双官能单萜氧杂二环二醇乙酸酯类衍生物的合成及其除草活性*

黄道战，朱守记，蓝虹云，雷福厚，黄忠京

(广西民族大学化学化工学院广西林产化学与工程重点实验室，广西南宁 530008)

桉树脑衍生物因具有优良的除草活性，已作为植物源除草剂在诸多国家和地区广泛使用［1－4］。然而，桉树脑衍生物除草剂大多属于油溶性产品，在生产、包装和使用过程中均存在危害人体健康和污染环境等问题。如稻田除草剂环庚草醚［5－6］和 1，8-桉树脑衍生物［7－8］，均系以 2-羟基-1，4-桉树脑、2-羟基-1，8-桉树脑或 3-羟基-1，8-桉树脑等单羟基桉树脑为原料合成的单官能酯类或醚类衍生物，亲水性较弱，难以在水中溶解或分散，须先用二甲苯或苯等有机溶剂调配成乳油再使用［6，8］，不符合国际上对农药剂型水基化的发展要求［9－12］。

(3R，4R)-4，7，7-三甲基-6-氧杂二环［3，2，1］辛烷-3，4-二醇(1)，是一种可由 α-蒎烯或其含氧衍生物［13－14］制备的单萜氧杂二环二醇类化合物，具有与2，3-二羟基-1，8-桉树脑(4)相似的骨架结构和邻位双羟基官能团，水溶性较好。因此，通过修饰1结构中的3-位和4-位的双羟基，可构筑兼具除草活性和亲水性的双官能单萜氧杂二环二醇酯类衍生物。

根据这一设计思路，本文以1和乙酰氯(2)为原料，经“一锅法”制得混合物Ⅰ;Ⅰ经分离纯化得4个新型的双官能1，8-桉树脑乙酸酯类衍生物(3a～3d，Scheme 1)，其结构经1H NMR，13C NMR，FT-IR和HR-MS表征。用培养皿法测试了1和3a～3d的除草活性。

Scheme 1

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

WRS-1B型熔点仪(温度未校正);Bruker Avance 600 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标);Nicolet Magna型红外光谱仪(KBr压片);Shimadzu GC-14B型气相色谱仪;Perkin Elmer Clarus500型气质联用仪;MAT 95XP型高分辨质谱仪;LRH-250-GSI型人工气候箱。

［14－15］方法合成;吡啶和二氯甲烷使用前经常规方法脱水干燥;其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

在三口烧瓶中加入1 50 mmol，吡啶500 mmol和二氯甲烷320 mL，搅拌下于0.5 h内滴加2 500 mmol的二氯甲烷(50 mL)溶液，滴毕，回流反应7 h。冷却至室温，转移至分液漏斗，依次用1 mol·L－1盐酸 100 mL 和 1.5 mol·L－1Na2CO3溶液100 mL洗涤，分液，有机相旋蒸回收溶剂，剩余物减压蒸馏除去吡啶及未反应的2后经硅胶柱层析［洗脱剂:V(石油醚)∶V(乙醚)=95∶5］纯化(GC检测)，定量收集洗脱液，分类归并，蒸发浓缩，真空干燥，可将剩余物分为三部分:3a，3b和混合物A(3c，3d和少量3b)。其中3a吸附于硅胶柱上，用乙酸乙酯洗脱收集，蒸发回收洗脱剂，剩余物用丙酮0.5 mL溶解，加入石油醚1 mL，混匀后于－20℃冷冻结晶;过滤，真空干燥得黄色晶体(3R，4S)-4-羟基-4，7，7-三甲基-6-氧杂二环［3.2.1］辛烷-3-基乙酸酯(3a)。(3R，4S)-4，7，7-三甲基-6-氧杂二环［3.2.1］辛烷-3，4-二基二乙酸酯(3b)为淡黄色油状液体。

A经硅胶柱层析［梯度洗脱剂:石油醚200 mL;V(石油醚)∶V(乙醚)=95 ∶5］纯化，收集洗脱液，分类归并，蒸发浓缩，真空干燥得淡黄色油状液体 3b，黄色固体(3R，4S)-4-乙酰氧基-4，7，7-三甲基-6-氧杂二环［3.2.1］辛烷-3-基二乙酰乙酸酯(3c)和无色蜡状固体(3R，4S)-3-乙酰氧基-4，7，7-三甲基-6-氧杂二环［3.2.1］辛烷-4-基二乙酰乙酸酯(3d)。

