雙官能單萜氧雜二環二醇乙酸酯類衍生物的合成及其除草活性*

黃道戰，朱守記，藍虹云，雷福厚，黃忠京

(廣西民族大學化學化工學院廣西林產化學與工程重點實驗室，廣西南寧 530008)

桉樹腦衍生物因具有優良的除草活性，已作為植物源除草劑在諸多國家和地區廣泛使用［1－4］。然而，桉樹腦衍生物除草劑大多屬于油溶性產品，在生產、包裝和使用過程中均存在危害人體健康和污染環境等問題。如稻田除草劑環庚草醚［5－6］和 1，8-桉樹腦衍生物［7－8］，均系以 2-羥基-1，4-桉樹腦、2-羥基-1，8-桉樹腦或 3-羥基-1，8-桉樹腦等單羥基桉樹腦為原料合成的單官能酯類或醚類衍生物，親水性較弱，難以在水中溶解或分散，須先用二甲苯或苯等有機溶劑調配成乳油再使用［6，8］，不符合國際上對農藥劑型水基化的發展要求［9－12］。

(3R，4R)-4，7，7-三甲基-6-氧雜二環［3，2，1］辛烷-3，4-二醇(1)，是一種可由 α-蒎烯或其含氧衍生物［13－14］制備的單萜氧雜二環二醇類化合物，具有與2，3-二羥基-1，8-桉樹腦(4)相似的骨架結構和鄰位雙羥基官能團，水溶性較好。因此，通過修飾1結構中的3-位和4-位的雙羥基，可構筑兼具除草活性和親水性的雙官能單萜氧雜二環二醇酯類衍生物。

根據這一設計思路，本文以1和乙酰氯(2)為原料，經“一鍋法”制得混合物Ⅰ;Ⅰ經分離純化得4個新型的雙官能1，8-桉樹腦乙酸酯類衍生物(3a～3d，Scheme 1)，其結構經1H NMR，13C NMR，FT-IR和HR-MS表征。用培養皿法測試了1和3a～3d的除草活性。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

WRS-1B型熔點儀(溫度未校正);Bruker Avance 600 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內標);Nicolet Magna型紅外光譜儀(KBr壓片);Shimadzu GC-14B型氣相色譜儀;Perkin Elmer Clarus500型氣質聯用儀;MAT 95XP型高分辨質譜儀;LRH-250-GSI型人工氣候箱。

［14－15］方法合成;吡啶和二氯甲烷使用前經常規方法脫水干燥;其余所用試劑均為分析純。

1.2 合成

在三口燒瓶中加入1 50 mmol，吡啶500 mmol和二氯甲烷320 mL，攪拌下于0.5 h內滴加2 500 mmol的二氯甲烷(50 mL)溶液，滴畢，回流反應7 h。冷卻至室溫，轉移至分液漏斗，依次用1 mol·L－1鹽酸 100 mL 和 1.5 mol·L－1Na2CO3溶液100 mL洗滌，分液，有機相旋蒸回收溶劑，剩余物減壓蒸餾除去吡啶及未反應的2后經硅膠柱層析［洗脫劑:V(石油醚)∶V(乙醚)=95∶5］純化(GC檢測)，定量收集洗脫液，分類歸并，蒸發濃縮，真空干燥，可將剩余物分為三部分:3a，3b和混合物A(3c，3d和少量3b)。其中3a吸附于硅膠柱上，用乙酸乙酯洗脫收集，蒸發回收洗脫劑，剩余物用丙酮0.5 mL溶解，加入石油醚1 mL，混勻后于－20℃冷凍結晶;過濾，真空干燥得黃色晶體(3R，4S)-4-羥基-4，7，7-三甲基-6-氧雜二環［3.2.1］辛烷-3-基乙酸酯(3a)。(3R，4S)-4，7，7-三甲基-6-氧雜二環［3.2.1］辛烷-3，4-二基二乙酸酯(3b)為淡黃色油狀液體。

A經硅膠柱層析［梯度洗脫劑:石油醚200 mL;V(石油醚)∶V(乙醚)=95 ∶5］純化，收集洗脫液，分類歸并，蒸發濃縮，真空干燥得淡黃色油狀液體 3b，黃色固體(3R，4S)-4-乙酰氧基-4，7，7-三甲基-6-氧雜二環［3.2.1］辛烷-3-基二乙酰乙酸酯(3c)和無色蠟狀固體(3R，4S)-3-乙酰氧基-4，7，7-三甲基-6-氧雜二環［3.2.1］辛烷-4-基二乙酰乙酸酯(3d)。

