（有机化学专业论文）含吡啶和二茂铁甲胺基的氰基丙烯酸酯类化合物的合成及其除草活性的研究.pdf

南开大学硕_ l 论文 ab s t r a c t c y a n o a c r y l a t e s h a v e b e e n t h e s u b j e c t o f i n t e n s e i n t e r e s t f o r t h e p a s t d e c a d e s a s o n e k i n d o f h e r b i c i d e s b y d i s ru p t i n g p h o t o s y n t h e t i c e l e c t r o n t r a n s p o r t a t i o n . i n o u r p r e v i o u s w o r k , w e m o d i f i e d i t s s t r u c t u r e b y r e p l a c e m e n t o f p h e n y l m e t h y l a m i n o s u b s t i t u e n t w i t h p y r i d i n e m e t h y l a m i n o a n d f o u n d t h a t s o m e o f t h e m s h o w e d h i g h e r h e r b i c i d a l a c t i v i t i e s t h a n s t ru c t u r e s w i t h b e n z y l a m i n o . i n o r d e r t o e x t e n d o u r r e s e a r c h w o r k o f c y a n o a c ryl a t e s a s h e r b i c i d e s , w e r e p l a c e dp h e n y l m o i e t yb y 2 - c h l o r o - 5 - p y r i d i n e m e t h y l e n ea mine , 2 - a l k o x y - 5 - p y r i d i n e m e t h y l e n e a m i n e , 2 - m e t h y l t h i o - 5 - p y r i d i n e m e t h y l e n e a m i n e a n d a m i n o m e t h y l f c r r o c e n e i n c y a n o a c ryl a t e s a n d s y n t h e s i z e d 2 1 n e w c o m p o u n d s . t h e s e n e w c y a n o a c r y l a t e d e r i v a t iv e s w e r e a l l c o n f ir m e d b y 1h n m r a n d e le m e n t a n a ly s i s a n d s o m e o f t h e m w e r e a l s o c o n f i r m e d b y i r a n d m s . a t t h e s a m e t i m e , w e e x p l o r e d t h e s y n t h e s e s o f i n t e r m e d i a t e s a n d t a r g e t c o m p o u n d s . a s a r e s u l t , a c o n v e n i e n t a n d r e a s o n a b l e r o u t e f o r t h e s y n t h e s i s o f t a r g e t c o m p o u n d s w a s f o u n d . a l l t h e s e c o m p o u n d s w e r e a s s a y e d f o ra c t i v i t y