磺酰氨基氯磺隆的合成、除草活性、作物安全性及其土壤降解研究

武 磊, 李永红, 周 莎, 李正名 , 王忠文

(南开大学 化学学院 元素有机化学国家重点实验室，天津 300071)

0 引言

磺酰脲类除草剂具有活性强、毒性低、用量少、对哺乳动物安全等优点而被广泛应用[1]。其通过抑制乙酰乳酸合成酶 (ALS) 而影响植物体内支链氨基酸生成途径中的第1 个反应，从而抑制杂草生长，并最终导致杂草死亡[2]。

磺酰脲类除草剂对不同作物的敏感性差异很大，在其应用过程中有关杂草对其产生耐药性的问题[3-6]以及其在土壤中的残留药害问题[7-8]已十分突出。1985 年，Anderson 在研究氯磺隆在土壤中的降解时发现，尽管氯磺隆可以选择性地控制冬小麦和大麦田中的阔叶杂草生长，但在其施用3 年后，土壤中残留的氯磺隆仍对玉米和向日葵等下茬作物产生药害[7]。Thirunarayanan 等报道，在20 ℃的条件下，氯磺隆在pH 8.1 的土壤中的降解半衰期为144 d[8]；Fredrickson 等发现在pH 7.5 的土壤中，氯磺隆的降解半衰期为70 d 左右[9]。1989年，Walker 等发现，氯磺隆、甲磺隆和醚苯磺隆等磺酰脲类除草剂在土壤中的残留会对下茬作物(玉米、油菜等) 产生长达一年以上的药害[10]。在中国，氯磺隆、甲磺隆和胺苯磺隆等磺酰脲类除草剂主要用于小麦田，但因其在土壤中的残留已严重影响到下茬作物幼苗的正常生长，故中国农业部从2014 年起已禁止其在田间应用[11]。

本课题组在前期工作中发现，在氯磺隆的苯环5 位引入给电子取代基可以加快其在土壤中的降解速率，其中二甲氨基 (ZSA-IIa) 和二乙氨基(ZSA-IIb) 取代的氯磺隆 (图式1) 保持了较好的除草活性，其在碱性 (pH 8.46) 土壤中的降解半衰期(half-life of degradation，DT50) 分别为3.36 d 和6.25 d，降解速率比氯磺隆 (DT5084.53 d) 大为增加[12-13]；然而，该结构化合物对小麦的安全性较差，会显著抑制小麦的正常生长，其中，ZSA-IIa经苗前处理对小麦的安全性略优于ZSA-IIb[14-15]。

2002 年，拜尔公司研发出了主要用于谷物田的甲酰胺磺隆 (foramsulfuron) 和甲磺胺磺隆(mesosulfuron-methyl) (图式2)，对谷物展现较好的安全性[16-17]。由其结构可以看出，在其苯环均含有5 位取代基团。鉴于此，笔者推测在氯磺隆苯环的5 位引入磺酰氨基可能会提高氯磺隆对作物的安全性。本文选择在碱性土壤环境中降解速率较快的ZSA-IIa 为基础，在其苯环5 位引入不同的磺酰基团，设计合成4 个目标化合物 (设计思想见图式1，合成路线见图式3)，对其结构进行表征，并初步研究其除草活性、在土壤中的降解及其对作物的安全性，以期发现绿色安全的新型磺酰脲除草先导化合物。

图式2 甲酰胺磺隆和甲磺胺磺隆的化学结构式Scheme 2 Structural formula of mesosulfuron-methyl and foramsulfuron

图式3 目标化合物H01～H04 的合成路线Scheme 3 Synthetic route of the title compounds H01-H04

1 材料与方法

1.1 仪器与试剂

X-4 型数字显示显微熔点仪 (温度计未校正，北京泰克仪器有限公司)；Bruker Avance 400 型核磁共振仪 (以TMS 为内标，瑞士Bruker)；Bruker solariX XR 型傅立叶变换高分辨质谱仪 (美国Agilent公司)。合成所用试剂为分析纯，色谱分析所用试剂为色谱纯。TU-1810 紫外-可见光谱仪 (北京普析通用仪器有限公司)；SHIMADZU LC-20AT 高效液相色谱仪 (日本SHIMADZU 公司)；Thermo-Scientific Legend Mach 1.6 R 高速离心机 (美国Thermo Fisher)；SPX-150B-Z 系列生化培养箱 (上海博迅实业有限公司医疗设备厂)。

杂草种子采集自天津农耕田中，包括双子叶植物油菜Brassica napus和反枝苋Amaranthusretroflexus以及单子叶植物稗草Echinochloa crusgalli和马唐Digitaria sanguinalis。

