸性條件和高溫下，羧酸衍生物和2-氨基苯酚偶聯(lián)合成2-位被取代的苯并噁唑。相比之下，許多方法為 2-氨基苯酚和醛發(fā)生縮合反應(yīng)，隨后發(fā)生氧化反應(yīng)。為了發(fā)現(xiàn)環(huán)境友好，條件溫和和簡單的合成方法，筆者最近開發(fā)了1,1-雙-甲基硫烷基-2-硝基乙烯(1)和 2-氨基苯酚(2)發(fā)生雙乙烯取代合成法。

苯并噁唑衍生物具有低的細(xì)胞毒性和簡便合成法，在醫(yī)藥化學(xué)被廣泛使用，但在農(nóng)化研究中的潛在用途還沒有受到較多關(guān)注。

芳氧苯氧丙酸衍生物屬于含有苯并噁唑取代基的一類除草劑，如fenoxiprop和噁唑酰草胺(metamifop)。然而，這些取代基對化合物的活性不重要，如具有相同水平活性的沒有苯并噁唑基團(tuán)的 haloxyfop和fluazifop (圖 2)。

Dietrich等人合成和評估了300個(gè)苯并噁唑基氨基-1,3,5-三嗪的除草活性。他們研究了苯并噁唑基團(tuán)作為已知的除草劑1,3,5-三嗪的取代基的作用。此研究是受到 Giencke等人的專利的啟發(fā)而進(jìn)行，Giencke等人的專利表明含有苯并噁唑基團(tuán)的一些2,4-二氨基-1,3,5-三嗪具有除草活性。

圖1 含有苯并噁唑雜環(huán)的藥物和天然產(chǎn)品例：suvorexant、boxazomycins A和calcimycin

圖2 商業(yè)化除草劑和苯并噁唑衍生物

最近，F(xiàn)ukude等人申請的專利表明含有芳基和雜芳基的2-取代苯并噁唑具有除草活性，但作用機(jī)制未確定。

在本研究中，筆者合成了一系列2-取代的苯并噁唑(3)，評估了它們對數(shù)種作物的毒性和構(gòu)效關(guān)系。

1 材料和方法

1.1 試劑和儀器

試劑和溶劑在用前沒有進(jìn)行純化。用具有紅外傳感器的安東帕Monoware200單模微波合成儀輔助合成。用快速柱色譜對所有測試化合物進(jìn)行純化，用氣相色譜柱(GC)和核磁共振儀(NMR)測定它們的純度。用 Bruker ARX-400(分別為 400、100 MHz)測定1H和13C NMR譜。用Shimadzu GCMS-QP5000測定質(zhì)譜。

1.2 合成步驟

在玻璃管中加入硝基乙烯1 (165 mg 1.0 mmol)、2-氨基醇(1.0 mmol)和乙醇(4 mL)，密封，在 110 ℃安東帕Monowave 200微波合成儀中被照射60 min。用快速柱色譜以二氯甲烷為洗脫液純化得到的2-硝基甲基苯并噁唑。

2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑(3a)：1H NMR (400 MHz，CDCl3)：δ 5.83 (s, 2H), 7.42-7.50 (m, 2H), 7.61-7.64 (m, 1H), 7.82-7.85(m, 1H)。13C NMR (100 MHz,CDCl3): δ 71.67, 111.25, 121.10, 125.32, 126.86,140.66, 151.39, 153.98。GC-MS (70 eV) m/z (%): 178(M+, 2), 132 (100), 104 (25), 77 (35)。

5-氯-2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑(3b):1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ 5.81 (s, 2H), 7.44 (dd, 1H, J 8.49,2.12), 7.54 (dd, 1H, J 8.49), 7.80(d, 1H, J 2.12)。13C NMR(100 MHz, CDCl3): δ 71.48, 112.07, 121.04, 127.34,130.97, 141.67, 149.90, 155.26。GC-MS (70 eV) m/z (%):212 (M+, 5), 166 (100), 138 (25), 102 (45), 63 (40)。

5-甲基-2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑(3c):1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ 2.50 (s, 3H), 5.78 (s, 2H), 7.25-7.29 (m, 1H), 7.47 (d, 1H, J 8.37), 7.57-7.60 (m,1H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 21.48, 71.70,110.58, 120.82, 128.06, 135.32, 140.84, 153.95, 153.97。

