新型N-(取代芳氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲及其环合产物的合成及其杀虫活性
2015-04-23穆金霞贡云芸孙召慧刘幸海谭成侠
蓝 健,穆金霞,贡云芸,孙召慧,刘幸海,谭成侠
(1.浙江工业大学化学工程学院,浙江杭州 310032;2.中国计量学院 环境工程系,浙江杭州 310018)
Scheme 1
芳氧乙酸类化合物具有较强的植物生理活性,被广泛应用于除草剂和植物生长调节剂。优良的内吸性除草剂 2,4-D(2,4-二氯苯氧乙酸)和新一代APP类(芳氧苯氧丙酸酯类)除草剂禾草灵是其中的代表产品。芳氧苯氧丙酸酯类化合物是一类高效防除禾本科杂草的除草剂,具有高效、低毒和低残留的特点,也是一类发展较迅速、不断开发出新品种的除草剂类型,比如氰氟草酯、高效氟吡甲禾灵等。出于环境与生态的考虑及科技的进步,对农药安全性和有效性的追求,未来世界农药的发展方向必将为低毒、低残留、高生物活性和高选择性,芳氧苯氧丙酸酯类除草剂等光学活性农药具有广泛的应用前景[1-4]。
1,3,4-噻二唑作为一类重要的生理活性基团,具有广谱的生物活性,如杀虫、杀菌、抗病毒、调节植物生长及抗癌等[5-7];酰基硫脲类化合物同样具有广泛的生物活性,如除草、杀菌、植物生长调节等[8-15]。为了寻找较高活性的农药先导化合物,本文采用亚结构拼接法,将苯氧乙酸类结构引入到酰基硫脲中,设计并合成了8个新型的硫脲类化合物——N-(取代苯氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲(5a~5h);5a~5h在酸性条件下关环形成8个新型的含1,3,4-噻二唑的酰胺类化合物——1-甲基-N-(5-取代基-1,3,4-噻二唑-2-基)环氧甲酰胺(6a~6h)(Scheme 1),其结构经1H NMR和ESI-MS表征。并初步测定了5a~5h对朱砂叶螨、蚕豆蚜、粘虫和稻飞虱的抑制活性。
1 实验部分
1.1 仪器与试剂
X-4型数字显示熔点仪(温度未校正);Bruker AvanceⅢ500 MHz型全数字化傅立叶超导核磁共振仪(CDCl3为溶剂,TMS为内标);LCQ-Advantage型质谱仪。
1-甲基环己基羧酸参考文献方法[16]合成[收率 66.2%,m.p.38 ℃ ~ 39 ℃[16];1H NMR δ:12.01(s,1H,CO2H),2.06 ~ 1.99(m,2H,CH2),1.57 ~1.24(m,8H,CH2),1.21(s,3H,CH3)];1a~1h,阿拉丁;朱砂叶螨、蚕豆蚜、粘虫和稻飞虱,国家南方农药创制中心浙江化工研究院生测中心自养;其余所用试剂均为分析纯。
1.2 合成
(1)1-甲基环己基酰基异硫氰酸酯(4)的合成
在单口烧瓶中加入1-甲基环己基羧酸7.1 g(50 mmol)和 SOCl211.9 g(100 mmol),搅拌下于室温反应1 h;回流反应2 h。蒸除未反应的SOCl2得淡黄色透明液体1-甲基环己基甲酰氯,密封保存备用。
在三口烧瓶中加入乙腈20 mL和KSCN 7.28 g(75 mmol),搅拌下于70℃ ~75℃缓慢滴加1-甲基环己基甲酰氯的乙腈(20 mL)溶液,滴毕,于70℃ ~75℃反应1 h。抽滤,滤液为桔红色透明液体4,密封保存备用。
(2)取代芳氧乙酸乙酯(2a~2h)的合成通法
在单口瓶中依次加入1 50 mmol,丙酮20 mL,氯乙酸乙酯7.32 g(60 mmol),K2CO38.28 g(60 mmol)以及KI 50 mg,搅拌下回流反应至终点(GC监测)。冷却至室温,旋蒸除去丙酮,加入冰水100 mL,用氯仿(3×100 mL)萃取,合并萃取液,依次用10%NaOH溶液、水和饱和NaCl溶液洗涤,无水Na2SO4干燥过夜;脱溶得淡黄色透明液体2a~2d或无色至淡黄色固体2e~2h。
(3)取代芳氧乙酰肼的合成(3a~3h)的合成通法
在反应瓶中加入2 7.5 mL和乙醇20 mL,冰水浴冷却,搅拌下缓慢滴加85%水合肼3 g(50 mmol),滴毕,回流反应4 h。冷却至室温,倒入100 g冰水中,析出白色固体;抽滤,滤饼用水(3×20 mL)洗涤,干燥后用10%乙醇重结晶得白色晶体3a~3h。
(4)5a~5h的合成通法
