（农药学专业论文）4三氟甲基嘧啶2基取代苯磺酰脲的设计、合成及生物活性研究.pdf

i i f l lr l i i r lri i iii frfj ii y 17 9 7 9 7 6 4 三氟甲基嘧啶2 基取代苯磺酰脲 的设计、合成及生物活性研究 学生：王红学 导师：李正名教授 专业：农药学 研究方向：农药化学及精细有机合成 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提 下，学校可以适当复制论文的部分或者全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 多彳古 p 叼年月日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名 每三乙 学位论文作者签名 妙( 少 解密时间年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： r 一内部5 年( 最长5 年，可少于5 年) ”1 秘密1 0 年( 最长1 9 年，可少于1 0 年)i 魏，机密2 9 年( 最长幼年，可少于2 9 年)1 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下， 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、以公开发表或没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他 个人和集体，均已在文中己明确的方式标明。本学位论文原创声 明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：妙彳钞i 叩年，月叫e l 摘要 本论文主要内容包括两部分：第一部分： 4 三氟甲基嘧啶2 基取代苯磺酰 脲化合物的合成；第二部分： 4 三氟甲基嘧啶2 基取代苯磺酰脲化合物的除草 活性初步研究。 本论文的主要目的寻找高活性的磺酰脲除草剂，进一步研究磺酰脲结构与活 性的关系。本论文在本课题组前期工作的基础上，设计合成了1 9 个4 一三氟甲基 嘧啶一2 一基取代苯磺酰脲化合物和2 个嘧啶胺新中间体。所有合成的化合物经过 核磁和元素分析确证，部分通过红外光谱和质谱表征。 论文对单嘧磺隆的关键中间体邻硝基苯磺酰氯的工艺进行了系统研究，使得 反应收率约9 0 ，成本降低5 0 。解决了废水污染问题，废水可以完全套用而 不外排。并找到简便工艺合成系列三氟甲基嘧啶胺衍生物。 本论文还对合成的化合物进行了初步的活性筛选试验，发现部分化合物表现 出良好的除草活性。表明单取代的苯磺酰脲分子结构中含有4 位取代嘧啶环结构 的，变化4 位取代基对活性有较大的影响。其中，邻位硝基取代化合物的活性接 近我中心创制的单嘧磺隆。 关键词：磺酰脲，三氟甲基嘧啶胺，合成，生物活性 a bs t r a c t t h ed i s s e r t a t i o nc o n s i s t so ft w op a r t s ：t h ef i r s to nt h er e s e a r c ho f s y n t h e s i s o f 4 - t r i f l u o r o m e t h y l p y r i m i d i y l 2 s u b s t i t u t e d s u l f o n y l u r e a c o m p o u n d sa n dt h es e c o n do nt h es t u d yo ft h e i rb i o l o g i c a la c t i v i t y b a s e do nt h ek n o w nh i g h l y - a c t i v em o n o s u b s t i t u t u t e d p h e n y l s u l f o n y l u r e a i no u r l a b o r a t o r y , 19n o v e l 4 - t r i f l u o r o m e t h y l p y r i m i d i n y l - 2 - s u b s t i t u t e ds u l f o n y l u r e ac o m p o u n d sw e r ed