（有机化学专业论文）苯环5取代磺酰脲类除草剂的合成、生物活性及水解研究.pdf

南开大学学位论文使用授权书 i 根据南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法，我校的博士、硕士学位 获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。 本人完全了解南开大学有关研究生学位论文收藏和利用的管理规定。南开大学拥有在 著作权法规定范围内的学位论文使用权，即：( 1 ) 学位获得者必须按规定提交学位论文 ( 包括纸质印刷本及电子版) ，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生学位论 文，并编入南开大学博硕士学位论文全文数据库：( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将 公开的学位论文作为资料在图书馆等场所提供校内师；生阅读，在校园网上提供论文目录检 索、文摘以及论文全文浏览、下载等免费信息服务；( 3 ) 根据教育部有关规定，南开大学向 教育部指定单位提交公开的学位论文；( 4 ) 学位论文作者授权学校向中国科技信息研究所和 中国学术期刊( 光盘) 电子出版社提交规定范围的学位论文及其电子版并收入相应学位论文 数据库，通过其相关网站对外进行信息服务。同时本人保留在其他媒体发表论文的权利。 非公开学位论文，保密期限内不向外提交和提供服务，解密后提交和服务同公开论文。 论文电子版提交至校图书馆网站：h t t p ：2 0 2 1 1 3 2 0 1 6 1 ：8 0 0 1 i n d e x h t m 。 本人承诺：本人的学位论文是在南开大学学习期间创作完成的作品，并已通过论文答 辩；提交的学位论文电子版与纸质本论文的内容一致，如因不同造成不良后果由本人自负。 本人同意遵守上述规定。本授权书签署一式两份，由研究生院和图书馆留存。 作者暨授权人签字： 苴目4 2 0 1 0 年5 月3 1日 南开大学研究生学位论文作者信息 论文题目苯环5 取代磺酰脲类除草剂的合成、生物活性及水解研究 姓名曹刚l 学号f 2 1 2 0 0 7 0 5 3 4 l 答辩日期i2 0 1 0 年5 月2 7 日 论文类别博士口学历硕士硕士专业学位口高校教师口同等学力硕士口 院系所化学学院专业l有机化学 联系电话 18 7 216 6 0 5 0 2 i e m a i i c a o g a n 9 0 8 2 5 12 6 t o m 通信地址( 邮编) ：南开大学元素有机化学国家重点实验室六教4 0 5 室 3 0 0 0 7 1 备注：无j 是否批准为非公开论文f 否 注：本授权书适用我校授予的所有博士、硕士的学位论文。由作者填写( 一式两份) 签字后交校图书 馆，非公开学位论文须附南开大学研究生申请非公开学位论文审批表。 。擎摊审革融珥毒拦移非戡申鬲箪妊毒￥妊掣删醵萃拱珥毒岳妤非鹳 锋囤辫蕈詈专焉( 饬照箪一) 皇斡晕勒甲。萃洪斟索明千班、千窜l 晕蜩明士群群稚出娶锋砰澎宰2 千； 彰 茸拱妊影非能裂穰显哥 p：器嚣 i 肠o o o z 巧j 眵 斧芦让隽奠f 琴鼋圉 脚擎鼍q 辩地：( 嘭g 单) 弭研髫觐 m 卯弘倒泉g 口b 叼 i ! b 岫丑f 翮7 罗琵副兴审当治 南挑环牟f 谢黼鳕，警i 翱 i 口千、衄华嘉岛刨 口蛳磷弭掣 口砑柔而每千挚 一千照磐嘉 口千斛 腊椠茸观 目2 卿由o k 瞵目毒鳝嚣 书“q 厶吒k 鲁秦 悼 矽群 僧船蝴阚叻铸甭、钞啪郴醌蝴一n 哮 目耐茸观 冒翳晕勘革烈珥毒鬲草地丢￥拦掣 目f 目s 南g jo 乙 ：专掰y 辞群磊岩勤 。晕禺勘锋囤唑捌甭肇地甲辑鲤翠一苦褥肆斟群章。犁群娶丁皋释翠刨y 章 。兽马y 牢甲酱g 膂业貊承刨业图晦墟一站掣朝茸砚卓剪辑与猕壬胃茸砚珥嘉驹革瞢 。籀最茸砚疑娶目冀智勤明帮车勤晤刨酶k 柔嘉￥妊掣翠瞽茸砚珥奈明y 卓：纂凄y 章 。u a q x a p u ! 1 0 0 $ ：1 9 i 。0 z e i i z o z ：d 弭q 。彝豳勘锋固醉委蕈篱狲士单茸砚 。茸砚妊髟刨髟舶瞠蕈瞥g 翠蝴暂酣辫瞥哇革斟蟛掣业甲刮麟墨 ! ； 茸现碍杀监移非 。瞎碑朝茸观擎髯辂帮研嚣翠禺 ! l y 章轴刨。暂撕胃鲁岜骁恬拯辚幽￥衅汗释蕻 茸蜜】； 茸砚珥杀翠醉y 劲蜂硝士申嚣西覃拱珥杀朝圈娶莘群革鬻群列用士印( 霹柴) 姓瞬半 杀圄士咄缎延地茸粤辑性围审掣谢杂碎辫岩勒茸砚珥杀( 哥) 。