王美怡, 马　翼, 王海英, 曹　刚, 李正名

(1. 北方民族大学化学与化学工程学院, 银川 750021; 2. 南开大学元素有机化学研究所, 天津 300071;3. 中国科学院上海高等研究院, 上海 201210)



苯环5位取代磺酰脲类化合物的水解动力学及三维定量构效关系初步研究

王美怡1, 马翼2, 王海英2, 曹刚3, 李正名2

(1. 北方民族大学化学与化学工程学院, 银川 750021; 2. 南开大学元素有机化学研究所, 天津 300071;3. 中国科学院上海高等研究院, 上海 201210)

研究了除草活性较好的9个新型苯环5位取代的磺酰脲类化合物(A～I)分别在酸性、 中性及碱性水溶液中的水解情况. 采用HPLC-MS对水解产物进行分离鉴定, 推测了水解产物的结构及水解路径. 采用比较分子力场(CoMFA)方法, 对化合物的结构与水解半衰期之间的关系进行了三维定量构效关系(3D-QSAR)研究. 结果表明, 苯环5位取代的苯磺酰脲类化合物的水解遵循一级动力学反应, 容易发生酸性条件下的水解, 水解反应第一步主要为酸催化下磺酰脲桥的断裂, 形成5位取代的苯磺酰胺和氨基杂环. 苯环5位取代的苯磺酰胺进一步发生5位酰胺基的水解, 最后得到化合物c(6-氨基糖精)和d(糖精). 苯环5位经修饰改造后, 在相同条件下, 其水解速度明显高于改造前的母体化合物单嘧磺酯和甲磺隆. 苯环5位为酰胺基取代的化合物的水解速度随酰胺基上烷基碳原子数的增加及烷基体积的增大而降低. 经计算所得的CoMFA模型能够对该系列化合物的水解半衰期进行较好的预测.

5位取代苯磺酰脲类化合物; 水解; 半衰期; 比较分子力场模型; 三维定量构效关系

磺酰脲类除草剂自20世纪70年代中期问世以来, 便因其超高效(每公顷有效成分2～75 g)、 选择性高、 杀草谱广及对鸟类和哺乳动物低毒性等特点而得到迅速发展, 主要用于防除小麦、 水稻、 玉米及谷子等农作物田间的阔叶杂草及多年生草本植物[1～3], 也用于牧场、 林地及蓝莓、 番茄及马铃薯等水果蔬菜的杂草防除[4,5]. 随着化学除草剂的广泛应用, 其环境归趋引起了公众的密切关注[6,7]. 一些磺酰脲类除草剂由于存在于环境中的时间过长, 不仅会污染农田、 地下水, 而且会影响到后茬农作物的生长繁殖, 甚至产生药害. 如施用于麦田和谷子地的氯磺隆, 在土壤中的残留时间长达几年, 可对轮作的豆类作物造成严重危害[8]. 因此, 对于新型磺酰脲类除草剂的研发, 人们在关注高活性的同时更加关注其是否具有适宜的降解速率, 以免对后茬作物产生残毒. 文献[9～11]报道, 在磺酰脲桥左边的芳环5位上引入取代基, 可以加快此类化合物在环境中的降解速度. 如氟啶嘧磺隆在酸性水溶液中的半衰期为44 d[12], 当冬小麦收割1个月后, 在土壤中几乎检测不到氟啶嘧磺隆及其代谢物[13].

磺酰脲类除草剂施用于农田后, 可以通过化学水解、 土壤微生物降解和光化学分解等途径代谢, 其中化学水解是主要的降解途径[14～16]. 了解磺酰脲类除草剂的化学水解情况, 不仅有助于更好地掌握其环境归趋, 还有助于预测其对地表水和地下水的污染情况, 对于创制残留时间短、 对环境更加友好的新磺酰脲类除草剂具有指导意义.

三维定量构效关系(3D-QSAR)是计算机辅助药物设计的重要手段, 受到广泛关注并被应用到新药研发中[17]. 比较分子力场(CoMFA)方法是研究药物-受体三维定量构效关系最为通用和标准的方法. 使用该方法可以将有机小分子周围的作用力场与其活性定量地联系起来, 从而建立一个模型来设计新化合物, 并可以预测新化合物的活性大小.

