新型香豆素衍生物的设计、合成及除草活性研究

丁建芬, 刘 莉, 夏 梅, 仰榴青, 张 敏

(江苏大学 化学化工学院，江苏 镇江 212013)

香豆素是一类含有苯并α-吡喃酮结构的重要有机杂环化合物。香豆素类化合物在自然界广泛存在，具有多种生物活性，如抗菌[1-3]、抗癌[4-6]、抗炎[7]、降血糖[8]、抗氧化[9]、抗肿瘤[10]、抗凝血[11]、杀虫[12]、除草[13-14]以及促进植物生长[15-16]等生物活性，在医药、食品和农药等领域显示出良好的研究价值。在农业上，香豆素类化合物可调控植物的生长过程。近年来有关香豆素类化合物的除草活性研究时有报道，Apostolakos等[17]研究发现香豆素可以抑制植物体内纤维素的合成，对稗草(Echinochloa crusgalli)和鬼针草(Bidens bipinnata)具有一定的抑制作用。刘斌等[18]以香豆素为模板，设计合成了3-苯甲酰基-4-羟基香豆素衍生物，其对双子叶植物油菜具有良好的抑制效果。由此可见，设计合成新的香豆素衍生物对发现高除草活性的先导化合物具有十分重要的意义。

本论文拟采用活性片段拼接原理，将芳氧羧酸类除草剂的活性结构(芳氧乙(丙)酰氧基)引入到香豆素中以提高化合物的脂溶性[19]，进而增强化合物的生物活性。以(未)取代的间苯二酚和β-酮酸酯类化合物为原料，在浓H2SO4的催化下发生Pechmann反应得到中间体7-羟基香豆素衍生物(1a～1d)，再与芳氧乙(丙)酰氯进行亲核取代反应，合成目标化合物7-芳氧乙酰氧基香豆素衍生物(2a～2h; Scheme 1)，结构经1H NMR、13C NMR和元素分析表征，并对目标化合物的除草活性进行研究。

1.1 仪器与试剂

XT型数字显微熔点测定仪；ZF-I 型三用紫外分析仪；Brucker Avance AM 400 MHz型核磁共振仪(DMSO-d6或CDCl3为溶剂，TMS为内标)；EA-1112A型元素分析仪。

2,4-二氯苯氧乙(丙)酰氯按照文献[20]方法合成；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 合成

(1)1a～1d的合成通法[21]

先向圆底烧瓶中加入5 mmol(未)取代的间苯二酚和浓硫酸，搅拌使间苯二酚类化合物完全溶解，冰浴，控制反应温度在0 ℃左右。然后将5 mmolβ-酮酸酯类化合物缓慢滴加至上述反应液中，升至室温，反应24 h。将反应液倒入大量的碎冰水(冰/水=200 g/100 g)中，待有白色沉淀生成后，于冰箱中放置6 h，抽滤，滤饼用水洗涤至pH=7，干燥，用乙醇和水的混合溶液(乙醇/水= 8/1,V/V)对其进行重结晶得7-羟基香豆素衍生物(1a～1d)。

4-甲基-7-羟基香豆素(1a)： 白色固体，收率81.2%, m.p.211～213 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 7.58(dd,J=8.8 Hz, 1.2 Hz, 1H, ArH), 6.80(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.71(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 6.12(s, 1H, ArH), 4.59(brs, 1H, OH), 2.36(s, 3H, CH3); Anal.Calcd for C10H8O3: C 68.18, H 4.58, found C 67.93, H 4.73。

4,5-二甲基-7-羟基香豆素(1b)： 白色固体，收率78.2%, m.p.251～253 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 10.53(s, 1H, OH), 6.69～6.52(m, 2H, ArH), 6.05(s, 1H, ArH), 2.54(s, 3H, CH3), 2.28(s, 3H, CH3); Anal.Calcd for C11H10O3: C 69.46, H 5.30, found C 69.27, H 5.07。

8-甲基-4-三氟甲基-7-羟基香豆素(1c)： 白色固体，收率78.1%, m.p.255～256 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 10.88(s, 1H, OH), 7.42(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.97(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.73(s, 1H, ArH), 2.17(s, 3H, CH3); Anal.Calcd for C11H7OF3: C 54.11, H 2.89, found C 53.90, H 3.04。