e s i g n e da n d s y n t h e s i z e d ；a n d2n o v e l4 - t r i f l u o r o m e t h y l p y r i m i d i y l a m i n ei n t e r m e d i a t e s w e r es y n t h e s i z e d t h es t r u c t u r e so fa 1 1c o m p o u n d sw e r ec o n f i r m e db y 1h n m r a n de l e m e n t a la n a l y s i s s o m ec o m p o u n d sw e r ec o n f i r m e db y m sa n di r 2 - n i t r o p h e n y l s u l f o n y l c h l o r i d ei sa n i m p o r t a n ti n t e r m e d i a t e o f # n k 9 2 8 2 5 t h es y n t h e s i sr o u t eo f2 - n i t r o p h e n y l s u l f o n y lc h l o r i d ew a s c h a n g e d ，a n dt h ey i e l dw a sr a i s e dt o9 0 t h ec o s to fm a t e r i a l sw a s r e d u c e db y5 0 t h i sm e t h o dc a nr e s o l v et h ep r o b l e mo ft h ew a s t ew a t e r w h i c hc a nb er e u s e d a s i m p l e m e t h o df o r t h e s y n t h e s i s o f n - s u b s t i t u t e d - 4 - t r i f l u o r o m e t h y l p y r i m i d i n ew a sf o u n d b i o a s s a y h a sr e v e a l e dt h a ts o m e 4 t r i f l u o r o m e t h y l p y r i m i d i n y l - 2 s u b s t i t u t e ds u l f o n y l u r e ac o m p o u n d ss h o w e d g o o d h e r b i c i d a la c t i v i t y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ev a r i a t i o no f4 s u b s t i t u t e d g r o u po ft h ep y r i m i d i n er i n gi n f l u e n c e st h ea c t i v i t yo ft h ec o m p o u n d s t h eh e r b i c i d a l a c t i v i t y o f 4 - t r i f l u o r o m e t h y l p y r i m i d i y l 一2 一n i t r o p h e n y l s u l f o n y l u r e ai ss i m i l a rt o 觚9 2 8 2 5w h i c hw a sr e s e a r c h e db yp n e r c k e y w o r d s ：s u l f o n y l u r e a ，t r i f l u o r o m e t h y l p y r i m i d i n e ，s y n t h e s i s ， b i o l o g i c a la c t i v i t y 摘要 a b s t r a c t 第一章前言：1 第一节：含氟农药的发展概况2 1 1 1 含氟农药历史概况2 1 1 2 氟原子的特性3 1 1 3 含氟农药主要创制途径3 1 1 4 含氟农药分类及商品化品种4 第二节：磺酰脲除草剂的研发概况1 0 1 2 