三聯(lián)噻吩類光活化農(nóng)藥設(shè)計與合成

三聯(lián)噻吩類光活化農(nóng)藥設(shè)計與合成羅欣賢譚建發(fā)陳文珊楊卓鴻（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院，廣州，510642）摘要：實(shí)驗以2溴噻吩作為原料，通過溴化、格氏試劑交叉偶聯(lián)反應(yīng)制備光活化農(nóng)藥先導(dǎo)化合物α三聯(lián)噻吩；然后通過VilsmeierHaack反應(yīng)，堿催化下羥醛縮合與吡唑啉關(guān)環(huán)等反應(yīng)對α三聯(lián)噻吩進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，最終獲得一系列的噻吩類吡唑啉化合物。并通過紅外光譜、核磁共振等表征，經(jīng)分析得到其確切的結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵詞：光活化農(nóng)藥α三聯(lián)噻吩吡唑啉雜環(huán)化合物TheDesignandSynthesisOfLightActivatedPesticides－terthiophenepyrazolineLuoXinxianTanJianfaChenWensanYangZhuohong(CollegeofScience,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou，510642)Abstractαterthiophene，astheintermediateofthephotoactivatedpesticideswassynthesizedfrom2bromothiophenebyGrignardreaction.ThentheintermediatewasusedtosynthesislightactivatedHeterocyclesthroughtVilsmeierHaackreation,AldolreactionsandPyrazolinecyclicreaction.Finally,aseriesofHeterocyclesweresynthesizedandidentifiedbyIRand1HNMR.KeywordslightactivatedpesticidesαterthiophenepyrazolineHeterocycles1前言化合物所產(chǎn)生的生物活性是由其化學(xué)結(jié)構(gòu)決定的,通過光活化毒素構(gòu)效關(guān)系研究，分析結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系，對新農(nóng)藥研發(fā)創(chuàng)制具有重大意義。對多聚噻吩的研究表明，噻吩環(huán)愈多，活性愈強(qiáng)；試驗證實(shí)三聯(lián)噻吩活性遠(yuǎn)高于二聯(lián)噻吩[1]，試驗證明αT具有高效、廣譜、見效快、無殘留、與目前常用農(nóng)藥無交互抗性等優(yōu)點(diǎn).以αT對母體骨架進(jìn)行改造，以此為先導(dǎo)化合物，設(shè)計合成新的化合物。在充分保留其光活化性能的基礎(chǔ)上，基于農(nóng)藥分子設(shè)計理論，對先導(dǎo)化合物進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)修飾，引入具有廣譜殺蟲活性的吡唑啉結(jié)構(gòu)基團(tuán)，設(shè)計合成多類含噻吩環(huán)的多雜環(huán)化合物，這樣合成的新化合物既含有光活化殺蟲活性，又具有吡唑啉廣譜殺蟲活性，預(yù)期發(fā)現(xiàn)具有高效、廣譜、低毒的光活化農(nóng)藥。2實(shí)驗部分2.1合成路線R=H、Ac、Ph、、etc.