小麦 (济麦22) 和玉米 (新单66) 种子购自天津市华农种子有限公司。

1.2 化合物的合成

1.2.1 中间体7、8、9 和12 的合成 按前期报道方法[18]方法合成中间体7 和12，参考文献方法[18-19]合成中间体8 和9。

1.2.2 目标化合物H01～H04 的合成 向25 mL圆底烧瓶中加入中间体9 (1.90 mmol)、12 (2.00 mmol)、1,8-二氮杂双环[5.4.0]十一碳-7-烯 (DBU)(2.85 mmol) 和15 mL 乙腈，室温下磁力搅拌过夜。薄层层析(TLC，展开剂为V(甲醇) :V(二氯甲烷) = 1 : 10) 监测至反应完全。减压浓缩，添加10 mL 蒸馏水，超声1 min 后，通过硅藻土抽滤，滤液用稀盐酸调节pH = 4，添加20 mL 二氯甲烷萃取，有机相用无水硫酸钠干燥后浓缩，经柱层析 (V(甲醇) :V(二氯甲烷) = 1 : 40) 纯化，干燥后得目标化合物H01～H04。

1-(4-甲基-6-甲氧基-1,3,5-三嗪-2-基)-3-[2-氯-5-(N-甲基-甲磺酰氨基)苯基磺酰基]脲 (H01)：白色固体，收率90%，熔点175～177oC.1H NMR (400 MHz, chloroform-d),δ: 12.86 (s, 1H, NH), 8.18 (s, 1H, Ph-H), 7.72 (d,J= 8.5 Hz,1H, Ph-H), 7.52 (d,J= 8.4 Hz, 1H, Ph-H), 4.06 (s, 3H, OCH3),3.39 (s, 3H, NCH3), 2.89 (s, 3H, SO2CH3), 2.59 (s, 3H, CH3).13C NMR (101 MHz, chloroform-d),δ: 179.24, 170.63, 163.42,148.16, 140.53, 136.51, 134.09, 132.50, 130.32, 128.12, 55.79,37.79, 35.38, 25.49. HRMS (ESI): C14H18ClN6O6S2[M + H]+, 计算值465.041 2, 测试值465.041 1.

1-(4-甲基-6-甲氧基-1,3,5-三嗪-2-基)-3-[2-氯-5-(N-甲基-乙磺酰氨基)苯基磺酰基]脲 (H02)：白色固体，收率87%，熔点98～100oC.1H NMR (400 MHz, chloroform-d),δ:12.82 (s, 1H, NH), 8.18 (s, 1H, Ph-H), 7.73 (d,J= 7.9 Hz, 1H,Ph-H), 7.51 (d,J= 7.9 Hz, 1H, Ph-H), 4.06 (s, 3H, OCH3),3.41 (s, 3H, NCH3), 3.09 (q,J= 7.1 Hz, 2H, CH2CH3), 2.58 (s,3H, CH3), 1.35 (t,J= 6.7 Hz, 3H, CH2CH3).13C NMR (101 MHz, chloroform-d),δ: 179.31, 170.71, 163.40, 148.02,140.77, 136.48, 133.37, 132.41, 129.77, 128.06, 55.77, 44.42,38.08, 25.47, 7.79. HRMS (ESI): C15H20ClN6O6S2[M + H]+,计算值479.056 9, 测试值479.056 5.

1-(4-甲基-6-甲氧基-1,3,5-三嗪-2-基)-3-[2-氯-5-(N-甲基-丙磺酰氨基)苯基磺酰基]脲 (H03)：白色固体，收率90%，熔点86～88oC.1H NMR (400 MHz, chloroform-d),δ:12.81 (s, 1H, NH), 8.17 (d,J= 2.3 Hz, 1H, Ph-H), 7.74 (dd,J= 8.6, 2.3 Hz, 1H, Ph-H), 7.50 (d,J= 8.6 Hz, 1H, Ph-H),4.06 (s, 3H, OCH3), 3.40 (s, 3H, NCH3), 3.00 (t, 2H,CH2CH2CH3), 2.59 (s, 3H, CH3), 1.79-1.89 (m, 2H,CH2CH2CH3), 1.04 (t,J= 7.4 Hz, 3H, CH2CH2CH3).13C NMR(101 MHz, chloroform-d),δ: 179.43, 170.56, 163.45, 148.11,140.72, 136.42, 133.36, 132.41, 129.73, 128.01, 55.80, 51.25,37.91, 25.49, 16.84, 13.00. HRMS (ESI): C16H22ClN6O6S2[M + H]+, 计算值493.072 5, 测试值493.072 1.