1 磺酰脲除草剂的结构与活性1 0 1 2 2 磺酰脲除草剂的作用机理1 7 1 2 3 磺酰脲除草剂的代谢降解2 1 1 2 4 磺酰脲除草剂的合成方法2 2 第三节：立题依据、意义和设计思路2 3 第二章4 三氟甲基嘧啶一2 基取代苯磺酰脲的合成及表征2 8 第一节：合成部分2 8 2 1 1 仪器和试剂2 8 2 1 2 三氟甲基嘧啶胺衍生物的合成2 9 2 1 3 取代苯磺酰胺中间体的合成3 l 2 1 44 三氟甲基嘧啶2 基取代苯磺酰脲化合物的合成4 0 第二节：4 三氟甲基嘧啶2 基取代苯磺酰脲化合物结构表征4 5 2 2 1 目标化合物的核磁数据4 5 2 2 2 目标化合物的物理性质和元素分析4 7 2 2 3 谱图解析举例4 8 第三节：w h x l l 的晶体结构5 4 第三章4 三氟甲基嘧啶2 基取代苯磺酰脲化合物的除草活性初步研究6 0 结论”“一”6 2 附录一本论文所合成的新化合物一览表6 3 附录二攻读期间发表论文与成果6 5 致谢”“e o dogiioq omo g oo od 0 6 6 南开大掌司n b 掌位论文 第一章前言 人口、粮食和环境是二十一世纪的重大问题，由于多年的工业发展和城市 扩张，使得土地的沙漠化、盐碱化非常严重，人们的生存环境日益恶化，能够 利用的耕地越来越少。据世界粮农组织统计每年世界新增加人口约8 0 0 0 万，人 口和粮食的矛盾成为世界性的问题。例如我国，占世界7 的耕地，却拥有世界 2 5 人口。由于病虫草害的影响，粮食产量会减产4 0 7 0 以上。农药作为防治 病、虫、草害，保护农作物的有效手段，是增加农作物单位产量的有效措施之 一，因此，今后较长一段时间里农药仍然是解决人们粮食的主要措施，在世界 农业的发展中起着不可替代的作用。农药在植物生长、调节、收获及储存、保 鲜、运输、加工等过程中均起到重要的作用【l 】。 含氟农药起源于上世纪三十年代，由于氟原子的特性，含氟农药近年来得 到迅猛发展，目前含氟农药的开发【2 3 】成为当今新农药创制的主体。在世界上千 种农药品种中，含氟农药约占1 2 左右。据不完全统计，近十年来所开发的农 药新品种中，含氟化合物更高达5 0 以上。而且符合绿色农药发展趋势。 与此同时，美国杜邦公司开发出磺酰脲类系列除草剂，其使用剂量降到了 1 0 9 h m 2 ，除草剂应用进入超高效时代1 4 。世界农药市场中，三大农药：除草剂、 杀虫剂、杀菌剂所占的比例为：4 9 ：2 9 ：1 9 ，在其中除草剂1 5 】约占一半。而在我国 三大农药除草剂、杀虫剂、杀菌剂的比例为：1 3 ：7 3 ：1 0 ，农药的结构非常不合理， 发展不平衡，除草剂的发展严重不足。况且我国的农药行业发展比较落后，销 售的农药品种仅有2 5 0 种左右，几乎都是仿制品种【6 】。随着我国加入w t o 组织， 知识产权的保护严重限制了我国已往的仿制发展模式，我国的农药出路只有以 创新为目标，不断加强农药创制研究。然而由于农药的开发是一个周期长、费 用昂贵的过程。在我国，农药的开发必须结合我国的国情，新农药开发过程中， 高效、低毒、高选择性、安全、环境相容性、性质稳定、合成方便和价格便宜 1 r 开大掌硕士学位论文 等成为新农药开发的目标。 第一节含氟农药发展概况 开发高效、低毒、高选择性、低残留的绿色农药是2 l 世纪农药开发的主题。 不断开发新的绿色农药是满足人类生存所需粮食的主要手段，但是新农药的开 发是一项高投资、高风险、低成功率的研究过程，目前的开发几乎集中在世界 上较大的农药公司。由于人们采用了新的组合化学、高筒量筛选、生物信息学、 基因学等新的技术，从而大大提高了新化合物的合成能力，提高了新农药的筛 选量。即使采用这些新的高技术和筛选的能力，但是也很少找到新的先导化合 物。对于我国等农药开发技术相对比较落后的国家，开发的主要手段一是利用 现有的农药进行结构优化，找到新的农药。二是在现有品种的结构中引入一些 不常见的新元素，从而取得好的农药。有机氯、有机磷农药曾在农药工业中处 于重要地位。但有机氯农药有在人体内积累和环境污染的危险，先后在一些国 家被禁用或限用f 7 】；有机磷农药对人体高毒，对一些昆虫的仿效减退，产生抗药 性，其发展也受到限制。氟原子引入到化合物中成为时代的热点，也正成为今 后获取超高效、低毒、对环境友好农药的重要手段。 