（有机化学专业论文）嘧啶苄胺类化合物除草作用机制的研究.pdf

浙江大学硕士研究生毕业论文 摘要 本文通过支链氢基酸恢复实验、a l s 离体和活体抑制实验及代谢产物提 取实验对嘧啶苄胺类化合物除草作用机制进行系统研究，提出了嘧啶苄胺类 化合物新除草作用机制。 l 、氨基酸恢复实验结果表明嘧啶苄胺类化合物在植物体内阻断了三种支 链氨基酸( 亮氨酸、异亮氨酸和缬氨酸) 生物合成的共用路线。 2 、嘧啶苄胺类化合物对离体和活体a l s 活性抑制实验结果表明嘧啶苄胺 类化合物是活体a l s 抑制剂，在植物体内它们通过生物活化而抑制植物的 a l s 活性。 3 、预先合成一批原药及其潜在代谢产物化合物。除草剂z j 0 2 7 3 与代谢 产物用丙酮提取，经柱层析分离，分别用h p l c u v 和l c m s 进行检测。实 验结果表明，喷药处理油菜提取物含有除草剂z j 0 2 7 3 及其代谢产物2 f 4 ，6 二 甲氧基一嘧啶- 2 一氧基) 一苯甲醛及4 - 【2 一( 4 ，6 二甲氧基嘧啶2 氧基) 苯酰胺1 苯甲 酸丙酯化合物。 以上结果表明嘧啶苄胺类化合物在植物体内可以代谢为嘧啶苯甲醛衍生 物与嘧啶苯酰胺衍生物。嘧啶苄胺类化合物通过生物氧化及c n 键的生物裂 解，生成嘧啶苯甲醛衍生物；嘧啶苄胺类化合物在植物体内生物氧化生成嘧 啶苯酰胺衍生物，其结构不稳定还可能转变为嘧啶水杨酸类化合物。这些代 谢产物都是a l s 直接抑制剂，对a l s 具有离体和活体抑制活性。所以嘧啶苄 胺类化合物在植物体内通过生物活化为这些活性化合物，抑制活体a l s 活性， 阻碍支链氨基酸的生物合成，减缓植物生长，达到除草的目的。 关键词：嘧啶苄胺类化合物，z j 0 2 7 3 ，a l s ，生物氧化，除草作用机制 浙江人学坝i 。 l j i _ 究生毕业论文 国内外研究概述 嘧啶类除草剂自1 9 8 4 年首次报道以来，研究此类化合物结构的日本组合 化学、韩固l g 等，己j t 发出许多品种，如：用于直播水稻田的农美刹、棉用 的棉草净等。这类化合物都是乙酰乳酸合成酶( a l s ) = 【l j n n ，抑制了植物的 支链氨基酸的生物合成。这类化合物大都具有杀草谱广、活性高、刑作物安 全、环境友好、低毒等优点。 1 1 支链氨基酸生物合成 植物和微生物的支链氨丛酸如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸的生物合成 1 6 , 7 , 2 9 , 3 4 , 5 1 , 5 2 , 6 8 都通过共同的机制进行( 图1 ) 。这一机制中的三个途径需要四种 共同的酶催化，乙酰乳酸合成酶( a c e t o l a c t a t es y n t h a s e ) 、酮醇还原异构酶 ( k e t 0 1 a c i dr e d u c t o i s o m e r a s e ) 、二羟基酸脱水酶( d i h y d r o x y a c i dd e h y d r a t a s e ) 和支链氨基酸转氨酶( b r a n c h e d c h a i na m i n oa c i dt r a n s a m i n a s e ) ；另外，异亮氨 酸的生物合成还需要三利酶。显然这些生物合成途径和酶都存在于细胞质体 内。! t h n ；n e t h r e o n i n c j 。o “o 时h “j ” _ v a l e a c e l o l m c l a f c s y n l h * ”k p y r u v 8 ” ，o o ” f 。 “n 。a ”d 。p ! h m 帅m m “一m c r n 妊n a d p i ”“一。洲 下”d i h y d r o t y m c l d d e h y d r a t s s e ￥“刊二3 - 1 s o p r 。o p y 。l m d 。 j l 2 ) a t “，a r 。t n - - t 。 i s o l e u c i n ev a l i n e 图1 支链氮基酸的生物合成 f i g u r e1b i o s y n t h e t i cp a t h w a yo ft h eb r a n c h e d c h a i na m i n oa c i d 戈 洲 ：戌 一 浙江人学顺- l ：t j f 究生毕业论文 1 2 乙酰乳酸合成酶( a l s ) 1 2 1乙酰乳酸合成酶概述 乙酰乳酸合成酶( a l s ；e c4 1 3 1 8 ) 7 , 2 1 , 4 0 , 4 9 , 5 1 , 5 7 , 6 0 , 7 7 1 作为支链氨基酸生 物合成中的第一个酶，催化两个分子丙酮酸或一分子丙酮酸与一分子n 一丁酮 酸缩合分别生成成乙酰乳酸或乙酰羟基丁酸，进而通过一系列反应最终生成 缬氨酸、亮氨酸与异亮氨酸。这种合成过程的最终产物缬氨酸、亮氨酸与异 亮氨酸反馈抑制a l s 的活性，从而成为调控植物体内支链氨基酸生物合成的 机制。 