環氧蟲啉的晶體結構及其殺蟲活性

巨修練，胡福臨，王均震，李 黎，李水清

（1.武漢工程大學化工與制藥學院，教育部綠色化工過程重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.武漢信佳和誠藥物化學有限公司，湖北 武漢 430075；3.武漢中鑫化工有限公司，湖北 武漢 430200）

0 引 言

以吡蟲啉為代表的選擇性作用于昆蟲神經系統煙堿乙酰膽堿受體的新煙堿類殺蟲劑，具有極高的殺蟲活性和光穩定性，因而迅速獲得市場的青睞，在較短的時間內占據全球農藥市場的三成份額［1］.隨著新煙堿類殺蟲劑的廣泛應用，不可避免的出現了害蟲抗藥性和交互抗性［2－3］，甚至有報道新煙堿類種子處理劑的使用，導致蜜蜂的大量死亡［4－5］.為了解決這一難題，更好地了解新煙堿類殺蟲劑的殺蟲機理和作用方式，創新出更加高效低毒的新煙堿類農藥，各國科學家對新煙堿類化合物從分子設計、作用方式、構效關系等方面做出了大量研究［6－9］.

中國作為一個傳統的農業大國，據統計，需要防治1648種農業害蟲［10］，對農藥的需求量巨大.隨著時代的發展，農業對高效低毒農藥的需求與日俱增，使人們對新煙堿類殺蟲劑研究更感興趣.在國家“973”和“863”等項目的支持下，與新煙堿類化合物相關的研究，取得了巨大的進步和創新，不僅在目前普遍使用的新煙堿類農藥上進行工藝改進，還研究出擁有自主知識產權的新一代農藥，即將或已經取得生產許可證［11］，如圖1所示.

環氧蟲啉為武漢工程大學與武漢中鑫化工有限公司合作研制的具有自主知識產權的新煙堿類農藥，經田間藥效試驗［12］證明，其具有較好的害蟲防治效果.為了更好的研究推廣環氧蟲啉，在實驗室工作的基礎上，合成環氧蟲啉，并進行單晶衍射和殺蟲活性測試.

圖1 在中國正在商業化的新煙堿類農藥Fig.1 Commercializing neonicotinoids in China

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

環氧氯丙烷、乙腈、碳酸鉀、甲醇、二氯甲烷均來自國藥集團化學試劑有限公司，分析純.2－硝基亞氨基咪唑烷（化學純，江蘇常農化工有限公司）

Bruker D KX 400核磁共振儀，Smart CCD－X射線衍射儀，TRACEMS 2000色譜－質譜聯用儀，Vario公司ELⅢ型元素分析儀.

1.2 環氧蟲啉的合成

500mL四口燒瓶中依次加入250mL乙腈，一定量的2－硝基亞氨基咪唑烷，碳酸鉀，持續攪拌，加熱升溫.待溫度升至65～75℃，滴加適量的環氧氯丙烷.反應3～5h，冷卻至50℃，過濾，濾液旋蒸，溶劑回收，得到固體以300mL二氯甲烷，50mL蒸餾水分三次萃取，有機層合并旋蒸，固體用甲醇重結晶.第二天過濾，干燥，得白色粉末固體，收率60%，合成路線如圖2.1H－NMR（CDCl3，400MHz）∶δ（化學位移）∶2.55（s，1H），2.81（s，1H），2.98～3.04（q，J＝24Hz，1H），3.14（s，1H），3.66～3.69（t，J＝12Hz，1H），3.79－3.82（d，J＝12Hz，3H），4.04～4.07（d，J＝12Hz，1H），8.20 （s，1H）.MS m／z（%）：186（M＋，26），154（59），131（100），129（4），117（49）；Anal.calcd for C6H10N4O3∶C 38.71，H 5.41，N 30.09；found C 38.54，H 5.62，N 29.87.

圖2 環氧蟲啉合成路線Fig.2 Synthesis of huanyangchonglin

1.3 晶體結構測定

以二氯甲烷為洗脫劑，以硅膠為固定相，對環氧蟲啉進行柱層析，旋蒸二氯甲烷，得白色固體，再以甲醇重結晶，過濾、干燥，固體溶于二氯甲烷／甲苯，采用溶劑揮發法培養單晶.選取大小為0.20×0.10×0.10mm3的單晶，在Smart CCD－X射線衍射儀，使用 Mo Kα射線（λ＝0.710 73nm）作為入射輻射，在296（2）K 下，1.58°＜θ＜26.00°范圍內（h∶－9～9；K∶－10～10；I∶－14～16），以ω／2θ的掃描方式，共收集到3 433個獨立衍射點，化合物環氧蟲啉的結構采用直接法解出，全部非氫原子坐標及各向異向性熱參數經最小二乘法修正，所有計算用SHEL XS－97程序進行.最終偏離因子R1＝0.056 7.