3a:产率 22%，m.p.96.2 ℃ ～97.7 ℃;1H NMR δ:4.99 ～5.02(dd，J=4.8 Hz，3.6 Hz，1H，3-H)，3.93(s，1H，4-OH)，2.28 ～2.30(d，J=12.0 Hz，1H，5-H)，2.10 ～2.14(m，3H，1-H，2-Heq，8-Heq)，2.06(s，3H，a'-H)，1.93(d，J=3.0 Hz，1H，8-Hax)，1.44 ～1.48(m，1H，2-Hax)，1.39(s，3H，4-H)，1.18(s，3H，10-H)，1.17(s，3H，9-H);13C NMR δ:170.31(Cb')，82.88(C7)，82.32(C4)，73.77(C5)，72.20(C3)，41.39(C1)，31.31(C8)，30.26(C10)，29.89(C9)，25.18(C2)，23.38(Ca')，21.22(C4);IR ν:3 434，2 973，2 930，1 738 cm－1;HR-MS m/z:Calcd for C12H20O4［M+］228.136 2，found 228.136 1。

3b:产率16%;1H NMR δ:5.06 ～5.09(dd，J=6.6 Hz，4.8 Hz，1H，3-H)，4.81 ～ 4.82(d，J=6.0 Hz，1H，5-H)，2.13 ～ 2.11(d，1H，8-Heq)，2.03(s，3H，a″-H)，2.00 ～2.02(m，1H，1-H)，1.92 ～1.93(d，1H，2-Heq)，1.76 ～1.77(d，J=6.0 Hz，1H，8-Hax)，1.49 ～ 1.51(dd，J=2.4 Hz，9.0 Hz，1H，2-Hax)，1.43(s，3H，4-H)，1.40(s，3H，10-H)，1.16(s，3H，9-H);13C NMR δ:170.89(Ca″)，170.12(Ca')，83.26(C7)，82.47(C4)，79.31(C5)，73.43(C3)，41.45(C1)，31.58(C8)，29.89(C10)，29.79(C9)，22.59(Ca')，22.15(Ca″)，21.16(C4)，19.05(C2);IR ν:2 964，1 737 cm－1;HR-MS m/z:calcd for C14H22O5［M+］270.146 7，found 270.145 6。

3c:产率 37.92%，m.p.108.1 ℃ ～111.0 ℃;1H NMR δ:5.68(s，1H，a'-H)，5.12 ～5.15(dd，J=6.6 Hz，4.8 Hz，1H，3-H)，4.90 ～ 4.91(d，J=6.0 Hz，1H，5-H)，2.32(s，3H，a″-H)，2.17 ～2.18(dd，J=2.4 Hz，1.8 Hz，1H，8-Heq)，2.15 ～2.04(s，6H，c'，d'-H)，1.98 ～1.99(m，1H，1-H)，1.96 ～1.97(d，1H，J=3.0 Hz，2-Heq)，1.79 ～ 1.83(t，1H，J=13.2 Hz，8-Hax)，1.49 ～1.54(m，1H，2-Hax)，1.47(s，3H，4-H)，1.41(s，3H，10-H)，1.17(s，3H，9-H);13C NMR δ:170.76，168.22(Cc')］，164.76(Cb″)，163.95(Cb')，111.3(Ca')，83.31(C7)，82.84(C4)，79.40(C5)，73.50(C3)，41.43(C1)，31.53(C8)，29.95，29.80(Cf')，22.56(C9)，21.16(C10)，21.11(C4)，19.14(C2)，18.25(Ca″);IR ν:2 992，2 937，1 770，1 730，1 716，1 668 cm－1;HR-MS m/z:calcd for C18H26O7［M+］354.167 9，found 354.167 5。

