除草化合物1-雜環(huán)基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的 構(gòu)效關(guān)系研究

李 斌，劉 克，吳鴻飛，于海波，楊輝斌，白麗萍，崔東亮，滿 灜，張珂良， 相 東，劉振龍，王世輝，柏再蘇，王大翔，徐基東，楊華錚

(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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110021)

1969 年，羅納普朗克公司成功研發(fā)出的噁草酮，在240～7 500 g/hm2的劑量下，可防除水稻及果蔬田中的禾本科雜草及闊葉雜草。噁草酮通過抑制原卟啉原氧化酶的活性，阻礙原卟啉原IX 和原卟啉原氧化酶結(jié)合，使生成原卟啉IX 的反應(yīng)減慢。累積的原卟啉原IX 從葉綠體滲透到細(xì)胞質(zhì)中，經(jīng)其他途徑氧化為原卟啉IX。在光作用下，原卟啉IX 將分子氧氧化為單態(tài)氧，引起類脂的過氧化，使雜草死亡。

原卟啉原氧化酶抑制劑對哺乳動物等非靶標(biāo)生物安全。該類除草劑由于作用快、對下茬作物藥害較小，引起了許多新除草劑創(chuàng)制研究機(jī)構(gòu)的重視。截止2000 年，大約有1 000 件具有除草活性的1-雜環(huán)基-2,4,5-四取代苯類化合物的專利公開，其中許多化合物具有很高的除草活性，在7.5～60 g/hm2的劑量下，就可以控制多種雜草，近20 個化合物進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化開發(fā)階段。然而，由于該類除草劑的選擇性較差，施用前期作物顯示有一定的藥害癥狀，其市場表現(xiàn)不是很好。

2010 年以來，由于多種雜草對滅生性除草劑草甘膦產(chǎn)生了抗性，以及百草枯的禁限用，原卟啉原氧化酶抑制劑類除草劑在非選擇性除草劑市場上的應(yīng)用日益擴(kuò)大。關(guān)于此類除草劑的創(chuàng)制，又重新引起了研究機(jī)構(gòu)的興趣[1]。

筆者課題組從1995 年開始進(jìn)行新型原卟啉原氧化酶抑制劑類化合物的設(shè)計與合成，部分研究結(jié)果進(jìn)行了專利申請并已公開。然而，關(guān)于其結(jié)構(gòu)與除草活性關(guān)系的研究，尚未進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)。

通過分析已公開的專利及發(fā)表的論文，發(fā)現(xiàn)許多高除草活性的1-雜環(huán)基-2,4,5-四取代苯類化合物，其2-位取代大多為氟，4-位取代大多為氯，5-位取代大多為炔丙氧基。本文選取闊葉雜草苘麻為靶標(biāo)，對本課題組前期合成的1-雜環(huán)基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯類化合物進(jìn)行抑制苘麻生長的活性測試，總結(jié)其構(gòu)效關(guān)系，以期為后續(xù)的分子設(shè)計提供指導(dǎo)?；衔锏慕Y(jié)構(gòu)通式如下：

圖1 1-雜環(huán)基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的結(jié)構(gòu)

Q 為多種雜環(huán)基團(tuán)，具體結(jié)構(gòu)列于表1 中。

1 試驗(yàn)部分

1.1 儀器

Impact 400 紅外光譜儀(KBr 壓片，美國尼高力儀器公司)；Mercury 300 核磁共振儀(TMS 為內(nèi)標(biāo)，美國瓦里安公司)；MD 800 氣質(zhì)聯(lián)用儀(英國VG 質(zhì)譜儀公司)；VG ZAB-HS 質(zhì)譜儀、MOD-1106 型元素分析儀(意大利Carlo Erba 公司)；X4 型顯微熔點(diǎn)儀(北京第三光學(xué)儀器廠)，溫度計未經(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 cm×10 cm，浙江省臺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 試驗(yàn)方法

1.3.1 4-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-3，5-嗎啡啉二酮的合成

按文獻(xiàn)[2]，以市購的2-氯-4-氟-5-硝基苯酚為起始原料，以N,N-二甲基甲酰胺為溶劑，在1.2 當(dāng)量碳酸鉀存在下，與炔丙基溴反應(yīng)制備出2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯胺。

室溫下將1,4-二氧雜六環(huán)-2,6-二酮(0.6 g, 5.0 mmol)加到二氯甲烷(20 mL)中，攪拌5 min，未全溶，加入2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯胺(0.9 g, 4.5 mmol)。繼續(xù)攪拌8 h，層析硅膠(GF245)薄板檢測(乙酸乙酯/石油醚=1/3)監(jiān)測至無苯胺，減壓除盡溶劑，得到固體單酸。將乙酸酐(20 mL)加入到上述單酸中，加入無水乙酸鈉(0.01 g, 0.1 mmol)，加熱回流5 h，將反應(yīng)混合液中的溶劑減壓蒸干，在殘余物中加入乙酸乙酯(100 mL)，有機(jī)相用水洗2 次(2×50 mL)，飽和食鹽水(50 mL)洗1 次后，無水硫酸鎂干燥，將有機(jī)相減壓濃縮后得固體，用乙酸乙酯/石油醚=1/2 重結(jié)晶得目標(biāo)物。

白色固體，熔點(diǎn)：189～190 ℃，收率64%(以2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯胺計)。

IR (KBr, cm-1): 3 270 (m), 2 150 (w, C*C), 1 700 (s, C=O), 1 500 (s), 830 (m).1H NMR (CDCl3, δ): 2.581 (t, J = 2.4 Hz, 1H), 4.549 (s, 4H), 4.753 (d, J = 2.4 Hz, 2H), 6.937 (d, J = 6.3 Hz, 1H), 7.315 (d, J = 9.0 Hz, 1H); Anal. Calcd. for C13H9ClFNO4: C, 52.46; H, 3.05; N, 4.71. Found: C, 52.39; H, 3.20; N, 4.62.