覃砚珥杀脚甚妤萃爵砑贲罩群 勰革辚刨杀￥拦鳝犁群* 阜勰晕辚警斟( ) 2 暂邵冒署壤丐鸯碡土、繇腰覃孑茸砚暂询瓣 茸、摹弭咨目茸祺希鬻丁刚圈辫翠旅唧甭蛳甲辩静静鳕缉韩勘锋囤翠僻疆椠勤茸拱珥杀阴 妊移琳伯也辫素明目地性哇索辚( z ) 2 窜辨璩萆弓茸砚碍杀千迎斟案￥拦掣y 黪冀 茸祺砑杀再延抱晕哿秘舌睥茸酉l 鹭疆由黪、【b 缮时滥相卫辫秦( 銎f 壬审谣章暗由酱狮辨 曰) 茸砚砑秦革瞥举群瓣蟛师霉台； 罪珥柔( i ) ：d 目砰目辫茸砚珥杀朝掣圈聪犁群嚣碑勤凳) 翠阜啡嘉￥妊鳝。犁辫盈暑钾茸胜哇撵劲茸识珥杀雨延丑塾￥阜杀￥妊掣挪上弓举y 章 。猕壬审翠畔暂章髫撕茸观再杀朝y 章萃瞥杀￥拦掣掣酶解岩勘 罪砑杀千邋、千斟朝辑棰餮哗甚暑出阽哇猎劲茸砚再奈雨x 搬壬￥杀￥搓单 鬻磷 斗砰弭茸翦茸观码奈杀￥妊卑 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 取得的研究成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包 含任何他人创作的、已公开发表或者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，均已在文中以明确方式标明。本 学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：萱园42 1 0 1 年5 月3 1 日 非公开学位论文标注说明 根据南开大学有关规定，非公开学位论文须经指导教师同意、作者本人申 请和相关部门批准方能标注。未经批准的均为公开学位论文，公开学位论文本 说明为空白。 论文题目 申请密级 口限制( 2 年)口秘密( 1 0 年)口机密( 2 0 年) 保密期限 2 0 年月日至2 0年月 日 审批表编号批准日期 2 0 年月日 限制2 年( 最长2 年，可少于2 年) 秘密1 0 年( 最长5 年，可少于5 年) 机密2 0 年( 最长1 0 年，可少于1 0 年) 摘要 磺酰脲除草剂已经被广泛的应用于农业生产。一些磺酰脲除草剂在土壤中 的残留大大超过了人们的预期。但是，氟嘧啶磺隆的残留时间不到一个月，它 是第一个被报道的苯环5 取代的磺酰脲类除草剂。因此， 5 - 取代的苯磺酰脲 类化合物是潜在的能调节残留时间的除草剂。 为了找到生物活性高同时降解速率合适的磺酰脲类除草剂，在我们课题组 前人的工作基础上，保持嘧啶环单取代，对起重要作用的苯环5 取代基进行了 优化，设计合成了各种带吸电子基团、供电子基团、长链基团、短链基团、大 位阻基团和小位阻基团的磺酰脲类化合物，总共五个系列四十八个化合物，这 些化合物的结构通过核磁共振氢谱和磷谱、红外、质谱、元素分析、高分辨质 谱确证。生物活性测试表明一些化合物具有较好的生物活性。通过这些新化合 物的设计和活性测试，分别讨论了电子效应和位阻效应对除草活性的影响 在合成过程中，对部分中间体的合成方法进行了优化，与文献方法相比， 新方法对环境友好、大大缩短了反应时间且后处理更简便。 用h p l c 测试了一些化合物在无光照条件下不同p h 值缓冲溶液中的化 学水解，均与p h 值相关。一些化合物在酸性缓冲溶液中的水解速率大大超过 了在中性和弱碱性缓冲溶液中的水解速率，这与以前的规律相符合。但是有一 个化合物在弱碱性缓冲溶液中的水解速率大大超过了在中性和酸性缓冲溶液中 的水解速率，还有一个化合物在任何缓冲溶液中的水解速率都比较快。通过这 些新化合物的设计和降解速率的测定，分别讨论了各种基团对降解速率的影响。 综合生物活性和降解速率，发现了一个生物活性较高且降解速率合适的化 合物，并得出了一些结论，这些结论为以后该领域新型、绿色环保除草剂的创 制提供一定的理论和实践上的依据。 关键词：磺酰脲，苯环5 ，除草活性，水解 a b s t r a c t a b s t r a c t s u l f o n y l u r e a h e r b i c i d e sh a db e e na p p l i e dw o r l d w i d ei n a g r i c u l t u r e s o m e s u l f o n y l u r e ar e s i d u e sm i g h te x i s ti ns o i ll o n g e rt h a np e o p l ee x p e c t e d h o w e v e r ， f l u p y r s u l f u r o n - m e t h y l - s o d i u mw h i c hw a sf i r s t l yr e p o r t e da san e w5 - s u b s t i t u t e d s u l f o n y l u r e ah e r b i c i d eh a dl e s st h a no n em