1.4 殺蟲活性測試

以98.3%環氧蟲啉原藥為供試藥劑，95.3%吡蟲啉原藥為對照試劑，將一定量的原藥用DMSO溶解，然后用水稀釋為5個百分濃度梯度，每個百分濃度為1處理，每處理30頭甘藍蚜蟲，4次重復，以清水處理為對照.每片葉片上存留30頭生長發育一致的甘藍蚜蟲無翅蚜，葉片浸入藥液中，停留5s，取出，多余藥液用濾紙吸干，放入培養皿中，在室溫（26±1）℃的培養室中培養.48h后調查，以毛筆輕觸蟲體不動為死亡，計算死亡率.

2 結果與討論

2.1 合成分析

采用一步法由2－硝基亞氨基咪唑烷與環氧氯丙烷合成環氧蟲啉.反應溶劑采用乙腈，重結晶過程以甲醇替換丁酮，同實驗室前期合成路線［13］相比，一次性收率提高到60%，產品純度提高到95%.在純化過程中，以二氯甲烷替代乙酸乙酯，純化效果更加明顯.

2.2 晶體結構分析

X－射線衍射實驗表明，化合物環氧蟲啉的晶體組成為C12H20N8O6（見圖3），屬于三斜晶系，P－1空間群，晶胞參數a＝0.788 78（13）nm，b＝0.845 89（14）nm，c＝1.305 9（2）nm；α＝86.703（2）°，β＝80.665（2）°，γ＝86.013（2）°；V＝0.856 8（2）nm3，Z＝2，Dc＝1.443g／cm3，F（000）＝392，GOF＝1.042，R（int）＝0.022 4，晶體數據和結構參數列于表1.

圖3 化合物環氧蟲啉的分子結構示意圖Fig.3 The molecular structure of huanyangchonglin

表1 環氧蟲啉的晶體數據和結構參數Table 1 Crystal data and structure parameters of huanyangchonglin

由X－RAY晶體結構圖中可知，環氧蟲啉是一個手性化合物，以外消旋體存在，手性C原子為四面體SP3雜化，分別與兩個碳原子、一個氧原子和一個氫原子形成四面體.對于兩個構型的化合物的鍵長（nm），亞甲基C—H鍵長均0.097，手性碳上C—H鍵長均為0.098，其余部分鍵長分別為C（5）—C（6）＝0.143 3（7），C（5）—O（3）＝1.406（7），C（5）—C（4）＝0.148 0（6），C（5）—H（5）＝0.098，C（5’）—O（3’）＝0.140 3（11）；部分鍵角（°）分別為O（3）—C（5）—C（6）＝59.6（4），O（3）—C（5）—C（4）＝118.2（5），C（6）—C（5）—C（4）＝124.4（6），O（3’）—C（5’）— C（6’）＝60.7（6），O（3’）—C（5’）—C（4’）＝116.0（7），C（C（6’）—C（5’）—H（5’）＝112.9；整個分子采用折疊型的構型，其部分扭轉角（°）分別為：N（1）—C（2）—C（3）—N（2）＝—7.9（3），N（1）—C（4）—C（5）—O（3）＝84.9（5），N（1）—C（4）—C（5）—C（6）＝155.7（5），C（4）—C（5）—C（6）—O（3）＝－105.2（7），C（4）—C（5）—O（3）—C（6）＝115.4（7）；部分鍵長和鍵角列于表2、表3，氫鍵作用力見圖4.

表2 環氧蟲啉的部分鍵長Table 2 Selected bond length of huanyangchonglin

表3 環氧蟲啉的部分鍵角Table 3 Selected angel of huanyangchonglin

從圖4可知，該化合物分子內和分子間存在氫鍵作用，主要為氮原子上氫與相鄰氧原子和氮原子間的作用.Z＝2，計算得知該化合物密度為1.443g／cm3.

2.3 殺蟲活性測試分析

根據處理的總蟲數和死蟲數計算死亡率，以空白對照死亡率按照Abbott公式計算校正死亡率，用DPS軟件求出各供試藥樣的毒力回歸線及LC50，以95.3%吡蟲啉原藥為標準對照藥劑，計算環氧蟲啉的相對毒力指數，比較兩種藥劑對甘藍蚜蟲的活性差異.結果列于表4，從表中可知環氧蟲啉對甘藍蚜蟲的室內生物活性優于吡蟲啉.

圖4 環氧蟲啉的氫鍵Fig.4 Hydrogen bonds of huanyangchonglin

表4 環氧蟲啉和吡蟲啉對甘藍蚜蟲的殺蟲活性Table 4 Insecticidal activities of huanyangchonglin and imidacloprid against Brevicoryne brassicae

3 結 語

本研究介紹了新煙堿類化合物環氧蟲啉的一種合成方法，并得到以外消旋體形式存在的環氧蟲啉晶體.通過單晶衍射方法，得到消旋環氧蟲啉的晶體結構數據，并進一步研究環氧蟲啉的殺蟲活性.結果表明，環氧蟲啉的合成工藝成熟、室內對甘藍蚜蟲的殺蟲活性高，具有較好的應用前景.

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