哌啶并咪唑啉二酮类化合物的除草活性研究

2022-04-02杨辉斌

世界农药 2022年3期

刘克，张帆，杨辉斌，李斌

(沈阳中化农药化工研发有限公司新农药创制与开发国家重点实验室，辽宁沈阳 110021)

根据Phillips McDougall公司的数据统计，2019年全球作物用农药市场的销售额为598.27亿美元，其中除草剂销售额为261.75亿美元，占全球作物用农药市场的43.8%，是全球农药市场第一大产品类型[1]。

原卟啉原氧化酶(PPO)是叶绿素和血红素生物合成途径中的最后一种酶，能将原卟啉原IX催化氧化成原卟啉IX[2]。PPO抑制剂可抑制原卟啉原氧化酶的活性，导致原卟啉原IX不能氧化为原卟啉IX，大量积累的原卟啉原 IX流入到细胞质并在其中氧化为原卟啉IX，原卟啉IX在光和氧条件下产生单线态氧破坏细胞膜结构，最终造成植物死亡。PPO抑制剂具有高效、低毒、安全的作用特点[3]，是新型除草剂研发中的重点和热点。20世纪60年代开发的二苯醚类除草剂是最早出现的 PPO抑制剂，1970-1980年期间，PPO抑制剂被大量研究[4]，其结构类型主要包括二苯醚类和其他 PPO抑制剂两大类，其中1-杂环基-2,4,5-四取代苯类是其他PPO抑制剂中最主要的一类。自1969年第一个四取代苯类化合物噁草酮推广上市以来，目前已有20多个四取代苯类化合物进入产业化开发阶段，如丙炔氟草胺、氟噻乙草酯、三氟草嗪等。四取代苯类除草剂具有除草活性高、用量低、杀草谱广的优点，值得对其进行深入的研究与开发。

本课题组前期考察了不同的 1-位杂环基对四取代苯类化合物的除草活性的影响，其中 2-[2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基]-四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H, 5H)-二酮(a)、2-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-四氢-[1,2,4]三唑并[1,2-a]哒嗪-1,3(2H)-二酮(b)、2-[2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基]-4,5,6,7-四氢异吲哚-1,3(2H)-二酮(c)、1-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-哌啶-2,6-二酮(d)和 3-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-1-甲基-6-三氟甲基-2,4-(1H,3H)-嘧啶二酮(e)的除草活性较高[5](图1)。因为哌啶并咪唑啉二酮杂环易制得且原料成本低，所以本文选取化合物a为先导，对苯环5-位取代基部分进行变化，考察5-位取代物对苘麻生长的抑制活性，总结构效关系，为发现高除草活性的PPO抑制剂提供参考。结构通式如图2所示：

图1 高活性四取代苯类化合物

图2 哌啶并咪唑啉二酮类化合物的设计

化合物的合成路线如图3所示。

图3 哌啶并咪唑啉二酮类化合物的合成路线

以 2-氟-4-氯-5-硝基苯酚和 2-氟-4-氯-5-硝基苯甲酸为起始原料，经取代、硝基还原，制备异氰酸酯，环合得到目标化合物。

1 试验部分

1.1 仪器

Mercury 300核磁共振仪(TMS为内标，美国瓦里安公司)；VG ZAB-HS质谱仪、旋光仪Autopol VI(美国鲁道夫公司)；X4型显微熔点仪(北京第三光学仪器厂)，温度计未经校正。

1.2 试剂

试剂均为市购分析纯。层析硅胶(GF245)薄板(涤纶片基，5×10 cm，浙江省台州市路桥四甲生化塑料厂)；快速柱层析用硅胶(ZCX-II，粗孔，100～140目，青岛海洋化工厂)。

1.3 旋光测试

采用钠光谱的D线(589 nm)测定旋光度，测定管长度为1 dm，测定温度为20 ℃。称取1.0 g样品用丙酮配成浓度0.1 g/mL的供试溶液，将测定管用供试溶液冲洗数次，缓缓注入供试溶液，置于旋光计内检测读数，即得供试液的旋光度。用同法读取旋光度3次，取3次的平均数，按照下列公式计算，即得供试品的比旋度。