本文选取前期研究中合成的除草活性较好的9个苯环5-位取代的磺酰脲类化合物(A～I)[18,19]及单嘧磺酯、 甲磺隆等商品化磺酰脲除草剂(结构式见图1), 研究了其在酸性、 中性及碱性条件下的水解情况. 采用HPLC-MS对水解产物进行了分离鉴定, 推测了水解产物的结构及水解路径; 并通过比较分子力场(CoMFA)方法, 研究了化合物的结构与水解半衰期之间的关系, 对于今后进一步研究设计新型超高效且具有合适半衰期、 对环境友好的磺酰脲类除草剂具有指导意义.

Fig.1　Chemical structures of monosulfuron-methyl, metsulfuron-methyl and compounds A—I

1　实验部分

1.1试剂与仪器

甲磺隆(纯度大于99%)和单嘧磺酯(纯度大于99%)购自农药国家工程研究中心(天津); 化合物A～I为本实验室自制(纯度大于99%).

LC-20AT型高效液相色谱仪(日本岛津公司), 配备SPD-20A检测器、 SIL-20A自动进样器及色谱工作站; VP-ODS色谱柱(250 mm×4.6 mm, 日本岛津公司); BT125D型电子天平(精度为0.00001和0.0001 g, 德国塞多利斯公司); Bucher R-200型旋转蒸发仪(德国Bucker公司); PHS-3C型精密pH计(上海雷磁仪器厂); SZ-93型自动双重纯水蒸馏器(上海亚荣生化仪器厂); LCQ Advantage高效液相色谱-质谱联用仪(美国Thermo Finnigan公司).

1.2实验过程

1.2.1工作曲线的绘制准确称取供试样品置于100 mL容量瓶中, 用少量乙腈超声溶解并定容, 即得标样母液. 将母液用乙腈分别稀释到50, 25, 12.5, 6.25, 3.13和1.565 mg/L备用. 对上述标准溶液在给定的色谱条件下进行HPLC分析, 以峰面积对浓度进行回归得工作曲线.

1.2.2缓冲溶液的配制准确配制浓度均为0.2 mol/L的乙酸和乙酸钠、 磷酸二氢钾和氢氧化钠、 甘氨酸和氢氧化钠水溶液, 并分别按体积比3∶7, 5∶2.963和50∶8.8配制pH分别为5.0, 7.0和9.0的缓冲溶液.

1.2.3样品水溶液的前处理取一定量样品溶液, 加入50 mL质量分数为2%的Na2SO4后, 依次用30, 20和20 mL二氯甲烷萃取3次, 合并二氯甲烷相并用无水Na2SO4干燥, 将二氯甲烷相在35 ℃旋转蒸发近干, 吹干后, 用乙腈定容到2 mL用于HPLC测定.

1.2.4实验方法的准确度即样品的添加回收率将供试化合物的标样配制成100 mg/L的乙腈母液, 分别向pH=5, 7, 9的缓冲溶液中添加1 mL的供试化合物的母液标样, 定容至50 mL, 使其中的添加浓度为2 mg/L. 取水样20 mL, 按1.2.3节方法处理样本并进行HPLC测定, 同时做空白实验.

1.2.5样品的水解动力学测定准确称取供试化合物样品, 加少量乙腈超声溶解, 分别加入500 mL pH=5, 7, 9的缓冲溶液, 继续超声波溶解样品, 按照1.2.3节方法处理样本并过4.5 μm的微孔滤膜后, 立即测定供试化合物的初始浓度, 然后将水溶液于25 ℃避光保存(防止化合物发生光化学分解而干扰测定结果), 间隔一定时间取样, 测定其在不同缓冲溶液中的残留量, 以残留量对取样时间作图计算化合物或药剂在水中的水解半衰期, 每次测定均重复3次.

