朱寶玉,張如松,姜碩,光明甲,孫鑒昕,許良忠,王明慧
(青島科技大學 化學與分子工程學院,山東 青島 266042)
病蟲害是影響農作物產量的最大因素,而化學防治是防治害蟲的重要手段[1]。雙酰胺類化合物結構新穎,作用機制獨特,具有很高的殺蟲殺螨活性,已成為新農藥創(chuàng)制的熱點之一,其代表品種有氯蟲苯甲酰胺、溴蟲氟苯雙酰胺等。
日本三井農業(yè)化學公司在對氟蟲雙酰胺進行改造時,通過對其骨架的修飾將鄰二酰胺轉變?yōu)殚g二酰胺后得到的新化合物仍然具有一定的殺蟲活性,以此為基礎繼續(xù)研究,經過對苯環(huán)上各種位點進行甲基、鹵素原子取代,最終篩選出溴蟲氟苯雙酰胺,這也是第一個上市的間二酰胺類殺蟲劑[2]。溴蟲氟苯雙酰胺具有獨特的骨架結構和作用機制,作用于害蟲的γ-氨基丁酸(GABA)受體,調控害蟲體內的氯通道,使害蟲過度興奮而死[3]。溴蟲氟苯雙酰胺雖然有著很高的殺蟲活性,但是其上市后不久就出現(xiàn)了害蟲抗藥性,施藥濃度不斷提高[4-7]。
為了開發(fā)出高活性、低成本、低毒性的雙酰胺類化合物,以溴蟲氟苯雙酰胺為先導化合物,通過中間體衍生化法、活性亞結構拼接法等方法對其結構的A、B、C三個部分進行改造,開發(fā)出6種全新化合物,并且通過1H NMR、13C NMR和HRMS等表征手段對目標化合物的結構進行了確認,同時對目標化合物的合成方法進行了合理性優(yōu)化,提出了最佳的合成方法,圖1為溴蟲氟苯雙酰胺改造思路。
圖1 溴蟲氟苯雙酰胺改造思路
SGW X-4顯微熔點測定儀(上海精密科學儀器有限公司),旋轉蒸發(fā)器LC-RE-201D(上海力辰邦西儀器科技有限公司),循環(huán)水式真空泵SHZ-D(II)(鄭州予科儀器設備有限公司),核磁共振波譜儀Av500.(BRUK ER),高分辨四極桿飛行時ACQUITY.UPLC(Waters),間串聯(lián)液質聯(lián)用儀H-Class/Xevo*G2v(Waters),智能磁力攪拌器ZNCL-T500ML(鄭州予科儀器設備有限公司),電熱恒溫鼓風干燥箱Dhg- 9070A(上海齊欣科學儀器有限公司),暗箱三用紫外分析儀ZF-7(上海嘉鵬科技有限公司),低溫冷卻液循環(huán)泵DLSB-5L/20(鄭州長城科工貿有限公司),機械攪拌器S212(青島藍特恩科教儀器設備有限公司)。
其余試劑與原料都是市面上銷售的分析純產品。
合成路線如圖2所示。
圖2 化合物Ⅰa~Ⅰf的合成路線
1.2.1 中間體Ⅰ-6:3-氨基-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺的合成
1) 向干燥的250 mL三口瓶中加入15.8 g(0.1 mol)2,6-二氟苯甲酸和60 g甲醇,室溫攪拌下緩慢滴加10 g(0.1 mol)98%濃硫酸,滴加完畢后升溫至回流,反應2 h后TLC檢測結果顯示反應完全,降低溫度到室溫,減壓蒸餾除去甲醇,得發(fā)黏白色固體,加入50 g去離子水攪拌0.5 h,抽濾,濾餅用10 mL去離子水洗滌三次,收 集濾餅并烘干,得到白色固體2,6-二氟苯甲酸甲酯16.3 g,收率95%。
2) 在干燥的250 mL三口燒瓶中加入17.2 g(0.1 mol)2,6-二氟苯甲酸甲酯和25.2 g(0.4 mol)濃硝酸,將三口燒瓶放入-10 ℃冷井中攪拌,等三口燒瓶內溫度下降到-5 ℃以時緩慢滴加44.1 g(0.45 mol)濃硫酸,滴加溫度保持在-10~0 ℃,滴加完畢0 ℃攪拌1 h,再升溫到30 ℃反應2 h,TLC(展開劑為石油醚與乙酸乙酯為體積比1∶1)監(jiān)測結果顯示反應完全。將反應液邊攪拌邊加入到100 mL冰水中,析出大量白色固體,繼續(xù)攪拌10 min后抽濾,濾餅用20 mL去離子水洗滌3次,收集濾餅并烘干,得到19.5 g白色固體2,6-二氟-3-硝基苯甲酸甲酯,收率90%。
3) 在干燥的250 mL三口瓶中依次加入21.7 g(0.1 mol)2,6-二氟-3-硝基苯甲酸甲酯、40 g甲醇,開啟攪拌,滴加30 g(0.15 mol)20%氫氧化鈉水溶液,滴加完畢升溫至回流,反應1 h后TLC監(jiān)測結果顯示反應完全,降低溫度到室溫,攪拌下向反應液滴加稀鹽酸至弱酸性,析出固體,繼續(xù)攪拌1 h使產物充分析出,抽濾,濾餅用少量水洗滌,收集濾餅并烘干,得到白色固體2,6-二氟-3-硝基苯甲酸18.1 g,收率89%。
