含大體積取代基的吡唑并三嗪酮類化合物的合成及除草活性

古 建, 李曉涵, 王楨學, 陳燁燁, 陳汐玥, 李華斌

(南開大學 化學學院，天津 300071)

研究表明，吡唑衍生物具有殺蟲[1-2]、抑菌[3-7]和除草[8-14]等多種生物活性。目前，已商品化的含吡唑的除草劑超過10種，如屬于原卟啉原IX氧化酶抑制劑的吡草醚和異丙吡草醚，主要用于谷物田除草[15-16]；同屬于芳?；吝蝾惓輨┑倪吝蛱亍⑵S草唑和吡草酮，為對羥苯基丙酮酸酯雙氧化酶抑制劑，具有內吸性，對哺乳動物的毒性極低[17-19]；同為磺酰脲類除草劑的吡嘧磺隆、氯吡嘧磺隆和四唑吡嘧磺隆[20-22]等，其結構雖然相近，但具有不同的適用作物和雜草防除范圍。

丙炔氟草胺 (flumioxazin) 是日本住友工業(yè)株式會社創(chuàng)制并開發(fā)的N-苯基鄰氨甲酰亞胺類除草劑，于播后苗前按有效成分60～90 g/hm2施用，對花生安全，對馬齒莧、反枝莧和藜等花生田等常見闊葉雜草均有顯著防治效果[23]。結合近年來吡唑類除草劑獲得廣泛應用的情況并參考其結構[24]，本課題組曾設計并合成了吡唑并三嗪酮類化合物(A，見圖式1)，該類化合物表現(xiàn)出很好的除草活性[25-26]。為了得到活性更高、性能更獨特的新化合物，筆者參考吡唑酰胺類除草劑 (B1和B2，圖式1) 的結構[27-28]，通過活性亞結構拼接法，設計了一類含大體積取代基的吡唑并三嗪酮類化合物 (4和4′，圖式1)，并對其進行了結構表征和初步的除草活性測試，以考察大體積取代基如取代苯基或取代芐基的引入能否提高化合物的除草活性，或者能否使化合物具備一些獨特的性能。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

X-4數(shù)字顯示顯微熔點測定儀 (鞏義市科瑞儀器有限公司)，溫度計未校正；BRUKER AVANCE-400 MHz型核磁共振儀 (BRUKER 公司)，以CDCl3或DMSO-d6為溶劑，TMS為內標；Varion 7.0T FTICR-MS, ESI-FTICR型質譜儀 (美國IONSPEC 公司)；柱層析硅膠為H型 (200～300 目)。4-炔丙基-6-氨基-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮，純度95%，購自南京天尊澤眾化學有限公司；其余試劑均為國產(chǎn)分析純，使用前未經(jīng)處理。

1.2 化合物的合成

1.2.1 目標化合物4a～4f的合成 合成路線如圖式2所示。

1.2.1.1 1-苯基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸 (1)的合成

按照文獻方法[29]制備1-取代苯基- 5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸。以R = H的化合物1a的制備方法為例：在500 mL圓底燒瓶中，加入9.25 g (40 mmol)1-苯基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸乙酯、15 mL四氫呋喃、45 mL無水甲醇和25 mL 3 mol/L的氫氧化鈉水溶液，加熱回流4 h。減壓脫去大部分溶劑，殘留液用6 mol/L的鹽酸酸化至pH = 1，出現(xiàn)乳白色沉淀。過濾，先用20 mL水洗滌，再用20 mL二氯甲烷洗滌，干燥得到白色固體8.10 g，收率99%，m.p. 243～244 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6),δ: 11.95 (s, 1H, COOH), 7.90 (s, 1H,Pyrazole-H), 6.62-6.45 (m, 5H, Ar-H), 6.40 (br, 2H,NH2).

采用同樣的方法合成了1b～1f，收率分別為：82%、91%、95%、87%和90%。

1.2.1.2 1-苯基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酰氯 (2) 的合成 在50 mL圓底燒瓶中，加入1.02 g (5 mmol)化合物1，冰鹽浴冷卻至0 ℃下，滴加10 mL二氯亞砜，滴畢，自然升溫至室溫，攪拌3 h。減壓抽掉二氯亞砜，得黃色固體1.11 g，產(chǎn)物未經(jīng)進一步純化直接用于下一步反應。

