（农药学专业论文）手性除草剂安全剂的合成、表征与活性研究.pdf

摘要 本文详细地研究了手性除草剂安全剂i ：( ) 3 二氯乙酰基2 ，2 ，5 三甲基1 ，3 啄唑烷 ( - ) 一r - 2 9 1 4 8 】：i i ：( + ) - 3 一二氯乙酰基- 2 ，2 ，5 - 三甲基一i ，3 - 嗯唑烷【( + ) r 2 9 1 4 8 的合成、表征 并进行了生物活性测定。 选用l - ( + ) 酒石酸，d - ( 一) 一酒石酸为拆分剂制备l - ( + ) 异丙醇胺合酒石酸及d ( ) 异丙 醇胺合酒石酸，并采用三因素三水平正交实验设计，得出制各上述两化合物的较佳反应 条件。制备l - ( + ) 异丙醇胺合酒石酸的较佳反应条件：物料最佳配比是1 ：1 ，结晶温度为 2 0 2 5 ，结晶时间为2 4 h r ，产率为9 1 4 ；制各d ( ) 异丙醇胺合酒石酸的较佳反应条 件：物料最佳配比是l ：1 ，结晶温度为5 0 ，结晶时间为2 4 h r ，产率为8 9 8 。 再对l - ( + ) 异丙醇胺合酒石酸及d 一( ) 一异丙醇胺合酒石酸进行处理得到手性原料 s - ( + ) 异丙醇胺、r ( ) 异丙醇胺，产率分别为4 5 2 、4 8 7 ：选用易得的三氯化磷、二 氯乙酸为原料，n ，n 二甲基甲酰胺作催化剂合成了重要原料二氯乙酰氯，产率为7 0 8 。 选用氢氧化钠为缚酸剂，分别以s - ( + ) 异丙醇胺、r ( - ) - 异丙醇胺与丙酮，二氯乙酰氯为 原料，以苯为溶剂，采用一步法合成了两种手性除草剂安全剂( ) 3 二氯乙酰基一2 ，2 ，5 一三 甲基1 ，3 - 嗯唑烷和( + ) 3 二氯乙酰基2 ，2 ，5 三甲基1 ，3 - 嗯唑烷，两种化合物的产率分别为 5 3 7 8 、5 1 3 2 。 所合成的产物经熔点测定、旋光度测定、薄层色谱( t l c ) 、红外光谱( i r ) 、核磁共 振谱f 1 h n m r ) , f i i 元索分析等进行了表征。 利用土培法对所合成两种手性化合物进行了初步的生物活性测定，比较了 ( ) r 2 9 1 4 8 、( + ) 一r 2 9 1 4 8 和( 士) 一r 一2 9 1 4 8 对玉米的保护效果。用三种化合物浸种处理，在 除草剂乙草胺、绿磺隆不同浓度时，测定玉米的株高、株鲜重、根长、根鲜重及幼苗中 g s h 的含量、a l s 活性。研究表明：通过( _ ) r 2 9 1 4 8 、( + ) r 2 9 1 4 8 和安全剂( 士) 一r 2 9 1 4 8 的对比试验，说明( ) r 2 9 1 4 8 对玉米的保护效果明显高于同浓度的安全剂( 士) r 2 9 1 4 8 ， 当_ 【= f j 5 m g k g 的( ) r 2 9 1 4 8 和1 0 m g k g 的( 士) 一r 2 9 1 4 8 比较时，可知，( - ) r 2 9 1 4 8 对玉米的 保护效果高于( ) 一r 一2 9 1 4 8 。说明，( ) 一r 。2 9 1 4 8 比相同浓度的( 士) r 2 9 1 4 8 的保护效果有一定 提高。而( + ) 一r 2 9 1 4 8 对玉米各项指标的保护效果均不显著。 关键词除草剂安全剂；手性；二氯乙酰基嗯唑烷：合成；表征；活性测定 v s t u d i e so nt h es y n t h e s i s ，c h a r a c t e r i z a t i o na n d a c t i v i t yo f c h i r a lh e r b i c i d es a f e n e r s a b s t r a c t t h e s y n t h e s i s ，c h a r a c t e r i z a t i o n a n d a c t i v i t y t e s to fc h i r a lh e r b i c i d es a f e n e r so f d i c h l o r o a c e t y lo x a z o l i d i n ew e r ed e s c r i b e di nt h i sp a p e r t w oc o m p o u n d sw e r es y n t h e s i z e di n t h i sp a p e r ： i ：( 一) - 3 一d i c h l o r o a c e t y l - 2 ，2 ，5 - t r i m e t h y l - 1 ，3 - o x a z o l i d i n e ( _ ) r 2 9 1 4 8 】； i i ：( + ) 一3 一d i c h l o r o a c e t y l 一2 ，2 ，5 - t r i m e t h y l - 1 ，3 - o x a z o l i d i n e ( + ) 一r - 2 9 1 4 8 s o m em a t e r i a l sw e r es y n t h e s i z e di nt h i sp a p e ra tf i