4)在干燥的250 mL單口瓶中依次加入20.3 g(0.1 mol)2,6-二氟-3-硝基苯甲酸、40 g甲苯和18 g(0.15 mol)氯化亞砜,加入完畢后迅速安裝到加熱裝置中,開啟攪拌并升溫至回流,反應3 h后TLC監(jiān)測結果顯示反應完全,減壓蒸餾除去甲苯,得到淡黃色透明液體2,6-二氟-3-硝基苯甲酰氯21.4 g,收率97%。
5)在干燥的250 mL單口瓶中依次加入32.8 g(0.1 mol)2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯胺、100 g甲苯和34.3 g(0.11 mol)2,6-二氟-3-硝基苯甲酰氯,加入完畢迅速安裝到加熱裝置中,開啟攪拌升溫至回流,反應3 h后TLC監(jiān)測結果顯示反應完全,降低溫度到室溫,用碳酸氫鈉水溶液洗滌有機相,分液,減壓蒸餾除去甲苯,得到白色固體N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟-3-硝基苯甲酰胺(Ⅰ-5)49.2 g,收率96%。
6)在干燥的500 mL三口燒瓶中加入16.8 g(0.3 mol)鐵粉和40 mLHAc,攪拌升溫到50 ℃,緩慢滴加溶有51.3 g(0.1 mol)Ⅰ-5的250 g醋酸溶液,滴加完畢升溫到70 ℃,反應2 h后TLC(展開劑為石油醚:乙酸乙酯為1:1)監(jiān)測結果顯示反應完全,保持攪拌降低溫度至室溫,加入100 mL乙酸乙酯,使用磁力棒除去多余鐵粉,再將反應液倒入250 g去離子水中,攪拌20 min,靜置分液,保留有機相,用30 mL去離子水洗滌3次,減壓蒸餾除去乙酸乙酯,得到灰色固體3-氨基-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺(Ⅰ-6)39.6g,收率82%。
1.2.2 目標化合物的合成(以N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟-3-(N-甲基苯甲酰胺基)苯甲酰胺(Ⅰa)為例)
在干燥的100 mL單口瓶中依次加入4.83 g(0.01 mol)Ⅰ-6、20 g乙腈和1.55 g(0.011 mol)苯甲酰氯,加入完畢迅速安裝到加熱裝置中,開啟攪拌升溫至回流,反應2.5 h后TLC監(jiān)測結果顯示反應完全,降低溫度到室溫,加入20 g去離子水,析出固體,繼續(xù)攪拌1 h使固體充分析出,抽濾,用少量水洗滌濾餅,收集濾餅并烘干,得到白色固體3-苯甲酰胺-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺5.57 g,收率95%。
在干燥的100 mL三口瓶中依次加入5.87 g(0.01 mol)3-苯甲酰胺-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺、15 g乙腈和0.84 g(0.015 mol)氫氧化鉀和1.89 g(0.15 mol)硫酸二甲酯,攪拌升溫至50 ℃,反應2 h后TLC監(jiān)測結果顯示反應完全,降低溫度到室溫,加入15 g水和15 g乙酸乙酯萃取,分液,用10 g去離子水洗滌有機相三次,減壓蒸餾除去乙酸乙酯,得到紅棕色黏稠液體,柱色譜純化得到最終產品。Ⅰb~Ⅰf同樣按照此方法進行合成。
化合物Ⅰa~Ⅰf的結構表征數(shù)據(jù)如下:
