（农药学专业论文）新型磺酰脲类化合物的设计、合成、生物活性及构效关系研究.pdf

n a n k a iu n i v e r s i t y d o c t o r a ld i s s e r t a t i o n s t u d y o nt h ed e s i g n ，s y n t h e s i s ，b i o a c t i v i t i e s a n d 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 po f n o v e l s u l f o n y l u r e ac o m p o u n d s c a n d i d a t e s u p e r v i s o r s p e c i a l i t y w a n c h e n gg u o 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 a p r i l ，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：jr 万q 沙哆年r 月叫日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在r 年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 力4 - ! 乙 学位论文作者签名： 解密时间： 2 , - o ，多年 厂月 二 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、已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：孑p 万q 矽啮年j 月e l 中文摘要 中文摘要 磺酰脲类除草剂是近几十年来除草剂发展史上的一个里程碑，它以超高效、 低毒、对环境友好等特点不断的吸引着农药科研工作者的广泛关注。 本论文参考l e v i t t 博士的磺酰脲结构药效理论，设计并合成了五个系列共 1 1 7 个化合物，其中新磺酰脲化合物9 5 个，新嘧啶胺1 4 个。新化合物的结构经 元素分析、1 hn m r 、i r 、m s 等确证，并对新化合物做了生物活性的测试。 l e v i t t 理论第三点曾要求不能在嘧啶环上5 位有任何取代基否则药效很差。 本论文研究了4 ，5 ，6 三取代嘧啶苯磺酰脲和5 单取代嘧啶苯磺酰脲化合物的合成 和生物测定，除草活性生测实验表明，5 位取代基的引入虽然造成除草活性不同 程度的降低，但是并不是全部有关结构的活性都不好。本研究发现个别化合物 如b - 2 在室内药效与已知商品化除草剂单嘧磺隆的除草活性相当，并成功培养 得到了b - 2 单晶以确认其结构。与文献中报道的含有5 位取代基的4 ，5 二取代嘧 啶苯磺酰脲化合物的除草活性做了对比，总结了磺酰脲类分子中含有5 位取代 基的嘧啶环为单取代，双取代，三取代时各结构类型除草活性的差异。在此基 础上，选取部分4 ，5 ，6 - 三取代嘧啶苯磺酰脲化合物对其进行了三维定量构效关系 ( 3 d - q s a r ) 研究和分子对接研究。总结了与l e v i t t 部分结论不完全相同的实 验结果，丰富了磺酰脲类超高效除草剂的构效关系理论内容。 以本组创制的超高效除草剂n k 9 2 8 2 5 ，n k 9 4 8 2 7 为活性先导，保持嘧啶环 为单取代，而取代基分别为甲基、甲氧基、异丙氧基：将不同的吸电子基引入 其苯环邻位部位，测定了各化合物的除草活性。研究苯环邻位不同吸电子基团 对生物活性的影响规律。培养并测定了化合物c 8 的晶体结构。 合成了含不同的苯氧甲基、芳基、杂芳基、烷基和环丙基取代的2 氨基1 ，3 ，4 噻二唑的新型磺酰脲衍生物，还合成了类似结构4 氨基6 甲氧基嘧啶苯磺酰脲 化合物，测定了除草活性并进行了构效关系的研究。 关键词：磺酰脲、合成、嘧啶、噻二唑、除草活性、3 d q s a r 、分子对接 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ed i s c o v e r yo ft h es u l f o n y l u r e ah e r b i c i d e si so n eo ft h em o s td r a m a t i c b r e a k t h r o u g h i nh e r b i c i d er e s e a r c hi n p a s td e c a d e s s u l f o n y l u r e a sh a v eb e e n a t t r a c t i n gm u c ha t t e n t i o nd u et ot h e i rh i g ha c t i v i t ya tu l t r a - l o wa p p l i c a t i o nr a t e s ，l o w t o x i c i t ya n dt ob eb e n i g nt ot h ee n v i r o n m e n t r e f e r r i n g t od r l e v i t t 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 o n s u l f o n y l u r e a h e r b i c i d e s ，f i v es e r i e so f9 5n o v e ls u l f o n y l u r e ac o m p o u n d sw e r ed e s i g n e da n d s y n t h e s i z e d a l ln e wc o m p o u n d sw e r ec o n f i r m e db ye l e m e n t a la n a l y s i s ，1h n m r ，i r ， m s ，a n dt h eb i o a s s a yw a sc a r r i e do u ta c c o r d i n g l y l e v i t te m p h a s i z e di nh i ss a rt h a ta5 - s u b s t i t u e n to np