4-甲基-2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑(3d)：1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ 2.64 (s, 3H), 5.80 (s, 2H), 7.21(d, 1H, J 7.51), 7.38-7.34 (dd, 1H, J 7.51, 8.07), 7.41(d, 1H, J 8.07)。13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 16.42,71.69, 108.46, 125.74, 126.55, 131.71, 139.99, 151.19,153.15。GC-MS (70 eV) m/z (%): 192 (M+, 3), 146(100), 117 (18), 91 (32)。

2-(硝基亞甲基)噁唑烷(5)：1H NMR (400 MHz，DMSO-d6)：δ 3.14-3.56 (m, 4H), 6.53 (s, 1H)。13C NMR(100 MHz, DMSO-d6): δ 44.71, 59.92, 97.69, 156.75。

在25 °C，氫氣氣氛下(1 atm)，把2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑3a的懸浮液(178.15 mg,1.0 mmol)、10%鈀碳催化劑[17.82 mg，是底物的10% (重量比)]加入甲醇(10 mL)中攪拌。反應(yīng)2 h后，在真空過濾，濃縮反應(yīng)混和液。以二氯甲烷為洗脫液用硅膠柱色譜純化粗產(chǎn)物。

苯并噁唑-2-基甲胺(6):1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ 4.39 (s, 2H), 7.30-7.35 (m, 2H), 7.50-7.52 (m, 1H), 7.68-7.72 (m, 1H)。13C NMR (100 MHz，CDCl3): δ 51.62，111.10, 120.43, 124.96，125.59，141.22，151.21，164.14。

2 生 測

把 20顆洋蔥或番茄種子放置于皮氏培養(yǎng)皿(直徑9 cm)中，在培養(yǎng)皿中加入5 mL的試驗(yàn)溶液。每個(gè)濃度重復(fù)3次。把培養(yǎng)皿放置于25 °C黑暗條件下。黃瓜和高粱的種子比其他的大，其根和芽大。因此，在直徑為9 cm的培養(yǎng)皿中它們的發(fā)育會(huì)受到阻礙，故把20顆黃瓜或高粱種子放置于直徑15 cm的培養(yǎng)皿中，加入8 mL的試驗(yàn)溶液，在25 °C黑暗條件下培養(yǎng)6 d。

稱重化合物3a-d、5、6和精異丙甲草胺，然后溶解于二甲基亞砜(DMSO)中，用蒸餾水稀釋制備為30 mL 含有0.3% (v/v) DMSO的水溶液。其中一半的溶液用于生測，另一半用含有 0.3% (v/v) DMSO的15 mL蒸餾水稀釋，制備為濃度更低的溶液。0.3%DMSO (v/v)水溶液用于陰性對照，芽前處理商業(yè)化除草劑Dual (精異丙甲草胺)為陽性對照。生測所用溶液的濃度有1 000、500、250、125、50 μM。在種子發(fā)芽后，對其進(jìn)行數(shù)碼攝影和測量。以柱狀圖形表示各處理與對照的百分比差異(圖3-10)。零代表對照，正值表示處理有刺激生長作用，負(fù)值表示有抑制作用。

3 結(jié)果和討論

3.1 合成

用文獻(xiàn)介紹的合成路線，在微波照射下1,1-雙-甲基硫烷基-2-硝基乙烯1和2-氨基苯酚2發(fā)生雙乙烯取代生成了 2-硝基甲基苯并噁唑 3a-d。用硅膠柱色譜純化化合物3a-3d，通過1H NMR譜中芳香族氫信號的出現(xiàn)和甲基硫烷基氫信號的缺少輕易地確定了化合物3a-3d (圖3)。

圖3 雙乙烯取代法合成苯并噁唑衍生物

在研究雜環(huán)化合物中苯型部分的作用時(shí)，筆者測試了噁唑烷 5。以 2-氨基乙醇為雙乙烯取代反應(yīng)的親核試劑，用相同的方法合成了2-硝基亞甲基噁唑烷5。在過濾后，通過1H NMR中δ 6.53 ppm處烯基氫信號的存在和甲基硫烷基氫信號的缺少，確定了噁唑烷5的形成(圖4)。