式中：[α]为比旋光度；D为钠光谱的D线；t为测定时的温度，℃；l为测定管长度，dm；a为测得的旋光度；c为溶液浓度，g/100 mL。

1.4 合成方法

1.4.1 2-(4-氯-5-乙氧基-2-氟苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(I-1)的制备

向反应瓶中加入 2-氯-4-氟-5-硝基苯酚(1.0 g,5.2 mmol)、DMF (20 mL)、碳酸钾(0.9 g, 6.2 mmol)，滴加溴乙烷(0.6 g, 5.2 mmol)，室温反应6 h，向反应液中加入乙酸乙酯(20 mL)和水(20 mL)萃取分液，有机相用饱和氯化钠溶液(10 mL)洗涤，无水硫酸镁干燥，减压蒸尽溶剂，得黄色固体，直接用于下一步。向反应瓶中加入 1-氯-2-乙氧基-5-氟-4-硝基苯(1.1 g, 5.0 mmol)、水合氯化亚锡(2.8 g, 12.5 mmol)、乙酸乙酯(20 mL)，回流搅拌1 h，向反应液中加入氢氧化钠水溶液调节pH为7，过滤，滤液用乙酸乙酯和水萃取，有机相用饱和氯化钠溶液(10 mL)洗涤，无水硫酸镁干燥，减压蒸尽溶剂，得黑色固体，直接用于下一步。向反应瓶内加入 4-氯-5-乙氧基-2-氟苯胺(0.9 g, 5.0 mmol)、甲苯(20 mL)、三乙胺(0.8 g, 7.5 mmol)，在冰浴冷却条件下缓慢滴加三光气(0.7 g, 2.5 mmol)的甲苯溶液，加热回流3.5 h，减压蒸尽溶剂，直接用于下一步。向反应瓶内加入2-哌啶甲酸乙酯(0.9 g, 5.5 mmol)、二氯甲烷(20 mL)、三乙胺(1.0 g, 10.0 mmol)，滴加1-氯-2-乙氧基-5-氟-4-异氰酸酯苯的二氯甲烷溶液(5 mL)。室温搅拌1 h，向反应液中加入二氯甲烷(25 mL)，分别用水(20 mL)、饱和碳酸氢钠溶液(20 mL)、饱和氯化钠溶液(20 mL)洗涤，有机相无水硫酸镁干燥，减压抽滤，减压蒸尽溶剂，残余物柱色谱提纯(淋洗液：乙酸乙酯/石油醚=1/3)，得黄色黏液1.6 g，纯度98% (美国化学文摘登录号：85113-28-6[6])，收率95%。1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.28 (d,J=9.0 Hz,1H), 6.83 (d,J=6.0 Hz, 1H), 4.27～4.23 (m, 1H), 4.07(q,J=7.2 Hz, 2H), 3.98～3.96 (m, 1H), 2.95～2.90 (m,1H), 2.33-2.29 (m, 1H), 2.09～2.06 (m, 1H), 1.82～1.79(m, 1H), 1.60～1.47 (m, 3H), 1.46 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

按上述操作，分别制得化合物(I-2至I-5)。其物性及核磁数据如下：

2-(2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)乙酸乙酯(I-2)：黄色黏液(美国化学文摘登录号：101650-26-4[7])，收率80%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.31 (d,J=9.0 Hz, 1H), 6.86 (d,J=6.6 Hz, 1H), 4.67 (s, 2H), 4.27 (q,J=7.2 Hz, 2H), 4.26～4.22 (m, 1H), 3.98～3.95 (m, 1H),2.96～2.89 (m, 1H), 2.32～2.29 (m, 1H), 2.09～2.04 (m,1H), 1.82～1.80 (m, 1H), 1.60～1.45 (m, 3H), 1.29 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

2-(2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)丙酸乙酯(I-3)：黄色黏液，收率 78%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.28(d,J=9.0 Hz, 1H), 6.87～6.85 (m, 1H), 4.72～4.68 (m,1H), 4.26～4.19 (m, 3H), 3.97～3.94 (m, 1H), 2.94～2.89(m, 1H), 2.31～2.29 (m, 1H), 2.09～2.04 (m, 1H),1.82～1.79 (m, 1H), 1.67 (d,J=6.6 Hz, 3H), 1.61～1.44(m, 3H), 1.26～1.23(m, 3H)。

