取代噻吩双酰胺类化合物的设计、合成及生物活性

李　林, 李　淼, 柴宝山, 杨吉春, 宋玉泉, 刘长令

(1. 大连理工大学精细化工国家重点实验室, 大连 116024;2. 河北医科大学药学院, 石家庄 050017;3. 新农药创制与开发国家重点实验室, 沈阳中化农药化工研发有限公司, 沈阳 110021;4. 沈阳化工研究院有限公司, 沈阳 110021)



取代噻吩双酰胺类化合物的设计、合成及生物活性

李林1,2, 李淼3, 柴宝山4, 杨吉春3, 宋玉泉3, 刘长令3

(1. 大连理工大学精细化工国家重点实验室, 大连 116024;2. 河北医科大学药学院, 石家庄 050017;3. 新农药创制与开发国家重点实验室, 沈阳中化农药化工研发有限公司, 沈阳 110021;4. 沈阳化工研究院有限公司, 沈阳 110021)

利用中间体衍生化方法, 将噻吩环引入到双酰胺类化合物中, 合成了一系列取代噻吩双酰胺类化合物1～3; 目标化合物的结构经核磁共振波谱、 红外光谱及元素分析确认. 生物活性测试结果表明, 化合物1在600 mg/L剂量下对小菜蛾具有良好的杀虫效果, 致死率均为100%, 其中化合物1a和1e在20 mg/L剂量下对小菜蛾的致死率仍达到60%以上; 改变双酰胺结构中的吡唑环得到化合物2和3, 其杀虫活性消失, 说明该类化合物中吡唑环结构对杀虫活性具有关键作用.

双酰胺类化合物; 噻吩; 杀虫活性

以鱼尼丁受体为作用靶标的双酰胺类化合物近年来受到农药研究者的广泛关注. 该类化合物包括2类:一类是邻苯二甲酰胺类化合物---氟虫酰胺(Flubendiamide); 另一类是邻甲酰胺基苯甲酰胺类化合物---氯虫酰胺(Chlorantraniliprole). 邻甲酰胺基苯甲酰胺类化合物比邻苯二甲酰胺类化合物具有更好的杀虫活性, 所以近年来对鱼尼丁受体双酰胺类抑制剂的研究主要集中在邻甲酰胺基苯甲酰胺类化合物上[1～7]. 对氯虫酰胺的结构改造主要针对苯环(Ⅰ)、 苯甲酰胺(Ⅱ)和吡啶基吡唑(Ⅲ)3部分. 杜邦公司在氯虫酰胺的基础上研发了氰虫酰胺(Cyantraniliprole), 如图1所示, 通过将Ⅰ部分苯环上的氯换为氰基取代后, 植物传导性和杀虫谱较氯虫酰胺均有所改善.

Fig.1　Known diamide pesticides

为了进一步寻找和发现高效、 低毒且安全的新型杀虫剂, 本文利用中间体衍生化方法[8～17], 在对苯环Ⅰ部分修饰改造中, 通过生物等排引入噻吩环替换苯环得到化合物1a; 在化合物1a基础上改造Ⅲ部分得到化合物1b～1h. 对化合物1的结构进一步优化, 改造化合物Ⅱ部分变为4-吡唑羧酸得到化合物2, Ⅱ部分变为邻三氟苯甲酸得到化合物3, 但化合物2和3杀虫活性消失, 说明该类结构中Ⅱ部分的吡唑环对杀虫活性起到了关键的作用.

1　实验部分

1.1试剂与仪器

所用试剂均为分析纯或化学纯(国药集团化学试剂有限公司).

RY-1型熔点仪(天津分析仪器厂); FTS-40型红外光谱仪(美国Perkin-Elmer公司); Mercury 300型核磁共振仪(CDCl3或DMSO为溶剂, TMS为内标, 美国Varian公司); EA1106型元素分析仪(意大利Fisons Instruments公司).

1.2实验过程

目标化合物的合成通式见Scheme 1.

