（农药学专业论文）新型苯环5位取代苯磺酰脲类除草剂的设计、合成及性能研究.pdf

a n dt h r e ed i m e n t i o n a lq s a r i n v e s t i g a t i o n o nn o v e l5 。- _ 。s u b s t i t u t e ds u l f o n y l u r e a h e r b i c i d e s c a n d i d a t em e i - y iw a n g p r o f e s s o rz h e n g - m i n gl i p e s t i c i d es c i e n c e i n s t i t u t eo fe l e m e n t o o r g a n i cc h e m i s t r y , n a n k a iu n i v e r s i t y m a y , 2 0 0 8 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：0 美焐 & 阳汐年r 月2 1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在莎年解密后适用 本授权书。 + 学位论文作者签名： 乏差旭 指导教师签名： 冬2 如 解密时间：矽哆年 - ； 月 z1 日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 之美焐 d 叼占年r 月2 ，日 摘要 摘要 磺酰脲类除草剂由于用量少、选择性高、对哺乳动物毒性低等优点得到广 泛的使用。然而，一些磺酰脲类除草剂在环境中残留时间过长，给农业生产带 来危害。为了寻找残效期短、对环境更加友好的新型磺酰脲类除草剂，本论文 以本课题组研发的商品化除草剂品种单嘧磺酯为研究基础，保持嘧啶环为单取 代，设计并合成了4 个系列6 6 个苯环5 位取代的新型磺酰脲类化合物以及2 9 个新 型磺酰胺类化合物。所有磺酰脲化合物的结构经元素分析、1 hn m r 确证，部分 化合物通过m 及m s 进行了结构表征。 在合成过程中，对重要中间体化合物1 的反应条件进行了优化，提高了产率。 在新型磺酰脲苯环5 位引入s c h i 喊基的合成中，应用微波及超声波等绿色化学合 成手段，对反应条件进行了优化，大大缩短了反应时间并提高了产率。 用油菜根长法和盆栽法进行了除草活性的测试。结果表明，苯环5 位引入酰 胺基团的第1 系列和引入s c h i 蹴基的第1 i i 系列磺酰脲类化合物均表现出较好的 除草活性和选择性，在2 5 克亩的剂量下，对双子叶作物油菜和反枝苋茎叶喷施 的除草活性可达1 0 0 。化合物i 1 和i 2 ( 结构式如下图所示) 在l 克亩的剂量下 的除草活性仍能达到9 0 以上，与商品化除草剂甲磺隆的活性相当。此外，对中 间体磺酰胺化合物进行了防治蔬菜病害的活体微量筛选实验，结果表明，部分 化合物，如2 a 、2 f l 、2 e 、4 n 、5 b 、5 辟具有较好的生物活性，有些与商品化对照 药的活性相当。 模拟不同土壤的酸碱环境，在p h 值为5 、7 、9 的缓冲溶液体系中，根据除草 活性的筛选结果，对具有代表性的高活性化合物进行了初步的水解实验。结果 表明苯环5 位有取代基的磺酰脲类化合物比苯环5 位不含取代基的对照药甲磺隆 和单嘧磺酯的水解速度快。对于相同化合物，在酸性条件下的水解速度大于中 性和碱性条件下的水解速度。对于相同的缓冲溶液体系，化合物的水解速度随 苯环5 位取代基体积的减小而加快。化合物i 1 、i - 7 和i 9 ( 结构式如下图所示) 是活性高、又能够快速降解的新型磺酰脲类化合物。 利用比较分子力场( c o m f a ) 的方法对第1 i 系列化合物及进行水解性能研 究的化合物分别进行了3 d q s a r 研究，得到三维等值线图，解释了化合物除草 i 摘要 活性与结构之间的关系以及水解性能与结构之间的关系，对于进一步设计此类 新型超高效且可控降解、对环境友好的磺酰脲类除草剂提供指导。 