在单口瓶中加入4 1.10 g(6 mmol)和乙腈20 mL,搅拌使其溶解;加入3 5 mmol,于70℃ ~75℃反应3 h;于室温反应过夜(TLC检测)。蒸除溶剂,用混合溶剂[V(氯仿)∶V(乙醇)=3∶1]重结晶得白色粉末5a~5g和淡黄色粉末5h。
N-(苯氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲(5a):收率75.4%,m.p.132℃ ~133℃;1H NMR δ:13.28(s,1H,CONH),10.12(s,1H,NHCS),8.47(s,1H,NHCO),7.38 ~7.34(m,2H,ArH),7.07(ddd,J=5.0 Hz,2.0 Hz,1.0 Hz,1H,ArH),6.99(ddd,J=5.0 Hz,3.0 Hz,2.0 Hz,2H,ArH),4.71(s,2H,OCH2),1.99 ~1.93(m,2H,CH2),1.59 ~1.38(m,8H,CH2),1.26(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:350.0{[M+H]+}。
N-(2-甲基-苯氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲(5b):收率77.2%,m.p.160℃ ~161 ℃;1H NMR δ:13.37(s,1H,CONH),10.30(s,1H,CONH),8.46(s,1H,NHCO),7.20(dd,J=10.0 Hz,4.0 Hz,2H,ArH),7.00 ~6.95(m,1H,ArH),6.80(d,J=8.0 Hz,1H,ArH),4.70(s,2H,OCH2),2.40(s,3H,CH3),2.00 ~1.93(m,2H,CH2),1.62~1.35(m,8H,CH2),1.26(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:364.0{[M+H]+}。
N-(3-甲基-苯氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲(5c):收率72.7%,m.p.150℃ ~151℃;1H NMR δ:10.27(s,1H,CONH),7.22 ~7.17(m,1H,ArH),6.86 ~6.79(m,3H,ArH),5.42(s,2H,OCH2),2.35(s,3H,CH3),2.16 ~2.03(m,2H,CH2),1.66 ~1.40(m,8H,CH2),1.33(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:364.0{[M+H]+}。
N-(4-甲基-苯氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲(5d):收率77.1%,m.p.162℃ ~163 ℃;1H NMR δ:13.26(s,1H,CONH),10.10(s,1H,CONH),8.46(s,1H,NHCO),7.16~7.12(m,2H,ArH),6.91~6.86(m,2H,ArH),4.68(s,2H,OCH2),2.32(s,3H,CH3),2.00 ~1.91(m,2H,CH2),1.61 ~1.35(m,8H,CH2),1.25(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:364.0{[M+H]+}。
N-(2-氯-苯氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲(5e):收率80.5%,m.p.162 ℃ ~163℃;1H NMR δ:13.31(s,1H,CONH),10.35(s,1H,CONH),8.49(s,1H,NHCO),7.45 ~7.42(m,1H,ArH),7.30 ~7.25(m,2H,ArH),7.05 ~7.00(m,1H,ArH),6.93(dd,J=8.0 Hz,1.0 Hz,1H,ArH),4.74(s,2H,OCH2),1.99~1.94(m,2H,CH2),1.62~1.35(m,8H,CH2),1.26(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:384.0{[M+H]+}。