r s tl - ( + ) 一a m i n o p r o p a n o lt a r t r a t ea n d d 一( 一) 一a m i n o p r o p a n o l t a r t r a t ew e r es y n t h e s i z e dw i t h r e s o l v i n ga g e n tl - ( + ) - t a r t r a t e a n d d - ( 一) 一t a r t r a t e a d o p to r t h o g o n a le x p e r i m e n ts c h e m eo ft h r e ef a c t o r s t h r e el e v e l s ，t og e tt h e o p t i m u me x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so fl - ( + ) - a m i n o p r o p a n o lt a r t r a t ew e r ea sf o l l o w s ：m i x t u r e r a t i ow a s1 ：1 c r y s t a lt e m p e r a t u r ew a s2 0 2 5 a n dc r y s t a lt i m ew a s2 4 h r ，t h ey i e l dw a s 9 14 ；t h eo p t i m u me x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n so fd - ( - ) 一a m i n o p r o p a n o lt a r t r a t ew e r ea sf o l l o w s m i x t u r er a t i ow a s1 ：1 ，c r y s t a lt e m p e r a t u r ew a s 一5 - 0 ca n dc r y s t a lt i m ew a s2 4 h r ，t h ey i e l d w a s8 9 8 d e a lw i t hl - ( + ) - a m i n o p r o p a n o lt a r t r a t ea n dd - ( 一) 一a m i n o p r o p a n o lt a r t r a t et og e tc h i r a l r a wm a t e r i a ls - ( + ) - 1 一a m i n o - 2 p r o p a n o la n dr 一( 一) 一1 a m i n o 2 - p r o p a n o l ，t h ey i e l dw e r e4 5 2 a n d4 8 7 t h et w oc o m p o u n d sc a nb es y n t h e s i z e dw i t hh y d r o x i d es o d i u ma sc a t a l y s t w h e n h y d r o x i d es o d i u ma c t e d a sc a t a l y s t ，d i c h l o r o a c e t y lc h l o r i d ew a sd i r e c t l yd r o p p e di n t ot h e s y s t e m a f t e rt h ei n t e r m e d i a t e p r o d u c t w a s s y n t h e s i z e db y t h ec o n d e n s a t i o no f s - ( + ) - i a m i n o - 2 - p r o p a n o lo rr 一( 一) 一1 一a m i n o 一2 一p r o p a n o la n da c e t o n e ，t h ey i e l dw a s5 3 7 8 、 5 1 3 2 t h es t r u c t u r e so fc o m p o u n dia n d1 1w e r ec o n f i r m e db ym e l t i n gp o i n t ，o p t i c a lr o t a t i o n ， t l c ，i r ，h n m ra n de l e m e n t a r ya n a l y s i s t h ee f f e c to nm a i z eo ft w oc o m p o u n d sa n d ( ) 一r 一2 9 1 4 80 1 1t h ed e t o x i f i c a t i o no f a c e t o c h l o ra n dc h l o r s u l u r o ni n s o i lw a sc o m p a r e dt h ee f f e c to ft h r e ec o m p o u n