手性哌啶并咪唑啉二酮類化合物的除草活性研究

張 帆，劉 克，楊輝斌，崔東亮，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)國家重點實驗室，沈陽 110021)

手性廣泛存在于自然界中，是自然界的基本屬性[1]。據(jù)統(tǒng)計，我國登記使用的手性農(nóng)藥約270 種，占比近40%，并且一直呈上升趨勢。作為占據(jù)43.8%農(nóng)藥市場份額的除草劑，手性除草劑也是研發(fā)熱點[2-3]。登記的手性除草劑約有70 種，如唑禾草靈、炔草酯、精2 甲4 氯丙酸、精2,4-滴丙酸、精異丙甲草胺和氯氟草醚等。原卟啉原氧化酶(PPO)是葉綠素和血紅素生物合成中的關(guān)鍵酶[4]，抑制其活性可使原卟啉原IX 不能氧化為原卟啉IX，植物細胞膜結(jié)構(gòu)遭到破環(huán)，最終造成植物死亡。PPO 抑制劑因其具有高效、低毒、安全等特點[5]，是新型除草劑研發(fā)熱點，并有丙炔氟草胺、氟噻乙草酯和三氟草嗪等多個PPO 商品化品種上市。文獻也報道了多個具有手性中心的PPO 抑制劑[6]。

課題組前期已考察了1-位雜環(huán)基以及5-位取代基對四取代苯類PPO 化合物除草活性的影響，發(fā)現(xiàn)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(圖1，化合物a)的除草活性較高且極具成本優(yōu)勢[7-8]。為進一步研究光學(xué)異構(gòu)體對除草活性影響，本文擬以化合物a 為先導(dǎo)，制備手性N 雜環(huán)，并對苯環(huán)5-位取代基進行優(yōu)化，總結(jié)構(gòu)效關(guān)系，為發(fā)現(xiàn)高除草活性PPO 抑制劑提供參考。手性哌啶并咪唑啉二酮類化合物結(jié)構(gòu)通式如圖1 所示。

圖1 手性哌啶并咪唑啉二酮類化合物的設(shè)計

本文以2-氯-4-氟-5-硝基苯酚為起始原料，經(jīng)取代、硝基還原，制備異氰酸酯，再分別與手性2-哌啶甲酸乙酯環(huán)合得到目標化合物，化合物合成路線如圖2 所示。

圖2 手性哌啶并咪唑啉二酮類化合物的合成路線

1 材料與方法

1.1 儀器

Jeol JNM-ECZ600R 600MH 核磁共振儀(日本電子)；VG ZAB-HS 質(zhì)譜儀；旋光儀Autopol VI(美國魯?shù)婪蚬?；X4 型顯微熔點儀(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 旋光測試

采用鈉光譜的D 線(589 nm)測定旋光度，測定管長度為10 cm，測定溫度為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，置于旋光計內(nèi)檢測讀取供試液的旋光度。重復(fù)3 次，結(jié)果取平均值，按下列公式計算供試品比旋度。

式中：[α]為比旋光度；D 為鈉光譜的D 線；t為測試溫度，℃；l為測定管長度，dm；a為測得的旋光度；c為溶液濃度，g/100 mL。

1.4 合成方法

1.4.1(S)-2-(4-氯-2-氟-5-炔丙氧基苯基)四氫咪唑[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-1)的制備

1.4.1.1 中間體4-氯-2-氟-5-炔丙氧基-1-硝基苯的制備

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(0.90 g，6.2 mmol)，滴加溴丙炔(0.62 g，5.2 mmol)，室溫反應(yīng)6.0 h，向反應(yīng)液中加入乙酸乙酯(20 mL)和水(20 mL)萃取分液，有機相用飽和氯化鈉溶液(10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥，減壓蒸盡除溶劑，得黃色固體1.1 g，含量99%。