1.3.2 1，2-二甲基-4-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-1，2，4-四氫三嗪-3，5-二酮的合成

將三乙胺(22.0 mmol)加到1,2-二甲基肼二鹽酸鹽(22.0 mmo)與二氯甲烷(50 mL)形成的溶液中，攪拌5 min，滴加1-溴乙酰氨基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯(3.2 g, 10.0 mmol)與二氯甲烷(10 mL)形成的溶液，繼續(xù)攪拌3 h，蒸盡溶劑，殘余物溶于乙酸乙酯(200 mL)，分別用2 N 鹽酸(100 mL)、水(100 mL)、飽和碳酸氫鈉溶液(100 mL)、飽和氯化鈉溶液(100 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥有機(jī)相，減壓蒸盡溶劑，得到1-二甲基肼基乙酰氨基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯。

把上步產(chǎn)品(0.3 g, 1.0 mmol)加入到光氣(0.6 g, 20%甲苯溶液, 1.2 mmol)與二氯甲烷(10 mL)形成的溶液中，攪拌20 min，滴加三乙胺(2.4 mmol)與二氯甲烷(5 mL)形成的溶液于上述溶液中，攪拌2 h，蒸盡溶劑，殘余物溶于乙酸乙酯(100 mL)，分別用2 N鹽酸(50 mL)、水(50 mL)、飽和碳酸氫鈉溶液(50 mL)、飽和氯化鈉溶液(50 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥有機(jī)相，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)，得到黃色半固狀物0.2 g，收率56%。

1H NMR (CDCl3, δ): 2.579 (t, J =2.4 Hz, 1H), 2.778 (s, 3H), 3.191 (s, 3H), 3.852 (dd, J = 60.0 Hz, 18.0 Hz, 4H), 7.000 (d, J =6.0 Hz, 1H), 7.300 (d, J =9.0 Hz, 1H)。

參考上述操作，根據(jù)相應(yīng)文獻(xiàn)報道的方法，可以制得其他目標(biāo)化合物1-雜環(huán)基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯。目標(biāo)物可以進(jìn)一步經(jīng)過快速硅膠柱層析提純，淋洗液為乙酸乙酯/石油醚(比例為1/10～1/1)，或者用適當(dāng)?shù)娜軇┻M(jìn)行重結(jié)晶提純。目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)均經(jīng)過核磁共振氫譜分析確認(rèn)，部分目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)進(jìn)一步經(jīng)過紅外光譜、質(zhì)譜或元素分析證實(shí)。

目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)、熔點(diǎn)、制備方法文獻(xiàn)見表1。

1.3.3 除草活性的測試

按設(shè)計劑量，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)的處理作為空白對照。

表1 1-雜環(huán)基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的結(jié)構(gòu)及除草活性

續(xù)表1

續(xù)表1

將定量的苘麻種子分別播種于直徑為7 cm 的裝有營養(yǎng)土的紙杯中，播后覆土1 cm。種子發(fā)芽并生長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發(fā)育情況。于處理后15 d 目測調(diào)查供試藥劑對苘麻的抑制生長效果，0 為無抑制，100%為完全抑制(表1)。

圖2 1-雜環(huán)基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的合成路線

2 結(jié)果與討論

將30 g/hm2及以下施用劑量，對苘麻生長抑制率大于90%的化合物，定義為高活性化合物；將600 g/hm2及以下施用劑量，對苘麻抑制率大于90%的化合物，定義為中等活性化合物；其他為低活性化合物。

根據(jù)表1 中1-雜環(huán)基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的結(jié)構(gòu)及其對苘麻的抑制活性分析，得出如圖3所示的構(gòu)效關(guān)系。

圖3 構(gòu)效關(guān)系

當(dāng)雜環(huán)由4,5,6,7-四氫異吲哚-1,3(2H)-二酮(化合物I-3)變?yōu)?a,4,7,7a-順式四氫異吲哚-1,3(2H)-二酮(化合物I-5)時，化合物除草活性大大降低。這說明較為平坦的雜環(huán)結(jié)構(gòu)，對保持高的除草活性有利。

高活性化合物的六元雜環(huán)并上苯環(huán)或其他芳環(huán)(化合物I-16、I-22)后，除草活性降低，說明較大的雜環(huán)對除草活性的提高不利。與苯環(huán)相連原子對位的碳原子被含孤電子對的氮或氧原子取代(化合物I-25、I-27)后，除草活性大大降低。推測苯環(huán)相連原子對位的原子不能為氫鍵受體。

3 結(jié) 論

本文合成了28 個含1～3 個氮或氧雜環(huán)的1-雜環(huán)基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯，測試了這些化合物對苘麻生長的抑制活性。發(fā)現(xiàn)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(化合物I-3)、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(化合物I-9)、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(化合物I-11)、1-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-哌啶-2,6-二酮(化合物I-14)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(化合物I-21)的除草活性較高。除草化合物1-雜環(huán)基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的構(gòu)效關(guān)系研究，有望對新型PPO 抑制劑的分子設(shè)計提供參考。