1-(4-甲基-6-甲氧基-1,3,5-三嗪-2-基)-3-[2-氯-5-(N-甲基-丁磺酰氨基)苯基磺酰基]脲 (H04)：白色固体，收率84.3%，熔点85～87oC.1H NMR (400 MHz, chloroform-d),δ:12.84 (s, 1H, NH), 8.18 (s, 1H, Ph-H), 7.74 (d,J= 8.3 Hz, 1H,Ph-H), 7.50 (d,J= 8.3 Hz, 1H, Ph-H), 4.06 (s, 3H, OCH3),3.40 (s, 3H, NCH3), 3.02 (t,J= 7.9 Hz, 2H, CH2CH2CH2CH3),2.59 (s, 3H, CH3), 1.78 (t, 2H, CH2CH2CH2CH3), 1.43 (q,J=7.4 Hz, 2H, CH2CH2CH2CH3), 0.93 (t,J= 7.2 Hz, 3H,CH2CH2CH2CH3).13C NMR (101 MHz, chloroform-d),δ:179.37, 170.93, 163.51, 148.08, 140.84, 136.54, 133.57,132.54, 129.87, 128.11, 55.92, 49.46, 38.08, 25.61, 25.05,21.69, 13.64. HRMS (ESI): C17H24ClN6O6S2[M + H]+, 计算值507.088 2, 测试值507.088 0.

1.3 除草活性测试

供试药液的配制：称量1.0 g 乳化剂 (吐温-80)于烧杯中，用20 mL 蒸馏水充分溶解后，再用蒸馏水定容至1 000 mL，制得质量分数为1‰的乳化水溶液，备用。将10.0 mg 供试化合物溶于1 mL的N,N-二甲基甲酰胺 (DMF) 中，制得10.0 mg/mL的测试母液，随后用质量分数为1‰的乳化水溶液稀释至所需浓度，待测。

采用盆栽法[14,18]测定。处理方式为苗前处理和苗后处理，化合物的测试浓度为有效成分15 和150 g/hm2。以氯磺隆作为对照药剂。

1.4 目标化合物对作物安全性测试

采用盆栽法测试目标化合物对小麦和玉米的安全性[14,18]。处理方式为为苗前处理和苗后处理，测试浓度为有效成分30 和60 g/hm2。分别设置目标化合物测试组、空白对照组及氯磺隆对照组。

1.5 目标化合物在土壤中的降解试验

参考文献方法[12-14,18]进行。包括土壤选择、高效液相色谱(HPLC)条件的确定、标准曲线的绘制、添加回收率测定以及目标化合物在土壤中的降解试验。详见本文所附辅助材料。

根据GB/T 31270.1—2014《化学农药环境安全评价试验准则》[20]，试验用土选择河北省沧州市的pH 8.39 的碱性土壤，土壤性质见表1。

表1 土壤分析数据Table 1 Analysis data of soils

2 结果与讨论

2.1 化合物的合成

如图式3 所示的合成路线，化合物1 先经过重氮化反应制成重氮盐，再与亚硫酸氢钠和氯化铜反应，生成磺酰氯。此法制得化合物2 的收率依赖于重氮盐的稳定性，由于温度升高会加快重氮盐分解，故反应过程中要控制在低温环境 (0 ℃以下) 进行。同时，体系中需要保持盐酸过量，盐酸与芳胺投料质量比为3 : 1；否则，在酸不足的情况下，制得的重氮盐易与未反应的芳胺反应，生成偶氮化合物，影响收率。

2.2 化合物的波谱分析

以化合物H03 为例，1H NMR 中，δ12.81 为磺酰脲桥上活泼氢的特征吸收峰 (SO2NHCONH)，δ8.17、7.74 和7.50 为苯环上的3 个氢 (Ph-H)，三嗪杂环上的甲氧基和甲基的氢以单峰形式分别位于δ4.06 和2.59，甲氨基的甲基氢位于δ3.40(NCH3)，δ3.00 为与磺酰基相连的第一个乙基的氢 (CH2CH2CH3)，裂分为三重峰，δ1.79～1.89 处的多重峰为与甲基相连的乙基上的氢 (CH2CH2CH3)，δ1.04 处为甲基氢 (CH2CH2CH3)，裂分为三重峰。

13C NMR 中，一共有16 个碳峰。其中，脂肪族碳峰包括：三嗪环上的甲氧基碳峰 (δ55.80) 与甲基上的碳峰 (δ25.49)，与氨基相连的甲基碳峰(δ37.91) 以及丙磺酰氨基上的3 个丙基碳峰δ51.25 (CH2CHCH3)、16.84 (CH2CHCH3) 和13.00(CH2CHCH3)；芳香族包括苯环上的6 个碳峰和三嗪杂环上的3 个碳峰 (δ170.56, 163.45, 148.11,140.72, 136.42, 133.36, 132.41, 129.73, 128.01)；此外还有1 个脲桥上的羰基碳峰 (δ179.43)。