3a:產率 22%，m.p.96.2 ℃ ～97.7 ℃;1H NMR δ:4.99 ～5.02(dd，J=4.8 Hz，3.6 Hz，1H，3-H)，3.93(s，1H，4-OH)，2.28 ～2.30(d，J=12.0 Hz，1H，5-H)，2.10 ～2.14(m，3H，1-H，2-Heq，8-Heq)，2.06(s，3H，a'-H)，1.93(d，J=3.0 Hz，1H，8-Hax)，1.44 ～1.48(m，1H，2-Hax)，1.39(s，3H，4-H)，1.18(s，3H，10-H)，1.17(s，3H，9-H);13C NMR δ:170.31(Cb')，82.88(C7)，82.32(C4)，73.77(C5)，72.20(C3)，41.39(C1)，31.31(C8)，30.26(C10)，29.89(C9)，25.18(C2)，23.38(Ca')，21.22(C4);IR ν:3 434，2 973，2 930，1 738 cm－1;HR-MS m/z:Calcd for C12H20O4［M+］228.136 2，found 228.136 1。

3b:產率16%;1H NMR δ:5.06 ～5.09(dd，J=6.6 Hz，4.8 Hz，1H，3-H)，4.81 ～ 4.82(d，J=6.0 Hz，1H，5-H)，2.13 ～ 2.11(d，1H，8-Heq)，2.03(s，3H，a″-H)，2.00 ～2.02(m，1H，1-H)，1.92 ～1.93(d，1H，2-Heq)，1.76 ～1.77(d，J=6.0 Hz，1H，8-Hax)，1.49 ～ 1.51(dd，J=2.4 Hz，9.0 Hz，1H，2-Hax)，1.43(s，3H，4-H)，1.40(s，3H，10-H)，1.16(s，3H，9-H);13C NMR δ:170.89(Ca″)，170.12(Ca')，83.26(C7)，82.47(C4)，79.31(C5)，73.43(C3)，41.45(C1)，31.58(C8)，29.89(C10)，29.79(C9)，22.59(Ca')，22.15(Ca″)，21.16(C4)，19.05(C2);IR ν:2 964，1 737 cm－1;HR-MS m/z:calcd for C14H22O5［M+］270.146 7，found 270.145 6。

3c:產率 37.92%，m.p.108.1 ℃ ～111.0 ℃;1H NMR δ:5.68(s，1H，a'-H)，5.12 ～5.15(dd，J=6.6 Hz，4.8 Hz，1H，3-H)，4.90 ～ 4.91(d，J=6.0 Hz，1H，5-H)，2.32(s，3H，a″-H)，2.17 ～2.18(dd，J=2.4 Hz，1.8 Hz，1H，8-Heq)，2.15 ～2.04(s，6H，c'，d'-H)，1.98 ～1.99(m，1H，1-H)，1.96 ～1.97(d，1H，J=3.0 Hz，2-Heq)，1.79 ～ 1.83(t，1H，J=13.2 Hz，8-Hax)，1.49 ～1.54(m，1H，2-Hax)，1.47(s，3H，4-H)，1.41(s，3H，10-H)，1.17(s，3H，9-H);13C NMR δ:170.76，168.22(Cc')］，164.76(Cb″)，163.95(Cb')，111.3(Ca')，83.31(C7)，82.84(C4)，79.40(C5)，73.50(C3)，41.43(C1)，31.53(C8)，29.95，29.80(Cf')，22.56(C9)，21.16(C10)，21.11(C4)，19.14(C2)，18.25(Ca″);IR ν:2 992，2 937，1 770，1 730，1 716，1 668 cm－1;HR-MS m/z:calcd for C18H26O7［M+］354.167 9，found 354.167 5。

3d:產率25%，m.p.109.3 ℃ ～111.8 ℃;1H NMR δ:5.66(s，1H，a″-H)，5.12 ～5.15(dd，J=6.0 Hz，5.4 Hz，1H，3-H)，4.86 ～ 4.87(d，J=6.0 Hz，1H，5-H)，2.23(s，3H，a'-H)，2.14 ～2.17(m，1H，8-Heq)，2.00 ～2.08(s，6H，d″，f″-H)，1.95 ～ 1.96(m，1H，1-H)，1.80 ～1.82(d，J=12.6 Hz，1H，2-Heq)，1.67(s，1H，8-Hax)，1.51 ～1.55(m，1H，2-Hax)，1.45(s，3H，4-H)，1.42(s，3H，10-H)，1.18(s，3H，9-H);13C NMR δ:170.98，168.05(Cc″，Ce″)，162.69(Cb')，160.21(Cb″)，108.98(Ca″)，83.35(C7)，82.58(C4)，79.49(C5)，73.54(C3)，41.51(C1)，31.49(C8)，29.94，29.84(Cd″，Cf″)，22.65(C9)，21.80(C10)，21.24(C4)，21.21(C2)，19.16(Ca');IR ν:2 981，1 768，1 727，1 668 cm－1;HR-MS m/z:calcd for C18H26O7［M+］354.167 9，found 354.167 5。