1 1 1 含氟农药的历史概况【8 】 含氟农药的发展起源于上世纪三十年代，真正商品化的第一含氟农药是氟 乐灵： f 3 c c h 2 c h 2 c h 3 c h 2 c h 2 c h 3 f i 9 1 1氟乐灵 上个世纪8 0 年代以后，随着氟化学合成技术的进步及其作用机理被深入了 解，含氟农药得到迅猛发展，逐渐成为开发的热点。世界目前现有的1 3 0 0 多个 农药原药，其中含氟农药占到1 2 以上。在含氟农药中，除草剂：杀虫剂：杀菌 剂为4 5 ：3 3 ：1 5 。从这个比例来看，含氟除草剂是含氟农药中的主要品种，占到近 南开大学硕士掌位论文 一半。含氟农药符合2 l 世纪绿色农药发展的需要，将氟原子和含氟基团引入到 具有生物活性的有机化合物中，能大大地改善其生物活性，含氟农药的优越性 是由氟原子的特点所决定的。 1 1 2 氟原子的特性 9 】 ( 1 ) 模拟效应 氟原子的体积很小，仅为氯原子的1 4 ：其范德华半径仅为氢的1 1 3 倍，这 使它有很好的质子伪拟性，易“冒充”氢化合物进入生物体内，产主模拟效应。 ( 2 ) 电子效应 在所有元素中，氟原子的电负性最大，氟进入生物体内，能通过对分子上 生理活性部分的电子传递提高药剂活性，并能破坏有害物的正常生理电子传 递，达到杀死有害物之目的。 ( 3 ) 渗透效应 当一个碳原子上同时连有几个氟原子时，由于结合状态的氟原子外层电子 填充紧密程度在所有元素中首屈一指的缘故，其携带效应会使其疏水性远高于 碳氢化合物，这不仅使含氟化合物不易受外界影响发生诱变，而且表现出很 好的排斥性和离散性，使它的相容性和表面活性明显提高，对生物体各组织 相产生很好的渗透作用，使活性部分易被吸收，达到杀虫、杀菌或除草的目的。 ( 4 ) 阻碍效应 含氟农药中，被氟置换的部分经受代谢时，因为c f 键的键能非常高，引 起代谢路径受到阻碍，结果影响有害生物的生长，导致死亡。 1 1 3 目前含氟农药的主要创制途径【1 0 】 ( 1 ) 根据生物等排理论，以氟原子及含氟的基团如c f 3 ，o c f 3 ，o c h f 2 等替 代己知化合物或先导化合物结构中的h ，c 1 ，b r , c h 3 ，o c h 3 等基团，而得新的含 氟农药，或对替换后的化合物进行进一步的优化而得。 例如下图：用o c h f 2 代替甲磺隆中嘧啶环上的o c h 3 得到氟嘧磺隆( 见f i 9 1 2 ) 南开大掌司e 士掌位嵌譬 一c s 刚o 啪h 3n _ o c h 3 j 一c s 叫o o c 悯h 3n h “删f 2 、o c h 3 n 2 太o c h f 2 m e t s u l f u r o n - m e t h y l ( 甲磺隆) p r i m i s u l f u r o n - m e t h y l ( 氟嘧磺隆) f i g1 2 生物等排举例 ( 2 ) 利用现有的含氟中间体合成新的农药。 主要利用现有含氟中间体为母体合成一系列新的含氟衍生物。 ( 3 ) 利用己知的含氟活性基团和其它的活性基团进行优化得到含氟化合物。 例如k p p 3 0 0 系列除草剂的研制。以杀菌剂b a s 3 5 2 为先导化合物进行研究发 现，用除草剂s - 2 3 1 2 1 化学结构中的苯环代替b a s 4 5 2 中的苯环，所得的二次先 导化合物，经优化得到l o p 一3 0 0 等。 ( 4 ) 以天然产物为先导，进行结构优化得到新的含氟农药。 含氟农药的创制途径来看，利用生物等排的方法得到新的含氟农药是一条 1 1 4 含氟农药分类及商品化品种【l l 】： 含氟农药是当今世界农药工业发展重点之一，目前已开发应用的含氟杀虫 剂、杀菌剂、除草剂以及植物生长调重要品种。下面主要列举三大系列农药 ( 1 ) 除草剂 国外已商品化的含氟除草剂品种【1 2 】较多，我国已开发的主要品种有氟乐灵、 乙氧氟草醚、氟磺胺草醚和三氟羧草醚等。国外近年来还开发了一些杂环、多 环新型除草剂，如吡氟禾草灵、吡氟氯禾灵、h 5 2 5 、丙炔氟草胺、胺草唑、唑 草酯等。已经商品化的含氟除草剂列于t a b l e l 1 ： 南- 2 p 大掌硕士掌位论文 t a b l e1 1 含氟除草剂 c o m m o nn a n l e ( c h i n e s en a m e ) c h e m i c a ls t r u c t u r e ( d i t h i o p y r ) 氟硫草定 m 限6 1 2 ( p r i r n i s u l f u r o n - m e t h y l ) 氟嘧磺隆 ( k n w 一7 3 9 ) f l p o x a m 胺草唑 c h ( c h 3 ) 2 洲3 秘= g h 2 2 c h 3 c s o 。