4-氯甲基-7-羟基香豆素(1d)： 白色固体，收率80.9%, m.p.211～213 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 7.67(dd,J=8.8 Hz, 1.2 Hz, 1H, ArH), 6.85(dd,J=8.4 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.76(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 6.42(s, 1H, ArH), 4.95(s, 2H, CH2), 4.12(brs, 1H, OH); Anal.Calcd for C10H7O3Cl: C 57.03, H 3.35, found C 57.24, H 3.23。

(2)2a～2h的合成通法

先将1.0 mmol 7-羟基香豆素衍生物加入到盛有1.5 mmol 2,4-二氯苯氧乙(丙)酰氯和5 mL CH2Cl2的溶液中，再将干燥的200 μL三乙胺慢慢加入到上述溶液中，室温搅拌0.5 h(TLC 检测)。减压除去溶剂，向反应液中加入1%的NaHCO3溶液100 mL，过滤，滤饼用蒸馏水洗涤至pH中性，干燥，用乙酸乙酯和二氯甲烷的混合物溶液(乙酸乙酯/二氯甲烷= 1/5,V/V)重结晶得7-芳氧乙酰氧基香豆素衍生物(2a～2h)。

7-(2,4-二氯苯氧乙酰氧基)香豆素(2a)： 白色固体，收率83.3%, m.p.231～232 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 8.09(d,J=9.6 Hz, 1H, ArH), 7.81(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 7.63(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.44～7.31(m, 3H, ArH), 7.24(dd,J=8.4 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.50(d,J=9.6 Hz, 1H, ArH), 5.28(s, 2H, CH2);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6)δ: 166.8, 159.7, 154.1, 152.1, 152.0, 143.8, 129.6, 129.5, 128.1, 125.4, 122.4, 118.5, 117.1, 115.8, 115.4, 110.0, 65.5; Anal.Calcd for C17H10O5Cl2: C 55.92, H 2.76, found C 55.67, H 2.61。

4-甲基-7-(2,4-二氯苯氧乙酰氧基)香豆素(2b)： 白色固体，收率78.2%, m.p.239～240 ℃;1H NMR(400 MHz, DMSO-d6)δ: 7.87(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 7.68～7.56(m, 1H, ArH), 7.50～7.20(m, 4H, ArH), 6.42(s, 1H, ArH), 5.28(s, 2H, CH2), 2.45(s, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, DMSO-d6)δ: 166.2, 160.5, 152.6, 152.2, 150.7, 130.6, 127.8, 127.7, 124.7, 122.4, 119.3, 118.2, 117.7, 115.2, 115.2, 114.6, 66.5, 18.9; Anal.Calcd for C18H12O5Cl2: C 57.02, H 3.19, found C 57.26, H 3.00。

4,5-二甲基-7-(2,4-二氯苯氧乙酰氧基)香豆素(2c)： 白色固体，收率81.2%, m.p.269～270 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.66～7.33(m, 2H, ArH), 7.32～7.16(m, 1H, ArH), 7.19～6.97(m, 1H, ArH), 6.74～6.03(m, 1H, ArH), 6.31(s, 1H, ArH), 5.03(s, 2H, CH2), 2.46(s, 3H, CH3), 2.29(s, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 166.2, 160.5, 152.6, 152.2, 150.7, 130.6, 127.8, 127.7, 124.7, 122.4, 119.3, 118.2, 117.7, 115.2, 115.2, 114.6, 66.5, 22.9, 20.0; Anal.Calcd for C19H14O5Cl2: C 58.03, H 3.59, found C 58.24, H 3.35。

8-甲基-4-三氟甲基-7-(2,4-二氯苯氧乙酰氧基)香豆素(2d)： 白色固体，收率76.9%, m.p.305～306 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.65(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 7.46(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.25(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 7.16(d,J=9.2 Hz, 1H, ArH), 6.95(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.83(s, 1H, ArH), 5.04(s, 2H, CH2), 2.31(s, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ:165.9, 158.4, 153.5, 152.1, 151.6, 141.5(q,J=35.3 Hz), 130.7, 127.9, 127.7, 124.7, 123.3(q,J=2.5 Hz), 122.7(q,J=273.5 Hz), 120.2 118.7, 115.4(q,J=5.6 Hz), 115.2, 111.8, 66.5, 9.3; Anal.Calcd for C19H11O5F3Cl2: C 51.03, H 2.48, found C 51.25, H 2.74。