d so nt h e d e t o x i f i c a t i o no fa c e t o c h l o ra n dc h l o r s u l f u r o ni ns o i lw a sd e t e r m i n e db yt e s t i n gp l a n th e i g h t ， p l a n tf r e s hw e i g h t ，r o o tl e n g t h ，r o o tf l e s hw e i g h ta n dg s hc o n t e n t ，a l sa c t i v i t yo fm a i z e i na d d i t i o n ，t h ec o m p a r i s o nt e s to ft w oc o m p o u n d sa n ds a f e n e r ( ) - r - 2 91 4 8s h o w e d v i i t h a tt h e e f f e c to f ( 。) r - 2 9 1 4 8 w a sh i g h e rt h a nt h a to f ( 士) - r - 2 9 1 4 8o i lm a i z e t h ec o m p a r i s o n o f 5 m g k g ( ) r 2 9 1 4 8a n d1 0 m g k g ( 士) - r 2 9 1 4 8 ，s h o w e dt h a te f f e c t ( ) r 2 9 1 4 8w a sn e a r l y 5 0 o f ( 士) 。r _ 2 9 1 4 8o nm a i z e ，b u tt h e e f f e c to f ( + ) - r - 2 9 1 4 8p r o t e c t i n gt h em a i z ei sn o t d i s t i n c t k e y w o r d s ：h e r b i c i d es a f e n e r s ；c h i r a l ；d i c h l o r o a c e t y lo x a z o l i d i n e ；s y n t h e s i s ；c h a r a c t e r i z a t i o n ； a c t i v i t y v i i l c a n d i d a t e ：g a os h u a n g s p e c i a l i t y ：p e s t i c i d e s s u p e r v i s o r ：p r o f y ef e i 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 篷；地遗直基丝盂塞挂型壹明的：奎拦卫窒2 或其他教育机构的学位或证 书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名 秘 日期“年6 月o 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文 在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：般 日期：“年6 月，。日 签名：惭 日叫年多脚 1 引言 1 1 手性农药的开发与应用动态 手性是自然界的本质属性之一，作为生命活动重要基础的生物大分子，如蛋白质、 多糖、核酸等，几乎都是手性的，并且经常是以两种或更多种对映体的外消旋体同时存 在( e j a r i e n s ，1 9 8 6 ) 。分子结构互为镜像但又不能重合的两个化合物称为对映体，它 们彼此不能重合的性质称为手性。对映体的分子式完全相同，只是原子或原子团在空间 的取向不同。分子中有一个手性中心，一般就有一对对映体；有n 个手性中心将产生2 “ 个手性异构体，其中就有2 ”1 对的对映体( 黄量，2 0 0 2 ) 。在非手性环境中这些手性异构 体的物理和化学性质大都相同，但它们的生物活性，如药效和药物动力学却有很大的差 别，因此从生物活性的观点来看，它们是几种完全不同的物质( 李旭坤，2 0 0 1 ) 。一般而 言，只有其中一种手性异构体具有所需要的生物活性，而另一( 几) 种则是多余的，并影 响有效物质活性的发挥，甚至起到相反的副作用( 汪朝阳，2 0 0 2 ) 。现代农业的发展离不 开农药的投入手性农药已逐步成为农药化学中一个非常活跃的研究领域，外消旋体的 拆分以及高立体选择性手性农药的合成成为一个颇富挑战性的目标( 陈卫强，2 0 0 1 ) 。 生命体系是一个大的手性体系，小分子的手性化合物参与生命活动相关的过程时，所起 的作用是通过严格的手性匹配与分子识别完成的。从分子水平角度讲，农药化合物与生 物体相互作用时，农药参与的是生化反应，生物体对具有手性结构的农药化合物分子的 各手性异构体识别能力的差异，以及不同靶标对不同手性异构体的匹配性关系，使得手 性异构体之间表现出不同的生物活性( 王剑波，2 0 0 0 ；梁丽华，2 0 0 3 ) 。 