圖1合成路線步驟Ⅰ為噻吩的溴化反應(yīng)，由于噻吩雜環(huán)共有6個π電子，雜原子起了給電子的作用，在室溫下發(fā)生溴化反應(yīng)比較容易，此反應(yīng)可以進(jìn)行；步驟Ⅱ為格式試劑交叉偶聯(lián)反應(yīng)，反應(yīng)的關(guān)鍵是格式試劑的制備，據(jù)多數(shù)的合成α三聯(lián)噻吩文獻(xiàn)[23]可知反應(yīng)具有較高的產(chǎn)率，產(chǎn)率基本都能達(dá)到80%。此合成步驟方法簡單成熟，反應(yīng)可以進(jìn)行；步驟Ⅲ為VilsmeierHaack[4]反應(yīng)，VilsmeierHaack反應(yīng)適用于富電子的雜環(huán)反應(yīng)，使環(huán)上反應(yīng)生成取代醛基。但當(dāng)α三聯(lián)噻吩與過量的DMF/POCl3反應(yīng)，然后酸性水解的2,2〃位二取代醛基，若不過量，則生成2位取代醛基。步驟Ⅳ為羥醛縮合反應(yīng)，在稀堿的作用下，以分子的醛和一分子的酮相互作用，生成α,β不飽和酮。據(jù)文獻(xiàn)[5]所知，大多數(shù)的羥醛縮合反應(yīng)產(chǎn)率都能達(dá)到70%以上，反應(yīng)條件簡單成熟，反應(yīng)可以進(jìn)行。步驟Ⅴ為制備吡唑啉類化合物最常用的方法。據(jù)過去的文獻(xiàn)報道[5]，反應(yīng)在冰乙酸的催化下，苯肼的α氮原子與烯酮的β烯碳發(fā)生1,4加成，然后β氨基與羰基碳原子發(fā)生分子內(nèi)關(guān)環(huán)，生成吡唑啉類化合物，且產(chǎn)率也較高。根據(jù)吡唑啉類的化合物的合成可知，步驟Ⅴ合成方法成熟，反應(yīng)可以進(jìn)行。2.2藥品和儀器2.2.1實(shí)驗藥品2溴噻吩：分析純，連云港宏業(yè)精細(xì)化工；其它試劑為分析純，主要購買于天津市大茂化學(xué)試劑廠。溶劑按照常用方法干燥、純化。2.2.2實(shí)驗儀器NicoletAVATAR360E.S.P.型AvatarFTIR紅外光譜儀，布魯克600兆核磁共振儀。2.3實(shí)驗步驟2.3在150mL圓底燒瓶中裝配磁子和恒壓滴液漏斗，加入9.50g（0.6mol）2溴噻吩和20mL純化的四氯化碳，將9.79g溴素和30mL純化的四氯化碳混合后加入恒壓滴液漏斗中，緩慢滴加，室溫下磁力攪拌，同時向反應(yīng)液中加入數(shù)粒碘和無水AlCl3作催化劑，5h后滴加完畢，反應(yīng)液在室溫下繼續(xù)攪拌36h，TCL跟蹤反應(yīng)，反應(yīng)液先變?yōu)辄S色，然后變?yōu)樯罴t棕色。反應(yīng)完畢后，向反應(yīng)液中加入1.7g固體氫氧化鈉，反應(yīng)瓶接球形冷凝管和干燥管，在100℃油浴下加熱回流4.5h，冷卻到室溫，過濾，濾液轉(zhuǎn)移到圓底燒瓶用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸去四氯化碳，剩余溶液進(jìn)行蒸餾，收集193～204℃的餾分10.23g，2,5二溴噻吩的收率為72.57%。2.3.在100mL三頸燒瓶中裝配磁子，上接干燥管的球形冷凝管，恒壓滴液漏斗和氮?dú)膺B接管，向三頸燒瓶里加入1.80g活化鎂屑，接通氮?dú)獠⒓訜?0min，加入數(shù)粒碘，使碘蒸氣充滿三頸燒瓶，加入15mL無水乙醚，向恒壓滴液漏斗中加入12.3g2溴噻吩和15mL無水乙醚，然后從恒壓滴液漏斗向三頸燒瓶緩慢滴加3mL混合液，磁力攪拌使反應(yīng)發(fā)生，此時碘蒸氣顏色消失，表明反應(yīng)已發(fā)生，加熱到乙醚回流，然后緩慢滴加2溴噻吩的乙醚溶液，回流反應(yīng)5h，使得鎂屑基本消失，并不時向反應(yīng)中補(bǔ)加乙醚，以防乙醚蒸干，生成格氏試劑。