除草化合物1-杂环基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的 构效关系研究

李 斌，刘 克，吴鸿飞，于海波，杨辉斌，白丽萍，崔东亮，满 灜，张珂良， 相 东，刘振龙，王世辉，柏再苏，王大翔，徐基东，杨华铮

(沈阳中化农药化工研发有限公司 新农药创制与开发国家重点实验室，辽宁沈阳 110021)

1969 年，罗纳普朗克公司成功研发出的噁草酮，在240～7 500 g/hm2的剂量下，可防除水稻及果蔬田中的禾本科杂草及阔叶杂草。噁草酮通过抑制原卟啉原氧化酶的活性，阻碍原卟啉原IX 和原卟啉原氧化酶结合，使生成原卟啉IX 的反应减慢。累积的原卟啉原IX 从叶绿体渗透到细胞质中，经其他途径氧化为原卟啉IX。在光作用下，原卟啉IX 将分子氧氧化为单态氧，引起类脂的过氧化，使杂草死亡。

原卟啉原氧化酶抑制剂对哺乳动物等非靶标生物安全。该类除草剂由于作用快、对下茬作物药害较小，引起了许多新除草剂创制研究机构的重视。截止2000 年，大约有1 000 件具有除草活性的1-杂环基-2,4,5-四取代苯类化合物的专利公开，其中许多化合物具有很高的除草活性，在7.5～60 g/hm2的剂量下，就可以控制多种杂草，近20 个化合物进入产业化开发阶段。然而，由于该类除草剂的选择性较差，施用前期作物显示有一定的药害症状，其市场表现不是很好。

2010 年以来，由于多种杂草对灭生性除草剂草甘膦产生了抗性，以及百草枯的禁限用，原卟啉原氧化酶抑制剂类除草剂在非选择性除草剂市场上的应用日益扩大。关于此类除草剂的创制，又重新引起了研究机构的兴趣[1]。

笔者课题组从1995 年开始进行新型原卟啉原氧化酶抑制剂类化合物的设计与合成，部分研究结果进行了专利申请并已公开。然而，关于其结构与除草活性关系的研究，尚未进行系统总结。

通过分析已公开的专利及发表的论文，发现许多高除草活性的1-杂环基-2,4,5-四取代苯类化合物，其2-位取代大多为氟，4-位取代大多为氯，5-位取代大多为炔丙氧基。本文选取阔叶杂草苘麻为靶标，对本课题组前期合成的1-杂环基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯类化合物进行抑制苘麻生长的活性测试，总结其构效关系，以期为后续的分子设计提供指导。化合物的结构通式如下：

图1 1-杂环基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的结构

Q 为多种杂环基团，具体结构列于表1 中。

1 试验部分

1.1 仪器

Impact 400 红外光谱仪(KBr 压片，美国尼高力仪器公司)；Mercury 300 核磁共振仪(TMS 为内标，美国瓦里安公司)；MD 800 气质联用仪(英国VG 质谱仪公司)；VG ZAB-HS 质谱仪、MOD-1106 型元素分析仪(意大利Carlo Erba 公司)；X4 型显微熔点仪(北京第三光学仪器厂)，温度计未经校正。

1.2 试剂

试剂均为市购分析纯。层析硅胶(GF245)薄板(涤纶片基，5 cm×10 cm，浙江省台州市路桥四甲生化塑料厂)；快速柱层析用硅胶(ZCX-II，粗孔，100～140 目，青岛海洋化工厂)。

1.3 试验方法

1.3.1 4-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-3，5-吗啡啉二酮的合成

按文献[2]，以市购的2-氯-4-氟-5-硝基苯酚为起始原料，以N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，在1.2 当量碳酸钾存在下，与炔丙基溴反应制备出2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯胺。

室温下将1,4-二氧杂六环-2,6-二酮(0.6 g, 5.0 mmol)加到二氯甲烷(20 mL)中，搅拌5 min，未全溶，加入2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯胺(0.9 g, 4.5 mmol)。继续搅拌8 h，层析硅胶(GF245)薄板检测(乙酸乙酯/石油醚=1/3)监测至无苯胺，减压除尽溶剂，得到固体单酸。将乙酸酐(20 mL)加入到上述单酸中，加入无水乙酸钠(0.01 g, 0.1 mmol)，加热回流5 h，将反应混合液中的溶剂减压蒸干，在残余物中加入乙酸乙酯(100 mL)，有机相用水洗2 次(2×50 mL)，饱和食盐水(50 mL)洗1 次后，无水硫酸镁干燥，将有机相减压浓缩后得固体，用乙酸乙酯/石油醚=1/2 重结晶得目标物。

白色固体，熔点：189～190 ℃，收率64%(以2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯胺计)。

IR (KBr, cm-1): 3 270 (m), 2 150 (w, C*C), 1 700 (s, C=O), 1 500 (s), 830 (m).1H NMR (CDCl3, δ): 2.581 (t, J = 2.4 Hz, 1H), 4.549 (s, 4H), 4.753 (d, J = 2.4 Hz, 2H), 6.937 (d, J = 6.3 Hz, 1H), 7.315 (d, J = 9.0 Hz, 1H); Anal. Calcd. for C13H9ClFNO4: C, 52.46; H, 3.05; N, 4.71. Found: C, 52.39; H, 3.20; N, 4.62.

