（有机化学专业论文）cis双芳香新烟碱类化合物的合成结构生物活性及分子对接研究.pdf

摘要 为了寻找和筛选符合2 1 世纪发展要求的新烟碱类杀虫剂先导化合物，本文 从商品化杀虫剂烯啶虫胺出发，经过类m a n l l i c h 反应，通过形成四氢嘧啶环固定 c 括构型从而引入一个新芳香环，设计合成了2 6 个未见文献报道的新烟碱类化合 物i 曩i d 、i i 。i l z 。采用核磁共振氢谱( 1 hm r ) 、红外光谱( 取) 、质谱( e i m s ， e s i m s ) 、元素分析等方法对目标化合物进行了结构表征，并对其物理性质、波 谱性质、反应条件及合成方法进行了较为系统的分析和讨论。目标化合物i 。i d 、 i i 。i i ：的结构如下： r = 冷丫h 5 o a a ：矿a 盯( n ，a 盯c f i i 芦4 h o吣y o c 2 h 5 h 刚x 囝埯 b c d 2 甸哂3 颧f 叼u 埝洲 e f g h ij k 叼w a 飞飞 im n o p q ( r ) ( s ) 氆飞飞 xy z ( r ) ( s ) u v w 委托国家南方农药创制中心浙江化工研究院农药生测研究所，完成系列目标 化合物杀虫活性初步测定；委托国家新药筛选中心对个别高活性目标化合物进行 乙酰胆碱酶活性的测定；委托上海农科院完成高活性化合物的l c 5 0 测试；委托 德国拜耳作物科学公司对化合物进行多种科目害虫的杀虫活性测试和抗性品系 的杀虫活性测试，结果表明：大多数化合物在1 0 0m l 浓度下，对稻褐飞虱 ( m 红即m 幻姆，1 ) 和苜蓿蚜( 和j l l 括，l p 妣蟛以f ) 有明显的杀灭作用，致死率 高达1 0 0 ，其中部分化合物在2 0m l 浓度下，对稻褐飞虱( 朋红阳舢幻姆行) 和苜蓿蚜( 彳础西聊础c 倒，z f ) 的致死率依然为1 0 0 显示其具有卓越的进一步开 发和研究潜力。 为了进一步探索化合物的结构与杀虫活性的关系，本文对化合物i d 、i i h 、i i k 和i i n 进行了单晶培养及x 射线单晶衍射测定，初步分析了化合物i d 、i i h 、i i k 和i i n 晶体结构特征，并在此基础上通过a u t o d o c k4 o 对化合物进行了分子模拟 对接，初步解释了其作用机理。 关键词：双芳环新烟碱化合物；烯啶虫胺；c 括构型；分子对接模型；杀虫活性。 a b s t r a c t i i lo r d e rt of i n d 锄ds c r e e i ll e a d c o m p o u i l d sa c c o r d i n gt h ed e v e l o p m e n t r e q u i r e m e n t so ft h e2 ls tc e n t u 巧n e o n i c o t i n o i dp e s t i c i d e ，w es t a r t e dw i mc o m m e r c i a l p e s t i c i d e sn i t e n p y r 锄，t h r o u 曲m a r u l i c hr e a c t i o n ，锄dp r e p a r e db yi n 们d u c i n g 孤 a r o m a t i cr i n gi n t oi l i t e n p y r 锄a 1 1 df o 肌i n gat e t r a h y d r o p 妒m i d i n e n gf i x e d c 括一c o n f i g u r a t i o n w ed e s i 印e da 1 1 ds y n t h e s i z e d2 6n e o n i c o t i n o i dc o m p o u n d si a i d ， i i e i i zw h i c hh a dn o tb e e nr 印o r t e d a l lt h e s et a 唱e tc o m p o u n d sw e r ec o n f i m e db y i r ，1 hn m r ，m s ，a n de l e m e n t a r ) ，a l l a l y s i s t h e i rp h y s i c c h e m i c a lp r o p 觎i e s ， s p e c n u mp r o p e r t i e s ，r e a c t i o nc o n d i t i o n sa n ds y n t h e t i cm e t h o d sw e r ed i s c u s s e da sw e l l t h es t m c t l l r eo f t a r g e tc 0 m p o u n d si a i d ，i i e i i zw e r ea sf o l l o w s ： r - o r 2 一 ( ) ( ) c 4 h 9 刚文国 o c 2 h 5 0 