3,5-二取代-1,2,4-恶二唑类衍生物的合成及生物活性

2020-06-23

植物寄生性线虫是植物上普遍存在的重要病原体。目前对植物有害的线虫约有3000多种,在我国发现的也多达40多种。由于线虫具有能主动趋向和用口针刺入寄主,并自行转移为害的特点,其对农作物造成的损失比其他病害更难以预估。全球每年由线虫危害导致的作物减产可达14%,造成的经济损失高达800亿~1000亿美元,其中仅南方根结线虫每年就可以造成相当于118亿美元的粮食减产。根结线虫(Meloidogyne spp.)是对全球农作物造成严重危害的植物寄生线虫之一,其寄生于寄主的根部产生根结导致根系对水分和营养物质的吸收能力变差而导致作物减产,主要侵染大豆、马铃薯、棉花、玉米、番茄、胡萝卜和甜菜等。杀线虫剂的发展始于20世纪40年代,大多数的杀线虫剂都是由杀虫剂、杀菌剂、复合生物菌发展而成,目前全球用于线虫防治的杀线虫剂品种有限。上个世纪末,多使用土壤熏蒸剂(溴甲烷等)来进行防治,但许多品种都已限制甚至禁止使用。绝大多数杀线虫剂(有机磷酸酯、氨基甲酸酯、阿维菌素)依赖于单一的作用模式,已导致抗药性的产生,另外苯线磷、灭线磷、噻唑磷等也因急性毒性较高在使用时受到限制。在过去的25年中,用于线虫防治的新化合物的开发很少。因此,新型、高效、环境友好的杀线虫剂亟待开发。

1,2,4- 恶二唑类化合物具有多种生物活性,目前已有文献报道其抗菌、抗炎、抗肿瘤活性在医药领域的应用,以及其杀菌、杀虫、除草等方面活性在农业领域的应用。Tioxazafen是一种二取代的恶二唑化合物,化学名称为3-苯基-5-(噻吩-2-)-1,2,4- 恶二唑,2017年在美国登记和上市,主要通过干扰线虫核糖体的活性,引起靶标线虫体内基因突变,进而发挥药效。作为孟山都开发的广谱和内吸性种子处理杀线虫剂,其化学结构简单、新颖,作用机制独特,与其他杀线虫剂不存在交互抗性。Slomczynska等研究发现,tioxazafen主要分布在作物的根部区域,不会随植物的代谢而向上移动至营养组织,且其较低的水溶性,导致药物可长期滞留在植物根系周围,提供长达75 d(相当于2.5代的线虫周期)的持效作用。

吡啶是目前杂环化合物中开发应用范围最广的结构之一,尤其是作为农药中间体。近年来,含吡啶基团的农药发展很快,不仅有高效的杀虫剂(吡虫啉等)、除草剂(氟啶乙磺隆等),而且还开发出高效的杀菌剂(氟啶酰菌胺等),并逐渐形成一大特有的农药系列。含有吡啶杂环结构的化合物已成为新型农药原药企业的创新方向。本文以tioxazafen为先导,结合吡啶环上氮原子和噻吩环上硫原子在孤对电子上的相似性,在保留恶二唑结构的基础上,利用不同的吡啶衍生物在相似位点进行取代,设计合成了一系列5-位吡啶环取代的1,2,4- 恶二唑类衍生物(见图1),并以南方根结线虫和小菜蛾为研究对象,对目标化合物生物活性进行测定。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

1H NMR13C NMR数据由Bruker Avance 400型核磁共振分析仪测定(TMS为内标,CDCl3DMSO-d6为溶剂)H RMS数据质谱分析仪(Agilent 6210 ESI/TOF MS)测定;熔点由X-4型数字显示显微熔点仪测定;TLC监测所用的GF254硅胶板和柱层析硅胶粉(3848 μm),青岛海洋化工有限公司;其他试剂和溶剂如无特别说明,均为化学纯或分析纯。

1.2 合成

合成路线见图2。按照文献方法合成中间体N-羟基苯甲脒(2)

