新型苯并咪唑衍生物的合成及其生物活性

司伟杰, 张　涛, 张开心, 董梦雅, 张兰祥, 梅向东

(中国农业科学院 植物保护研究所 植物病虫害生物学国家重点实验室，北京　100193)



·研究论文·

新型苯并咪唑衍生物的合成及其生物活性

司伟杰, 张涛, 张开心, 董梦雅, 张兰祥, 梅向东*

(中国农业科学院 植物保护研究所 植物病虫害生物学国家重点实验室，北京100193)

摘要：以香草醛为原料，经2步反应制得中间体——2-(4-羟基-3-甲氧基苯基)-1-氢-苯并咪唑(3)； 3分别与取代苯甲酰氯，取代苯乙酰氯和取代苯磺酰氯反应，合成了13个新型的苯并咪唑衍生物(7a～7g, 8a, 8d, 8g, 9a, 9d和9g)，其结构经1H NMR, IR和HR-ESI-MS表征。分别用菌丝生长速率法和曹坳程法测试了7～9的抑菌活性和除草活性。结果表明：c=100 mg·L-1时，7～9对番茄灰霉病菌，油菜菌核病菌和稻瘟病菌的抑制率分别为13.79%～65.38%, 13.88%～63.78%和34.22%～58.79%； c=300 mg·L-1时，7g对稗草和反枝苋的芽长抑制率分别为40.20%和80.84%。

关键词：香草醛； 苯并咪唑； 合成； 生物活性

含氮杂环化合物是重要的农药、医药和精细化工品中间体，其应用非常广泛[1-4]。其中苯并咪唑类化合物生物活性较好，具有抗菌消炎[5]、抗糖尿病[6]、抗病毒[7]、抗癌[8]、抗寄生虫[9]和抗线虫[10]等特点，在医药和农药领域倍受关注。以苯并咪唑类衍生物为主要成分的杀菌剂，如噻菌灵、多菌灵、苯菌灵等，对子囊菌、半知菌和部分担子菌纲真菌引起的病害具有较好的预防效果。

Scheme 1

酯类化合物是常见的生物活性分子。如DNA分子、杀菌剂、除草剂和植物精油等，均含有酯类物质[11]。磺酸酯类化合物常用于农药研发，如对黄瓜白粉病菌有特效的乙嘧酚磺酸酯[12]。

根据活性基团拼合理论，我们考虑将苯并咪唑环分别与取代苯甲酰氯(4a～4g)、取代苯乙酰氯(5a, 5d, 5g)和取代苯磺酰氯(6a, 6d, 6g)结合，设计并合成结构新颖的含苯并咪唑环的酯类、磺酸酯类衍生物。以香草醛(1)为原料，经2步反应制得中间体——2-(4-羟基-3-甲氧基苯基)-1-氢-苯并咪唑(3)； 3分别与4a～4g, 5a, 5d, 5g和6a, 6d, 6g反应，合成了13个新型的苯并咪唑衍生物(7a～7g, 8a, 8d, 8g, 9a, 9d和9g, Scheme 1)，其结构经1H NMR, IR和HR-ESI-MS表征。分别用菌丝生长速率法和曹坳程法测试了7～9的抑菌活性和除草活性。

1实验部分

1.1仪器与试剂

RY-1G型熔点仪(温度未校正)；Bruker DPX 300 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)；6700 FT IR型红外光谱仪(KBr压片)；Agilent 6500 Series Q-TOF 型质谱仪。