1.4.1.2 中間體4-氯-2-氟-5-炔丙氧基苯胺的制備

反應(yīng)瓶中加入上一步得到的中間體4-氯-2-氟-5-炔丙氧基-1-硝基苯(1.1 g，5.0 mmol)、水合氯化亞錫(2.8 g，12 mmol)、乙酸乙酯(20 mL)，回流攪拌1.0 h，向反應(yīng)液中加入氫氧化鈉水溶液調(diào)節(jié)pH 為7.0，過濾，濾液用乙酸乙酯(20 mL)和水(20 mL)萃取，有機相用飽和氯化鈉溶液(10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥，減壓蒸除溶劑，得褐色固體0.9 g，含量92%。

1.4.1.3 化合物S-1 的制備

反應(yīng)瓶內(nèi)加入中間體4-氯-2-氟-5-炔丙氧基苯胺(0.90 g，5.0 mmol)、甲苯(20 mL)、三乙胺(0.80 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(10 mL)溶液，加熱回流3.5 h，減壓蒸盡溶劑，用5.0 mL 二氯甲烷溶解備用。

向另一個反應(yīng)瓶內(nèi)加入S-2-哌啶甲酸乙酯(0.9.0 g，5.5 mmol)、二氯甲烷(20 mL)、三乙胺(1.0 g，10.0 mmol)，滴加異氰酸酯的二氯甲烷溶液。室溫攪拌1.0 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，得白色固體，收率72%，含量(HPLC 面積歸一)：97%，[α]D20=-63.8(c10，丙酮)。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.32(d,J=9.0 Hz,1H), 7.02 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.76 (d,J= 2.4 Hz,2H),4.27-4.26(m,1H),4.25-4.24(m,1H),2.96-2.90(m, 1H), 2.59 (t,J= 2.4 Hz, 1H), 2.39-2.33 (m, 1H),2.10-2.06 (m, 1H), 1.84-1.76 (m, 1H), 1.59-1.44 (m,3H).

按上述操作，替換不同的鹵代烴，可制備化合物S-2 至S-6；將用于環(huán)合反應(yīng)的S-2-哌啶甲酸乙酯替換為R-2-哌啶甲酸乙酯，按照S-1 相似的制備方法，可制備化合物R-1 至R-6。

1.4.2(S)-2-(5-(烯丙基氧基)-4-氯-2-氟苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-2)的制備

合成方法同化合物S-1 的制備，得黃色油，[α]D20=-62.1(c10，丙酮)，收率：63%，含量(HPLC面積歸一)：98%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.29(d,J=9.0 Hz,1H), 6.84 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 6.07-6.01 (m, 1H),5.48-5.44 (m, 1H), 5.34-5.31 (m, 1H), 4.59-4.55 (m,2H),4.29-4.21(m,1H),3.98-3.95(m,1H),2.95-2.90(m, 1H), 2.33-2.30 (m, 1H), 2.12-2.05 (m, 1H),1.85-1.77(m,1H),1.56-1.44(m,3H).

1.4.3(S)-2-(4-氯-2-氟-5-異丙氧基苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-3)的制備

合成方法同化合物S-1 的制備，得黃色油，[α]D20=-49.8(c10，丙酮)，收率：85%，含量(HPLC面積歸一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(m,1H),6.86(d,J= 6.5 Hz, 1H), 4.50-4.44 (m, 1H), 4.27-4.26 (m,1H),4.25-4.24(m,1H),2.97-2.87(m,1H),2.33-2.39(m, 1H), 2.09-2.05 (m, 1H), 1.83-1.78 (m, 1H),1.56-1.45(m,3H),1.37(dd,J=6.1,1.7Hz,6H).

