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六甲基六元瓜環(huán)與紫精衍生物作用體系及其除草活性研究

2012-04-29 22:54:40呂利賓祝黔江
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2012年14期

呂利賓 祝黔江

摘要:以紫精衍生物為研究對(duì)象,利用核磁共振技術(shù)、紫外吸收光譜和循環(huán)伏安法等方法,發(fā)現(xiàn)六甲基六元瓜環(huán)包結(jié)了紫精衍生物的烷基部分,形成2∶1比例的啞鈴型包結(jié)配合物。結(jié)果表明,隨著紫精衍生物烷基鏈的增長(zhǎng),紫精衍生物對(duì)雜草的除草活性依次減弱,且六甲基六元瓜環(huán)可增強(qiáng)紫精衍生物的除草活性。

關(guān)鍵詞:紫精衍生物;六甲基六元瓜環(huán);1H核磁共振技術(shù);除草活性

中圖分類號(hào):S451.2;TB383文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):0439-8114(2012)14-3076-04

Study on Interaction Systems of Viologen Derivatives with Methyl Substituted Cucurbituril and their Weeding Activity

L?譈 Li-bina,ZHU Qian-jiangb

(a. Key Laboratory of Macrocyclic and Supramolecular Chemistry of Guizhou Province; b. Institute of Applied Chemistry, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Abstract: Six methyl substituted Cucurbit[6]uril (HMeQ[6]) was selected as a host while 4,4-bypyridyl derivatives (PCn) were selected as guests, and the interaction between HMeQ[6] and PCn was analyzed by 1H NMR, electronic absorption spectroscopy and cyclic voltammetry methods. The results revealed that HMeQ[n]s included the alkyl moieties of PCn and formed dumbbell like inclusion complexes at the ratio of 1∶2. The experiments for weeding activity of PCn and HMeQ[6]-PCn revealed the increase of alkyl moieties of PCn had an adverse contribution on its weeding activity. It was suggested that HMeQ[6] played the role of asynergistic agent in this process.

Key words: 4,4-bypyridyl derivatives; six methyl substituted cucurbit[6] uril; 1H NMR; weeding activity

瓜環(huán)(Cucurbit[n]uril, 簡(jiǎn)寫為Q[n])是繼冠醚、環(huán)糊精、杯芳烴之后備受矚目的一類人工合成新型大環(huán)主體分子[1-3]。其在分子識(shí)別、超分子催化以及分子組裝等領(lǐng)域得到了廣泛研究,但在藥物學(xué)領(lǐng)域關(guān)注較少,僅在鉑類抗癌藥物中開(kāi)展了相關(guān)研究。2005年Jeon等[1]研究了草酸鉑和七元瓜環(huán)(Q[7])的相互作用,草酸鉑與Q[7]形成1∶1的包結(jié)物增加了藥物的穩(wěn)定性,導(dǎo)致鳥(niǎo)苷和L-蛋氨酸的反應(yīng)有所降低,從而草酸鉑的抗腫瘤活性有所降低。另外雙核鉑金復(fù)合物[4]的聯(lián)吡唑環(huán)進(jìn)入Q[7]的空腔,使得鉑金藥物和鳥(niǎo)苷反應(yīng)速率減小,也能夠降低藥物毒性。2007年Day[5]系統(tǒng)地研究了3種鉑復(fù)合物與不同瓜環(huán)的包結(jié)反應(yīng),其中Q[6]、Q[7]和Q[8]使得鉑復(fù)合物的細(xì)胞毒性分別增加了2.5倍、減少和基本不變,但對(duì)農(nóng)藥分子的相關(guān)研究未見(jiàn)報(bào)道。4,4-聯(lián)吡啶衍生物(又名紫精,簡(jiǎn)寫為PCn)是一類廣譜性的聯(lián)吡啶除草劑(Bipyridylium Herbicide),可防除多種單雙子葉雜草,為非選擇性除草劑[6]。對(duì)稱四甲基六元瓜環(huán)與紫精衍生物形成包結(jié)化合物[7,8]后,瓜環(huán)能夠改變其氧化還原能力[9]。該試驗(yàn)選擇紫精衍生物作為研究對(duì)象,利用核磁共振技術(shù)、紫外吸收光譜和循環(huán)伏安法等方法,考察六甲基六元瓜環(huán)(HMeQ[6])和PCn的相互作用,包括:包結(jié)狀態(tài)、包結(jié)比、作用位點(diǎn),通過(guò)研究包結(jié)配合物和PCn對(duì)紫菀草(Aster tataricus L. F)、青蒿草(Artemisa annua)和黃鵪菜(Youngia japonica)的除草活性,分析HMeQ[6]對(duì)PCn除草活性的影響。