1a:R=Br, R1=H, R2=CH3; 1b:R=Br, R1=CH3, R2=CH3; 1c:R=Br, R1=H, R2=i-propyl; 1d:R=Br, R1=H, R2=cyclopropyl; 1e:R=Cl, R1=H, R2=CH3; 1f:R=Cl, R1=CH3, R2=CH3; 1g:R=Cl, R1=H, R2=i-propyl; 1h:R=Cl, R1, R2=morpholin-4-yl; 2a:R1=H, R2=CH3; 2b:R1=CH3, R2=CH3; 2c:R1=H, R2=i-propyl; 2d:R1=H, R2=cyclopropyl; 3a:R1=H, R2=CH3; 3b:R1=CH3, R2=CH3; 3c:R1=H, R2=i-propyl; 3d:R1=H, R2=cyclopropyl; 3e:R1, R2=morpholin-4-ylScheme 1　Synthetic routes of compounds 1—3Reagents and conditions:a. S, NHEt2, CH3CN, 50 ℃, 1—5 h; b. NaOH, CH3CH2OH/H2O, reflux, 2 h; c. CH3SO2Cl, pyridine, CH3CN, 2 h; d. R1R2NH, CH3CN, 1—6 h.

1.2.1 中间体4的合成采用Gewald反应, 取丁酮(0.1 mol)、 氰基乙酸乙酯(0.1 mol)及单质硫(0.1 mol)置于装有100 mL乙醇的250 mL反应瓶中, 慢慢滴加二乙胺, 反应液呈黄色, 升温至50 ℃, 反应液变成黑色, 用TLC监测反应至完成, 通常需要1～5 h. 将反应液降至室温, 倒入400 mL冰水混合物中, 剧烈搅拌30 min, 过滤得黄色固体, 用正己烷洗涤得2-氨基-4,5-二甲基噻吩-3-甲酸乙(4), 收率90%.1H NMR(300 MHz, CDCl3),δ:5.90(s, 2H, NH2), 4.27(q,J=7.2 Hz, 2H, CH2), 2.17(s, 3H, thiophene-5-CH3), 2.15(s, 3H, thiophene-4-CH3), 1.37(t,J=7.2 Hz, 3H, CH3).

1.2.2中间体5的合成取中间体4(20 g, 0.1 mol)置于装有100 mL乙醇的250 mL反应瓶中, 搅拌下加入氢氧化钠(6 g, 0.15 mol)及40 mL水, 升温至回流, 反应2 h后全部溶解, 用TLC监测反应完毕. 减压蒸去大部分溶剂, 用100 mL水稀释, 二氯甲烷萃取(100 mL), 调节水层pH至弱酸性, 有固体析出, 过滤得到10.4 g黄色固体化合物5, 收率61%.1H NMR(300 MHz, CDCl3),δ:5.93(s, 2H, NH2), 2.19(s, 3H, thiophene-5-CH3), 2.14(s, 3H, thiophene-4-CH3).

1.2.3中间体7的合成参考文献[18～21]方法由中间体5制得中间体7, 不需处理直接用于下步反应.

1.2.4目标化合物的合成取中间体7(2.3 mmol)置于装有10 mL乙腈的50 mL反应瓶中, 加入取代胺(4.0 mmol), 室温下反应1 h, 脱去溶剂, 加入环己烷, 过滤, 得到固体化合物1.

参照上述方法合成目标化合物2和3. 目标化合物1～3的表征结果见表1和表2.

Table 1　Yields, melting points, elemental analysis and IR data of compounds 1—3

Table 2　1H NMR data of compounds 1—3*

* Solvent for compounds 1 and 3:CDCl3; compound 2:DMSO.

1.2.5生物活性测定药液的配制:取待测化合物用V(丙酮)∶V(甲醇)=1∶1的混合溶剂溶解后, 用含有吐温80(浓度为1 g/L)的水稀释至所需浓度. 空白对照液为V(丙酮)∶V(甲醇)∶V(水)=1∶1∶2, 含吐温80(浓度为1 g/L).

对小菜蛾杀虫活性的测定:将甘蓝叶片用打孔器制成直径1 cm的叶碟, 喷枪喷雾处理压力为68.95 kPa(约0.7 kg/cm2), 每片叶碟正反面喷雾, 喷液量为0.5 mL. 阴干后每片叶碟接入10只2龄试虫, 每片叶碟重复3次. 处理后将叶碟放入25 ℃, 相对湿度为60%～70%的观察室内培养, 72 h后调查存活虫数, 计算死亡率. 按0～100分级, 0表示无活性, 100表示死亡率为100%.