7 、o abc r 2 d eg h 叼c w m n rs 飞飞 x y z ( ) o p q u ( r ) v ( s ) k w t h ep r e l i m i n a r yb i o l o 西c a la c t i v i t i e st e s t so ft a 唱e tc o m p o u n d s ( i ) ，( i i ) w e r ef i n i s h e d i nz h 巧i a l l gc h e m i c a l i n d u s t 巧r e s e a r c hi n s t i t u t e ，b r a n c ho fn a t i o n a lp e s t i c i d er & d s o u t hc e i l t e r a n dw ea l s oc o m m i s s i o n e dn a t i o n a lc e n t e rf o rd r u gs c r e e n i n gt ot e s t n l ea c e t y l c h o l i n ea c t i v i t yi ns o m eh i 曲p e s t i c i d ea c t i v i t i e s t h el c 5 0t e s t so f s o m e c o m p o u n d sw e r ef i n i s h e db ys h a n 曲a ia c a d e n l yo fa 鲥c u l t u r a ls c i e n c e s 1 1 1 e g e n l l a nb a y e rc r o p s c i e n c ec o m p a i l yh e l p e du st o t e s tt h ei n s e c t i c i d a la c t i v i t yt o v 撕e t yp e s ti nd i 保；r e l l tc o n d i t i o n sa i l dm ep e s tr e s i s t a n ts 仃a i n s t h er c s u l t ss h o w e d t h a t ：m o s to fm ec o m p o u n d sh a d1 0 0 d e a mr a t ei n1 0 0m lt om er i c eb r o w n p l a l l m o p p e r ( m 缸p 以r ，眦细z 弓酽，z ) a n da l f a l f aa p h i do 仞 西，z p 讲c 口廖，z f ) o b v i o u s l yk i l l ， s o m eo fw h i c hs t i l lh a ds h o w n1 0 0 d e a t hr a t ei nt h e2 0m lt ot h er i c eb r o w n p l a n t h o p p e r ( m 却口，v 口f 口厶b 酽”) a n da l f a l f aa p h i d 括聊p 扰c c z 船f ) i th a ds h o w n i t se x c e l l e n tp o t e n t i a lf o r 血r t h e rd e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c h t b 缸r t h e re x p l o r et h e s t m c t u r e 锄da c t i v i t yr e l a t i o n s h i p s ，t h ec o m p o u n d si d ，i i h ，i i ka n di i nw e r eo b t a i n e d a 1 1 dt e s t e db ys i n 西e c 巧s t a lx r a ys i n 酉ec 巧s t a l d i m 。a c t i o n o nm eb a s e o f p r e l i m i n a 巧a i l a l y s i s o fc o m p o u n d si d ， i i h ， u ka i l di i n c 巧s t a l s t r u m 鹏 c h a r a c t 舐s t i c s ，m ec o m p o u n d sw e r ed o 凼n gs i m u l a t i o nb ya m t o d o c k4 o f o rt h e i n i t i a le x p l a i l a t i o no fi t sm e c h a n i s m k e y w o r d ：b i s a r o m a t i cn e o n i c o t i n o i d s ；n i t e n p y r 锄；c 如一c o n f i g u r a t i o n ；d o c k i n g m o d e l ：i n s e c t i c i d a l 问蜊币范大学硕士学位论文 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 名囱胁肌 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：压鼍嗍2 。