1.2.1.3 1-苯基-5-氨基-N-(3-氧-4-炔丙基-7-氟-3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]噁嗪基-6-)-1H-吡唑-4-甲酰胺 (3) 的合成 在50 mL圓底燒瓶中，加入0.24 g(1.1 mmol) 4-炔丙基-6-氨基-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮、6 mL二氯甲烷和1 mL吡啶，冰鹽浴冷卻至0 ℃以下，加入0.22 g (1 mmol)化合物2，自然升溫至室溫，薄層色譜 [TLC，V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 2 : 1] 監(jiān)測至反應終點。減壓脫去溶劑，殘留液用20 mL 1 mol/L的鹽酸洗滌，過濾，固體再用20 mL飽和碳酸氫鈉溶液洗滌，過濾，干燥得到灰白色固體0.31 g，收率為75%，m.p. 188～189 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3),δ: 8.25 (d, 1H,4JF-H= 7.2 Hz, Ar-H), 7.99(br, 1H, NH), 7.74 (s, 1H, pyrazole-H), 7.55-7.36 (m,5H, Ar-H), 6.85 (d, 1H,3JF-H= 10.6 Hz, Ar-H), 5.59(br, 2H, NH2), 4.73 (d, 2H,J= 1.7 Hz, NCH2), 4.63(s, 2H, OCH2), 2.29 (t, 1H,J= 1.8 Hz, ≡CH).

采用同樣的方法合成了3b～3f，收率分別為：55%、68%、73%、65%和77%。

1.2.1.4 3-(7-氟-4-炔丙基-3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]噁嗪基-6-)-7-苯基-3H-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-4(7H)-酮 (4a) 的合成 參考文獻方法制備[30]。在裝有機械攪拌的四口瓶中，加入0.40 g(1 mmol) 化合物3、1.2 mL甲醇和10 mL 6 mol/L的鹽酸，攪拌10 h，冰鹽浴冷卻至0 ℃以下，滴加0.22 g (3 mmol) 亞硝酸鈉水溶液，控溫在0 ℃以下，攪拌1.5 h。反應液用乙酸乙酯 (15 mL × 3)萃取，有機相用15 mL飽和食鹽水洗滌，收集有機相，無水硫酸鈉干燥。過濾，減壓脫去溶劑后，經(jīng)柱層析[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 3 : 1]分離，得到淡黃色固體0.29 g，收率為70%。

采用同樣的方法合成了目標化合物4b～4f。

1.2.2 目標化合物4g～4n及4′g～4′n的合成 合成路線如圖式3所示。

1.2.2.1 1-叔丁基-5-氨基-N-(7-氟-3-羰基-4-炔丙基-3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-6-基)-1H-吡唑-4-甲酰胺 (5) 的合成 參照文獻方法制備1-叔丁基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸[31]；然后，由1-叔丁基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸 (0.92 g) 制得酰氯，直接進行下一步取代反應。將2-甲基-4-炔丙基-6-氨基-7-氟-2H-苯并[b][1,4]-噁嗪-3(4H)-酮 (1.10 g，5 mmol) 溶于30 mL二氯甲烷并置于100 mL圓底燒瓶中，冰浴下滴加2 mL吡啶。將制得的酰氯用20 mL二氯甲烷溶解，分批滴加到該圓底燒瓶里。自然升溫至室溫，攪拌過夜。TLC[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 1 : 2]監(jiān)測至反應終點。旋轉蒸發(fā)除去溶劑，加入20 mL 1 mol/L的鹽酸除去吡啶。用乙酸乙酯 (15 mL × 3) 萃取，有機相經(jīng)無水硫酸鎂干燥后，過濾，旋轉蒸發(fā)除去溶劑。固體經(jīng)柱層析[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 1 : 2]分離，得褐色粉末1.35 g，兩步反應總產(chǎn)率70%，m.p. 170～172 ℃。1H NMR (400 MHz, CDCl3),δ: 8.15 (d, 1H,4JF-H=7.5 Hz, Ar-H), 7.51 (s, 1H, pyrazole-H), 7.33 (br, 1H,NH), 6.81 (d, 1H,3JF-H= 10.7 Hz, Ar-H), 5.54 (br,2H, NH2), 4.70 (d, 2H,J= 1.7 Hz, NCH2), 4.60 (s,2H, OCH2), 2.27 (t, 1H,J= 1.8 Hz, ≡CH), 1.64 (s,9H, CH3).