3d:产率25%，m.p.109.3 ℃ ～111.8 ℃;1H NMR δ:5.66(s，1H，a″-H)，5.12 ～5.15(dd，J=6.0 Hz，5.4 Hz，1H，3-H)，4.86 ～ 4.87(d，J=6.0 Hz，1H，5-H)，2.23(s，3H，a'-H)，2.14 ～2.17(m，1H，8-Heq)，2.00 ～2.08(s，6H，d″，f″-H)，1.95 ～ 1.96(m，1H，1-H)，1.80 ～1.82(d，J=12.6 Hz，1H，2-Heq)，1.67(s，1H，8-Hax)，1.51 ～1.55(m，1H，2-Hax)，1.45(s，3H，4-H)，1.42(s，3H，10-H)，1.18(s，3H，9-H);13C NMR δ:170.98，168.05(Cc″，Ce″)，162.69(Cb')，160.21(Cb″)，108.98(Ca″)，83.35(C7)，82.58(C4)，79.49(C5)，73.54(C3)，41.51(C1)，31.49(C8)，29.94，29.84(Cd″，Cf″)，22.65(C9)，21.80(C10)，21.24(C4)，21.21(C2)，19.16(Ca');IR ν:2 981，1 768，1 727，1 668 cm－1;HR-MS m/z:calcd for C18H26O7［M+］354.167 9，found 354.167 5。

1.3 除草活性

1和3a易溶于水，直接用无菌蒸馏水配制为(20，10，5，2，1，0.5 和 0.1)mmol·L－1溶液 。3b～3d不溶于水，可先加少量DMF和吐温80配制为均匀乳液，再用蒸馏水定容为上述浓度的溶液。

用平皿培养法评价1和3a～3d的除草活性［15］。将一年生黑麦草种子在无菌去离子水中浸泡处理15 h;在内衬圆形滤纸的培养皿(φ=9 cm)中加入样品溶液10 mL(每一浓度重复3次)，以等量蒸馏水和含DMF及吐温80的蒸馏水作空白对照组;在每个培养皿中加入10颗种子，于25℃在人工气候箱中避光培养4 d，分别测量根长及芽长，计算抑制率。

2 结果与讨论

2.1 合成

反应条件同1.2，用GC检测反应进程，考察物料比r［n(2)∶n(1)］和反应时间对1和3a～3d相对浓度的影响(相对浓度为相对质量百分浓度，用GC峰面积归一化法统计)。

(1)r

1 5 mmol，其余反应条件同 1.2，考察 r 对3a～3d相对浓度的影响，结果见表1。

表1 r对3a～3d相对浓度的影响*Table 1 Effects of r on relative concentration of 3a～3d

由表1可见，r对3a～3d相对浓度有较大的影响。当r=1时，产物仅有3a;当r=2时，反应产物主要为3a，3b～3d相对浓度均低于16%且依次递减;随着r提高，3a相对浓度逐渐降低，3b相对浓度先升高再降低，3c和3d相对浓度则缓慢升高;当r=4时，反应产物仍以3a和3b为主;仅当r很大时，3c和3d相对百分浓度才会高于3a和3b。这一结果表明，1结构中4-位和3-位的双羟基酯化反应活性有明显差别。其可能原因为:2与1上羟基的酯化反应遵循亲核反应机理;1中4-羟基存在较大的空间位阻，3-位羟基较易与2中带正电性的羰基碳原子反应，即3-位羟基反应活性明显高于4-位羟基，优先与2发生酯化反应，生成单乙酸酯3a;当3-位羟基全部被酯化后，4-位羟基才开始参与酯化反应。3c和3d是3b与2反应的产物，受酯基拉电子效应影响，3b中乙酰氧基α-氢原子变得活泼，易离去生成碳负离子，碳负离子与2进行亲核反应，生成中间体乙酰乙酸酯;在此基础上，受酯基和羰基拉电子效应双重影响，乙酰乙酸酯中亚甲基氢原子变得更为活泼，也易离去生成碳负离子，该碳负离子继续与2进行碳酰化反应，最终生成3c和3d。此外，由于同样受到空间位阻效应的影响，3b中两个α-碳反应活性也不同。因此，即使r＞2，3c相对浓度也大于3d。

(2)反应时间

1 5 mmol，r=4，其余反应条件同 2.1(1)，考察反应时间(t)对3a～3d相对浓度的影响，结果见表2。

表2 反应时间对3a～3d相对浓度的影响*Table 2 Effects of reaction time on relative concentration of 3a～3d