2.3 化合物的除草活性

除草活性测试结果 (表2) 表明：在15 g/hm2剂量下，苗前处理时，H01 和H02 对油菜的抑制率分别为90.3%和83.5%，与氯磺隆 (94.8%) 相比，保持了一定的除草活性；在150 g/hm2剂量下，苗前处理时，化合物H01、H02 及H04 对油菜的抑制率分别为94.8%、89.5%和85.8%，与氯磺隆 (100%) 相比，保持了一定的除草活性，而相同条件下H01 和H02 对反枝苋的抑制率分别为100%和89.4%，高于对照药剂氯磺隆 (68.8%)。在150 g/hm2的施药剂量下苗后处理时，H04 对油菜和苋菜的抑制率与氯磺隆相当，均达100%，H03和H04 对稗草的抑制率分别为90.7%和85.2%，优于对照药氯磺隆 (68.8%)。

表2 不同处理方式下目标化合物H 在15 g/hm2 和150 g/hm2 测试浓度下的除草活性Table 2 Herbicidal activities of the target compounds H at concentration of 15 g/hm2 and 150 g/hm2 through different treatments

2.4 化合物对作物的安全性

在盆栽条件下，目标化合物对小麦和玉米的安全性测试结果见表3 和表4。由表3 可知，在30 g/hm2的测试浓度下，H01、H03 和H04 通过苗前处理对小麦的抑制率均为0；而苗后处理时，H01、H02 及H04 对小麦的抑制率均为0。在60 g/hm2的测试浓度下，H03 和H04 通过苗前处理对小麦的抑制率均为0；而苗后处理时，H01和H04 对小麦的抑制率均为0，对小麦无抑制作用。综合来看，目标化合物对小麦保持了与对照药剂一致的安全性。

表3 不同处理方式下目标化合物H 在30 g/hm2 和60 g/hm2 测试浓度下对小麦 (济麦22) 的安全性Table 3 Crop safety of the target compounds H at concentration of 30 g/hm2 and 60 g/hm2 on wheat (Jimai 22) through different treatments

表4 不同处理方式下目标化合物H 在30 g/hm2 和60 g/hm2 测试浓度下对玉米 (新单66) 的安全性Table 4 Crop safety of the target compounds H at concentration of 30 g/hm2 and 60 g/hm2 on corn (Xindan 66) through different treatments

由表4 可知，在30 g/hm2的测试浓度下，H01～H04 通过苗前处理对玉米生长的抑制率分别为3.3%、23.1%、4.8% 及2.6%，优于氯磺隆(39.2%)；苗后处理的结果表明，H01～H04 对玉米的抑制率均为0。在60 g/hm2的测试浓度下，H01～H04 通过苗前处理对玉米的抑制率分别为13.4%、25.7%、19.2% 和4.6%，优于氯磺隆(60.7%)；苗后处理的结果表明，H01～H04 对玉米的抑制率均分别为0、2.8%、0 和0.8%，优于氯磺隆 (55.4%)。综合来看，目标化合物对玉米展现较好的安全性。

2.5 化合物在碱性土壤中的降解

目标化合物的HPLC 分析条件及其在土壤中添加回收率测定结果见表5。

表5 目标化合物的HPLC 分析条件及其在土壤中的添加回收率Table 5 HPLC analysis condition and recovery rate of taeget compounds

目标化合物在碱性土壤 (pH=8.39) 中的降解结果见表6。

表6 目标化合物在碱性土壤中的降解Table 6 Degradation results of the target compounds in alkaline soil

化合物H01～H04 在pH 8.39 的土壤中的降解半衰期分别为44.43、46.83、48.47 和53.32 d，与氯磺隆 (157.53 d) 相比明显缩短。根据化合物的结构初步推测，H 系列化合物的降解半衰期受取代磺酰基上碳原子个数的影响，碳原子数越多 (基团体积越大)，降解半衰期越长。

3 结论

本文以氯磺隆分子中苯环5 位的二甲氨基取代结构为基础，在氨基上引入不同磺酰基，设计合成了4 个苯环5 位磺酰氨基取代的氯磺隆衍生物 (H01～H04)，并通过1H NMR、13C NMR 和HRMS 确证了新化合物的结构。初步的除草活性测试结果显示，目标化合物基本保持了较好的除草活性，其中，在150 g/hm2测试浓度下，通过苗前处理，H01 和H02 对苋菜的抑制率优于氯磺隆，而苗后处理时，H03 和H04 对稗草的抑制率超越了氯磺隆。作物安全性测试结果表明，H01～H04在保持对小麦安全性的同时，显著改善了对照药剂氯磺隆对玉米的药害。降解试验结果表明，在碱性土壤中，H01～H04 的降解半衰期相较于氯磺隆明显缩短。综合试验结果，H01 和H04 结构具有较好的除草活性、较快的碱性土壤降解速率以及对小麦和玉米较好的作物安全性，可作为潜在的除草剂候选药物。本文为进一步设计具有高效除草活性、降解速率快以及高作物安全性的新型磺酰脲类除草剂提供了参考。