目前人们已经知道，a l s 是一种黄素蛋白，它必须由黄素腺嘌呤二核苷 酸( f a d ) 3 9 1 、硫胺焦磷酸( t p p ) 1 l 1 4 3 0 1 以及一种二价金属离子( 通常为m 9 2 + ) 等辅因子的共同存在下爿具备催化活性，而目前所有的a l s 抑制剂中没有一 种除草剂与a l s 的辅因子( f a d 、t p p 以及m 9 2 + ) 、天然底物 4 , 8 , 2 7 , 4 5 , 5 n 6 7 1 ( 丙 酮酸和a 一酮基丁酸) 或是变构因子( 缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸) 等在化学 结构或其他方面表现出明显的相似性。 0 生长 圈2a l s 抑制剂抑制支链氨基酸生物合成示意图 f i g u r e2 a l si n h i b i t o rr e s t r a i nb i o s y n t h e t i cp a t h w a yo f t h eb r a n c h e d c h a i na m i n oa c i d 乙酰乳酸合成酶( a l s ) 作为支链氨基酸生物合成中的第一个酶，被证实 是一种最重要的除草剂作用靶标 2 3 , 2 5 3 3 , 7 7 。乙酰乳酸合成酶( a l s ) 抑制剂， 通过抑制植物的a l s ，阻止支链氨基酸如缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸的生物 合成，最终破坏蛋白质的合成，干扰d n a 合成及细胞分裂与生长，进而使其 植物本体死亡达到除草的目的。 1 2 2 乙酰乳酸合成酶作用模式理论研究 a l s 抑制剂与a l s 的结合部位已经明显不再是酶的催化或调节等功能性 部位。为此rs c h l o s s l 6 1 , 6 2 1 曾经使用“无关部位抑制剂( e x t r a n e o u ss i t e i n h i b i t o r s ) ” 浙江大学硕士研究生毕业论文 一词来描述它们的作用方式。 i m u r a r i 5 4 1 等人在对5 6 种吡啶磺酰胺类除草剂进行定量构效关系研究的基 础上，提出了一个吡啶磺酰胺类除草剂与a l s 相互作用的可能模型，如图3 所示。根据这一模型，吡啶环是一个疏水性的结合部位，其中包围吡啶环3 位取代基的结合区域只能容纳数量有限的原子，而在r 3 基团附近的结合区域 也是非常有限的。嘧啶环或三嗪环主要与受体发生电荷转移相互作用，并且 这一相互作用要受到取代基x 1 以及基团z 立体效应的影响。 f 虻神l 甜 越 饕 l 燃篇，唧m 图3 吡啶磺酰胺类除草剂的作用模型 f i g u r e3 a c t i o n m o d e lo f p y f i d y l s u l f o n y l u r e a s a k a g i l 5 1 针对绝大多数a l s 抑制剂都含有一个弱酸型结构单元，在生理条 件下它们都可以发生电离的实验事实而提出了一种铵离子结合模型，如图4 所示。他认为，a l s 抑制剂电离后形成的负离子可能与受体相应的正离子部 位相结合。为计算方便，他以n h 4 + 代替受体的正离子结合部位。然后，采用 药效基团搜索的方法将磺酰脲、磺酰胺以及嘧啶( 硫醚) 类除草剂的杂环部 分叠加在一起，而n h 4 + 则定位在距离杂环相同的位置上，磺酰脲、磺酰胺以 及嘧啶( 硫醚) 类除草剂分子中三种酸性单元以不同的方式与n h 4 + 相结合。 这一模型能较好的定性解释磺酰脲、磺酰胺以及嘧啶( 硫醚) 类除草剂的构 效关系。 i 删n 洒n 0 1 图4 a l s 抑制剂的铵离子结合模型 f i g u r e4 h y p o t h e s i z e dr e c e p t o rm a p p i n go f a l si n h i b i t o r , s 国内的杨光富等人 8 0 , 8 1 1 也找到了一个类似的作用模型，见图5 所示。他们 认为磺酰脲和稠杂磺酰胺类除草剂的结构与活性之间的关系是基本一致的， 而嘧啶氧( 硫) 醚类化合物的结构与前两种化合物表现出一定的差异。 浙江人学顺上研究生毕业论史 譬。鹞 图5 磺酰脲( 胺) 类除草剂( a ) 及嘧啶氧( 硫) 醚类除草荆( b ) 与a l s 相互作用模型 f i g u r e5 a c t i o nm o d e lo f s u l f o n y l u r e a sa n ds u l f o n a m i d e s ( a ) a n dp y r i m i d y le t h e r s ( b ) 上述三类抑制剂在与受体相互作用时，杂环部分主要起供电子作用，与 受体之间存在电荷转移相互作用，而苯环与受体主要以疏水作用相结合，其 取代基对疏水作用起调节作用。磺酰脲和稠杂磺酰胺的桥链磺酰基氧原子由 于带有大量负电荷而与受体正电部位相互结合，而桥链s 原子由于带有较大 量的负电荷，因此认为它与受体可能存在静电相互作用，同时苯环的邻位吸 电子取代基也是一个重要的静电作用位点，嘧啶水杨酸类抑制剂分子中的羧 基原子与受体正电部位相互作用，其桥链氧原子以及杂环二甲氧基中的氧原 子都是重要的氢键结合部位。