o n t hr e s i d u a ll i f e t h e r e f o r e ，5 - s u b s t i t u t e d b e n z e n e s u l f o n y l u r e a sw e r ep o t e n t i a lm o l e c u l e st or e g u l a t ei t sr e s i d u a ls i t u a t i o n i no r d e rt od e v e l o pn e ws u l f o n y l u r e ad e r i v a t i v e s ，t h es u b s t i t u e n to n 5 - p o s o t i o no ft h eb e n z e n er i n gw a so p t i m i z e d t h ec r i t i c a l ： o nt h eb a s i so fo u rf o r m e rw o r ko n s u l f o n y l u r e a sw h i c hc o n t a i n e dac h a r a c t e r i s t i cm o n o s u b s t i t u t e dp y r i m i d i n em o i e t y ， f i v es e r i e s c o n t a i n i n gf o r t y e i g h tn e ws u l f o n y l u r e ad e r i v a t i v e sw e r es y n t h e s i z e d w h i c hs t r u c t u r e sw e r ec o n f i r m e db y1 hn m r , 3 1 pn m r , n lm sa n de l e m e 删 a n a l y s i s t h eg r e e n h o u s eb i o a s s a yt e s t ss h o w e dt h a ts o m et i t l ec o m p o u n d se x h i b i t e d p o t e n th e r b i c i d a la c t i v i t y t h ec h e m i c a ld e g r a d a t i o no ft h et i t l ec o m p o u n d sw e r ei n v e s t i g a t e di na q u e o u s s o l u t i o n sa td i f f e r e n tp hv a l u e si n t h ed a r k t h eh y d r o l y s i sr a t e so fs o m et j t 】e c o m p o u n d s ，d e t e r m i n e db yh p l ca n a l y s e s ，w e r ep hd e p e n d e n ta n dw a sm u c hf a s t e r i na c i d i ct h a ni nn e u t r a lo rw e a k l yb a s i cc o n d i t i o n s h o w e v e r , d i f f e r e n tf r o mt h e p r e v i o u sr u l ed e s c r i b e da b o v e ，t h eh y d r o l y s i sr a t eo fl - kw a sm u c hf a s t e ri nw e a k l v b a s i cc o n d i t i o n sa n da n o t h e rw a sq u i c k l yi na l lc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：s u l f o n y l u r e a ，5 - s u b s t i t u t e dp h e n y lr i n g ，h e r b i c i d a la c t i v i t y ，h y d r o l y s i s i i 摘要j 。3 a b s t r a c t i i 第一章前言1 ； 第一节磺酰脲类除草剂的研究开发与品种1 1 1 1 磺酰脲类除草剂的结构与活性关系研究1 1 1 2 磺酰脲类除草剂的商品化品种2 1 1 3 磺酰脲各类结构变化的近期报道。