在农药研究中，人们很早就关注到了不同手性异构体所表现出来的活性差异。而且 随着人们环保意识的增强，人们越来越强烈地要求尽量减少向环境中投放有毒化学品的 量，除了发展新的高效低毒品种外，显然手性农药的开发是一条较好的捷径，其主要原 因是在外消旋体的农药中，通常其生物活性仅存在于其中一个手性异构体中( 张智超， 2 0 0 4 ) 。因此具有手性碳的农药一定要使用其具有生物活性的单一异构体才能保护环境及 作物，充分发挥其药效，如果无活性的手性异构体川于农田，不仅是一种资源的浪费， 而且会影响环境，甚至会对作物造成不必要的伤害( w h e g e m a n ，2 0 0 2 ) 。 手性农药以较低的剂量达到较高的药效，减少了农药向田间的投入，在避免药害的 同时，节省了大量的原料，提高了经济效益和社会效益，因此成为近年来增长较快的农 药领域( 蒋木庚，2 0 0 1 ) 。同时，手性农药和相关的手性技术也成为各大制药公司竞相研 究开发的重点( 车超，2 0 0 2 ) 。目前，商品化的6 5 0 余种农药中，有1 7 0 余种属于手性农 药( 包括生物农药和天然制剂) ，除了单一纯手性异构体的商品外，还有一些手性农药是 含高活性手性体的商品。在已商品化的1 7 0 余种手性农药中，年销售额超过1 亿美元的 有3 0 余种，超过2 5 0 0 万美元的6 0 余种，其中含高活性手性体成分的手性农药销售额超 过1 0 0 亿美元，纯手性异构体的手性农药年销售额己接近3 0 亿美元，手性农药占全球农 药市场的3 5 ( 郑卓，2 0 0 1 ) 。 随着科学技术的进步，近年来光学纯手性体的制各技术取得了突飞猛进的发展，手 性结构分子的纯手性体商品化的进程不断加快。己商品化的手性农药主要出现在下列几 大类农药中：拟除虫菊酯杀虫剂、有机磷杀虫剂( 手性中心可能是磷、碳、或两者兼有之) 、 三唑类杀菌剂、酰胺基丙酸类杀菌剂、苯氧基类除草剂、氧基苯氧基丙酸酯类除草剂、 咪唑啉酮类除草剂、环己二酮类除草剂。其它类别的农药也有个别化合物具有手性，例 如异丙甲草胺( 乔依，1 9 9 8 ) 。目前，手性三唑类杀菌剂和调节剂的商品化进程不断加快， 在日本已有十余个手性产品获准登记，除此之外，手性有机磷杀虫剂、特别是含杂环的 手性有机磷杀虫剂、咪唑啉酮类除草剂的研究引人注目( 李楠，1 9 9 8 ) 。随着一些新手性 化合物的发现，消旋产品手性化进程不断加快，手性农药的比重将不断增长。 随着手性农药的发展，农药手性中间体也随着要发展。国外对手性中间体已商业化， 尤其是一些医药手性中间体发展很快，国外一些大公司如b a s f 公司、先正达公司、安万 特公司、住友公司、道化学公司都从事手性农药的生产，另外有一些化学或生物技术公 司如k u r a r a y 公司、龙沙公司、h a k ok o g y o 公司、c e l g e n e 公司、c h i r o s c i e n e c e 公司、s e p r a c o r 公司和c h e m f e r m s 公司等从事医药和农药手性中间体的生产和销售，国外还有一些大学 教授或研究员与一些中小企业协作，探求手性中间体的生产新工艺，或制造一些新的手 性中问体以促进产业化( 杨光富，1 9 9 5 ：a w i l l i a m s ，1 9 9 6 ) 。 近三十年来，立体化学发展迅速：如有机合成反应立体控制技术广泛应用、立体异 构体的分离技术日益完善、酶过程立体化学的研究、核磁共振和x 光衍射晶体学对分子 立体构型的测定等，有力地促进了手性农药及相关学科的发展( 车超，2 0 0 2 ) 。手性农药 本身的特点决定了它广阔的发展前景：( 1 ) 生物活性高：手性农药与消旋制剂之间的药效 相差几倍，有的高效体与其对映体之问的药效相差数百倍。( 2 ) 从环境保护角度来看：高 效、低毒与环境相容性好的手性农药以低的剂量达到高的药效，减少了农药向自然界的 投入，提高了安全性，满足社会发展对农药提出的新要求。( 3 ) 从经济效益方面看：开发 手性农药可以节省一半以上的原料，大幅度降低了原料成本。同样的原料、设备生产出 同样量的旋光农药，由于药效高、价值高，而运费、税费少，相对成本低，市场竞争力 强。( 4 ) 从开发角度来看：高活性对映体可以作为新的有效成分进行登记，可以申请专利。 从而为新农药创制与开发开辟了一个意义重大的途径( 李旭坤，2 0 0 1 ) 。可以预测，随着 社会发展对农药性能要求的日益增加，手性农药将会持续发展，大多数具有手性的农药 将会以高效异构体的形式投放市场。手性农药相关的制各技术在今后相当长的时间内将 仍然是研究与开发的重要课题，大量切实可行的拆分方法、立体选择合成法将会不断涌 现。 1 2 除草剂的应用现状及存在问题 粮食对人类生存与发展具有重要的意义，世界农业面临每年增加7 0 0 0 万人口的巨大 压力，而耕地面积却因环境恶化等因素在不断地减少( 安家驹，1 9 9 8 ) 。通过农药的使用， 来提高单位面积粮食产量是2 l 世纪农业的重要举措之一。杂草防除在农作物生产中起着 关键性作用( 王涛，2 0 0 2 ) 。