手性除草剂的合成及生物活性研究进展_徐维明

1、农 药AGROCHEMICALS 第49卷第7期2010年7月Vol. 49, No. 7Jul. 2010 手性除草剂的合成及生物活性研究进展徐维明,吴 剑,李卫华,杨 璇(贵州大学 精细化工研究开发中心,绿色农药与农业生物工程国家重点实验室培育基地和教育部重点实验室,贵阳 550025摘要:手性除草剂因具有广谱高效生物活性而引起人们的关注,通过不对称中心不同构型变化能产生一系列具有广谱生物活性的异构体,使得它在新型超高效农药创制中发挥出越来越重要的作用。 对手性除草剂的国内外研究进展进行了分类综述,重点介绍了手性化合物的一些合成方法以及生物活性研究方面的工作,并对它的发展趋势和应用前景做了

2、展望。 关键词:手性除草剂;合成;生物活性;综述中图分类号:TQ460 文献标志码:A 文章编号:1006-0413(201007-0471-07Research Advances in Synthesis and Bioactivity of Chiral HerbicidesXU Wei-ming, WU Jian, LI Wei-hua, YANG Xuan(Research and Development Center for Fine Chemicals, State Key Laboratory Breeding Base of Green Pesticide and Agricu

3、lturalBioengineering, Key Laboratory of Green Pesticide and Agricultural Bioengineering, Ministry of Education,Guizhou University, Guiyang 550025, ChinaAbstract:Abstract: Chiral herbicides have broad band bioactivites which have become noteworthy in recent years. Especially the asymmetric center has

4、 been link to many different types of chemical con rmation to generate a series of isomers with broad-spectrum bioactivities. Thus, chiral herbicides have played an important role in production of highly bioactive pesticides. This paper reviews the bioactivity of chiral herbicides from the aspect of

5、 herbicidal activity, emphasizing the research that has been done on their synthesis and bioactivity. The in uence of different con rmations on bioactivity is brie y discussed along with development trends and applications prospects of chiral herbicides were expected.Key words:Key words: chiral herb

6、icides; synthesis; bioactivity; review 手性除草剂在农药领域里是一类重要的活性物质,具有高效广谱的生物活性及对环境友好的特点,自1974年,由德国巴斯夫1开发的芳氧羧酸类除草剂高2甲4氯丙酸(mecoprop-P 以来,近数十年来人们对手性除草剂化合物进行了深入研究,由于手性除草剂自身诸多的优点,很快就成为市场的新宠,相继开发成功了数十个具有不同生物活性的手性商品化合物。 如芳氧苯氧羧酸类(高2甲4氯丙酸、精唑禾草灵、精吡氟禾草灵、精吡氟 氯禾草灵、炔草酯、喹禾糠酯、唑酰草胺等、酰胺类(双丙氨酰膦、高效麦草伏甲酯/异丙酯、高效异丙甲草胺、高效二甲噻草胺、氟

7、唑草胺等、草醚类(环庚草醚、氯氟草醚等手性除草剂先后推向市场,这些手性除草剂均具有高效除草活性与安全性,手性除草剂在农业上显示很大的应用价值。 笔者为了进一步研究不同构型及结构对该类手性化合物生物活性的影响,寻找具有更高生物活性的手性除草剂,对手性除草剂近10年来合成与生物活性研究工作进行分类介绍。1 芳氧苯氧羧酸类手性除草剂1987年,Uniroyal 化学公司2开发的芳氧苯氧羧酸类除草剂喹禾糠酯(quizalofop-P -tefuryl,其合成路线见图1。 4%喹禾糠酯(喷特剂量为6001 050 mL/hm 2,对阔叶作物苗后一年生禾本杂草(稗草、马唐、野燕麦、牛筋草、千金子、看买娘等

8、 35叶期防效为90%,施药剂量为12001800 mL/hm 2,能有效防除多年生杂草(芦苇、狗牙根、假高粱等。收稿日期:2010-03-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(20962005作者简介:徐维明(1979,男,重庆奉节人,博士研究生,主要从事农药化学研究。图1 喹禾糠酯1合成路线1989年,由美国陶氏化学公司3开发的苯氧羧酸类除472第49卷农 药 AGROCHEMICALS 唐(Digitaria sanguinalis 、双穗雀稗、狗尾草(Setaria spp.、牛筋草(Eleusine indica 、看麦娘(Alopecurus aequalis Sobol等具用良