2按文献[13]方法合成；其余所用试剂均为分析纯。

1.2合成

(1) 3的合成

在圆底烧瓶中加入2 12.8 g(50 mmol),邻苯二胺5.4 g(50 mmol)和DMF 80 mL，搅拌下回流反应4 h(油浴)。反应液倒入100 g碎冰中，待冰块完全溶解后抽滤，滤饼真空干燥得黄色粉末3，收率75.1%， m.p.214～216 ℃;1H NMRδ: 12.62(s, 1H), 9.48(s, 1H), 7.72(d,J=1.9 Hz, 1H), 7.61～7.58(m, 2H), 7.46(d,J=4.8 Hz, 1H), 7.14(d,J=5.3 Hz, 2H), 6.90(d,J=8.2 Hz, 1H), 3.87(s, 3H); IRν: 3 380, 3 042, 3 000, 2 965, 1 662, 1 603, 1 512, 1 435, 1 285, 1 264, 1 215, 1 130, 1 103, 1 035, 1 006, 856, 740 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C14H12N2O2{[M+H]+}241.089 9, found 241.089 3。

(2) 7～9的合成(以7g为例)[14]

在圆底烧瓶中加入3 1.92 g(8 mmol)和二氯甲烷20 mL，搅拌使其溶解；加入三乙胺0.8 g(8 mmol)，冰盐浴冷却10 min，缓慢滴加对氯苯甲酰氯(4g)1.46 g(8.4 mmol)的二氯甲烷(5 mL)溶液，滴毕，反应30 min；于室温反应过夜。反应液依次用过饱和碳酸氢钠，饱和食盐水和水洗涤，无水硫酸镁干燥，减压浓缩后经硅胶柱层析[洗脱剂：V(乙酸乙酯) ∶V(石油醚)=1 ∶2～2 ∶1]纯化得7g。

以4a～4f, 5a, 5d, 5g和6a, 6d, 6g替代4g,用类似的方法合成7a～7f, 8a, 8d, 8g和9a, 9d, 9g。

7a: 白色粉末，收率60.2%, m.p.247～248 ℃;1H NMRδ: 12.97(s, 1H), 8.15(dd,J=5.2 Hz, 7.0 Hz, 2H), 7.98(d,J=1.8 Hz, 1H), 7.85～7.82(m, 2H), 7.80～7.78(m, 1H), 7.75(t,J=2.4 Hz, 2H), 7.70～7.66(m, 1H), 7.45(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.22(d,J=5.1 Hz, 2H), 3.91(s, 3H); IRν: 3 062, 3 010, 2 963, 1 747, 1 603, 1 501, 1 429, 1 319, 1 261, 1 201, 1 174, 1 057, 1 024, 873, 749, 706 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C21H16N2O3{[M+H]+}345.116 1, found 345.115 6。

7b: 白色粉末，收率53.1%, m.p.254～256 ℃;1H NMRδ: 13.01(s, 1H), 8.08(d,J=7.5 Hz, 1H), 8.00(d,J=1.5 Hz, 1H), 7.85(dd,J=1.5 Hz, 8.1Hz, 1H), 7.58(d,J=6.4 Hz, 3H), 7.44(t,J=5.6 Hz, 3H), 7.23(d,J=4.7 Hz, 2H), 3.93(s, 3H), 2.60(s, 3H); IRν: 3 019, 2 964, 2 845, 1 743, 1 602, 1 502, 1 439, 1 269, 1 240, 1 203, 1 070, 1 034, 887, 870, 749, 735 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C22H18N2O3{[M+H]+}359.131 7, found 359.131 2。

7c: 白色粉末，收率57.4%, m.p.238～239 ℃;1H NMRδ: 13.01(s, 1H), 8.01～7.93(m, 3H), 7.85(dd,J=1.8 Hz, 8.3 Hz, 1H), 7.65～7.42(m, 5H), 7.26～7.22(m, 2H), 3.91(s, 3H), 2.43(s, 3H); IRν: 3 057, 2 959, 2 845, 1 746, 1 605, 1 503, 1 427, 1 276, 1 229, 1 193, 1 057, 1 030, 885, 858, 746, 736 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C22H18N2O3{[M+H]+}359.131 7, found 359.133 0。

