手性哌啶并咪唑啉二酮类化合物的除草活性研究

张 帆，刘 克，杨辉斌，崔东亮，李 斌

(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，沈阳 110021)

手性广泛存在于自然界中，是自然界的基本属性[1]。据统计，我国登记使用的手性农药约270 种，占比近40%，并且一直呈上升趋势。作为占据43.8%农药市场份额的除草剂，手性除草剂也是研发热点[2-3]。登记的手性除草剂约有70 种，如唑禾草灵、炔草酯、精2 甲4 氯丙酸、精2,4-滴丙酸、精异丙甲草胺和氯氟草醚等。原卟啉原氧化酶(PPO)是叶绿素和血红素生物合成中的关键酶[4]，抑制其活性可使原卟啉原IX 不能氧化为原卟啉IX，植物细胞膜结构遭到破环，最终造成植物死亡。PPO 抑制剂因其具有高效、低毒、安全等特点[5]，是新型除草剂研发热点，并有丙炔氟草胺、氟噻乙草酯和三氟草嗪等多个PPO 商品化品种上市。文献也报道了多个具有手性中心的PPO 抑制剂[6]。

课题组前期已考察了1-位杂环基以及5-位取代基对四取代苯类PPO 化合物除草活性的影响，发现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(图1，化合物a)的除草活性较高且极具成本优势[7-8]。为进一步研究光学异构体对除草活性影响，本文拟以化合物a 为先导，制备手性N 杂环，并对苯环5-位取代基进行优化，总结构效关系，为发现高除草活性PPO 抑制剂提供参考。手性哌啶并咪唑啉二酮类化合物结构通式如图1 所示。

图1 手性哌啶并咪唑啉二酮类化合物的设计

本文以2-氯-4-氟-5-硝基苯酚为起始原料，经取代、硝基还原，制备异氰酸酯，再分别与手性2-哌啶甲酸乙酯环合得到目标化合物，化合物合成路线如图2 所示。

图2 手性哌啶并咪唑啉二酮类化合物的合成路线

1 材料与方法

1.1 仪器

Jeol JNM-ECZ600R 600MH 核磁共振仪(日本电子)；VG ZAB-HS 质谱仪；旋光仪Autopol VI(美国鲁道夫公司)；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 旋光测试

采用钠光谱的D 线(589 nm)测定旋光度，测定管长度为10 cm，测定温度为20 ℃。称取1.0 g 样品用丙酮配成浓度0.1 g/mL 的供试溶液，将测定管用供试溶液冲洗数次，缓缓注入供试溶液，置于旋光计内检测读取供试液的旋光度。重复3 次，结果取平均值，按下列公式计算供试品比旋度。

式中：[α]为比旋光度；D 为钠光谱的D 线；t为测试温度，℃；l为测定管长度，dm；a为测得的旋光度；c为溶液浓度，g/100 mL。

1.4 合成方法

1.4.1(S)-2-(4-氯-2-氟-5-炔丙氧基苯基)四氢咪唑[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-1)的制备

1.4.1.1 中间体4-氯-2-氟-5-炔丙氧基-1-硝基苯的制备

反应瓶中加入2-氯-4-氟-5-硝基苯酚(1.0 g，5.2 mmol)、DMF(20 mL)、碳酸钾(0.90 g，6.2 mmol)，滴加溴丙炔(0.62 g，5.2 mmol)，室温反应6.0 h，向反应液中加入乙酸乙酯(20 mL)和水(20 mL)萃取分液，有机相用饱和氯化钠溶液(10 mL)洗涤，无水硫酸镁干燥，减压蒸尽除溶剂，得黄色固体1.1 g，含量99%。