2 。n c h h c 3 0 n h 二乏 弋 e t h a l f l u r a li n ( e l 一1 6 1 ，s o n a l a n ) f 3 c n i p y r a c l o f e n s l a - 3 9 9 2 ) f 3 c o c h f 2 o c h f 2 h 2 0 c h 2 c f 2 c f 3 s 洲洲h h 叱 n l c h 3 c h 3 c h 2 c c h 2 c h 2 c h 3 - 5 f o ， x 涔 南开大学硕士学位论文 ( r e 一4 0 8 8 5 ，f l u r t a m o n e ) 呋草酮 ( r - 4 0 2 4 4 ，f l u r o c h l o r i d i o n e ) 氟咯草酮 c f 虎威，氟黄胺草醚 p p g 一8 4 4 ，l a c t o f e n 克阔乐 f l u o r o g l y c o f e n ，c o m p l e t e 乙羧氟草醚 m t - 1 2 4 ( f u r u l o x y f e n ) m o n - 4 6 01 p r o s u l f u r o n ( 氟磺隆、三氟丙磺隆、必克) c f 3 c h 2 c i 眠g ( 蔗锄氐 3 r - - o e t | 夕 c h 3 c h 2 c h 2 c f 3n 公, c h n 3 s o 人c 2 n h c o n h n u 。i 1 3 6 。盘 南开大学硕士掌位论文 t r i t o s u l f u r o n ( 三氟甲磺隆) q1 1 4 5 4 诺华公司 t r i f l u r o x ys u l f u r o n ) 氟胺磺隆 ( t r i f l u s u l f u r o n m e t h y l ) 氟酮磺隆 t r i ms u l f u r o n 吡氟禾草灵 ( i h 7 7 3 5 ，稳杀得) f h c h 3 n a c f 3 n 夯c f n 3 s 0 2 n h c 。n h 氐八。c h 3 o h i c h c h 2 f s 0 2 n h c o n h h 3 认so。c。f甜3 n 彳o c c 一。h 3 q q 南开大硝h 炙士掌位论文 ( p p 0 0 5 ，f l u a z i f o p - p - b u t y l ) 精稳杀得 眠仑吣 盛。 ( d 0 w c 0 4 5 3 e = 嘶一 o - c - c o 一，c h 一2 c h 一2 0 e t 誓、卜叫一 盖草能 一n 一 ( d 一5 姗) 桷h a l o x y f o p - m e 姒”c f 心捻吼吡氟甲草胺 生n k d o w c 0 5 3 5 c 心。一p c h 3 f l a z a s u l f u r o n ( 啶嘧磺隆、秀百宫) q 麓。n ( 2 ) 杀虫剂 含氟杀虫剂主要有含氟拟除虫菊酯类和含氟苯甲酰脲类。国外正在开发或投 入工业化生产的含氟拟除虫菊酯类杀虫剂有氟氯菊酯、溴氟菊酯、七氟菊酯、 氟氯苯菊酯、氟胺氰菊酯、百树菊酯、三氟氯氰菊酯、五氟苯菊酯等。其中， 溴氟菊酯、三氟氯氰菊酯、百树菊酯等。含氟苯甲酰脲类杀虫剂已商品化的主 要有氟铃脲、除虫脲、苏脲8 号、氯氟脲、氟幼脲、伏虫隆等。 已经商品化的含氟杀虫剂举例如下： 日一屯； 俨鼬岬h 声( 。、 氟酯菊酯( a c r i n a t h r i n ) c=xchci-i g = 一y n h _ ， 氟蚁腙( h y d r a m e t h y l n o m ) 砭f 洲b c f 3 f s q n h 衫- - - c h c o o h c p 叼 c f 。l c i n c f 3 氟啶胺( f l u a s i n a m ) 氟酰胺( f l u t o l a n i l ) 心险f n 、n n - - 氟硅唑 一 c 蟛o c 3 h 7 氟菌唑( t r i f i u m i z o l e ) 从以上列举的含氟农药来看，含氟的除草剂的商品化的品种最多，占含氟 农药中的一半左右，因此含氟除草剂的开发有着良好的前景。