1.2.2.2 4-炔丙基-6-(7-叔丁基-4-羰基-4,7-二氫-3H-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-3-基)-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮 (6) 的合成 在50 mL圓底燒瓶中加入化合物5 (1.35 g, 3.52 mmol)、4 mL無水甲醇和17 mL 6 mol/L的鹽酸，攪拌過夜。取0.73 g亞硝酸鈉配制成飽和水溶液，采用冰鹽浴將反應體系冷卻至0 ℃以下，緩慢滴入亞硝酸鈉溶液，滴加完成后繼續(xù)攪拌約2 h。TLC[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) =1 : 2]監(jiān)測至反應終點。二氯甲烷(15 mL × 3) 萃取，無水硫酸鎂干燥，過濾，旋轉蒸發(fā)除去溶劑。用V(乙酸乙酯) :V(石油醚) =1:4 重結晶，得淺褐色固體粉末1.20 g，產(chǎn)率86%，m.p. 232～233 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3),δ: 8.20 (s, 1H, pyrazole-H), 7.29 (d, 1H,4JF-H=6.7 Hz, Ar-H), 6.98 (d, 1H,3JF-H= 9.7 Hz, Ar-H),4.73 (s, 2H, OCH2), 4.68 (d, 2H,J= 2.2 Hz, NCH2),2.28 (t, 1H,J= 2.1 Hz, ≡CH), 1.90 (s, 9H, C(CH3)3).

1.2.2.3 4-炔丙基-6-(4-羰基-4,7-二氫-3H-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-3-基)-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮 (7) 的合成 參考文獻方法制備[32]。將化合物6 (0.37 g, 0.93 mmol) 溶于10 mL三氟乙酸中，68 ℃水浴下進行反應，TLC[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 1 : 1] 監(jiān)測至反應終點。加入20 mL飽和碳酸氫鈉溶液中和，抽濾得固體。經(jīng)柱層析[V(二氯甲烷) :V(甲醇) = 10 : 1]分離，得到0.24 g白色固體，產(chǎn)率76%，m.p. 196 ℃(分解)。1H NMR(400 MHz, CDCl3),δ: 8.42 (s, 1H, pyrazole-H), 7.31(d, 1H,4JF-H= 6.7 Hz, Ar-H), 6.99 (d, 1H,3JF-H= 9.7 Hz, Ar-H), 4.75 (s, 2H, OCH2), 4.70 (d, 2H,J= 2.1 Hz, NCH2), 2.28 (t, 1H,J= 2.4 Hz, ≡CH).

1.2.2.4 4-炔丙基-6-(7-(3-氟芐基)-4-羰基-4,7-二氫-3H-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-3-基)-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮 (4g) 及其同分異構體 (4′g)的合成 將化合物7 (0.26 g, 0.75 mmol) 溶于N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)中，加入碳酸鉀 (0.08 g, 0.58 mmol)，然后在攪拌下滴加0.75 mmol 3-氟芐溴，常溫攪拌過夜。TLC[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) =2 : 1]監(jiān)測至反應終點。攪拌下將反應體系滴加到冰水中，用乙酸乙酯 (15 mL × 3) 萃取。有機相經(jīng)無水硫酸鎂干燥，過濾，旋轉蒸發(fā)除去溶劑。經(jīng)柱層析[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 2 : 1]分離，得到4g固體28 mg，產(chǎn)率8%；4′g固體192 mg，產(chǎn)率57%。

采用同樣的方法合成了目標化合物4h～4n和4′h～4′n。

1.3 除草活性測試方法

采用盆栽法測定目標化合物的除草活性[33]。將一定量目標化合物溶解在適量的N,N-二甲基甲酰胺(DMF) 中，用含1‰ 吐溫80的水溶液稀釋至所需濃度，按照375 g/hm2劑量進行處理。分別選用油菜Brassica campestris和莧菜Amaranthus retroflexusL. 代表雙子葉雜草，稗草Echinochloa crus-galli和馬唐Digitaria sanguinalis(L.) Scop 代表單子葉雜草，采用盆栽苗前土壤處理和苗后莖葉處理兩種方式，評價目標化合物在溫室中的除草效果。每個處理重復兩次，取平均值。

土壤處理：在直徑8 cm的塑料小杯中加入一定量的土和水，播種后覆蓋一定厚度的土壤，立即進行土壤噴霧處理，置于花房中培養(yǎng)，在幼苗出土前以塑料膜覆蓋。于30 d后調查結果，測定地上部鮮重，計算鮮重抑制率。