N-(2,3-二氯-苯氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲(5f):收率 83.2%,m.p.176℃ ~179 ℃;1H NMR δ:13.30(s,1H,CONH),10.34(s,1H,CONH),8.49(s,1H,NHCO),7.24~7.19(m,2H,ArH),6.88~6.82(m,1H,ArH),4.74(s,2H,OCH2),1.99 ~ 1.94(m,2H,CH2),1.58 ~1.35(m,8H,CH2),1.26(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:418.0{[M+H]+}。
N-(2,4-二氯苯氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲(5g):收率 83.7%,m.p.207℃ ~208 ℃;1H NMR δ:13.31(s,1H,CONH),10.31(s,1H,CONH),8.49(s,1H,NHCO),7.45(d,J=3.0 Hz,1H,ArH),7.26 ~7.23(m,1H,ArH),6.88 ~6.85(m,1H,ArH),4.72(s,2H,OCH2),1.97(m,2H,CH2),1.63 ~1.35(m,8H,CH2),1.26(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:346.0[M -2Cl]。
N-(2-硝基-苯氧乙酰胺基)-N'-(1-甲基环己基酰基)硫脲(5h):收率79.4%,m.p.192℃ ~195 ℃;1H NMR δ:13.09(s,1H,CONH),10.22(s,1H,CONH),8.56(s,1H,NHCO),7.89(dd,J=8.0 Hz,2.0 Hz,2H,ArH),7.55(ddd,J=9.0 Hz,8.0 Hz,2.0 Hz,2H,ArH),4.85(s,2H,OCH2),1.96(m,2H,CH2),1.57 ~1.40(m,8H,CH2),1.26(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:377.0[M -OH]。
(5)6a~6h的合成通法
在单口瓶中加入5 5 mmol和冰醋酸20 mL,搅拌下回流反应至终点(TLC检测)。冷却至室温,加冰水100 mL,析出淡黄色固体,静置过夜;抽滤,滤饼用水(3×20 mL)洗涤,干燥后用乙醇重结晶得6a~6h{6a和6h需经硅胶柱层析纯化[洗脱剂:V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=2∶1]}。
1-甲基-N-[5-(苯氧甲基)-1,3,4-噻二唑-2-基)环氧甲酰胺(6a):米黄色粉末,收率86.7%,m.p.143 ℃ ~145 ℃;1H NMR δ:10.00(s,1H,CONH),7.35 ~7.30(m,2H,ArH),7.04 ~6.99(m,3H,ArH),5.45(s,2H,OCH2),2.12 ~2.01(m,2H,CH2),1.60~1.38(m,8H,CH2),1.32(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:332.1{[M+H]+}。
1-甲基-N-[5-(2-甲基-苯氧甲基)-1,3,4-噻二唑-2-基]环氧甲酰胺(6b):白色粉末,收率85.3%,m.p.149 ℃ ~150 ℃;1H NMR δ:10.70(s,1H,CONH),7.22 ~ 7.15(m,2H,ArH),6.94(t,J=8.0 Hz,2H,ArH),5.45(s,2H,OCH2),2.30(s,3H,CH3),2.19 ~ 2.09(m,2H,CH2),1.67 ~1.41(m,8H,CH2),1.37(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:346.2{[M+H]+},368.1{[M+Na]+}。
1-甲基-N-[5-(3-甲基-苯氧甲基)-1,3,4-噻二唑-2-基]环氧甲酰胺(6c):咖啡色粉末,收率86.2%,m.p.156 ℃ ~159 ℃;1H NMR δ:10.29(s,1H,CONH),7.21 ~7.17(m,1H,ArH),6.85 ~6.82(m,3H,ArH),5.42(s,2H,OCH2),2.35(s,3H,CH3),2.15 ~2.06(m,2H,CH2),1.66 ~1.41(m,8H,CH2),1.33(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:346.4{[M+H]+},368.3{[M+Na]+}。