j 钭镐南莎 且钭瞩南移 j 科嚼南移删3 叩员钭瓴南痧 关键词：苯环5 位取代苯磺酰脲，合成，除草活性，水解，构效关系 u a b s t r a c t a b s t r a c t s u l f o n y i u r e ah e r b i c i d e sh a v eb e e nw i d e l yu s e dd u e t ot h e i rl o wa p p l i c a t i o nr a t e s ， g o o dc r o ps e l e c t i v i t ya n dl o wm a m m a l i a nt o x i c i t y h o w e v e r , s o m es u l f o n y l u r e a s m i g h tp e r s i s tu n f a v o u r a b l yi nt h ee n v i r o n m e n tw i t hr e s i d u a lp r o b l e m s i no r d e rt o s e a r c hf o re c o l o g i c a l l y - s a f e ra n de n v i r o n m e n t a l l yb e n i g ns u l f o n y l u r e a s ，o nt h eb a s i s o fs t u d yo nt h em o n o s u l f u r o n - m e t h y l ，ac o m m e r c i a l i z e dh e r b i c i d ei n v e n t e db yo u r l a b o r a t o r y , a n do nk e e p i n gt h ep y r i m i d i n er i n gb e i n gm o n o s u b s t i t u t e d ，4s e r i e so f6 6 n o v e lc 5 一s u b s t i t u t e db e n z e n e s u l f o n y l u r e ac o m p o u n d sa n d2 9n o v e ls u l f o n a m i d e c o m p o u n d sw e r es y n t h e s i z e d ，w h i c hi n c l u d e5s a l t sf o r m e df r o ms u l f o n y l u r e aa n d o r g a n i cb a s e t h es t r u c t u r e so fa l lt h es u l f o n y l u r e ac o m p o u n d ss y n t h e s i z e dw e r e c o n f i r m e db y1 hn m ra n de l e m e n t a la n a l y s i s s o m ec o m p o u n d sw e r ec o n f i n n e db y i ra n dm s s y n t h e t i cm e t h o d so fs o m ei n t e r m e d i a t e sw e r eo p t i m i z e du n d e r m i c r o w a v ei r r a d i a t i o na n du l t r a s o n i ci r r a d i a t i o n p r e l i m i n a r yh e r b i c i d a la c t i v i t i e so ft h e s ea ms u l f o n y l u r e ac o m p o u n d sw e r e d e t e r m i n e db yr a p ed i s ca n dp o tb i o a s s a ye x p e r i m e n t s t h eh e r b i c i d a lr e s u l t ss h o w t h a ts o m en o v e lc 5 - s u b s t i t u t e ds u l f o n y l u r e a sh a v eg o o dh e r b i c i d a la c t i v i t ya sw e l la s s e l e c t i v i t y s o m eo f t h e s en o v e ls u l f o n a r n i d ee x p r e s s e dg o o db a c t e r i c i d a la c t i v i t i e s t h eh y d r o l y s i so fs o m en e ws u l f o n y l u r e ac o m p o u n d sw e r ei n v e s t i g a t e di n b u f f e r e da q u e o u ss o l u t i o n sw i t hp hv a l u e so f5 ，7a n d9 ，w h i c hm i m i ct h ed i f f e r e n t