(2S)-2-(2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)丙酸乙酯(I-4)：黄色黏液，[α]D20=-1.78 (c10, 丙酮)，收率 91%；1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.28 (d,J=9.0 Hz, 1H),6.88～6.86 (m, 1H), 4.72～4.68 (m, 1H), 4.26～4.19 (m,3H), 3.96～3.94 (m, 1H), 2.94～2.89 (m, 1H), 2.31～2.28(m, 1H), 2.09～2.04 (m, 1H), 1.82～1.79 (m, 1H), 1.67 (d,J=6.6 Hz, 3H), 1.61～1.44 (m, 3H), 1.26～1.23(m, 3H)。

(2R)-2-(2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)丙酸乙酯(I-5)：黄色黏液，[α]D20= +1.34 (c10, 丙酮)，收率73%；1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.28 (d,J=9.0 Hz, 1H),6.87～6.85 (m, 1H), 4.72～4.68 (m, 1H), 4.26～4.19 (m,3H), 3.96～3.94 (m, 1H), 2.94～2.89 (m, 1H), 2.31～2.28(m, 1H), 2.09～2.04 (m, 1H), 1.82～1.79 (m, 1H), 1.67 (d,J= 6.6 Hz, 3H), 1.60～1.44 (m, 3H), 1.26～1.23(m, 3H)。

1.4.2 2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸乙酯(I-6)的合成

向反应瓶中加入2-氯-4-氟-5-硝基苯甲酸(1.1 g,5.2 mmol)、二氯甲烷(20 mL)、EDCI (2.0 g, 10.4 mmol)、DMAP (0.1 g, 1.0 mmol)，滴加乙醇(0.2 g, 5.2 mmol)，室温反应4 h，向反应液中加入二氯甲烷(20 mL)，分别用水(20 mL)、饱和碳酸氢钠溶液(20 mL)和饱和氯化钠溶液(20 mL)洗涤，有机相无水硫酸镁干燥，减压蒸尽溶剂，得黄色固体，直接用于下一步。向反应瓶中加入 2-氯-4-氟-5-硝基苯甲酸乙酯(1.2 g,5.0 mmol)、铁粉(0.8 g, 15.0 mmol)、乙醇(20 mL)、四氢呋喃(10 mL)，在冰浴冷却条件下缓慢滴加37%盐酸(3.0 g, 30.0 mmol)。室温搅拌2 h后减压蒸尽溶剂，加入乙酸乙酯(20 mL)和水(40 mL)萃取分液，有机相用饱和氯化钠溶液(10 mL)洗涤，无水硫酸镁干燥，减压蒸尽溶剂，得棕色固体，直接用于下一步。向反应瓶内加入2-氯-4-氟-5-氨基苯甲酸乙酯(1.1 g,5.0 mmol)、甲苯(20 mL)、三乙胺(0.8 g, 7.5 mmol)，在冰浴冷却条件下缓慢滴加三光气(0.7 g, 2.5 mmol)的甲苯溶液，加热回流3.5 h，减压蒸尽溶剂，直接用于下一步。向反应瓶内加入2-哌啶甲酸乙酯(0.9 g,5.5 mmol)、二氯甲烷(20 mL)、三乙胺(1.0 g, 10.0 mmol)，滴加2-氯-4-氟-5-异氰酸酯苯甲酸乙酯的二氯甲烷溶液(5 mL)。室温下搅拌1 h，向反应液中加入二氯甲烷(25 mL)，分别用水(20 mL)、饱和碳酸氢钠溶液(20 mL)和饱和氯化钠溶液(20 mL)洗涤，有机相无水硫酸镁干燥，减压抽滤，减压蒸尽溶剂，残余物柱色谱提纯(淋洗液：乙酸乙酯/石油醚=1/3)，得白色固体 1.5 g，纯度 98%，m.p.100～102 ℃(lit.102～103 ℃[8]，美国化学文摘登录号：91623-94-8 )，收率 79%。1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 7.91 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.36 (d,J=9.0 Hz, 1H), 4.38 (q,J=7.2 Hz, 2H), 4.27～4.24 (m, 1H), 4.00～3.98 (m, 1H),2.96～2.91 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.09～2.06 (m,1H), 1.83～1.80 (m, 1H), 1.61～1.47 (m, 3H), 1.39 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

