新型香豆素衍生物的設(shè)計(jì)、合成及除草活性研究

丁建芬, 劉 莉, 夏 梅, 仰榴青, 張 敏

(江蘇大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

香豆素是一類含有苯并α-吡喃酮結(jié)構(gòu)的重要有機(jī)雜環(huán)化合物。香豆素類化合物在自然界廣泛存在，具有多種生物活性，如抗菌[1-3]、抗癌[4-6]、抗炎[7]、降血糖[8]、抗氧化[9]、抗腫瘤[10]、抗凝血[11]、殺蟲[12]、除草[13-14]以及促進(jìn)植物生長[15-16]等生物活性，在醫(yī)藥、食品和農(nóng)藥等領(lǐng)域顯示出良好的研究價(jià)值。在農(nóng)業(yè)上，香豆素類化合物可調(diào)控植物的生長過程。近年來有關(guān)香豆素類化合物的除草活性研究時(shí)有報(bào)道，Apostolakos等[17]研究發(fā)現(xiàn)香豆素可以抑制植物體內(nèi)纖維素的合成，對(duì)稗草(Echinochloa crusgalli)和鬼針草(Bidens bipinnata)具有一定的抑制作用。劉斌等[18]以香豆素為模板，設(shè)計(jì)合成了3-苯甲?；?4-羥基香豆素衍生物，其對(duì)雙子葉植物油菜具有良好的抑制效果。由此可見，設(shè)計(jì)合成新的香豆素衍生物對(duì)發(fā)現(xiàn)高除草活性的先導(dǎo)化合物具有十分重要的意義。

本論文擬采用活性片段拼接原理，將芳氧羧酸類除草劑的活性結(jié)構(gòu)(芳氧乙(丙)酰氧基)引入到香豆素中以提高化合物的脂溶性[19]，進(jìn)而增強(qiáng)化合物的生物活性。以(未)取代的間苯二酚和β-酮酸酯類化合物為原料，在濃H2SO4的催化下發(fā)生Pechmann反應(yīng)得到中間體7-羥基香豆素衍生物(1a～1d)，再與芳氧乙(丙)酰氯進(jìn)行親核取代反應(yīng)，合成目標(biāo)化合物7-芳氧乙酰氧基香豆素衍生物(2a～2h; Scheme 1)，結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR、13C NMR和元素分析表征，并對(duì)目標(biāo)化合物的除草活性進(jìn)行研究。

1.1 儀器與試劑

XT型數(shù)字顯微熔點(diǎn)測定儀；ZF-I 型三用紫外分析儀；Brucker Avance AM 400 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6或CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；EA-1112A型元素分析儀。

2,4-二氯苯氧乙(丙)酰氯按照文獻(xiàn)[20]方法合成；其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1)1a～1d的合成通法[21]

先向圓底燒瓶中加入5 mmol(未)取代的間苯二酚和濃硫酸，攪拌使間苯二酚類化合物完全溶解，冰浴，控制反應(yīng)溫度在0 ℃左右。然后將5 mmolβ-酮酸酯類化合物緩慢滴加至上述反應(yīng)液中，升至室溫，反應(yīng)24 h。將反應(yīng)液倒入大量的碎冰水(冰/水=200 g/100 g)中，待有白色沉淀生成后，于冰箱中放置6 h，抽濾，濾餅用水洗滌至pH=7，干燥，用乙醇和水的混合溶液(乙醇/水= 8/1,V/V)對(duì)其進(jìn)行重結(jié)晶得7-羥基香豆素衍生物(1a～1d)。

4-甲基-7-羥基香豆素(1a)： 白色固體，收率81.2%, m.p.211～213 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 7.58(dd,J=8.8 Hz, 1.2 Hz, 1H, ArH), 6.80(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.71(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 6.12(s, 1H, ArH), 4.59(brs, 1H, OH), 2.36(s, 3H, CH3); Anal.Calcd for C10H8O3: C 68.18, H 4.58, found C 67.93, H 4.73。

4,5-二甲基-7-羥基香豆素(1b)： 白色固體，收率78.2%, m.p.251～253 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 10.53(s, 1H, OH), 6.69～6.52(m, 2H, ArH), 6.05(s, 1H, ArH), 2.54(s, 3H, CH3), 2.28(s, 3H, CH3); Anal.Calcd for C11H10O3: C 69.46, H 5.30, found C 69.27, H 5.07。

8-甲基-4-三氟甲基-7-羥基香豆素(1c)： 白色固體，收率78.1%, m.p.255～256 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 10.88(s, 1H, OH), 7.42(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.97(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.73(s, 1H, ArH), 2.17(s, 3H, CH3); Anal.Calcd for C11H7OF3: C 54.11, H 2.89, found C 53.90, H 3.04。