9 第二节磺酰脲除草剂的作用机理1 4 第三节磺酰脲除草剂的代谢降解和残留药害1 6 1 3 1 磺酰脲的代谢降解1 6 1 3 2 磺酰脲的残留药害1 7 第四节苯环5 一取代磺酰脲类除草剂的研发概况。18 参考文献2 5 第二章论文立题依据、意义及设计思路31 第三章合成与生物活性研究3 2 第一节苯环5 一卤素或腙基取代苯磺酰脲的合成及除草活性3 2 3 1 1 实验部分3 2 3 1 2 结果与讨论l 3 8 3 1 3 生物活性41 第二节苯环5 一磺( 膦) 酰胺基取代苯磺酰脲的合成及除草活性4 3 3 2 1 实验部分4 3 3 2 2 结果与讨论4 7 i i i 目录 3 2 3 生物活性5 0 第三节苯环2 一和5 一双烷氧羰基苯磺酰脲的合成及除草活性5 1 3 3 1 实验部分51 3 3 2 结果与讨论5 3 3 3 3 生物活性5 5 第四节苯环5 一烷氧羰基苯磺酰脲的合成及除草活性。5 6 3 4 1 实验部分5 6 3 4 2 结果与讨论”。l mlootooooo5 9 3 4 3 生物活性i 6 2 第五节苯环5 一氨基羰基苯磺酰脲的合成及除草活性6 2 3 5 1 实验部分：6 2 3 5 2 结果与讨论6 5 3 5 3 生物活性6 8 参考文献j 6 9 i 第四章磺酰脲类化合物水解的初步研究7 0 第一节材料与方法7 0 4 1 1 实验材料与仪器7 0 4 1 2 实验方法7 0 第二节实验结果7 2 4 2 1 七个供试磺酰脲化合物测定方法的线性范围7 2 4 2 2 供试化合物在缓冲溶液中的添加回收率7 4 4 2 3 供试化合物在缓冲溶液中水解的动力学测定结果7 4 参考文献8 0 ； 总结81 致谢8 2 i v 目录 附录i 仪裂及测试方法8 3 1 仪器和试剂8 3 2 除草测试方法8 3 附录合成新化合物一览表8 4 个人简历8 8 ； ! v 前言 第一章前言 第一节磺酰脲类除草剂的研究开发与品种 1 1 1 磺酰脲类除草剂的结构与活性关系研究 美国杜邦公司的gl e v i t t 在上世纪七十年代中期最早发现了磺酰脲类除 草剂，1 9 8 1 年，第一个商品化品种氯磺隆( 1 ) 问世，其使用剂量以克公顷计， 标志着农药的发展进入了超高效时代。 r a r y l b r i d g eh e t e r o c y c l e j 图1 1 磺酰脲类化合物的结构单元 l e v i t t 博士对此类化合物进行了结构一活性关系研究，把磺酰脲分为芳环、 脲桥和杂环三个结构单元( 图1 1 ) ，对每个单元进行修饰与改造来观察对除草 活性的影响。此类化合物具备高除草活性在结构上应满足以下基本条件【l ，2 】： ( 1 ) 杂环一般为包含脲桥的胍系结构，杂环一般为4 ，6 位二取代，桥另外 一端为对位未取代的芳香环。 ( 2 ) 杂环一般为嘧啶或三嗪环，若是其它满足条件的杂环，则活性降低。 杂环上的两个取代基中，低级烷基或烷氧基的活性最高，不同基团取代后磺酰 脲化合物的活性趋势见图1 2 。 ( 3 ) 桥一般为磺酰脲结构，改造后的结构也有活性，但一般比母体化合物 活性有所降低。常见的改造结构见图1 3 。 ( 4 ) 芳香环可以是苯环、萘环或其它五元、六元杂环及稠杂环，苯环以邻 位单取代活性较好，不同取代后的活性趋势见图1 4 。苯环的二氯取代物活性 顺序为：2 ，6 2 ，3 2 ，5 2 ，4 3 ，5 3 ，4 ，其中2 ，6 位二取代与2 位单取代 活性相近。 之y nn hno chn o s 前言 9n - - - - - 、 x s 0 2 n h c “n h 飞之 氐彦 x ：o m em eo m eo e to e ts m eo e t n v i e 2 s m e y ：m em eo m eo m em em eo e t n v i e 2 s m e i n c r e a s i n ga c t i v i t y i n a c t i v e f ! 图1 2 嘧啶环各种取代磺酰脲的活性趋势 ooo i ii i| l c h 2 s 0 2 n h c n h 一一s 0 2 n h c n 一- - o s 0 2 n h c n h c h 3 so n o r - - s 0 2 n h c n h - - s 0 2 n h c n h c h 2 - - s 0 2 n h c n h s , r ho r h s 0 2 n ：c n 一一s 0 2 n = c n 一 图1 3 改造后的各种脲桥 o n f 叱 s 0 2 n h c n h 飞力 c h 3 瑚：m e ：篡伊m e 洲e 脱。篇 r2 口- c 0 2 m ed - n 0 2 d 。