在2 0 0 3 年的英国 植保会议上最新公布3 个除草剂和3 个杀菌剂，其中5 个为含氟农药仅有一个不含 氟，见t a b l e1 2 。 t a b l e1 22 0 0 3 年英国植保会议公布的新农药 南开大掌硕士掌位论文 m e t a m i f o p ( d o n g b uh a n n o n g )f l u c e t o s u l f u r o n ( l g ) o c h f 。了 = 2 , 5 2 4 3 , 5 3 ，4 等。 鼢n 愚c h d1 i n c r e a s i n ga c t i v i t y i n i c t i v e f i g 1 5 r e l a t i v ea c t i v i t yo fm o n os u b s t i t u t e dp h e n y l s u l f o n y l u r e ad e r i v a t i v e s 本课题组于上世纪9 0 年代开始系统研究磺酰脲除草剂，在l e v i t t 理论的基 础上，首先在苯环的邻位上装有吸电子基团，然后优化右边的杂环，得到不同 的实验结果：即有少数含单取代嘧啶的磺酰脲分子也有很好的生物活性( 实例 见f i g1 6 中的n k 9 2 8 2 5 ，n k 9 4 8 2 7 ) 。因此对l e v i t t 博士的结论进行了修正， 即当杂环为嘧啶环时，桥的4 一位上单取代和4 ，6 一双取代的药效相当【1 9 1 。 州洲n 广 n - j v c o h n - - 洲3 夕 n 一 单嘧磺隆( # n k 9 2 8 2 5 ) 单嘧磺酯( # n k 9 4 8 2 7 ) f i g1 6 单取代磺酰脲 1 2 2 磺酰脲除草剂的作用机理 l ar o s s a 等人【2 0 】最早发现，磺酰脲类除草剂的作用靶标是催化植物体内支 链氨基酸合成第一步反应的乙酰乳酸( 羟基酸) 合成酶( a c e t o l a c t a t es y n t h a s e 或 a c e t o h y d r o x y a c i ds y n t h a s e ) ，简称a l s 或a h a s 。如f i g u r e1 7 所示，该酶受 到磺酰脲化合物的抑制，支链氨基酸的生物合成受阻，将导致蛋白质合成的停 止，使d n a 和其他有丝分裂必不可少的物质的合成被破坏【2 l 】，导致植物根、 茎、叶的生长受到抑制，从而使植物生长严重受损直至死亡。 鹕簸艘 i 暾，r 敷艘 ：l ： ：、-一， ll ”孵。戊麟。p 暖鳍。绞 p 燃一i l j | 轰l 免舷 lll 舷皱蟛 如镀瞅砷幺馥翳 0 触盗“磋f 威 鳓数裂 f i g1 7 磺酰脲除草剂作用机理示意图 直到近几年，澳大利亚学者r o n a l dgd u g g l e b y 的科研组才解出了磺酰脲与 a l s 酶复合物的单晶结构，并阐释了磺酰脲与酶的作用机制2 2 2 6 。本课题组与 d u g g l e b y 的科研组合作得至1 j 9 2 8 2 5 和酶的复合物并对结构进行分析。得到的复合 物如下图： + 。争：； # 9 2 8 2 5a l s 酶复合物 f i g1 8 # 9 2 8 2 5 和a l s 酶复合物形成示意 f i 9 1 9 为a l s 酶的单体的结构，其中q 单元和y 单元之间为共同作用区 域。在酶的结构中，有两个大的亚基( 6 0k d a ) 为催化亚基，两个小的亚基( 9 - 1 7 k d a ) 为调节亚基，催化亚基与磺酰脲分子结合，起主要作用。其中，f a d ，m 9 2 + 均起作用。 南开大学强炙士掌位葭咒赶 f 噜1 9 a l sm o n o m e rs t 加c m r e d u g g l e b y 的科研组合先后培养出酵母菌a l s 催化亚基的晶体和催化亚基与 氯嘧磺隆( c e ) 结合物的晶体。图中红色框中的十个残基为与氯嘧磺隆的直接作用 位点，两个绿色框中残基为辅助作用位点，其余未框出的黄色部分为未作用位 点。氯嘧黄隆与a l s 酶的相互作用包括氢键作用、疏水作用、静电作用和芳香 环间的作用，另外，空间障碍也是重要作用因素。通过比较c e 结合前后晶体 结构的变化，可以发现磺酰脲对a l s 的抑制方式。 