1.2.6HPLC与HPLC-MS的测定条件 HPLC测定条件:VP-ODS色谱柱, 250 mm×4.6 mm; 流动相:V(甲醇)∶V(水)∶V(磷酸)= 52∶48∶0.016; 流速1.0 mL/min; 检测波长244 nm; 进样量5 μL; HPLC-MS测定条件:扫气流量40 arb; 辅助扫气流量10 arb; 气化温度300 ℃; 毛细管电压4.0 kV.

1.3目标化合物水解的3D-QSAR研究

1.3.1材料与方法选取在pH=5的缓冲溶液体系中测得的化合物A～I、 单嘧磺酯和甲磺隆的水解半衰期数据, 使用美国Tripos公司的SYBYL/6.91 软件进行计算, 在SGI 350服务器和SGI Feul图形工作站上完成.

Fig.2　General structure of the compound

1.3.2活性分子构象的优化及分子叠合该系列化合物的分子结构通式如图2所示. 采用分子的最低能量构象, 对这11个化合物采用分子力学方法Minimize, 选用Tripos力场优化, Powell方法优化500轮, 加载Gasteiger-Huckel电荷, 得到各分子的低能构象.

在CoMFA分析中, 构象分子的叠合是非常重要的步骤. 应使所有分子按一定规则在空间叠合, 以减小其空间结构的差别. 考虑到该系列化合物的特征, 所有化合物经构象优化后, 以改造前的母体化合物单嘧磺酯为模板分子, 将分子中有共同原子特征的骨架结构进行叠合(图2中“*”所示原子). 采用Alignment database模块使余下化合物分子中的公共部分均与模板分子中的基本骨架相互重叠. 采用此方法叠合保证每个分子力场的取向具有一致性.

1.3.3CoMFA模型的建立选定三维网格边距为1 nm ×1 nm ×1 nm, 以带一个单位正电荷的sp3杂化C原子为探针, 步长为0.2 nm, 计算分子与网格点上探针原子的相互作用, 建立CoMFA场. 用PLS分析, 第一步采用Leave-one-out方法进行交叉验证, 得到最佳组分数n=2, 以及交叉验证系数q2=0.701(通常认为, 交叉验证系数q2>0.5时, 模型具有可信的预报能力[20]); 第二步采用非交叉验证进行回归计算, 获得CoMFA模型.

2　结果与讨论

2.1供试化合物测定方法的线性范围

将11个磺酰脲化合物或除草剂稀释成一定浓度梯度, 在设定的色谱条件下进样测定, 以峰面积定量. 以浓度为横坐标, 峰面积为纵坐标进行回归分析, 得回归直线, 由回归方程和相应的相关系数平方值得出, 该方法在60～1.594 mg/L范围内线性相关性良好, 所有样品的相关系数平方值r2>0.999.

2.2供试化合物在缓冲溶液中的添加回收率

添加回收率实验结果表明, 在各缓冲溶液中, 样品的添加回收率均在95%～101%之间, 变异系数在0.47%～3.41%之间, 均在农药残留检测规定的范围内, 完全能够满足不同缓冲溶液体系样品的准确分析.

2.3供试化合物在缓冲溶液中的水解动力学

由供试化合物在25 ℃的水解动态曲线得到其相应的水解动力学方程和水解半衰期, 结果见表1. 在缓冲溶液中, 磺酰脲类化合物的水解可用一级反应动力学方程ct=c0e-kt描述[21～23], 式中:k为水解速率常数, 即一定温度下, 单位时间内反应掉的分数;t为反应时间;c0为供试化合物的初始浓度;ct为t时刻溶液中供试化合物的浓度. 将此公式变形可得一级反应速率常数k=ln(2/t1/2),t1/2为水解半衰期.

由表1中水解半衰期可知, 对于相同的化合物, 其水解速度与pH值呈明显的负相关. 在pH=5的酸性缓冲溶液中水解迅速, 而在pH=7或9的中性或弱碱性的条件下水解较为缓慢. 如化合物A在pH=5, 7, 9的缓冲溶液中的水解半衰期分别为5.59, 10.53和20.33 d. 因此, 所合成的5位取代的苯磺酰脲类化合物也符合该类除草剂水解的一般规律, 即容易发生酸性条件下的水解[24,25].