4-氯甲基-7-羥基香豆素(1d)： 白色固體，收率80.9%, m.p.211～213 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 7.67(dd,J=8.8 Hz, 1.2 Hz, 1H, ArH), 6.85(dd,J=8.4 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.76(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 6.42(s, 1H, ArH), 4.95(s, 2H, CH2), 4.12(brs, 1H, OH); Anal.Calcd for C10H7O3Cl: C 57.03, H 3.35, found C 57.24, H 3.23。

(2)2a～2h的合成通法

先將1.0 mmol 7-羥基香豆素衍生物加入到盛有1.5 mmol 2,4-二氯苯氧乙(丙)酰氯和5 mL CH2Cl2的溶液中，再將干燥的200 μL三乙胺慢慢加入到上述溶液中，室溫?cái)嚢?.5 h(TLC 檢測)。減壓除去溶劑，向反應(yīng)液中加入1%的NaHCO3溶液100 mL，過濾，濾餅用蒸餾水洗滌至pH中性，干燥，用乙酸乙酯和二氯甲烷的混合物溶液(乙酸乙酯/二氯甲烷= 1/5,V/V)重結(jié)晶得7-芳氧乙酰氧基香豆素衍生物(2a～2h)。

7-(2,4-二氯苯氧乙酰氧基)香豆素(2a)： 白色固體，收率83.3%, m.p.231～232 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 8.09(d,J=9.6 Hz, 1H, ArH), 7.81(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 7.63(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.44～7.31(m, 3H, ArH), 7.24(dd,J=8.4 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.50(d,J=9.6 Hz, 1H, ArH), 5.28(s, 2H, CH2);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6)δ: 166.8, 159.7, 154.1, 152.1, 152.0, 143.8, 129.6, 129.5, 128.1, 125.4, 122.4, 118.5, 117.1, 115.8, 115.4, 110.0, 65.5; Anal.Calcd for C17H10O5Cl2: C 55.92, H 2.76, found C 55.67, H 2.61。

4-甲基-7-(2,4-二氯苯氧乙酰氧基)香豆素(2b)： 白色固體，收率78.2%, m.p.239～240 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 7.87(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 7.68～7.56(m, 1H, ArH), 7.50～7.20(m, 4H, ArH), 6.42(s, 1H, ArH), 5.28(s, 2H, CH2), 2.45(s, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6)δ: 166.2, 160.5, 152.6, 152.2, 150.7, 130.6, 127.8, 127.7, 124.7, 122.4, 119.3, 118.2, 117.7, 115.2, 115.2, 114.6, 66.5, 18.9; Anal.Calcd for C18H12O5Cl2: C 57.02, H 3.19, found C 57.26, H 3.00。

4,5-二甲基-7-(2,4-二氯苯氧乙酰氧基)香豆素(2c)： 白色固體，收率81.2%, m.p.269～270 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.66～7.33(m, 2H, ArH), 7.32～7.16(m, 1H, ArH), 7.19～6.97(m, 1H, ArH), 6.74～6.03(m, 1H, ArH), 6.31(s, 1H, ArH), 5.03(s, 2H, CH2), 2.46(s, 3H, CH3), 2.29(s, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 166.2, 160.5, 152.6, 152.2, 150.7, 130.6, 127.8, 127.7, 124.7, 122.4, 119.3, 118.2, 117.7, 115.2, 115.2, 114.6, 66.5, 22.9, 20.0; Anal.Calcd for C19H14O5Cl2: C 58.03, H 3.59, found C 58.24, H 3.35。

8-甲基-4-三氟甲基-7-(2,4-二氯苯氧乙酰氧基)香豆素(2d)： 白色固體，收率76.9%, m.p.305～306 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.65(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 7.46(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.25(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 7.16(d,J=9.2 Hz, 1H, ArH), 6.95(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.83(s, 1H, ArH), 5.04(s, 2H, CH2), 2.31(s, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ:165.9, 158.4, 153.5, 152.1, 151.6, 141.5(q,J=35.3 Hz), 130.7, 127.9, 127.7, 124.7, 123.3(q,J=2.5 Hz), 122.7(q,J=273.5 Hz), 120.2 118.7, 115.4(q,J=5.6 Hz), 115.2, 111.8, 66.5, 9.3; Anal.Calcd for C19H11O5F3Cl2: C 51.03, H 2.48, found C 51.25, H 2.74。