稱取7.32g2,5二溴噻吩于10mL無水乙醚中，加進(jìn)恒壓滴液漏斗后緩慢滴加，同時向反應(yīng)液里加入0.007g雙（二苯基磷）丙烷氯化鎳作催化劑，加熱回流反應(yīng)12h，TLC跟蹤至反應(yīng)基本完成。用2mol/L鹽酸中止反應(yīng)，用無水乙醚萃取，分液，油層加入無水硫酸鎂干燥1h，過濾，濾液轉(zhuǎn)移到圓底燒瓶后用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器蒸去溶劑，得到略帶黃色的紫黑色溶液，置于冰浴冷卻，立即析出淡黃色晶體，將所得濃縮液經(jīng)柱層析分離，用石油醚（60-90℃）：乙酸乙酯＝6：1洗脫，得到3.63g黃綠色的α三聯(lián)噻吩，mp.88～89℃2.3.32醛基α三聯(lián)噻吩的制備在50ml帶塞子的錐形瓶內(nèi)加入10mlCH2Cl2與1.2ml（14.9mmol）N,N二甲基甲酰胺后，于冰浴下磁力攪拌，混合均勻后用注射器向內(nèi)逐滴加入1.2ml（12.8mmol）POCl3，保持整個過程干燥，不引入水分，然后將溫度慢慢加熱到40℃，可得淡黃色溶液。另在50ml三口燒瓶中加入15mlCH2Cl2含3g（12.1mmol）的α三聯(lián)噻吩，冰浴條件下攪拌10min，后向內(nèi)逐滴滴加上述制備淡黃色的試劑，溶液由無色變?yōu)辄S色，滴加完畢，室溫下反應(yīng)10h。TLC分析，跟蹤反應(yīng)。所得的反應(yīng)液回流反應(yīng)10h后，得到紅棕色的溶液，后向內(nèi)加入10%HCl20mL，50℃條件下攪拌反應(yīng)1.5h，溶液明顯分層，上層為水層，下層為黑紅色的有機(jī)相，所得溶液冷卻至室溫，后用CH2Cl2萃取。脫溶劑，烘干，粗產(chǎn)物為2.71g，收率為78.1%。將上面得到的粗產(chǎn)物經(jīng)柱層析分離，用CH2Cl2進(jìn)行洗脫，得到1.76g紅褐色的晶體，mp.135～136℃。2.3.41苯基3（2〃α三聯(lián)噻吩）2丙烯1酮的制備在100mL反應(yīng)瓶中分別加入0.8g(6.67mmol)苯乙酮溶于50mL95%乙醇的溶液、2.0mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH水溶液和1.50g(5.43mmol)2醛基α三聯(lián)噻吩,室溫攪拌反應(yīng)，2h后，粉末狀固體開始析出，TLC跟蹤反應(yīng)。6h后反應(yīng)完成，向反應(yīng)容器中加入冰水，大量黃色粉末析出，趁冷抽濾，固體依次用冷乙醇、冷卻水、冷乙醇洗滌，然后再用乙醇進(jìn)行重結(jié)晶，得到1.44g橙色粉末狀產(chǎn)物，mp.162～2.3.以2，3二苯基5（2〃α三聯(lián)噻吩）吡唑啉的制備為例在50ml的圓底燒瓶中，將0.1106g1苯基3（2〃α三聯(lián)噻吩）2丙烯1酮溶于20mL乙醇中，常溫下，磁力攪拌，使之完全溶解，后向內(nèi)加入5mL冰乙酸和逐滴加入0.0316g苯肼，溶液由紅黃色逐漸變成帶熒光的淺橙色，常溫下磁力攪拌，回流反應(yīng)12h，并用TLC跟蹤反應(yīng)。反應(yīng)完畢后，脫溶劑、溶于乙醚。用水洗滌有機(jī)相，分出有機(jī)層，用無水MgSO4干燥。脫溶劑烘干，得粗產(chǎn)物。將上面所得的粗產(chǎn)物經(jīng)柱層析分離，用石油醚：乙酸乙酯=8：1的洗脫液進(jìn)行洗脫，得到0.1317g橙色固體，mp.148~150℃，產(chǎn)率為96.18%。以類似方法制備其他噻吩類吡唑啉化合物。