Ⅰa:N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟-3-(N-甲基苯甲酰胺基)苯甲酰胺,白色固體,m.p.154.2~154.8 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.28 (s,1H),8.08 (s,1H),8.01 (dt,J=7.1,1.4 Hz,2H),7.77 (d,J=11.8 Hz,2H),7.68~7.60 (m,1H),7.56 (dd,J=8.2,6.7 Hz,2H),7.30 (td,J=8.8,1.4 Hz,1H),6.62 (h,J=6.1 Hz,1H),6.51 (h,J=6.0 Hz,1H).,3.62 (s,3H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 181.63,181.54,163.57,163.51,163.48,163.42,162.87,158.69,158.61,157.43,155.07,15.01,154.96,154.91,153.87,153.80,151.92,151.89,151.01 144.01,143.91,143.86,143.81,135.98,135.93,135.04,134.33,134.29,134.24,134.19,134.01,132.01,131.96,130.99,130.90,130.72,129.12,129.03,128.96,126.21,126.17,126.10,126.01,122.97,124.57,124.38,124.18,122.99,122.87,122.65,121.77,121.53,115.83,115.71,115.58,114.13,114.02,113.94,113.70,89.45,89.37,89.30,87.01,86.54,86.42,86.20,84.86,34.57,34.23。HRMS(ESI):理論值:C25H15Cl2F8N2O4+[M+H]+629.284 2,實測值:629.283 7。
Ⅰb:N-(3-((2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)氨基甲?;?-2,4-二氟苯基)-N-甲基煙酰胺,白色固體,m.p.159.3~159.8 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.24 (s,1H),8.72 (d,J=7.4 Hz,2H),7.83~7.75 (m,3H),7.42 (dt,J=7.2,5.0 Hz,1H),7.14 (s,1H),7.10 (t,J=7.2 Hz,1H),6.84~6.55 (m,1H),4.61 (q,J=6.7 Hz,1H),1.52 (d,J=6.7 Hz,3H)。13C NMR (101 MHz,Chloroform-d) δ 169.57,169.43,164.58,164.57,164.39,159.11,158.96,158.78,158.68,156.24,156.13,155.97,155.91,155.77,155.71,155.43,153.14,153.01,152.91,151.05,150.91,150.69,150.55,143.21,143.00,142.94,142.78,138.34,135.67,132.54,132.22,132.14,132.03,128.41,128.39,128.22,126.43,126.37,124.34,124.24,124.13,124.00,122.76,122.70,122.49,122.37,122.21,122.13,116.57,116.44,115.82,115.75,114.24,114.17,114.02,113.78,113.70,113.61,88.78,88.67,88.52,88.39,88.01,87.88,86.31,86.14,85.01,84.87,84.68,84.51,84.32,84.27,39.62,39.44。HRMS(ESI):理論值:C23H14Cl2F8N3O3+[M+H]+602.262 2,實測值:602.261 7。