4-甲基-7-(2-(2，4-二氯苯氧基)丙酰氧基)香豆素(2e)： 白色固體，收率86.5%, m.p.297～298 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.61(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 7.42(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.20(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 7.08(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.03(dd,J=8.4 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.94(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.28(d,J=1.2 Hz, 1H, ArH), 4.99(q,J=6.8 Hz, 1H, -CH), 2.43(s, 3H, CH3), 1.86(d,J=7.2 Hz, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 169.3, 160.2, 154.2, 152.4, 152.1, 151.7, 130.6, 127.9, 127.7, 125.6, 125.2, 118.3, 117.6, 116.8, 114.8, 110.1, 74.6, 18.7, 18.4; Anal.Calcd for C19H14O5Cl2: C 58.04, H 3.59, found C 58.23, H 3.47。

4-氯甲基-7-(2-(2，4-二氯苯氧基)丙酰氧基)香豆素(2f)： 白色固體，收率79.8%, m.p.299～300 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.69(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 7.43(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.20(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 7.14(d,J=2.0 Hz, 1H, ArH), 7.07(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.94(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 6.56(s, 1H, ArH), 5.00(q,J=6.8 Hz, 1H, CH), 4.65(s, 2H, CH2), 1.86(d,J=6.8 Hz, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 169.2, 159.7, 154.5, 152.7, 152.0, 149.0, 130.6, 128.0, 127.7, 125.30, 125.28, 117.9, 116.8, 115.7, 115.5, 110.6, 74.6, 41.1, 18.4; Anal.Calcd for C19H13O5Cl3: C 53.36, H 3.06, found C 53.10, H 3.29。

4,5-二甲基-7-(2-(2,4-二氯苯氧基)丙酰氧基)香豆素(2g)： 白色固體，收率72.5%, m.p.200～201 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.43(d,J=1.6 Hz, 1H, ArH), 7.22(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 7.06(s, 1H, ArH), 6.98(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.67(s, 1H, ArH), 6.15(s, 1H, ArH), 5.06(q,J=6.4 Hz, 1H, CH), 2.41(s, 3H, CH3), 2.38(s, 3H, CH3), 1.85(d,J=6.4 Hz, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 169.7, 159.8, 154.7, 151.8, 150.7, 147.2, 142.8, 130.7, 128.1, 127.7, 125.4, 119.6, 117.1, 116.03, 115.99, 111.3, 74.8, 22.9, 21.5, 18.0; Anal.Calcd for C20H16O5Cl2: C 58.99, H 3.96, found C 59.24, H 3.74。

8-甲基-4-三氟甲基-7-(2-(2,4-二氯苯氧基)丙酰氧基)香豆素(2h)： 白色固體，收率70.4%, m.p.139～140 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.60(dd,J=8.8 Hz, 1.6 Hz, 1H, ArH), 7.44(d,J=2.8 Hz, 1H, ArH), 7.21(dd,J=8.8 Hz, 2.8 Hz, 1H, ArH), 7.01(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.96(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.79(s, 1H, ArH), 5.05(q,J=6.8 Hz, 1H, CH), 2.22(s, 3H, CH3), 1.90(d,J=6.8 Hz, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 169.1, 158.4, 153.5, 152.0, 151.8, 141.4(q,J=32.7 Hz), 130.7, 128.0, 127.7, 125.3, 123.3(q,J=2.5 Hz), 121.4(q,J=273.5 Hz), 120.2, 118.6, 116.6, 115.3(q,J=5.7 Hz ), 111.7, 74.5, 18.5, 9.1; Anal.Calcd for C20H13O5F3Cl2: C 52.08, H 2.84, found C 52.32, H 2.56。

1.3 除草活性

首先采用對(duì)兩種不同的作用機(jī)制敏感的油菜平皿法和稗草小杯法[22]對(duì)化合物2a～2h進(jìn)行了初步的除草活性研究，測試濃度100 μg.mL-1和10 μg.mL-1，結(jié)果見表1。

采用溫室盆栽法[23]進(jìn)一步研究化合物的除草潛力，測試試材為雙子葉植物油菜和莧菜，單子葉植物稗草和馬唐，施藥量為50 g/畝。

土壤處理：在直徑8 cm的塑料杯中放入一定量的土和水，播種后鋪上一定厚度的土壤，噴一定量的待測化合物溶液，放入溫室環(huán)境中培養(yǎng)，幼苗出土前用塑料覆蓋，每天噴灑定量的清水以保持正常生長。以蒸餾水處理的作為空白對(duì)照，以2,4-D處理的作為陽性對(duì)照。24 d后調(diào)查結(jié)果，測定植物地上鮮重部分。與空白對(duì)照比較，以鮮重抑制百分?jǐn)?shù)作為評(píng)價(jià)藥效指標(biāo)，結(jié)果見表2。