f i g1 1 0 氯嘧磺隆与酶结合位点图 a l s 两个单体之间形成一条可供底物接近的通道。c e 的结合位置与活性位点以 及f a d 的黄素环邻近。c e 的芳环与磺酰基处于通道入口，其余部分深入内部。 这样，c e 分子完全阻止了其余分子进入活性位点，从而抑带o t a l s 的催化活性。 与自由构型相比，c e 从磺酰基上折叠至芳环平面与杂环及脲桥平面几乎垂直， 南开大学墉页士学位论文 乙基向着与杂环平面平行的方向伸展。c e 主要与两个单体上蛋白质残基以及 f a d 的c 7 甲基发生着憎水相互作用，同时磺酰脲桥又与l y s 2 5 l 和时9 3 8 0 上的两 个氨基酸形成了四个氢键。 本课题组在a l s 酶三维结构未知的情况下展开工作，测定了系列磺酰脲化 合物的单晶结构，与赖城明教授课题组合作，应用分子图形学、分子力学和量 子化学方法，研究了一系列高活性磺酰脲的结构特点，总结出高活性分子的构 效关系三要素要素：1 ) 活性分子中有三个独立非共平面的结构，其中一个具有 n h 的氢键形成一个共轭体系。2 ) - - 个负电中心为羰基氧，磺酰基氧及含氮杂 环。3 ) 磺酰基的邻位有一个空穴。从而提出“卡口模型，此模型很好的解释 了各化合物的活性差异【2 7 t2 羽。 f i g1 1 1 卡口模型 在构效关系方面，研究了结构参数及计算方法的选择对提高磺酰脲活性预报准 确性的影响【2 9 3 0 1 。将反映分子表面积大小和分子构象差异的参数引入计算，探 讨了杂环表面积对药物分子和受体作用的影响，较好的解释了单取代三嗪类磺 酰脲活性较低的原斟3 1 】。并用c o m f a 方法研究了磺酰脲的3 d q s a r ，为进一步 优化结构提供了有用的信息【3 2 1 。本课题组初步总结了磺酰脲分子具有除草活性 的结构特征，同时也初步解释了单取代嘧啶磺酰脲具有优良活性的内在原因。 在与受体的结合中，具有主要作用的结构因素是杂环的表面积，单取代的嘧啶 磺酰脲分子中杂环部分的表面积均大于单取代三嗪磺酰脲的，从而导致这两类 化合物的活性具有显著差异。 1 2 3 磺酰脲除草剂的代谢降解 南开大掌硕士学位论文 磺酰脲除草剂在土壤中的降解一般有四种途径：化学降解、光解作用、醇解 反应和微生物降解【3 3 】。磺酰脲类除草剂在自然条件下主要发生化学水解和微生 物降解，微生物降解作用较化学水解缓慢，但它不仅可以降解母体化合物，而 且可以通过分解水解产物来促进水解反应的进行 磺酰脲类除草剂的化学水解是羰基碳上的亲核取代反应。由于磺酰基的强吸 电子效应增加了羰基的极性，水分子更易进攻极化的羰基碳而发生脲桥断裂的 水解反应，最终形成无除草活性的芳基磺酰胺和氨基杂环。磺酰脲化合物属弱 酸，p k a 为3 3 5 2 ，与磺酰基相连n 上的h 有一定的酸性，电离后产生的负离子 降低了羰基的极性，亲核试剂的进攻减弱，水解反应难以进行。但在酸性条件 下，h 可与羰基的氧结合形成氧盐，然后重排成碳正离子，水解反应更为容易。 磺酰脲类除草剂的化学水解主要取决于化合物化学结构，结构相同的磺酰 脲化合物分子型比阴离子型敏感2 5 0 1 0 0 0 倍：不同结构的磺酰脲类除草剂化学 水解的途径也不相同，含苯系芳环的化合物易发生脲桥水解和杂环部分烷氧基 的羟基取代反应【3 4 。5 1 。而芳基部分为杂环的化合物除发生脲桥的水解外，还可 发生其他反应，例如：噻磺隆可发生噻吩环上酯基的水解【3 6 】，玉嘧磺隆可发生 吡啶环上的分子内亲核取代 3 7 1 。不同化学结构的磺酰脲化合物水解速度也相差 悬殊，苯磺隆的噻吩取代了芳基也容易水解p 8 1 。 磺酰脲化合物的化学水解还与缓冲溶液的p h 值、温度和土壤p h 值、温度、 有机质含量及降雨量等因素有关。溶液的酸碱性决定着磺酰脲类除草剂水解反 应的部位，在酸性条件下主要发生脲桥的水解，而在碱性条件下主要发生杂环 上的亲核取代。p h 值还影响着水解反应的速度，氯磺隆、甲磺隆、甲嘧磺隆和 氯嘧磺隆等的水解速度均与p h 值呈明显的负相关。温度对磺酰脲化合物水解反 应的影响是温度越高，水解越快，温度每升高i o c ，水解速度提高3 - 6 倒3 9 1 。 降解磺酰脲除草剂的微生物主要有细菌，放线菌，真菌。这些微生物可以 降解磺酰脲母体或其化学水解产物，对有些除草剂，生物降解可能还占有主要 地位。 雨开大掌硕士掌位论文 1 2 4 磺酰脲除草剂的合成方法 磺酰脲除草剂自问世以来，经过三十几年的深入研究，有了较大的进展，特 别是该类化合物的合成方法有几十种，下面介绍一些常用的主要合成方法。 