a n d 1 0 o f t h e m s h o w e d e x c e l l e n t a c t i v i t y . k e y w o r d s :2 - c h l o r o - 5 - p y r i d i n e m e t h y l e n e a m i n e , 2 - a l k o x y - 5 - p y r i d i n e m e t h y l e n e a m i n e , 2 - m e t h y l t h i o - 5 - p y r i d i n e m e t h y l e n ea 们 n r ne ，a m i n o m e t h y l f e r r o c e n e , s ,n - k e t e n e a c e t a l , c y a n o a c ry l a t e s , p s i i e l e c t r o n t r a n s p o r t i n h i b i t o r . 南开大学硕 丁 论文 第一章前言 、光合作用光系统i i ( p s i i )电子传递抑制剂的研究 地球上所有的生物都需要依靠植物和绿色菌类所进行的有机化合物的化 学合成、储存和运输来提供能量。 这一过程中很重要的一步是通过光合作用 光系统1 1 ( p s i i ) 来完成的，它对电 子从水向 质体酮转移起催化作用。 对杂 草中的 p s i i 的特定抑制可以通过用有商品化重要意义的除草剂来置换植物 体内的电子传递剂质体醒来实现。 光合作用p s i i 电子传递抑制剂的种类很多， 有苯基或杂环取代脉、 氨基 甲酸酷、苯甲 酞胺、均三p# i哒嗦酮、脉啼淀、氰基苯酚以及氰基丙烯酸醋 等，见表1 - 2 0 表 1 - 2 : 类型 p s i i 电子传递抑制剂的化学结构及典型化合物 1举 例化 合 物 结 构 三嗦 a t r a z i n e ( 2 ) n 水 e ih n 人n 人n h p r - i 三噢酮 me t r i b u z i n 3 1 苯基脉 d i u r o n (4 ) n 、 n ci c i n h c o n ( c h 3 ) z 腺啼咤( 5 ) 唾哇 n h - t h i a z o l e 6 1 phch(ch3)nh六 nhcoet 一一一一一一一一一一一一一遭f 壁 氰基丙烯酸酉 旨 1 9 - 2 2 1 oc o i c h i c h z 0 e i cn 由于动物不具有光合作用， 这就为这些光合作用除草剂的优良选择性提供了 坚实的生理生化基础。 光合作用除草剂在杀死杂草的同时， 对大多数动物尤其是 人类几乎不存在毒害， 与其它除草剂相比 具有明显的优势。 因此在发展高效、 低 毒、 无公害农药成为迫切需要的今天， 它的发展受到极大的关注， 成为除草剂领 域中的研究热点。 近年来，随着分子生物学、分子图形学， x 一 衍射技术等学科的发展， 光合作 用的作用机制己逐渐被揭示， 光反应中心的结构己从分子水平上被详细阐明， 从 而为以光合作用为靶标的除草剂的研究提供了坚实的基础。 研究表明， 这种对光合作用过程的抑制的主要靶标是植物叶绿体p s i i 反应中 心的一个被称为d i 的蛋白， 它是一个分子量为3 2 k d的多肤。 d 1 蛋白的生理重 要性使许多研究组展开了对它的研究，但是到目 前为止它的 x 一 衍射单晶结构还 是未知的。 八 十 年 代， j .d e is e n k o r f e r , h .m i c h a e l 和r .h u b e r 8 成功 地 分离 并 解 析了 绿 色 红 假单胞菌 ( r p s . v i r i d s ， 即 紫色菌光合作用中 心膜蛋白) 光反应中 心复合 物， 并 以 x 一 衍射技术测定了其晶体结构， 判断了各次单元蛋白 质的氨基酸序列，探讨 了 其构 造与电 子传递 机制。 