f p 名 新鹤静肌驯以埘、 问上海师范人学 硕士学位论文 第一章文献综述与课题的提出 1 1 具有杀虫活性的新烟碱类化合物的研究进展 1 1 1 新烟碱类化合物的发展历程 在2 l 世纪，人类面临各项挑战，首当其冲的是人口、粮食和环境的并存问 题。世界的人口不断增加，耕地面积却逐年减少，同时土壤的沙化、盐渍化现象 也日趋严重，直接威胁到农业生产。农业是国民经济的基石，跟据联合国粮农组 织的资料表明：每年世界人口的增长约8 0 0 0 万，相应需增加谷物2 6 0 0 万吨。到 2 0 4 0 年，世界人口预计将达8 5 亿，新增的2 5 亿人口需要解决食品问题。为此， 人类必须将世界上现有农作物产量再提高3 倍，才能满足人口增长对粮食的需 要。面对如此巨大的压力，在众多解决方法中，农药的开发与合理利用将起到十 分重的作用。 农药的使用不仅可以有效地防治各种有害生物( 如：病毒、害虫、杂草) 对农 作物的危害，而且还可以促进农作物的生长，增强农作物的抗逆性。据统计，世 界谷物生产每年因病害损失达1 0 ，虫害损失达1 4 ，草害损失达1 1 ，而使用农 药可挽回1 5 3 0 的农作物产量损失。每投资农药一元可得到数元到数十元的经 济效益。同时农药仍是2 1 世纪农业必不可少的增产措施，也是化学工业发展的重 点之一【。 我国的农药工业是新中国成立之后发展起来的，生产能力和实际产量位居世 界前列。并且在改革开放以来，取得了长足进步，品种不断增多，种类也基本齐 全，基本能够满足国内农业市场防治病、虫、草害的需要。但目前我国已生产的 农药品种中，有不少是高毒、高残留、污染环境的，并且大部分是没有自主知识 产权的仿制品种。随着时代的进步，世界经济一体化的发展要求，专利保护和行 政力度的加大，创制具有自主知识产权的符合2 1 世纪农业发展要求的“环境友好 化学农药”新品种是当务之刹2 ，3 1 。 随着人类对自身生存环境的日益重视和对农药理解的日趋深化，2 l 世纪，人 类更需要对环境友好的农药，未来农药的发展将严格地受到环境和生态的制约， 并向着多元化、高层次的方向上发展。具体体现为追求“三高 ： 1 ) 高安全性，不仅要求毒性低，残留低，而且要求能降解，无公害； 2 ) 高生物活性，超高效农药的发展将使农药使用量由每亩几百或几十克降 问上海师范人学硕士学位论文 到十克以下； 3 ) 高选择性，几乎所有新农药品种都具有特定的作用方式，对靶标害物以 外的作物、益虫、人、畜等无活性【4 卅。 总之，这“三高”都基于一点，即保护人类的生存环境。因而，目l ； 农药开 发在强调高活性的同时，更注重安全性，确保非靶标生物、人类和环境的安全。 而现在有一类农药符合这些要求，因此它们也成为了目前农药研究的热点，它就 是烟碱类杀虫剂。 在过去的3 0 年里，新烟碱类杀虫剂的发现可以被认为是里程碑式的发展在农 药研究中。自从拟除虫菊酯类杀虫剂( p y r e t l l r o i d s ) 的商品化后【7 】，新烟碱类杀 虫剂再现了杀虫剂的快速发展并被引入到市场中。至2 0 0 6 年，新烟碱类杀虫剂的 世界年销售额近1 5 6 亿美金，占全球杀虫剂市场1 7 的市场份额。 正如天然生物碱( d ( 一) 烟碱，所有的新烟碱化合物表现出对昆虫中枢神经系 统( c n s ) 的受体口袋也即其分子靶标位点乙酰胆碱受体a c h r s ) 的选择性【8 川】。 因为这种关系，新烟碱类化合物成为一种非常有效的配体对于研究及理解昆虫 ”a c h r s 的结构和功能。并且不存在与杀虫剂领域中长期使用的杀虫剂品种的交 互抗性问题，因而新烟碱类杀虫剂取代了拟除虫菊酯类杀虫剂，有机磷、有机氯 类杀虫剂，氨基甲酸盐类杀虫剂或其他一些主要用于农作物保护的杀虫剂1 2 13 1 。 自从1 9 9 1 年的吡虫啉的发现，新烟碱类化合物成了一类很受欢迎的化学物质并被 杀虫剂抗性作用委员会i i l s e “c i d er e s i s t a i l c ea c t i o nc o m m i t t e e ( i r a c ) 归为 ( m o a ) 类。 由于这类化合物对与非靶标有机体的低风险，其高靶标特异性使之有了多方 面的应用。特别在对抗性虫害的农作物保护项目中。 早在1 9 7 0 年，加州莫德斯度的s h e nd e v e l o p m e n t 公司的生物研究中心发现了 一种作用于乙酰胆碱受体的硝基亚甲基饱和六元杂环新化合物。