现代农业中除草剂的广泛应用有效地控制了杂草危害，对于 提高劳动生产率，增加作物产量和改善品质，发挥着无可替代的作用( 张一宾，1 9 9 9 ) 。 2 自从1 9 4 2 年美国p wz i m m e r m a n 和a e h i t c h c o c k 发现2 4 d 的除草活性以来，除草 剂的应用开发得以快速发展。2 0 世纪5 0 6 0 年代主要开发了苯氧羧酸、氨基甲酸酯、 2 , 6 二硝基苯胺、脲、均三嗪、酰胺等类除草剂，用量为2 5 k g h m 2 。进入2 0 世纪8 0 年代美国杜邦公司开发的磺酰脲类系列除草剂，用量降到l o g h m 2 。除草剂工业进入超 高效时代( 李巧玲，1 9 9 8 ) 。 】9 5 6 年研究者就发现了酰胺类化合物烯草胺具有除草活性。2 0 世纪6 0 年代中期研 究者开发出毒草胺以后，以它作为前导化合物，进行结构改造与修饰，相继开发出一系 列酰胺类除草剂品种，使其成为近代化学除草中使用广泛的一大类除草剂，1 9 9 6 1 9 9 7 年平均年销售额达到1 6 0 0 百万美元，仅次于有机磷除草剂而居世界第二位。其中，乙草 胺( a c e t o c h l o r ) 系需山都公司于2 0 世纪7 0 年代发现并于1 9 8 0 年开发成功的酰胺类除草剂 品种，在我国大厩积使用已将近2 0 年，在欧洲和南非也己应用多年( 刘长令，2 0 0 2 ) 。 乙草胺活性高，除某些作物较敏感不宜使用外，对作物安全，在土壤中药效期适中，但 对玉米前期生长有药害，表现为叶片老化、植株矮小、生长缓慢，从而影响作物的产量 ( 陈秉强等，1 9 9 5 ) 。 随着咪唑啉酮类除草剂的开发，使除草剂进入到超高效阶段，由于其活性高、选择 性强、成本低、作用靶标优良，在除草剂应用当中具有其它除草剂难以比拟的地位。但 是作为a l s 抑制剂，它们不易挥发，不光解，在土壤中主要通过水解和微生物降解作用 而消失( 姚东瑞等，1 9 9 8 ) 。p h 与温度是控制水解作用速度的主要因素，高温促进水解： p h 7 时，分子呈负电荷，不能与负电荷土壤离子结 合，呈易被植物吸收的游离态，而水解作用非常缓慢，故残留时期长( 姚东瑞等，1 9 9 8 ： 陶波，2 0 0 0 ) 。通常，施用量的1 2 0 长期残留在土壤中，会对许多的后茬敏感作物产 生药害。在我国每4 h m 2 春大豆和每9 h m 2 小麦中，约有1 h m 2 地是使用这类长残效除草 剂进行处理的。连续多年的使用，使土壤中除草剂残留积累，其土壤残留不但限制此类 除草剂的应用，并且对土壤环境造成污染，轮作农田中对后茬作物造成严重药害，导致 作物减产或绝产，给农业生产造成巨大损失( 陶波，2 0 0 0 ) 。特别是普施特( i m a z e t h a p y r ) ， 是长残效除草剂中问题比较严重的除草剂之一，其残留时间也长达2 0 3 0 月，后茬可能 受害的作物也很多，有甜菜、水稻、马铃薯、玉米等( 吕康博，2 0 0 2 ) 。 化学除草剂的起步较杀虫剂和杀菌剂晚，但是其发展却极为迅速，早在1 9 9 1 年世 界除草剂的总_ l ! j 量、施用面积及销售值就已超过了杀虫剂和杀菌剂的总年f i 。随着除草剂 参与到农业生态系统后，它所防治的对象便开始逐步产生生态、生化或遗传的适应性， 导致了抗药性杂草的形成。从1 9 7 0 年发现欧洲千里光( s e n e c i o v u lg a r i s l ) 对莠去津 f a t r a z i n e ) 雕j 抗性以来，在4 2 个国家已有1 8 3 种杂草、2 1 2 个生物型对多种类型的化学除 草剂产生了抗药性，而且自2 0 世纪7 0 年代中期以来，全球抗药性杂草生物型一直呈上 升趋势( 韩庆莉，2 0 0 4 ) 。为了解决除草剂的药害、抗性杂草及选择性等问题，需要不断 地开发新的除草剂品种。然而创制一个新的除草剂品种需要投资上亿美元，耗用8 1 0 年时间( 李正名，1 9 9 9 ) 。因此，开发一种新型除草剂并非易事。如何充分利用现有品种， 提高防除效果，降低用药量，减少环境污染，逐渐成为人们所关心的问题。目前国外除 了通过改善除草剂剂型、利用除草剂混配和生物技术繁育抗性作物等解决途径外，开发 利用除草剂安全剂来改善除草剂的选择性，扩大除草剂使用范围，减轻除草剂对作物的 伤害，是一种新型而行之有效的方法( 叶非，1 9 9 5 ) 。 1 3 除草剂安全剂研究动态 除草剂安全剂( s a f e n e r s ) 又称除草剂解毒剂( a n t i d o t e s ) 或称作物安全剂( c r o p s a f e n e r sf o rh e r b i c i d e s ) 、拮抗剂( a n t a g o n i s t ) 以及保护剂( p r o t e c t a n t ) 等( 苏少泉，1 9 9 6 ； 晓岚，2 0 0 0 ) 。除草剂安全剂是在不影响除草剂对靶标杂草活性的前提下有选择地保护作 物免遭除草剂的药害。除草剂安全剂的主要作用包括以下几个方面：防治植物学方面与 作物相近的杂草，如禾本科作物中的禾本科杂草：将灭生性除草剂用作选择性除草剂： 减轻土壤中除草剂残留避免对后茬作物的药害：降低化学除草成本( 苏少泉，1 9 9 6 ) 。