4-甲基-7-(2-(2，4-二氯苯氧基)丙酰氧基)香豆素(2e)： 白色固体，收率86.5%, m.p.297～298 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.61(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 7.42(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.20(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 7.08(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.03(dd,J=8.4 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.94(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.28(d,J=1.2 Hz, 1H, ArH), 4.99(q,J=6.8 Hz, 1H, -CH), 2.43(s, 3H, CH3), 1.86(d,J=7.2 Hz, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 169.3, 160.2, 154.2, 152.4, 152.1, 151.7, 130.6, 127.9, 127.7, 125.6, 125.2, 118.3, 117.6, 116.8, 114.8, 110.1, 74.6, 18.7, 18.4; Anal.Calcd for C19H14O5Cl2: C 58.04, H 3.59, found C 58.23, H 3.47。

4-氯甲基-7-(2-(2，4-二氯苯氧基)丙酰氧基)香豆素(2f)： 白色固体，收率79.8%, m.p.299～300 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.69(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 7.43(d,J=2.4 Hz, 1H, ArH), 7.20(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 7.14(d,J=2.0 Hz, 1H, ArH), 7.07(dd,J=8.8 Hz, 2.4 Hz, 1H, ArH), 6.94(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 6.56(s, 1H, ArH), 5.00(q,J=6.8 Hz, 1H, CH), 4.65(s, 2H, CH2), 1.86(d,J=6.8 Hz, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 169.2, 159.7, 154.5, 152.7, 152.0, 149.0, 130.6, 128.0, 127.7, 125.30, 125.28, 117.9, 116.8, 115.7, 115.5, 110.6, 74.6, 41.1, 18.4; Anal.Calcd for C19H13O5Cl3: C 53.36, H 3.06, found C 53.10, H 3.29。

4,5-二甲基-7-(2-(2,4-二氯苯氧基)丙酰氧基)香豆素(2g)： 白色固体，收率72.5%, m.p.200～201 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.43(d,J=1.6 Hz, 1H, ArH), 7.22(d,J=8.4 Hz, 1H, ArH), 7.06(s, 1H, ArH), 6.98(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.67(s, 1H, ArH), 6.15(s, 1H, ArH), 5.06(q,J=6.4 Hz, 1H, CH), 2.41(s, 3H, CH3), 2.38(s, 3H, CH3), 1.85(d,J=6.4 Hz, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 169.7, 159.8, 154.7, 151.8, 150.7, 147.2, 142.8, 130.7, 128.1, 127.7, 125.4, 119.6, 117.1, 116.03, 115.99, 111.3, 74.8, 22.9, 21.5, 18.0; Anal.Calcd for C20H16O5Cl2: C 58.99, H 3.96, found C 59.24, H 3.74。

8-甲基-4-三氟甲基-7-(2-(2,4-二氯苯氧基)丙酰氧基)香豆素(2h)： 白色固体，收率70.4%, m.p.139～140 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.60(dd,J=8.8 Hz, 1.6 Hz, 1H, ArH), 7.44(d,J=2.8 Hz, 1H, ArH), 7.21(dd,J=8.8 Hz, 2.8 Hz, 1H, ArH), 7.01(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.96(d,J=8.8 Hz, 1H, ArH), 6.79(s, 1H, ArH), 5.05(q,J=6.8 Hz, 1H, CH), 2.22(s, 3H, CH3), 1.90(d,J=6.8 Hz, 3H, CH3);13C NMR(100 MHz, CDCl3)δ: 169.1, 158.4, 153.5, 152.0, 151.8, 141.4(q,J=32.7 Hz), 130.7, 128.0, 127.7, 125.3, 123.3(q,J=2.5 Hz), 121.4(q,J=273.5 Hz), 120.2, 118.6, 116.6, 115.3(q,J=5.7 Hz ), 111.7, 74.5, 18.5, 9.1; Anal.Calcd for C20H13O5F3Cl2: C 52.08, H 2.84, found C 52.32, H 2.56。

1.3 除草活性

首先采用对两种不同的作用机制敏感的油菜平皿法和稗草小杯法[22]对化合物2a～2h进行了初步的除草活性研究，测试浓度100 μg.mL-1和10 μg.mL-1，结果见表1。