1-甲基-N-[5-(4-甲基-苯氧甲基)-1,3,4-噻二唑-2-基]环氧甲酰胺(6d):淡黄色粉末,收率82.3%,m.p.172 ℃ ~174 ℃;1H NMR δ:10.54(s,1H,CONH),7.21 ~ 7.18(m,2H,ArH),6.92 ~ 6.86(m,2H,ArH),5.43(s,2H,OCH2),2.34(s,3H,CH3),2.17 ~ 2.08(m,2H,CH2),1.67 ~1.41(m,8H,CH2),1.36(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:346.1{[M+H]+},368.2{[M+Na]+}。
1-甲基-N-[5-(2-氯-苯氧甲基)-1,3,4-噻二唑-2-基]环氧甲酰胺(6e):淡黄绿色粉末,收率89.4%,m.p.139 ℃ ~142 ℃;1H NMR δ:10.47(s,1H,CONH),7.43 ~7.39(m,1H,ArH),7.22(ddd,J=8.0 Hz,8.0 Hz,2.0 Hz,1H,ArH),7.08(dt,J=9.0 Hz,3.0 Hz,1H,ArH),7.01 ~ 6.94(m,1H,ArH),5.50(s,2H,OCH2),2.18 ~2.05(m,2H,CH2),1.66 ~1.41(m,8H,CH2),1.34(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:366.7{[M+H]+}。
1-甲基-N-[5-(2,3-二氯-苯氧甲基)-1,3,4-噻二唑-2-基]环氧甲酰胺(6f):淡灰色粉末,收率87.7%,m.p.169 ℃ ~ 171 ℃;1H NMR δ:10.34(s,1H,CONH),7.22 ~7.20(m,2H,ArH),6.85(dd,J=6.4 Hz,3.2 Hz,1H,ArH),5.74(s,2H,OCH2),2.00 ~1.92(m,2H,CH2),1.57 ~1.34(m,8H,CH2),1.32(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:401.2{[M+H]+}。
1-甲基-N-[5-(2,4-二氯-苯氧甲基)-1,3,4-噻二唑-2-基]环氧甲酰胺(6g):淡黄褐色粉末,收率89.3%,m.p.171 ℃ ~172 ℃;1H NMR δ:10.22(s,1H,CONH),7.41(d,J=3.0 Hz,1H,ArH),7.19(dd,J=9.0 Hz,3.0 Hz,1H,ArH),7.02(d,J=9.0 Hz,1H,ArH),5.49(s,2H,OCH2),2.17 ~2.05(m,2H,CH2),1.64 ~1.40(m,8H,CH2),1.33(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:401.2{[M+H]+}。
1-甲基-N-[5-(2-硝基-苯氧甲基)-1,3,4-噻二唑-2-基]环氧甲酰胺(6h):淡黄色粉末,收率89.8%,m.p.159 ℃ ~162 ℃;1H NMR δ:10.69(s,1H,CONH),7.74(dd,J=8.0 Hz,2.0 Hz,2H,ArH),7.47(ddd,J=9.0 Hz,8.0 Hz,2.0 Hz,2H,ArH),5.84(s,2H,OCH2),2.01 ~1.96(m,2H,CH2),1.59 ~ 1.43(m,8H,CH2),1.27(s,3H,CH3);ESI-MS m/z:377.3{[M+H]+}。
1.3 杀虫活性测试(浸渍法)
粘虫:将适量剪好的玉米叶段在配好的药液中充分浸润后自然阴干,放入垫有滤纸的培养皿中,接粘虫3龄中期幼虫15头/皿,加盖标记后置于观察室内饲养和观察。3 d后检查结果。以毛笔轻触虫体,无反应视为死虫。
小菜蛾:将萝卜苗在药液中充分浸润后自然阴干,放入培养皿中,接3龄中期幼虫,加盖标记后置于观察室内。试验重复4次。3 d后检查结果。以毛笔轻触虫体,无反应视为死虫。