不同类别a l s 抑制剂对a l s 抑制作用机制稍有 不同5 0 6 ，3 6 ，3 8 4 4 4 8 ，5 8 “，6 6 1 ，但这些抑制剂均属于“无关部位抑制剂”，也就是说 这些a l s 抑制剂与a l s 的结合部位并不是a l s 本身的活性部位，而只是在 其活性部位的附近，或者是在酶的变构部位。 1 2 3a l s 晶体结构研究 p a n gs s 等人【4 6 5 6 ，6 3 】最近发表了酵母菌a l s 的晶体结构，a l s 晶体中包含 有多肽同二聚体，2 分子f a d ，2 分子t p p ，2 个m g ”，2 个k + ，3 个磷酸根 和3 2 5 个结晶水。 酵母菌a l s 催化中心整体结构： 由最顶端的蛋氨酸为起始点，每个单体分为3 个结构域，分别为n 结构 域( 8 5 2 6 9 ) ，1 3 结构域( 2 8 1 4 5 8 ) 和y 结构域( 4 7 3 6 4 3 ) 。图6 ( a ) 、( b ) 中，由不同的视角显示晶体的整体结构，2 个。结构域和2 个y 结构域组成一 个中心区，在中心区两边各有1 个b 结构域。 浙江大学删十鄙f 究生毕业论史 每个独方的单体都自个包含有1 个6 股日折叠为中心存周同一自儿个d 螺旋组成的一口构型。在q 和y 结构域的0 折叠都有相同的r i c h a r d s o nl x ， 一2 x ，一k 致，1 x 拓扑结构，b 结构域的b 折叠为r i c h a r d s o no f i x ，1 x ，3 x ，l x ，l x 拓扑结构。a 结构域还有一个额外的来自a 结构域的n 和c 端的反平行b 折 叠( 2 个短段) 。 f i g u r e6 ( a ) a n d o r t h e g o n a lv i e w so f t h ec a t a l y t i ca u b u n i to f d i m e r i ey e a s ta l s t h ea d o m 8 m 88 r ec o l o r e dg r e e n ， h d o m a i n sb l u ea n d ￥- d o m a i n sm a g e n t a ；b - s t r a n d si n a l l d o m a t l sa r cc o l o r e dy e l l o w f a da n d f h d pm o l e c u l e sa r ed e p l c t e da ss t i c km o d e l s ( c 1t h e s t “c t u ”o f m o n o m e r ao f y e a s t a l st h e m g “a n c h o r e d t o t h et h d p i ss h o w na sa n 。r a n g e c p ks p h e r e af l e x i b l es e g m e n tj o i n i n gr e s i d u e s2 7 1t o2 7 9i s n o t o b s e r v e di nt h ：c h s f a l s t n a c m r e ，b u th a sb e e nm o d e e di n t ol h ei m a g e sf o rc o m p l c l a n a s s 浙门，大学彤、f 研究生毕业论克 活性部位： a l s 由2 个活性部位，他们分别位于酶的相对的两侧( 图6 a ) ，每一个活 性部位都l j 两个单体的氨基酸残基相接。 t p p 结合位点： t p p 位于两个单体活性部位的内侧。t p p 的焦磷酸部分与m g 和y 结构 域的氨基酸残基相互作用。直接作用包括磷酸根氧原子和h i s 5 0 0 a s p 5 5 0 ， s e r 5 5 2 及a s n 5 7 7 的侧链蟓予问及与g l n 4 9 9 ，i i i s 5 0 0 。，a l a 5 5 1 及s e r 5 5 2 主链 原子问的氢键。t p p 的双环结构和一单体的t y r l1 3 ，g l y l l 5 ，o l u l 3 9 ，| 1 h r l 6 2 及 p r 0 1 6 5 ，另一单体的m e t 5 2 5 。与m e t 5 5 5 。以v a nd e rw a a l s 力相j l 作用。 f i g u r e7 ( a ) as c h e m a t i cd i a g r a mi l l u s t r a t i n gt h er e s i d u e sc o n t a c t i n gt h et h d pm o l e c u l ef b l v i e wo f t h e a c t i v es i t es h o w i n g t h er e l a t i v e l o c a t i o n s o f t h d p , m d a n d t h e f l a v i n r i n go f f a d i nt h ed i m e ri n t e r f a c eo f y e a s ta l s ( c ) c o n m c t sb e t w e e na l s ，t h d pa n dm g ”c 。