采用温室盆栽法[23]进一步研究化合物的除草潜力，测试试材为双子叶植物油菜和苋菜，单子叶植物稗草和马唐，施药量为50 g/亩。

土壤处理：在直径8 cm的塑料杯中放入一定量的土和水，播种后铺上一定厚度的土壤，喷一定量的待测化合物溶液，放入温室环境中培养，幼苗出土前用塑料覆盖，每天喷洒定量的清水以保持正常生长。以蒸馏水处理的作为空白对照，以2,4-D处理的作为阳性对照。24 d后调查结果，测定植物地上鲜重部分。与空白对照比较，以鲜重抑制百分数作为评价药效指标，结果见表2。

茎叶处理：幼苗长到一定时期对其茎叶喷雾处理，处理24 d后调查结果，测定地上鲜重部分，其他操作均与土壤处理相同，结果见表2。

表2 化合物 2a～2h 的除草活性*

2 结果与讨论

2.1 合成

目标化合物2a～2h按照Scheme 1所示步骤合成，(未)取代的间苯二酚和β-酮酸酯类化合物在浓H2SO4催化下发生Pechmann缩合反应生成7-羟基香豆素衍生物1a～1d，采用1H NMR和元素分析进行了结构验证。芳氧乙(丙)酰氯与7-羟基香豆素进行亲核取代反应，以三乙胺为缚酸剂，在室温下反应得到目标化合物7-芳氧乙酰氧基香豆素衍生物2a～2h，该反应必须控制在无水条件下，以防酰氯水解；后处理时加入1%的NaHCO3溶液，这一操作可以除去反应物中酸性杂

2.2 除草活性

从表1数据可以看出，目标化合物2a～2h在10 μg/mL和100 μg/mL时，对双子叶植物油菜均有较高的抑制率(> 90%)，且对单子叶植物稗草也有一定的抑制率。

如化合物2a在10 μg/mL时对油菜根长和稗草株高的抑制率分别为96.7%和61.3%，与阳性对照药2,4-D的效果相当。从化合物的结构看，当R3相同时，R1基团(H, CH3, CH2Cl和CF3)和R2基团(H， CH3)的改变对油菜根长的抑制效果影响较小。根据芳氧羧酸类除草剂的典型结构：芳氧乙酸类(R3=H)和芳氧丙酸类(R3=CH3)[24]， R3基团为H和CH3。当R1和R2相同时，R3基团的改变，使化合物的除草活性发生了一定的变化；如在10 μg.mL-1时，R3=H的化合物2b～2d分别与R3=CH3的化合物2e、2g和2h相比，它们对油菜根长的抑制率基本相当，但化合物2e、2g和2h对稗草株高的抑制率下降较多，这表明R3=CH3时，化合物对单子叶植物的抑制率降低。为了进一步研究目标化合物的除草潜力，还研究了目标化合物的盆栽实验。

由表2可知，在50 g/亩时，不论是土壤处理还是茎叶处理化合物2a～2h对四种受试植物均有一定的防效，且在茎叶处理时，化合物2a～2e对双子叶植物油菜和苋菜的防效尤为显著，抑制率为100%，与阳性对照药2,4-D的防效相当。值得一提的是，茎叶处理时化合物2a对单子叶植物马唐的抑制率为100%，与2,4-D相当，均高于其它化合物对单子叶植物的防效。与茎叶处理相比，土壤处理时，化合物2c～2e对油菜和苋菜的防效有所下降，但对单子叶植物稗草和马唐的防效有所提高，这表明目标化合物对单双子叶植物抑制的作用方式可能不同。另外，化合物2f,2g虽然对油菜根长有较强的抑制作用，但盆栽时不论是茎叶处理还是土壤处理，其对单、双子叶的防效均不理想，这也说明了化合物的结构对除草活性有显著的影响。

采用Pechmann反应合成了4个7-羟基香豆素衍生物，再与芳氧乙(丙)酰氯作用合成了8个新型的7-苯氧乙酰氧基香豆素衍生物(2a～2h)，其结构经1H NMR、13C NMR和元素分析表征。初步的除草活性结果显示，部分目标化合物对双子叶植物有较高的防效，在50 g/亩时，化合物2a～2e对油菜、苋菜的抑制率达到100%，与商品化除草剂2,4-D相当，具有作为先导化合物进一步优化的价值。