如图i - 1 所示: 为s i n m i n g 在1 9 9 2 年利 用m o l s c r i p t 绘 制 的 一 个 简 要 的r p s . v ir i d : 光 合 作 用 中 心 结 构 19 1 由于该紫色菌的光合作用中心与高等植物的光反应中心极为相似， b o w y e r 10 , d r a b e r , t id tj e n , r u f fl e 和e g n e r 等 人 先 后 根 据 高 等 植 物 的 同 源 蛋 白， 模拟建立了光合作用光系统1 1 ( p s i i )电子传递抑制剂的受体模型。 这就使 得 p s i i电子系统抑制剂的研究与分子设计能够在模拟受体结构与抑制剂相互作 用的基础上进行。 近年来，通过紫色菌模拟，同位素示踪，分子图形学以及除草剂抗性等方面 的研究， p s i i 电子传递抑制剂的作用机制已 被逐渐揭示。 一般认为: 在光合作用 过程中: d i 蛋白 在叶绿体的类囊体膜上与在p s i i 电子传递中起着重要作用的质 一 一 一 一in 3 f j : 3 1y i i: ie 生一 体醒q 。 和q a 相结合， 而p s i i 抑制剂的 作用就在于它能在质体酣q b 和d 1 蛋白 结合的 位点 上置 换了 质体醒q b， 本身与d i 蛋白 结合， 从而阻 碍了 电 子从q a 向q b 的 正 常 传 递， 引 起一 系 列的 连锁 反 应， 最 终导 致 植 物死 亡 1 1 a 以常用的三嗦类p s i i 电子传递抑制剂除草剂a t r a z in e 为例，图i 一可以形象 地说明这一过程。 在关于p s i i 电子传递抑制剂的研究中， 建立抑制剂与di 蛋白结合的复合物 模型十分重要。目 前， 通过与r p s .v i r i d s 光反应中心结构进行对照模拟， 突变品 系波谱研究， 定位诱导突变技术， 并结合分子图形学辅助等途径， 人们对抑制剂 与d i 蛋白结合的活性位点己 有一定的研究. ij ll晰， 5 、 山 1 ， 尤汉. 产 . 斌结均 v . 粉 书 、 扒 场 份百甘 飞 飞 书 万 ， s 价 津别 代 尸 魂 鲜 找 疏 吸。j气， “ 勺咒 撒 图1 - 2 a f 4 i n v y , , 利 j o蛋自. a i i 1 1 1 7 1 1 t l ip p i v y y c i c ti : 1 fl 1 .v 1 代?a v i 11 川 质 体4 1 与0 . 蛋白 结合. 接受2 个质广 2 个电子: n .v u n ， 1 ， 1 : l l i , 介f i n 4 i l 6 t y l , n , i; i i ,1 :, 在研究中发现对传统脉类， 三嗓类除草剂产生抗性的杂草对氰基丙烯酸酷同 样有抗性 ( i ) ;从c 1 4 跟踪标记 来看， 与服一样， 氰基丙烯酸醋同 样也可以 置 换农药d i u r o n ， 与3 2 k d的d 1 蛋白 作用。 所以 氰基丙烯酸醋与 脉类， 三嚓类等传 统的光合作用抑制剂作用方式相同，属于p s i i 抑制剂。 下面就近年来报道很多的氰基丙烯酸酷在这方面的研究进行分析。 二、 氰基丙烯酸酷类化合物光合作用系统i i ( p s i i ) 电 子传递抑制剂的发展 氰 基丙 烯酸 酷 类 化合 物 最早 作为 除 草 剂的 报 道出 现于1 9 6 9 年 1 2 - 14 1 ， 但 随 后 关于 这方面的 研究并 不多。 直至1 9 8 1 年， h u p p a t z j . l .等发 现结 构为 ( 1 ) 的 化合物 具 有除 草活性 后1 1 x 1 ， 有关这方面的 研究 才变的 十分活 跃， 出 现了 大量相关 报道， 对其作用方式及结构活性特点进行了细致的研究。 r n h c oor cn i h - - = = - c h ,n h , n二 二 二 jn二 二 j 2 - 氯- 5 - 氯甲基毗咙与过量的氨气在高压釜中于0 - 5 反应8 小时 作溶剂，收率7 0 % 左右。 2 . 2 . 邻 苯 二甲 酞 亚 胺 法 3 2 1 甲苯 夕斌 ci藻 n- 产 c h 2 c 1 +叹 nk nch2 / ) cin c i-(/ r e fl u x n二 二 2 . 3 。 六次甲 基四胺法(5 0 1 c h , c i+( c h 2 ) 6 n a 一0 乙 卜c h 2(c h 2)6n 4 c i n ( a) n a o h 今 c i夕丫 c h 2n h 2 n二 二 1 在本文中我们选择原料易得的路线( 3 ) ， 但是按照文献方法操作， 反应进 行的并不好。 