p hp a t t e r no ff a r ml a n di nc h i n a n er e s u l t ss h o wt h a ts o m ec o m p o u n d sh y d r o l y s i s f a s t e rt h a nc s - n o n s u b s t i t u t e da n a l o g u e s 3 d - q s a rs t u d yo fs o m et a r g e tc o m p o u n d sw o r ec a r r i e do u tb yc o m p a r a t i v e m o l e c u l a rf i e l da n a l y s i s ( c o m f a ) m e t h o d ，a n dt h r e e - d i m e n s i o n a lc o n t o u rm a pw a s g e n g e r a t e d ，w h i c hw o u l db eu t i l i z e dt od i r e c tt h ed e s i g na n ds y n t h e s i s o fn e w s u l f o n y l u r e ac o m p o u n d s k e y w o r d ：c s - s u b s t i t u t e db e n z e n e s u l f o n y l u r e a ，s y n t h e s i s ，h e r b i c i d a l a c t i v i t y , h y d r o l y s i s ，s t r u c t u r e - a c t i v i t yr e l a t i o n s h i p i i i 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章前言1 第一节磺酰脲类除草剂的研发概况1 1 1 1 磺酰脲类除草剂的商品化品种1 1 1 2 磺酰脲类除草剂的结构特点7 第二节磺酰脲类除草剂的作用机制和选择性机理。8 1 2 1 磺酰脲类除草剂的作用机制。8 1 2 2 磺酰脲类化合物的选择性机理11 第三节磺酰脲类除草剂的环境行为和存在的问题1 5 1 3 1 磺酰脲类除草剂的环境行为1 5 1 3 2 磺酰脲类除草剂存在的问题2 3 第四节苯环5 位取代磺酰脲类除草剂的研发概况。2 5 第五节论文立题依据、意义及设计思路3 3 参考文献3 4 第二章合成与生物活性研究3 9 第一节苯环5 位酰胺基取代苯磺酰脲的合成及除草活性。3 9 2 1 1目标化合物的合成方法。3 9 2 1 2 合成讨论及反应条件优化4 5 2 1 3 化合物i 的谱图解析4 8 2 1 4 生物活性测定51 第二节苯环5 位取代苯甲酰胺基苯磺酰脲的合成及除草活性一5 6 2 2 1 目标化合物的合成方法。5 6 2 2 2 目标化合物i l 的谱图解析6 6 2 2 3 生物活性测定7 0 第三节苯环5 位取代s c r u f f 碱苯磺酰脲的合成及除草活性7 5 v 目录 2 3 1 目标化合物的合成方法7 5 2 3 2 合成讨论及反应条件优化8l 2 3 3 目标化合物的谱图解析。8 3 2 3 4 生物活性测定8 6 第四节苯环5 位取代甲磺隆类似物的合成及除草活性9 1 2 4 1 目标化合物的合成方法9 l 2 4 2 目标化合物的谱图解析9 4 2 4 3 生物活性测定9 5 参考文献9 7 第三章目标化合物水解的初步研究9 8 第一节材料与方法。9 8 3 1 1 实验材料与仪器9 8 3 1 2 实验方法9 9 第二节实验结果10 0 3 1 11 0 个供试磺酰脲化合物测定方法的线性范围1 0 0 3 1 2 供试化合物在缓冲溶液中的添加回收率1 0 3 3 1 3 供试化合物在缓冲溶液中水解的动力学测定结果1 0 4 3 1 4 水解路径分析10 9 参考文献1 1 1 第四章应用比较分子力场对部分化合物进行的研究1 1 2 第一节目标化合物的3 d q s a r 研究1 1 2 4 1 1 材料与方法1 1 2 4 1 2 结果与讨论11 4 第二节目标化合物水解的3 d q s a r 研究1 18 4 2 1 材料与方法1 1 8 4 2 2 结果与讨论119 总结1 2 2 致谢12 4 附录本论文合成新化合物一览表1 2 5 v i 目录 个人简历13 2 v i i 第一章前言 第一章前言 人类生存的过程就是不断同大自然进行抗争的过程。人类在2 1 世纪面临五 大挑战：人口和粮食、环境和环境质量、资源和能源、医疗福利以及新的信息 系统。