从此在大学开始 了开发此类化合物的随机筛选【1 4 】，s h e l l 公司发现 2 一( d i b r o m o n i t r o m e m y l ) 一3 一m e m y l - p 妒d i n e ( s d 0 3 15 8 8 ) ( 图1 1 ) ，具有未预期的 低剂量的对家蝇和叶蚜杀灭活性，对其取代吡啶环的优化首先获得了五元环的化 合物( c s d 0 3 15 8 8 ) ，然后是六元环的化合物( c s d 0 3 34 2 0 ，e = c h 2 ) ，其作用 于家蝇，叶蚜，蚊子等。进一步研究，s h e l l 公司发现了( s d 0 3 53 4 7 ，e = n h ) ， 2 问上海师范大学硕士学位论文 特别是( s d 一0 3 5 6 5 1 ，s 一7 1 ) 【1 5 - 。 t i m ef r a m e ：19 7 m 19 7 8 ( s h e h ) n m e h n y e c b r 2 n 0 2 c h n 0 2 s d - 0 3 1 5 8 8 n i t h i a z j n e ( e = s ) 叮l ：( l c p a r a t h i o n ，l c 5 0t e ) ( 【m p o u n d ) x10 0 图卜1 19 7 0 - 19 7 8 年新烟碱类化合物毒性指数 s h e l l 公司的分子设计表现为直接和合理，并最终导致其区分为硝基亚胺和硝 基胍。化合物的研究大量集中于硝基亚甲基亚胺骨架18 1 。如今噻嗪可以被认为 第一代新烟碱类化合物的先导结构。见下表1 1 ： 表卜1 新烟碱类化合物结构种类及商品化产品 d e v e i o p m e n tc o d e8 n dy ro ft h ef l r 毗i a u n c h bn o t m m e i 8 i l yu 8 e d 3 问上海师范人学硕士学位论文 电生理学及配体键连分析被用于指出噻嗪和硝基亚甲基化合物的乙酰胆碱 受体靶标位置 1 9 捌。噻嗪对成年家蝇有更好的活性，并且表现对朋p 口，1 帕朋 肠m p 相比柏拉息昂有1 6 6 2 倍的潜在活性，另外它有很好的内吸作用和对哺乳动 物的低毒性。可是，在田间试验中由于其易于快速的水解和光降解，噻嗪从未被 商品化并广泛的在农业生产使用中【2 1 ，2 2 1 。如下表： n h n v s i i c h n 0 2 厂一、 c p m 7 n y e x y 然而，许多年以后，1 9 9 7 年，以噻嗪为有效成分的一种灭蚊产品( q u i c ks t r i k e ， w e l l m a r k ) 被用于美国的动物健康保护。 早在上世纪8 0 年代，基于噻嗪的合成工作主要在现在的b a y e rc r o p s c i e n c ek k 公司完成。基于当时在日本的水稻保护，b a y e rc r o p s c i e l l c ek k 公司把获得针对半 翅类昆虫如( 叶蝉) 高活性的化合物作为筛选目标。同时为了在两周内能持续的 观察相关化合物与混合体系的作用，一种基于水稻幼苗的新的筛选方法也被发展 起来【2 3 1 。随着结构的优化，六元环的噻嗪被不同的氮取代含氮杂环的化合物替代。 i m i d a z 0 1 i d i n e 首先被发现其五元环结构具有最高活性，在1 位引入取代苯基后发现 活性提高，如引入氯代苯基。之后又发现氯代吡啶基的引入能提高活性并具有良 好的抗水解和光降解的稳定性【2 4 ，2 5 1 。 相比于噻嗪，吡虫啉的活性提高了1 2 5 倍对曲z 础卿，而相比s 烟碱化合物 更是提高了1 0 0 0 0 倍以上。同时在吡虫啉基础上噻虫啉也被开发出来【2 6 1 。在1 9 9 1 年，b a y e r 公司将吡虫啉引入市场开启了，新烟碱类化合物走向成功的新纪元，并 且这也被定义为现代农业杀虫剂领域发展的里程碑。同时吡虫啉也成为了最成功， 4 问上海师范大学硕十学位论文 高效，世界范围内销量最高的杀虫剂，同时也体现了其重要性在无脊椎害虫防治 对于农作物保护和动物虫害保护中f 明。而且这一切是在2 0 年前，在2 0 0 6 年在大多 数国家其专利保护期已过，从那以后其在世界范围内也得到更广泛应用。 表l - 2 部分商品化新烟碱化合物的结构片段 、口一h 6 仉一a 几 n n h n n 、n 0 2 n i t i n o i d n i t h i a z i n e n t n 3 2 6 9 2i m i d a c i o p r i d 吡虫啉极高的杀虫活性引起许多研究机构的关注，还包括一些农业公司下的 研究机构。相对原先的环结构新烟碱化合物，他们开始研究一类新的有着开链分 子特征的结构。目前在市场上主要有着七种商品化新烟碱化合物：三种环结构， 五元环结构的吡虫啉和噻虫啉( 德国拜耳公司) 【2 8 】以及六元环的噻虫嗪( 瑞士诺 华公司) 【2 9 ，3 0 1 ，四种开链结构，如烯啶虫胺( 日本武田公司) 【3 ，噻虫胺( 德国 拜耳公司) 【3 2 - 3 4 1 ，呋虫胺( 日本三井公司) 【3 5 3 7 1 。部分商品化化合物及发展史结 构见下图： 星 暑 蕾 詈 比 墨 暑 呈 羔 誊 言 z c 厂_ 、 n n h n 删a c 删d 1 n 、n 。