7d: 白色粉末，收率60.3%， m.p.243～244 ℃;1H NMRδ:12.96(s, 1H), 7.99～8.05(m, 3H), 7.84(dd,J=1.8 Hz, 8.2 Hz, 1H), 7.64(dd,J=3.1 Hz, 5.9 Hz, 2H), 7.43(d,J=8.2 Hz, 3H), 7.22(dd,J=3.1 Hz, 5.9 Hz, 2H), 3.90(s, 3H), 2.44(s, 3H); IRν: 3 069, 3 001, 2 973, 1 747, 1 608, 1 501, 1 442, 1 266, 1 244, 1 170, 1 060, 1 034, 874, 855, 738 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C22H18N2O3{[M+H]+}359.131 7, found 359.131 5。

7e: 白色粉末，收率46.7%， m.p.242～243 ℃;1H NMRδ: 13.00(s, 1H), 8.13(dd,J=0.6 Hz, 1.3 Hz, 1H), 8.00(d,J=1.7 Hz, 1H), 7.85(dd,J=1.8 Hz, 8.2 Hz, 1H), 7.71～7.55(m, 5H), 7.24(d,J=2.4 Hz, 1H), 7.23(dd,J=2.4 Hz, 5.8 Hz, 2H), 3.95(s, 3H); IRν: 3 071, 3 018, 2 962, 1 758, 1 608, 1 589, 1 501, 1 430, 1 285, 1 269, 1 202, 1 087, 1 030, 887, 869, 747 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C21H15N2O3Cl{[M+H]+}379.077 1, found 379.076 6。

7f: 白色粉末，收率48.6%，m.p.230～231 ℃;1H NMRδ: 12.97(s, 1H), 8.12～8.10(m, 2H), 8.007～8.001(d,J=1.8 Hz, 1H), 7.86～7.83(m, 2H), 7.70～7.62(m, 3H), 7.47(d,J=8.2 Hz, 1H), 7.24(dd,J=3.1 Hz, 6.0 Hz, 2H), 3.92(s, 3H); IRν: 3 071, 2 997, 2 967, 1 716, 1 607, 1 502, 1 429, 1 280, 1 249, 1 199, 1 058, 1 028, 892, 864, 741 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C21H15N2O3Cl{[M+H]+}379.077 1, found 379.076 4。

7g: 白色粉末，收率50.3%， m.p.241～242 ℃;1H NMRδ:12.96(s, 1H), 8.15～8.11(m, 2H), 7.96(d,J=2.1 Hz, 1H), 7.82(dd,J=1.8 Hz, 8.2 Hz, 1H), 7.70～7.66(m, 3H), 7.54(d,J=7.5 Hz, 1H), 7.43(d,J=8.1 Hz, 1H), 7.21(dd,J=5.3 Hz, 8.7 Hz, 2H), 3.89(s, 3H); IRν: 3 070, 3 002, 2 975, 1 752, 1 591, 1 501, 1 440, 1 283, 1 260, 1 196, 1 094, 1 061, 1 035, 888, 874, 748 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C21H15N2O3Cl{[M+H]+}379.077 1, found 379.079 2。

8a: 白色粉末，收率43.1%， m.p.218～219 ℃;1H NMRδ: 12.92(s, 1H), 7.91(d,J=1.8 Hz, 1H), 7.78(dd,J=1.8 Hz, 8.2 Hz, 1H), 7.66(t,J=8.4 Hz, 1H), 7.55(t,J=8.5 Hz, 1H), 7.53～7.20(m, 8H), 3.99(s, 2H), 3.88(s, 3H); IRν: 3 048, 3 005, 2 962, 1 750, 1 605, 1 591, 1 500, 1 428, 1 345, 1 307, 1 266, 1 213, 1 171, 1 119, 1 028, 1 009, 865, 743, 699 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C22H18N2O3{[M+H]+}359.131 7, found 359.131 0。