9、好的活性,但对莎草科杂草和阔叶杂草无效。草剂氰氟草酯(cyhalofop-butyl,其合成路线见图2。 苗后茎叶处理,使用量为50100 g a.i./hm 2时,对禾本科杂草稗草(Echinochloacrus galli 、千金子(Leptochloa spp.、马 图2 氰氟草酯2合成路线2001年,韩国东宝公司4研制的芳氧苯氧丙酸类除草剂唑酰草胺3(metamifop,其合成路线见图3。 连 续2年田间试验表明:唑酰草胺以99 g/hm 2剂量叶面喷施,可防除23个分蘖期的稗草,在剂量倍增(198 g/hm 2 的情况下,对水稻(Oryza sativa 无药害。 唑酰草胺乳油以90

10、200 g/hm 2剂量对稻田主要杂草看麦娘、臂形草(Brachiaria platyphylla 、狗牙根(Cemodon dactylon 、马唐、止血马唐(Digitaria ischaemum 、稗草、芒稗(Echinochloa colonum 、牛筋草、千金子、秋稗(Panicum dichotomiflorum 、早熟禾(Poa annua 、狗尾草等防效在90%以上。 3年田间试验表明:唑酰草胺对稗草,从生长到分蘖期均有效,最佳施药期为稗草2叶期到分蘖末期。 唑酰草胺与吡嘧磺隆混用时可明显扩大除草谱,以250+21 g/hm 2(唑酰草胺+吡嘧磺隆施用对一年生稗草、狼把草(Bi

11、dens tripartite L、母草(Lindernia pyxidaria 和多年生杂草萤蔺(Scirpus juncoides 等防效大于90%。 在剂量倍增(500+42 g/hm 2情况下,施药后经过40 d 的观察,对水稻无任何药害。 试验表明:唑酰草胺的应用范围较宽,有广泛的可配伍性,与适宜的除草剂混配可做水稻田一次性苗后除草剂。 图 3 唑酰草胺3合成路线2009年,华中师范大学涂海洋等5报道了33个含有嘧啶环的芳氧苯氧丙酸酯类手性化合物4合成,其合成路线见图4。 选用单子叶植物稗草(根/茎和双子叶植物油菜(根/茎为测试对象,在质量浓度为100 mg/L 时对手性化合物4a4

12、ag 进行生物活性测试。 生物测试结果表明:化合物4a 、4b 、4e 、4f 、4g 、4i 、4h 、4m 、4n 、4r 、4s 、4u 、4v 对单子叶植物稗草(根/茎和双子叶植物油菜(根/茎均显示了较好的抑制效果,4i 、4l 、4u 、4w 对稗草表现了较好的选择性。 图4 化合物4a4ag 的合成路线第7期4732 二苯醚类手性除草剂1995年,由匈牙利Budapest化学公司Bakos6开发的二苯醚类除草剂氯氟草醚5,其合成路线见图5。氯氟草醚在使用剂量为1030 g a.i./hm2时,主要用于苗后防除大豆(Glycine max、小麦(Triticum aestivum、大

13、麦、花生、豌豆等田间阔叶杂草防除,如猪殃殃(Galium aparine、苘麻(Abutilon theophrasti、苍耳(Xanthium strumarium等十几种杂草均具有较好的防治效果。四氢-2H-吲唑类化合物7,其合成路线见图7。采用稗(Echinochloa crus-galli、鸭舌草、水莎草(Cyperus serotinus Rottb.、萤蔺、矮慈姑(Sagittaria pygmaea Miq.作为供试植物,在杂草植物长到3叶期时喷洒药剂,剂量分别为4.0、1.0、0.25、0.063、0.016 kg/hm2,试验结果表明:这类手性化合物在稻田里有较好的除草活性,

14、它们可以有效地控制稻田杂草,特别是对稗、鸭舌草、水莎草有很好的防除作用,在低剂量(0.016 kg/hm2时的防除率达到100%。 图5 氯氟草醚5合成路线3 杂环类手性除草剂1992年,由原瑞士山道士公司7(现先正达研制,德国巴斯夫公司开发的氯乙酰胺类除草剂高效二甲噻草胺6(dimethenamid-P,其合成路线见图6。作为玉米(Zea mays、大豆、花生及甜菜(Triticum aestivum苗前除草使用,在使用药剂量为400820 g a.i./hm2时,对一年生禾本杂草如稗草、马唐、牛筋草、稷属杂草、狗尾草和阔叶杂草如鬼针草、香甘菊、鸭舌草(Monochoria vaginali