2.3.6實(shí)驗產(chǎn)物列表實(shí)驗產(chǎn)物編號IIIIIIIVVaVbVcVdVe表1實(shí)驗產(chǎn)物結(jié)構(gòu)式及各自對應(yīng)的編號列表3實(shí)驗結(jié)果與討論分析3.1實(shí)驗產(chǎn)物數(shù)據(jù)產(chǎn)物產(chǎn)量/g產(chǎn)率/%熔點(diǎn)/℃表觀I10.2372.57深紅棕色粘稠液體II3.6348.3788~89黃色晶體III1.7650.72135~136紅褐色晶體IV1.4467.20162~164橙色粉末狀固體Va0.082083.68156~158黃色粉末狀固體Vb0.090182.95170~172土黃色粉末狀固體Vc0.131796.18148~150橙色粉末狀固體Vd0.112487.75193~195黃色粉末狀固體Ve0.127188.69133~134淺黃色粉末狀固體表2各實(shí)驗產(chǎn)物的數(shù)據(jù)列表由上表數(shù)據(jù)可以看出一系列的反應(yīng)中，除了反應(yīng)II的產(chǎn)率低于50%以外，其它反應(yīng)的產(chǎn)率都比較高，尤其是最后的幾個反應(yīng)V都有很高的產(chǎn)率。而且各固體產(chǎn)物的熔程都比較短，只有1～2℃，表明產(chǎn)物的純度都比較高。3.2實(shí)驗產(chǎn)物圖譜解析3.2.1紅外圖譜（有關(guān)化合物的紅外圖譜后附）3.2.1.1α三聯(lián)噻吩的紅外表征由所得產(chǎn)物的紅外譜圖可得：3071.25cm1噻吩α位CH伸縮振動；1493.92和1421.87cm1為n≥2的噻吩齊聚物特有的噻吩環(huán)的伸縮振動[7]；對于2360.13cm1的峰推測為噻吩環(huán)內(nèi)的累積雙鍵的伸縮振動，文獻(xiàn)[7]也曾出現(xiàn)，但該文獻(xiàn)沒有詳細(xì)分析，其化合物結(jié)構(gòu)同為噻吩環(huán)；600到850cm1為多聯(lián)噻吩的指紋區(qū)域，832.04cm1為鏈端噻吩環(huán)的CH面外振動，795.99cm1為多聯(lián)噻吩n＝3時噻吩環(huán)β位的CH面外變形振動，而687.44和675.29cm1這些低波數(shù)側(cè)峰則是多聯(lián)噻吩特有的中間的噻吩環(huán)呼吸振動所作的貢獻(xiàn)[8]；由上述紅外譜圖分析可得，產(chǎn)物具有αα＇結(jié)構(gòu)，且噻吩齊聚物的噻吩環(huán)數(shù)為n＝3，因此產(chǎn)物為目標(biāo)化合物α三聯(lián)噻吩。3.2.1.22醛基α三聯(lián)噻吩(III由所得產(chǎn)物的紅外譜圖可得：除了有類似α三聯(lián)噻吩的特征吸收外，比α三聯(lián)噻吩還多了3432.84cm1處的CHO中的CH鍵伸縮振動[9]；1650.85cm1處的羰基中的C=O雙鍵伸縮振動，因此產(chǎn)物為目標(biāo)化合物2醛基α三聯(lián)噻吩。3.2.1.31苯基3（2〃α三聯(lián)噻吩）2丙烯1酮(IV)紅外光譜檢測如圖所示：3079.91cm1和3064.48cm1為噻吩α位CH伸縮振動；2923.7cm1和2852.34cm1為噻吩α位CH伸縮振動；1648.923.2.1.4噻吩類吡唑啉化合物的紅外表征以2，3二苯基5（2〃α三聯(lián)噻吩）吡唑啉(Vc)的紅外表征為例解析紅外光譜檢測如圖所示：3417.41cm1為吡唑啉環(huán)中締合NH鍵和苯環(huán)上NH鍵的伸縮振動；3062.56cm1為噻吩α位CH伸縮振動[10]；2925.63cm1為吡唑啉環(huán)上CH2的反對稱伸縮；2852.34cm1為吡唑啉環(huán)上CH2的對稱伸縮；1591.06cm1和1569.85cm1為吡唑啉環(huán)C=N的伸縮振動；1375.06cm1為苯環(huán)骨架的伸縮振動；133.2.2噻吩類吡唑啉化合物1HNMR圖譜（1HNMR圖譜后附）以2乙?；?