羟基香茅醛肟及其烷基醚的合成与除草活性

彭 云,肖转泉,廖圣良,范国荣,陈尚钘,王宗德*

(1. 江西农业大学 林学院,国家林业草原木本香料(华东)工程技术研究中心,国家林业草原/江西省樟树工程技术研究中心,江西 南昌 330045； 2. 江西师范大学 化学化工学院,江西 南昌 330027)

肟类化合物是含有羰基的醛酮与羟胺反应生成的产物,其具有良好的生物活性。由于肟分子中有活泼的羟基,可以衍生成肟酯、肟醚类化合物,可被开发成农药产品,如杀虫剂辛硫磷类、灭多威等和除草剂肟草酯、肟草胺等[1-2]，也可应用于抗植物病毒[3-5]、体外抗肿瘤活性[6]和抗乙型肝炎病毒[7]。作者所在课题组在研究松节油和山苍子油的化学加工利用方面,合成得到的莰烯醛肟及其烷基醚[8]、香茅醛肟及其烷基醚[9]对多种植物病原真菌都显示出优良的抑制活性。本研究以山苍子油的主要成分柠檬醛合成得到的羟基香茅醛为原料，先与盐酸羟胺反应合成羟基香茅醛肟,再与4种溴代烷在相转移催化条件下进行醚化反应制得4种羟基香茅醛肟烷基醚,并采用平皿法测试所合成的化合物在不同浓度下对一年生黑麦草的根与茎生长的抑制活性,以期为山苍子油的深加工利用提供新的依据。

1 实 验

1.1 原料、试剂与仪器

一年生黑麦草(LoliumperenneL.)种子,购于南昌市种子批发市场。羟基香茅醛(纯度95%)、盐酸羟胺、四丁基溴化铵(TBAB)、溴乙烷、溴代正丙烷、溴代正丁烷、溴代正戊烷、N、N-二甲基甲酰胺(DMF)、敌草隆等试剂均为市售化学纯。

GC9790型气相色谱仪,浙江温岭福立分析仪器有限公司；HW-2000色谱工作站,上海千谱软件有限公司；Agilent 5977型质谱仪、Agilent 7890气相色谱仪,美国Agilent 公司；Nicolet iS10红外光谱仪,美国赛默飞世尔科技公司；Bruker AVANCE- 400型核磁共振仪,瑞士Bruker 公司；GHP 智能培养箱,上海科学仪器有限公司；YL-100BD 实验室超纯水机,深圳市亿利源水处理设备有限公司；KQ-300DE 型数控超声波清洗器,昆山市超声仪器有限公司。

1.2 羟基香茅醛肟及其烷基醚的合成

1.2.1合成路线 羟基香茅醛(1)与盐酸羟胺反应得到羟基香茅醛肟(2),然后与溴代烷在相转移催化剂四丁基溴化铵作用条件下进行醚化反应,得到4种羟基香茅醛肟烷基醚(3a～3d),合成路线见图1。

图1 羟基香茅醛肟及其烷基醚的合成路线

1.2.2羟基香茅醛肟(2)的合成 在250 mL锥形瓶中放入0.2 mol羟基香茅醛、0.12 mol碳酸钠和50 mL 体积分数为75%的乙醇水溶液，磁力搅拌。将0.22 mol盐酸羟胺溶于40 mL 水中,通过滴液漏斗缓慢滴加至锥形瓶中,约30 min滴完，水浴加热升温至50～60 ℃。10 h 后取样(静置后的上层),石油醚稀释,摇匀后去下层(水),用无水硫酸钠干燥后进行气相色谱分析,若无羟基香茅醛则可结束反应。反应液于旋转蒸发仪上减压蒸除乙醇和部分水,冷却后用石油醚萃取2次(每次50 mL),萃取液合并后用饱和食盐水洗涤,无水硫酸钠干燥,先蒸馏回收溶剂再减压蒸馏得到产品羟基香茅醛肟(2)。

1.2.3羟基香茅醛肟烷基醚(3a～3d)的合成 在150 mL锥形瓶中加入0.05 mol羟基香茅醛肟(2),40 mL 石油醚,6 g质量分数为40%的氢氧化钠溶液,0.15～0.20 mol溴代烷,0.5 g四丁基溴化铵,搅拌并加热回流。10 h后取有机层液体进行气相色谱分析。当有机层中含羟基香茅醛肟低于5%时可停止加热,冷却后分出水层,有机层经食盐水洗涤,无水硫酸钠干燥,先蒸馏回收溶剂,再减压蒸馏得到目标化合物3a～3d。

1.3 化合物结构分析

1.3.1GC-MS分析 色谱柱采用Agilent HP-5 mS 型毛细管柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm)。试样溶解于甲醇,每次进样量约为5 μL,气化室温度240 ℃,质谱接口温度250 ℃,EI 离子源,EI 电离电压70 eV,离子源温度230 ℃,四极杆温度150 ℃。程序升温:80 ℃保持2 min 后以升温速率8 ℃/min升温至180 ℃,再以升温速率10 ℃/min升温至240 ℃保持15 min。