鉴于此, 进一步研究了在相同的酸性环境体系中, 苯环5位取代基的变化对于水解速度的影响. 从表1各化合物的水解半衰期可知, 化合物的水解速度随着苯环5位取代基的不同而呈现规律性变化. 对于杂环部分为单取代嘧啶基的磺酰脲类化合物, 苯环5位经修饰改造后, 在相同的条件下, 与改造前的母体化合物单嘧磺酯相比, 其水解速度均明显提高. 例如, 在pH=5的缓冲溶液中, 单嘧磺酯的水解半衰期为13.70 d, 而化合物A～G的半衰期分别为5.59, 9.23, 4.26, 4.70, 9.43, 8.30和7.19 d, 水解半衰期比单嘧磺酯明显缩短. 当苯环5位取代基的体积减小时, 水解速度加快. 对于苯环5位为酰胺基取代的化合物, 水解速度随着酰胺基上烷基碳原子数的增加、 烷基体积的增大而降低. 如在pH=7的缓冲溶液中, 苯环5位为大体积的化合物(如化合物F:R=o-NO2C6H4, 化合物G:R=o-CH3C6H4)的水解半衰期是苯环5位为短链取代基的化合物(如化合物C:R=CH3, 化合物D:R=CF3)的4～5倍. 在酸性、 中性和碱性条件下, 具有吸电子效应的三氟乙酰胺基取代的化合物比具有供电子效应的乙酰胺基取代的化合物水解都要快. 对于杂环部分为三嗪环的化合物, 当苯环5位连有酰胺基团时, 水解速度也明显加快. 如化合物H和I在pH=5的缓冲溶液体系中的水解半衰期分别为10.61和9.24 d, 而甲磺隆在此条件下的水解半衰期为23.18 d.

Table 1　Kinetic parameters of 11 compounds hydrolysis in the buffer solutions with different pH values

2.4水解路径分析

采用HPLC监测化合物A在pH=5的缓冲溶液中的水解情况, 应用HPLC-MS联用技术测定了各组分的分子离子峰, 推测了水解产物的结构式, 结果见表2.

Table 2　Degradates of hydrolysis of compound A detected by HPLC-MS

Continued

ComponenttR/minStructureESI-MS，m/zc460197(M-H)+d394182(M-H)+

由水解产物的各组分推断出化合物A的水解路径如Scheme 1所示. 实验结果表明, 苯环5位取代的磺酰脲类化合物的化学水解路径, 第一步主要为酸催化下的磺酰脲桥的断裂. 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亲核取代反应, 脲桥断裂, 释放出二氧化碳, 形成无除草活性的5位取代的苯磺酰胺和氨基嘧啶杂环. 苯环5位取代的苯磺酰胺进一步发生酰胺基的水解, 最后得到化合物c(6-氨基糖精)和d(糖精).

Scheme 1　Potential hydrolysis pathways for compound A

2.5化合物水解的3D-QSAR分析

Fig.3　Steric field of CoMFA model

在计算中发现, 如果同时考虑静电场和立体场的贡献, 或者只考虑静电场的贡献, 则得到CoMFA模型的线性相关性不是很好. 因此, 在进行多次计算实验之后, 只考虑了立体场的贡献, 由最佳组分数得到CoMFA模型,R2=0.887,F=27.350, 标准偏差SE=1.869. 采用CoMFA方法研究得到的3D-QSAR结果以三维等值线图表示. 图3示出了以被改造的母体化合物单嘧磺酯模板分子作为代表, 采取stdev*coeff方法表示的三维立体场等值线图. 用绿色和黄色区域代表立体场效应. 表3列出了应用CoMFA模型进行计算, 对所研究化合物的水解半衰期进行预测的结果.

由表3可知, 由CoMFA模型对化合物的水解半衰期进行预测的数值与实测值有较好的相关性, 说明该模型能够对此系列化合物的水解活性进行较好的预测.