c f 3 d - f o 。m e所。m em c l 0 1 - c 0 2 h o - b r o - h 图1 4 苯环各种单取代磺酰脲的活性警势 1 1 2 磺酰脲类除草剂的商品化品种 l e v i t t 的结构一活性关系研究促进了磺酰脲类除草剂的迅速发展，除杜邦 公司外，其它农药公司也相继进行研究和开发，已有的商品化品种见表1 1 【3 川。 2 前言 表中大致以开发或商品化从先到后的时间顺序排列。 从表中可以看出，虽然近年来有较多新的磺酰脲品种出现，但大部分化合 物的结构都遵从l e v i t t 的结构一活性关系。除此以外，较大的结构改动产生了 两个新类型，即磺酰氨基羰基三唑啉酮类和三唑并嘧啶磺酰胺类除草剂1 3 j ，其 商品化的品种见表1 2 。 表1 1 商品化的磺酰脲除草剂 c o m m o nn a m et r a d e n a m e ，、 1p r i m a r y a p p l i c a t i o n 0 1 1 e m l c a | s t r u c m r e ( c h i n e s en a m e ) o rc o d e u s e r a t e ( g h a ) c h l o r s u l f 。u r o n g 嗍l e a n , 4 t 。e 8 l 芋 ( 氯磺隆1 磊：i = ； 0 n i c 。n h - ( n h c n h n 1 c e r e a l s 9 - 2 5 3 h c，o 前言 4 前言 a c c e n t ，o p r i m i s u l f u r o n - m e t h y l ( 氟嘧磺隆) c g a l 3 6 8 7 2 ， b e a c o n , t e n ( s y n g e n t a ) ；1 4 a z i m s u l f u r o n g u l l i v e r , ( 四唑嘧磺隆、康d p x a 8 9 4 7 宁、康利福)( d u p o n t ) l m a z o s u l f u r o n ( 唑吡嘧磺隆) s i b a t i t o ， t h 9 1 3 ( t a k e d a ) r i m s u l f u r o n t i t u s ， ( 砜嘧磺隆、宝成、d p xe 9 6 3 6 玉嘧磺隆)( d up o n t ) s 5 1 6 r _ c e2 0 2 5 胁e o r 耐蕊盖 羲h 尹协3 5 1 9 o c h a mc h h c cn乓。 nn 叱 叱 c cn忝冬， n n e t h o x y s u l f u r o n s u m i c e ， ( 乙氧嘧磺隆、h o e0 9 5 4 0 4 太阳星)( a v e n t i s ) h a l o s u l f u r o n m e t h y l ( 氯吡嘧磺隆) p e r m i t , n c 3 1 9 ( n i s s a n ) t r i f l u s u l f u r o n - d u b 巩 m e t h y l d p x6 6 0 3 7 ( 氟胺磺隆) ( d up o n o c y e l o s u l f a m u r o n i n v e s t , ( 环丙嘧磺隆、 a c3 2 2 1 4 0 金秋) ( b a s f ) o x a s u l f u r o n ( 环氧嘧磺隆、 大能) d y n a m ， c g a2 7 7 4 7 6 f n o v a ) t r i f l o x y s u l f u r o n e n f i e l d ， ( 三氟啶磺隆、 c g a2 9 2 2 3 0 英飞特) ( n o v a ) h 3 c e r e a l s ，r i c e 1 0 - 1 2 0 h 3 h 3 c e r e a l s ，t o m 2 0 - 9 0 h 3 6 s u g e rb e e t 10 - 2 5 c e r e a l so r n c e 2 5 5 0 0 f 4 5 6 0 s o y b e a n s 6 0 - 9 0 n ? 洲3 h 氐之吼c 0 n o n 咆 r心。 n n h 单嘧磺隆 n k 9 2 8 2 5 7 州歹砌m 3 嘶。 前言 b r o a d s t r i k e f l u m e t s u l a md e4 9 8 ( 唑嘧磺草胺) ( d o w a g r o s c i e n c e ) f 3 7 2 0 - 6 0 e c l i p s e m e t o s u l a md e5 1 1 ( 磺草唑胺)( d o w a g r o s c i e n c e ) n h s 0 2 - 3 8 c 0 m 5 3 0 h a c e r e u s 。 