粮食对人类的生存和发展具有及其重要的意义。至2 0 0 5 年6 月底，世界人 口已达6 4 7 7 亿，预计到2 1 世纪中叶将达9 0 亿1 2 0 亿【1 1 。世界人口在不断增长， 对粮食的需求在不断增加，但耕地始终是有限的，因此通过利用包括使用农药 在内的各种手段来提高现有耕地单位面积的产量显得日益重要。农药在防治作 物的病、虫、草害、防治疾病、节省劳动力、降低农产品成本、提高经济效益 等方面均起到重要的作用。此外，农药在农产品收获以后的储存、保鲜、运输、 销售以及加工等过程中也起着重要的作用【2 】。在知识产权保护以及加入w t o 的 新形势下，我国的农药研究开发必须以创新为目标，加速新农药的创制研究。 农药是一把“双刃剑 ，它在为人类带来益处的同时，有的农药也会带来 负面影响。因此，为了既能确保环境安全，又能保证农业丰收，在新农药品种 开发的过程中，人们在强调高活性的同时，更加注重与环境的相容性，以确保 人类和非靶标生物的安全性。高效、低毒、选择性好、安全性高、环境相容性 好、性质稳定、合成方便、价格便宜成为新农药的追求目标。 从2 0 世纪8 0 年代磺酰脲类除草剂问世后，由于其用量小、杀草谱广、选择 性高、对鸟类及哺乳动物毒性极低等优点，成为仅次于氨基酸类除草剂、位居 第二的除草剂系列。对这一类除草剂进行结构衍生和优化，寻求更加高效、安 全和对环境友好的新活性结构，将具有重要的意义。 第一节磺酰脲类除草剂的研发概况 1 1 1 磺酰脲类除草剂的商品化品种 二十世纪七十年代初，美国杜邦公司l e v i t t 博士注意到化合物n ( 4 氰基 苯基) 苯磺酰脲( 图1 1 ) 具有一定的植物生长调节活性【3 】，于是将其作为先导化 合物进行结构优化。在此基础上，d up o n t 公司于1 9 8 2 年开发出第一个商品化的 1 第一章前言 磺酰脲类除草剂氯磺隆。其它农药公司也相继进行研究和开发，至今开发出的 商品化品种己达3 0 多个嗍，见表1 1 。 s 0 2 n h c o n h o c n 图1 1n 一( 4 - 氰基苯基) 苯磺酰脲 表1 1 商品化的磺酰脲除草剂 商品名( 中文名) 结构式 应用 剂量( g h a ) 2 第一章前言 商品名( 中文名) 结构式 应用 剂量( g h a ) c i n o s u l f u r o n ( 醚磺隆、莎多伏、耕 夫) o c h 2 c h 2 0 c h 3 仝h 3 _ 公祭 水稻 1 5 3 0 s 0 2 n h c o n h 人o c h 3 ”。 3 第一章前言 商品名( 中文名) 结构式应用 剂量( g h a ) e t h a m e t s u l f u r o n m e t h y l ( 胺苯磺隆) o c h 2 c h 3 c o o c h a 甲公甲 油菜l 眦5 s 。州c 。n 火h 。 删术 川“ 。n i c o s u l 缸o n g ( 烟嘧磺隆、玉农乐) 【! 以 c o n ( c h 3 ) 2 s 0 2 n h c o n 玉米 3 5 - 7 0 a z i m s u l f u r o n ( 四唑嘧磺隆、康宁、 康利福) h 3 c ，c h 3 n n ，j、 n n s 0 2 n h c o n c h 3 水稻 2 0 2 5 a m i d o s u l f u r o n ( 酰嘧磺隆、好事达、 用曲徊、 c hs 0 2 n s 0 2 n h c o n 3 0 u 2 思阔得) u 。 一 c h 3 禾谷类 4 第一章前言 商品名( 中文名) 结构式应用 剂量( 加a ) t r i t o s u l f u r o n ( 三氟甲磺隆) c f 3 n 人n 9 f 3 s 0 2 n h c o n h 氐火o c h 3 h a l o s u l f u r o n - m e t h y l ( 氯吡嘧磺隆) 小麦、玉米2 0 - - 9 0 t r i f l o x y s u l f u r o n ( 三氟啶磺隆、 英飞特) o c h 2 c f 3 s 0 2 n h c h o n 棉花 c y c l o s u l f a m u r o n ( 环丙嘧磺隆、 金秋) o n h c o n h 幔、水稻2 嚣 5 第一章前言 商品名( 中文名) 结构式 应用 剂量( g m a ) i 1 1 4 5 4 o h c h 3 i u c h c h f s 0 2 n h c o n h h 3 水稻 m o n o s u l f u r o n 单嘧磺隆n l 2 8 2 5 i q 一瑚n o ：2 呲洲取吼麦田3 6 第一章前言 商品名( 中文名) 结构式应用 剂量( 酣埝) m o n o s u l 酯f u r o n - m e t 2 h 7 y l c 。