Table 3　Measured and predicted hydrolysis half-life of 11 compounds

从图3立体场等值线可知, 减小黄色区域, 即苯环5位与该苯环共平面的取代基的体积, 增大绿色区域, 即苯环5位位于该苯环平面上方的空间体积有助于提高化合物的水解速度, 缩短半衰期. 这与水解动力学实验结果相吻合. 当苯环5位的取代基为与苯环基本共平面的短链酰胺基时, 化合物的水解速度快; 当苯环5位的取代基为大体积的苯甲酰胺基及取代苯甲酰胺基时, 由于σ键的旋转, 这些苯甲酰胺基团可以翻转到苯环上方, 即增大了该区域的体积, 导致这些化合物比母体化合物单嘧磺酯和甲磺隆的水解速度快.

3　结　　论

选取9个苯环5位取代的苯磺酰脲类化合物, 研究了其在酸性、 中性及碱性条件下的水解. 采用HPLC-MS对化合物A在pH=5的缓冲溶液中的水解产物进行了分析, 推测出苯环5位取代的苯磺酰脲类化合物的水解机理:首先是酸催化下的磺酰脲桥的断裂, 然后苯环5位的酰胺基进一步水解为无除草活性的糖精. 通过比较分子力场(CoMFA)方法, 研究了苯环5位取代磺酰脲类化合物的结构与水解速率之间的关系. 结果表明, 减小苯环5位与该苯环共平面的取代基的体积, 增大苯环5位位于该苯环平面上方的空间体积有助于提高化合物的水解速率, 缩短半衰期. 对于农药而言, 半衰期并不是越短越好, 还需要有一定的持效期, 因此该工作对于今后进一步设计新型超高效且具有合适半衰期、 对环境友好的磺酰脲类除草剂具有一定的指导意义.

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(Ed.:P, H, N, K)

† Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.21262001).

Kinetics of the Chemical Hydrolysis and 3D-QSAR Study of 5-Substituted Benzenesulfonylurea Compounds†

WANG Meiyi1*, MA Yi2, WANG Haiying2, CAO Gang3, LI Zhengming2

(1. College of Chemistry and Chemical Engineering, Beifang University of Nationality, Yinchuan 750021, China;2.ResearchInstituteofElemento-organicChemistry,NankaiUniversity,Tianjin300071,China;3.ShanghaiAdvancedResearchInstitute,ChineseAcademyofSciences,Shanghai201210,China)

The hydrolysis of 9 new 5-substituted benzenesulfonylurea compounds with good herbicidal activity under acidic, neutral and alkaline pH conditions was investigated in laboratory studies. HPLC-MS was used to identify degradates and to study the pathway of hydrolysis. Comparative molecular field analysis(CoMFA) method was applied to the study of the three-dimensional quantitative structure activity relationship(3D-QSAR) on the relationship between the structure of the 5-substituted benzenesulfonylurea compounds and the half-life of hydrolysis. The results showed that the hydrolytic degradation of 5-substituted benzenesulfonylurea followed first-order kinetics. It was easier to be hydrolyzed in acid buffer solutions. Acid-catalyzed cleavage of the sulfonylurea bridge was the first step of degradation, and thus produces 5-substituted benzene sulfonamide and amino-heterocyclic. Amide group further hydrolyzed producing the compound c(6-amino saccharin) and d(saccharin). The 5-substituted benzenesulfonylurea compounds hydrolyzed significantly faster than the parent compounds, Monosulfuron-methyl and Metsulfuron-methyl, under the same conditions. The hydrolysis rate decreased with the increase of the number of alkyl carbon atoms on the amide group and the increase of the volume of the alkyl group. The CoMFA model was able to predict the hydrolysis half-life of this series of compounds.

5-Substituted benzenesulfonylurea compound; Hydrolysis; Half-life; Comparative molecular field analysis(CoMFA) model; Three-dimensional quantitative structure activity relationship(3D-QSAR)

10.7503/cjcu20160257

2016-04-18.网络出版日期:2016-08-12.

国家自然科学基金(批准号:21262001)资助.

O625

A

联系人简介:王美怡, 女, 博士, 副教授, 主要从事农药化学和有机化学方面的研究. E-mail:ameiwmy2003@163.com