z i 霪i 甄五 i a 氐钆 t h i a m e t h o x an ： n 、n o ， 玟 ! 照毛。1 9 魈 li m e n y m e n 、c n a c e t a r n i pr - d 3 几 n v s i j n 、c n 挚1 5 1 譬2 c ；。塌i l a a 可q 村似 n 、n 0 2 n 、n 0 2 n i t r o g u a n i d i n e s l n i t r o m e t h y i e n e s 2c y a n a m i d i n e s 3 图1 2 商品化新烟碱类杀虫剂按年代顺序排列 自从吡虫啉进入市场，新烟碱类化合物很快成为增长最快的杀虫剂化合物种 类。我们可以这样解释这种巨大的成功：独特的化学结构和生物活性，如：广谱 的杀虫活性，低剂量的应用性和多种应用方法，较好的内吸特征，如：它能被植 5 玟r 一 _ 互 同上海师范人学 硕士学位论文 物吸收和在植物体内传输，新的靶标和较好的安全性【3 8 】。然而，它们也受益于旧 的杀虫剂化合物由于其自身弊端增长而退出，如：有机磷类杀虫剂。在未来，其 他烟碱类化合物也会经历其专利保护期的结束，伴随而来大量新烟碱类化合物的 数量增长必将强烈影响全球杀虫剂市场。 i ? 7 弋； i v 延 - 一，r 、= ，1 、 i ：i ：，1、 目前的研究发现，亚甲基基团 c h 2 - 一般被用作桥链( r = h m e ) 。i i i 部分药 效团 n c ( e ) = x _ 叮 ，正如 - x _ - y 】是一种吸电子基团并且e 是n h ，n m e ，so r 6 问上海师范大学 硕士学位论文 除了生物活性的影响，这些药效基团也反映了一些物理化学的性质如：光稳 定性，泥土中降解性，植物和昆虫中的新陈代谢性质和对不同动物的毒性柑7 】。 在通过对比叠盖大多数的有杀虫活性的新烟碱类化合物，我们能够描述化合 物的分子类似形状，及其静电类似度对”a c h r 的亲和力【4 8 _ 5 川通过( c o m f a ) 的分 析。这种假设的模型很好的描述了如何识别新烟碱类杀虫剂在乙酰胆碱中的作 用。 1 1 3 新烟碱化合物的分子模拟对接研究 为了研究新烟碱类化合物和昆虫乙酰胆碱相互作用和设计新的化合物用于 农作物保护，确认和结构描述对于配体与受体的作用位点变得极其重要和有意义 【5 i 一5 6 】 o 乙酰胆碱的受体连接位点主要在乙酰胆碱受体两个亚型之间，细胞外亲水一 侧( 如：仅) ，a n da 印) 并且分别形成六个区( 1 0 0 pa f ) 在细胞外的末端，三 个环之间比邻的亚型之间起作用【5 7 侧。在2 0 0 1 ，具有可溶性的五聚体的乙酰胆碱 结合蛋白( a c h b p ) 单晶从淡水蜗牛二朋咒口甜s f 卿口凰中神经胶质细胞释放得到， 也被称( 三a c h b p ) 被报道后6 1 ，6 2 】，并从此相关单晶被公布的数量丌始增加，到 2 0 0 7 年这一数量增加到10 4 。由于其与以a c h r 的体系结构，a c h b p 被认为是 刀a c h r 的结构和功能上的一种替代。刀a c h r 的a 亚型结构用红色表示相对于被标 记为绿色a c h b p 如图1 4 ：【6 3 舶】 7 悯上海师范大学 硕士学位论文 b c l d 图卜4h a c h r 结构对比图 在l a c h b p 中很好的保留了”a c h r 中l d b 激动荆相关的关键残基。尽管事实 上工一a c h b p 并币是离子通道，但它表现了大量月a c h r 的性质。因此，a c h b p 也被 用于作为一a c h r 摸拟对接的模版，并被赋予大量的工作。他们的工作主要是更进 步观察分子如何决定其激动剂。如：新烟碱类化合物勺n a c h r 分别在各自结合 位点上作用 训。 埘于新烟碱类杀虫剂，它要求谷氨酸( g 1 n ) 残基q 7 9 在1 0 叩d 和甘氨酸 ( g l y ) g 1 8 9 在l pf 的d 7 砸型可以与硝基官能团如：n i t e p y = c h n 0 2 ，1 m l ， t h i a m ，c l o t h i 和d i n o t e = n n 0 2 7 ”。进一步研究发现，在大多数昆虫 非a 业型中赖氨酸和精氨酸的部分被发现。这些基本的残基可能与新烟碱类杀虫剂 硝基官能团作片j 通过静电作厢力或者氢键的作用( 舟1 5 ) ，从而加强新烟碱杀虫 剂与n a c h r 的作用m ”】。 同脯师范人学颂士学位论文 图1 5 吡虫啉与 c h b p 结合的同型二聚体，不同亚型分别以红色和绿色表示。 取代替换这些基本残基发现会导致杀虫荆对n a c h r s 的敏感度的减弱，但并不 减弱其亲和力。在昆虫的非亚型的l o 叩f 巾，芳香残基位于相对应的异亮氨酸( i l e ) 1 9 l 的n 7 亚型上，并且色氨酸残基被频繁观察到。