1.4.1.2 中间体4-氯-2-氟-5-炔丙氧基苯胺的制备

反应瓶中加入上一步得到的中间体4-氯-2-氟-5-炔丙氧基-1-硝基苯(1.1 g，5.0 mmol)、水合氯化亚锡(2.8 g，12 mmol)、乙酸乙酯(20 mL)，回流搅拌1.0 h，向反应液中加入氢氧化钠水溶液调节pH 为7.0，过滤，滤液用乙酸乙酯(20 mL)和水(20 mL)萃取，有机相用饱和氯化钠溶液(10 mL)洗涤，无水硫酸镁干燥，减压蒸除溶剂，得褐色固体0.9 g，含量92%。

1.4.1.3 化合物S-1 的制备

反应瓶内加入中间体4-氯-2-氟-5-炔丙氧基苯胺(0.90 g，5.0 mmol)、甲苯(20 mL)、三乙胺(0.80 g，7.5 mmol)，在冰浴冷却条件下缓慢滴加三光气(0.7 g，2.5 mmol)的甲苯(10 mL)溶液，加热回流3.5 h，减压蒸尽溶剂，用5.0 mL 二氯甲烷溶解备用。

向另一个反应瓶内加入S-2-哌啶甲酸乙酯(0.9.0 g，5.5 mmol)、二氯甲烷(20 mL)、三乙胺(1.0 g，10.0 mmol)，滴加异氰酸酯的二氯甲烷溶液。室温搅拌1.0 h，向反应液中加入二氯甲烷(25 mL)，分别用水(20 mL)、饱和碳酸氢钠溶液(20 mL)、饱和氯化钠溶液(20 mL)洗涤，有机相无水硫酸镁干燥，减压抽滤，减压蒸尽溶剂，残余物柱色谱提纯，得白色固体，收率72%，含量(HPLC 面积归一)：97%，[α]D20=-63.8(c10，丙酮)。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.32(d,J=9.0 Hz,1H), 7.02 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.76 (d,J= 2.4 Hz,2H),4.27-4.26(m,1H),4.25-4.24(m,1H),2.96-2.90(m, 1H), 2.59 (t,J= 2.4 Hz, 1H), 2.39-2.33 (m, 1H),2.10-2.06 (m, 1H), 1.84-1.76 (m, 1H), 1.59-1.44 (m,3H).

按上述操作，替换不同的卤代烃，可制备化合物S-2 至S-6；将用于环合反应的S-2-哌啶甲酸乙酯替换为R-2-哌啶甲酸乙酯，按照S-1 相似的制备方法，可制备化合物R-1 至R-6。

1.4.2(S)-2-(5-(烯丙基氧基)-4-氯-2-氟苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-2)的制备

合成方法同化合物S-1 的制备，得黄色油，[α]D20=-62.1(c10，丙酮)，收率：63%，含量(HPLC面积归一)：98%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.29(d,J=9.0 Hz,1H), 6.84 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 6.07-6.01 (m, 1H),5.48-5.44 (m, 1H), 5.34-5.31 (m, 1H), 4.59-4.55 (m,2H),4.29-4.21(m,1H),3.98-3.95(m,1H),2.95-2.90(m, 1H), 2.33-2.30 (m, 1H), 2.12-2.05 (m, 1H),1.85-1.77(m,1H),1.56-1.44(m,3H).

1.4.3(S)-2-(4-氯-2-氟-5-异丙氧基苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-3)的制备

合成方法同化合物S-1 的制备，得黄色油，[α]D20=-49.8(c10，丙酮)，收率：85%，含量(HPLC面积归一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(m,1H),6.86(d,J= 6.5 Hz, 1H), 4.50-4.44 (m, 1H), 4.27-4.26 (m,1H),4.25-4.24(m,1H),2.97-2.87(m,1H),2.33-2.39(m, 1H), 2.09-2.05 (m, 1H), 1.83-1.78 (m, 1H),1.56-1.45(m,3H),1.37(dd,J=6.1,1.7Hz,6H).