1材料與方法

1.1主要試劑與儀器

六甲基六元瓜環(huán)(HMeQ[6])由貴州大學(xué)應(yīng)用化學(xué)研究所合成[10]。4,4-聯(lián)吡啶購(gòu)于深圳邁瑞爾技術(shù)有限公司,按文獻(xiàn)[11]合成紫精衍生物,六甲基六元瓜環(huán)與紫精衍生物的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

VARIAN INOVA-400核磁共振儀(Varian公司,美國(guó)),SARTIUS型電子天平,BASI-100A電化學(xué)分析儀(分析生物系統(tǒng)公司,美國(guó))。

1.2方法

1.2.11H NMR測(cè)定1H NMR譜在VARIAN INOVA-400M核磁共振儀20 ℃下測(cè)定,氘代水為溶劑。

1.2.2紫外吸收光譜和循環(huán)伏安曲線測(cè)定分別配制2.00×10-3 mol/L PCn溶液和1.00×10-3 mol/L HMQ[6]溶液,然后分別移取一定體積的上述兩種溶液于25 mL容量瓶中,用水定容后配制成客體(PCn)與HMQ[6]不同濃度比的工作試液(3.00×10-5 mol/L的PCn溶液用于紫外吸收光譜分析,2.40×10-4 mol/L的PCn溶液用于循環(huán)伏安法分析),超聲15 min后,在室溫下測(cè)定各工作試液的紫外吸收光譜和循環(huán)伏安曲線,掃描速率0.2 V/s。

1.2.3除草活性的測(cè)定稱取一定量的PCn和HMeQ[6],超聲震蕩使固體全部溶解,配制成HMeQ[6] 與PCn的包結(jié)比為2∶1的包結(jié)配合物母液(記為PC2-2HMeQ[6]),稀釋配制1×10-3 mol/L和1×10-4 mol/L工作液各30 mL。試驗(yàn)設(shè)10組,包括8?jìng)€(gè)樣品組和2個(gè)對(duì)照組,設(shè)2個(gè)平行。每組試驗(yàn)面積為0.3 m×0.3 m,隨機(jī)排列。用小噴霧器定向噴霧,噴施7 d后觀察。施藥前調(diào)查小區(qū)雜草株數(shù),施藥后觀察防效。株防效=[(對(duì)照區(qū)雜草株數(shù)-處理區(qū)雜草株數(shù))/對(duì)照區(qū)雜草株數(shù)]×100%。雜草選擇紫菀草、青蒿草和黃鵪菜。清水和1×10-3 mol/L HMeQ[6]為對(duì)照。

2結(jié)果與討論

2.1HMeQ[6]與PCn的1H NMR

在PC2(2a)、HMeQ[6](c)以及其混合物(2b)的氫譜中,質(zhì)子峰1和2分別屬于4,4-聯(lián)吡啶環(huán)上的氫原子,質(zhì)子峰3和4屬于乙基上3和4位的氫原子。將HMeQ[6]加入PC2溶液中,PC2上氫的質(zhì)子峰都沒(méi)有變化,表明HMeQ[6]對(duì)PC2上所有氫的化學(xué)環(huán)境都未發(fā)生變化,HMQ6與PC2之間不存在相互作用,另外,在HMeQ[6]與PC1或者PC3之間也未觀測(cè)到相互作用。