基于对于7 受体上的变化研究， 我们可以假设在l o o p f 上的色氨酸残基同样也加强了杀虫荆与受体之间的作用【7 5 】。 月a c h r s 离子通道模型见( 图1 6 ) 。 圃上海师范大学硕一l 学位论文 图l q 昆虫新烟碱乙酰胆碱受体的离子通道模型 i 1 4 烟碱的药效模型 起初来自构效关系的研究中，在新烟碱类化合物与( s ) _ 烟碱的对比中，两种 模型i 和1 i ( 图卜7 ) 暗示着卜氮的首要角色。在1 9 9 5 年，y a m a l i l o t o 等人认为6 一氯 一3 一吡啶环上的n 原子和啦虫啉环上n 原子与n a c h r s 上富含h 的位点作用，正如它们 的作用距离非常接近于同样在( s ) 一烟碱上两个n 原于的作用距离。之后发现在溶 液中，这两个n 都被包含在h 键作用中。其中9 0 的h 键作用形成于吡啶n 。这些 发现以及y 锄a r i l o t o 等最初的推测，被g 叫o n 等人报道描述了出来【7 臼。这种结 论是依据观察到的( s ) 烟碱与a c l l b p 的结合情况【5 8 删。另一方面，k a g a b 0 “1 推测 悯上海师范大学硕十学位论文 n 原子在吡虫啉环1 号位上的n 和在硝基胍药效团上硝基上的一个o 原子在与 刀a c h r s 结合作用上扮演了重要角色，如模型i i 【2 2 1 。这也就意味着硝基上。原子和 氰基的n 被作为，l a c h r 的h 的受体，而不是c t m 或c p m 上的n 。因此，共轭体 系上硝基亚甲基，硝基胍基团，以及其共轭吡啶环1 位的n 被认为是新烟碱化合 物与昆虫的刀a c h r s 结合的本质部分。可是，c o m f a 模型证明c p m 部分上n 与 以a c h r 上h 的作用，以及吡虫啉环上1 位上n 与负电荷结合作用【4 9 ，5 0 1 。所以第三种 模型i i i 也是最近的一种模型。包括吡虫啉的重要部分硝基胍或硝基亚甲基，同时， c p m 部分上n 也作了重要贡献，吡虫啉环1 位上作为补充角色，模型i i i 的首次确 认是通过i m i 与仅7 刀a c h r 对接，基于a c h b p 如图( 卜7 ) 。 ( a ) 滁队。式 砸卜吩o a e ( 三：当_ ( ) 一_ 一一甲h 。，d e a c h t r x _ c h ，n 一。 f 印- n i c o t i n e c i m o d e i i 图卜7 ( a ) 为乙酰胆碱和( s ) 一烟碱相互作用。( b ) 为新烟碱与新烟碱乙酰胆碱受体相互作用及l 到i | i 的模型。 同h 海师范人学 硕十学位论文 1 15 环状与开链新烟碱化舍物的比较 在对比新烟碱类相关的五六兀环体系化合物与开链化合物后我们发现它们 广泛存在相类似活性【18 j 2 ，8 ”。通过c o m f a 分析，帽对于i m i 的结合模型，新烟碱类 丌链化合物被描述为( 如图卜8 ) ： 、 7 ： 一s l e c a l l yr e s t r b t e d ，p e n l s s i b l e + 0 i e c l s t 乱i ci n t e 眦 v a nd e rw a a i si n t e r 删o n 图卜8i in l t e p y 和 c e t 圳的稳定构型匣其可预见的键位作用 这种模型反映了c p m 部分的n 与 a c h r 中h 受体的结合作用，氢化毗啶环上 l 位n 原子与负电荷作用。将五元环的吡虫啉与丌链化合物如：烯啶虫胺和啶虫 眯重叠，发现丌链化台物更趋向与硝基o 原子上的负电荷为作用区域。另一方面， 这种空问排句禁止了毗虫琳在3 值n 原子作为一种重要作用位点州，显然，对于 问上海师范大学硕士学位论文 开链化合物而言这种空间相互作用更加重要。在电生理学的测试中，吡虫啉表现 为对以a c h r 最大响应，而开链化合物得到一个更强的最大响应甚至超过a c h ，被 定义为一个完整激动剂【8 5 8 6 1 ，其他相关无环新烟碱化合物也能够展示出相同作用 在s ad ：胆刀a c hh 受体表达在j 白力印螂肠洲括( d a u d i n ) ，这也预示着开链化合物本 质上起着超级激动剂的作用。 总的来说含n 的芳香甲基基团如：c p m ( i m i ，t h i a c l ，n i t e p y ，a c e t a m ) 和c t m ( t h i a m ，c l o t h i ，a k d 1 0 2 2 ) ，有非常明显的影响对于坏状或开链的新 烟碱类化合物的杀虫活性。与以上两种官能团对比，通过电子等排的替换t f m 基团( 如：d o t e ) 导致h 键受体的明显减弱。基于环的原子排列证明了d i n o t e 的四氢呋喃坏正好与其他新烟碱类化合物芳杂环体系正交【删。 最后，丌链化合物与以a c h r 的结合位置类似于i m i 环状化合物，并且开链和环 状新烟碱化合物的静电性质影响其键的结合力。 1 1 6 新烟碱类杀虫剂的选择性 昆虫和脊椎动物都有乙酰胆碱受体，但不完全相同。