哌啶并咪唑啉二酮類化合物的除草活性研究

劉 克，張 帆，楊輝斌，李 斌

(沈陽中化農藥化工研發有限公司 新農藥創制與開發國家重點實驗室，遼寧沈陽 110021)

根據Phillips McDougall公司的數據統計，2019年全球作物用農藥市場的銷售額為598.27億美元，其中除草劑銷售額為261.75億美元，占全球作物用農藥市場的43.8%，是全球農藥市場第一大產品類型[1]。

原卟啉原氧化酶(PPO)是葉綠素和血紅素生物合成途徑中的最后一種酶，能將原卟啉原IX催化氧化成原卟啉IX[2]。PPO抑制劑可抑制原卟啉原氧化酶的活性，導致原卟啉原IX不能氧化為原卟啉IX，大量積累的原卟啉原 IX流入到細胞質并在其中氧化為原卟啉IX，原卟啉IX在光和氧條件下產生單線態氧破壞細胞膜結構，最終造成植物死亡。PPO抑制劑具有高效、低毒、安全的作用特點[3]，是新型除草劑研發中的重點和熱點。20世紀60年代開發的二苯醚類除草劑是最早出現的 PPO抑制劑，1970-1980年期間，PPO抑制劑被大量研究[4]，其結構類型主要包括二苯醚類和其他 PPO抑制劑兩大類，其中1-雜環基-2,4,5-四取代苯類是其他PPO抑制劑中最主要的一類。自1969年第一個四取代苯類化合物噁草酮推廣上市以來，目前已有20多個四取代苯類化合物進入產業化開發階段，如丙炔氟草胺、氟噻乙草酯、三氟草嗪等。四取代苯類除草劑具有除草活性高、用量低、殺草譜廣的優點，值得對其進行深入的研究與開發。

本課題組前期考察了不同的 1-位雜環基對四取代苯類化合物的除草活性的影響，其中 2-[2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基]-四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H, 5H)-二酮(a)、2-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-四氫-[1,2,4]三唑并[1,2-a]噠嗪-1,3(2H)-二酮(b)、2-[2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基]-4,5,6,7-四氫異吲哚-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)的除草活性較高[5](圖1)。因為哌啶并咪唑啉二酮雜環易制得且原料成本低，所以本文選取化合物a為先導，對苯環5-位取代基部分進行變化，考察5-位取代物對苘麻生長的抑制活性，總結構效關系，為發現高除草活性的PPO抑制劑提供參考。結構通式如圖2所示：

圖1 高活性四取代苯類化合物

圖2 哌啶并咪唑啉二酮類化合物的設計

化合物的合成路線如圖3所示。

圖3 哌啶并咪唑啉二酮類化合物的合成路線

以 2-氟-4-氯-5-硝基苯酚和 2-氟-4-氯-5-硝基苯甲酸為起始原料，經取代、硝基還原，制備異氰酸酯，環合得到目標化合物。

1 試驗部分

1.1 儀器

Mercury 300核磁共振儀(TMS為內標，美國瓦里安公司)；VG ZAB-HS質譜儀、旋光儀Autopol VI(美國魯道夫公司)；X4型顯微熔點儀(北京第三光學儀器廠)，溫度計未經校正。

1.2 試劑

試劑均為市購分析純。層析硅膠(GF245)薄板(滌綸片基，5×10 cm，浙江省臺州市路橋四甲生化塑料廠)；快速柱層析用硅膠(ZCX-II，粗孔，100～140目，青島海洋化工廠)。

1.3 旋光測試

采用鈉光譜的D線(589 nm)測定旋光度，測定管長度為1 dm，測定溫度為20 ℃。稱取1.0 g樣品用丙酮配成濃度0.1 g/mL的供試溶液，將測定管用供試溶液沖洗數次，緩緩注入供試溶液，置于旋光計內檢測讀數，即得供試液的旋光度。用同法讀取旋光度3次，取3次的平均數，按照下列公式計算，即得供試品的比旋度。