Ⅰc:N-(3-((2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)氨基甲?;?-2,4-二氟苯基)-N-甲基-4-(三氟甲基)煙酰胺,白色固體,m.p.163.7~164.2 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.81 (s,1H),9.06~8.97 (m,2H),8.10 (s,1H),8.05~7.89 (m,2H),7.79 (s,1H),7.33 (td,J=8.9,1.5 Hz,1H),6.61 (h,J=6.1 Hz,1H),6.51 (h,J=6.0 Hz,1H).,3.75 (s,3H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 179.73,179.64,179.61,155.38,155.26,154.33,154.28,154.09,152.34,152.25,152.11,150.73,150.69,150.57,146.12,145.99,145.90,143.36,143.24,143.17,143.01,142.48,142.14,142.08,138.72,138.58,138.45,138.37,128.39,128.26,127.99,127.75,127.24,124.67,124.52,124.21,121.03,120.96,120.88,120.51,117.74,119.26,119.12,118.87,118.54,116.57,116.44,116.40,117.25,117.19,117.00,116.91,116.20,116.16,116.10,114.58,114.54,114.38,113.26,113.21,113.09,112.33,92.51,92.31,92.24,92.18,92.11,88.67,88.59,88.50,88.44,85.57,42.37,42.33,42.27,42.21,19.66,19.59,19.50。HRMS(ESI):理論值:C25H13Cl2F11N2O3+[M+H]+669.272 4,實測值:669.271 9。
Ⅰd:3-(4-(叔丁基)-N-甲基苯甲酰胺基)-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺,白色固體,m.p.172.0~173.1 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.19 (s,1H),8.08 (s,1H),7.94 (d,J=8.1 Hz,2H),7.77 (d,J=11.4 Hz,2H),7.57 (d,J=8.2 Hz,2H),7.29 (t,J=8.7 Hz,1H),6.61 (h,J=6.0 Hz,1H),6.50 (p,J=6.1 Hz,1H),1.33 (s,10H),3.63 (s,3H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 181.24,181.21,176.54,176.39,176.31,170.76,170.73,168.12,168.07,167.99,165.22,165.17,163.28,163.23,163.17,162.99,158.26,158.21,158.19,158.10,155.53,155.41,152.39,152.31,152.22,152.07,147.37,147.30,147.21,147.11,146.99,143.73,143.67,143.60,143.51,143.39,140.35,140.30,140.25,138.55,139.47,139.40,136.77,136.68,136.60,136.44,132.38,132.31,132.24,129.77,129.69,129.44,115.69,115.58,115.50,115.32,115.25,115.13,110.35,110.24,110.15,110.02,109.97,109.85,109.63,109.57,59.85,42.39,39.73,38.82,38.74,38.55。HRMS(ESI):理論值:C28H22Cl2F8N2O3+[M+H]+657.382 2,實測值:657.382 3。
