古 建, 李晓涵, 王桢学, 陈烨烨, 陈汐玥, 李华斌

(南开大学 化学学院，天津 300071)

研究表明，吡唑衍生物具有杀虫[1-2]、抑菌[3-7]和除草[8-14]等多种生物活性。目前，已商品化的含吡唑的除草剂超过10种，如属于原卟啉原IX氧化酶抑制剂的吡草醚和异丙吡草醚，主要用于谷物田除草[15-16]；同属于芳酰基吡唑类除草剂的吡唑特、苄草唑和吡草酮，为对羟苯基丙酮酸酯双氧化酶抑制剂，具有内吸性，对哺乳动物的毒性极低[17-19]；同为磺酰脲类除草剂的吡嘧磺隆、氯吡嘧磺隆和四唑吡嘧磺隆[20-22]等，其结构虽然相近，但具有不同的适用作物和杂草防除范围。

丙炔氟草胺 (flumioxazin) 是日本住友工业株式会社创制并开发的N-苯基邻氨甲酰亚胺类除草剂，于播后苗前按有效成分60～90 g/hm2施用，对花生安全，对马齿苋、反枝苋和藜等花生田等常见阔叶杂草均有显著防治效果[23]。结合近年来吡唑类除草剂获得广泛应用的情况并参考其结构[24]，本课题组曾设计并合成了吡唑并三嗪酮类化合物(A，见图式1)，该类化合物表现出很好的除草活性[25-26]。为了得到活性更高、性能更独特的新化合物，笔者参考吡唑酰胺类除草剂 (B1和B2，图式1) 的结构[27-28]，通过活性亚结构拼接法，设计了一类含大体积取代基的吡唑并三嗪酮类化合物 (4和4′，图式1)，并对其进行了结构表征和初步的除草活性测试，以考察大体积取代基如取代苯基或取代苄基的引入能否提高化合物的除草活性，或者能否使化合物具备一些独特的性能。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X-4数字显示显微熔点测定仪 (巩义市科瑞仪器有限公司)，温度计未校正；BRUKER AVANCE-400 MHz型核磁共振仪 (BRUKER 公司)，以CDCl3或DMSO-d6为溶剂，TMS为内标；Varion 7.0T FTICR-MS, ESI-FTICR型质谱仪 (美国IONSPEC 公司)；柱层析硅胶为H型 (200～300 目)。4-炔丙基-6-氨基-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮，纯度95%，购自南京天尊泽众化学有限公司；其余试剂均为国产分析纯，使用前未经处理。

1.2 化合物的合成

1.2.1 目标化合物4a～4f的合成 合成路线如图式2所示。

1.2.1.1 1-苯基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸 (1)的合成

按照文献方法[29]制备1-取代苯基- 5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸。以R = H的化合物1a的制备方法为例：在500 mL圆底烧瓶中，加入9.25 g (40 mmol)1-苯基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸乙酯、15 mL四氢呋喃、45 mL无水甲醇和25 mL 3 mol/L的氢氧化钠水溶液，加热回流4 h。减压脱去大部分溶剂，残留液用6 mol/L的盐酸酸化至pH = 1，出现乳白色沉淀。过滤，先用20 mL水洗涤，再用20 mL二氯甲烷洗涤，干燥得到白色固体8.10 g，收率99%，m.p. 243～244 ℃。1H NMR (400 MHz,DMSO-d6),δ: 11.95 (s, 1H, COOH), 7.90 (s, 1H,Pyrazole-H), 6.62-6.45 (m, 5H, Ar-H), 6.40 (br, 2H,NH2).

采用同样的方法合成了1b～1f，收率分别为：82%、91%、95%、87%和90%。

1.2.1.2 1-苯基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酰氯 (2) 的合成 在50 mL圆底烧瓶中，加入1.02 g (5 mmol)化合物1，冰盐浴冷却至0 ℃下，滴加10 mL二氯亚砜，滴毕，自然升温至室温，搅拌3 h。减压抽掉二氯亚砜，得黄色固体1.11 g，产物未经进一步纯化直接用于下一步反应。