三2 0 c h 3 n h c o n h 取扭玉米胁3 。 单嘧磺酯n l 8 2 7 。0 2 ，j n 人c h ， “”。 1 1 2 磺酰脲类除草剂的结构特点 磺酰脲类除草剂通常都包含三部分结构单元( 如图1 2 所示) ：芳基、脲桥、 杂环，每个部分对除草活性都有重要作用。虽然近年来有较多新的磺酰脲品种 出现，但大部分化合物的结构都遵从以下i , c v i t t 提出的结构活性关系结论： ( 1 ) 此类化合物具备高除草活性在结构上应满足以下基本条件：杂环为包 含脲桥的胍系结构，杂环一般为4 、6 位二取代，桥另外一端为对位未取代的芳 香环。 ( 2 ) 杂环一般为嘧啶或三嗪环，若代之以其它满足条件的杂环，则活性降 低。杂环上的两个取代基中，低级烷基或烷氧基的活性最高。 ( 3 ) 桥一般为磺酰脲结构，改造后的结构也有活性，但一般比母体化合物 活性有所降低。 ( 4 ) 芳香环可以是苯环、萘环或其它五元、六元杂环及稠杂环，苯环以邻 位单取代活性较好。苯环的二氯取代物活性顺序为：2 ，6 2 ，3 2 ，5 2 ，4 3 ，5 3 ，4 ，其中2 ，6 位二取代与2 位单取代活性相近。 rx o s 0 2 n h c n h = 8 的情况下。 1 8 协 lil罩113-誓 第一章前言 坐： h 0 2 图1 1 l氯嘧磺隆的化学水解路径 二、含三嗪( r e ) 杂环的磺酰脲类除草剂的水解路径： 该类化合物中包括应用广泛、最具代表性也是该类除草剂最早的商品化品 种氯磺隆，其主要的水解产物为稳定的氯苯磺酰胺及三嗪胺，在酸性条件 下，则同时发生另外一条次要的水解路径，即先发生三嗪环上的o 脱甲基化反 应，而后进一步开环得到酰基脲【5 0 】，水解路径如图1 1 2 所示。其他含甲氧基三嗪 取代基的磺酰脲类化合物如甲磺隆、醚苯磺隆、氟磺隆、苯磺隆、胺苯磺隆、 氟胺磺隆等化合物也发生类似的水解历程【5 l 】。 图1 1 2 氯磺隆的化学水解路径 在水溶液中，同为这一类型含三嗪杂环化合物的噻磺隆的酸性水解机理比 较特殊，是磺酰脲桥的裂解和三嗪环上的甲氧基脱甲基作用同时发生，随后三 嗪环进一步裂解为酰基脲【5 2 1 ；但在碱性条件下则生成噻吩环上甲酯基水解的产 1 9 第一章前言 物噻磺隆酸( t h i f e n s u l f i w o n ) ，该产物磺酰脲桥的裂解和脱甲基作用极慢，这 与土壤中的化学水解结果一致；在酸性条件下噻磺隆酸( t h i f e n s u l f u r o n ) 则 发生与噻磺隆的酸性水解类似的反应。 三、含吡啶( r 1 ) 杂环的磺酰脲类除草剂的水解路径： 该类化合物中，玉嘧磺隆在土壤和水溶液中降解迅速，且与上述两类磺酰 脲类除草剂有着不同的水解历程【5 3 】。玉嘧磺隆由于吡啶环和磺酰基的强吸电子 效应，使得脲桥上与两个n 相连的h 均可电离，电离后产生的n 均可对电荷密度 较低的吡啶环进行分子内进攻，产生两种亲核取代产物【5 4 1 ，水解路径如图1 1 3 所示。在不同的酸碱条件下，其水解途径有所不同。在中性或偏酸性条件下， 第一步的水解产物主要是与磺酰基相连的n 上的h 电离后进攻吡啶环而形成的化 合物；而在偏碱性条件下，水解第一步则是另一n 上h 电离后进攻吡啶环的结果 5 5 1 。 瞄：h 弋 + - n * n o c h 3 q 芯 一s o 啪2 c h n 2 h c 飞h 3n 之_ _ o c h 3 一 h 3 o c h 3 q 洲3 n 图1 1 3 玉嘧磺隆的水解路径 烟嘧磺隆在p h 值4 1 1 条件下的水解经历两条途径【5 6 】：脲桥断裂产生氨基嘧 啶和吡啶磺酰胺，氨基嘧啶性质稳定，而吡啶磺酰胺在p h 值不小于7 时闭环，这 是烟嘧磺隆水解的主要途径，其水解的历程如图1 1 4 所示。另外一条途径是产生 极少量的难以检测的产物，没有观测到玉嘧磺隆类似的缩环产物。 第一章前言 、n ，、s c 。0 2 n n ( c h c h 3 。) 2 n ：! h 2 n 弋三二! + p 野i 三：3 ) 2 瞰 图1 1 4 烟嘧磺隆的水解路径 1 3 1 2 2 磺酰脲类除草剂的醇解 磺酰脲除草剂的醇解反应主要指断裂脲桥分子形成相应的磺酰氨基甲酸酯 和杂环胺。醇解反应符合一级动力学，醇解速率受其结构及醇种类的影响。研 究发现不同种类的磺酰脲除草剂醇解顺序为氯嘧磺隆 氯磺隆( 或苄嘧磺隆) 甲 磺隆；同一除草剂在不同醇中降解顺序为伯醇 仲醇 叔醇。磺酰脲除草剂发生 醇解的同时伴随较微弱的水解反应，如氯磺隆和甲磺隆在无水丙三醇中发生降 解时其醇解分别为9 0 和8 5 。