1.4.4(S)-2-(4-氯-5-(環(huán)丙基甲氧基)-2-氟苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-4)的制備

合成方法同化合物S-1 的制備，得黃色油，[α]D20=-57.0(c10，丙酮)，收率：75%，含量(HPLC面積歸一)：95%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(d,J=9.7 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.27-4.21 (m, 1H),3.96 (dd,J= 11.7, 4.1 Hz, 1H), 3.85 (d,J= 6.9 Hz,2H),2.94-2.90(m,1H),2.34-2.26(m,1H),2.09-2.05(m, 1H), 1.83-1.77 (m, 1H), 1.60-1.44 (m, 3H),1.34-1.26 (m, 1H), 0.67-0.63 (m, 2H), 0.38-0.34 (m,2H).

1.4.5(S)-2-(4-氯-5-(環(huán)戊基甲氧基)-2-氟苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-5)的制備

合成方法同化合物S-1 的制備，得黃色油，[α]D20=-54.3(c10，丙酮)，收率：44%，含量(HPLC面積歸一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(d,J=9.0 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.30-4.20 (m, 1H),3.98-3.95(m,1H),3.86(d,J=6.8 Hz,2H),2.95-2.90(m, 1H), 2.44-2.37 (m, 1H), 2.36-2.26 (m, 1H),2.12-2.02 (m, 1H), 1.90-1.76 (m, 3H), 1.71-1.42 (m,7H),1.44-1.32(m,2H).

1.4.6(S)-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(S-6)的制備

合成方法同化合物S-1 的制備，得黃色油，[α]D20=-64.9(c10，丙酮)，收率：81%，含量(HPLC面積歸一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ: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).

1.4.7(R)-2-(4-氯-2-氟-5-炔丙氧基苯基)四氫咪唑[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-1)的制備

以R-2-哌啶甲酸乙酯替換化合物S-1 制備過程中的S-2-哌啶甲酸乙酯制備得化合物R-1，得白色固體，[α]D20=48.4(c10，丙酮)，熔點：134～136 ℃，收率：82%，含量(HPLC 面積歸一)：97%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.30(d,J=9.0 Hz,1H), 7.02 (d,J= 6.3 Hz, 1H), 4.76 (d,J= 2.4 Hz,2H),4.27-4.26(m,1H),4.25-4.24(m,1H),2.96-2.91(m, 1H), 2.59 (t,J= 2.4 Hz, 1H), 2.39-2.33 (m, 1H),2.10-2.06 (m, 1H), 1.84-1.78 (m, 1H), 1.58-1.44 (m,3H).

1.4.8(R)-2-(5-(烯丙基氧基)-4-氯-2-氟苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-2)的制備

合成方法同化合物R-1 的制備，得黃色油，[α]D20=32.3(c10，丙酮)，收率：65%，含量(HPLC面積歸一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.29(d,J=9.0 Hz,1H), 6.84 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 6.07-6.01 (m, 1H),5.48-5.44 (m, 1H), 5.34-5.31 (m, 1H), 4.59-4.55 (m,2H),4.29-4.21(m,1H),3.98-3.95(m,1H),2.95-2.90(m, 1H), 2.33-2.30 (m, 1H), 2.12-2.05 (m, 1H),1.85-1.77(m,1H),1.56-1.44(m,3H).

1.4.9(R)-2-(4-氯-2-氟-5-異丙氧基苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-3)的制備

合成方法同化合物R-1 的制備，得黃色油，[α]D20=52.4(c10，丙酮)，收率：66%，含量(HPLC面積歸一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(m,1H),6.86(d,J= 6.5 Hz, 1H), 4.50-4.44 (m, 1H), 4.27-4.26 (m,1H),4.25-4.24(m,1H),2.97-2.87(m,1H),2.33-2.39(m, 1H), 2.09-2.05 (m, 1H), 1.83-1.78 (m, 1H),1.56-1.45(m,3H),1.37(dd,J=6.1,1.7Hz,6H).