2　结果与讨论

2.1中间体及目标化合物的合成

在合成目标化合物1～3时采用了相同的反应路线, 首先利用Gewald反应, 以丁酮、 氰基乙酸乙酯为原料合成噻吩环, 水解后得到2-氨基-4,5-二甲基噻吩-3-甲酸, 然后与取代吡唑酸或苯甲酸合成苯并噁嗪环, 再与取代胺反应开环得到目标化合物.

2.2目标化合物的表征

2.3目标化合物的生物活性

由表3可知, 对照药剂氯虫苯甲酰胺在600 mg/L浓度下对小菜蛾具有良好的杀虫活性, 在此浓度下部分化合物1对小菜蛾的活性与对照药剂相当. 总体来说, 氯虫苯甲酰胺结构中Ⅱ部分保持吡唑环不变活性最好.

Table 3Insecticidal activity againstPlutellaxylostellaof the target compounds 1

Compd．Mortality(%)600mg/L20mg/L1a100701b100401c100501d100301e100601f100501g100501h10020Chlomtraniliprole100100

在对苯环Ⅰ的部分修饰改造中, 通过生物等排引入噻吩环替换苯环得到化合物1a, 该化合物在600 mg/L剂量下对小菜蛾防效为100%; 在化合物1a的基础上改造Ⅲ部分得到化合物1b～1h, 化合物1b～1h在600 mg/L剂量下对小菜蛾防效均为100%, 但是降低浓度至20 mg/L时, 杀虫活性显著降低, 其中活性最好的化合物1a防效为70%, 明显低于对照药剂氯虫苯甲酰胺. 可见化合物1中Ⅱ部分吡唑环上的卤素氯和溴对活性影响不大, 而Ⅲ部分结构为甲胺时活性最好.

对化合物1的结构进一步优化, 改变化合物1的Ⅱ部分结构为4-吡唑羧酸得到化合物2, 将其变为邻三氟苯甲酸则得到化合物3, 化合物2和3在600 mg/L剂量下对小菜蛾均无防治效果, 表明该类结构中Ⅱ部分的吡唑环对杀虫活性起到关键作用, 为该类化合物的设计提供一定借鉴作用.

另外, 对所合成的化合物进行了杀菌和除草活性测试, 结果表明, 化合物2c和3e在25 mg/L剂量下对水稻稻瘟病菌抑制率分别为80%和100%, 化合物2a在400 mg/L剂量下对黄瓜炭疽病防效达95%. 所有化合物均无除草活性, 可初步推测对作物安全、 无药害.

3　结　　论

通过将噻吩环引入到双酰胺类化合物中, 合成了一系列取代噻吩双酰胺类化合物. 生物活性测试结果表明, 化合物1在600 mg/L下对小菜蛾具有很好的杀虫效果, 而化合物2和3在该浓度下无杀虫活性, 说明该类结构中Ⅱ部分结构中的吡唑环对杀虫活性非常重要. 本文结果对于双酰胺类化合物的创制研究具有一定的指导意义.

[1]Liu C. L.,Chin.J.Pestic., 2005, 44(11), 527(刘长令. 农药, 2005, 44(11), 527)

[2]Li Y., Li M., Chai B. S.,Chin.J.Pestic., 2006, 45(10), 697—699(李洋, 李淼, 柴宝山. 农药, 2006, 45(10), 697—699)

[3]Dong W. L., Xu J. Y., Liu X. H., Zhao W. G., Li Z. M.,Chin.J.Pest.Sci., 2008, 10(2), 178—185(董卫莉, 徐俊英, 刘幸海, 赵卫光, 李正名. 农药学学报, 2008, 10(2), 178—185)

[4]Liu J. B., Li Y. X., Chen Y. W., Wu C. C., Wan Y. Y., Wei W., Xiong L. X., Zhang X., Yu S. J., Li Z. M.,Chem.Res.ChineseUniversities, 2016, 32(1), 41—48

[5]Zhang X. L., Liu A. L., Zhao Y., Xiong L. X., Li Z. M.,Chem.Res.ChineseUniversities, 2013, 29(6), 1134—1139

[6]Zhang X. L., Wang B. L., Mao M. Z., Xiong L. X., Yu S. J., Li Z. M.,Chem.J.ChineseUniversities, 2013, 34(1), 96—102(张秀兰, 王宝雷, 毛明珍, 熊丽霞, 于淑晶, 李正名. 高等学校化学学报, 2013, 34(1), 96—102)