莖葉處理：幼苗長到一定時(shí)期對(duì)其莖葉噴霧處理，處理24 d后調(diào)查結(jié)果，測定地上鮮重部分，其他操作均與土壤處理相同，結(jié)果見表2。

表2 化合物 2a～2h 的除草活性*

2 結(jié)果與討論

2.1 合成

目標(biāo)化合物2a～2h按照Scheme 1所示步驟合成，(未)取代的間苯二酚和β-酮酸酯類化合物在濃H2SO4催化下發(fā)生Pechmann縮合反應(yīng)生成7-羥基香豆素衍生物1a～1d，采用1H NMR和元素分析進(jìn)行了結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。芳氧乙(丙)酰氯與7-羥基香豆素進(jìn)行親核取代反應(yīng)，以三乙胺為縛酸劑，在室溫下反應(yīng)得到目標(biāo)化合物7-芳氧乙酰氧基香豆素衍生物2a～2h，該反應(yīng)必須控制在無水條件下，以防酰氯水解；后處理時(shí)加入1%的NaHCO3溶液，這一操作可以除去反應(yīng)物中酸性雜

2.2 除草活性

從表1數(shù)據(jù)可以看出，目標(biāo)化合物2a～2h在10 μg/mL和100 μg/mL時(shí)，對(duì)雙子葉植物油菜均有較高的抑制率(> 90%)，且對(duì)單子葉植物稗草也有一定的抑制率。

如化合物2a在10 μg/mL時(shí)對(duì)油菜根長和稗草株高的抑制率分別為96.7%和61.3%，與陽性對(duì)照藥2,4-D的效果相當(dāng)。從化合物的結(jié)構(gòu)看，當(dāng)R3相同時(shí)，R1基團(tuán)(H, CH3, CH2Cl和CF3)和R2基團(tuán)(H， CH3)的改變對(duì)油菜根長的抑制效果影響較小。根據(jù)芳氧羧酸類除草劑的典型結(jié)構(gòu)：芳氧乙酸類(R3=H)和芳氧丙酸類(R3=CH3)[24]， R3基團(tuán)為H和CH3。當(dāng)R1和R2相同時(shí)，R3基團(tuán)的改變，使化合物的除草活性發(fā)生了一定的變化；如在10 μg.mL-1時(shí)，R3=H的化合物2b～2d分別與R3=CH3的化合物2e、2g和2h相比，它們對(duì)油菜根長的抑制率基本相當(dāng)，但化合物2e、2g和2h對(duì)稗草株高的抑制率下降較多，這表明R3=CH3時(shí)，化合物對(duì)單子葉植物的抑制率降低。為了進(jìn)一步研究目標(biāo)化合物的除草潛力，還研究了目標(biāo)化合物的盆栽實(shí)驗(yàn)。

由表2可知，在50 g/畝時(shí)，不論是土壤處理還是莖葉處理化合物2a～2h對(duì)四種受試植物均有一定的防效，且在莖葉處理時(shí)，化合物2a～2e對(duì)雙子葉植物油菜和莧菜的防效尤為顯著，抑制率為100%，與陽性對(duì)照藥2,4-D的防效相當(dāng)。值得一提的是，莖葉處理時(shí)化合物2a對(duì)單子葉植物馬唐的抑制率為100%，與2,4-D相當(dāng)，均高于其它化合物對(duì)單子葉植物的防效。與莖葉處理相比，土壤處理時(shí)，化合物2c～2e對(duì)油菜和莧菜的防效有所下降，但對(duì)單子葉植物稗草和馬唐的防效有所提高，這表明目標(biāo)化合物對(duì)單雙子葉植物抑制的作用方式可能不同。另外，化合物2f,2g雖然對(duì)油菜根長有較強(qiáng)的抑制作用，但盆栽時(shí)不論是莖葉處理還是土壤處理，其對(duì)單、雙子葉的防效均不理想，這也說明了化合物的結(jié)構(gòu)對(duì)除草活性有顯著的影響。

采用Pechmann反應(yīng)合成了4個(gè)7-羥基香豆素衍生物，再與芳氧乙(丙)酰氯作用合成了8個(gè)新型的7-苯氧乙酰氧基香豆素衍生物(2a～2h)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR、13C NMR和元素分析表征。初步的除草活性結(jié)果顯示，部分目標(biāo)化合物對(duì)雙子葉植物有較高的防效，在50 g/畝時(shí)，化合物2a～2e對(duì)油菜、莧菜的抑制率達(dá)到100%，與商品化除草劑2,4-D相當(dāng)，具有作為先導(dǎo)化合物進(jìn)一步優(yōu)化的價(jià)值。