1.4.4(S)-2-(4-氯-5-(环丙基甲氧基)-2-氟苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-4)的制备

合成方法同化合物S-1 的制备，得黄色油，[α]D20=-57.0(c10，丙酮)，收率：75%，含量(HPLC面积归一)：95%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(d,J=9.7 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.27-4.21 (m, 1H),3.96 (dd,J= 11.7, 4.1 Hz, 1H), 3.85 (d,J= 6.9 Hz,2H),2.94-2.90(m,1H),2.34-2.26(m,1H),2.09-2.05(m, 1H), 1.83-1.77 (m, 1H), 1.60-1.44 (m, 3H),1.34-1.26 (m, 1H), 0.67-0.63 (m, 2H), 0.38-0.34 (m,2H).

1.4.5(S)-2-(4-氯-5-(环戊基甲氧基)-2-氟苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(S-5)的制备

合成方法同化合物S-1 的制备，得黄色油，[α]D20=-54.3(c10，丙酮)，收率：44%，含量(HPLC面积归一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(d,J=9.0 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.30-4.20 (m, 1H),3.98-3.95(m,1H),3.86(d,J=6.8 Hz,2H),2.95-2.90(m, 1H), 2.44-2.37 (m, 1H), 2.36-2.26 (m, 1H),2.12-2.02 (m, 1H), 1.90-1.76 (m, 3H), 1.71-1.42 (m,7H),1.44-1.32(m,2H).

1.4.6(S)-2-(4-氯-5-乙氧基-2-氟苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)二酮(S-6)的制备

合成方法同化合物S-1 的制备，得黄色油，[α]D20=-64.9(c10，丙酮)，收率：81%，含量(HPLC面积归一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ: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).

1.4.7(R)-2-(4-氯-2-氟-5-炔丙氧基苯基)四氢咪唑[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-1)的制备

以R-2-哌啶甲酸乙酯替换化合物S-1 制备过程中的S-2-哌啶甲酸乙酯制备得化合物R-1，得白色固体，[α]D20=48.4(c10，丙酮)，熔点：134～136 ℃，收率：82%，含量(HPLC 面积归一)：97%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.30(d,J=9.0 Hz,1H), 7.02 (d,J= 6.3 Hz, 1H), 4.76 (d,J= 2.4 Hz,2H),4.27-4.26(m,1H),4.25-4.24(m,1H),2.96-2.91(m, 1H), 2.59 (t,J= 2.4 Hz, 1H), 2.39-2.33 (m, 1H),2.10-2.06 (m, 1H), 1.84-1.78 (m, 1H), 1.58-1.44 (m,3H).

1.4.8(R)-2-(5-(烯丙基氧基)-4-氯-2-氟苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-2)的制备

合成方法同化合物R-1 的制备，得黄色油，[α]D20=32.3(c10，丙酮)，收率：65%，含量(HPLC面积归一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.29(d,J=9.0 Hz,1H), 6.84 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 6.07-6.01 (m, 1H),5.48-5.44 (m, 1H), 5.34-5.31 (m, 1H), 4.59-4.55 (m,2H),4.29-4.21(m,1H),3.98-3.95(m,1H),2.95-2.90(m, 1H), 2.33-2.30 (m, 1H), 2.12-2.05 (m, 1H),1.85-1.77(m,1H),1.56-1.44(m,3H).

1.4.9(R)-2-(4-氯-2-氟-5-异丙氧基苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-3)的制备

合成方法同化合物R-1 的制备，得黄色油，[α]D20=52.4(c10，丙酮)，收率：66%，含量(HPLC面积归一)：96%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(m,1H),6.86(d,J= 6.5 Hz, 1H), 4.50-4.44 (m, 1H), 4.27-4.26 (m,1H),4.25-4.24(m,1H),2.97-2.87(m,1H),2.33-2.39(m, 1H), 2.09-2.05 (m, 1H), 1.83-1.78 (m, 1H),1.56-1.45(m,3H),1.37(dd,J=6.1,1.7Hz,6H).