此 外，使用除草剂安全剂也有助于阐明除草剂选择性和抗性产生的机理，并且为除草剂活 性和抗性机制提供了探索途径( 一前宣正，1 9 8 3 ) 。 开发除草剂安全剂降低除草剂对作物的药害这一概念是h o f f m a n1 9 6 2 年首先提出 的。1 9 7 1 年r a i n s 与f l e c t c h a l l 报道了r ，2 5 7 8 8 ( d i c h l o r m i d ，n ，n 二烯丙基2 2 二氯 乙酰胺，氯草烯胺) 可保护玉米免受丙草丹的药害。1 9 7 2 年世界上第一个商品化安全剂 n a ( 1 ，8 - 萘二甲酸酐) 由海湾石油公司正式推出，用以保护玉米、高粱免受硫代氨基甲 酸酯类、氯代乙酸胺类和灭草喹等除草剂的药害，从而开创了人工合成化学解毒剂的新 纪元。此后除草剂安全剂在商品化方面不断发展，且进展迅速，特别是近十年来，关于 安全剂的研究报告和专利众多( 晓岚，2 0 0 0 ) 。目前国际上已获得广泛应用的除草剂安全 剂主要包括：萘羧酸类、肟醚类、二氯乙酰胺类、萘吡喃酮类、磺酸类衍生物、嚅唑、 噻唑和其他杂环化合物及其衍生物。迄今为止，已商品化的安全剂约十余个品种( 见表 1 1 ) ( 付颖，2 0 0 2 ) 。 表1 - 1 已商品化的除草剂安全剂 t a b 1 - 1t h ee o m m e r c i a ih e r b i c i d es a f e n e r s 4 安全剂中最成功的是二氯乙酰胺类结构安全剂。此类安全剂是酰胺类和硫代氨基甲 酸酯类除草剂的良好解毒剂，某些结构能作为磺酰脲类和咪唑啉酮类除草剂在禾本科作 物田中的安全剂，以减少除草剂所引起的药害( z e k l e re ta l ，1 9 9 3 ；e k o t o u l a s y k ae t a l ，1 9 9 6 ；张荣全，1 9 9 7 叶非等，1 9 9 9 ) 。从2 0 世纪7 0 年代开始研究的，并已相继开 发了如a d 6 7 ，a d 6 1 6 ，r 2 8 7 2 5 ，r 2 9 1 4 8 ，m o n 1 3 9 0 0 等。张荣全、叶非等1 9 9 7 年 研究了a d 6 7 和r 2 8 7 2 5 的合成；李绍锋1 9 9 9 年研究了a d 6 1 6 ，r 2 9 1 4 8 的合成；2 0 0 0 年后，张金艳、付颖、柴超、李颖娇和叶非等对潜在除草剂安全剂二氯乙酰胺嗯唑烷类 东北农业大学农学硕士学位论文 化合物进行了合成、表征及生物测定等研究( 叶非等，1 9 9 8 ；叶非等，2 0 0 0 ；张金艳，2 0 0 1 ： 付颖，2 0 0 2 ：柴超。2 0 0 3 ：李颖娇，2 0 0 4 ) 。 1 4 除草剂安全剂解毒机制研究 虽然安全剂保护作物免受除草剂药害的作用机制迄今尚无定论，但人们提出了几种 假说来解释其作用模式( s h a n ，e ta 1 ，1 9 9 1 ；j d w a i t o n ，e ta 1 ，1 9 9 5 ) ：1 安全剂干 扰除草剂的吸收和传导；2 安全剂与除草剂竞争作用结合位点：3 安全剂促进除草剂在 作物中的降解；4 安全剂产生基因活化作用诱导谷胱甘肽s 转移酶( g s t ) 或其他代谢 酶的活性；5 安全剂通过上述过程的综合而发挥保护效应。结构活性论q s a r 、谷胱甘 肽( g s h ) 轭合作用机制理论及植物细胞色素p 4 5 0 催化代谢理论是近年来较为普遍接受的 机制解释( 一前宣正，1 9 8 3 ；姜雅君，1 9 8 9 ；晓岚，2 0 0 0 ) 。 1 4 1 谷胱甘肽轭合作用 谷胱甘肽轭合被证明是哺乳动物体内生物合成硫醚氨酸的第一步，反应如下： u y r x + g l u c y s ( s h ) - g l y 3 “g l u - c y s ( s r l g l y 轭合可能是在谷胱甘肽硫醇盐的作用下经过非酶催化而发生的亲核取代，但也可能 是被谷胱甘肽s 转移酶( g s t ) 催化，这些轭合反应通常被认为是解毒过程。l a y 和c a s i d a 进行的开创性工作是把安全剂的作用与谷胱甘肽轭合系统联系起来，提出了谷胱甘肽轭 合作用机制论( m m l a y e ta 1 ，1 9 7 6 ) 。他们指出：硫代氨基甲酸酯通过磺化氧化作用在 作物中发生了代谢变化，随后进行了谷胱甘肽轭合，而达到解毒效果。 通过研究安全剂对除草剂代 ；i f 的影响，表明：二氯乙酰胺类安全剂( 二氯丙烯胺、 解草嗪和b a s - 1 4 5 1 3 8 ) 能增强异丙草胺、毗唑草胺和乙草胺的g s h 轭台反应( e pf u e r s t e ta 1 ，1 9 8 6 ：l r o w e ，e ta 1 ，1 9 9 l ；e p f u e r s t ，e ta 1 ，1 9 9 2 ：z e k l e r , e ta 1 ，1 9 9 3 ) ；而 解草胺、n a 和肟醚类安全剂能增强异丙草胺的g s h 轭合反应( e pf u e r s t ，e ta 1 ，1 9 8 6 ： s py e n n e ，e ta 1 ，1 9 9 0 ) 。