由表2可见，酯化反应进行0.5 h，产物主要为3a和少量3b，无3c和3d;随着反应时间延长，3a相对浓度逐渐降低，3b，3c和3d相对浓度逐渐增加;反应7.0 h，3a～3d相对浓度分别为50.7%，36.6%，7.84% 和 4.86%，这进一步表明，1中两个羟基活性有明显差别，3-位羟基由于活性较高，更容易与2发生酯化反应生成3a;当3-位羟基全部酯化后，4-位羟基才开始参与酯化反应生成3b;3b进而与2反应生成3c和3d。

2.2 表征

(1)1H NMR

由1H NMR分析可见，3a～3d的氢化学位移都有明显特征。单萜氧杂二环骨架结构中三个甲基(4-CH3，7-CH3，7-CH3)上的氢所处化学环境不同，均呈强单峰，δ位于1.10～1.41;乙酰氧基中甲基上氢的δ位于2.00附近，呈强单峰;二乙酰乙酸氧基中甲基上氢(d，f-H)的 δ位于2.08 ～2.33，呈强单峰;二乙酰乙酸氧基中次甲基上氢(a″-H)的δ位于5.66 ～5.68，呈强单峰;4-位叔氢(4-H)的 δ位于1.49附近，呈多重峰;1，3-位叔氢的δ位于3.93 ～5.15;2，8-位亚甲基上的氢受邻近氢裂分和3-位及5-位上取代基影响，δ变化较大，峰形较复杂。

(2)13C NMR

由13C NMR分析可见，3a～3d中碳原子数与理论值相符。其中，乙酰氧基中羰基碳(Cb)的δ位于170附近;二乙酰乙酸氧基中酮羰基碳(Cd和Cf)的δ位于168或164附近;酯羰基碳(Cb)的δ位于163或160附近，次甲基碳(Cc)受两边羰基拉电子效应影响，δ较高，位于110附近;单萜氧杂二环骨架结构中，受氧原子拉电子效应影响，4-位和7-位碳的δ位于82～83;5-位和3-位碳的δ位于79或73附近。

表3 1和3a～3d对一年生黑麦草根芽生长的抑制率Table 3 Inhibition rate of 1 and 3a～3d on annual ryegrass

(3)IR

由IR分析可见，3a的O－H伸缩振动吸收峰位于3 400 cm－1附近，3b～3d的O－H伸缩振动吸收峰消失;1 710 cm－1～1 775 cm－1有较强的酯羰基伸缩振动吸收峰;1 668 cm－1为酮羰基伸缩振动吸收峰。

(4)GC

图1 3a～3d的GC谱图Figure 1 GC spectra of 3a～3d

图1为3a～3d的GC谱图。由图1可见，保留时间小于5 min的色谱峰为二氯甲烷、吡啶和未反应2的色谱峰;保留时间大于5 min的色谱峰为3a～3d色谱峰，相对保留时间分别为8.85 min，11.19 min，19.55 min 和 20.30 min。

2.3 除草活性

表3为1和3a～3d对一年生黑麦草根芽生长的抑制活性。由表3可以看出，1和3a～3d对一年生黑麦草胚根与胚芽的生长都具有明显抑制作用。随着c增加，抑制作用逐渐增强。c由0.1 mmol·L－1提高至 5 mmol·L－1时，1 和 3a ～3d对胚根生长抑制率由 8.2%，20.2%，26.7%，18.3% 和 29.2% 分别增加至 55.1%，86.0%，84.2%，91.3% 和 97.5%;胚芽生长抑制率由13.9%，21.1%，51.7%，26.9%和 29.7%提高至55.1%，76.5%，92.8%，94.8%和98.4%;c为20 mmol·L－1时，3a～3d对胚根和胚芽生长抑制率均为100%。由表3还可见，1和3a～3d除草活性与其分子结构及理化性质有关;1含有2个羟基，水溶性好，分子量小，但除草活性较弱;1与2反应生成3a～3d，随着酯化程度增加及分子量增大，3a～3d水溶性减弱而除草活性增强;与文献［15］中实验结果相似，虽然3d和3c为同分异构体，分子量相同，理化性质相似，但3d的除草活性高于3c。

