含氟均三嗪類化合物的合成及生物活性

姜碩,張如松,朱寶玉,光明甲,孫鑒昕,許良忠,王明慧

(青島科技大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院,山東 青島 266042)

均三嗪類化合物是一種幾丁質(zhì)合成抑制劑,其對(duì)雙翅目幼蟲有著特殊活性,可使雙翅目幼蟲發(fā)生畸變,作用效果相當(dāng)于激素調(diào)節(jié)劑[1]。目前三嗪類化合物已經(jīng)商品化的有滅蠅胺[2]、莠去津[3]等。根據(jù)王梅祥等[4]報(bào)道,化合物1和2對(duì)在質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí),對(duì)紅蜘蛛的殺蟲活性高達(dá)100%。

圖1均三嗪類化合物是以三聚氯氰為原料,與不同的小分子胺進(jìn)行反應(yīng)生成最終化合物,根據(jù)巨修練[5]報(bào)道了以三聚氯氰和對(duì)三氟甲基苯胺為原料合成的均三嗪化合物3和4對(duì)黏蟲的LD50分別為0.53 μg/cm-2和0.47 μg/cm-2。6號(hào)位上與胺反應(yīng)生成的化合物殺蟲活性明顯高于與醇反應(yīng)生成的化合物。且根據(jù)滅蠅胺與莠去津等已報(bào)道的高活性化合物結(jié)構(gòu)可分析,大多數(shù)高活性的化合物皆為對(duì)稱結(jié)構(gòu)(圖2),可以推斷對(duì)稱結(jié)構(gòu)有助于提高殺蟲活性。氰氟蟲腙[6]是一種已報(bào)道的高效殺蟲劑,其活性中間體4-三氟甲氧基苯胺具有良好的殺蟲活性,氟原子的可大大提高化合物的親脂性,甲氧基可增加內(nèi)吸性,將4-三氟甲氧基苯胺引入均三嗪中,有助于提高均三嗪化合物的殺蟲活性。

圖1 均三嗪類化合物

圖2 含氟三嗪類殺蟲劑結(jié)構(gòu)式

所以,以滅蠅胺為先導(dǎo)化合物,通過(guò)中間體衍生化法,對(duì)三聚氯氰的2位、4位和6位進(jìn)行改造,將4-三氟甲氧基苯胺基團(tuán)接入均三嗪結(jié)構(gòu)中,再引入芐胺或小分子的胺和醇,合成一系列含氟三嗪類化合物,從而獲得高效綠色而且經(jīng)濟(jì)的新型均三嗪類殺蟲劑(圖3)。

圖3 目標(biāo)化合物的設(shè)計(jì)路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

所有實(shí)驗(yàn)藥品均來(lái)自于上海畢得醫(yī)藥科技股份有限公司,所用溶劑均來(lái)自于煙臺(tái)雙雙化工,且均為分析純,所用儀器見(jiàn)表1。

表1 實(shí)驗(yàn)儀器

1.2 合成路線及方法

設(shè)計(jì)路線見(jiàn)圖4,圖5為活性拼接基團(tuán)。

圖4 含氟均三嗪類化合物的合成路線圖

圖5 活性拼接基團(tuán)

根據(jù)合成過(guò)程來(lái)看,該系列含氟均三嗪類化合物本質(zhì)上來(lái)說(shuō)是進(jìn)行了三次親核取代,以三聚氯氰為起始原料首先與一分子對(duì)三氟甲氧基苯胺在2號(hào)位上發(fā)生取代反應(yīng),進(jìn)而再與一分子對(duì)三氟甲氧基苯胺在4號(hào)位上發(fā)生取代反應(yīng),最后一步再與烷基胺或者烷基醇在6號(hào)位上發(fā)生取代反應(yīng)。

1.2.1 中間體6-氯-N2,N4-雙(4-三氟甲氧基苯基)-1,3,5-三嗪-2,4-二胺(Ⅰ-2)的合成

取1.84 g(0.01 mol)三聚氯氰置于250 mL三口瓶中,加入1,4-二氧六環(huán)20 mL,再加入3.036 g(0.022 mol)無(wú)水K2CO3,冰水浴下攪拌15 min,用滴液漏斗緩慢滴加1.77 g(0.01 mol)對(duì)三氟甲氧基苯胺,滴罷,繼續(xù)攪拌30 min,溶液由澄清變?yōu)槿榘咨珳啙嵋?TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)完畢后,此時(shí)生成中間體Ⅰ-1。不進(jìn)行處理直接進(jìn)行下一步,將反應(yīng)液移至室溫,繼續(xù)滴加1.77 g(0.01 mol)對(duì)三氟甲氧基苯胺。繼續(xù)室溫下反應(yīng)15 h,溶液由乳白色變?yōu)辄S色,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)完畢,得到該中間體Ⅰ-2溶液,不作處理直接進(jìn)行下一步反應(yīng)。