1.2.1.3 1-苯基-5-氨基-N-(3-氧-4-炔丙基-7-氟-3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]噁嗪基-6-)-1H-吡唑-4-甲酰胺 (3) 的合成 在50 mL圆底烧瓶中，加入0.24 g(1.1 mmol) 4-炔丙基-6-氨基-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮、6 mL二氯甲烷和1 mL吡啶，冰盐浴冷却至0 ℃以下，加入0.22 g (1 mmol)化合物2，自然升温至室温，薄层色谱 [TLC，V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 2 : 1] 监测至反应终点。减压脱去溶剂，残留液用20 mL 1 mol/L的盐酸洗涤，过滤，固体再用20 mL饱和碳酸氢钠溶液洗涤，过滤，干燥得到灰白色固体0.31 g，收率为75%，m.p. 188～189 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3),δ: 8.25 (d, 1H,4JF-H= 7.2 Hz, Ar-H), 7.99(br, 1H, NH), 7.74 (s, 1H, pyrazole-H), 7.55-7.36 (m,5H, Ar-H), 6.85 (d, 1H,3JF-H= 10.6 Hz, Ar-H), 5.59(br, 2H, NH2), 4.73 (d, 2H,J= 1.7 Hz, NCH2), 4.63(s, 2H, OCH2), 2.29 (t, 1H,J= 1.8 Hz, ≡CH).

采用同样的方法合成了3b～3f，收率分别为：55%、68%、73%、65%和77%。

1.2.1.4 3-(7-氟-4-炔丙基-3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]噁嗪基-6-)-7-苯基-3H-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-4(7H)-酮 (4a) 的合成 参考文献方法制备[30]。在装有机械搅拌的四口瓶中，加入0.40 g(1 mmol) 化合物3、1.2 mL甲醇和10 mL 6 mol/L的盐酸，搅拌10 h，冰盐浴冷却至0 ℃以下，滴加0.22 g (3 mmol) 亚硝酸钠水溶液，控温在0 ℃以下，搅拌1.5 h。反应液用乙酸乙酯 (15 mL × 3)萃取，有机相用15 mL饱和食盐水洗涤，收集有机相，无水硫酸钠干燥。过滤，减压脱去溶剂后，经柱层析[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 3 : 1]分离，得到淡黄色固体0.29 g，收率为70%。

采用同样的方法合成了目标化合物4b～4f。

1.2.2 目标化合物4g～4n及4′g～4′n的合成 合成路线如图式3所示。

1.2.2.1 1-叔丁基-5-氨基-N-(7-氟-3-羰基-4-炔丙基-3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-6-基)-1H-吡唑-4-甲酰胺 (5) 的合成 参照文献方法制备1-叔丁基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸[31]；然后，由1-叔丁基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸 (0.92 g) 制得酰氯，直接进行下一步取代反应。将2-甲基-4-炔丙基-6-氨基-7-氟-2H-苯并[b][1,4]-噁嗪-3(4H)-酮 (1.10 g，5 mmol) 溶于30 mL二氯甲烷并置于100 mL圆底烧瓶中，冰浴下滴加2 mL吡啶。将制得的酰氯用20 mL二氯甲烷溶解，分批滴加到该圆底烧瓶里。自然升温至室温，搅拌过夜。TLC[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 1 : 2]监测至反应终点。旋转蒸发除去溶剂，加入20 mL 1 mol/L的盐酸除去吡啶。用乙酸乙酯 (15 mL × 3) 萃取，有机相经无水硫酸镁干燥后，过滤，旋转蒸发除去溶剂。固体经柱层析[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 1 : 2]分离，得褐色粉末1.35 g，两步反应总产率70%，m.p. 170～172 ℃。1H NMR (400 MHz, CDCl3),δ: 8.15 (d, 1H,4JF-H=7.5 Hz, Ar-H), 7.51 (s, 1H, pyrazole-H), 7.33 (br, 1H,NH), 6.81 (d, 1H,3JF-H= 10.7 Hz, Ar-H), 5.54 (br,2H, NH2), 4.70 (d, 2H,J= 1.7 Hz, NCH2), 4.60 (s,2H, OCH2), 2.27 (t, 1H,J= 1.8 Hz, ≡CH), 1.64 (s,9H, CH3).