0 r d i l l a t i d i s t a n c e ss h o w na sb r o k e nl i n e st om g ”a r ei nt h er a n g e2 0 2 3a a l s 晶体结构的阐明详细解释了f a d 的构造与在活性部位的位詈。a l s 的晶体结构为新除草剂的生物合理设计开创了新起点。 浙江人学顾卜研究生毕业论文 1 3 主要a l s 抑制剂抑制作用模式 目前文献报道的a l s 抑制剂至少有1 3 类以上不同的结构7 1 ，如：磺酰 脲类、嘧啶水扬酸类、磺酰羧酸胺类、磺酰嘧啶酰胺类、三嘧啶磺酰胺类和 咪唑啉酮类等。 a l s 抑制剂的突出特点是：( 1 ) 选择性强，对作物高度安全：( 2 ) 活性 高，其生物活性超过传统除草剂1 0 0 1 0 0 0 倍；( 3 ) 杀草谱广，大多数品种 均能有效地防除大多数种类的阀叶草；( 4 ) 毒性极低，由于动物体内缺乏支 链氨基酸合成途径，而是从植物性产品中获取此类氨基酸，因此，a l s 抑制 剂对人和动物的毒性极低，其急性毒性往往低于食盐。 由于a l s 抑制剂普遍具有超高效、低毒副作用等卓越性能，所以这方面 的研究工作一直受到普遍关注。利用a l s 的晶体结构，可以进行除草剂分子 生物合理设并确定这些a l s 抑制刺的作用位点，目前人们主要还是在随机筛 选的基础上对已知的a l s 抑制剂进行系统研究，不断总结构效关系，期望充 分了解a l s 抑制剂分子的结构特征和内在关系。 1 3 1 磺酰脲类 从磺酰脲化合物 1 1 , 1 2 , 3 1 , 7 2 】的结构与对a l s 的抑制作用来看，芳环、脲桥与 杂环三部分均起着重要作用。 0 单洲眦一w 5 y 甲嘧磺隆与a l s 的辅因子一硫胺素焦磷酸的结构非常相似 6 ，它们均含 有取代嘧啶，远离嘧啶有一个双键三方中心( 甲嘧磺隆中有一个羰基，硫胺 素焦磷酸中有一个噻唑氮) ，在催化时，脱离甲嘧磺隆的胺磺酰和硫胺素焦磷 酸中的噻唑环的c 2 碳三键均带负电荷。如果甲嘧磺隆的羰基丧失其芳环， 则其胺磺酰“环”的体积便与硫胺素焦磷酸的噻哗环相似，园此，硫胺素焦 磷酸的噻唑环在催化时仅在酶的c 2 进行离子化，其p k 值约1 8 ，而甲嘧磺 隆的胺磺酰p k 值约5 ，据此认为，甲嘧磺隆是a l s 反应中间产物的类似物。 【s c h l o s sjv e ra l ，1 9 9 0 a l s 在存在m 9 2 + 与m n 2 + 等二价金属离子时，与硫胺素焦磷酸缓慢形成 可逆络合物。在3 7 、p h 7 8 以及在m 9 2 + 时，a l s 释放出硫胺素焦磷酸，而 高浓度甲嘧磺隆( 1 m m 0 1 l ) 则使硫胺素焦磷酸变化速度下降，因此，甲嘧磺 隆不与辅因子束缚点竞争，而是截留酶的硫胺素焦磷酸( s c h l o s sjv1 9 9 0 ) 。 进而证明，甲嘧磺隆与a l s f a d m 9 2 + 及硫胺噻唑酮焦磷酸之间形成近乎不 可逆的络合物结合，逆转a l s f a d t p p m 9 2 + 一脱羧丙酮酸复合物并竞争第二 个丙酮酸结合点。 1 3 2 眯唑啉酮类 咪唑啉酮其分子结构包含酸、主链与咪唑啉酮环，它们都是化合物活性所 必备的条件。 浙江大学坝l 研究生毕业论文 因一照 捕一耳翮一环 h 一i ” 竺璺： 1 9 8 4 年发现，咪唑啉酮抑制剂的作用靶标是a l s ，它们是玉米植株中a l s 的非竞争型抑制剂( s h a n e r d le ra 1 1 9 8 4 ) 。其后的研究表明，这种抑制作用 可以逆转并具有缓慢束缚的特性( m u h i t c hm je ta 1 1 9 8 7 ) 。进而证明，眯草 酸甲酯是a l s 的弱抑制剂，但其游离酸则具有潜在的抑制作用，这说明，此 种抑制剂在植物体内的作用机制因其脱脂化作用而定。当将支链氨基酸通过 营养液而供给植物时，则可防止其对植株的抑制作用。 如果植物用致死剂量的咪唑啉酮抑制剂处理，那么从植物中提取出的 a l s 活性水平下降8 0 以上，这种下降是从处理后l 小时内开始的，其下降 水平因植物组织内抑制剂浓度而定。但甲嘧磺隆则不引起a l s 活性下降，而 预先用甲嘧磺隆处理可保护植物a l s 不受咪唑啉酮抑制剂抑制。这些结果证 明，眯唑啉酮抑制剂通过若干途径与a l s 进行反应，它们虽然与磺酰脲抑制 剂竞争a l s 的同一位点，但其与酶的结合中在某些方面存在差异。对于两类 抑制剂具有抗性的植物的选择性证明，在突变系中既能选出仅对一类抑制剂 具有抗性的突变系，也能选出同时抗两类抑制剂的突变系，如果两类抑制剂 与植物a l s 具有同一结合点的话，这种现象将不会发生。 