1.2.1 3-苯基-5-(噻吩-2-)-1,2,4- 二唑(tioxazafen)的合成

2-噻吩甲酸141 mg(1.1 mmol)溶于2 mL干燥DMSO中,缓慢加入NN-羰基二咪唑195 mg(1.2 mmol),搅拌反应30 min后加入N-羟基苯甲脒136.15 mg(1 mmol),室温反应18 h,再加入氢氧化钠48 mg(1.2 mmol)继续反应,TLC监测,2 h后停止反应。加入约20 mL水后析出白色固体,混合物用乙酸乙酯萃取(20 mL×3),合并有机相,无水硫酸镁干燥后,减压除去溶剂,产物通过快速柱色谱纯化制得化合物3-苯基-5-(噻吩-2-)-1,2,4- 恶二唑,白色固体,产率85.3%m.p. 107109 (文献值:108110 )1H NMR (400 MHzCDCl3 ) δ:8.21 8.12 (m2H)7.95 (ddJ=3.81.2 Hz1H)7.64 (ddJ=5.01.2 Hz1H)7.567.46 (m3H)7.20 (ddJ=5.03.8 Hz1H)13C NMR(101 MHzCDCl3) δ:171.4168.9132.0131.9131.3128.9128.6127.6126.8125.9

1.2.2 目标化合物4a4e的合成

合成方法同tioxazafen

3-苯基-5-(3--5-三氟甲基-吡啶-2-)-1,2,4-恶二唑(4a):白色固体,产率86.7%m.p. 103105 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:9.329.14(m1H)8.978.74(m1H)8.228.02(m2H)7.747.45(m3H)13CNMR(101MHzDMSO -d6) δ:171.6168.4145.0 (qJ =4.1 Hz)143.6137.7(qJ=3.6 Hz)132.1132.0129.4128.3(qJ=33.4 Hz)127.2125.6122.3(qJ=273.8 Hz)ESI-H RMSm/z [M+H]+calcd for 326.0303found 326.0307

3-苯基-5-(6--吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(4b):白色固体,产率81.4%m.p. 159161 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.32(ddJ=7.60.8 Hz1H)8.18(tJ=7.8 Hz1H)8.13 8.06 (m2H)7.87 (ddJ =8.00.8 Hz1H)7.67 7.57(m3H)13C NMR(101 MHzDMSO-d6) δ:173.2168.5150.9142.9141.8131.9129.4128.4127.2125.8123.7ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for 258.0429found 258.0431

3-苯基-5-(4--吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(4c):白色固体,产率72.4%m.p. 167169 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.83(dJ=5.3 Hz1H)8.39(dJ=2.0 Hz1H)8.168.08(m2H)7.91(ddJ=5.32.1 Hz1H)7.697.58(m3H)13C NMR (101 MHzCDCl3) δ:173.4169.4151.6145.7144.9131.6129.0127.7127.0126.4124.7ESIHRMSm/z [M+H]+ calcd for 258.0429found 258.0431

3-苯基-5-(吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(4d):白色固

体,产率76.3%m.p. 114116 (文献值:114116 )1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.858.78 (m1H)8.308.25 (m1H)8.148.03 (m3H)7.727.66 (m1H)7.627.52(m3H)13C NMR(101 MHzDMSO-d6) δ:174.3168.3150.5142.7138.0131.7129.2127.4127.1126.00124.4ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for 224.0818found224.0821

3-苯基-5-(2--吡啶-3-)-1,2,4- 恶二唑(4e):黄色固体,产率76.4%m.p. 117119 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.72(ddJ=4.81.9 Hz1H)8.61(ddJ=7.81.9 Hz1H)8.138.05(m2H)7.72(ddJ=7.84.8 Hz1H)7.66 7.57 (m3H)13C NMR (101 MHzDMSO -d6)δ:172.8168.2153.3148.3141.5131.9129.4127.2125.7123.6120.1ESI-H RMSm/z[M+H]+ calcd for 258.0429found 258.0434

1.2.3 目标化合物5a5c的合成

参考文献,取325.7 mg(1 mmol) 4aSchlenk管中,加入5 mL干燥DMSO溶解,氮气条件下,加入乙硫醇69 mg(1.1 mmol)和碳酸铯488.8 mg(1.5 mmol)110 ℃下反应,TLC监测,21 h后停止反应。加入约30 mL水后析出固体,混合物用乙酸乙酯萃取(20 mL×3),合并有机相,无水硫酸镁干燥后,减压除去溶剂,产物通过快速柱色谱纯化制得化合物3-苯基-5-(3-乙硫基-5-三氟甲基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(5a):黄色固体,产率59.3%m.p. 98100 ℃;1H NMR(400 MHzCDCl3) δ:8.78(s1H)8.268.19(m2H)7.93 (s1H)7.60 7.48 (m3H)3.08 (qJ =7.4 Hz2H)1.47 (tJ=7.4 Hz3H)13C NMR (101 MHzCDCl3) δ:172.4169.1142.3141.7(qJ=3.8 Hz)139.9131.6130.9(qJ=3.6 Hz)129.0128.4(dJ=33.2 Hz)127.9126.6122.9(qJ=273.3 Hz)26.513.0ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for352.0726found 352.0731