新烟碱类杀虫剂作用于 昆虫的乙酰胆碱受体( 胛a c h r s ) ，阻塞其离子通道将昆虫致死，而对脊椎动物的 乙酰胆碱受体敏感性较差，表现出对人和哺乳动物的低毒性，具有高选择性【8 7 - 8 引。 另外，新烟碱类杀虫剂在土壤中可降解，流动性不强，对地下水的污染较小，同 时对后茬作物几乎无副作用【8 9 1 。因此，新烟碱类杀虫剂的创制符合人类生存和 发展的要求，符合环境友好型社会的要求，符合2 1 世纪农药发展的要求，其开发 和应用前途一片光明。 回上海师范大学硕士学位论文 1 2 课题研究的目的和主要研究内容 1 2 1 课题研究的目的和设计思路 1 2 1 1 本课题的研究目的 综上所述，由于新烟碱类化合物有较好杀虫活性和高安全性、选择性。但近 几年随着其本身的使用，害虫的抗药性及其与不同品种农药的交互抗性问题，使 其表现为急需开发新一代新烟碱类杀虫剂。基于此本文为了寻找符合未来要求的 新烟碱类杀虫剂及筛选具有高药效、低毒性、易降解的先导化合物，设计了2 6 个未见文献报道的新型烯啶虫胺类似物，期望有较好的杀虫活性，并准备对其中 一些具有较高杀虫活性的化合物进行单晶培养及晶体结构测定和杀虫活性的初 步测试，分析其构效关系( q s a r ) ；通过分子对接这种模拟计算药物筛选手段 来解析其原因，并为其进一步结构改进寻找方向。 1 2 1 2 目标化合物i a i d 和i i e i i ：的分子设计 本文在具有高杀虫活性的商品化杀虫剂烯啶虫胺( n i t e n p y r 锄) 的结构基础 上，进行结构修饰，改造。首先通过形成四氢嘧啶环改变烯啶虫胺的抛，z 构型， 将其固定为c 西构型，并且同时引入第二个芳香基团或类似芳香基团的环烷基 ( 如：环己烷，四氢呋喃环) ，另外我们对四氢嘧啶环和芳香基团之间的柔性链 的长短及侧链取代基( 酯基和烷基) 的影响和芳香基团上取代基( 烷基，卤素) 的影响进行考察。设计合成一系列未见文献报道的新化合物，期望获得高杀虫活 性，设计思路如下： 1 2 2 课题研究的主要内容和研究方法 1 2 2 1 合成路线的确定 设计合成路线及预期成果如图： 1 4 a n b 一) r n n 同上海师范大学硕十学位论文 c 。9 叫2 c 竺麓。9 洲2 n h c h 2 c 篡c 盯 c h 3 n h 2 3 7 n i t e n p y 旧m 4 1 2 2 2 合成路线评价 n h 2 r 3 7 h c h o e t 3 n ，e t o h 7 0 ，| 酣u x i n g 叫矿甲爪 c 。仃( 甲 5 烯啶虫胺的合成采用经典合成路线，简洁方便。目标产物的合成利用类 m a l l l l i c h 反应，反应产率高，后处理方便。 1 2 2 3 研究内容和方法 本文拟用上述路线合成2 6 个未见文献报道的新化合物并测定其物理常数，初 步分析它们的物理性质。 用1 hn m r 、i r 、m s 、元素分析等测试手段鉴定目标化合物的结构，并初步 分析目标化合物的波谱性质。 对部分化合物进行单晶培养并进行x 射线衍射晶体结构测定，初步探索其结 构与生物活性的关系，并对其晶体结构进行初步分析。 计划委托国家南方农药创制中心浙江化工研究院农药生测研究所完成系列目 标化合物杀虫活性初步测定；计划委托国家新药筛选中心对个别高活性目标化合 物进行乙酰胆碱活性的测定；计划委托上海农科院完成化合物的l c 5 0 测试；计划 委托德国拜耳作物科学公司对化合物进行多种科目害虫的杀虫活性测试和抗性 品系的杀虫活性测试。 利用高速计算机，进行目标化合物的分子模拟对接，分析构效关系并为进一 步设计和改进目标化合物的结构寻找方向。 圃上海师范大学硕士学位论文 第二章烯啶虫胺类似物的合成及晶体结构的研究 2 1 烯啶虫胺类似物的合成路线 新烟碱化合物具有很重要的生物活性，其中烯啶虫胺以杀虫谱广不易产生抗 药性、渗透内吸作用强、持效性强、高效无公害成为重要的杀虫剂商品。目前有 两种成熟合成烯啶虫胺的方法。经过综合考虑，本文以第一种方法合成烯啶虫胺， 然后与合成的氨基酸乙酯盐酸盐、芳香胺和脂肪胺，分别经过类m a n n i c h 反应成 四氢嘧啶环合成了共2 6 个烯啶虫胺衍生物，其结构经1 hn m r ，i r 、m s 和元素分 析得到确证。中问体氨基酸酯盐酸盐和烯啶虫胺分别按文献【9 0 ，9 1 】的方法合成。 目标化合物的合成路线为： 1 6 问上海师范人学硕士学位论文 c 9 洲捌竺麓9 刚州邺羔a c h 3 n h 2 - - - - - - - - - 3 7 2 n i t e n p y r a m 4 5 a 5 d = n h 2 r 16 e _ 6 z = n h 2 r 2 5 a 一列 3 7 h c h o e 1 3 n ，e t o h - - - 7 0 r 酣u ) i n g 2 5 严4 h o。 即地2 刚。x 囝 o o c 。h ；o 、o 、 r 22 ( ) ( ) abc n 3 c i n n 0 2 0 印巾1 i 厂i d 0 2 n d n 矿，如 n ，i i z 的巧3 奴f 叼u 洲 eg h w c 。