1 3 3 嘧啶磺酰胺与吡唑咻类 1 8 , 2 0 , 2 2 , 2 4 , 2 8 , 3 2 , 4 4 , 5 9 j 在磺酰脲化合物中，通过分子重排及结构修饰，在衍生物中发现了超高活 性抑制剂一嘧啶磺酰胺，以下通式是开发新品种的重要途径。 此类抑制剂是典型的a l s 抑制剂，是关于丙酮酸与t p p 的混合型抑制剂。 它们对a l s 的结合点进行竞争作用。此类抑制剂与磺酰脲及眯唑啉酮一样， 与a l s 位点结合，虽然它们之间的亲合性存在差异；但在抗性杂草中，嘧啶 磺酰胺与磺酰脲能有效地被从a l s 结合点排斥，而眯唑啉酮抑制剂被排斥的 程度较差。这表明杂草对嘧啶磺酰胺与磺酰脲两类抑制剂易产生交互抗性， 而与咪唑啉酮类抑制剂的交互性较差。 s c h l o s s 等还发现，昧唑啉酮( 1 m ) 与三唑并嘧啶磺酰胺( t p ) 可以从 a l s 上定量地取代同位素标记的磺酰脲类除草剂( s u ) ，这表明了它们之间是 一种竞争性的结合。因此，他们认为s u ，i m ，t p 类除草剂以及反馈抑制剂的 结合部位是一致的，这一部位可能是a l s 上已经退化的醌部位。这一观点随 后被s u b r a m a n i a n 等人所证实。 。斌 她 一 。斌 一 浙江大学硕十：研究生毕业论文 1 3 4 嘧啶水杨酸类 嘧啶水杨酸是继磺酰脲、咪唑啉酮与磺酰胺之后第四类高活性a l s 抑制剂。 r ：c i ，h ，c o o c 吼，c c 2 h 5 c o n ( c h 3 ) 2 ，c o c ，h ， r 1 ：h c h 】，b u x ：o ，s ，n c h o ，c h 2 嘧啶水杨酸类是a l s 的缓慢结合抑制剂，其与a l s 的结合位点与磺酰脲 相似；此类抑制剂抑制包括作物与杂草在内各种植物的a l s ，混合的缬氨酸、 亮氨酸与异亮氨酸能够恢复水稻幼苗的生长，而单一氨基酸则未起明显作用 ( s h i m i z ute ta 1 1 9 9 4 ) 。虽然嘧草硫醚对棉花具有高度选择性，双嘧草醚对 水稻具有高度选择性，然而棉花与其它植物a l s 对嘧草硫醚的敏感性以及水 稻与其它杂草a l s 对双嘧草醚的敏感性却无明显差异，这说明它们的选择性 原因与a l s 无关。而决定于其它因素。嘧啶水杨酸酯类的活性态与咪唑啉酮 类抑制剂一样，是其游离酸，而对a l s 抑制作用的要求来说，在嘧啶水杨酸 的化学结构中必须含有一个游离羧基；从对a l s 的抑制效应来看，嘧啶水杨 酸应看作是一类磺酰脲与咪唑啉酮两者的“混合型”抑制剂( s h i m i z ut 1 9 9 4 ，1 9 9 7 ) 。s h i m i z u 等经过研究后认为：嘧啶水杨酸类抑制剂( p s ) 对a l s 的抑制方式与咪唑啉酮( s u ) 及三唑并嘧啶磺酰胺( t p ) 类除草剂是相同的， 而与反馈抑制剂( 属于部分竞争性抑制) 的抑制方式相反。因此，他们认为 p s 和s u 与a l s 的结合部位是不同于反馈抑制剂的。此外，s h i m i z u 等还认 为，p s 。s u 以及t p 类除草剂的结合部位从广义上讲是定位于酶的变构部位 的，它与丙酮酸的结合部位部分重叠，但与t p p 的结合部位没有重叠，虽然 i m 类除草剂的结合部位与上述- - , e e 除草剂都不相同，但它们之间却可能存在 部分重叠。 1 4 嘧啶类除草剂研究概况1 1 6 , 1 8 , 2 3 , 3 3 , 5 4 , 5 5 , 6 2 , 6 5 , 6 6 , 7 0 , 7 7 嘧啶是核酸的重要组份，存在于人体及生物体内。由于其良好的生物活 性帮环境相容性，以此作为农药的研究与开发早己弓l 起人们的关注，尤其是 磺酰脲类化合物中嘧啶杂环的引入开创了除草剂开发历史上的新纪元。 1 9 6 1 年d up o n t 公司报道了尿嘧啶类化合物具有良好的除草活性，其结 构通式( 1 ) 。1 9 7 2 年有二个除草剂品种在美国应用，如特氯啶( 2 ，t e r b a c i l ) 用药量在1 - 4 0k g h a 。主要用于果园、甘蔗等防除多种一年生禾本科杂草及阔 叶杂草。 h 叩v 山丫 r z 卜剐 o 1 h l 叩y 内丫。 c i 卜q 洲3 ) 3 o 2 浙江大学硕上研究生毕业论文 磺酰脲类化合物结构与生物活性关系的研究导致了超高效除草剂的研究 与开发，是除草剂开发历史上的一个重要里程碑。磺酰脲类的除草活性在1 9 6 6 曾以扑灭津( 3 ，p r o p a z i n e ) 衍生物首次报道，除草活性与母体扑灭津十分相 近。7 0 年代初，l e v i t t 发现4 一氰基苯胺衍生物的磺酰脲( 4 ) 具有微弱的植 物生长调节活性。在( 4 ) 的两个苯环上所进行的修饰未能进一步提高其植物 生长调节活性。1 9 7 5 年l e v i a 制备了磺酰脲( 5 ) ，在该化合物中，用氨基嘧 啶代替了氰基苯胺，以2 0k g h a 的剂量施用，显示出良好的除草活性。从此 开始了植物保护化学工业史上规模最大的研究计划。 