y r i m i d i n er i n gw i l lg r e a t l y r e d u c et h eh e r b i c i d a l a c t i v i t y t w o s e r i e so f4 , 5 ，6 t r i s u b s t i t u t e d p y r i m i d i n e b e n z e n e s u l f o n y l u r e a s a n d5 - s u b s t i t u t e d p y r i m i d i n eb e n z e n e s u l f o n y l u r e a sw e r e s y n t h e s i z e da n db i o a s s a y e d t h ee x p e r i m e n t a ld a t as h o w e dt h a tt h o u g h5 - s u b s t i t u e n t o fp y r i m i d i n er i n gr e d u c e dt h eh e r b i c i d a la c t i v i t yt os o m e e x t e n t ，y e to n ec o m p o u n d a sb - 2s h o w e ds i m i l a ra c t i v i t yi nc o m p a r i s o nt ot h ec o m m e r c i a l i z e ds u l f o n y l u r e a h e r b i c i d en k 9 2 8 2 5 t h eh e r b i c i d a la c t i v i t yo fm o n o s u b s t i t u t e d 。d i s u b s t i t u t e da n d t r i - s u b s i t u t e d p y r i m i d i n es u l f o n y l u r e a s w i t h5 - s u b s t i t u e n ti n p y r i m i d i n e w a s c o m p a r e d t h es i n g l ec r y s t a lo fb - 2w a so b t a i n e da n d s t r u c t u r a l l ye l u c i d a t e d 3 d q s a ra n dm o l e c u l a rd o c k i n gw e r ec a r r i e do u ta n dt h ec o n c l u s i o n sd e r i v e df r o m t h ea b o v ee x p e r i m e n t a ld a t ac o u l db ei n f o r m a t i v ea n dh e l p f u lf o rf u r t h e rm o l e c u l a r d e s i g no fs u l f o n y l u r e ac o m p o u n d s r e f e r r i n g t ot h es t r u c u t r e so fn k 9 2 8 2 5a n dn k 9 4 8 2 7 ，n e ws u l f o n y l u r e a sw e r e o p t i m i z e do i lt h eb a s i st h a tm o n o - s u b s t i t u t e n ti nt h ep y r i m i d i n er i n gt ob em e t h y l ， m e t h o x yo ri - p r o p o x yg r o u p s d i f f e r e n te l e c t r o nw i t h d r a w i n gg r o u p sw e r ed e s i g n e d t ob et h es u b s t i t u e n ts i t u a t e di nt h eo r t h o p o s i t i o no ft h eb e n z e n er i n g ，w h i c ha c t i v i t y w a ss u m m a r i z e d t h es i n g l ec r y s t a lo fc - 8w a so b t a i n e da n ds t r u c t u r a l l yi d e n t i f i e d s u l f o n y l u r e a sc o n t a i n i n g2 - a m i n o l ，3 ，4 一t h i a d i a z o lm o i e t yw e r ei n c o p o r a t e dw i t h d i v e r s i f i e ds u b s t i t u e n t ss u c ha sp h e n o x y , a r y l ，h e t e r o a r y l ，a l k y la n dc y c l o p r o p y l t h e h e r b i c i d a la c t i v i t yw a sa s s a y e da n dt h e i r 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 pw a ss t u d i e d a b s t r a c t a n o t h e rs e r i e so fn e ws u l f o n y l u r o aw i t hi s o m e r i c4 - a r n i n o - - 6 - m e t h o x y p y r i m i d i n e m o i e t yw a ss y n t h e s i z e da n dt h e i rh e r b i c i d a la c t i v i t ya l s os t u d i e d k e yw o r d s ：s u l f o n y l u r e a , s y n t h e s i s ，p y r i m i d i n e ，t h i a d i a z o l ，h e r b i c i d a la c t i v i t y , 3 d q s a r ，m o l e c u l a rd o c k i n g i i i 目录 目录 中文摘要i a b s t r a c t i i 第一章前言1 第一节磺酰脲除草剂的发现与发展1 1 1 1 磺酰脲类除草剂的发现1 1 1 2 磺酰脲类除草剂的发展2 第二节磺酰脲的作用方式及已商品化的品种8 1 2 1 磺酰脲除草剂的作用机理8 1 2 2 已商品化的磺酰脲品种1 4 第三节磺酰脲类除草剂的代谢降解和残留2 0 1 3 1 磺酰脲类除草剂的代谢降解2 0 1 3 2 磺酰脲类除草剂的残留2 1 第四节磺酰脲的合成方法。