醇溶液的含水量、p h 值对除草剂醇解有重要影 响，氯磺隆溶解在乙醇中若纯水含量为1 0 - - - , 5 0 ，则水解反应占优势，醇解反 应较弱；在醇溶液的p h 值为7 时，则醇解反应完全被抑制，故氯磺隆和氯嘧磺隆 在p h7 的醇液中仅发生水解反应【5 7 1 。磺酰脲除草剂的醇解反应如图1 1 5 所示： a r - s 0 2 n h c o n h h e t 垦：竺坚a r - s o e n h c 0 2 r + h 2 n h o t a l c o h o l y s i s 。 图1 1 5 磺酰脲化合物的醇解路径 1 3 1 2 3 磺酰脲类除草剂的光化学分解 磺酰脲除草剂的光解主要指水溶性光分解作用。h a r v e y 等【5 8 】在有石英盖的 密闭容器内进行磺酰脲除草剂的光解试验，用容器盖下的灯泡提供光照，1 4d 后用二氯甲烷提取分析发现，光照处理的溶液中仅有1 0 2 0 放射性除草剂被 提取，除草剂的降解半衰期为l 3d ，而未经光照处理的溶液约有9 1 可被提取， 这说明除草剂能够快速光解。程慕如等研究3 种磺酰脲除草剂放置2 0d 对稗草 的抑制率表明，室外光照和黑暗条件下氯嘧磺隆的抑制率分别为7 0 2 和7 4 1 ， 2 1 第一章前言 毗嘧磺隆的为5 0 9 和5 7 5 ，氯磺隆的为5 6 和6 9 5 ，表明3 种除草剂水溶液 均发生了光解作用，即对稗草的抑制作用下降，置于黑暗条件下的药液除草活 性明显高于置于室外阳光下药液的除草活性。 许多研究表明，光化学分解不是磺酰脲类除草剂在土壤中降解的主要途径， 它最多对存在于土壤表面的少量底物有一定的分解作用，而在较深土层中几乎 不发生。 1 3 1 2 4 磺酰脲类除草剂的微生物降解 许多研究认为，微生物代谢在磺酰脲类除草剂的降解过程中起着重要作用， 水解产物可经微生物的作用完全降解为低分子量的化合物，苯环可降解为c 0 2 ， 甲氧基三嗪环可开环降解为一未知产物【6 0 1 。降解磺酰脲除草剂的微生物菌落主 要是细菌、放线菌和真菌，微生物可以利用污染物作为c 源或能源，从而达到降 解目的。人们已成功地从土壤中筛选出了7 种可降解噻磺隆的微生物，其中5 种 为放线菌属，2 种为细菌属液体培养时，这7 种微生物能在3 - 一8d 内专一降解噻 磺隆为噻磺隆酸 6 l 】。1 4 c 酰嘧磺隆及其水解产物也可被土壤微生利用，最终形成 1 4 c 0 2 或其他产物。因此，微生物不仅可以直接降解母体化合物，还可以通过分 解水解产物来促进水解反应。 k u l o w s k i 等【6 2 】研究了氟磺隆的微生物转化过程，产物经分离、色谱纯化、 质谱和n m r 鉴定为三嗪环上的甲基、苯环的3 位和4 位及三氟丙基的侧链被羟基 化而生成的4 种产物。j o s h i 6 3 】发现，氯磺隆在环氧乙烷或丫一射线消毒后的土壤中 降解速率显著降低，经土壤微生物的重新移植，其降解速率又恢复，这表明土 壤微生物在其降解过程中起着重要作用。能够代谢降解氯磺隆的土壤微生物主 要有放线菌浅灰链霉菌( s t r p t o m y c e sg r i s e o l u s ) 、真菌黑曲霉( a s p e r g i l l u sn i g e r ) 和 青霉( p e n i c i l l i u ms p ) 3 种。而且，黑曲霉和青霉能催化磺酰脲桥的水解，产生相 应的磺酰胺和杂环。已经证明，土壤微生物也对醚苯磺隆的降解起作用，微生 物降解是醚苯磺隆在土壤中消失的主要原因，土壤温度、湿度和p h 值及土壤中 有机质含量、土壤类型等影响微生物的活动，从而不同程度地影响磺酰脲类除 草剂的微生物降解m 】。因此，磺酰脲类除草剂在土壤中主要通过非酶化学水解 和微生物分解而降解，光化学分解则很少l o 川。 第一章前言 1 3 1 3 磺酰脲类除草剂在土壤中的迁移行为 磺酰脲类除草剂在土壤中随水迁移性较强，可随毛细管水上升和随淋溶水 而下移，直至淋脱，同时磺酰脲除草剂也具有横向扩散的性能。陈祖义等【吲应 用土壤薄层层析法测定氯磺隆在1 0 种土壤中的移动率，研究表明氯磺隆在土壤 中易于迁移，不同的土壤类型，其移动性明显不同。在黑土、黄潮土、黄棕壤 中极易移动，而在白浆土和红壤中则不易移动。在不同土壤的移动差异与土壤 p h 值呈正相关，随p h 升高，其移动性、淋溶性增大，与有机质、阳离子交换量 ( c e c ) 和粘粒含量则无明显相关性。磺酰脲除草剂随水迁移性较强，一定量的降 雨量可使磺酰脲除草剂透过土层向下淋溶。在南方多雨区，除草剂可随水垂直 下移而被淋脱或进入地下水，在北方旱田区因雨少、降水量不足以使其淋脱而 滞留于土壤下层。当土壤水分由毛细管水上升时，它将随水上升而重新进入作 物根际层或滞留于土壤表层。 1 3 2 磺酰脲类除草剂存在的问题 1 3 2 1 磺酰脲类除草剂对环境的影响 许多研究集中在磺酰脲类除草剂对环境的影响。