圖4 2-硝基亞甲基-噁唑烷的合成

苯并噁唑3a的硝基基團(tuán)在氫氣氣氛中鈀碳催化下被還原為苯并噁唑基-2-基甲胺6。與起始物3a相比，化合物6的亞甲基基團(tuán)的碳和氫分別為13C和1H NMR譜的高磁場域，這是化合物發(fā)生轉(zhuǎn)變的一個(gè)重要證據(jù)(圖5)。

圖5 苯并噁唑基-2-基-甲胺的合成

3.2 生物活性

3.2.1 番茄(圖6和7)

測試的所有 2-硝基甲基苯并噁唑(3a-3d)具有高的植物毒性，要高于精異丙甲草胺?；钚宰罡叩幕衔餅?b，1 000、500 μM時(shí)對地上部分和根的生長有100%抑制作用。硝基基團(tuán)好像對活性重要，因?yàn)榛衔?的活性比3a-3d的低。噁唑烷5具有完全不同的活性方式，促進(jìn)植物地上部分和根的生長。由此筆者認(rèn)為苯型環(huán)對化合物對番茄種子的植物毒性很重要。

3.2.2 洋蔥(圖8和9)

化合物3a和3c的活性與精異丙甲草胺相似，但化合物3b和3d具有較高的植物毒性，1 000 μM時(shí)100%抑制地上部分和根的生長?；衔?的活性比硝基甲基苯并噁唑和精異丙甲草胺的低，這表明硝基對化合物活性的重要性。噁唑烷化合物5呈現(xiàn)出不同的活性方式——刺激根的生長。

圖6 與精異丙甲草胺處理相比各濃度處理番茄的芽長度(值為與對照的百分比差異)

圖7 與精異丙甲草胺處理相比各濃度處理番茄的根長度(值為與對照的百分比差異)

3.2.3 黃瓜(圖10和11)

化合物3a和3c的活性低于精異丙甲草胺。然而，化合物3b和3d對芽和根生長的抑制活性高于精異丙甲草胺?；衔?b活性最高，在1 000 μM時(shí)對根有100%的抑制作用，對芽的生長抑制作用約90%，而還原產(chǎn)物苯并噁唑6沒有相關(guān)的抑制作用。然而，噁唑烷5對根的生長有較大的促進(jìn)作用。

3.2.4 高粱(圖12和13)

化合物3a和3b比精異丙甲草胺的抑制活性高，但令人驚奇的是活性最高的化合物為衍生物 6?；衔?比商業(yè)除草劑對根和芽有更高的抑制作用。而噁唑烷5沒有植物毒性活性。

圖8 與精異丙甲草胺處理相比各濃度處理洋蔥的芽長度(值為與對照的百分比差異)

圖9 與精異丙甲草胺處理相比各濃度處理洋蔥的根長度(值為與對照的百分比差異)

圖10 與精異丙甲草胺處理相比各濃度處理黃瓜的芽長度(值為與對照的百分比差異)

圖11 與精異丙甲草胺處理相比各濃度處理黃瓜的根長度(值為與對照的百分比差異)

圖12 與精異丙甲草胺處理相比各濃度處理高粱的芽長度(值為與對照的百分比差異)

圖13 與精異丙甲草胺處理相比各濃度處理高粱的根長度(值為與對照的百分比差異)

4 總 結(jié)

對 1,1-雙甲基硫烷基-2-硝基乙烯進(jìn)行雙乙烯取代，生成4個(gè)2-硝基甲基苯并噁唑衍生物(3a-d)，并評估了這些化合物對洋蔥、番茄、黃瓜和高粱的潛在植物毒性。

噁唑烷5是通過雙乙烯取代合成，并研究了其構(gòu)效關(guān)系?；衔?a的硝基被還原產(chǎn)生苯并噁唑6。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)所有化合物對種子的發(fā)芽具有活性。化合物3b對4個(gè)試驗(yàn)植物品種的活性高于精異丙甲草胺(商業(yè)化除草劑 Dual)，對洋蔥、番茄和黃瓜種子發(fā)芽有100%的抑制作用?；衔?對高粱的活性最高，高于精異丙甲草胺。與此形成對比的是，化合物5對所有試驗(yàn)品種具有刺激作用。

筆者認(rèn)為苯并噁唑是一類具有較大潛力開發(fā)為新穎除草劑的化合物。