在圖3中,質(zhì)子峰1和2分別為4,4-聯(lián)吡啶環(huán)上的氫原子,質(zhì)子峰4~6分別為正己基上4~6位氫原子,當(dāng)PC4溶液中加入HMeQ[6]后,HMeQ[6]改變了PC4周圍的化學(xué)環(huán)境,吡啶核上2位氫原子的質(zhì)子峰2向低場(chǎng)移動(dòng),而正己基上3~6位氫原子的質(zhì)子峰3~6向高場(chǎng)移動(dòng),說(shuō)明PC4的正丁基被包結(jié)于HMeQ[6]的內(nèi)腔,受瓜環(huán)內(nèi)腔的屏蔽作用而向高場(chǎng)移動(dòng),吡啶核上2位氫原子處于HMeQ[6]端口而向低場(chǎng)移動(dòng)。另外,PC4和HMeQ[6]上氫原子的積分強(qiáng)度表明包含物中兩種物質(zhì)的物質(zhì)量比例為HMeQ[6]∶PC4=2∶1,故推斷HMeQ[6]包結(jié)PC4的正丁基部分,形成比例為2∶1的啞鈴型包結(jié)配合物(記為2HMeQ[6]-PC4)。同樣,通過(guò)1H NMR譜圖,也觀察到HMeQ[6]與PC5或者PC6之間存在相互作用,形成作用比例為2∶1的啞鈴型包結(jié)配合物,相互作用的位點(diǎn)在PC5和PC6的烷基上。

2.2HMeQ[6]與PCn之間的紫外吸收光譜

由圖4a可知,當(dāng)HMeQ[6]/PC5的摩爾比小于2.0時(shí),吸光度隨摩爾比增大而呈上升趨勢(shì),表明HMeQ[6]與PC5存在相互作用。當(dāng)摩爾比大于2時(shí),作用體系的吸光強(qiáng)度基本不變,表明HMeQ[6]與PC5的相互作用達(dá)到平衡,可推斷HMeQ[6]與PC5形成摩爾比為2∶1的啞鈴型包結(jié)配合物,該結(jié)果與1H NMR測(cè)定結(jié)果相一致。通過(guò)比較1H NMR譜圖和紫外-可見(jiàn)吸收光譜,PC4,PC5和PC6的譜圖基本一致。

由圖4b可知,當(dāng)HMeQ[6]/PC3的摩爾比小于2.0時(shí),吸光度隨摩爾比的增大而呈上升趨勢(shì),表明HMeQ[6]與PC5之間存在相互作用。當(dāng)摩爾比大于2時(shí),作用體系的吸光度基本不變,這表明HMeQ[6]與PC5之間的相互作用達(dá)到平衡,HMeQ[6]與PC3也可形成2∶1的包結(jié)配合物,但該結(jié)果與1H NMR結(jié)果不一致。其原因可能是PC3的丙基比PC4、PC5和PC6的烷基短,HMeQ[6]與PC3形成的包結(jié)配合物不穩(wěn)定。

由圖5a可知,當(dāng)HMeQ[6]/PC1的摩爾比小于2.0時(shí),吸光值隨著摩爾比的增大而呈下降趨勢(shì),這表明HMeQ[6]與PC1之間存在相互作用,這可能是PC1烷基鏈短,HMeQ[6]與PC1之間的相互作用最弱,形成包結(jié)配合物最不穩(wěn)定。當(dāng)摩爾比大于2時(shí),吸光值基本不變,這表明HMeQ[6]與PC1之間的相互作用達(dá)到平衡,初步推斷HMeQ[6]與PC1也形成2∶1的包結(jié)配合物,但該結(jié)果與1H NMR測(cè)定結(jié)果不一致。其原因可能也是PC1中的烷基鏈短,形成的包結(jié)配合物不穩(wěn)定;圖5b也可推測(cè)HMeQ[6]與PC2形成2∶1的包結(jié)配合物。

