含1,2,4-噁二唑噻唑類化合物的設(shè)計(jì)合成及生物活性

張如松,姜碩,朱寶玉,光明甲,王明慧,許良忠,孫鑒昕

(青島科技大學(xué) 化學(xué)與分子工程學(xué)院,山東 青島 266042)

在新農(nóng)藥的創(chuàng)制中,氮雜環(huán)類化合物[1-2]占到了所有新化合物的80%,其中噻唑以及噁二唑都占了很大的比重,噻唑及噁二唑類化合物在農(nóng)藥方面可以用作殺菌劑、殺螨劑、殺蟲劑、除草劑,具有廣譜的生物活性。

過(guò)去已經(jīng)報(bào)道了很多種商品化的噻唑類化合物和噁二唑類化合物,如噻蟲嗪、噁蟲酮、噁草酮、噻菌靈等,目前對(duì)此類化合物的研究熱度依然不減,Sun等[3]人設(shè)計(jì)合成了一系列含1,3,4-噁二唑雜環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物,該系列所有化合物在質(zhì)量濃度為500 mg/L時(shí),對(duì)黏蟲的致死率為100%,部分化合物在100 mg/L時(shí),仍能保持100%的致死率;部分化合物在500 mg/L時(shí)對(duì)蚜蟲的致死率為100%,少部分化合物在100 mg/L時(shí)對(duì)蚜蟲的致死率能在70%以上;Wang等[4]設(shè)計(jì)合成了一系列新型1,2,4-噁二唑類化合物,其中一個(gè)化合物在質(zhì)量濃度為0.39125 mg/L時(shí),對(duì)大豆銹病的抑制率仍能達(dá)到90%;Ma等[5]設(shè)計(jì)合成了一系列芳基噻唑胺類衍生物,部分化合物具有廣譜的抑菌活性,并且抑制率優(yōu)于商品化試劑噁菌靈和百菌清;Zhou等[6]設(shè)計(jì)合成了一系列4-芳基-3-羥基異噻唑衍生物,部分目標(biāo)化合物對(duì)斜紋葉蛾幼蟲具有一定的殺蟲活性。

為了解決目前農(nóng)藥抗性的問(wèn)題,以噻蟲嗪及噁蟲酮為先導(dǎo)化合物,通過(guò)活性亞結(jié)構(gòu)拼接法[7],連接一系列具備生物活性的基團(tuán),合成出了一系列含1,2,4-噁二唑噻唑類化合物,以期獲得新的先導(dǎo)化合物,設(shè)計(jì)路線見(jiàn)圖1。

圖1 目標(biāo)化合物的設(shè)計(jì)路線

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要儀器和試劑

X-4顯微熔點(diǎn)儀,上海精密科學(xué)儀器有限公司;ZF-2紫外分析儀,上海市安亭電子儀器廠;BRUKER AVANCE500Mhz核磁共振儀,德國(guó)-瑞士布魯克光譜儀器公司;HRMS高分辨質(zhì)譜儀,賽默飛世爾科技有限公司;RE-52AA旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀,青島藍(lán)特恩科教儀器設(shè)備有限公司;SHZ-D(III)循環(huán)水式真空泵,青島藍(lán)特恩科教儀器設(shè)備有限公司;YP1002N電子天平,上海馳唐儀器設(shè)備有限公司;DL SB-5L/20低溫冷卻循環(huán)泵。青島藍(lán)特恩科教儀器設(shè)備有限公司;CT-2恒溫加熱磁力攪拌器,鄭州豫華儀器制造有限公司;DHG-9070A電熱鼓風(fēng)干燥箱,青島藍(lán)特恩科教儀器設(shè)備有限公司;SB-1100機(jī)械攪拌器,青島藍(lán)特恩科教儀器設(shè)備有限公司;LRH-150F智能光照培養(yǎng)箱,上海一恒科學(xué)儀器有限公司。

2,6-二氟苯甲酸、丙酮酸乙酯、N-溴代丁二酰亞胺、對(duì)叔丁基苯甲酸、2-氯煙酸、3,5-雙三氟甲基苯甲酸、2-甲基-3-硝基苯甲酸、2,3,4,5,6-五氟苯甲酸,分析純,上海畢得醫(yī)藥科技有限公司;甲苯、乙腈、乙醇、水合肼、三乙胺、乙酸乙酯、石油醚,分析純,煙臺(tái)雙雙化工。