1.3.2 1，2-二甲基-4-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-1，2，4-四氢三嗪-3，5-二酮的合成

将三乙胺(22.0 mmol)加到1,2-二甲基肼二盐酸盐(22.0 mmo)与二氯甲烷(50 mL)形成的溶液中，搅拌5 min，滴加1-溴乙酰氨基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯(3.2 g, 10.0 mmol)与二氯甲烷(10 mL)形成的溶液，继续搅拌3 h，蒸尽溶剂，残余物溶于乙酸乙酯(200 mL)，分别用2 N 盐酸(100 mL)、水(100 mL)、饱和碳酸氢钠溶液(100 mL)、饱和氯化钠溶液(100 mL)洗涤，无水硫酸镁干燥有机相，减压蒸尽溶剂，得到1-二甲基肼基乙酰氨基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯。

把上步产品(0.3 g, 1.0 mmol)加入到光气(0.6 g, 20%甲苯溶液, 1.2 mmol)与二氯甲烷(10 mL)形成的溶液中，搅拌20 min，滴加三乙胺(2.4 mmol)与二氯甲烷(5 mL)形成的溶液于上述溶液中，搅拌2 h，蒸尽溶剂，残余物溶于乙酸乙酯(100 mL)，分别用2 N盐酸(50 mL)、水(50 mL)、饱和碳酸氢钠溶液(50 mL)、饱和氯化钠溶液(50 mL)洗涤，无水硫酸镁干燥有机相，减压蒸尽溶剂，残余物柱色谱提纯(淋洗液：乙酸乙酯/石油醚=1/3)，得到黄色半固状物0.2 g，收率56%。

1H NMR (CDCl3, δ): 2.579 (t, J =2.4 Hz, 1H), 2.778 (s, 3H), 3.191 (s, 3H), 3.852 (dd, J = 60.0 Hz, 18.0 Hz, 4H), 7.000 (d, J =6.0 Hz, 1H), 7.300 (d, J =9.0 Hz, 1H)。

参考上述操作，根据相应文献报道的方法，可以制得其他目标化合物1-杂环基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯。目标物可以进一步经过快速硅胶柱层析提纯，淋洗液为乙酸乙酯/石油醚(比例为1/10～1/1)，或者用适当的溶剂进行重结晶提纯。目标物的结构均经过核磁共振氢谱分析确认，部分目标物的结构进一步经过红外光谱、质谱或元素分析证实。

目标物的结构、熔点、制备方法文献见表1。

1.3.3 除草活性的测试

按设计剂量，分别称取1～8 mg 供试样品于称量瓶中，加入1 mL 丙酮使其充分溶解，然后加入含有1‰吐温80 的静置自来水，搅拌均匀后得到所需浓度的样品溶液。以丙酮/水(1/3，含1‰吐温80)的处理作为空白对照。

表1 1-杂环基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的结构及除草活性

续表1

续表1

将定量的苘麻种子分别播种于直径为7 cm 的装有营养土的纸杯中，播后覆土1 cm。种子发芽并生长10～21 d，是处理前具有一系列生育阶段的试材。然后选择大小、生育阶段一致的试材，于2～3叶期进行处理，处理后置于温室并浇水。

试验用Airbrush喷雾机进行处理(喷液量100 mL/m2)。试验设3 次重复。处理后置于温室按常规方法培养，定期观察苘麻的生长发育情况。于处理后15 d 目测调查供试药剂对苘麻的抑制生长效果，0 为无抑制，100%为完全抑制(表1)。

图2 1-杂环基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的合成路线

2 结果与讨论

将30 g/hm2及以下施用剂量，对苘麻生长抑制率大于90%的化合物，定义为高活性化合物；将600 g/hm2及以下施用剂量，对苘麻抑制率大于90%的化合物，定义为中等活性化合物；其他为低活性化合物。

根据表1 中1-杂环基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的结构及其对苘麻的抑制活性分析，得出如图3所示的构效关系。

图3 构效关系

当杂环由4,5,6,7-四氢异吲哚-1,3(2H)-二酮(化合物I-3)变为3a,4,7,7a-顺式四氢异吲哚-1,3(2H)-二酮(化合物I-5)时，化合物除草活性大大降低。这说明较为平坦的杂环结构，对保持高的除草活性有利。

高活性化合物的六元杂环并上苯环或其他芳环(化合物I-16、I-22)后，除草活性降低，说明较大的杂环对除草活性的提高不利。与苯环相连原子对位的碳原子被含孤电子对的氮或氧原子取代(化合物I-25、I-27)后，除草活性大大降低。推测苯环相连原子对位的原子不能为氢键受体。

3 结 论

本文合成了28 个含1～3 个氮或氧杂环的1-杂环基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯，测试了这些化合物对苘麻生长的抑制活性。发现2-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-4,5,6,7-四氢异吲哚-1,3(2H)-二酮(化合物I-3)、2-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H, 5H)-二酮(化合物I-9)、2-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-四氢-[1,2,4]三唑并[1,2-a]哒嗪-1,3(2H)-二酮(化合物I-11)、1-(2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯基)-哌啶-2,6-二酮(化合物I-14)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(化合物I-21)的除草活性较高。除草化合物1-杂环基-2-氟-4-氯-5-炔丙氧基苯的构效关系研究，有望对新型PPO 抑制剂的分子设计提供参考。