1.3 除草活性

1和3a易溶于水，直接用無菌蒸餾水配制為(20，10，5，2，1，0.5 和 0.1)mmol·L－1溶液 。3b～3d不溶于水，可先加少量DMF和吐溫80配制為均勻乳液，再用蒸餾水定容為上述濃度的溶液。

用平皿培養法評價1和3a～3d的除草活性［15］。將一年生黑麥草種子在無菌去離子水中浸泡處理15 h;在內襯圓形濾紙的培養皿(φ=9 cm)中加入樣品溶液10 mL(每一濃度重復3次)，以等量蒸餾水和含DMF及吐溫80的蒸餾水作空白對照組;在每個培養皿中加入10顆種子，于25℃在人工氣候箱中避光培養4 d，分別測量根長及芽長，計算抑制率。

2 結果與討論

2.1 合成

反應條件同1.2，用GC檢測反應進程，考察物料比r［n(2)∶n(1)］和反應時間對1和3a～3d相對濃度的影響(相對濃度為相對質量百分濃度，用GC峰面積歸一化法統計)。

(1)r

1 5 mmol，其余反應條件同 1.2，考察 r 對3a～3d相對濃度的影響，結果見表1。

表1 r對3a～3d相對濃度的影響*Table 1 Effects of r on relative concentration of 3a～3d

由表1可見，r對3a～3d相對濃度有較大的影響。當r=1時，產物僅有3a;當r=2時，反應產物主要為3a，3b～3d相對濃度均低于16%且依次遞減;隨著r提高，3a相對濃度逐漸降低，3b相對濃度先升高再降低，3c和3d相對濃度則緩慢升高;當r=4時，反應產物仍以3a和3b為主;僅當r很大時，3c和3d相對百分濃度才會高于3a和3b。這一結果表明，1結構中4-位和3-位的雙羥基酯化反應活性有明顯差別。其可能原因為:2與1上羥基的酯化反應遵循親核反應機理;1中4-羥基存在較大的空間位阻，3-位羥基較易與2中帶正電性的羰基碳原子反應，即3-位羥基反應活性明顯高于4-位羥基，優先與2發生酯化反應，生成單乙酸酯3a;當3-位羥基全部被酯化后，4-位羥基才開始參與酯化反應。3c和3d是3b與2反應的產物，受酯基拉電子效應影響，3b中乙酰氧基α-氫原子變得活潑，易離去生成碳負離子，碳負離子與2進行親核反應，生成中間體乙酰乙酸酯;在此基礎上，受酯基和羰基拉電子效應雙重影響，乙酰乙酸酯中亞甲基氫原子變得更為活潑，也易離去生成碳負離子，該碳負離子繼續與2進行碳酰化反應，最終生成3c和3d。此外，由于同樣受到空間位阻效應的影響，3b中兩個α-碳反應活性也不同。因此，即使r＞2，3c相對濃度也大于3d。

(2)反應時間

1 5 mmol，r=4，其余反應條件同 2.1(1)，考察反應時間(t)對3a～3d相對濃度的影響，結果見表2。

表2 反應時間對3a～3d相對濃度的影響*Table 2 Effects of reaction time on relative concentration of 3a～3d

由表2可見，酯化反應進行0.5 h，產物主要為3a和少量3b，無3c和3d;隨著反應時間延長，3a相對濃度逐漸降低，3b，3c和3d相對濃度逐漸增加;反應7.0 h，3a～3d相對濃度分別為50.7%，36.6%，7.84% 和 4.86%，這進一步表明，1中兩個羥基活性有明顯差別，3-位羥基由于活性較高，更容易與2發生酯化反應生成3a;當3-位羥基全部酯化后，4-位羥基才開始參與酯化反應生成3b;3b進而與2反應生成3c和3d。