c t 奇鸭呲0 1 n - - x ：主i n ( c h 3 ) 2 c hn h c h ( c h 3 ) 2 岔s o z n h c o n h c “ 4 3 5 磺酰脲类由三个不同部分组成：( 1 ) 芳杂基、( 2 ) 桥、( 3 ) 杂环，在决 定其总体的除草活性上，每个部分都起着重要作用，而现已丌发的磺酰脲类 除草剂中，嘧啶杂环起着重要作用。其结构大体可进一步分为三类：含苯环 嘧啶磺酰脲类除草剂，如农得时( 6 ，b e n f u r o nm e t h y l ) 、豆草隆( 7 ，c l a s s i c ) 、 氟嘧磺隆( 8 ，p r i m i s u l f v r o n ) 、嘧磺隆( 9 ，s u l f o r m e t u r o n em e t h y l ) 、乙氧嘧磺 隆( 1 0 ，e t h o x y s u l f u r o n ) ：毗啶环嘧啶磺酰脲类除草剂，如烟嘧磺隆( 1 1 ， n i c o s u l f u r o n ) 、啶嘧磺隆( 1 2 ，f l a z a s u l f u r o n ) 、玉嘧磺隆( 1 3 ，r i m s u l f u r o n ) ： , c 0 2 c h 3，o m e 一叩一且一一 6 ，c o z c 2 h 5 c l 廖n 一且n h 7 。式0。 n n 洲 分 浙江大学硕j j 研究生毕业论文 c 0 2 c h 3 岔鸭“ 曰t n 上n h 飞 8 n0 o c h f z c 0 2 n ( c h 3 ) 2 1 0 s o n h c o n h 1 2 n歹 o m e 9 罗 s 0 2 c 2 h 5 s o ，n h c o n h l l 1 3 n 0 m e 芝 0 m e 毗唑环嘧啶磺酰脲类除草剂，如氯吡嘧磺隆( 1 4 ，h a l o s u l f u r o n m e t h y l ) 、吡嘧 磺隆( 1 5 ，p y a r z o s u l f i a r o n e t h y l ) 、四唑嘧磺隆( 1 6 ，a z i m s u l f u r o n ) 。 簪u 琴洲 1 4 c h 3 2 0 m e n 式 飞彳 1 6 o m e 1 5 叫式 n n 。止 舞 浙江大学硕上研究生毕业论文 氨基嘧啶杂环作为分子的基本结构单元参与构建磺酰脲类除草剂表现出 极好的除草活性及作物选择性。比较上述磺酰脲类除草剂的分子结构可以看 出，尽管左边的芳杂环变化较大，苯环、吡嘧环及吡唑环均有除草活性，但 嘧啶杂环变化不大。2 一位是氨基，4 ，6 - 位是甲基、二甲氧基、氯、二氟二甲 氧基，这样的嘧啶杂环是保持磺酰脲类除草剂活性所必须的。 日本组合化学公司的y u k i on e z u t 等用苯氧苯氧结构引入除草剂氯磺隆 ( 1 7 ，c h l o r s u l f u r o n ) 的三嗪环时，发现化台物( 1 8 ) 无除草活性，但苯氧苯 氧三嚷类( 1 9 ) 有芽后除草活性，在1 k gh a 。剂量可有效地防除阔叶杂草。 叫洲。蓉 1 7 厂n a，o ”e 忱叫c o n “仓。仓吼 1 8 以化合物( 1 9 ) 作为先导化合物进行的结构与活性之间关系研究表明， 化合物( 2 0 ) 显示出良好的除草活性，在0 2 5k h a 。剂量下可有效地防除绝 大多数杂草，其嘧啶环的活性比相应的三嗪环高，其杂草的药害症状类似与 磺酰脲类。不幸的是化合物( 2 0 ) 表现出植物毒性，排除了作为除草剂使用 的可能性。 h 2 n - 趸仓。仓。巳 o 飞圹一o 弋1 f 3 1 9 ，o m e 吣之仓。彰巳 2 0 ( x = c h ，o ) 日本组合化学化公司以化合物( 2 0 ) 为二次先导物，经构效关系研究发 现生成的0 嘧啶水杨酸类化合物( 2 1 ) 表现出极高的除草活性，对a l s 酶 ( a c e t o l a c t a t es y n t h a s e ) 有抑制作用。以此作为先导化合相继开发了嘧硫草醚 ( 2 2 ，p y r i t h i o b a c - s o d i u m ) 、k i h - 6 1 2 7 ( 2 3 ) 、农美利( 2 4 ，b i s p y r i b a c s o d i u m ) c 0 2 h o m e n 一 。飞 o m e 2 2 n o m e o m e 浙江大学顺士研究生毕业论文 0 m e 芝o m e m e o 矿卜。 m e 厂”以c 。o 一2 n a o n 0 m e 2 4 而韩国l g 公司在此基础上开发了除草剂l g c 4 0 8 6 3 ( 2 5 ) 。 c 0 2 n = c ( p h ) 2 o m e n 一 。飞 o m e 2 5 在受体未知的情况下，以已知除草剂的分子结构为先导进行结构修饰是农 药创新研究的一条有效途径。我们以环境相容性的嘧啶为活性分子的基本结 构单元，开展高除草活性化合物的定向设计、合成及生物活性研究。 瓜 勉弋一广o r 1 进行2 - 二甲氨基一5 一烷基一4 一取代苯氧基类化合物结构与生物活性关系研 究。在嘧啶环的4 位上引入不同的苯氧取代基( 表1 1 ) ，进行了除草、杀虫、 杀菌活性的评价试验。