苯基5（2〃α三聯(lián)噻吩）吡唑啉（Vb）的1HNMR表征為例解析溶劑丙酮δH2.05～2.15ppm，噻吩環(huán)上的兩個βH互相偶合δH1.3～1.4ppm，甲基上的三個HδH2.7～2.9ppm，中間的噻吩環(huán)上的兩個βHδH7.31～7.33ppm，有三個H的噻吩環(huán)的三個HδH7.34～7.39ppm，與吡唑啉環(huán)相連的噻吩環(huán)上的兩個βHδH7.57～7.67ppm，吡唑啉環(huán)上的兩個HδH8.2～8.9ppm，苯環(huán)上的五個HδH7.43～7.52ppm。1HNMR表征清楚地表達(dá)了產(chǎn)物中的氫原子偶合情況，通過對這些氫原子偶合情況的解讀，可以幫助驗證產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)。[12]4生物測試4.1生測步驟利用斜紋夜蛾細(xì)胞建立MTT細(xì)胞比色法的生物測定體系。MTT步驟如下：（1）接種細(xì)胞：用含10％胎小牛血清得培養(yǎng)液配成單個細(xì)胞懸液，以每孔1000－10000個細(xì)胞接種到96孔板，每孔體積200ul.（2）培養(yǎng)細(xì)胞：同一般培養(yǎng)條件，培養(yǎng)3－5天（可根據(jù)試驗?zāi)康暮鸵鬀Q定培養(yǎng)時間）。再加藥處理。（3）呈色：培養(yǎng)3－5天后，每孔加MTT溶液（5mg/ml用PBS配)20ul.繼續(xù)孵育4小時，終止培養(yǎng)，小心吸棄孔內(nèi)培養(yǎng)上清液，對于懸浮細(xì)胞需要離心后再吸棄孔內(nèi)培養(yǎng)上清液。每孔加150ulDMSO，振蕩10分鐘，使結(jié)晶物充分融解。（4）比色：選擇490nm波長，在酶聯(lián)免疫監(jiān)測儀上測定各孔光吸收值，記錄結(jié)果。4.2生測結(jié)果條件抑制率VaVbVcVdVe24H光照20ppm重復(fù)10.6290040.8709960.7891460.860320.899466重復(fù)20.6681490.8781140.7357650.8959070.91726重復(fù)30.6681490.8994660.7998220.8709960.892349重復(fù)40.5720640.8781140.806940.8923490.910142平均抑制率%63.4341688.1672678.2918187.9893290.48043SE（標(biāo)準(zhǔn)誤差）2.2717340.6163881.6137330.8533510.55322524H黑暗20ppm重復(fù)10.0346980.0110460.0753990.0418150.07726重復(fù)20.0631670.0500320.0700710.0062280.064831重復(fù)30.0916370.014940.0764650.0524910.043517重復(fù)40.13790.001950.0771750.0738430.00266平均抑制率%8.1850531.1046137.5527954.3594310.71048SE（標(biāo)準(zhǔn)誤差）2.2003471.4036691.6108671.4123233.145344表3各實(shí)驗產(chǎn)物的生測抑制率由上表數(shù)據(jù)可得出，本實(shí)驗中所制得的五個噻吩類吡唑啉農(nóng)藥經(jīng)過光照活化后對斜紋夜蛾細(xì)胞的抑制率為60～90％不等，可以通過這個生物測試對本實(shí)驗中所制得的產(chǎn)物進(jìn)行篩選[13]；再通過與黑暗條件下對斜紋夜蛾細(xì)胞的抑制率作對比，本實(shí)驗中所制得的農(nóng)藥的光活化特點(diǎn)得到了明顯的體現(xiàn)。5結(jié)論（1）由實(shí)驗可知，通過本合成路線可以得到目標(biāo)產(chǎn)物噻吩類吡唑啉化合物。