式中：[α]為比旋光度；D為鈉光譜的D線；t為測定時的溫度，℃；l為測定管長度，dm；a為測得的旋光度；c為溶液濃度，g/100 mL。

1.4 合成方法

1.4.1 2-(4-氯-5-乙氧基-2-氟苯基)四氫咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(I-1)的制備

向反應瓶中加入 2-氯-4-氟-5-硝基苯酚(1.0 g,5.2 mmol)、DMF (20 mL)、碳酸鉀(0.9 g, 6.2 mmol)，滴加溴乙烷(0.6 g, 5.2 mmol)，室溫反應6 h，向反應液中加入乙酸乙酯(20 mL)和水(20 mL)萃取分液，有機相用飽和氯化鈉溶液(10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥，減壓蒸盡溶劑，得黃色固體，直接用于下一步。向反應瓶中加入 1-氯-2-乙氧基-5-氟-4-硝基苯(1.1 g, 5.0 mmol)、水合氯化亞錫(2.8 g, 12.5 mmol)、乙酸乙酯(20 mL)，回流攪拌1 h，向反應液中加入氫氧化鈉水溶液調節pH為7，過濾，濾液用乙酸乙酯和水萃取，有機相用飽和氯化鈉溶液(10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥，減壓蒸盡溶劑，得黑色固體，直接用于下一步。向反應瓶內加入 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)，在冰浴冷卻條件下緩慢滴加三光氣(0.7 g, 2.5 mmol)的甲苯溶液，加熱回流3.5 h，減壓蒸盡溶劑，直接用于下一步。向反應瓶內加入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-異氰酸酯苯的二氯甲烷溶液(5 mL)。室溫攪拌1 h，向反應液中加入二氯甲烷(25 mL)，分別用水(20 mL)、飽和碳酸氫鈉溶液(20 mL)、飽和氯化鈉溶液(20 mL)洗滌，有機相無水硫酸鎂干燥，減壓抽濾，減壓蒸盡溶劑，殘余物柱色譜提純(淋洗液：乙酸乙酯/石油醚=1/3)，得黃色黏液1.6 g，純度98% (美國化學文摘登錄號：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，分別制得化合物(I-2至I-5)。其物性及核磁數據如下：

2-(2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)乙酸乙酯(I-2)：黃色黏液(美國化學文摘登錄號：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-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)丙酸乙酯(I-3)：黃色黏液，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-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)丙酸乙酯(I-4)：黃色黏液，[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-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯氧基)丙酸乙酯(I-5)：黃色黏液，[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-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸乙酯(I-6)的合成

向反應瓶中加入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)，室溫反應4 h，向反應液中加入二氯甲烷(20 mL)，分別用水(20 mL)、飽和碳酸氫鈉溶液(20 mL)和飽和氯化鈉溶液(20 mL)洗滌，有機相無水硫酸鎂干燥，減壓蒸盡溶劑，得黃色固體，直接用于下一步。向反應瓶中加入 2-氯-4-氟-5-硝基苯甲酸乙酯(1.2 g,5.0 mmol)、鐵粉(0.8 g, 15.0 mmol)、乙醇(20 mL)、四氫呋喃(10 mL)，在冰浴冷卻條件下緩慢滴加37%鹽酸(3.0 g, 30.0 mmol)。室溫攪拌2 h后減壓蒸盡溶劑，加入乙酸乙酯(20 mL)和水(40 mL)萃取分液，有機相用飽和氯化鈉溶液(10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥，減壓蒸盡溶劑，得棕色固體，直接用于下一步。向反應瓶內加入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)，在冰浴冷卻條件下緩慢滴加三光氣(0.7 g, 2.5 mmol)的甲苯溶液，加熱回流3.5 h，減壓蒸盡溶劑，直接用于下一步。向反應瓶內加入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-異氰酸酯苯甲酸乙酯的二氯甲烷溶液(5 mL)。室溫下攪拌1 h，向反應液中加入二氯甲烷(25 mL)，分別用水(20 mL)、飽和碳酸氫鈉溶液(20 mL)和飽和氯化鈉溶液(20 mL)洗滌，有機相無水硫酸鎂干燥，減壓抽濾，減壓蒸盡溶劑，殘余物柱色譜提純(淋洗液：乙酸乙酯/石油醚=1/3)，得白色固體 1.5 g，純度 98%，m.p.100～102 ℃(lit.102～103 ℃[8]，美國化學文摘登錄號：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，分別制得化合物(I-7至I-11)。其物性及核磁數據如下：