1.4.10(R)-2-(4-氯-5-(环丙基甲氧基)-2-氟苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-4)的制备

合成方法同化合物R-1 的制备，得黄色油，[α]D20=48.6(c10，丙酮)，收率：61%，含量(HPLC面积归一)：98%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(d,J=9.7 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.27-4.21 (m, 1H),3.96 (dd,J= 11.7, 4.1 Hz, 1H), 3.85 (d,J= 6.9 Hz,2H),2.94-2.90(m,1H),2.34-2.26(m,1H),2.09-2.05(m, 1H), 1.83-1.77 (m, 1H), 1.60-1.44 (m, 3H),1.34-1.26 (m, 1H), 0.67-0.63 (m, 2H), 0.37-0.34 (m,2H).

1.4.11(R)-2-(4-氯-5-(环戊基甲氧基)-2-氟苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)-二酮(R-5)的制备

合成方法同化合物R-1 的制备，得黄色油，[α]D20=39.9(c10，丙酮)，收率：51%，含量(HPLC面积归一)：97%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.27(d,J=9.0 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.4 Hz, 1H), 4.29-4.23 (m, 1H),3.98-3.85(m,1H),3.86(d,J=6.9 Hz,2H),2.95-2.90(m, 1H), 2.44-2.37 (m, 1H), 2.35-2.28 (m, 1H),2.08-2.05 (m, 1H), 1.90-1.76 (m, 3H), 1.70-1.44 (m,7H),1.43-1.33(m,2H).

1.4.12(R)-2-(4-氯-5-乙氧基-2-氟苯基)四氢咪唑并[1,5-a]吡啶-1,3(2H,5H)二酮(S-6)的制备

合成方法同化合物R-1 的制备，得黄色油，[α]D20=34.9(c10，丙酮)，收率：85%，含量(HPLC面积归一)：97%。

1H NMR(600 MHz,CDCl3)δ:7.29(d,J=9.0 Hz,1H), 6.82 (d,J= 6.0 Hz, 1H), 4.28-4.24 (m, 1H),4.06(q,J=7.2 Hz,2H),3.97-3.96(m,1H),2.95-2.91(m, 1H), 2.35-2.30 (m, 1H), 2.08-2.05 (m, 1H),1.83-1.80(m,1H),1.61-1.48(m,3H),1.45(t,J=7.2 Hz,3H).

1.5 除草活性

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 静置自来水，搅拌均匀后得所需浓度样品溶液。以丙酮/水(1/3，含1‰吐温80)的处理为空白对照。

将定量苘麻种子分别播种于直径为7 cm 装有营养土纸杯中，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。结果见表1。

表1 哌啶并咪唑啉二酮类化合物的结构及除草活性

2 结果与讨论

根据表1 可得出如下构效关系：

⑴ N 杂环手性对阔叶杂草总防效影响为R构型＞消旋体，S构型≈消旋体a。

⑵ N 杂环手性对百日草防效影响为R构型≥S构型，苯环5-位取代基对活性影响为炔基＞烷基≥烯基＞环烷基烷基。

⑶ N 杂环手性对苘麻防效影响与苯环5 位取代基种类有关：5-位取代基为链状烷基时，S构型＞R构型；5-位为环烷烷基时，R构型＞S构型。

⑷ 苯环5 位取代基对阔叶杂草总活性为：炔基＞烷基≈烯基＞环烷基烷基。

3 结 论

设计合成了12 个手性哌啶并咪唑啉二酮类化合物，考察了四取代苯类化合物1-N 杂环手性以及5-取代基对除草活性影响，其中化合物R-1 在2.300 g/hm2剂量时，对百日草生长抑制率为100%，化合物S-1在2.300 g/hm2剂量时，对苘麻生长抑制率为100%。

研究结果表明，哌啶并咪唑啉二酮类PPO 化合物的除草活性，相比于5-取代基种类，1-N 杂环手性对除草活性影响不显著，鉴于手性原料成本远高于其消旋体，后续研究重点将继续以杂环消旋体化合物为先导，进行新化合物的设计与合成，以发现更高除草活性的化合物。