1.2.2 目標(biāo)化合物目標(biāo)化合物Ⅰ-3a～Ⅰ-3b的合成

向上述Ⅰ-2中間體0.01 mol反應(yīng)溶液中室溫加入1.5 g(0.012 mol)無(wú)水K2CO3,繼續(xù)加入0.012 mol烷基醇,100 ℃下反應(yīng)15 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)完畢,加入30 mL水與20 mL乙酸乙酯萃取,分液,有機(jī)相用無(wú)水硫酸鈉進(jìn)行干燥,旋蒸出溶劑,柱層析得到最終產(chǎn)物Ⅰ-3a與Ⅰ-3b。

1.2.3 目標(biāo)化合物目標(biāo)化合物Ⅰ-3c～Ⅰ-3i的合成

向上述Ⅱ中間體0.01 mol反應(yīng)溶液中室溫加入1.5 g(0.012 mol)無(wú)水K2CO3,繼續(xù)加入0.012 moL烷基胺,40 ℃下反應(yīng)3 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)完畢,加入水與乙酸乙酯萃取,無(wú)水硫酸鈉進(jìn)行干燥,旋蒸出溶劑,柱層析得到最終產(chǎn)物Ⅰ-3c～Ⅰ-3i。

1.2.4 化合物Ⅰ-3a～Ⅰ-3i的結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)如下:

Ⅰ-3a:6-(2,2,2-三氟乙氧基)-N2,N4-雙(4-三氟甲氧基苯基)-1,3,5-三嗪-2,4-二胺,白色固體,收率93.6%;m.p.141.2～143.8 ℃;1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.09 (s,2H),7.81 (d,J=18.3 Hz,4H),7.33 (d,J=8.6 Hz,4H),5.04 (q,J=9.1 Hz,2H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 169.63,143.98,138.63,128.27,125.50,124.46,122.75,121.92,121.79,119.99,119.38,116.84,62.30。HRMS(ESI):理論值:C19H13F9N5O3[M+H]+:530.087 5,實(shí)測(cè)值:530.086 9。

Ⅰ-3b:6-(2,2,3,3-四氟丙氧基)-N2,N4-雙(4-三氟甲氧基苯基)-1,3,5-三嗪-2,4-二胺,白色固體,收率92.1%;m.p.145.9～146.5 ℃;1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.07 (s,2H),7.82 (s,4H),7.33 (d,J=8.6 Hz,4H),6.68 (m,J=51.9,5.1 Hz,1H),4.93 (t,J=14.2 Hz,2H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 169.85,165.58,143.97,138.67,124.46,122.43,121.92,121.81,119.38,117.71,116.84,115.49,115.23,114.96,112.31,110.18,109.84,109.51,107.72,107.38,107.05,62.39,62.13,61.87。HRMS(ESI):理論值:C20H13F10N5O3[M+H]+:562.093 7,實(shí)測(cè)值:562.086 1。

Ⅰ-3c:N2-(4-對(duì)甲苯基)芐基-N4,N6-雙(4-三氟甲氧基)苯基-1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺,白色固體,收率95.2%;m.p.245.9～247.2 ℃;1H NMR (500 MHz,Chloroform-d) δ 8.42 (s,2H),7.62 (t,J=9.4 Hz,4H),7.36 (d,J=8.2 Hz,2H),7.28 (d,J=8.4 Hz,2H),7.22 (s,4H),7.09 (dd,J=13.2,8.0 Hz,4H),6.71 (d,J=8.5 Hz,1H),4.70 (s,2H),2.48 (s,3H).13C NMR (125 MHz,Chloroform-d) δ 166.47,159.95,155.53,155.44,155.42,155.36,149.95,144.28,136.34,132.64,132.58,130.02,130.01,130.00,129.99,129.98,129.97,122.34,122.32,122.30,122.29,122.26,121.77,121.76,121.75,121.74,121.74,121.71,121.69,121.66,121.63,121.61,120.63,120.62,120.60,120.60,119.56,116.15,116.12,116.10,116.07,20.57,20.54,20.50。HRMS(ESI):理論值:C31H25F6N6O3[M+H]+:643.189 2,實(shí)測(cè)值:643.180 9。