3 结论

制备了4个新型的双官能单萜氧杂二环二醇乙酸酯类衍生物(3a～3d)，在反应条件［1 5 mmol，r=7，回流反应7 h］下，3a～3d 的相对浓度分别为 21.6%，15.6%，37.9%和 24.9%;在反应条件［1 5 mmol，r=4，回流反应 7 h］下，3a～3d的相对浓度分别为 50.7%，36.6%，7.84%和4.86%。除草活性实验结果表明，1和3a～3d均能显著抑制一年生黑麦草胚根与胚芽生长;用药量为5 mmol·L－1时，1和3a～3d对根长抑制率分别为 55.1%，86.0%，84.2%，91.3%和97.5%，对芽长抑制率分别为55.1%，76.5%，92.8%，94.8%和 98.4%。

2，3-二羟基-1，8-桉树脑(4)与 1 互为同分异构体，但目前4的制备产率极低，难有实际应用价值。本文通过1的衍生物3a～3d的制备，极有可能为4的合成提供依据。此外，1及其衍生物的生物活性至今未见文献报道。因此，3a～3d进一步的生物活性值得继续研究。

参考文献

［1］Ghosh R K，Jana P K，Nongmaithem D，et al.Prospects of botanical herbicides in system of crop intensification in the gangetic inceptisols of India［C］.Hangzhou:Proceedings of 6th International Workshop on Software Clones，2012.

［2］赵志英，雷彩霞，臧爱梅.植物源除草剂研究进展［J］.山东农业科学，2010，42(6):91 －93.

［3］Duke S O，Dayan F E，Romagni J G，et al.Natural products as sources of herbicides:Current status and future trends［J］.Weed Research-Oxford，2000，40(1):99－112.

［4］Dayan F E，Duke S O.Plant-derived Natural Products［M］.New York:Springer，2009.

［5］Grayson B T，Williams K S，Freehauf P A，et al.The physical and chemical properties of the herbicide cinmethylin［J］.Pestic Sci，1987，21:143 －153.

［6］吴爱国，严加奎.环庚草醚防除稻田杂草的试验研究［J］.农药，1995，34(12):41 －42.

［7］Barton A，Clarke B，Dell B，et al.Post-emergent herbicidal activity of cineole derivatives［J］.Journal of Pest Science，2014，87(3):531 －541.

［8］Barton A，Dell B，Knight A.Herbicidal activity of cineole derivatives［J］.Journal of agricultural and food chemistry，2010，58(18):10147 －10155.

［9］华乃震，罗才宏，曾鑫年.无溶剂水基性高效氯氟氰菊酯液体剂型的研制［J］.农药，2011，50(3):192 －196.

［10］黄建恒，胡剑峰，沈慧芳.水基性农药制剂研究进展［J］.中国植保导刊，2012，32(4):12 －15.

［11］Chaskopoulou A，Latham M D，Pereira R M，et al.Efficacy of aerial ultra-low volume applications of two novel water-based formulations of unsynergized pyrethroids against riceland mosquitoes in Greece［J］.Journal of the American Mosquito Control Association，2011，27(4):414 －422.

［12］ElShafei G，ElSaid M M，Attia H，et al.Environmentally friendly pesticides:Essential oil-based w/o/w multiple emulsions for anti-fungal formulations［J］.Industrial crops and products，2010，31(1):99 －106.

［13］Popova L A，Biba V I，Prishchenpenko V M，et al.Synthesis of monoterpene oxabicyclodiols starting from alpha-pinene［J］.Journal of General Chemistry of the USSR in English translation，1992，62:1346 － 1350，1639－1645.

［14］Costa V V，Rocha K A，Sousa L F，et al.Isomerization of α-pinene oxide over cerium and tin catalysts:Selective synthesis of trans-carveol and trans-sobrerol［P］.CN 201 210 190 109，2012.

［15］朱有全，司学凯，邹小毛，等.新型3-羟亚甲基吡咯烷-2，4-二酮衍生物的合成与除草活性研究［J］.有机化学，2007，27(3):385－390.