类似的情况，丙草胺和乙草胺的轭合反应可分别被解草啶和 a d - 6 7 所增强；而解草烷能强化乙草胺及e p t c 与g s h 轭合反应( s h a n ，e ta 1 ，1 9 9 1 ； d e r i e c h e r s ，e ta 1 ，1 9 9 7 ) 。类似的实验表明，在水稻、大麦、小麦、玉米等作物中通 过安全剂的作用经酶催化，与g s h 的轭合增强了除草剂的代谢( s h a n ，e ta 1 ，1 9 9 1 ； a t a l e ta 1 ，1 9 9 3 ) 。 此外有报道表明，安全剂通过诱导g s h 与g s t 量的增加而增强了对作物的保护作 用。例如二氯丙烯胺在保护玉米、高梁和烟草时作物体内g s h 的量增加了( d l k u n k e l ， e ta 1 ，1 9 9 1 ) 。叶非等报道安全剂r - 2 8 7 2 5 在保护玉米免受氯嘧磺隆和咪唑乙烟酸药害的 影响时，使玉米内g s h 含量增加，从而达到对作物解毒目的( 叶非等，2 0 0 2 ) 。n a 通 过增加玉米中g s h 和g s t 的量，使得玉米对于甲草胺、异丙甲草胺、莠去津的解毒速 率增加( m m n e m a ta l i a ，2 0 0 0 ) 。当用异丙草胺作基质时，解草胺可以使g s t 活性提 高3 0 倍，解草腈提高2 0 倍，n a 提高1 7 倍。这些安全剂增加玉米幼苗中g s t 的含量 的同时诱导了一种新的g s t 同功酶的合成，从而提高g s t 的活性，加速对均三氮苯、 6 酰胺以及e p t c 的解毒作用。在苗期，安全剂的浓度与g s h 的含量及g s t 的活性呈显 著线性相关f 吕康博等，2 0 0 2 ) 。a n d r e w s i c 研究了b a s 一1 4 5 1 3 8 对= 苯醚类除草剂乙氧氟 草醚、氟磺胺草醚和三氟羧草醚的解毒效果，认为b a s 一1 4 5 1 3 8 增加了作物中g s t 的活 性，适于在轮作中与除草剂制成混剂以达到除草和保护的双重目的( c a n d r e w s ，e ta 1 ， 1 9 9 7 ) 。 1 4 2 结构活性作用机制 s t e p h e n s o n 等提出了相似结构活性理论( q s a r ) 。他们指出：安全剂的结构与其活 性密切相关，和除草剂结构相似的物质具有较好的解毒活性。对于r 一2 5 7 8 8 ，s t e p h e n s o n 等认为，最具活性的是n ，n 一二取代基一2 ，2 二氯乙酰胺，并且二氯乙酰胺的生物活性要大 于一氯或三氯取代物( g r s t e p h e n s o n ，1 9 7 8 ) 。y e n n e 等人利用计算机辅助分子设计方 法( c a m m ) 研究指出：安全剂分子结构的特征官能团对于解毒效能至关重要，例如苯 基磺酰脲和磺酰脲类除草剂具有相同的官能团，因此可以保护作物免遭磺酰脲类除草剂 的伤害( spy e n n ee ta 1 ，1 9 9 0 ) 。在大多数最成功的除草剂安全剂结合中，它们的化学 结构在分子水平上是相似的( e j b u e a u x ，1 9 8 6 ) 。这一论点有力地支持了s t e p h e n s o n 的 结构活性理论。 1 4 3 细胞色素p 4 5 0 单氧酶催化的羟基化作用机制 细胞色素p 4 5 0 单氧化酶f 简称细胞色素p 4 5 0 ) 是一类普遍存在于生物体中的氧化 酶，不仅与甾醇、脂肪酸等内源化合物的生物合成与降解的联系紧密，在除草剂等外源 化合物的代谢中也发挥着重要作用。细胞色素p 4 5 0 对外源化合物的代谢作用有两种方 向：活化外源化合物，形成毒性更高甚至有致癌作用的代谢物；降解外源化合物， 形成低毒或无毒的代谢物( 郑明奇，2 0 0 3 ) 。细胞色素p 4 5 0 在哺乳动物体内的生物活性 或解毒作用的重要性己被广泛证明，在植物中也同样存在细胞色素p 4 5 0 的多种诱导形 式，并且植物细胞色素p 4 5 0 体系具有高度的底物选择性的特点，它们参与生成赤霉素、 不饱和脂肪酸、苯基丙酸等的重要生物合成过程，同样也参与几种除草剂的解毒作用( d r e i c h h a r t e ta 1 ，1 9 7 9 ：d c o l e ，1 9 8 3 ；r c a b a n n e ，e ta l ，1 9 8 5 ) 。 一些研究发现细胞色素p 4 5 0 可催化除草剂的分子发生芳基或烷基的羟基化反应、 n 或o 原子上的脱烷基化反应和同时催化除草剂分子的羟基化及去烷基化三种作用方 式，从而生成无毒的代谢物。安全剂可提高细胞色素p 4 5 0 的活性，以加快这些反应的 进行( 姜林等，1 9 9 9 ) 。细胞色素p 4 5 0 与磺酰脲类除草剂代谢作用中的氧化反应有关， 如氟嘧磺隆在玉米微粒中的羟基化反应是由细胞色素p 4 5 0 单氧酶系统所诱导。