15、s Presl.、莎草等有较好防除效果。 图6 高效二甲噻草胺6合成路线2001年,Ryu等8合成了具有除草活性的一系列4,5,6,7-图7 化合物7的合成路线2004年,Kakimoto等9合成了新型手性3,3a,5,9b-四氢-2H-呋喃3,2-c2苯并吡喃的手性衍生物8。合成路线见图8。以稗为供试植物,当稗长到2叶期时开始施用药剂,剂量分别为100、300、1 000 g/hm2。试验结果表明:在低剂量(100 g/hm2下化合物e和f对稗的防除等级为5,能完全杀死;在剂量为300 g/hm2时,防除等级为5。化合物ad有较好的防除活性。a: R1=H, Xn=CH3, Yn=7-OCH

16、3b: R1= H, Xn=CH3, Yn=7-Fc: R1= H, Xn=F, Yn=6-CH3d: R1= H, Xn=CH3, Yn=7-CH3e: R1= (SCH3, Xn= Cl, Yn=7-OCH3f: R1= (SCH3, Xn= F, Yn=H图8 化合物8的合成路线2004年,Ahrens等10合成了一系列手性1,3,5-三嗪类化合物9。其合成路线见图9。除草活性试验分为出芽前和出芽后2部分。出芽前施用剂量为1 kg/hm2,出芽后剂量为2 kg/hm2。试验结果表明该系列化合物对百芥子(Sinapis徐维明,等:手性除草剂的合成及生物活性研究进展a: R=Phb: R=4

17、-MePhc: R=2-F-Phd: R=2,4-Cl2Phe: R=-CNf: R=2-ClPh474第49卷 农 药 AGROCHEMICALS 图10 化合物1015的结构式2004年,Ahrens 等12报道含1,3,5-三嗪基团20个化合物16a16t(见图11、表1。 这些化合物在施药量为1 kg a.i./hm 2时,进行苗前处理时对繁缕、黑麦草、反枝苋、田白荠、绿狗尾等杂草就有较好的防除效果,同时这些化合物在施药量为2 kg a.i./hm 2时,进行苗前处理时对田白荠、稗、黑麦草、繁缕、异型莎草、野芝麻、无臭母菊(Matricaria inodora 、虞美人、波斯婆婆纳、

18、田堇菜、 地肤、藜等杂草就有较好防除效果。alba 、稗、黑麦草(Lolium multiflorum 、繁缕(Stellaria media 、莎草(Cyperus iria 、反枝苋(Amaranthus retroflexus 、燕麦(Avena sativa 、虞美人(Papaver rhoeas 、阿拉伯婆婆纳(Veronica persica 均能有效抑制。图9 化合物9的合成路线2004年,G i e n c k e 等11报道了6个含有1,2-二氨基-1,3,5-三嗪类一些列手性化合物(1015,结构见图10。 这些化合物在施药量为1 kg a.i./hm 2,进行苗前处理,化

19、合物10a 、10f 、10o 、10s 、11a 、11f 、11o 、11s 、12a 、13a 、13a 、13f 、13o 、14a 对繁缕、黑麦草、反枝苋、田白荠(Sinapis alba 、绿狗尾(Setaria viridis 等杂草就有较好的防除效果;同时当这些化合物施药量为1 kg a.i./hm 2,进行苗后处理时,对田白荠、稗、黑麦草、繁缕、异型莎草(Cyperus iria 、野芝麻(Lamium purpureum 、虞美人、波斯婆婆纳(Veronica persica 、田堇菜(Viola tricolor 、地肤(Kochia spp.、藜(Chenopodium

20、 album 等杂草就有较好的防除效果。图11 化合物16a16t 的结构表1 化合物16a16t 所对应的取代基团化合物 A R 1 R 2 R 3 R 4 R 5 R 6 R 7 16a Direct bond H H H H H H H 16b Direct bond H H H H H Me H 16c Direct bond H H H H H F H 16d Direct bond H H H H Me Me H 16e CH 2 H H H H H H H 16f CH 2 H H H H H Me H 16g CH 2 H H H Me H Me H 16h O H H H H