1 ) 以磺酰胺为原料来合成中间的方法如下 4 0 - 5 2 ： a r s 0 2 nh 2 a r s 0 2 c i c o c l 2 d b a c o ，b u n c o c i c o o c c l 3 d b a c o ，b u n c o b t c d b a c o ，b u n c o ( c o c i ) 2 d b a c o c i s 0 2 n c o k o c n m 呲。c l c o o r = - 二 a r s 0 2 n c o o r a r s 0 2 n h c o h n h e t 2 ) 以杂环为原料来合成中间体的方法 s 3 - s s ： f 坠 h e t n h c o o r 1 2j 竺竺， 【a r s o _ 2 n h 2 h e t n h h e t n c o a r s o ，。n h c o h n h e t 一 ，+【叫 【- c i s c c 。n h 懒j 3 ) 其他方法【5 9 - 6 1 1 ： a r s 0 2 n h 2 + ( p h o 脚+ h e t n h 2 ： a r s 0 2 n h c o h n h e t a r s 0 2 c i + ( r o ) 2 c = n h + h e t n h 2 型竺竺斗a r s 0 2 n h c o h n h e t a r s 0 2 n h n a 十c o p d c l 2 h e t n h 2 c h 2 c 1 2 a r s 0 2 n h c o h n h e t 比较以上的合成方法，在实验室里用最多为草酰氯和磺酰胺反应合成异氰 酸酯的方法最为简单实用，但草酰氯的使用量较大。而工业上考虑到成本问题， 以前都使用光气的方法生产，然而由于光气的剧毒性，受到严格的限制。近年 来工业上都改为使用双光气法( 氯甲酸三氯甲醇酯) ，其使用的危险性比光气有 很大的降低。随着三光气的研究深入，逐渐出现用三光气( b t c ) 来代替光气的 方法生产磺酰脲的新工艺。由于三光气属于2 1 世纪的绿色化工原料，深入探索 b t c 法有望降低磺酰脲生产工艺的污染问题，是一条较好的绿色工艺。 磺酰基胺基甲酸酯法操作较简便，但对于有些磺酰脲化合物，尤其是嘧啶 或三嗪环上有吸电基时，可能会遇到转化率不高、产品不易提纯等问题。 第三节立题依据、意义和设计思路 磺酰脲类除草剂给农业生产及农药工业带来巨大的经济效益，成为农药发展 史上的一个里程碑。不断开发高效、高选择性、低毒的新除草剂具有重要的现 实意义。特别是我国，作为拥有1 3 亿的人口的国家，需要的粮食仍然需要靠不 断减少的耕地的单产来满足。由于我国可耕种土地面积不断减少，人口、土地 及粮食的矛盾非常突出，因而开发新的除草剂迫在眉睫。 本课题组在上世纪九十年代开始研究磺酰脲除草剂，从分子设计、计算机模 拟入手，通过多年的努力，合成了近8 0 0 个新型磺酰脲化物，并进行了室内除 草活性测试。首次发现# 9 2 8 5 ，# 9 2 8 2 5 ，# 9 4 8 2 7 ，# 0 1 8 0 6 ，# 0 1 8 0 8 等新结构有超 高效除草活性，得到田间试验和作用靶酶的验证。其中# n k 9 2 8 2 5 ( 单嘧磺隆) 、 # n k 9 4 8 2 7 ( 单嘧磺酯) 两个除草剂通过多年的大田试验得到验证，并且都得到 国家科技攻关的支持，顺利完成了中试开发和产业化研究，近年来累计推广试 验面积近百万亩，已经进入市场开发阶段。从分子结构比较发现，对于单取代 嘧啶环取代苯磺酰脲，也有与双取代相当的活性。说明部分单取代嘧啶苯磺酰 南开大学硕士掌位论文 脲除草剂中也有较好的生物活性，进而对l e v i t t 理论进行了修正。 从商品化的磺酰脲瓶中来看，含氟的磺酰脲占到4 0 左右，特别是近年来开 发的含氟品种越来越多。在含氟农药中，含有三氟甲基的农药也占到了相当的 比例。因此，将本课题组的单取代理论，利用生物等排的原理，将单嘧磺隆得 到的4 一甲基嘧啶胺的中的甲基用三氟甲基来代替可得到一系列新型磺酰脲除草 剂，并对磺酰脲的脲桥上进一步修饰，有可能得到高活性的除草剂。综合以上 几点，设计合成4 一三氟甲基嘧啶一2 一基取代苯磺酰脲除草剂，所设计的化合物结 构如下： s 叫h c “歹 r 2 n r 2 = h ，c h 3 ，c h