2.2 表征

(1)1H NMR

由1H NMR分析可見，3a～3d的氫化學位移都有明顯特征。單萜氧雜二環骨架結構中三個甲基(4-CH3，7-CH3，7-CH3)上的氫所處化學環境不同，均呈強單峰，δ位于1.10～1.41;乙酰氧基中甲基上氫的δ位于2.00附近，呈強單峰;二乙酰乙酸氧基中甲基上氫(d，f-H)的 δ位于2.08 ～2.33，呈強單峰;二乙酰乙酸氧基中次甲基上氫(a″-H)的δ位于5.66 ～5.68，呈強單峰;4-位叔氫(4-H)的 δ位于1.49附近，呈多重峰;1，3-位叔氫的δ位于3.93 ～5.15;2，8-位亞甲基上的氫受鄰近氫裂分和3-位及5-位上取代基影響，δ變化較大，峰形較復雜。

(2)13C NMR

由13C NMR分析可見，3a～3d中碳原子數與理論值相符。其中，乙酰氧基中羰基碳(Cb)的δ位于170附近;二乙酰乙酸氧基中酮羰基碳(Cd和Cf)的δ位于168或164附近;酯羰基碳(Cb)的δ位于163或160附近，次甲基碳(Cc)受兩邊羰基拉電子效應影響，δ較高，位于110附近;單萜氧雜二環骨架結構中，受氧原子拉電子效應影響，4-位和7-位碳的δ位于82～83;5-位和3-位碳的δ位于79或73附近。

表3 1和3a～3d對一年生黑麥草根芽生長的抑制率Table 3 Inhibition rate of 1 and 3a～3d on annual ryegrass

(3)IR

由IR分析可見，3a的O－H伸縮振動吸收峰位于3 400 cm－1附近，3b～3d的O－H伸縮振動吸收峰消失;1 710 cm－1～1 775 cm－1有較強的酯羰基伸縮振動吸收峰;1 668 cm－1為酮羰基伸縮振動吸收峰。

(4)GC

圖1 3a～3d的GC譜圖Figure 1 GC spectra of 3a～3d

圖1為3a～3d的GC譜圖。由圖1可見，保留時間小于5 min的色譜峰為二氯甲烷、吡啶和未反應2的色譜峰;保留時間大于5 min的色譜峰為3a～3d色譜峰，相對保留時間分別為8.85 min，11.19 min，19.55 min 和 20.30 min。

2.3 除草活性

表3為1和3a～3d對一年生黑麥草根芽生長的抑制活性。由表3可以看出，1和3a～3d對一年生黑麥草胚根與胚芽的生長都具有明顯抑制作用。隨著c增加，抑制作用逐漸增強。c由0.1 mmol·L－1提高至 5 mmol·L－1時，1 和 3a ～3d對胚根生長抑制率由 8.2%，20.2%，26.7%，18.3% 和 29.2% 分別增加至 55.1%，86.0%，84.2%，91.3% 和 97.5%;胚芽生長抑制率由13.9%，21.1%，51.7%，26.9%和 29.7%提高至55.1%，76.5%，92.8%，94.8%和98.4%;c為20 mmol·L－1時，3a～3d對胚根和胚芽生長抑制率均為100%。由表3還可見，1和3a～3d除草活性與其分子結構及理化性質有關;1含有2個羥基，水溶性好，分子量小，但除草活性較弱;1與2反應生成3a～3d，隨著酯化程度增加及分子量增大，3a～3d水溶性減弱而除草活性增強;與文獻［15］中實驗結果相似，雖然3d和3c為同分異構體，分子量相同，理化性質相似，但3d的除草活性高于3c。

3 結論

制備了4個新型的雙官能單萜氧雜二環二醇乙酸酯類衍生物(3a～3d)，在反應條件［1 5 mmol，r=7，回流反應7 h］下，3a～3d 的相對濃度分別為 21.6%，15.6%，37.9%和 24.9%;在反應條件［1 5 mmol，r=4，回流反應 7 h］下，3a～3d的相對濃度分別為 50.7%，36.6%，7.84%和4.86%。除草活性實驗結果表明，1和3a～3d均能顯著抑制一年生黑麥草胚根與胚芽生長;用藥量為5 mmol·L－1時，1和3a～3d對根長抑制率分別為 55.1%，86.0%，84.2%，91.3%和97.5%，對芽長抑制率分別為55.1%，76.5%，92.8%，94.8%和 98.4%。

2，3-二羥基-1，8-桉樹腦(4)與 1 互為同分異構體，但目前4的制備產率極低，難有實際應用價值。本文通過1的衍生物3a～3d的制備，極有可能為4的合成提供依據。此外，1及其衍生物的生物活性至今未見文獻報道。因此，3a～3d進一步的生物活性值得繼續研究。

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