21、 H Me H 16i Direct bond H H H H H Me H 16j Direct bond Me H H H H Me H 16k Direct bond Me H H H H F H16l CH 2 MeH H H H H H 16m CH 2 Me H H H H Me H 16n CH 2 Me H H Me H Me H 16o O Me H H H H Me H 16p Direct bond Et H H H H Me H 16q Direct bond Et H H H H F H 16r Direct bond Et H H H H Br H 16s Dire

22、ct bond Me Me H H H Me H 16t Direct bond Me Me H H H FHa: R 1=F, R 2=H, R 3=H, R 4=H, R 5=H, A=CH 2b: R 1=F, R 2=H, R 3=H, R 4=Me, R 5=H, A=CH 2c: R 1=F, R 2=Me, R 3=H, R 4=Me, R 5=H, A=CH 2d: R 1=F, R 2=H, R 3=H, R 4=H, R 5=H, A=O e: R 1=F, R 2=H, R 3=H, R 4=Me, R 5=H, A=O f: R 1=Cl, R 2=H, R 3=H,

23、R 4=H, R 5=H, A=CH 2g: R 1=Cl, R 2=H, R 3=H, R 4H, R 5=H, A=O h: R 1=F, R 2=Me, R 3=Me, R 4=H, R 5=H, A=O i: R 1=F, R 2=F, R 3=H, R4=H, R 4=H, A=O16第7期475徐维明,等:手性除草剂的合成及生物活性研究进展表2 手性唑啉-2-酮部分衍生物除草活性测试结果抑制率/%化合物 双子叶植物油菜(根/茎 单子叶植物稗草(根/茎100 mg/L10 mg/L100 mg/L10 mg/L三唑醇标样 86.2/75.9 68.7/72.4 71.4/75.7 3

24、9.3/64.918a 68.0/52.5 32.0/20.0 70.8/32.6 43.8/25.618c 74.0/47.5 61.0/2.5 66.7/44.0 45.8/-4.718g 79.0/47.5 21.0/25.0 64.6/9.3 52.0/4.718e 61.0/25.0 31.0/17.5 72.9/46.5 50.0/14.018d 65.0/35.0 75.0/41.9 75.0/41.9 50.0/18.618p 91.0/82.5 46.0/47.5 89.6/72.0 54.2/60.5注:抑制率范围从0%100%,0%表示无抑制效果,100%表示具有完全的抑

25、制,负值表示有促进生长作用。 4 酰胺类手性除草剂1991年,美国的诺华公司15开发了氯乙酰胺类除草剂高效异丙甲草胺19,其合成方法分别为拆分、利用旋光试剂(乳酸酯法和定向合成3种方法, 其中以定向合成为最佳,合成路线见图14。 在剂量为1.0、1.5 kg/hm 2的条件下,将RS ,1'S-isomer 和RS ,1'S -isome 消旋体进行除草活性对比测试结果表明:施药 R S ,1'S -isomer 42 d 后对稗的防除率均为100%,70 d 后分别为90%和94%;在剂量为1.0、1.5 kg/hm 2的条件下,施药 R S ,1'RS-is

26、omer 42 d 后对稗草的防除率分别为70%和90%,70 d 后防除率分别为80%和85%。 由此可见,RS ,1'S-isomer 的除草效果要优于RS ,1'R S -isome 消旋体。化合物19的结构式:2006年,陈琼等13报道了以5,7-二甲基-1,2,4-三唑并1,5-a嘧啶-2-甲硫醚为原料设计合成了(R -5,7-二甲基-1,2,4-三唑并1,5-a嘧啶-2-氧(-甲基乙酰腙类衍生物17。 其合成路线见图12。 采用温室盆栽法,稗、马唐、狗尾草、芥菜(Brassica Juncea 、反枝苋、苘麻为供试植物进行除草活性试验,剂量为50 g/hm 2,分别