c r o s s e r d i c l o s u l a md e5 6 4 ( 双氯磺草胺) ( d o w a g r o s c i e n c e ) 9 c 2 h s 。2 众f s o y b e a n s 协3 5 8 3 9 前言 1 1 3 磺酰脲各类结构变化的近期报道 近些年来磺酰脲类除草剂的研究出现了一些新的变化，下面是对商品化品 种及其它文献报道的活性化合物的结构特点进行归纳。 1 1 3 1 芳环的变化 芳环的变化较多。这是因为芳环可变为杂环结构，杂环结构又可以是单杂 环、稠杂环或联杂环，其中杂原子的种类、个数及位置又有不同，因此结构上 变化的空间较大。另外杂环上的取代基的种类及个数都可变化，又使得磺酰脲 除草剂结构上更加丰富。 芳环结构的变化可粗略归纳为以下几点： 第一，芳环由邻位单取代变为不同位置的双取代或多取代。苯环上增加了 取代基后合成路线增长，但通过改变取代基的适当种类、适当取代位置，引入 第二个取代基后可在保持除草活性的基础上，明显改善母体化合物的性能，其 中可以加快降解速度尤为突出，( 2 8 ，3 0 ，3 1 ) 等品种都易降解，( 3 0 ) 的降解半衰 期只有1 5 9 4 天，这使得它对后茬作物不会产生残留引起的药害。( 5 6 5 8 ) s 4 0 也是专利中曾报道的活性结构。 9 前言 第二，杂环种类趋向多样。多种稠杂环化合物相继有专利报道，其中不乏 活性高、降解快及性能独特的化合物，如已商品化的( 1 8 ，2 4 ) 和其余曾报道的 化合物5 9 6 2 【1 1 以5 1 ，其中化合物6 l 在2 5 克公顷的用量下对阔叶杂草有很 高活性，但对作物的选择性不够理想，因此这类结构未能商品化。有文献对含 多个氮或硫原子的稠杂二环磺酰脲的结构与活性关系进行了总结【1 6 1 。 第三，芳环上脲桥邻位的取代基不只是吸电基，如较早期品种5 ，6 中的 o c h 2 c h 2 c 1 ，o c h 2 c h 2 ：o c h 3 及稍晚出现的1 l ，2 6 中的c h 2 c h 2 c f 3 ， o c h 2 c f 3 等供电基取代后仍保持高活性。值得一提的是氟原子的引入使磺酰脲 化合物的多种性能都发生了变化，近期商品化的品种2 6 ，2 7 ，2 9 ，$ 2 和3 6 芳环 的取代基中均含氟原子，其它报道中也不乏含氟取代基的例子，如6 3 7 0 及上 文中的4 9 1 7 2 3 1 ，值得注意的是6 7 和7 0 ，其中不同旋光异构体的活性是不相 同的。 另外，我们看已商品化的四唑嘧磺隆( 1 6 ) ，其脲桥邻位引入了四唑环的杂 环结构，可见脲桥邻位并不一定是链状结构，也可以有体积较大的环式结构。 这样的例子近些年仅偶有报道，如化合物7 1 7 3 【2 4 之6 l 及上文中6 5 ，值得进行 深入研究。 第四，芳环变为非芳香性杂环或脂肪环。日本的农药公司在专利中报道了 4 4 及7 4 7 8 1 2 7 - 3 1 】等结构，这几类化合物的活性比起早期的磺酰脲除草剂有所下 降，至今仍未出现商品化品种。 第五，芳环被非环取代基所替代。这类结构往往易于降解，如已商品化的 品种酰嘧磺隆( 1 7 ) ，有报道称类似结构的盐及7 9 ，8 0 活性也很好【3 2 。3 4 】。 1 1 3 2 杂环部分的变化 杂环部分变化较少，近年来开发的品种主要为二甲氧基双取代的嘧啶环， 也有其它取代基如烷胺基( 1 2 ，2 2 ) ，o c h f 2 ( 1 4 ) ，o c h 2 c f 3 ( 2 2 ) ，c f 3 ( 2 9 ) ，另外有 专利报道o c f 2 c f 3 3 5 】，o c f m c l 3 - m 【3 6 1 ，一o ，一o n o ，qp 7 - 3 9 ，c f 2 c i 4 0 】， c h 2 0 m e e 4 1 1 ，s c h 3 【4 2 ，4 3 1 等基团取代的三嗪或嘧啶环，本课题组报道了一系列高 活性的单取代嘧啶磺酰脲【删，这些取代基的变化可导致母体化合物的极性、降 解速度、杀草谱及作物选择性等性能的变化。 1 1 3 3 桥的变化 1 0 前言 磺酰脲桥的改动主要有三方面。 首先是桥变长。早期杜邦公司的苄嘧磺隆( 7 ) 分子中在苯环和磺酰基间插 入了一个碳原子，近年开发的酰嘧磺隆( 1 7 ) ，乙氧嘧磺隆( 2 0 ) ，环丙嘧磺隆 ( 2 3 ) 等化合物分子中则插入了一个氧原子或氮原子，这类结构一般容易降解， 对后茬作物影响较小，但大多比未修饰磺酰脲活性稍有降低。