3-苯基-5-(6-乙硫基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(5b):黄色固体,产率61.4%m.p. 9092℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.128.06 (m2H)8.01 (ddJ=7.50.9 Hz1H)7.91 (tJ =7.8 Hz1H)7.67 7.55 (m4H)3.23 (qJ =7.3 Hz2H)1.36 (tJ =7.3 Hz3H)13C NMR (101 MHzDMSO-d6) δ:174.1168.4160.4142.5138.0131.8129.3127.1126.0125.3120.323.914.3ESI-H RMSm/z [M+H]+calcd for 284.0852found 284.0855

3-苯基-5-(4-乙硫基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(5c):黄色固体,产率66.7%m.p. 116117 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.61 (ddJ=5.30.7 Hz1H)8.158.06(m3H)7.687.56(m4H)3.20(qJ=7.4 Hz2H)1.34(tJ =7.3 Hz3H)13C NMR(101 MHzDMSO -d6) δ:174.3168.4151.2150.0142.6131.9129.4127.2126.0123.4120.624.113.4ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for 284.0852found 284.0857

1.2.4 目标化合物5d5e的合成

参考文献[15],冰浴条件下,干燥的甲醇溶液中缓慢加入36 mg(1.5 mmol)氢化钠固体,反应几分钟后加入257.7 mg(1 mmol) 化合物4b,移入高压反应釜中,125 ℃反应过夜。停止反应后,加入稀盐酸淬灭,减压除去溶剂,用乙酸乙酯萃取(20 mL×3),合并有机相,无水硫酸镁干燥后,减压除去溶剂,产物通过快速柱色谱纯化制得化合物3-苯基-5-(6-甲氧基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(5d):红棕色固体,产率88.2%m.p. 138140 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.138.05(m2H)8.047.97(m1H)7.95(ddJ=7.31.0 Hz1H)7.677.56(m3H)7.17(ddJ=8.11.0 Hz1H)3.99 (s3H)13C NMR(101 MHzDMSO-d6) δ:174.2168.4163.8140.7140.1131.8129.3127.2126.0118.2115.453.6ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for 254.0924found254.0921

3-苯基-5-(4-甲氧基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(5e):黄色固体,产率93.5%m.p. 161163 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.65 (dJ=5.7 Hz1H)8.158.08(m2H)7.82(dJ=2.5 Hz1H)7.677.58(m3H)7.30(ddJ=5.72.6 Hz1H)3.97(s3H)13C NMR(101 MHzDMSOd6)δ:174.4168.4166.1151.9144.2131.8129.3127.2126.0113.3110.656.0ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for254.0924found 254.0921

1.2.5 目标化合物5f5g的合成

冰浴条件下,干燥的四氢呋喃溶液中缓慢加入72 mg(3 mmol)氢化钠固体,再加入三氟乙醇300.2 mg(3 mmol),反应几分钟后加入257.7 mg(1 mmol) 化合物4b,回流,TLC监测,5 h后停止反应,加入稀盐酸淬灭,减压除去溶剂,用乙酸乙酯萃取(20 mL×3),合并有机相,无水硫酸镁干燥后,减压除去溶剂,产物通过快速柱色谱纯化制得化合物3-苯基-5-(6-三氟乙氧基-吡啶-2-)-1,2,4-恶二唑(5f):白色固体,产率66.2%m.p. 122123 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.148.02(m4H)7.667.55(m3H)7.34(ddJ =8.20.9 Hz1H)5.12 (qJ =9.0 Hz2H)13C NMR(101 MHzDMSO-d6) δ:173.7168.5161.4141.8139.8131.8129.3127.1125.9123.9(qJ=277.6 Hz)119.6115.461.8(qJ=34.9 Hz)ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for 322.0798found 322.0796

3-苯基-5-(4-三氟乙氧基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(5g):白色固体,产率46.7%m.p. 148150 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.72 (dJ =5.7 Hz1H)8.15 8.07 (m2H)7.97 (dJ=2.6 Hz1H)7.677.57(m3H)7.45(ddJ=5.72.6 Hz1H)5.11(qJ=8.8 Hz2H)13C NMR(101 MHzDMSO-d6) δ:174.1168.4163.9152.2144.5131.8129.3127.2125.9123.7(qJ=277.5 Hz)113.9111.064.6(qJ=34.6 Hz)ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for 322.0798found 322.0795