2-乙氧基-2-氧乙基 2-氯-5-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-7)：黃色黏液，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-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-8)：黃色黏液，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-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-9)：黃色黏液，[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-(1,3-二氧六氫咪唑并[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-10)：黃色黏液，[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-(1,3-二氧六氫咪唑[1,5-a]吡啶-2(3H)-基)-4-氟苯甲酸酯(I-11)：黃色黏液，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 除草活性的測試

按設計劑量，分別稱取1～8 mg供試樣品于稱量瓶中，加入1 mL丙酮使其充分溶解，然后加入含有1‰吐溫80的靜置自來水，攪拌均勻后得到所需濃度的樣品溶液。以丙酮/水(1/3，含1‰吐溫80)的處理作為空白對照。

將定量的苘麻種子分別播種于直徑為 7 cm的裝有營養土的紙杯中，播后覆土1 cm。種子發芽并生長 10～21 d，是處理前具有一系列生育階段的試材。然后選擇大小、生育階段一致的試材，于 2～3葉期進行處理，處理后置于溫室并澆水。試驗用Airbrush噴霧機進行處理(噴液量100 mL/m2)。試驗設3次重復。處理后置于溫室按常規方法培養，定期觀察苘麻的生長發育情況。于處理后15 d目測調查供試藥劑對苘麻的抑制生長效果，0為無抑制，100%為完全抑制。結果見表1。

表1 哌啶并咪唑啉二酮類化合物的結構及除草活性

續表1

2 結果與討論

根據表1中哌啶并咪唑啉二酮類化合物的結構及其對苘麻的抑制活性分析，得出如下構效關系：苯環5-位氧乙基化合物(化合物I-1、I-6)有較高的除草活性，在 9.375 g/hm2劑量下與先導化合物(a)相當，繼續延長鏈(化合物I-2、I-7)后除草活性降低，說明增加側鏈長度會使除草活性降低。

在側鏈中引入甲基的支鏈化合物，其除草活性與甲基數量相關，當引入 1個甲基時(化合物 I-3、I-8)，化合物表現出中等強度的除草活性，引入第2個甲基形成偕甲基化合物時(化合物I-11)，化合物表現出較高的除草活性，在側鏈中引入支鏈會增加除草活性，可能與占據靶點附近小的疏水口袋相關。

在側鏈中引入手性碳后，對映異構體(化合物I-4 vs化合物I-5；化合物I-9 vs化合物I-10)之間的活性無顯著差異。說明手性側鏈對除草活性影響較小。

在2.3 g/hm2劑量下，化合物I-1、I-6、I-11比先導化合物a的除草活性均低，說明炔丙氧基對保持高除草活性有利。

3 結 論

本文設計合成了 11個哌啶并咪唑啉二酮類化合物，研究了苯環5-位取代基變化對除草活性的影響。當苯環5-位為乙氧基或乙氧羰基時，除草活性較好。化合物I-1和化合物I-6在9.375 g/hm2劑量下，對苘麻生長抑制率為 100%。當苯環 5-位為空間位阻較大的取代基時，除草活性較差。

本研究結果表明：當把苯環上的炔丙基變化為取代烷基后，除草活性降低。本文后續的研究重點將在以炔丙基和乙基為先導的基礎上進行新化合物的設計與合成，以發現更高除草活性的化合物。