专利【4 5 4 7 j 也报 道了其它类似化合物4 3 4 5 。 其次是桥的变短。这主要是磺酰氨基羰基三唑啉酮类和三唑并嘧啶磺酰胺 类( 3 5 4 2 ) ，近几年有较多类似的结构( 4 6 5 1 ) 报道【4 s - 5 引，另有专利报道了活性 化合物? 5 2 和5 3 5 4 , 5 5 ，但它们最终未能商品化。 最后是桥上的取代，例如化合物5 4 ，5 5 【5 6 ，5 7 1 ，但其除草降低，因此除了杜 邦公司早期的品种苯磺隆( 9 ) 外，近些年并没有此类品种商品化。 表1 3 其他一些结构变化的磺酰脲化合物 汇4 5 鼠3 跚曰，? 吼 呶p n 广 喇刚c h a h o 一帚, o 制c 2 h 3 5 q ：州o y c h 3 ( s n c h 2 一c 。h 2 c h 2 f ，、1 1 _ _ 0 、c c h 2 h 3 5 c 、n 冬c h n 3 n h s 。2 0 n 姒c h 3 ，c h 。 5 0 7 n 弋n hqo i c 4 h 禾 o：呲 甜 os氐 厂 弋呼 d 。：焱o c h 3 f瞄i r 。 5 2 b c h 3 3 3 嘧乏h p 州 o i i h 3 c o c h n 5 8 v n s 0 2 n 愚h 铷玉勰叱 黻n y 洲氐冷hs 叫州 b 0 盎n， 。 c i h 2 c 0 2 s 叱 叱 c c 一蚕鬈 n n h h n式心 n n h h c cn蚕&， n n h o i chn 笪宣 一 _ _ _ - _ - _ - _ - _ _ _ _ - 一一一 o h i c f 3 舞蕊“矿旺n h 贯3 n 弋och 30ch 3 6 5 。 6 6 c h 3 f o c h 3 n - - - - h 飞之 o c h 3 6 7 一 6 9 o 。，? 洲2 洲3 h c n v n 、c h 3 o 7 2 心 叱 n式乓。 n n h h c cn忝冬， n n h h h - u? b n峨n 古。抵适 n ，)弋 前言 o c h 2 c h ， on 彳 一。 i i，、 c n 丫n 、c h 3 l i o 7 3 弧, - c h 妣2 c h n 2 h c 邑h 弋2 f ，_ o c h 3 ：, ；- s 氐n n h s c 叫2 h 5 h 葚弋i o c h 3 o o c h 3 删o h飞n-och h 3 c h 3 c 秭 州v 飞n - - - - “0 2 洲洲h 飞屯3 正：卅删h 飞 c h 3 ， 7 8 一一一一一一：；! ：! ! 。一 吼s 叩邺叫h 氨h 广c s h 叫3 删oh 飞n 之- - - o c h 3 第二节磺酰脲除草剂的作用机理 在磺酰脲除草剂问世后的二十几年中，其作用机理的研究就一直持续至今。 最初不同研究者证实磺酰脲除草剂抑制了杂草体内的乙酰乳酸合成酶( a l s ) ， 从而抑制了其支链氨基酸的合成，使杂草生长停滞【5 5 8 侧。但直到近几年，澳 大利亚学者r o n a l dqd 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【6 m 6 1 。 图1 5 为a l s 酶的单体的结构，其中a 单元和丫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 7l ( 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。图1 6 为氯嘧磺隆与酶的结合位点图。图中红色框中的十个 1 4 叱 叫 弋 n n hno i c 5 h 叱o m 篪j 图1 5a l s 酶的单体的结构 图1 6 氯嘧磺隆与酶的结合位点图 1 5 前言 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。 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 结构要素，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 ! 6 7 - 7 0 3 。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【7 1 - 7 3 。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因1 7 4 ，7 5 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【7 6 j 。 