生测结果表明，此类化合物无明显的杀虫及除草活性， 但表现出良好的杀菌活性，尤其是对水稻纹枯病和黄瓜疫病。可以认为目标 分子是一个具有杀菌活性的母体骨架，苯环中三氟甲基的存在有利于杀菌活 性的提高。 。 浙江大学顾士研究生毕业论文 2 6 i n 0 2c f 3n 0 2c h 3 6 9 1 2 6 - 2 n 0 2c f 3n 0 2 h h h h h7 9 6 h6 58 c h ，5 93 h4 23 c h 3 6 08 2 6 7 n 0 2c f 3n 0 2c h 36 0 0 2 6 8 2 6 9 hn o ，h hn o ，h 2 6 - 1 0 c f 3n 0 2n 0 2 h3 8 - 8 c h 、6 l6 h 6 0 8 2 6 1 1 c f 3 n 0 2n 0 2c h 3 6 0 0 2 6 1 2 2 6 13 h n h 2 h n h 2 h h h4 5l c h 3 8 97 6 1 o 8 9 - 3 8 4 4 7 2i 6 4 7 5 0 6 2 54 8 2 4 7 1 5 5 0 6 2 5 4 5 4 0 5 2 1 4 2 5 7 86 5 80 4 1 5 4 36 2 56 1 40 5 6 1 4 76 2 5 6 1 4 0 3 0 8 2 80 7 5 0 6 2 5 1 0 0 7 35 7 46 7 46 4 94 8 9 8 7 9 2 7 4 6 4 9 4 6 3 5 6 9 1 2 6 一1 4c i c f 3 hh4 2 3 6 4 74 3 6 7 4 6 主要改变嘧啶2 - 位上的取代基，合成了( 2 7 ) 、( 2 8 ) 、( 2 9 ) 和( 3 0 ) 四类 苯氧基和苄硫基嘧啶化合物，这些化合物无明显的杀虫、杀菌和除草活性。 2 7 r 3 一。 卜s r 1 2 9 5 0 r 4c l f f f f c c c c 2 2 2 2 0 o o o n n n n 3 4 5 6 6 6 6 6 鹇玲刚埴 鹪蛋刚 一苷。 咐 鹪昏。 浙江大学硕士研究生毕业论文 这一结果说明在嘧啶环的4 - 位上进行芳氧( 硫) 基的取代可能难以发现高活 性生物活性物质。 基于上述推测，改变苯氧基在嘧啶环上的取代位置，发现2 一位取代的嘧啶 化合物3 1 1 7 4 , 7 5 1 具有一定的除草活性，通过苯环和嘧啶杂环取代基的变化，经 xo c h n = ：( 。飞 o c h 3 l 室内生物筛选和田间小区试验后确证，此类化合物除草活性极佳，且有良好 的作物选择性，如对油菜安全，可作为一类潜在除草剂进行进一步的研究与 开发( 表2 ) 。除草活性化合物( 3 1 ) 的吸收和传导的生理机理研究结果表明， 植物的根、茎、叶均能吸收化合物，但以根吸收为主，化合物在植物体内具 有较好的双向传导性；生化机理的初步研究，研究结果显示，此类化合物对 供试檀物体内的乙酰乳酸合成酶有强烈的抑制作用，其抑制率大于超高效除 草剂农美利( n o m i n e e ) ，供试作物经该类化合物处理后，植株生长受阻最后死 亡，其药害症状类似磺酰脲类除草剂，提示此类化合物的作用靶标很有可能 是乙酰乳酸合成酶。 表2 活性化合物( 3 1 ) 移栽油菜田除草药效试验 5 0 天3 11 1 2 5 1 4 56 54 1 3 56 6 1 2 2 58 4 0 8 0 07 858 0 3 4 52 9 09 31 2 719 3 2 胺苯黄隆3 0 4 7 98 8 6 3 839 0 4 1 7 85 921 8 25 53 o o7 7 i9 7 17 6 c k420 3 9 8438408 经构效关系研究，发现了一类具有原创性结构的嘧啶苄胺类化合物，其高效 的除草活性和良好的作物选择性，表明此类化合物值得进一步研究与开发。 1 5 新除草剂z j 0 2 7 3 生物活性评价【8 2 l 通过结构优化和官能团修饰，经筛选发现了一批新的嘧啶苄胺类具除草 活性化合物，z j 0 2 7 3 ( 3 2 ) 便为其中各种性能较为突出的一个化合物。 6 浙江人学坝上研究生毕业论义 活性化合物，z j 0 2 7 3 ( 3 2 ) 便为其中各种性能较为突出的一个化合物。 h n o 一 o c h n - - ( 。氐0 0 c h 3 2 z j 0 2 7 3 室内生测结果表明：6 0 1 5 0 9 h m 2 计量范围内对大多数禾本科杂草、 阔叶杂草以及莎草具有较高的除草活性，且对油菜、棉花安全，3 0g k i n 2 计量 对早熟禾、反支苋等敏感杂草除草活性达8 0 左右。高粱为z j 0 2 7 3 的敏感靶 标，高粱水培法测得的z j 0 2 7 3 e d s o 值为o 6 2 5 2 m g l 。吸收传导性研究试验表 明：z j 0 2 7 3 有根、芽、茎叶吸收并在植物体内双向传导，以根吸收为主，田 间试验也进一步明确了其除草活性和作物选择性。其作用机理的研究尚未开 展，但自有明确起作用机理，才能准确的评价应用前途，正确制定应用技术； 并为该系列化合物构效关系研究创造条件。 