Ⅰ-3d:N2-芐基-N4,N6-雙(4-三氟甲氧基)苯基-1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺,白色固體,收率90.2%;m.p.202.6～209.3 ℃;1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 9.37 (d,J=14.7 Hz,2H),7.94 (d,J=8.6 Hz,2H),7.82 (d,J=8.7 Hz,2H),7.40～7.32 (m,4H),7.31～7.22 (m,4H),7.22 - 7.19 (m,1H),4.58 (d,J=6.3 Hz,2H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 166.33,164.57,164.49,143.03,140.69,140.04,139.88,128.65,127.39,127.02,121.99,121.60,121.53,119.45,44.00。HRMS(ESI):理論值:C24H19F6N6O2[M+H]+:537.147 4,實(shí)測(cè)值:537.145 3。

Ⅰ-3e:N2-(4-叔丁基)芐基-N4,N6-雙(4-三氟甲氧基)苯基-1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺,白色固體,收率90.6%;m.p.235.4～238.2 ℃;1H NMR (500 MHz,DMSO-d6) δ 9.35 (s,1H),9.31 (s,1H),7.93 (d,J=8.8 Hz,2H),7.76 (d,J=28.0 Hz,2H),7.35 (d,J=8.1 Hz,2H),7.29 (d,J=7.9 Hz,2H),7.26 (d,J=8.6 Hz,2H),7.20 (d,J=8.6 Hz,2H),4.53 (d,J=6.1 Hz,2H),1.26 (s,9H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 166.27,164.54,164.45,149.41,142.98,140.06,139.88,137.59,127.18,125.36,121.98,121.59,121.52,119.44,43.73,34.52,31.54.HRMS(ESI):理論值:C28H27F6N6O2[M+H]+:593.210 0,實(shí)測(cè)值:593.301 6。

Ⅰ-3f:6-嗎啉基-N2,N4-雙(4-三氟甲氧基)苯基-1,3,5-三嗪-2,4-二胺,白色固體,收率94.6%;m.p.214.3～215.3 ℃;1H NMR (500 MHz,DMSO-d6) δ 9.44 (s,2H),7.83 (d,J=8.5 Hz,4H),7.29 (d,J=8.6 Hz,4H),3.76 (t,J=4.8 Hz,4H),3.68 (t,J=4.8 Hz,4H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 165.14,164.44,143.12,139.77,121.95,121.75,119.42,66.45,43.95.HRMS(ESI):理論值:C21H19F6N6O3[M+H]+:517.142 3,實(shí)測(cè)值:217.150 1。

Ⅰ-3g:N2-(3-甲氧基丙基)-N4,N6-雙(4-三氟甲氧基)苯基-1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺,白色固體,收率92.9%;m.p.172.4～173.2 ℃;1H NMR (500 MHz,Chloroform-d) δ 8.47～8.43 (m,1H),7.61 (d,J=8.5 Hz,2H),7.51 (d,J=8.5 Hz,2H),7.16 (d,J=9.0 Hz,2H),7.10 (s,2H),6.36 (s,1H),3.59 (q,J=6.4 Hz,2H),3.52 (t,J=5.8 Hz,2H),3.34 (s,3H),1.91 (m,J=6.2 Hz,2H).13C NMR (126 MHz,DMSO-d6) δ 166.14,164.57,164.34,142.98,140.04,121.72,121.53,119.69,70.32,58.34,38.12,29.80.HRMS(ESI):理論值:C21H21F6N6O3[M+H]+:519.157 9,實(shí)測(cè)值:519.306 5。

Ⅰ-3h:N2-(3-甲氧基乙基)-N4,N6-雙(4-三氟甲氧基)苯基-1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺,白色固體,收率91.6%;m.p.154.5～156.0 ℃;1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 9.40 (s,1H),9.30 (s,1H),7.91 (d,J=8.6 Hz,4H),7.27 (d,J=8.5 Hz,4H),7.21 (s,1H),3.52 (t,J=2.3 Hz,2H),3.51 (q,2H),3.30 (s,3H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 166.18,164.54,164.36,143.01,140.01,121.97,121.59,119.44,71.07,58.35,39.45.HRMS(ESI):理論值:C20H19F6N6O3[M+H]+:505.1423,實(shí)測(cè)值:505.302 1。

Ⅰ-3i:N2-(3-甲氧基)-N4,N6-雙(4-三氟甲氧基)苯基-1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺,白色固體,收率75.0%;m.p.132.3～134.0 ℃;1H NMR (500 MHz,DMSO-d6)δ10.28 (s,1H),9.63 (s,2H),7.94～7.79 (m,4H),7.28 (d,J=8.6 Hz,4H),3.72 (s,3H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 168.31,164.53,143.28,139.65,121.95,121.68,119.41,63.65.HRMS(ESI):理論值:C18H15F6N6O3[M+H]+:477.111 0,實(shí)測(cè)值:477.201 2。