1.2.2.2 4-炔丙基-6-(7-叔丁基-4-羰基-4,7-二氢-3H-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-3-基)-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮 (6) 的合成 在50 mL圆底烧瓶中加入化合物5 (1.35 g, 3.52 mmol)、4 mL无水甲醇和17 mL 6 mol/L的盐酸，搅拌过夜。取0.73 g亚硝酸钠配制成饱和水溶液，采用冰盐浴将反应体系冷却至0 ℃以下，缓慢滴入亚硝酸钠溶液，滴加完成后继续搅拌约2 h。TLC[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) =1 : 2]监测至反应终点。二氯甲烷(15 mL × 3) 萃取，无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发除去溶剂。用V(乙酸乙酯) :V(石油醚) =1:4 重结晶，得浅褐色固体粉末1.20 g，产率86%，m.p. 232～233 ℃。1H NMR (400 MHz,CDCl3),δ: 8.20 (s, 1H, pyrazole-H), 7.29 (d, 1H,4JF-H=6.7 Hz, Ar-H), 6.98 (d, 1H,3JF-H= 9.7 Hz, Ar-H),4.73 (s, 2H, OCH2), 4.68 (d, 2H,J= 2.2 Hz, NCH2),2.28 (t, 1H,J= 2.1 Hz, ≡CH), 1.90 (s, 9H, C(CH3)3).

1.2.2.3 4-炔丙基-6-(4-羰基-4,7-二氢-3H-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-3-基)-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮 (7) 的合成 参考文献方法制备[32]。将化合物6 (0.37 g, 0.93 mmol) 溶于10 mL三氟乙酸中，68 ℃水浴下进行反应，TLC[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 1 : 1] 监测至反应终点。加入20 mL饱和碳酸氢钠溶液中和，抽滤得固体。经柱层析[V(二氯甲烷) :V(甲醇) = 10 : 1]分离，得到0.24 g白色固体，产率76%，m.p. 196 ℃(分解)。1H NMR(400 MHz, CDCl3),δ: 8.42 (s, 1H, pyrazole-H), 7.31(d, 1H,4JF-H= 6.7 Hz, Ar-H), 6.99 (d, 1H,3JF-H= 9.7 Hz, Ar-H), 4.75 (s, 2H, OCH2), 4.70 (d, 2H,J= 2.1 Hz, NCH2), 2.28 (t, 1H,J= 2.4 Hz, ≡CH).

1.2.2.4 4-炔丙基-6-(7-(3-氟苄基)-4-羰基-4,7-二氢-3H-吡唑并[3,4-d][1,2,3]三嗪-3-基)-7-氟-2H-苯并[b][1,4]噁嗪-3(4H)-酮 (4g) 及其同分异构体 (4′g)的合成 将化合物7 (0.26 g, 0.75 mmol) 溶于N,N-二甲基甲酰胺 (DMF)中，加入碳酸钾 (0.08 g, 0.58 mmol)，然后在搅拌下滴加0.75 mmol 3-氟苄溴，常温搅拌过夜。TLC[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) =2 : 1]监测至反应终点。搅拌下将反应体系滴加到冰水中，用乙酸乙酯 (15 mL × 3) 萃取。有机相经无水硫酸镁干燥，过滤，旋转蒸发除去溶剂。经柱层析[V(石油醚) :V(乙酸乙酯) = 2 : 1]分离，得到4g固体28 mg，产率8%；4′g固体192 mg，产率57%。

采用同样的方法合成了目标化合物4h～4n和4′h～4′n。

1.3 除草活性测试方法

采用盆栽法测定目标化合物的除草活性[33]。将一定量目标化合物溶解在适量的N,N-二甲基甲酰胺(DMF) 中，用含1‰ 吐温80的水溶液稀释至所需浓度，按照375 g/hm2剂量进行处理。分别选用油菜Brassica campestris和苋菜Amaranthus retroflexusL. 代表双子叶杂草，稗草Echinochloa crus-galli和马唐Digitaria sanguinalis(L.) Scop 代表单子叶杂草，采用盆栽苗前土壤处理和苗后茎叶处理两种方式，评价目标化合物在温室中的除草效果。每个处理重复两次，取平均值。

土壤处理：在直径8 cm的塑料小杯中加入一定量的土和水，播种后覆盖一定厚度的土壤，立即进行土壤喷雾处理，置于花房中培养，在幼苗出土前以塑料膜覆盖。于30 d后调查结果，测定地上部鲜重，计算鲜重抑制率。