27、进行芽前、芽后喷雾处理,试验结果表明:以上4个手性化合物对阔叶杂草的芽后处理表现出良好的活性和较高的选择性。R=4-Cl; 4-CH 3; 3,4-2Cl; 4-F图12 手性化合物17的合成路线2009年,肖文精等14利用手性催化合成法合成了一系列手性唑啉-2-酮衍生物18,其合成路线见图13。 选用 单子叶植物稗草(根/茎和双子叶植物油菜(根/茎为测试对象,在质量浓度为10、100 mg/L 分别对手性化合物18a18r 进行生物活性测试,测试对照药剂为商品药三唑醇,生物测试结果表明:手性化合物18a 、18c 、18d 、18e 、18g 、18p 对测试对象表现了较好的防除效果,特别是

28、18p 对测试对象的防除率高于对照除草剂(见表2。 图13 手性唑啉-2-酮衍生物18合成路线图14 高效异丙甲草胺19的合成路线1998年,杜邦公司16研制了酰亚胺类除草剂氟唑草胺20,以N -(4-氯-2-氟苯基乙酰胺为原料经8步反应合成手性化合物20,合成路线见图15。 选用大麦、稗、猪殃殃、看麦娘、繁缕、苍耳、玉米、棉花、马唐、旱雀麦(Bromustectorum 、狗尾草、藜、番薯(Ipomoea hederaea 、油菜476 农 药 AGROCHEMICALS 第49卷 水稻、 高粱、 大豆、 甜菜、 苘麻、 小麦、 (Brassica napu s 、 卷茎蓼 (Polygon

29、um convolvulus 、 野燕麦的种子和香 附子 (Cyperus rotundus 的块茎种植并用在包括表面 活性剂非植物毒性混合物中配制的试验化合物进行 出芽前处理。 同时， 在出芽后以同样方式配制的试验 化合物处理这些作物和杂草。将植物在 28 cm(14 叶 期 的 高 度 进 行 出 芽 后 处 理 。将 处 理 过 的 植 物 和 未 处 理过的对照植物在温室中保持 1216 d 。然后比较所 有处理过的植物和对照组植物， 直观地进行评估， 反 应等级以 010 的标度表示， 其中 0 为无作用， 而 10 为完 全控制。其生测试验结果表明： 在剂量为 400 g/hm 2

30、下， 手性除草剂氟唑草胺20对猪殃殃、 繁缕、 苍耳、 棉花、 藜、 番薯、 油菜、 甜菜、 苘麻、 卷茎蓼出芽前和出芽后均 能完全防除。 a: Y=3-Me; b: Y=3-Cl; c: Y=H 图16 化合物21的合成路线 日本的Nissan公司18开发了一系列手性啉衍 2001年， 生物22， 当供试植物长到23叶期时开始喷洒药剂， 剂量分 2 该系列化合物对大萹蓄(Digitaria 别为100、 50、 25 g/hm 时， 稗的抑制程度均能达到5， 即能达到90%的抑 adscendens 、 制率， 有较好的除草活性。 其合成路线见图17。 图17 化合物22的合成路线 5 结论

31、与展望 以上对近年来具有除草活性的手性除草剂做了简单 的介绍。可以看出： 不同构型手性除草剂类， 具有不同的 生物活性。特别是多杂原子和酰胺的引入能较好地提高 手性化合物的除草活性。此外， 对手性农药的拆分、 定向 合成和构效关系的研究成为当前农药研究的热点。总之， 由于环境对农药开发要求越来越严格， 开发全新结构及新 图15 氟唑草胺20的合成路线 美国的诺华公司 开发了新型的手性氨基甲 1999年， 见图16。采用温室盆栽法进行除草活性试验， 喷洒剂量为 选用狗尾草属、 白芥属(Sinapis 、 繁缕属(Stellaria 2 kg/hm ， 植物作为靶标， 试验结果表明该系列手性化合物

32、有很好的 除草效果。 2 17 颖作用方式的不同构型手性除草剂已经成为研究的重点。 相信不久的将来， 随着许多切实可行的拆分方法、 立体选 择合成方法和分析鉴定方法将会不断出现。在不久的将 形式投放市场， 势必为手性除草剂的创制开辟新的天地。 越来越多的手性农药将会以经济有效的高效异构体的 酸盐类除草剂21， 有较好的除草活性。其合成方法有2种， 来， 参考文献： 1 NESTLER H J. Optically Active 2-Phenoxypropionic Acids: DE, 2949728P. 1981-06-19. 第7期 2 3 徐维明， 等： 手性除草剂的合成及生物活性研究进

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