1.2 合成路線及方法

目標(biāo)化合物的合成路線見(jiàn)圖2。

Ra=4-tbu;Rb=2-Cl py;Rc=3,5-CF3;Rd=2-Me,3-NO2;Re=2,3,4,5,6-F

1.2.1 中間體2,6-二氟苯并硫代酰胺的合成

在250 mL的三口燒瓶中,首先加入15.8 g(0.1 mol)2,6-二氟苯甲酸,然后加入80 mL甲苯作為反應(yīng)溶劑,再加入13.6 g(0.115 mol)氯化亞砜,添加回流冷凝管,攪拌,加熱反應(yīng)至回流,在回流狀態(tài)下,反應(yīng)4 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度,待反應(yīng)完全后,減壓蒸餾除去多余溶劑及氯化亞砜,得到中間體2,6-二氟苯甲酰氯17.25 g,為淡黃色油狀液體,收率98%,不經(jīng)處理用于下一步反應(yīng);另取一250 mL三口燒瓶,首先加入100 mL氨水,然后將反應(yīng)瓶置于冷肼中,控制冷肼溫度為0 ℃,攪拌,在1 h內(nèi)緩慢向反應(yīng)液中滴加17.6 g(0.1 mol)2,6-二氟苯甲酰氯的乙腈溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%),滴加完畢后,將反應(yīng)瓶轉(zhuǎn)移至室溫條件,繼續(xù)反應(yīng)2 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度,待反應(yīng)完全后,將反應(yīng)液抽濾,取濾餅,烘干得白色固體2,6-二氟苯甲酰胺15.2 g,收率96.8%,不經(jīng)處理用于下一步反應(yīng);再取一250 mL三口燒瓶,首先加入15.7 g(0.1 mol)2,6-二氟苯甲酰胺,再加入60 mL無(wú)水乙醇作為反應(yīng)溶劑,最后加入8.88 g五硫化二磷(0.04 mol),攪拌,緩慢升高反應(yīng)溫度至50 ℃,保持溫度反應(yīng)12 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度,待反應(yīng)完全后,降溫,減壓蒸餾除去多余乙醇,然后加入60 mL水,以60 mL乙酸乙酯分3次(3×20 mL)分批萃取,合并有機(jī)相,用無(wú)水硫酸鈉干燥,減壓蒸餾得紅色固體中間體 2,6-二氟苯并硫代酰胺14.7 g,收率85%,不經(jīng)提純,直接用于下一步反應(yīng)。

1.2.2 中間體溴代丙酮酸乙酯的合成

取一個(gè)250 mL三口燒瓶,首先加入11.6 g(0.1 mol)丙酮酸乙酯,然后加入50 mL二氯甲烷作為反應(yīng)溶劑,攪拌,在常溫條件下緩慢滴加16 g(0.1 mol)溴素,每滴入一滴,待其顏色褪去后,再繼續(xù)滴入下一滴,滴加完畢后,在常溫條件下繼續(xù)反應(yīng)2 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程,待反應(yīng)完全后,向反應(yīng)體系中加入20 mL飽和亞硫酸鈉水溶液,分層取有機(jī)相,以60 mL(3×20 mL)飽和食鹽水洗滌有機(jī)相,用無(wú)水硫酸鈉干燥,減壓蒸餾除去多余溶劑,得溴代丙酮酸乙酯18.5 g,淡黃色液體,收率95.4 %。

1.2.3 中間體2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-甲酸乙酯的合成

取一個(gè)250 mL三口燒瓶,首先加入19.4 g(0.1 mol)溴代丙酮酸乙酯,然后加入50 mL無(wú)水乙醇作為反應(yīng)溶劑,再加入17.3 g(0.1 mol)2,6-二氟苯并硫代酰胺,攪拌,緩慢將溫度升至回流,在回流條件下繼續(xù)反應(yīng)12 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度,待反應(yīng)完全后,降溫,減壓蒸餾除去大部分乙醇,放置0.5 h,抽濾析出的固體,用無(wú)水乙醇(3×5 mL)洗滌固體,收集濾液留作下次套用,濾餅烘干后得2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-甲酸乙酯16.7 g,白色固體,收率62%(套用后收率在85%)。

1.2.4 中間體2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-甲酰肼的合成

取一個(gè)250 mL三口燒瓶,首先加入26.9 g(0.1 mol)中間體 2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-羧酸乙酯,然后加入50 mL乙醇作為反應(yīng)溶劑,再加入25 g(0.4 mol)水合肼(含量80%),攪拌,緩慢升溫至回流,在回流狀態(tài)下繼續(xù)反應(yīng)4 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度,待反應(yīng)完全后,降溫,待溫度降至室溫時(shí),向三口燒瓶中加入100 mL水,此時(shí)析出大量固體,抽濾,并用30 mL(3×10 mL)水洗滌濾餅,收集濾餅并烘干,得24.7 g中間體2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-甲酰肼,淡黃色固體,收率96.9%。