1.3 生物活性測(cè)試

1.3.1 殺棉蚜活性測(cè)試

本試驗(yàn)參照NY/T 1154.6—2006《農(nóng)藥室內(nèi)生物測(cè)定試驗(yàn)準(zhǔn)則殺蟲劑》第6部分:浸蟲法,具體方法如下:取長(zhǎng)勢(shì)一致的兩葉一心棉苗,每株棉苗上接100頭棉蚜幼蟲,置于養(yǎng)蟲室培養(yǎng)24 h后,將棉苗倒置入系列濃度藥劑中浸10 s,水分揮發(fā)后立即檢查原始蟲數(shù),并放入養(yǎng)蟲室培養(yǎng)。每個(gè)濃度3次重復(fù),以0.1 %吐溫-80水溶液處理為對(duì)照。置于(26±1)℃、相對(duì)濕度70%～80%、光照16 h∶8 h(L∶D)條件下正常飼養(yǎng)。藥前記錄總蟲數(shù),藥后24,48,72 h 記錄殘留蚜蟲數(shù),計(jì)算死亡率和校正死亡率。

1.3.2 殺紅蜘蛛活性測(cè)試

本試驗(yàn)參照 NY/T 1154.14—2008《農(nóng)藥室內(nèi)生物測(cè)定試驗(yàn)準(zhǔn)則殺蟲劑》第14部分:浸葉法進(jìn)行,具體方法如下:按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將藥劑配制成為系列濃度的稀釋液,以0.1%吐溫-80水為對(duì)照;選取新鮮的茭白,切成厚度 0.5 cm 的薄片,在對(duì)應(yīng)藥劑中浸漬10 s后取出,自然晾干。將濾紙剪成合適大小平鋪于直徑6 cm帶蓋塑料杯底部,放入大小一致的紅蜘蛛幼蟲,饑餓處理2 h后放入帶毒茭白;置于(26±1)℃、光照 16 h∶8 h(L∶D)條件下,處理24,48,72 h 后,以毛筆碰觸刺激不能活動(dòng)者為死亡,記錄死蟲數(shù),計(jì)算各處理死亡率和校正死亡率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 殺棉蚜活性測(cè)試結(jié)果

通過(guò)表2殺棉蚜活性數(shù)據(jù),所合成的新型三嗪類化合物大多數(shù)表現(xiàn)為高活性,在試驗(yàn)質(zhì)量濃度為5 mg/L時(shí)Ⅰ-3c殺棉蚜率能夠達(dá)到95%,Ⅰ-3d也能達(dá)到85%,而Ⅰ-3a與Ⅰ-3b在50 mg/L時(shí)活性在25%以下,從構(gòu)效關(guān)系來(lái)看,6號(hào)位取代基為胺時(shí)比取代基為醇時(shí)活性要好,且取代基為芐胺時(shí)活性最好。

表2 目標(biāo)化合物Ⅰ-3a～Ⅰ-3i的殺棉蚜活性測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 目標(biāo)化合物Ⅰ-3a～Ⅰ-3i的殺紅蜘蛛活性測(cè)試數(shù)據(jù)

2.2 殺紅蜘蛛活性測(cè)試結(jié)果

通過(guò)殺紅蜘蛛活性數(shù)據(jù),在試驗(yàn)質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)Ⅰ-3c、Ⅰ-3d、Ⅰ-3e紅蜘蛛死亡率能夠達(dá)到100%,質(zhì)量濃度降低為10 mg/L時(shí),Ⅰ-3c、Ⅰ-3d也能達(dá)到95%以上,而Ⅰ-3b與Ⅰ-3h在50 mg/L時(shí)活性也僅有15%左右,與殺棉蚜活性基本一致,6號(hào)位取代基為胺時(shí)比取代基為醇時(shí)活性要好,且取代基為芐胺時(shí)活性最好。所以推測(cè)吸電子強(qiáng)的基團(tuán)能提高化合物的活性,芐胺的吸電子能力強(qiáng)于醇的吸電子能力,甲氧胺的活性最低,因?yàn)榧籽醢繁旧泶嬖趐-p共軛結(jié)構(gòu),降低了氮原子的電子云,導(dǎo)致殺蟲活性減弱,對(duì)于芐胺來(lái)說(shuō),對(duì)位取代基團(tuán)為吸電子基團(tuán)時(shí)活性強(qiáng),Ⅰ-3c的6號(hào)位取代基為4-對(duì)甲苯氧基芐胺,該芐胺的對(duì)位為對(duì)甲苯氧基,起到吸電子能力,而Ⅰ-3e的6號(hào)取代位為叔丁基,是供電子基團(tuán),而且對(duì)叔丁基本身的空間位阻較大,對(duì)芐胺的胺基上的電子云密度同樣起到降低作用,所以活性方面Ⅰ-3c>Ⅰ-3d>Ⅰ-3e。