1.4.10(R)-2-(4-氯-5-(環(huán)丙基甲氧基)-2-氟苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-4)的制備

合成方法同化合物R-1 的制備，得黃色油，[α]D20=48.6(c10，丙酮)，收率：61%，含量(HPLC面積歸一)：98%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(d,J=9.7 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.27-4.21 (m, 1H),3.96 (dd,J= 11.7, 4.1 Hz, 1H), 3.85 (d,J= 6.9 Hz,2H),2.94-2.90(m,1H),2.34-2.26(m,1H),2.09-2.05(m, 1H), 1.83-1.77 (m, 1H), 1.60-1.44 (m, 3H),1.34-1.26 (m, 1H), 0.67-0.63 (m, 2H), 0.37-0.34 (m,2H).

1.4.11(R)-2-(4-氯-5-(環(huán)戊基甲氧基)-2-氟苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-5)的制備

合成方法同化合物R-1 的制備，得黃色油，[α]D20=39.9(c10，丙酮)，收率：51%，含量(HPLC面積歸一)：97%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(d,J=9.0 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.29-4.23 (m, 1H),3.98-3.85(m,1H),3.86(d,J=6.9 Hz,2H),2.95-2.90(m, 1H), 2.44-2.37 (m, 1H), 2.35-2.28 (m, 1H),2.08-2.05 (m, 1H), 1.90-1.76 (m, 3H), 1.70-1.44 (m,7H),1.43-1.33(m,2H).

1.4.12(R)-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(S-6)的制備

合成方法同化合物R-1 的制備，得黃色油，[α]D20=34.9(c10，丙酮)，收率：85%，含量(HPLC面積歸一)：97%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.29(d,J=9.0 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.0 Hz, 1H), 4.28-4.24 (m, 1H),4.06(q,J=7.2 Hz,2H),3.97-3.96(m,1H),2.95-2.91(m, 1H), 2.35-2.30 (m, 1H), 2.08-2.05 (m, 1H),1.83-1.80(m,1H),1.61-1.48(m,3H),1.45(t,J=7.2 Hz,3H).

1.5 除草活性

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 靜置自來水，攪拌均勻后得所需濃度樣品溶液。以丙酮/水(1/3，含1‰吐溫80)的處理為空白對照。

將定量苘麻種子分別播種于直徑為7 cm 裝有營養(yǎng)土紙杯中，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 葉期進行處理，處理后置于溫室并澆水。試驗用Airbrush噴霧機進行處理(噴液量100 mL/m2)。試驗設(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。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

2 結(jié)果與討論

根據(jù)表1 可得出如下構(gòu)效關(guān)系：

⑴ N 雜環(huán)手性對闊葉雜草總防效影響為R構(gòu)型＞消旋體，S構(gòu)型≈消旋體a。

⑵ N 雜環(huán)手性對百日草防效影響為R構(gòu)型≥S構(gòu)型，苯環(huán)5-位取代基對活性影響為炔基＞烷基≥烯基＞環(huán)烷基烷基。

⑶ N 雜環(huán)手性對苘麻防效影響與苯環(huán)5 位取代基種類有關(guān)：5-位取代基為鏈狀烷基時，S構(gòu)型＞R構(gòu)型；5-位為環(huán)烷烷基時，R構(gòu)型＞S構(gòu)型。

⑷ 苯環(huán)5 位取代基對闊葉雜草總活性為：炔基＞烷基≈烯基＞環(huán)烷基烷基。

3 結(jié) 論

設(shè)計合成了12 個手性哌啶并咪唑啉二酮類化合物，考察了四取代苯類化合物1-N 雜環(huán)手性以及5-取代基對除草活性影響，其中化合物R-1 在2.300 g/hm2劑量時，對百日草生長抑制率為100%，化合物S-1在2.300 g/hm2劑量時，對苘麻生長抑制率為100%。

研究結(jié)果表明，哌啶并咪唑啉二酮類PPO 化合物的除草活性，相比于5-取代基種類，1-N 雜環(huán)手性對除草活性影響不顯著，鑒于手性原料成本遠高于其消旋體，后續(xù)研究重點將繼續(xù)以雜環(huán)消旋體化合物為先導(dǎo)，進行新化合物的設(shè)計與合成，以發(fā)現(xiàn)更高除草活性的化合物。