1.3.2红外光谱分析 通过液膜法制备红外分析样品,在红外光谱仪上分析，其中分辨率4 cm-1,波数范围为400～4000 cm-1。

1.3.3核磁共振分析 以TMS为内标,CDCl3为溶剂在核磁共振仪上分析,1H NMR频率为400 MHz,13C NMR 频率为100 MHz。

1.4 化合物除草活性测试

1.4.1种子萌发 选取颗粒饱满的一年生黑麦草种子放在烧杯中,种子数量由实际情况而定,向杯中倒入蒸馏水至浸没种子。然后将烧杯置于智能培养箱中,在28 ℃下避光培养24 h使种子吸水萌发[10-11]。

1.4.2含药溶液的配制 准确称取2 mmol的羟基香茅醛肟于200 mL容量瓶中,依次加入0.25 mL DMF和1～2滴吐温80(促进样品溶解),用蒸馏水定容至刻度线,得10 mmol/L的样品溶液。取100 mL 配制的溶液作为试样,剩余100 mL溶液作为母液,然后吸取一定量的母液采用二倍稀释法依次制得浓度为5.00、 2.50、 1.25、 0.63、 0.31、 0.16 mmol/L的羟基香茅醛肟溶液,备用。

同法配制羟基香茅醛肟烷基醚、阳性对照试剂敌草隆溶液。对于加入DMF和吐温80后仍不大溶解的样品液,则进行水浴加热或者超声波处理,使样品在溶液中分布均匀。

1.4.3除草活性测试 采用平皿法[12-13]测试化合物的除草活性,具体操作如下:取两张定性滤纸(φ9 cm)置于培养皿(φ9 cm)底部,用10 mL移液枪分别取8 mL配置好的样品溶液于培养皿中,用镊子取已萌发的种子10粒置于滤纸上,种子之间间隔均匀适中,每个样品每个浓度重复做3组；以加入等量的蒸馏水、DMF和吐温80混合液的样品作为空白对照组。将做了处理的培养皿贴好标签,置于恒温培养箱中28 ℃黑暗培养。将培养3 d后的种子取出,测量种子幼根及幼芽的生长长度(即根长和茎长),取3组平行实验的平均值,按下式计算出化合物对种子的根的生长抑制率及茎的生长抑制率[14-15]。

2 结果与分析

2.1 化合物结构表征

2.2 羟基香茅醛肟及其烷基醚的除草活性

6个化合物在不同浓度下对一年生黑麦草根的生长抑制率和茎的生长抑制率结果见表1。

表1 不同浓度时化合物对一年生黑麦草根与茎的生长抑制率

从表1数据可以看出，羟基香茅醛肟的乙基醚(3a)、正丙基醚(3b)、正丁基醚(3c)、正戊基醚(3d)对一年生黑麦草根的生长抑制率较高,化合物3b浓度为0.31 mmol/L、3c浓度为0.63 mmol/L、3d和3a浓度为2.50 mmol/L时的抑制率均高于阳性对照试剂敌草隆浓度为10.00 mmol/L时的抑制率(94.1%),说明羟基香茅醛肟的乙基醚、正丙基醚、正丁基醚和正戊基醚对黑麦草根生长的抑制效果很好。

从表1数据还可以看出，羟基香茅醛肟的正丙基醚(3b)、正丁基醚(3c)、正戊基醚(3d)对黑麦草茎的生长抑制效果最好,化合物3b浓度为0.31 mmol/L、化合物3c浓度为0.63 mmol/L和化合物3d浓度为0.31 mmol/L时的抑制率均高于敌草隆浓度为10.00 mmol/L时的抑制率(88.10%),化合物2和羟基香茅醛肟乙基醚(3a)在浓度较高(5～10 mmol/L)时对黑麦草茎的生长也有很好的抑制作用,抑制率高于同浓度的敌草隆。

3 结 论

3.1由羟基香茅醛与盐酸羟胺合成了羟基香茅醛肟(2),然后分别与溴乙烷、溴丙烷、溴丁烷和溴戊烷反应合成得到4种羟基香茅醛肟的烷基醚(3a～3d),经GC-MS、FT-IR、1H NMR和13C NMR对化合物结构进行确证。

3.2采用平皿法测定了5种目标化合物在不同浓度下对一年生黑麦草根与茎生长的抑制率,结果表明：羟基香茅醛肟的正丙基醚(3b)、正丁基醚(3c)对黑麦草根与茎的生长抑制效果最好,低药液浓度(0.31～0.63 mmol/L)时的抑制率在85%以上,并且在0.63 mmol/L时的抑制率高于阳性对照物敌草隆在高浓度(10 mmol/L)时的抑制率。