尽管一些磺酰脲类除草剂 在土壤中半衰期短，对哺乳类动物低毒，但对其慢性影响和环境行为的研究数 据缺乏。非水环境的磺酰脲类除草剂通过各种途径进入水中，会对一切与水有 关的植物、动物有影响，尤其是微生物和水生植物。磺酰脲类化合物相对较高 的水溶性使其能在液相中快速迁移，引起专家对磺酰脲类除草剂在浅水域污染 的调查和讨论。 用1 4 c 标记研究，甲磺隆磺酰脲类除草剂对环境微生物有影响。磺酰脲类除 草剂对非目标性水生微生物的影响表明，该类农药抑制微生藻类的生长，并在 短时间内抑制固着水生物群落腺嘌呤和胸苷的结合【6 引。研究者获得2 0 种海洋种 类和2 0 种淡水种类生长受氯磺隆和甲磺隆的抑制数据。藻类敏感性依据种类的 不同而不同，其中藻青菌株和腰鞭毛虫类最为敏感。敏感种类的e c 5 0 非常小，耐 受种群e c 5 0 大于1 0 0 0u m 。苯磺隆施药点连续8 星期，每星期检测苯磺隆对固着 水生物群落腺嘌呤和胸苷结合的抑制作用的短期毒性，产生抑制的最低浓度总 是比环境的预计值要高，说明固着水生物群落对苯磺隆具有高耐受性。 苄嘧磺隆和烟嘧磺隆对4 种淡水中浮游生物生长影响的研究表明，对同种藻 2 3 第一章前言 类苄嘧磺隆比烟嘧磺隆和氯磺隆的毒性大，同时证明磺酰脲类除草剂即便在低 浓度时对环境也有潜在的危害【6 9 】。苄嘧磺隆、甲磺隆和氯磺隆及降解物对绿藻 生长及其对有机氮生物利用度的研究结果表明，9 6h 中原药比降解物对绿藻的毒 性大得多，而降解物氮元素可以作为唯一的氮源刺激绿藻生长【7 0 。 1 3 2 2 磺酰脲类除草剂对土壤酶的影响 土壤酶在土壤肥力的生物转化作用中起着重要作用，是土壤有机物质代谢 中不可缺少的物质，它们在水解含n 或含p 等复杂物质时发挥着重要作用。土壤 脲酶能催化尿素水解为氨和c 0 2 ，蛋白酶在蛋白质水解的初始阶段，土壤有机氮 转化为简单氨基酸的过程中起作用，而淀粉酶则催化水解多糖。磺酰脲除草剂 对土壤酶的活性有抑制作用。研究发现，甲磺隆浓度为0 1 1 t g g 时不影响脲酶的 活性，当甲磺隆的浓度提高为0 5 - 2 o g g g 时，脲酶活性显著降低【7 1 1 。磺酰脲除 草剂对土壤酶的影响受制于除草剂的类型、施用时间及方式、气候因素、土壤 组成和有机质含量等因素，而除草剂对酶活性的影响程度则与土壤中微生物的 存在有紧密联系。微生物对除草剂的拮抗能力不同，除草剂对酶活性的影响程 度也不同，拮抗力强，则除草剂对酶活性影响小，反之，除草剂对酶活性影响 大【7 2 】。 1 3 2 3 磺酰脲类除草剂的残留药害 磺酰脲类除草剂选择性强，对不同作物的敏感性差异很大。例如，棉花对 甲磺隆最敏感，玉米次之，而水稻和油菜则耐药性较科7 3 ，因而残留的甲磺隆 很易对敏感作物棉花产生药害。磺酰脲的残留活性与施药量、土壤p h 、有机质 含量、温度、土壤湿度等有关。氯磺隆在土壤中的残留期较长，已危及非靶标 植物，我国旱作地区后茬为玉米、大豆、棉花和甜菜的麦田已被禁用。在麦稻 连作的地区，因使用不当亦会产生对水稻的药害【| 7 4 】。1 9 9 5 年沈阳曾发生氯磺隆 污染水稻的重大事故，造成近5 3 3 1 4 公顷稻田受害，其中2 6 7 公顷绝收；1 9 9 2 年 在河北麦田中施用甲磺隆，也造成后茬玉米大面积药害；1 9 9 4 年在江苏油菜田 施用胺苯磺隆，使后茬水稻大面积产生药害。迄今为止，已发现磺酰脲类除草 剂的残留药害可伤及水稻、大豆、玉米、油菜、棉花、甜菜、亚麻、向日葵和 红花等多种作物。国外也有类似报道，1 9 8 4 年，在英国使用过氯磺隆的田块到 1 9 8 6 年也发生对甜菜的大面积药害【7 5 】。一般认为，氯磺隆随水迁移性较强，其 2 4 第一章前言 残留主要是结合态残留，结合态残留常被认为是农药的一种解毒机理，但近年 来的研究发现，氯磺隆在一定条件下可再度以母体化合物或其代谢物的形式释 放出来。总之，结合残留物的迁移和淋溶性较弱，而且对后茬作物的生长有抑 制作用，达到一定剂量时即可对后茬作物产生药割7 6 】。 1 3 2 4 磺酰脲类除草剂的抗药性 抗药性问题已成为磺酰脲除草剂发展的一大障碍。磺酰脲类除草剂上市不 久就有杂草对其产生抗药性的报道，1 9 8 7 年，爱达荷州冬小麦田的刺莴苣就对 氯磺隆和甲磺隆的混剂产生了抗性，以后迅速扩大到1 3 个州和加拿大的1 个州。 于是，杜邦公司宣布在美国7 个州不得使用氯磺隆以保护这一类有价值的除草 剂，并加强了对磺酰脲除草剂抗性的研究工作。s a a r i i7 ”7 】发现，地肤的鲜重和干 重积累氯磺隆和甲磺隆的量r 型比s 型高2 - - - 3 5 0 倍，r 型的a l s 抑制率也分别降低 了5 - - 2 8 倍。