根據(jù)文獻(xiàn)方法[12],計(jì)算出HMeQ[6]對(duì)PCn(1, 2,3,4,5,6)的包結(jié)常數(shù)K分別為1.4×106、2.8×106、7.5×106、3.2×107、6.5×107和 7.7×107 L/mol。

當(dāng)紫精衍生物中烷基為甲基、乙基和丙基時(shí),通過(guò)紫外吸收光譜方法能夠觀察到其與HMeQ[6]的相互作用,當(dāng)烷基是丁基、戊基和己基時(shí),通過(guò)紫外吸收光譜和1H NMR都表明紫精衍生物均可與HMeQ[6]形成2∶1的包結(jié)配合物,包結(jié)常數(shù)隨著PCn碳鏈的縮短而降低。

2.3HMeQ[6]與PCn的循環(huán)伏安曲線

由圖6可知,隨著HMeQ[6]加入量的增加,PC4溶液的循環(huán)伏安曲線上還原電位的峰高降低,其原因是包結(jié)物(2HMeQ[6]/PC4)的擴(kuò)散系數(shù)比PCn小[13],表明PC4與HMeQ[6]之間存在相互作用,其中PC4的第一級(jí)還原電位(峰1)基本沒(méi)有變化,PC4的第二級(jí)還原電位(峰2)稍微向陰極移動(dòng),所以HMeQ[6]基本上沒(méi)有增強(qiáng)PC4的氧化能力。PCn(n=1,2,3,5和6)的循環(huán)伏安曲線與PC4相似,表明HMeQ[6]與PCn都存在相互作用,這與紫外吸收光譜的結(jié)果相一致,HMeQ[6]基本上沒(méi)有增強(qiáng)PCn的氧化能力。

2.4HMeQ[6]對(duì)PCn除草能力的影響

由圖7可知,1×10-3 mol/L PCn對(duì)紫菀草、青蒿草和黃鵪菜的平均除草率隨著吡啶環(huán)上烷基碳鏈的增長(zhǎng)而降低,其中PC1(百草枯)的除草率最大。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道隨著吡啶環(huán)上的烷基碳鏈的增長(zhǎng),PCn的還原電位逐漸增大,即還原電位的增加并不能夠增大PCn的除草率[14]。

比較PCn和2HMeQ[6]/PCn對(duì)紫菀草、青蒿草和黃鵪菜的平均除草率,加入HMeQ[6]后,PCn的除草率顯著增強(qiáng)。當(dāng)HMQ[6]加入到PCn溶液后,不改變PCn的還原峰電位,進(jìn)一步證明還原峰電位不是改變PCn除草率的原因。HMQ[6]增強(qiáng)PCn除草率的原因可能是由于包結(jié)物(2HMQ[6]-PCn)的擴(kuò)散速度比PCn慢,導(dǎo)致包結(jié)物(2HMQ[6]-PCn)緩慢地作用到目標(biāo)靶上,然后釋放出PCn。對(duì)于不同的雜草(紫菀草、青蒿草和黃鵪菜),雖然HMQ[6] 都能夠增強(qiáng)PCn的除草率,但增加幅度不顯著。

3小結(jié)

本研究選擇紫精衍生物為客體,利用核磁共振技術(shù)、紫外吸收光譜和循環(huán)伏安法等方法,考察六甲基六元瓜環(huán)和紫精衍生物的相互作用情況,結(jié)果表明HMeQ[6]可與PCn的烷基部分形成啞鈴型包結(jié)配合物。除草試驗(yàn)表明,PCn對(duì)紫菀草、青蒿草和黃鵪菜具有防除效果,并且隨著烷基的增大,PCn對(duì)紫菀草、青蒿草和黃鵪菜的除草活性逐漸減弱。通過(guò)循環(huán)伏安法發(fā)現(xiàn)HMeQ[6]降低了PCn的擴(kuò)散速度,基本上沒(méi)有改變PCn的還原電位,但HMeQ[6]可增強(qiáng)PCn的除草活性。

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