新類型有效除草劑tetraoxanes的合成和活性

葉 萱

（上海市農(nóng)藥研究所，上海 200032）

新類型有效除草劑tetraoxanes的合成和活性

葉 萱

（上海市農(nóng)藥研究所，上海 200032）

Raphaed C.Cusati等人以酸為催化劑，羰基化合物和過氧化氫反應(yīng)生成1，1-二氫過氧化物，1，1-二氫過氧化物在相似的反應(yīng)條件下轉(zhuǎn)化成 1，2，4，5-四氧戊環(huán)化合物。經(jīng)生物活性試驗發(fā)現(xiàn)一些四氧戊環(huán)化合物對雜草有高的防除效果，與草甘膦和咪唑乙煙酸作用相當(dāng)。其中一個化合物對單子葉植物具有選擇性，防效與草甘膦相當(dāng)。

1，2，4，5-四氧戊環(huán)；過氧化物；雜草

1 合 成

1.1 氫過氧化物的合成

可用多種方法把羰基化合物轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的二氫過氧化合物，但所有的方法都要使用酸，常用的為鹽酸和氯化鋁，可獲得高產(chǎn)率的氫過氧化合物。而四氟硼酸、碘和三氟化硼也被成功應(yīng)用。Raphael C Cusati等人以2種方法合成了二氫過氧化物［4］。

1.1.1 2，2-二氫過氧丙烷（10）的合成

在兩口圓底燒瓶（50mL）中，加入溶解于乙腈/二氯甲烷的丙酮（0.5 g，8.6 mmol）溶液（15.0mL，體積比3:1），然后點滴加入30％過氧化氫（8.8mL，86 mmol）和6滴濃HCl。在室溫攪拌反應(yīng)6 h，然后用飽和碳酸氫鈉水溶液（25mL）和CH2Cl2（25mL）終止反應(yīng)。用CH2Cl2（3×50mL）萃取水相，合并有機(jī)相，用無水MgSO4干燥，蒸發(fā)至干。粗產(chǎn)物10（580 mg，粗產(chǎn)率62％），不經(jīng)提純用于合成其他物質(zhì)。

用相似的方法合成化合物10-13和15-20（表1）。

圖1 trioxolanes 1、6、9和tetraoxanes 7、8的結(jié)構(gòu)

1.1.2 1-（二氫過氧甲基）-4-甲氧基苯（21）

在兩口圓底燒瓶（50mL）中，加入溶解于乙腈（30mL）的4-甲氧基苯甲醛（2.0 g，14.7 mmol）溶液，然后加入六水三氯化鋁（AlCl3?6H2O，0.150 g，1.13 mmol），再點滴加入無水過氧化氫（5.2mL，37.5 mmol）。在室溫攪拌反應(yīng) 6 h，然后用水（30mL）終止反應(yīng)，用EtOAc（3×30mL）萃取，合并有機(jī)相，并用碳酸氫鈉溶液（2×30mL）沖洗，用無水MgSO4干燥，減壓濃縮。所得化合物21（1.96 g，產(chǎn)率72％），不經(jīng)提純用于合成其他物質(zhì)。

用相似的方法合成化合物14、21和22（表1）。

1.2 Tetraoxanes的合成

按Opsenica等人的方法合成tetraoxanes 23-42，即把二氫過氧化物溶解于二氯甲烷中，冷卻到0 ℃，然后慢慢加入羰基化合物，再加入H2SO4/CH3CN。具體如下：

在4 ℃，在兩口圓底燒瓶（50mL）中，加入溶解于CH2Cl2（20.0mL）的2，2-二氫過氧丙烷（10）（0.58 g，5.37 mmol）溶液，然后加入丙酮（0.31 g，5.37 mmol），之后點滴加入冷的H2SO4/CH3CN溶液（3.3mL，體積比1︰10）。攪拌反應(yīng)4 h，加入碳酸氫鈉溶液（25mL）和CH2Cl2（25mL）終止反應(yīng)。用CH2Cl2（3×50mL）萃取水相，合并有機(jī)相，用無水MgSO4干燥，蒸發(fā)至干。以正己烷-二乙醚（體積比 15︰1）為洗脫液，硅膠柱層析純化殘留物，得到68.0 mg（11％）化合物23。