抗氯磺隆和甲磺隆混剂的刺莴苣对其他8 种磺酰脲还有交互抗性， 一般认为，磺酰脲除草剂的交互抗性类型不可预测【7 8 】。已经证明，杂草的抗性 主要是a l s 的变构和植物解毒代谢功能的提高所致【7 9 1 ，而且a l s 遗传因子的变 异往往不只一个位点，结合部位的变构直接影响着a l s 与化合物的结合能力。 第四节苯环5 位取代磺酰脲类除草剂的研发概况 前面已经论述到磺酰脲类除草剂由于其高效低毒的特点，被广泛地使用， 但是由于其残留，会对后茬作物的生长造成影响。对于中国而言，急需对后茬 作物没有影响的农药，这样才能符合满足一个1 3 亿人口大国的粮食需求。因此， 研制低残留或无残留的磺酰脲类除草剂就成为了一种开发趋势。 磺酰脲类除草剂的药效和残留药害不仅与土壤的p h 值、温度、湿度和土壤 的有机质含量等外部因素有关，更主要的是与化合物本身的结构密切相关。在 1 9 9 5 年的布莱顿植保会议上介绍了5 取代的氟啶嘧磺隆( 5 取代是指在芳环的5 位取代) 【8 0 】，它继承了磺酰脲类除草剂用量小、杀草谱广、选择性高、对动物 毒性低等优点【8 1 1 ，并且以降解速度快的特点得到了广泛关注。冬小麦田收割一 个月以后，在土壤中几乎检测不到氟啶嘧磺隆及其代谢物【8 2 1 。表1 2 所列是近些 年来人们对芳环5 位取代磺酰脲类化合物的研究成果。 第一章前言 表1 2 芳环5 位取代的磺酰脲化合物 2 6 h f 8 防除马唐 o 0 l o 1 5k g h a 2 7 第一章前言 第一章前言 2 9 第一章前言 第一章前言 m e o o c n c s 叫h n h 3 l 除饿筹生o 0 0 5 - 0 3 k 咖 长调节剂 一 崔一 3 1 第一章前言 表中化合物3 4 、3 5 、3 6 、3 7 为商品化的品种。从表中可以看出，一般脲桥 邻位上的取代基一般都为吸电子基团比如甲酯基、硫酰基等，也有少数供电子 基比如化合物1 和3 等。但是商品化的化合物3 4 ，3 5 ，3 6 ，3 7 邻位上的取代基都 为吸电子基团，以甲酯基居多，这是符合l e w i t 结构活性关系的。 在标准实验条件下，碘甲磺隆( 化合物3 4 ) 在土壤中易降解，半衰期一般 是1 5 天，降解方式主要是微生物途径；在低湿度的土壤中，半衰期推迟到7 1 0 天。甲磺胺磺隆( 化合物3 5 ) 在大多数农田中的降解半衰期为8 - 6 8 天( 平均 3 9 1 天) ，微生物降解很可能是其主要的代谢途径。甲酰胺磺隆( 化合物3 6 ) 在 农田中很容易降解，半衰期为1 5 9 4 天，其降解方式主要通过微生物途径。作 物收割一个月后，氟啶嘧磺隆( 化合物3 7 ) 的明显残留或它的代谢物在土壤中 几乎检测不到。 5 位取代磺酰脲化合物的作用机制与其他磺酰脲类化合物一样是a l s 抑制 剂，并没有什么区别。通过上述介绍，5 位取代的磺酰脲除草剂降解快，残留小， 3 2 第一章前言 对后茬作物一般都比较安全，很符合中国的国情，是一类很受欢迎的除草剂。 第五节论文立题依据、意义及设计思路 磺酰脲类除草剂给农业生产及农药工业带来巨大的经济效益，成为农药发 展史上的一个里程碑。不断开发高效、高选择性、低毒、低残留的农药新品种 具有很重要的意义，对我国来说，形势尤为紧迫。我国人口仍处于增长趋势， 而可耕种土地的面积则日益减少，人口与土地及粮食的矛盾非常严峻，而农药 残留有可能导致后茬作物种植产量很低甚至无法种植。同时，由于我国农作物 的耕作制度和外国不同，发达国家主要作物每年仅种一茬，而我国每年要种多 茬不同的作物，因此超高效磺酰脲除草剂的残效期的长短对我国国情来说有着 特殊的意义。从上述磺酰脲类除草剂的研究进展可以看出，对芳环5 位基团的修 饰可能会获得新的选择性高且降解快的磺酰脲除草剂，研制开发此类磺酰脲类 除草剂符合我国国情需求，也将为磺酰脲类a l s 酶抑制剂的构效关系研究提供新 的内容。 基于上述原因，本论文以本课题组开发的高效除草剂品种单嘧磺酯为研究 基础，保持嘧啶环为单取代，对其结构中的苯环5 位取代基进行结构修饰，以期 开发出具有新的除草谱、作物选择性且降解快速的磺酰脲新品种，并通过对其 中具有代表性的高活性化合物进行水解研究，揭示影响此类化合物水解快慢的 因素，为提供具有农业生产应用价值的除草剂奠定基础。研究工作主要包括设 计合成多个系列的新型苯环5 位取代磺酰脲类化合物，对其进行除草活性筛选， 并对高活性化合物的水解性能进行研究以及利用计算机辅助设计工具进行结构 与活性关系研究几个部分。具体思路如下： 第一、以脂肪族酰胺基团取代磺酰脲类化合物分子中的苯环5 位氢原子，考 察脂肪链的长短、同碳数的同分异构对这类化合物活性的影响。 第二、以不同取代的苯甲酰胺基团取代苯环5 位氢原子，考察苯甲酰胺中苯 环上不同取代基、相同取代基不同的位置变化对于这类化合物活性的影响。