1.2.6 目标化合物6a6c的合成

参考文献,冰浴条件下,取351 mg(1 mmol) 化合物5a溶于2 mL二氯甲烷,缓慢加入138 mg(0.8 mmol)间氯过氧苯甲酸,室温下反应,TLC监测,1 h后停止反应。加入饱和硫代硫酸钠淬灭,用二氯甲烷萃取(10 mL×3),合并有机相,无水硫酸镁干燥后,减压除去溶剂,产物通过快速柱色谱纯化制得化合物3-苯基-5-(3-乙基亚砜基-5-三氟甲基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(6a):黄色固体,产率81.8%m.p. 165167 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6)δ:9.40(dJ=2.1 Hz1H)8.65(dJ=2.1 Hz1H)8.178.08(m2H)7.71 7.60 (m3H)3.54 (dqJ =13.67.4 Hz1H)3.10(dqJ =14.67.3 Hz1H)1.21 (tJ =7.4 Hz3H)13C NMR(101 MHzCDCl3) δ:171.1169.3148.1 (qJ =3.8 Hz)144.9141.8132.7(qJ=3.6 Hz)132.2130.0(qJ=34.3 Hz)129.4127.7125.8122.6(qJ=273.8 Hz)49.37.0ESIHRMSm/z [M+H]+ calcd for 368.0675found 368.0671

3-苯基-5-(6-乙基亚砜基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(6b):白色固体,产率80.6%m.p. 128130 ℃;1H NMR(400 MHzCDCl3) δ:8.36 (ddJ=7.61.2 Hz1H)8.24(ddJ=7.91.2 Hz1H)8.218.14 (m3H)7.587.47(m3H)3.30 (dq14.67.4 Hz1H)3.04 (dqJ=14.67.4 Hz1H)1.25 (tJ =7.4 Hz3H)13C NMR (101 MHzCDCl3) δ:173.4169.4166.2143.7139.3131.7129.0127.7126.4124.8123.347.95.6ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for300.0801found 300.0804

3-苯基-5-(4-乙基亚砜基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(6c):白色固体,产率82.6%m.p. 166168 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.99(dJ=5.0 Hz1H)8.54(s1H)8.198.07 (m2H)7.98 (ddJ=5.01.7 Hz1H)7.697.55(m3H)3.29 (dqJ=14.57.3 Hz1H)2.97 (dqJ=14.57.3 Hz1H)1.07 (tJ=7.3 Hz3H)13C NMR (101 MHzDMSO-d6)δ:173.8168.5156.3150.9143.4131.8129.3127.2125.9122.3119.247.95.0ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for300.0801found 300.0807

1.2.7 目标化合物6d6f的合成

参考文献,冰浴条件下,取351 mg(1 mmol) 化合物5a溶于2 mL二氯甲烷,缓慢加入517.7 mg(3 mmol)间氯过氧苯甲酸,室温下反应,TLC监测,1 h后停止反应。加入饱和硫代硫酸钠淬灭,用二氯甲烷萃取(10 mL×3),合并有机相,无水硫酸镁干燥后,减压除去溶剂,产物通过快速柱色谱纯化制得化合物3-苯基-5-(3-乙基砜基-5-三氟甲基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(6d):黄色固体,产率92.6%m.p. 139141 ℃;1H NMR (400 MHzDMSO-d6)δ:9.679.55(m1H)8.978.83(m1H)8.188.06(m2H)7.747.58(m3H)3.90(qJ=7.4 Hz2H)1.31(tJ=7.4 Hz3H)13C NMR (101 MHzDMSO-d6) δ:171.7168.0151.1(qJ=3.7 Hz)145.6137.4(qJ=3.6 Hz)136.8132.3129.57128.1 (qJ=34.2 Hz)127.3125.3123.7 (qJ=273.7 Hz)50.36.4ESI-H RMSm/z [M +H] + calcd for 384.0624found 384.0629

3-苯基-5-(6-乙基砜基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(6e):白色固体,产率93.7%m.p. 169171 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:8.63(ddJ=7.91.0 Hz1H)8.48(tJ=7.9 Hz1H)8.36 (ddJ=7.91.0 Hz1H)8.168.09(m2H)7.687.56(m3H)3.57(qJ=7.4 Hz2H)1.23(tJ=7.4 Hz3H)13C NMR(101 MHzDMSO-d6) δ:173.1168.6157.0143.3141.5132.0129.4128.2127.2125.8125.246.16.7ESI-H RMSm/z [M +H] + calcd for 316.0750found316.0751