我们课题组其它研究人员曾经采用n a l 为催化剂取得了较好的结 果， 但其 总收率不 到7 0 % 。 我 们采用乙 睛为 溶剂【7 11 ， 在回流反 应条 件下基本 可 一m 3 f f : * ff!f it )z 一 一 一 一 以得到等当量的盐，总产率可以达到9 0 % 左右，而且时间由 原来的3 0小时减 少到1 2 小时。 另外， 反应过程中有很重要的三点需要特别注意。 一: 成盐后要用乙醇充 分冲洗， 将未反应的原料洗掉， 否则易在接下来的反应中发生副反应， 生成仲 胺的产物。二: 酸性水解时加的酸要过量， 反应时间要足够长，充分搅拌，否 则水解不完全， 在下一步反应中会生成碱性水解产物。 三: 酸性水解后蒸除溶 剂一定要彻底， 否则会有残余的甲 醛， 消耗产物。 后两个副反应最后得到共同 的副产物 r c h , n = c h 2 , ( 二) .目 标化合物的结构表征 1 . x 一 射线衍射确定目 标化合物的结构: 本组研究者曾经培养出了该类化合物的单晶，通过 x 一 射线衍射确定了该 类目 标产物为单一的顺式结构， 既毗睫甲 胺基与醋基处于双键的同侧( 详细数 据 请 参 考睿 淤 蓉硕全 华世 老 戈 诬z sj). 该种单一顺式产物的出现主要是由于存在如下的反应历程: r o mr r - e t i - p r a n d m e s ) ， 但当r ， 二 h 时的顺反异构体均表现出很低的除草活性; 该类化合物对油菜和反枝觅类杂草 的活性高于对稗草的活性， 其活性不但表现于茎叶处理， 在土壤处理测试中对反 枝览和油菜亦表现出很好的抑制活性。 一一一一一一一一一一一一一尘塑主鲤竺生匕 第三章 含2 - 烷氧基一 5 - 毗睫甲 基胺的氰基丙烯酸酷的合成 及其除草活性研究 一、前言 己有较多文献报道当氰基丙烯酸酷类化合物的苯环对位上引入任何取代基 后， 该类抑制剂的活性都有很大程度的 提高， 而与取代基大小和电 性无关。 用毗 睫环替代苯环后，很大程度影响了该类抑制剂的活性，说明“ 亲脂活性口袋” 底部是一个活性敏感部位，而国内外的 研究工作中很少有关于“ 亲脂活性口 袋” 内部作用位点特性的报道。 本课题组研究员偶然发现当该类化合物毗吮环上的氧被甲 氧基取代后， 在保 持高活性的同 时， 表现出了 更 好的 除 草活性12 8 1 。 因 此我们设计了 如下结 构 ( c ) 的目 标化合物，用不同的烷氧基取代毗iq环上的氯，改变毗r 环的体积和电性， 考察其对该类抑制剂除草活性的 影响。 我们同时改变烯键b 位取代基r 2 的大小， 考察活性变化， 研究r 2 与取代毗咤甲 基胺的最佳匹配。 r o - i nes ， j r 1 = me , e t , n - p r and n - b u ; r 2 = h , me , i - p r and me s c 二、目 标化合物的合成 1 . 合成路线 1 . 1 中间 体2 - 氰基 3 ,3 一 二甲 硫基丙烯酸酷的 合成 尝 c2h40 q h 5 c s2 2k o h et oh 1 . 2 . 2 一 烷氧基一 5 - 毗咤甲基胺的制备 c i飞了 c h 2 n h 2 r o n a / r 一 o h _ r io ， 卜一. ch, nh, 叭/ nj 3 目 标化合物的合成 1十 n j 鼓好 r :烷基; r 2 : 烷 基， 氢 或甲 硫 基; r 3 :烷 硫 基 或 烷氧 基 2 试验部分 2 . 1 . 2 - 氰基一 3 少二甲 硫基丙烯酸酷的合成 i o o m l 四口 瓶中， 加入2 . 7 4 g 研细的 氢氧化钠粉末( 0 .0 4 m o l) 及1 2 m l 无水乙精。 冷却 至5 后滴加入3 . 1 4 g i ,基乙 酸乙 氧乙 r ( 0 .0 2 m o l ) ， 搅拌半 小时 后再 滴加1 . 5 g 二硫化碳与5 m 无 水乙 腊的混 合 液。 室 温搅拌三小时， 冷却 下滴 加5 .0 4 g 重蒸的 硫酸二甲醋。室温搅拌4 小时，脱溶，残余物中加入2 0 m l 水和5 0 m 1 乙酸乙酷， 分出有机层， 用5 0 m l 乙酸乙