单氧酶 抑制剂氮基苯噻唑能阻止磺酰脲类除草剂绿麦隆与异丙隆在小麦叶片中的代谢并提高一 些除草剂的活性，而解草腈则可作为禾谷类作物中氯磺隆与甲磺隆的安全剂( 苏少泉， 2 0 0 1 ) ；尤其是n a ( n a p h t h a l i ca n h y d r i d e ) 、解草胺腈、二氯丙烯胺和b a s 一1 4 5 1 3 8 能保 护玉米免受磺酰脲类除草剂的药害( hm i l h o m m e ，e ta 1 ，1 9 9 0 ；g l l a m o u r e u x ，e ta 1 ， 1 9 9 2 ) ，而且n a 还能增强玉米对咪唑啉酮类除草剂的耐性( j d a v i e s ，e ta 1 ，1 9 9 8 ) 。 这些结果肯定了安全剂诱导的细胞色素p 4 5 0 单氧酶在除草剂降解中的作用，表明安全 7 剂具有增强细胞色素p 4 5 0 酶系统活性的功能。y u n m i n s o o 等通过n a 保护水稻和玉米 免受磺酰脲类除草剂药害影响的研究也表明：安全剂促进了细胞色素p 4 5 0 单氧酶对磺 酰脲类除草剂氧化解毒的新陈代谢( y u n m i n s o o 。e ta 1 ，1 9 9 9 ；y u n m i n s o o e ta 1 ，2 0 0 1 ) 。 近年来，关于靶标乙酰乳酸合成酶( a l s ) 除草剂结构与活性关系的研究表明：大 多数抑制剂含有一个酸性核心，它与受体中的阴离子部位相结合，即与a l s 的同一阳离 子部位相结合接受酮中的酸性或潜在酸性桥，与n h 4 + 结合的能力即是抑制a l s 酶的体 现。引入安全剂竞争除草剂与n h 4 + 的结合，这样可以减少对作物a l s 的抑制，起到保 护作用。经过多年的实验证明：二氯乙酰胺类除草剂安全剂，其分子中的二氯乙酰基是 一个优良的潜在酸性桥；杂环氮原子上的氢有很强的反应活性，可以与二氯乙酰基生成 多种结构的衍生物，是近来发现具有较高活性的化合物，它们可以提高酸桥与n h 4 + 核结 合能力，增强解毒性( 陶波，2 0 0 0 ：叶非等，2 0 0 2 ) 。 磺酰脲类除草剂和咪唑啉酮类除草剂的作用靶标均为植物体内的a l s ，因此安全剂 对这两类除草剂均具有解毒作用，可能途径见图l 一1 。磺酰脲类除草剂和咪唑啉酮类除 草剂抑制a l s 活性，间接阻断支链氨基酸( 缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸) 的合成，反馈 抑制核苷二磷酸还原酶( r d p ) ，而a l s 和r d p 还原酶都是硫基酶，潜在改变植物体内 g s h 和硫的水平。安全剂却能增加玉米根中硫酸盐的利用，增加半胱胺酸和g s h 蛋白 质硫基，从而增加a l s 酶的活性。但安全剂不能改变同功酶的敏感性和不敏感的部分， 即不能改变除草剂对a l s 的抑制( 陶波等，1 9 9 3 ；陶波。2 0 0 0 ) 。 磺酹尿类 翌型a s 藉拦；：，g s h 和g s t 咪唑啉酮类 jf 严 j卜 缬氨酸、异亮氨咚亮氨酸r b p安全剂 f l匣馈抑制 蛋白质合成虫监生一d n a 合成 图1 1 安全剂对磺酰脲类和咪唑啉酮类除草剂可能解毒途径 f i g 1 1a n t i d o t a lm e c h a n i s mo fp r o t e c t a n t st os u l f o n y l u r e aa n di m i d a z o l i n o n e h e r b i c i d e s 1 5 手性二氯乙酰基嗯唑烷类除草剂安全剂合成方法研究 1 5 1 手性农药合成技术 人们对手性技术开发的投入，推动了手性技术的发展。与手性药物相比，尽管手性 农药对光学纯度没有过高的要求，但手性农药工业化规模要大得多，都是在百吨级，甚 至千吨级以上。低成本、适合于大规模工业生产是手性农药的商品化对手性技术提出的 另一要求( 郑卓，2 0 0 1 ) 。目前，手性农药的合成方法大致可以分为两类：一类是外消旋 体的拆分；另一类是不对称合成单一的光学活性体。 1 5 1 1 手性农药的拆分方法 ( 1 ) 优先结晶：所谓优先结晶法就是自外消旋体的饱和溶液中，将一个对映体先行 晶析的方法。就外消旋体来说，有外消旋化合物，外消旋混合物以及外消旋固态溶液几 种。其中只有外消旋混合物可分级结晶，即对外消旋混合物的过饱和溶液，用所需对映 体的晶种接种，则该对映体便先行结晶。例如，杀虫毒力最强的( + ) 反式菊酸就是以此 法制取的( m r o b e r t ，1 9 6 3 ；乔依，1 9 9 8 ；胡晓燕，2 0 0 2 ) 。 ( 2 ) 化学拆分：化学拆分外消旋体是一种传统的方法，它是用一种手性试剂将外消 旋混合物中的两个对映体转化为非对映体盐或制得酯、胺等衍生物。然后利用其物理性 质的差异如采用各种拆分剂使之成盐，利用该盐溶解度的差别而作分级结晶( 徐雅妮。 2 0 0 2 ) 。分子内具有碱性基团的t e t r a m i s o l e 与三唑酮等，将其外消旋体与( + ) 或( ) 1 0 樟 脑磺酸制成非对映体盐。或将具有酸性基团的杀鼠灵与奎尼定成盐。用分级结晶法即可 得二个对映体。光学拆分外消旋起