8d: 白色粉末，收率45.2%， m.p.231～232 ℃;1H NMRδ: 12.96(s, 1H), 7.91(d,J=1.8 Hz, 1H), 7.78(dd,J=1.8 Hz, 8.2 Hz, 1H), 7.66(t,J=8.4 Hz, 1H), 7.55(t,J=8.5 Hz, 1H), 7.20～7.53(m, 7H), 3.99(s, 2H), 3.87(s, 3H), 2.45(s, 3H); IRν: 3 068, 3 010, 2 965, 1 750, 1 605, 1 591, 1 500, 1 428, 1 345, 1 307, 1 269, 1 216, 1 171, 1 119, 1 028, 1 009, 870, 743, 699 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C23H20N2O3{[M+H]+}373.147 4, found 373.146 8。

8g: 白色粉末，收率49.3%， m.p.234～235 ℃;1H NMRδ: 12.92(s, 1H), 7.91(d,J=1.8 Hz, 1H), 7.79～7.75(m, 1H), 7.66(t,J=8.4 Hz, 1H), 7.55(t,J=8.5 Hz, 1H), 7.20～7.51(m, 7H), 3.99(s, 2H), 3.86(s, 3H); IRν: 3 051, 3 007, 2 963, 1 750, 1 605, 1 590, 1 500, 1 431, 1 348, 1 309, 1 267, 1 215, 1 174, 1 119, 1 028, 1 006, 865, 743, 697 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C22H17N2O3Cl{[M+H]+}393.092 8, found 393.093 3。

9a: 白色粉末，收率55.7%， m.p.174～175 ℃;1H NMRδ: 13.03(s, 1H), 7.89～7.79(m, 5H), 7.68～7.57(m, 4H), 7.31(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.22(d,J=4.2 Hz, 2H), 3.61(s, 3H); IRν: 3 060, 3 007, 2 963, 1 747, 1 603, 1 501, 1 429, 1 319, 1 261, 1 201, 1 174, 1 057, 1 024, 873, 749, 706 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C20H16N2O4S {[M+H]+}381.083 1, found 381.084 1。

9d: 白色粉末，收率58.5%， m.p.210～211 ℃;1H NMRδ: 13.06(s, 1H), 7.84(d,J=1.9 Hz, 1H), 7.78～7.73(m, 3H), 7.63(dd,J=2.0 Hz, 2.2 Hz, 2H), 7.47(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.29～7.20(m, 3H), 3.63(s, 3H), 2.43(s, 3H); IRν: 2 976, 2 940, 2 918, 1 591, 1 501, 1 449, 1 266, 1 278, 1 246, 1 197, 1 179, 1 166, 1 089, 1 031, 867, 831, 747, 723 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C21H18N2O4S{[M+H]+}395.098 7, found 395.099 2。

9g: 白色粉末，收率62.3%， m.p.215～216 ℃;1H NMRδ: 13.01(s, 1H), 7.89～7.84(m, 3H), 7.80～7.74(m, 3H), 7.66(s, 1H), 7.55(d,J=6.3 Hz, 1H), 7.35(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.23(d,J=2.9 Hz, 2H), 3.63(s, 3H); IRν: 3 100, 3 067, 2 945, 1 588, 1 501, 1 428, 1 285, 1 274, 1 250, 1 200, 1 180, 1 165, 1 087, 1 030, 859, 837, 746, 721 cm-1; HR-ESI-MSm/z: Calcd for C20H15N2O4SCl{[M+H]+415.044 1, found 415.043 6。

2结果与讨论

2.1合成

合成3的过程中，反应液颜色会出现由淡黄色到深绿色的明显变化。

在合成7～9的过程中，需保证4～6过量，使3反应完全。3与4～6的最佳摩尔比为1.00 ∶1.05。

2.2表征

由7～9的1H NMR分析可见，活泼氢(咪唑环上NH)吸收峰位于δ12.96～13.06, 苯环氢吸收峰位于δ7.20～8.15，甲氧基氢吸收峰位于δ3.61～3.91，甲基氢吸收峰位于δ2.42～2.60。以7d为例，甲基氢吸收峰位于δ2.44，甲氧基氢吸收峰位于δ3.90，苯环氢吸收峰位于δ7.22～8.05，峰型各异。