莖葉處理：在直徑8 cm的塑料小杯中加入一定量的土和水，播種后覆土壤，置于花房中培養(yǎng)，在幼苗出土前以塑料膜覆蓋。當幼苗長到一葉一心期進行莖葉噴霧處理。于處理30 d后調查結果，測定地上部鮮重，計算鮮重抑制率。

2 結果與討論

2.1 化合物合成

目標化合物的理化性質和高分辨質譜數(shù)據(jù)見表1。

表1 目標化合物4a～4n和4′g～4′n的理化性質及高分辨質譜數(shù)據(jù)Table 1 The physicochemical property and HRMS data of the title compounds 4a-4n and 4′g-4′n

化合物4a～4f可通過1-(取代) 苯基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸乙酯堿解、?；完P環(huán)方法制備(圖式2)，而其他化合物所對應的1-(取代) 芐基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸乙酯難以用該方法制備，因而選擇了不同的合成路線 (圖式3)。以1-叔丁基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酰氯和2-甲基-4-炔丙基-6-氨基-7-氟-2H-苯并[b][1,4]-噁嗪-3(4H)-酮作為初始底物進行反應，經(jīng)過關環(huán)、脫叔丁基后再與各種芐鹵進行反應，得到同分異構體，分離后得到所需的一對目標化合物(4和4')。該路線應用叔丁基對吡唑1位氮進行保護，得到吡唑并三嗪酮后再脫去叔丁基保護基團，最后再進行衍生化，即可得到一系列目標化合物，異構體比列為n(4) :n(4′)≈1 : 4～1 : 7。該路線可節(jié)省反應時間，并且即使吡唑1位氮上取代基含有對酸堿敏感的基團，合成也不會受到影響，但由于對該路線的研究不夠深入，故產(chǎn)率不高，尤其是脫叔丁基保護一步，對溫度要求苛刻，即在68 ℃以下幾乎不反應，而70 ℃以上又會生成幾種副產(chǎn)物，且副產(chǎn)物的量遠高于產(chǎn)物。

2.2 目標化合物圖譜解析

根據(jù)核磁共振氫譜(數(shù)據(jù)見表2)區(qū)分異構體?；衔?4g ～ 4n 的芐基亞甲基氫的化學位移(δ)在5.90～5.74之間，而其異構體 4′g ～ 4′n 的芐基亞甲基氫的δ在5.70～5.54之間，相差0.20左右，正是因為化合物 4 的芐基連接在吡唑的1位氮上，更接近吡唑并三嗪酮大共軛體系，受到的去屏蔽作用更強，因而化學位移向低場移動，即化學位移數(shù)值更高。

表2 目標化合物的核磁共振氫譜數(shù)據(jù)Table 2 The 1H NMR of the title compounds

3 除草活性

結果 (表3) 表明：在 375 g/hm2的處理劑量下，大部分目標化合物對供試雜草均有一定的除草活性。如：在土壤處理條件下，化合物4h、4i和4j對莧菜的抑制率均達100%；在莖葉處理條件下，化合物4g和4h對莧菜的抑制率也達100%，同時化合物4c、4d、4i和4j對莧菜的抑制率也達90%以上。

表3 目標化合物的除草活性 (抑制率/%，劑量375 g/hm2)Table 3 The herbicidal activities of the title compounds (Inhibition rate/%, dosage 375 g/hm2)

吡唑環(huán)上取代基的變化會影響化合物的除草活性。由表3數(shù)據(jù)可以看出，對于該類吡唑上帶有大體積取代基的吡唑并三嗪酮類化合物來說，取代基為芐基時除草活性高于取代基為苯基的化合物，而且芐基取代在吡唑1位 (4g～4n) 的除草活性高于取代基在2位 (4′g～4′n) 的，后續(xù)可以對合成條件進行優(yōu)化，根據(jù)反應動力學和熱力學控制產(chǎn)物的區(qū)域選擇性這一原則，調節(jié)溶劑的極性、堿的強弱以及反應溫度，找到合適的反應條件以提高 4g ～ 4n的收率。此外，在苯環(huán)上引入鹵原子也會提高化合物的除草活性。

總體來看，該系列化合物與本課題組曾設計合成的含烯丙基的吡唑并三嗪酮 (A) 相比，除草活性還有一定差距，但該類化合物表現(xiàn)出了一些獨特的性能，比如其對莧菜的莖葉處理除草活性非常高，有7個目標化合物高于對照化合物A，因而對該類化合物的結構進行進一步的優(yōu)化，具有一定的研究價值。