用相似的方法合成化合物24-42和15-20（表1）。以IR和NMR譜分析確定了所有tetraoxanes的結(jié)構(gòu)。用質(zhì)譜法確定了化合物的分子式。

用以上方法合成了 4個系列的 tetraoxanes（圖2）。4個類型 tetraoxanes的特征：（1）僅以非環(huán)酮衍生而來（23-27）；（2）從環(huán)酮得到（28-34）；（3）從環(huán)酮和芳醛得到（35-38）；（4）從2個芳醛得到（39-42）。

此合成tetraoxanes的產(chǎn)率低，為10％-42％，且經(jīng)多次嘗試改進(jìn)沒有取得成功，但合成化合物的量足以用于生物活性評估。

2 生物活性

2.1 對黃瓜和高粱胚根和芽生長的影響

在初步篩選試驗中，tetraoxanes 23-42以及陽性對照除草劑草甘膦和咪唑乙煙酸對黃瓜和高粱種子的發(fā)芽沒有影響。濃度為1.0 mM時，化合物29、33、35、36、39、40對高粱根和芽的生長抑制作用高于草甘膦和咪唑乙煙酸；在此濃度，除化合物27以外所有的 tetraoxanes對根生長的抑制率高于80％；濃度為0.5～0.25 mM時，一些化合物的活性高于草甘膦和咪唑乙煙酸，化合物29對根和芽的抑制活性（73％和76％）與2個商業(yè)除草劑相當(dāng)。

所有tetraoxanes對黃瓜的抑制活性要低于對高粱的。濃度為1.0 mM時，化合物29、30、32、33、35、36、37、41和 42的活性高于草甘膦和咪唑乙煙酸；在濃度為0.125 mM時，大多數(shù)化合物的活性高于商業(yè)除草劑。

從此試驗可知化合物29、30、31、32、33、35 和36活性最高，于是對這些化合物對雜草的活性進(jìn)行了評估。

2.2 對雜草的活性

在溫室內(nèi)測試了以上 7個化合物對 Sorghum arundinaceum、白苞猩猩草（Euphorbia heterophylla）、珊狀臂形草（Brachiaria brizantha）和鬼針草（Bidens pilosa）的活性。在濃度為0.25 mM時，這幾個化合物對Sorghum arundinaceum沒有抑制作用，而化合物29和35等促進(jìn)芽的生長（82％和36.2％）。在高濃度（1.0 mM），大部分化合物對植物的發(fā)育有一定的抑制作用?；衔?6的抑制活性最強(qiáng)，對根和芽生長的抑制率分別為95.5％和92.9％，相當(dāng)于芽后除草劑咪唑乙煙酸（分別為90.9％93.1％）的作用?；衔?0和31對根和芽生長的抑制作用（45.2％～66.6％）低于化合物36，與草甘膦（52％～55％）的相當(dāng)?；衔?2、33和 35除了抑制次生根的生長外，還使根壞死，35使葉片變紅。這些癥狀是化合物對植物造成的脅迫所形成的。

表1 氫過氧化物10-22和tetraoxanes 23-42的制備

對于白苞猩猩草，咪唑乙煙酸徹底抑制種子發(fā)芽，草甘膦在濃度為0.25 mM和1.0 mM時對根生長的抑制率分別為68.2％和86.5％，對芽的抑制率分別為86.7％和93.7％。濃度為1.0 mM時，化合物29、30、32和 35對根和地上部分生長的抑制作用相當(dāng)于草甘膦，化合物32徹底抑制了根的生長，化合物33和35對根的抑制作用與32相似，但也抑制次生根的生長；濃度為0.25 mM時，化合物35對根和芽生長抑制率約為76％，化合物32對芽的抑制率為76.1％。這些癥狀是由于化合物抑制細(xì)胞分裂前期微管的形成，近而抑制胚根的生長和次生根的形成所致。

對于珊狀臂形草，咪唑乙煙酸徹底抑制種子發(fā)芽，草甘膦在濃度為1.0 mM時對根和芽生長的抑制率為97％，濃度為0.25 mM時對根和芽生長的抑制率分別為72.4％和56.7％。濃度為0.25 mM時，化合物 31和 36的活性最高，對根生長抑制率高于50％。較高的濃度，化合物29、30、33和36對芽和根生長抑制率為91.5％～99.1％，與草甘膦的相當(dāng)。Tetraoxanes對珊狀臂形草根和芽生長的抑制作用相當(dāng)于草甘膦，受影響的植物葉片變黃。