2.3生物活性

(1) 抑菌活性

采用菌丝生长速率法[15]测定了7～9(c=100 mg·L-1)对番茄灰霉病菌(B.cin)，油菜菌核病菌(S.scl)，稻瘟病菌(P.gri)的抑菌活性，结果见表1。

由表1可见，7～9对番茄灰霉病菌，油菜菌核病菌和稻瘟病菌的抑制率分别为13.79%～65.38%, 13.88%～63.78%和34.22%～58.79%。

(2) 除草活性

采用曹坳程法[16]测定了7～9(c=300 mg·L-1)对稗草(E.cru)和反枝苋(A.ret)的芽长抑制活性，结果见表2。

由表2可见，7g的除草活性较好，对稗草和反枝苋的芽长抑制率分别为40.20%和80.84%。

表1　7～9的抑菌活性

表2　7～9的除草活性

设计并合成了13个新型的苯并咪唑衍生物(7a～7g, 8a, 8d, 8g, 9a, 9d和9g)。生物活性测试结果表明：c=100 mg·L-1时，7～9对番茄灰霉病菌，油菜菌核病菌和稻瘟病菌的抑制率分别为13.79%～65.38%, 13.88%～63.78%和34.22%～58.79%；c=300 mg·L-1时，7g对稗草和反枝苋的芽长抑制率分别为40.20%和80.84%，与莠去津相近。本研究证实了该类化合物可能既有抑菌活性又有除草活性，对开发具有除草-抑菌二元活性的新型化合物有一定借鉴意义。

致谢：感谢国家自然科学基金(31321004)和973课题(2014CB932201和2012CB114104)的资助。

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Synthesis and Bioactivities of Novel Benzimidazole Derivatives

SI Wei-jie,ZHANG Tao,ZHANG Kai-xin,DONG Meng-ya,ZHANG Lan-xiang,MEI Xiang-dong*

(State Key Laboratory for Biology of Plant Diseases and Insect Pests, Institute of Plant Protection,Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100193, China)

Abstract：The intermediate, 2-(4-hydroxy-3-methoxyphenyl)-1-H-benzimidazole(3), was prepared by a two-step reaction from vanilline. Thirteen novel benzimidazole derivatives (7a～7g, 8a, 8d, 8g, 9a, 9d and 9g) were synthesized by the reaction of 3 with substituted benzoyl chloride, substituted phenylacetyl chloride and substituted phenylsulfonyl chloride, respectively. The structures were characterized by1H NMR, IR and HR-ESI-MS. The antifungicidal and herbicidal activities were investigated by mycelium growth rate method and Cao Ao-cheng method, respectively. The results indicated that the inhibition rates of 7～9 against Botrytis cinerea, Sclerotinia sclerotiorum and Pyricularia grisea were 13.79%～65.38%, 13.88%～63.78% and 34.22%～58.79%, respectively, at the concentration of 100 mg·L-1. 7g exhibited good herbicidal activities against Echinochloa crusgalli and Amaranthus retroflexus at the concentration of 300 mg·L-1. The inhibition rates were 40.20% and 80.84%, respectively.

Keywords：vanilline; benzimidazole; synthesis; biological activity

收稿日期：2015-05-11;

修订日期：2016-03-28

基金项目：国家自然科学基金资助项目“棉花-害虫-天敌的互作机制”(31321004); 973课题“纳米材料与技术改善农药剂型功能的作用机制”, “害虫和寄主植物的化学通讯机制”(2014CB932201, 2012CB114104)

作者简介：司伟杰(1987-)，男，汉族，河南新郑人，硕士研究生，主要从事农药合成的研究。 E-mail: siweijiezhibao@163.com通信联系人： 梅向东，博士，副研究员，硕士生导师， E-mail: xdmei@ippcaas.cn

中图分类号：O626.23; O621.3

文献标志码：A

DOI：10.15952/j.cnki.cjsc.1005-1511.2016.05.15189