茎叶处理：在直径8 cm的塑料小杯中加入一定量的土和水，播种后覆土壤，置于花房中培养，在幼苗出土前以塑料膜覆盖。当幼苗长到一叶一心期进行茎叶喷雾处理。于处理30 d后调查结果，测定地上部鲜重，计算鲜重抑制率。

2 结果与讨论

2.1 化合物合成

目标化合物的理化性质和高分辨质谱数据见表1。

表1 目标化合物4a～4n和4′g～4′n的理化性质及高分辨质谱数据Table 1 The physicochemical property and HRMS data of the title compounds 4a-4n and 4′g-4′n

化合物4a～4f可通过1-(取代) 苯基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸乙酯碱解、酰化和关环方法制备(图式2)，而其他化合物所对应的1-(取代) 苄基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酸乙酯难以用该方法制备，因而选择了不同的合成路线 (图式3)。以1-叔丁基-5-氨基-1H-吡唑-4-甲酰氯和2-甲基-4-炔丙基-6-氨基-7-氟-2H-苯并[b][1,4]-噁嗪-3(4H)-酮作为初始底物进行反应，经过关环、脱叔丁基后再与各种苄卤进行反应，得到同分异构体，分离后得到所需的一对目标化合物(4和4')。该路线应用叔丁基对吡唑1位氮进行保护，得到吡唑并三嗪酮后再脱去叔丁基保护基团，最后再进行衍生化，即可得到一系列目标化合物，异构体比列为n(4) :n(4′)≈1 : 4～1 : 7。该路线可节省反应时间，并且即使吡唑1位氮上取代基含有对酸碱敏感的基团，合成也不会受到影响，但由于对该路线的研究不够深入，故产率不高，尤其是脱叔丁基保护一步，对温度要求苛刻，即在68 ℃以下几乎不反应，而70 ℃以上又会生成几种副产物，且副产物的量远高于产物。

2.2 目标化合物图谱解析

根据核磁共振氢谱(数据见表2)区分异构体。化合物 4g ～ 4n 的苄基亚甲基氢的化学位移(δ)在5.90～5.74之间，而其异构体 4′g ～ 4′n 的苄基亚甲基氢的δ在5.70～5.54之间，相差0.20左右，正是因为化合物 4 的苄基连接在吡唑的1位氮上，更接近吡唑并三嗪酮大共轭体系，受到的去屏蔽作用更强，因而化学位移向低场移动，即化学位移数值更高。

表2 目标化合物的核磁共振氢谱数据Table 2 The 1H NMR of the title compounds

3 除草活性

结果 (表3) 表明：在 375 g/hm2的处理剂量下，大部分目标化合物对供试杂草均有一定的除草活性。如：在土壤处理条件下，化合物4h、4i和4j对苋菜的抑制率均达100%；在茎叶处理条件下，化合物4g和4h对苋菜的抑制率也达100%，同时化合物4c、4d、4i和4j对苋菜的抑制率也达90%以上。

表3 目标化合物的除草活性 (抑制率/%，剂量375 g/hm2)Table 3 The herbicidal activities of the title compounds (Inhibition rate/%, dosage 375 g/hm2)

吡唑环上取代基的变化会影响化合物的除草活性。由表3数据可以看出，对于该类吡唑上带有大体积取代基的吡唑并三嗪酮类化合物来说，取代基为苄基时除草活性高于取代基为苯基的化合物，而且苄基取代在吡唑1位 (4g～4n) 的除草活性高于取代基在2位 (4′g～4′n) 的，后续可以对合成条件进行优化，根据反应动力学和热力学控制产物的区域选择性这一原则，调节溶剂的极性、碱的强弱以及反应温度，找到合适的反应条件以提高 4g ～ 4n的收率。此外，在苯环上引入卤原子也会提高化合物的除草活性。

总体来看，该系列化合物与本课题组曾设计合成的含烯丙基的吡唑并三嗪酮 (A) 相比，除草活性还有一定差距，但该类化合物表现出了一些独特的性能，比如其对苋菜的茎叶处理除草活性非常高，有7个目标化合物高于对照化合物A，因而对该类化合物的结构进行进一步的优化，具有一定的研究价值。