杨华铮教授课题组利用x - 射线衍射分析、量子药理学分析及q s a r 分 ，析方法，研究了磺酰脲与稠环磺酰胺两类结构的构效关系【77 1 ，建立了这两类除 草剂与受体的初级作用模型，推断这两类化合物有相同的结合位点。从多种 a l s 抑制剂中选择结构差别较大的几类，用d i s c o 方法建立起可靠的a l s 抑制剂药效团模型【7 8 ，7 9 1 。借助三维分子结构搜索软件，搜索出多个符合结构信 息的全新化合物结构，为迸一步设计合成新的a l s 抑制剂提供新的思路瞵o j 。 第三节磺酰脲除草剂的代谢降解和残留药害 1 3 1 磺酰脲的代谢降解 了解磺酰脲类除草剂的水解作用不仅有助于更好地掌握其环境归趋，还有 助于预测它们对地表水和地下水的污染情况，对我国创制残效期短、环境更加 友好的新磺酰脲类除草剂具有重要的指导意义。 磺酰脲除草剂在土壤中的降解途径一般有四种：化学降解，光解作用，醇 解反应和微生物降解【8 l 】。磺酰脲类除草剂在环境中易于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。 1 6 前言 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韦氧盐，然后重排成碳正离子，水解反应 更为容易陬j 。 磺酰脲类除草剂的化学水解主要取决于化合物本身的化学结构，结构相同 的磺酰脲化合物分子型比阴离子型敏感2 5 0 t 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【8 2 8 3 1 。芳基部分为杂环的化合物除脲桥的水解外，还可 发生其他反应，噻磺隆可发生噻吩环上取代酯基的水解畔】，玉嘧磺隆可发生吡 啶环上的分子内亲核取代反应【8 5 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【8 6 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【8 2 】。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1 0 ，水解速度提高3 - 6 肛【8 刀 j 口 。 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f 8 】。 1 3 2 磺酰脲的残留药害 j 磺酰脲除草剂选择性强，对不同作物的敏感性差异很大，例如，棉花对甲 磺隆最敏感，对玉米次之，而水稻和油菜则耐药性较强，因而残留的甲磺隆很 易对敏感作物产生药害。 磺酰脲的残留活性与施药量、土壤p h 、有机质含量、温度、土壤湿度等有 1 7 前言 关。氯磺隆在土壤中的残留期较长，已危及非靶标植物，我国旱作地区后茬为 玉米、大豆、棉花和甜菜的麦田已被禁用。在麦一稻连作的地区，因使用不当 亦会产生对水稻的药害【8 8 ；1 9 9 5 年沈阳曾发生氯磺隆污染水稻的重大事故，造 成5 3 3 1 4h m 2 稻田受害，其中2 6 7h m 2 绝收；1 9 9 2 年在河北麦田中施用甲磺 隆，也造成后茬玉米大面积药害；1 9 9 4 年在江苏油菜田施用胺苯磺隆，使后茬 水稻大面积产生药害；迄今为止，已发现磺酰脲类除草剂的残留药害可伤及水 稻、大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜、亚麻、向日葵和红花等多种作物。一般 认为，氯磺隆随水迁移性较强【8 9 1 ，其残留主要是结合态残留，结合态残留常被 认为是农药的一种解毒机理，但近年来的研究发现，氯磺隆在一定条件下可再 度以母体化合物或其代谢物的形式释放出来，总之，结合残留物的迁移和淋溶 性较弱，而且对后茬作物的生长有抑制作用，达到一定剂量时即可对后茬作物 产生药害。 不同化学结构的磺酰脲分子，由于其化学和生物降解的难易程度不同，在 田间的半衰期差别很大。因此，影响磺酰脲除草剂田间残留期的根本因素还在 于其自身的化学结构类型。 第四节苯环5 一取代磺酰脲类除草剂的研发概况 前面已经论述到磺酰脲类除草剂由于其高效低毒的特点，被广泛地使用， 但是由于其残留，影响了后茬作物的生长。对于中国而言，急需对后茬作物没 有影响的农药，这样才能符合满足一个十三亿人口大国的粮食需求。因此，研 制低残留或无残留的磺酰脲类除草剂就成为了一种开发趋势。 在1 9 9 5 年的布莱顿植保会议上介绍了5 取代的氟啶嘧磺隆( 5 取代是 指在芳环的5 位取代) ，它以降解速度快的优点得到了大家的关注。5 取代的 磺酰脲化合物不仅活性高，而且降解速度快，对后茬作物影响很小或根本无影 响。 下面的一系列化合物是近些年