對于雙子葉雜草鬼針草，tetraoxanes的作用可與草甘膦媲美，咪唑乙煙酸100％地抑制種子發(fā)芽。所有化合物包括草甘膦在高濃度（1.0 mM）時活性高，草甘膦對芽和根的抑制率分別為 94.3％和98.2％。一般，化合物31、33和36對芽的抑制率高于50％，活性最高的化合物29對芽和根的抑制率分別為89.2％和90％，相當(dāng)于草甘膦。

圖2 4個系列的tetraoxanes的合成路線

3 結(jié) 論

以市場上結(jié)構(gòu)簡單的酮和醛為原料，在酸性條件下，以過氧化氫催化，經(jīng)2步反應(yīng)可以合成新類別tetraoxanes。經(jīng)生測試驗發(fā)現(xiàn)其中7個化合物具有植物毒性活性，其作用可與商業(yè)除草劑媲美。

化合物36的活性高于草甘膦和咪唑乙煙酸，而且對單子葉雜草具有一定的選擇性，是一個值得關(guān)注和進(jìn)一步研究的化合物。

對于此類物質(zhì)，還需要合成更多新的化合物來研究確定這類物質(zhì)是否有可能開發(fā)為新的除草劑。

［1］DUKE SO， VAUGHN KC， CROOM EM， et al. Artemisinin， a constituent of annual wormwood（Artemisia annus）， is a selective phytotoxin［J］. Weed Sci， 1987， 35: 499-505.

［2］DREW MGB， METCALFE J， DASCOMBE MJ， et al. Identification and stability of the artemisinin pharmacophore:studies of the reductive decomposition of deoxyartemisinins and deoxyarteethers and the implications for the mode of antimalaria action［J］. J Mol Struct Theochem， 2007， 82: 34-46.

［3］BARBOSA LCA， PEREIRA UA， TEIXEIRA RR， et al. Synthesis and phytotoxic activity of ozonides［J］. J Agric Food Chem， 2008， 56: 9434 -9440.

［4］RAPHAEL C CUSATI， LUIZ CA BARBOSA， CELIA RA MALTHA，et al. Tetraoxanes as a new class of efficient herbicides comparable with commercial products. Pest Management Science， 2015， 71（7）: 1037-1048.

The Synthesis and Bioactivities of Tetraoxanes as A New Class of Efficient Herbicides

YE Xuan
（Shanghai Pesticide Research Institute， Shanghai 200032， China）

Several 1，2，4，5-tetraoxanes were synthesised by reacting carbonyl compounds with hydrogen peroxide under acid catalysis， affording 1，1，-dihydroperoxides that were further converted into target products under similar reaction conditions.The bioactivity assays showed that some tetraoxanes were highly effective against the weeds， with activity comparable with that of glyphosate or imazethapyr. One of the tetraoxanes was selective to monocotyledonous species with 92.9％～97.5％ inhibition，which is comparable with the effect of glyphosate.

1，2，4，5-tetraoxanes；peroxides； weeds

2016-03-20。

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2016.03.04

TQ450

A

1009-6485（2016）03-0018-04

青蒿素1（圖1）是從中草藥青蒿（Artemisia annua L）提取而來，其半合成類似物具有強(qiáng)的抑制植物生長的作用，已成功用于防治瘧原蟲［1］。其中類似物青蒿酯2和蒿甲醚3活性高于青蒿素1，而脫氧青蒿素4沒有活性，而化合物的活性取決于結(jié)構(gòu)中的過氧化物部分［2］。

Raphael C Cusati等人也研究發(fā)現(xiàn)一些臭氧化合物具有抗瘧作用，于是他們開始開發(fā)含有結(jié)構(gòu)5和6的具有植物毒性的臭氧化合物（1，2，4-trioxolanes）［3］（圖1），但最后其他研究團(tuán)隊開發(fā)了一些此類新物質(zhì)，并商業(yè)化用于防治瘧疾。此后Raphael C Cusati等人又開發(fā)含有過氧橋鍵的新的除草劑，并合成了一系列的 1，2，4，5-tetraoxanes，它們的基本結(jié)構(gòu)為7（圖1），研究并首次報道了它們的除草活性。

葉萱，女，工程師。Tel: 021-64387891-201。