按上述操作，分别制得化合物(I-7至I-11)。其物性及核磁数据如下：

2-乙氧基-2-氧乙基 2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-7)：黄色黏液，收率85%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 8.05 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.39 (d,J= 9.0 Hz, 1H),4.83 (t,J=16.2 Hz, 2H), 4.26 (q,J=7.2 Hz, 2H),4.27～4.23 (m, 1H), 4.00～3.98 (m, 1H), 2.96～2.91 (m,1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.09～2.06 (m, 1H), 1.83～1.80(m, 1H), 1.60～1.47 (m, 3H), 1.30 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

1-乙氧基-1-氧丙烷-2-基 2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-8)：黄色黏液，收率66%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 8.00 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.37 (d,J=9.0 Hz, 1H),5.31 (q,J=7.2 Hz, 1H), 4.27～4.21 (m, 3H), 4.01～3.98(m, 1H), 2.96～2.91 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H),2.09～2.07 (m, 1H), 1.83～1.81 (m, 1H), 1.62(d,J=7.2 Hz,3H), 1.59～1.48 (m, 3H), 1.29 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

(S)-1-乙氧基-1-氧代丙烷-2-基 2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-9)：黄色黏液，[α]D20=-2.41(c10, 丙酮)，收率70%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 8.00 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.37 (d,J=9.0 Hz, 1H), 5.31 (q,J=7.2 Hz, 1H), 4.27～4.21 (m, 3H), 4.00～3.98 (m, 1H),2.96～2.91 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.09～2.07 (m,1H), 1.83～1.81 (m, 1H), 1.62(d,J=7.2 Hz, 3H),1.59～1.48 (m, 3H), 1.29 (t,J=7.2 Hz, 3H)。

(R)-1-乙氧基-1-氧代丙烷-2-基 2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-10)：黄色黏液，[α]D20= +1.20 (c10, 丙酮)，收率 68%；1H NMR (600 MHz, CDCl3)δ(ppm): 8.00 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.37 (d,J=9.0 Hz, 1H), 5.31 (q,J=7.2 Hz, 1H), 4.27～4.21 (m, 3H), 4.00～3.98 (m, 1H),2.96～2.91 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.09～2.07 (m,1H), 1.83～1.81 (m, 1H), 1.62 (d,J=7.2 Hz, 3H),1.58～1.47 (m, 3H), 1.29 (t,J= 7.2 Hz, 3H)。

1-乙氧基-2-甲基-1-氧丙烷-2-基 2-氯-5-(1,3-二氧六氢咪唑[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-11)：黄色黏液，收率 22%；1H NMR (600 MHz,CDCl3)δ(ppm): 7.89 (d,J=7.8 Hz, 1H), 7.36 (d,J=9.6 Hz, 1H), 4.27～4.20 (m, 3H), 4.01～3.98 (m, 1H),2.95～2.92 (m, 1H), 2.33～2.30 (m, 1H), 2.10～2.07 (m,1H), 1.83～1.81 (m, 1H), 1.69(s, 6H), 1.61～1.47 (m,3H), 1.26 (t,J=4.2 Hz, 3H)。

1.5 除草活性的测试

按设计剂量，分别称取1～8 mg供试样品于称量瓶中，加入1 mL丙酮使其充分溶解，然后加入含有1‰吐温80的静置自来水，搅拌均匀后得到所需浓度的样品溶液。以丙酮/水(1/3，含1‰吐温80)的处理作为空白对照。

将定量的苘麻种子分别播种于直径为 7 cm的装有营养土的纸杯中，播后覆土1 cm。种子发芽并生长 10～21 d，是处理前具有一系列生育阶段的试材。然后选择大小、生育阶段一致的试材，于 2～3叶期进行处理，处理后置于温室并浇水。试验用Airbrush喷雾机进行处理(喷液量100 mL/m2)。试验设3次重复。处理后置于温室按常规方法培养，定期观察苘麻的生长发育情况。于处理后15 d目测调查供试药剂对苘麻的抑制生长效果，0为无抑制，100%为完全抑制。结果见表1。