[7]Wu T. T.,Pesticidal5-Amino-4-ethylsulfinyl-1-arylpyrazoles, US 5814652A, 1998-09-29

[8]Guan A. Y., Liu C. L., Yang X. P., Dekeyser M.,Chem.Rev., 2014, 114(14), 7079—7107

[9]LiM., Liu C. L., Zhang J., Wu Q., Hao S. L., Song Y. Q.,PestManag.Sci., 2013, 69(5), 635—641

[10]LiM., Liu C. L., Li L., Yang H., Li Z. N., Zhang H., Li Z. M.,PestManag.Sci., 2010, 66(1), 107—112

[11]LiuC. L., Guan A. Y., Yang J. D., Chai B. S., Li M., Li H. C., Yang J. C., Xie Y.,J.Agric.FoodChem., 2016, 64(1), 45—51

[12]Chai B. S., Liu C. L., Li H. C., He X. M., Luo Y. M., Huang G., Zhang H., Chang J. B.,PestManag.Sci., 2010, 66(11), 1208—1214

[13]Chai B. S., Liu C. L., Li H. C., Liu S. W., Huang G., Song Y. Q., Chang J. B.,PestManag.Sci., 2011, 67(9), 1141—1146

[14]Li H. C., Guan A. Y., Huang G., Liu C. L., Li Z. N., Xie Y., Lan J.,Bioorg.Med.Chem., 2016, 24(3), 453—461

[15]Yang J. C., Li M., Wu Q., Liu C. L., Chang X. H.,Bioorg.Med.Chem., 2016, 24(3), 383—390

[16]Xie Y., Chi H. W., Guan A. Y., Liu C. L., Ma H. J., Cui D. L.,Bioorg.Med.Chem., 2016, 24(3), 428—434

[17]Guan A. Y., Liu C. L., Sun X. F., Xie Y.,Bioorg.Med.Chem., 2016, 24(3), 342—353

[18]Lahm G. P., Selby T. P., Freudenberger J. H., Stevenson T. M.,Bioorg.Med.Chem.Lett., 2005, 15(21), 4898—4906

[19]Coppola G. M.,J.HeterocyclicChem., 1999, 36(3), 563—588

[20]Lahm G. P., Selby T. P., Stevenson T. M.,ArthropodicidalAnthranilamides, WO 03015519A1, 2003-02-27

[21]LahmG. P.,NovelAnthranilamidesUsefulforControllingInvertebratePests, WO 2006023783A1, 2006-03-02

(Ed.:P, H, V, K)

Design, Synthesis and Biological Activity of Novel Substituted Diamides Derivatives Containing Thiophene Ring

LI Lin1,2, LI Miao3, CHAI Baoshan4, YANG Jichun3, SONG Yuquan3, LIU Changling3*

(1. State Key Laboratory of Fine Chemicals, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;2.DepartmentofPharmaceuticalChemistry,HebeiMedicalUniversity,Shijiazhuang050017,China;3.StateKeyLaboratoryoftheDiscoveryandDevelopmentofNovelPesticides,ShenyangSinochemAgrochemicalsR&DCo.Ltd.,Shenyang110021,China;4.ShenyangResearchInstituteofChemicalIndustryCo.Ltd.,Shenyang110021,China)

To discover novel diamide derivatives with high insecticidal activity, a series of new substituted diamide derivatives(1—3) containing thiophene ring was synthesized by introducing thiophene ring to diamide derivatives utilizing intermediate derivatization methods(IDM). The compounds were identified by1H NMR, IR and elemental analysis. Preliminary bioassays indicated that compound 1 exhibited excellent insecticidal activities againstPlutellaxylostellaand showed 100% mortality at 600 mg/L. Compounds 1a and 1e showed above 60% mortality at 20 mg/L. Compounds 2 and 3 attained by changing the pyrazole ring in diamide derivatives have no insecticidal activity, which illustrated that pyrazole ring in diamide derivatives is very important.

Diamide derivative; Thiophene; Insecticidal activity

10.7503/cjcu20160145

2016-03-11. 网络出版日期:2016-08-17.

O626

A

联系人简介:刘长令, 男, 博士, 总工程师, 主要从事新农药创制研究. E-mail:liuchangling@vip.163.com