飞w mn o p q ( s ) rst xy z 2 2 实验部分 ( ) u ( r ) 图2 1 目标化合物( i ) ，( i i ) 及其合成路线 v ( s ) k 2 2 1 仪器和试剂 熔点用x t 4 a 显微数字熔点测定仪测定( 未经校正) ； 1 hn m r 用b r u k e r w a 讼n c e 4 0 0m h z 超导核磁仪测定( t m s 为内标，c d c l 3 、d m s o 比为溶剂) ； i r 用n i c o l e t 5 d xl m i r 型红外光谱仪测定( 范围4 0 0 0 4 0 0c i i l ，k b r 压片) ；e i m s 用t r a c em s 2 0 0 0 质谱仪测定，e s i m s 用w a t e r sm i c r o m a s s l c tl i q u i d 1 7 峨上海师范大学硕士学位论文 c h r o m a t o g r a p h y _ m a s ss p e c t r o m e t e r _ c o m p u t e r 质谱仪测定，元素分析用 p e r l 血一e l m e r 2 4 0 0 型分析仪测定；比旋光度由w z 压3 自动比旋光仪测定；单晶 结构用b r u k e rs m a r t 型四圆衍射仪测定：所用试剂均为市售分析纯以上。 2 2 2 目标化合物的合成 2 2 2 1 中间体氨基酸乙酯盐酸盐及目标化合物i a i d 的合成 合成中间体氨基酸乙酯盐酸盐，我们首先进行s o c l 广乙醇醇溶液的配置。 在2 5 0m l 的三口瓶中( 带干燥碱液吸收装置) 中加入1 5 0m l 乙醇，用冰盐浴 冷却到一1 0 度以下，在磁力搅拌下滴加2 1 6 0m l ( 约3 0 0 姗【i 1 0 1 ) 新蒸的s o c l 2 ， 控制滴加的速度使体系的温度不超过o ，反应lh 后自然升至室温，得到1 5 0 m l 的2m 0 1 l 的s o c l 2 一乙醇溶液，然后将上述溶液移至棕色试剂瓶中密封， 避光保存。 接下来，在1 0 0m l 的三口瓶上安装冷凝回流装置( 接氯化钙干燥碱液吸收 装置，并套气球) ，滴液漏斗和温度计。将5 0m l 乙醇加入反应瓶中，在冰盐浴 下，冷却到1 0 以下后，缓慢滴加3 6m l 新蒸的s o c l 2 ，控制滴加的速度使体 系的温度不超过o 。滴加完毕后继续搅拌lh 。将上述溶液转至3 7 5g 甘氨酸 ( 5 0i i l 】m o l ，注：其他氨基酸均为5 0m m 0 1 ) 的1 0 0m l 单口烧瓶中，加热回流l h 后，用减压蒸馏除去乙醇和过量的s o c l 2 ，得白色固体( 有些氨基酸乙酯栽酸 盐带有微黄色) 。到此，氨基酸酯盐酸盐已基本制各完成，但为了使原料充分反 应，将上述固体溶解在第一步中的s o c l 广乙醇溶液，加热回流lh ，减压蒸馏 并干燥后，刮下固体后，放在培养皿中，上扣表面皿，置于真空干燥箱，干燥并 保存。 室温下，2 氯5 一氯甲基吡啶滴加到乙胺水溶液中，搅拌1 5h 。浓缩反应混合 液，残留物用n a 2 c 0 3 溶液中和，用乙醚萃取，无水m g s 0 4 干燥，蒸出乙醚后，得黄 色液体，即得n 乙基2 氯5 一吡啶甲基胺，收率4 5 往1 ，1 ，1 三氯2 硝基乙烷的氯仿溶液中加入n a 2 c 0 3 溶液，n 乙基2 氯5 吡 啶甲基胺，控温( 2 7 ) ，搅拌4 0m i n ，得中间体( 3 ) 。在( 3 7 ) 下，把甲胺水溶液 滴加到上述混合液中，控温( 3 7 ) ，搅拌3 0m i l l 。在室温下搅拌3 0m i n 。用氯仿 萃取，浓缩后的残留物中加入乙醚并冷却，即有黄色结晶析出，得i l i t e n p y r 锄。 问上海师范大学硕士学位论文 室温下，将i l i t e n p y r 锄( 9 8m m 0 1 ) ，氨基酸乙酯盐酸盐( 1 1 9 姗m 0 1 ) ，三乙胺 ( 1 7m l ) 和( 1 9 1m l ，3 7 ) 甲醛水溶液在2 0m l 乙醇溶剂中混合，然后在微波反 应器中于5m i n 内加热到6 0 一7 5 ，并在此温度下搅拌3 0m i n 。反应产物减压蒸 馏除去溶剂后得到油状粗产品，将其填充到硅胶色谱柱中，在乙酸乙脂石油醚 中洗脱分离得到纯的目标产物i a i d 。 2 2 2 2 目标化合物i i ，i i ：的合成 室温下，2 氯5 氯甲基吡啶滴加到乙胺水溶液中，搅拌1 5h 。浓缩反应混合 液，残留物用n a 2 c 0 3 溶液中和，用乙醚萃取，无水m g s 0 4 干燥，蒸出乙醚后，得黄 色液体，即得n 乙基2 一氯5 吡啶甲基胺，收率4 5 往1 ，1 ，1 三氯2 硝基乙烷的氯仿溶液中加入n a 2 c 0 3 溶液，n 乙基2 一氯5 吡 啶甲基胺，控温( 2 7 ) ，搅拌4 0m i n ，得中间体( 3 ) 。在( 3 7 ) 下，把甲胺水溶液 滴加到上述混合液中，