1.2.5 中間體對(duì)叔丁基苯甲酰氯的合成

取一個(gè)250 mL的三口燒瓶,首先加入17.8 g(0.1 mol)對(duì)叔丁基苯甲酸,然后加入50 mL的二氯甲烷作為溶劑,攪拌,在室溫條件下1 h內(nèi)緩慢滴加15.1 g(0.12 mol)草酰氯,滴加完畢后,繼續(xù)在室溫條件下反應(yīng)4 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程,待反應(yīng)完全后,減壓蒸餾除去多余溶劑二氯甲烷及過(guò)量的草酰氯,得對(duì)叔丁基苯甲酰氯18.4 g,黃色液體,收率94%。

其余中間體2-氯煙酰氯、3,5-雙三氟甲基苯甲酰氯、2-甲基-3-硝基苯甲酰氯、2,3,4,5,6-五氟苯甲酰氯的合成均使用上述方法合成。

1.2.6 中間體N-(4-(叔丁基)苯甲酰基)-2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-甲酰肼的合成

取一個(gè)250 mL的三口燒瓶,首先加入5.1 g(0.02 mol)2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-甲酰肼,然后加入30 mL乙腈作為反應(yīng)溶劑,再加入2.2 g(0. 22 mol)三乙胺作為縛酸劑,攪拌,室溫滴加4.1 g(0.21 mol)對(duì)叔丁基苯甲酰氯,滴加完畢后升溫至40 ℃反應(yīng)4 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)度,反應(yīng)完全后,降溫至室溫,向三口燒瓶中加入30 mL水,攪拌0.5 h,抽濾析出的固體,用15 mL(3×5 mL)水洗滌濾餅,得中間體N-(4-(叔丁基)苯甲酰基)-2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-甲酰肼7.85 g,白色固體,收率92.4%。

其余中間體N-(3-氯吡啶酰基)-2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-甲酰肼、N-(3,5-雙(三氟甲基)苯甲酰基)-2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-甲酰肼、N-(2-甲基-3-硝基苯甲酰基)-2-(2,6-二氟苯基) 噻唑-4-甲酰肼、N-(全氟苯甲酰基)-2-(2,6-二氟苯基) 噻唑-4-甲酰肼的合成均使用上述方法合成。

1.2.7 目標(biāo)化合物2-(4-(叔丁基)苯基)-5-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-1,3,4-噁二唑的合成

取一個(gè)250 mL的三口燒瓶,首先加入4.15 g(0.01 mol)中間體N-(4-(叔丁基)苯甲酰基)-2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-碳酰肼,然后加入15 mL甲苯作為反應(yīng)溶劑,再加入6.08 g(0.04 mol)三氯氧磷,攪拌,逐漸升溫至回流,在回流條件下繼續(xù)反應(yīng)6 h,TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng)進(jìn)程,待反應(yīng)結(jié)束后,降溫至室溫,向三口燒瓶中加入40 mL水,用45 mL(3×15 mL)乙酸乙酯分批萃取,取有機(jī)相,加無(wú)水硫酸鈉干燥,減壓蒸餾得到粗品,經(jīng)柱層析(V(乙酸乙酯)∶V(石油醚)=1∶15) 分離,得到目標(biāo)化合物2-(4-(叔丁基)苯基)-5-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-1,3,4-噁二唑,為白色固體。

其余目標(biāo)化合物2-(3-氯吡啶-2-基)-5-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-1,3,4-噁二唑、2-(3,5-雙(三氟甲基)苯基)-5-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-1,3,4-噁二唑、2-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-5-(2-甲基-3-硝基苯基)-1,3,4-噁二唑、-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-5-(全氟苯基)-1,3,4-噁二唑的合成均使用上述方法。

化合物的結(jié)構(gòu)表征數(shù)據(jù)如下:

2-(4-(叔丁基)苯基)-5-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-1,3,4-噁二唑(I4a):白色固體 m.p.129.8～132.7 ℃,1H NMR (500 MHz,DMSO-d6) δ 8.95 (s,1H),8.03 (d,J=8.5 Hz,2H),7.74～7.67 (m,1H),7.65 (d,J=8.3 Hz,2H),7.38 (t,J=8.7 Hz,2H),1.33 (s,9H).13C NMR (101 MHz,DMSO-d6) δ 164.34,161.19,160.19,158.67,156.74,155.58,140.09,133.48,127.05,126.69,120.87,113.25,113.00,110.66,35.28,31.22. ESI HRMS calcd for C21H17F2N3OS ([M+H]+) 398.113 9,found398.113 2。