2.3 合成條件影響

由于三聚氯氰的特殊結(jié)構(gòu),其本身的三個(gè)氯原子均能與吸電子基團(tuán)發(fā)生取代反應(yīng),但是每取代一個(gè)氯原子之后,下一個(gè)氯原子的會(huì)變得艱難,所以取代第一個(gè)氯原子時(shí)最佳環(huán)境為冰水浴條件下反應(yīng),在低溫下活潑的三聚氯氰選擇取代一個(gè)氯的能力強(qiáng),且由于三聚氯氰非?；顫?所以不存在反應(yīng)緩慢的情況若在第一步就在室溫反應(yīng),則溶液迅速變?yōu)辄S色,而不是冰水浴下的乳白色這是由于產(chǎn)生二取代化合物導(dǎo)致。第一個(gè)氯原子取代后生成中間體Ⅰ-1,Ⅰ-1本身取代能力降低,發(fā)生取代反應(yīng)時(shí)可以將反應(yīng)移至室溫,室溫下繼續(xù)反應(yīng),二取代的選擇性較高,基本沒(méi)有雜質(zhì)的產(chǎn)生低溫會(huì)影響反應(yīng)速度,高溫會(huì)產(chǎn)生大量雜質(zhì),生成三取代化合物,導(dǎo)致產(chǎn)率大大下降。二取代結(jié)束后生成的中間體Ⅰ-2活性繼續(xù)降低,這時(shí)進(jìn)行三取代時(shí)必須升溫,升溫情況根據(jù)另一種反應(yīng)物的取代基而定?？傮w而言,由于該化合物的反應(yīng)為三步取代反應(yīng),可以“一鍋法”進(jìn)行,不需要每一步都拿到固體,符合簡(jiǎn)單、綠色、經(jīng)濟(jì)化學(xué)。

3 結(jié)論

本章合成了Ⅰ-3a～Ⅰ-3i共8個(gè)未報(bào)道的新型含氟均三嗪類化合物和1個(gè)已知的含氟均三嗪類化合物,從合成方法看,以滅蠅胺為先導(dǎo)化合物,通過(guò)衍生化法將殺蟲活性強(qiáng)且經(jīng)濟(jì)的對(duì)三氟甲氧基苯胺代替胺基,再與芐胺等反應(yīng)合成一系列含氟三嗪類化合物,并對(duì)所合成的目標(biāo)化合物進(jìn)行1H NMR、13C NMR、HRMS分析,確定了所有目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu)。

此外,通過(guò)多次實(shí)驗(yàn),對(duì)合成該系列目標(biāo)化合物的合成條件,如溫度、加料方式、比例等都做了的優(yōu)化,對(duì)比發(fā)現(xiàn),“一鍋法”所得到產(chǎn)物的收率遠(yuǎn)高于分步反應(yīng)得到產(chǎn)物的收率,并且“一鍋法”反應(yīng)簡(jiǎn)單、所需溶劑少,更加綠色。該“一鍋法”注意的是,在合成中間體Ⅰ-1時(shí),溫度不能高于10 ℃,否則反應(yīng)體系變黃。在合成中間體Ⅱ-2時(shí),溫度不能高于40 ℃,否則生成過(guò)多雜質(zhì)導(dǎo)致收率降低。

在生物活性測(cè)試方面,該系列化合物的殺蟲活性明顯強(qiáng)于喹唑啉類殺蟲劑,大多數(shù)化合物在50 mg/L下都具有良好的殺蟲效果,部分化合物,如Ⅰ-3c、Ⅰ-3d、Ⅰ-3e在5 mg/L下對(duì)紅蜘蛛的殺蟲活性能夠達(dá)到85%以上。同時(shí)在5 mg/L下,Ⅰ-3c和Ⅰ-3d對(duì)棉蚜的殺蟲活性也能夠達(dá)到85%以上,已經(jīng)達(dá)到高活性的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)構(gòu)效結(jié)果,不難看出活性最好的三個(gè)化合物Ⅰ-3c、Ⅰ-3d、Ⅰ-3e,6號(hào)取代位上均為芐胺,推測(cè)含有芐胺結(jié)構(gòu)片段可能是之事殺蟲活性較高的結(jié)構(gòu)單元,但是由于作用機(jī)制尚不明確,具體活性判斷還需進(jìn)一步探索。