3-苯基-5-(4-乙基砜基-吡啶-2-)-1,2,4- 恶二唑(6f):黄色固体,产率89.7%m.p. 156158 ℃;1H NMR(400 MHzDMSO-d6) δ:9.19 (ddJ=5.00.8 Hz1H)8.63(ddJ=1.80.8 Hz1H)8.21 (ddJ=5.01.7 Hz1H)8.188.11(m2H)7.697.57(m3H)3.59(qJ=7.3 Hz2H)1.18( tJ = 7 . 3 Hz3H)13C NMR ( 101 MHzDMSO - d6 )δ:173.4168.5152.4148.1144.3132.0129.4127.2125.8124.7121.648.56.8ESI-H RMSm/z [M+H]+ calcd for316.0750found 316.0752

1.3 生物活性测试

1.3.1 目标化合物对南方根结线虫的生物活性

采用毒杀法测定目标化合物对南方根结线虫的杀虫活性。以tioxazafen和阿维菌素(avermectin)为阳性对照,清水为空白对照,每个药剂设3次平行,3次重复试验,观察统计施药244872 h后线虫的死亡情况,并计算线虫的校正死亡率,公式如下:

1.3.2 目标化合物对小菜蛾的杀虫活性

采用浸渍法测定目标化合物对小菜蛾的杀虫活性,目标化合物用DMF溶解后,加入少量二甲苯和曲拉通-100,再用适量蒸馏水稀释至测试质量浓度后备用,每个药剂设3次平行,3次重复试验,设阴性对照。取带虫的甘蓝叶,挑出23龄的小菜蛾幼虫。用打孔器打出大小均一的叶片,放入药液中浸渍5 s后取出晾干。将虫与叶片放入加有保湿滤纸的测试管中,每管虫数不少于15只,记录虫数,用棉花塞住管口后放于25 ℃光照培养箱中培养,分别记录244872 h试虫的死亡情况。并计算小菜蛾幼虫的校正死亡率,公式同上。

2 结果与讨论

2.1 化合物对南方根结线虫的活性测定

以南方根结线虫为测试对象,tioxazafen和阿维菌素为阳性对照物,采用了直接触杀法测定目标化合物对南方根结线虫的杀虫活性,测试结果见表1

线虫活性测试结果表明:部分目标化合物在200 mg/L质量浓度下对南方根结线虫表现出良好的抑制活性,其中化合物4a4d200 mg/L质量浓度下对南方根结线虫72 h的抑制活性为100%,与阳性对照tioxazafen相当,化合物5f6a6b6e对南方根结线虫的抑制活性在72 h均达到90%以上,化合物6c对南方根结线虫的抑制活性72 h也达到了82.2%;在50 mg/L质量浓度下,化合物4a5f6a6b对南方根结线虫的抑制活性72 h能达到50%以上;目标化合物结构中吡啶环上的取代基对杀线虫活性有着重要的影响:在200 mg/L质量浓度下,吡啶环上无取代基的目标化合物4d的对线虫抑制活性为100%,引入取代基后,仅有目标化合物4a的抑制活性与其相当。当化合物质量浓度降至50 mg/L时,4a5f6a6b的抑制活性达到50%以上,均略高于吡啶环无取代基的4d。综合活性测定数据可以发现,在吡啶环的6-位进行修饰优于对其他位点的修饰,这可能与吡啶α位的活泼性有关;在众多引入的修饰基团中,乙基亚砜基(-SOCH2CH3)较优于其他基团。尽管目标化合物在较低质量浓度下的生物活性低于tioxazafen和阿维菌素,但作为先导结构优化以及阿维菌素易土壤吸附的缺陷,这类结构仍显示出较好的发展潜力。

2.2 化合物对小菜蛾幼虫的活性测定

为探明化合物杀虫活性的广谱性,以tioxazafen为阳性对照物,采用浸渍法于250 mg/L质量浓度下对小菜蛾幼虫的杀虫活性进行初步测试,测试结果见表2

小菜蛾活性测试结果表明:部分目标化合物在250 mg/L质量浓度下对小菜蛾表现出一定的抑制活性,其中4a4e5d的抑制活性均达到60%以上,明显优于阳性对照组。表明部分目标化合物在对南方根结线虫有抑制活性的同时,对小菜蛾也有一定的抑制活性。

3 结论

以新型杀线虫剂tioxazafen为结构先导,设计合成了一系列5-位吡啶环取代的1,2,4- 恶二唑类衍生物。目标化合物结构经1H NMR13C NMRH RMS确认。线虫活性测试结果表明:此类结构具有良好的根结线虫抑制活性,在200 mg/L质量浓度下,化合物4a4d对南方根结线虫的抑制活性为100%,化合物5f6a6b6e对南方根结线虫的抑制活性均达到90%以上,且部分化合物同时还对小菜蛾具有一定的活性,表明该类结构在农药的发展中具有良好的进一步优化潜力。

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