Ⅰe:3-溴-1-(3-氯吡啶-2-基)-N-(3-((2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)氨基甲?;?-2,4-二氟苯基)-N-甲基-1H-吡唑-5-甲酰胺,白色固體,m.p.191.1~191.9 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.65 (s,3H),8.56~8.50 (m,4H),8.25~8.18 (m,4H),8.07 (s,4H),7.78 (s,4H),7.70~7.60 (m,8H),7.48 (s,4H),7.26 (t,J=8.7 Hz,4H),6.60 (p,J=5.9 Hz,2H),6.50 (p,J=6.1 Hz,2H),1.24 (d,J=4.1 Hz,1H),3.60 (s,3H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 187.76,187.69,187.64,186.77,186.70,180.64,180.60,180.54,176.99,176.90,176.85,175.69,175.60,175.52,171.87,171.83,171.77,168.55,168.50,168.23,168.14,168.02,165.78,165.70,165.59,165.50,165.33,165.00,164.91,161.88,161.80,161.71,161.55,158.69,155.26,152.73,152.69,152.58,152.50,148.12,148.00,147.93,147.85,147.69,141.96,141.88,141.80,141.77,141.70,138.44,138.40,138.34,138.01,134.12,134.04,133.99,133.92,126.88,126.85,122.75,122.69,122.65,122.60,102.52,102.44,102.36,102.20,102.14,89.26,89.21,89.11,89.04,40.22,40.19。HRMS(ESI):理論值:C26H13BrCl3F8N5O3+[M+H]+781.663 2,實測值:781.662 7。
Ⅰf:(E) -3-(3-(2-氯-3,3,3-三氟丙-1-烯-1-基)-N,2,2-三甲基環(huán)丙烷-1-甲酰胺基)-N-(2,5-二氯-4-(1,1,2,3,3,3-六氟丙氧基)苯基)-2,6-二氟苯甲酰胺,白色固體,m.p.133.4~134.2 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6) δ 10.27 (d,J=6.0 Hz,1H),8.10 (d,J=5.8 Hz,1H),7.91 (p,J=8.1,7.4 Hz,1H),7.82~7.75 (m,1H),7.23 (p,J=7.9 Hz,2H),6.62 (t,J=7.0 Hz,1H),6.51 (d,J=8.5 Hz,1H),3.70 (s,3H),2.45 (d,J=8.0 Hz,1H),2.24 (q,J=8.2 Hz,1H),1.36~1.21 (m,8H)。13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 197.58,197.50,180.33,175.28,175.23,172.80,168.73,168.68,168.65,163.34,163.30,161.87,159.21,159.15,154.26,154.50,152.22,152.18,147.53,147.47,146.76,140.66,140.33,140.25,135.24,135.20,125.37,125.30,120.47,120.40,117.66,117.61,117.57,115.33,115.27,115.22,115.19,115.05,90.28,90.21,90.14,90.05,89.98,89.91,86.73,86.65,86.59,48.32,48.27,43.69,42.10,38.72,29.33,19.28,19.25。HRMS(ESI):理論值:C27H19Cl3F11NO3+[M+H]+720.785 4,實測值:720.785 0。
1.3.1 對小菜蛾室內活性測試