1 5 1 温室和室内生测结果 ( 1 ) 杀草谱试验 z j 0 2 7 3 在3 0 4 5 0 9 h a 剂量范围内对大多数禾本科杂草、阔叶杂草以及莎草具 有较高的除草活性。2 2 5 9 h a 剂量下对大多数杂草具有8 0 1 0 0 的除草效果， 1 2 0 9 h a 剂量下对水稗、干金子、异型莎草、龙葵、皱叶酸模、反支苋、车前、 早熟禾、看麦娘、牛繁缕等具有8 0 1 0 0 的除草效果。对z j 0 2 7 3 敏感的杂草 为稗、异型莎草、反支苋、皱叶酸模、车前、龙葵、早熟禾、看麦娘、狼尾 草、牛繁缕；其次为香附子、牛筋草、狗尾、野燕麦、马齿苋、旱稗、谷莠、 婆婆纳：不敏感的杂草为芥菜、拒马、苍耳、决明、铁苋菜、苜蓿、牵牛、 猪殃殃。 ( 2 ) 最低有效剂量 z j 0 2 7 3 的剂量范围是1 5 9 0 9 h a ，以敏感杂草看麦娘( 3 4 叶期) 和反支苋( 3 4 真叶期) 为靶标测得：z j 0 2 7 3 对看麦娘的e d g o 一 4 5 9 h a ，对反支苋的e d 9 0 一 2 。 ( 4 ) 高粱为z j 0 2 7 3 的敏感靶标，高粱水培法测得的z j 0 2 7 3e d s o 值为10 m g l 。 ( 5 ) 吸收传到性研究结果表明【7 1 1 ：z j 0 2 7 3 由根、芽、茎叶吸收并在植物体内 双向传导，以跟吸收为主。 ( 6 ) 土壤降解实验结果表明：从施用z j 0 2 7 3 的田间取土，播种梗稻品种， 发现4 5 - 3 0 0 9 h a 剂量范围对水稻生长无残留药害。 1 5 2田间小区实验结果i ，圳 ( 1 ) z j 0 2 7 3 杂草防治效果：3 0 9 0 9 h a 剂量范围内，对油菜用和小麦田的恶 性杂草看麦娘具有8 0 1 0 0 的防治效果，而对其它禾本科杂草如：罔草、硬草、 野燕麦具有5 0 - 8 0 防治效果，对阔时杂草如：雀舌草、碎米荠、繁缕具有 7 0 - 9 0 的除草效果，而对猪殃殃、婆婆纳等防效较差。 ( 2 ) z j 0 2 7 3 作物安全性：3 0 9 0 9 h a 剂量下对油菜出苗、幼苗营养生长和繁 殖生长没有影响，9 0 9 h a 剂量下油菜产量无明显变化。 ( 3 ) z j 0 2 7 3 的持效期：该药剂主要通过杂草的根部吸收并传导，通常在是药 后1 5 天受害杂草叶尖枯，茎基部变褐，植株易折断，3 0 天产生明显的要害症 状，5 0 天到9 0 天药效最明显，受害植株枯死。z j 0 2 7 3 药效发挥较快，持效 期长，对于汞本科杂草( 茏其是看麦娘) 为主的油菜田，一次性旌药，能有 效控制油菜安全生育期的杂草危害。 浙江大学硕士研究生毕业论文 二、嘧啶苄胺类化合物除草作用机制的研究+ ( 一) 、z j 0 2 7 3 及其潜在代谢产物的合成 为研究嘧啶苄胺类化合物除草作用机制，合成一批原药和潜在代谢产物 化合物。 1 2 ( 4 ，6 - 二甲氧基嘧啶2 氧基) 一苯甲酸甲酯的合成 驭仙c 锄s 高k 2 c 0 3 誉韬o 叫 t h f 回流= = 在反应烧瓶中加入化合物1 ( 1 5 m m o l ，2 2 8 9 ) ，化合物2 ( 1 5 m m o l ，3 2 7 9 ) ， k 2 c 0 3 ( 1 8 m m o l ，2 5 0 9 ) ，8 0 m l t h f ，加热回流6 小时。然后抽滤除去k 2 c 0 3 ， 减压蒸去t h f ，氯仿溶解瓶内固体，1 0 的n a o h 溶液洗氯仿溶液，水洗氯 仿相至中性，减压蒸馏氯仿溶液，得到白色腊状固体产物3 。mp1 0 5 1 0 6 ， 产率：3 9 7 9 ( 9 1 2 ) a 1 h n m r ( c d c l 3 ) 6p p m ：3 7 0 ( 3 h ，s ，c 0 2 c h 3 ) ， 3 8 0 ( 6 h ，s ，o c h 3 ) ，5 4 4 ( 1 h ，8 ，c h l ，71 _ 8 1 ( 4 h ，m ，a r - h ) 。vc m ：1 6 0 0 ( c = n ) ，1 7 3 0 ( 一c 0 2 c h 3 ) 。 2 2 - ( 4 , 6 一二甲氧基嘧啶一2 一氧基) 苯甲酸的合成 g 武裁g 文 34 在反应烧瓶中加入化合物3 ( 1 0 m m o l ，2 9 0 9 ) ，3 0 m l 水，3 0 m l 甲醇， 常温回流2 小时。减压蒸馏蒸去甲醇，用稀盐酸将溶液调制p h = 2 3 有白色沉 淀生成，抽滤，水洗沉淀，干燥，得到化合物4 ，m p 1 5 0 1 5 2 ，产率：2 3 6 9 ( 8 5 5 ) 。1 h n m r ( c d c l 3 ) 6p p m ：3 7 9 ( 6 h ，s ，o c h 3 ) ，5 4 1 f 1 h ，s ，c h l ， 7 0 7 9 ( 4 h ，m ，a r h ) ，1 0 8 ( h ，s ，c o o h ) 。vc i n 一：3 2 0 0 2 8 0 0 ( c o ，h ) ， 1 6 2 0 ( c = n ) ，1 7 0 0 ( c = 0 ) 。 基金项目：国家自然科学基金( 2 0 2 7 2 0 5 2 ) 和浙江省自然科学基金( 2