其中溴代反應(yīng)、格氏試劑交叉偶聯(lián)反應(yīng)與堿催化下羥醛縮合反應(yīng)副產(chǎn)物較少，產(chǎn)率較高。而VilsmeierHaack試劑下的甲酰化反應(yīng)與吡唑啉關(guān)環(huán)反應(yīng)，副反應(yīng)較為激烈，副產(chǎn)物較多，目標(biāo)產(chǎn)物產(chǎn)率相對較低。[14]縱觀實(shí)驗，可知合成路線與實(shí)驗方法簡單、成熟，因此可以進(jìn)行大劑量實(shí)驗，生產(chǎn)更多的光活化產(chǎn)物進(jìn)行生物測試研究。（2）采用格氏試劑交叉偶聯(lián)法合成光活化農(nóng)藥中間體α三聯(lián)噻吩，采用雙（二苯基磷）丙烷氯化鎳作催化劑，以工業(yè)品2溴噻吩為原料合成α三聯(lián)噻吩總產(chǎn)率為48.37％。（3）在吡唑啉關(guān)環(huán)反應(yīng)中，不同的取代肼與α,β不飽和醛酮進(jìn)行的吡唑啉關(guān)環(huán)反應(yīng)活性不一樣，取代肼中氮原子的活性越高，反應(yīng)越容易進(jìn)行。而且由于取代肼與α,β不飽和醛酮都是有兩個反應(yīng)中心的化合物，因此該反應(yīng)的副反應(yīng)較多，對主要目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率有一定影響。[15]（4）通過進(jìn)行生物測試研究表明，本實(shí)驗所制得的五個噻吩類吡唑啉光活化農(nóng)藥，在光照情況下對斜紋夜蛾細(xì)胞均有較高抑制率。產(chǎn)物通過光活化后對斜紋夜蛾細(xì)胞的抑制率分別比在黑暗條件下的抑制率高了約8～127倍不等，表現(xiàn)了光活化農(nóng)藥作用機(jī)理獨(dú)特，光照下可顯著提高其殺蟲、擬菌、除草的生物活性，同時自身降解,環(huán)境友好。[16][參考文獻(xiàn)][1]黃青春,吳計劃.噻吩類光活化物質(zhì)對淡色庫蚊的活性及構(gòu)效關(guān)系研究[J].中國媒介生物學(xué)及控制雜志,2006,17(4):271273.[2]TamaoK,KodamaS,NakajimaI,etal.NickelPhosphineplexcatalyzedgrignardcouplingⅡ.Terahedron,1982,38(22):33473354.[3]JuzoN,ToruK,MasamatsuH.Preparetionofthiopheneoligomers.Heterocycles,1988,27(7):17321754.[4]錢定權(quán),曹如珍,劉綸祖.Vilsmeier試劑近年來在有機(jī)合成中的應(yīng)用[J].有機(jī)化學(xué),2000,20(1):3043.[5]韓秀英,林培華,田美令,等.1,3二苯基5(4氯苯基)2吡唑啉的合成[J].山西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2003,26(4):327329.[6]常建華,楊韻娜.α,β不飽和醛酮與取代肼的反應(yīng)[J].化學(xué)通報,1988,5:3942.[7]草鏞,過丁,葉成,等.2,5噻吩集聚物鏈結(jié)果的表征[J].化學(xué)學(xué)報,1987,15:10721076.[8]HChen,DQQian,GXXu,YXLiu,XDChen,XDShi,RCCao,LZLiu.＂TheSynthesisofPhosphonylPyrazoles.Proceedingsofthe14thInternationalConferenceonPhosphorusChemistry＂,July,Cincinnati,1998(inPress)[9]DownumKR.LightActivatedPesticidesControl