對系列Ⅰ化合物進行殺小菜蛾活性測試,本試驗參照 NY/T 1154.14—2008《農藥室內生物測定試驗準則殺蟲劑》第14部分:浸葉法進行。具體方法如下:按照試驗設計將藥劑配制成為系列濃度的稀釋液,以0.1%吐溫-80 水為對照;選取新鮮的甘藍葉,剪成長度3 cm方片,在對應藥劑中浸漬10 s后取出,自然晾干。將直徑9 cm濾紙平鋪于直徑9 cm培養(yǎng)皿底部,放入大小一致的小菜蛾3齡幼蟲,饑餓處理 2 h 后放入帶毒葉片;每處理3次重復,置于(26±1)℃、光照 16 h黑暗中8 h條件下,處理 24,48,72 h 后,以毛筆碰觸刺激不能活動者為死亡,記錄死蟲數(shù),計算各處理死亡率和校正死亡率。數(shù)據(jù)處理方法采用 Excel 數(shù)據(jù)處理軟件對各處理的死亡率和校正死亡率進行計算和分析。
死亡率=死亡蟲數(shù)/處理總蟲數(shù)×100%
(1)
校正死亡率=(處理死亡率-對照死亡率)/(1-對照死亡率)×100%
(2)
1.3.2 殺螨活性測試
對系列Ⅰ化合物進行殺小菜蛾活性測試,測試所選用的對象為二斑葉螨,本試驗參照 NY/T 1154.9—2008《農藥室內生物測定試驗準則殺蟲劑》第 9 部分:噴霧法進行。具體方法如下:按照試驗設計將藥劑配制成為系列濃度的稀釋液,以 0.1%吐溫-80 水為對照;取長勢一致的辣椒苗盆栽,每株辣椒苗上接 30頭二斑葉螨成螨,在莖部涂抹凡士林,防治成螨逃逸;置于養(yǎng)蟲室培養(yǎng) 24 h 后,檢查原始蟲數(shù),并放入養(yǎng)蟲室培養(yǎng)。每個濃度 3 次重復。置于(26±1)℃、相對濕度 70%~80%、光照 16 h黑暗中8 h條件下正常飼養(yǎng)。藥前記錄總蟲數(shù),藥后 24,48,72 h 記錄殘留二斑葉螨成螨數(shù),計算死亡率和校正死亡率。數(shù)據(jù)處理方法采用 Excel 數(shù)據(jù)處理軟件對各處理的死亡率和校正死亡率進行計算和分析,計算公式見式(1)~(2)。
化合物Ⅰa~Ⅰf對小菜蛾的殺蟲活性見表1。
表1 目標化合物Ⅰa~Ⅰf對小菜蛾的殺滅活性測試數(shù)據(jù)
對小菜蛾3齡幼蟲的測試結果顯示,化合物Ⅰa~Ⅰf在200 mg/L質量濃度下對小菜蛾3齡幼蟲都有很好的活性,其中Ⅰa~Ⅰc、Ⅰe達到100%。降低施藥質量濃度到100 mg/L時,Ⅰa和Ⅰe仍對小菜蛾3齡幼蟲有100%的殺蟲活性,Ⅰb、Ⅰc也有較好的活性。施藥質量濃度降低至50 mg/L時,Ⅰa、Ⅰc、Ⅰe的生物活性分別是93%,54%,72%。通過構效關系分析來看,A部分為苯環(huán)時,間二酰胺類殺蟲劑具有最好的生物活性;從Ⅰb和Ⅰc來看,用三氟甲基對A部分進行取代的話,其活性也會有所提高。A部分為已知活性基團康寬酸時,化合物也具有很好的活性。
化合物Ⅰa~Ⅰf對小菜蛾的殺蟲活性見表2。
表2 目標化合物Ⅰa~Ⅰf的殺螨活性測試數(shù)據(jù)
對二斑葉螨成螨的室內活性測試結果顯示,化合物Ⅰa~Ⅰf在200 mg/L質量濃度下對二斑葉螨成螨都有不錯的活性,其中Ⅰa、Ⅰd的活性達到100%,Ⅰc、Ⅰe的活性在70%以上;施藥濃度降低到50 mg/L時,Ⅰa、Ⅰd的活性分別為92%,87%,高于商品化產品炔螨特。通過構效關系分析來看,A部分為苯環(huán)時,間二酰胺類殺蟲劑具有最好的生物活性,在A部分對位進行叔丁基取代時,殺螨活性基本不變,而殺蟲活性會降低。
本文以溴蟲氟苯雙酰胺為先導化合物,通過活性亞結構拼接法設計合成6個新型間二酰胺類化合物,并且優(yōu)化了反應路徑和反應條件,經過1H NMR、13C NMR和HRMS等表征手段對合成的新化合物Ⅰa~Ⅰf的結構進行了確認。通過初步的室內殺蟲、殺螨活性測試,對目標化合物進行了生物活性研究。對小菜蛾3齡幼蟲的測試結果顯示,化合物Ⅰa~Ⅰf對小菜蛾3齡幼蟲都有很好的活性,其中Ⅰa和Ⅰe的活性最好,在100 mg/L時,對小菜蛾的活性都能達到100%,在50 mg/L時,Ⅰa和Ⅰe對小菜蛾的活性分別是93%,72%。對二斑葉螨成螨的室內活性測試結果顯示,化合物Ⅰa~Ⅰf對二斑葉螨也有一定的活性,雖然大多數(shù)活性不高,但是在50 mg/L時,Ⅰa、Ⅰd的活性分別達到92%,87%,高于商品化產品炔螨特。