2-(3-氯吡啶-2-基)-5-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-1,3,4-噁二唑(I4b):白色固體,收率86 %,m.p.174～176 ℃1H NMR (500 MHz,Chloroform-d) δ 8.63 (d,J=4.4 Hz,1H),8.53～8.47 (m,2H),7.48 (dq,J=8.9,4.7,4.1 Hz,2H),7.13 (t,J=8.7 Hz,2H).13C NMR (126 MHz,DMSO-d6) δ 161.01,160.87,160.71,158.80,156.96,151.41,148.98,139.63,139.52,131.48,124.16,121.92,119.84,111.89,111.70,110.39. ESI HRMS calcd for C16H7ClF2N4OS ([M+H]+) 377.007 5,found377.007 1。

2-(3,5-雙(三氟甲基)苯基)-5-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-1,3,4-噁二唑(I4c):白色固體,收率91 %,m.p.116～118 ℃1H NMR (500 MHz,DMSO-d6) δ 9.08 (s,1H),8.62 (s,2H),8.42 (s,1H),7.73～7.63 (m,1H),7.36 (t,J=8.7 Hz,2H).13C NMR (126 MHz,DMSO-d6) δ 161.71,160.49,160.36,158.38,156.43,139.12,132.99,131.29,130.33,127.25,127.07,125.77,125.33,121.62,113.70,112.67,112.49,110.02,99.51. ESI HRMS calcd for C19H7F8N3OS ([M+H]+) 478.026 0,found478.025 3。

2-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-5-(2-甲基-3-硝基苯基)-1,3,4-噁二唑(I4d):白色固體,收率89 %,m.p.144.6～146.8 ℃1H NMR (500 MHz,Chloroform-d) δ 8.49 (s,1H),8.25 (d,J=7.9 Hz,1H),7.91 (d,J=8.0 Hz,1H),7.58～7.43 (m,3H),7.10 (t,J=8.7 Hz,2H),2.85 (s,3H).13C NMR (101 MHz,Chloroform-d) δ 168.83,163.29,160.61,159.07,157.43,152.23,140.16,134.26,133.30,132.71,132.05,126.96,126.52,124.60,112.48,112.23,110.86,16.99. ESI HRMS calcd for C18H10F2N4O3S ([M+H]+) 401.052 0,found401.051 2。

2-(2-(2,6-二氟苯基)噻唑-4-基)-5-(全氟苯基)-1,3,4-噁二唑(I4e):白色固體,收率85 %,m.p.196.8～199 ℃1H NMR (500 MHz,Chloroform-d) δ 9.88 (s,1H),8.86 (ddd,J=14.7,8.4,6.2 Hz,1H),8.49 (t,J=8.5 Hz,2H).13C NMR (101 MHz,Chloroform-d) δ 161.63,161.58,161.51,159.08,159.03,157.59,139.73,132.17,132.06,131.95,125.10,125.07,125.04,112.46,112.44,112.24,112.21.ESI HRMS calcd for C17H4F7N3OS ([M+H]+) 432.004 2,found432.002 6。

1.3 生物活性測(cè)試

1.3.1 對(duì)二斑葉螨卵室內(nèi)活性測(cè)試

對(duì)所合成的目標(biāo)化合物參照 NY/T 1154.5—2006《農(nóng)藥室內(nèi)生物測(cè)定試驗(yàn)準(zhǔn)則殺蟲劑》第 5 部分:殺卵活性試驗(yàn)浸漬法進(jìn)行了生物活性測(cè)試。具體方法如下:按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)將藥劑配制成為系列濃度的稀釋液,以 0.1%吐溫-80 水為對(duì)照;取長(zhǎng)勢(shì)相同的辣椒苗盆栽,留中心展平的 4 片葉,在葉柄處涂抹凡士林,防治成螨逃逸;每片葉接 20 頭成螨,在養(yǎng)蟲室放置 24 h;第二天將成螨挑下,用體視鏡查清每片葉上的卵數(shù)并記錄,將葉片摘下,浸藥并晾干后置于盛有瓊脂的培養(yǎng)皿中,葉背面朝上,置于密封袋中保濕并培養(yǎng)。放入培養(yǎng)箱中進(jìn)行培養(yǎng)。每個(gè)濃度重復(fù)2次。置于(26±1) ℃、相對(duì)濕度 70%～80%、光照 16 h∶8 h(L∶D)條件下正常飼養(yǎng),藥后7 d記錄未孵化卵數(shù),計(jì)算孵化抑制率和校正孵化抑制率。二斑葉螨卵數(shù)據(jù)處理方法采用 Excel 數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)各處理的孵化率和孵化抑制率進(jìn)行計(jì)算和分析。