朱砂叶螨:将蚕豆叶片打成叶碟,背面朝上放在小块棉花上,置于塑料培养皿内,加少量水,接朱砂叶螨成螨。待成螨于叶片上稳定后,将叶片在药液中充分浸润5 s后迅速用吸水纸吸去叶片表面水滴,重新置于棉花上,风干。试验重复4次。3 d后检查结果。以毛笔轻触虫体,不能正常爬行为死虫。
苜蓿蚜:将蚕豆叶片剪去两端,背面朝上放在小块棉花上,置于塑料培养皿内,加少量水,接苜蓿蚜成蚜以产若蚜。24 h后去除成蚜,继续培养2 d后将叶片在药液中充分浸润5 s后,重新置于棉花上,自然凉干。1 d后检查结果。以毛笔轻触虫体,无反应视为死虫。
统计各处理的死虫数和活虫数,计算校正死亡率(Abbott’s公式)。
2 结果与讨论
2.1 合成
(1)2的合成
2的合成通常是碱性条件下,取代酚在丙酮或乙醇等溶剂中与氯乙酸乙酯或者溴乙酸乙酯反应。实验中,我们曾不加催化剂KI,TLC跟踪发现,10 h反应完全。但含有强吸电子基团(例如邻硝基苯酚)时,时间会有所增加。可能是该反应是亲核取代反应,吸电子基不利于形成酚钾负离子,因此阻碍了反应的进行。当加入催化量的KI时,反应时间大幅度缩短。可能是KI首先与氯乙酸乙酯发生取代反应,形成碘代乙酸乙酯,而I的离去能力强于Cl和Br,降低了整个反应的能垒,所以使得整个反应更加容易进行。
实验中考察了不同的碱对反应的影响,结果发现:只有 K2CO3才能使反应正常进行,而以Na2CO3为碱时,反应12 h反应也未完成。可能是碱性太弱,无法与取代酚生成酚钠,阻碍了反应的进行;NaOH和KOH会使反应液后期变得黏稠,且氯乙酸乙酯消失、酚不消失,可能是强碱性条件下,氯乙酸乙酯与体系中微量的水发生水解反应生成了氯乙酸的钠盐,致使反应液变黏稠。
(2)5的合成
在5的合成中,反应温度控制在70℃ ~75℃。因为酰肼类在乙腈中溶解度较低,适当升温能促进溶解,加速反应;但若温度过高,未反应的4可能会发生聚合,使得反应液颜色加深,降低反应收率。
(3)6的合成
1-酰基-4-芳酰基氨基硫脲作为酰基硫脲类的一种,可在酸性或碱性条件下分别关环得1,3,4-噻二唑酰胺和 1,2,4-三氮唑硫酮两类化合物。
本文用5为原料,分别在酸或碱性条件下关环,结果发现:5只能在酸性条件下关环生成6。可能是5在酸性条件下发生了脱水,进而关环的过程;而在碱性条件下则得不到预期产物6,可能是发生了降解,生成终产物7(Chart 1)。
Chart 1
2.2 表征
通过5a~5h的1H NMR谱图解析得出如下规律:(1)甲基环己环的共振信号均出现在 δ 1.0 ~2.0(Chart 2);δ 1.3附近的尖锐单峰归属甲基环己环的CH3;在δ 1.5~2.0间的两处多重峰中,δ 2.0附近的多重峰归属环己基 c-H;δ 1.5~2.0附近的多重峰则归属环己基对称的4处H。(2)δ 6.0~8.0间还会出现归属于芳环氢的信号,且该处信号的裂分情况与芳环上取代基的个数和位置基本吻合。(3)在低场的活泼H区域内,则多出3个活泼氢的信号(Chart 2),其中δ 13.0~14.0处吸收峰属于d处的活泼氢NH;δ 10.0处吸收峰归属 e处的活泼 NH;δ 8.0~9.0间吸收峰归属f处的活泼NH,可能的原因是d-H受到两处氧原子的分子内氢键作用,去屏蔽作用更大,所以明显向低场移动,而e-NH因为受到CONHCS的作用比f处的要大一点,所以应该会出现在 δ 10.0 附近。(4)δ 4.0 ~5.0 间还会出现一个属于g-CH2的碳氢单峰信号(Chart 2)。可能是因为受到来自芳环和氧原子的吸电子以及氧原子的σ-π超共轭作用的共同影响。此外5b~5d和5h还会在δ 2.0~3.0间还会出现归属于芳环上CH3单峰,原因可能是甲基都处在芳环的去屏蔽区域,因此比普通的甲基氢要向低场偏移。
2.3 杀虫活性
5a~5h对粘虫、小菜蛾、朱砂叶螨和苜蓿蚜的抑制活性结果为:在用药量为500 mg·L-1时,5a~5h对朱砂叶螨、蚕豆蚜、和稻飞虱均没有活性,只有5g对粘虫有80%的抑制率。
3 结论
以取代苯酚为起始原料,经亲核反应制得取代芳氧乙酸乙酯,然后经与水合肼反应得取代芳氧乙酰肼,进一步与1-甲基环己基酰基异硫氰酸酯反应合成了8个新颖的1-酰基-4-芳酰胺基硫脲化合物。
生物活性测试结果发现:5g在用药量为500 mg·L-1时对粘虫有80%的抑制率。
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