孵化率=孵化數(shù)/處理總卵數(shù)×100%

(1)

孵化抑制率=(對(duì)照孵化率-處理孵化率)/對(duì)照孵化率×100%

(2)

2 結(jié)果與討論

2.1 對(duì)二斑葉螨卵的室內(nèi)生物測(cè)試結(jié)果

目標(biāo)化合物對(duì)二斑葉螨卵的生物活性測(cè)試見(jiàn)表1。

表1 化合物I4a-I4e對(duì)二斑葉螨卵的卵孵化抑制率

目標(biāo)化合物對(duì)二斑葉螨卵的室內(nèi)生物測(cè)試實(shí)驗(yàn)表明,該系列目標(biāo)化合物在質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí),對(duì)二斑葉螨卵的孵化抑制效果明顯,其中目標(biāo)化合物I4e抑制率為100%,當(dāng)濃度降為100 mg/L時(shí),目標(biāo)化合物對(duì)二斑葉螨卵的孵化抑制率出現(xiàn)了不同程度的下降,但化合物I4a、I4b、I4e卵孵化抑制率均在60%以上,目標(biāo)化合物IV1e在10 mg/L時(shí)的卵孵化抑制率為59%。構(gòu)效分析結(jié)果為R基團(tuán)芳環(huán)取代在鄰對(duì)位活性高于在間位,如I4b>I4c。

2.2 合成條件影響

在合成中間體溴代丙酮酸乙酯時(shí),使用不同的溴代試劑會(huì)造成不同的反應(yīng)結(jié)果,在使用溴素為溴代試劑時(shí),反應(yīng)高效,在使用N-溴代丁二酰亞胺為溴代試劑時(shí),反應(yīng)進(jìn)行不徹底,且在后處理中會(huì)產(chǎn)生大量的廢水,因此合適的溴代試劑為溴素,另外在溴代時(shí),使用二氯甲烷為溶劑進(jìn)行溴代,反應(yīng)速度快于以乙酸乙酯、二氯乙烷為溶劑,所以此反應(yīng)的最佳條件為以二氯甲烷為溶劑,使用溴素進(jìn)行溴代。

3 結(jié)論

以噁蟲酮和噻蟲嗪為先導(dǎo)化合物,從2,6-二氟苯甲酸出發(fā),經(jīng)氯代、胺解、硫代、縮合等反應(yīng),設(shè)計(jì)合成了一系列含1.2.4-噁二唑噻唑類化合物,并對(duì)所合成的化合物進(jìn)行了1H NMR13C NMR ESI HRMS 的表征,并對(duì)所合成的化合物做了殺二斑葉螨卵的室內(nèi)生物活性測(cè)試,結(jié)果表明,該系列化合物在質(zhì)量濃度為500 mg/L時(shí),對(duì)二斑葉螨卵的孵化抑制具有較好活性,其中化合物I4e抑制率為100%,在質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí),化合物I4a、I4b、I4e的卵孵化抑制率仍能達(dá)到60%以上,可作為新的先導(dǎo)化合物為后續(xù)研究提供參考,構(gòu)效關(guān)系為R基團(tuán)芳環(huán)取代在鄰對(duì)位時(shí)活性高于在間位,并對(duì)中間體的合成工藝做了探索,溴代丙酮酸乙酯最佳的合成方法為以二氯甲烷為溶劑,使用溴素進(jìn)行溴代。

符號(hào)說(shuō)明

1.TLC,Thin Layer Chromatography,薄層色譜。

2.m.p.,melting point,熔點(diǎn),單位:℃。

3.1H NMR,Proton Nuclear Magnetic Resonance,核磁共振氫譜。

4.13C NMR,Carbon Nuclear Magnetic Resonance,核磁共振碳譜。

5.J,Coupling Constant,耦合常數(shù),單位:Hz。

6.δ,Chemical Shift,化學(xué)位移。

7.HRMS,High Resolution Mass Spectrometry,高分辨率質(zhì)譜。