2 l 1 4 1 一般结构磺酰脲化合物的合成方法2 1 参考文献。2 4 第二章论文的设计思想、目的和意义3 0 第三章4 ，5 ，6 一三取代嘧啶苯磺酰脲化合物的合成、结构表征与除草 活性3 2 第一节引言3 2 第二节5 一位烷基取代嘧啶苯磺酰脲的合成3 2 3 2 1 仪器和试剂3 2 3 2 2 合成路线3 2 3 2 3 合成方法讨论3 7 3 2 4 化合物的结构表征3 9 第三节5 一位芳基取代嘧啶苯磺酰脲的合成4 2 3 3 1 仪器和试剂4 2 3 3 2 合成路线4 3 i v 目录 3 3 3 化合物的结构表征4 8 第四节除草活性5 2 3 4 1 活体除草活性测试5 2 3 4 2 离体除草活性测试5 9 参考文献6 1 第四章5 一取代嘧啶苯磺酰脲化合物的合成、结构表征与除草活性6 2 第一节引言6 2 第二节实验部分6 2 4 2 1 仪器和试剂6 2 4 2 2 合成路线6 3 4 2 3 合成方法讨论。6 6 4 2 4 化合物的结构表征6 7 4 2 5 单晶结构解析7 3 第三节除草活性7 4 4 3 1 油菜平皿法7 4 4 3 2 盆栽法7 4 4 3 3 实验结果7 5 参考文献7 9 第五章苯环吸电子基修饰的单取代嘧啶苯磺酰脲化合物的合成、结 构表征与除草活性8 0 第一节引言8 0 第二节实验部分8 1 5 2 1 仪器和试剂8l 5 2 2 合成路线8 1 5 2 3 合成方法讨论8 4 5 2 4 化合物的结构表征8 5 5 2 5 单晶结构解析9 0 第三节除草活性9 l 5 3 1 油菜平皿法9 l 5 3 2 盆栽法9 2 v 目录 5 3 3 实验结果9 2 参考文献9 4 第六章噻二唑类苯磺酰脲化合物的合成、结构表征与除草活性9 6 第一节引言。9 6 第二节实验部分一9 6 6 2 1 仪器和试剂9 6 6 2 2 合成路线9 6 6 2 3 合成方法讨论。9 9 6 2 4 化合物的结构表征1 0 0 第三节除草活性10 3 6 3 1 油菜平皿法10 3 6 3 2 盆栽法10 3 6 3 3 实验结果1 0 3 参考文献。10 5 第七章4 一氨基一6 一甲氧基嘧啶苯磺酰脲化合物的合成、结构表征与除 草活性1 0 7 第一节引言。10 7 第二节实验部分1 0 7 7 2 1 仪器和试剂10 7 7 2 2 合成路线10 8 7 2 3 合成方法讨论10 9 7 2 4 化合物的结构表征10 9 第三节除草活性1 13 7 3 1 油菜平皿法1 13 7 3 2 盆栽法1 14 7 3 3 实验结果1 1 4 参考文献1 15 第八章4 ，5 ，6 一三取代嘧啶苯磺酰脲化合物的3 d q s a r 和分子对接研 究116 第一节引言1 16 目录 第二节4 ，5 ，6 一三取代嘧啶苯磺酰脲化合物的3 d - q s a r 研究1 1 7 8 2 1 化合物的选择1 17 8 2 2 化合物活性构象的获得及分子叠合1 17 8 2 3c o m f a 和c o m s i a 分析1 18 8 2 4p l s 分析结果。118 8 2 5 三维等值线图1 2 1 第三节4 ，5 ，6 一三取代嘧啶苯磺酰脲化合物的分子对接研究1 2 2 8 3 1 材料与方法1 2 2 8 3 2 分子对接12 2 8 3 3 结果与分析。1 2 3 8 3 4 本节结论12 5 参考文献12 5 总结论12 7 附录a 缩写、全称及中文注释1 2 9 附录b 本论文所合成的目标化合物和新中间体1 3 0 附录c 化合物b - 2 和c 一8 的晶体结构数据。1 3 7 作者简介14 0 攻读博士期间发表论文1 4 1 致谢14 3 v i i 第一章前言 第一章前言 人口与粮食是人类在2 l 世纪面临的五大挑战之一，粮食对人类生存与发展 具有重要的意义，世界粮农组织的一份资料表明，世界农业面临着每年增加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【i 】。这就要求 人们在保持现有土地的基础上提高单位面积的产量。通过农药的使用，来提高 单位面积粮食产量是2 1 世纪农业的重要举措之一。而杂草防除在农作物生产中 则起着关键性的作用【2 】。我国是一个农业大国，自建国以来，农药的使用对我国 的农业一直起着重大作用。我国销售的农药品种约2 5 0 种，但其中绝大部分属 于仿制品种，在知识产权保护以及进入w t o 的新形势下，迫切要求我国的农药 研究开发必须以创新为目标，加速新农药的创制研究【3 】。 磺酰脲类除草剂由于具有高效低量，杀草谱广，起效快，低毒等优点，因 而在世界范围内得到广泛的使用。从除草剂构效关系着手，利用生物等排原理， 设计开发新型超高效和环境友好的除草剂具有重大的理论意义和现实意义。 第一节磺酰脲除草剂的发现与发展 1 1 1 磺酰脲类除草剂的发现h j l 五十年代初，d u p o n t 公司的l e v i rg 博士曾从事磺酰基异氰酸酯与胺类反 应的研究。其产物1 与脲类除草剂如灭草隆( m o n u r o i l 2 ) 结构类似，只是在芳 环和脲基之间插入了一个磺酰基，如图1 1 。1 9 5 7 年，他们制备出化合物3 ，但 未发现有何有益的活性。直到1 9 7 3 年，d u p o n t 公司的一位昆虫学家s h a r pss 设计出一种测定螨类化学绝育活性的新筛选方法，才发现化合物3 有足够的活 性。很快大量的类似物被合成，但是对螨类的化学绝育活性都不高，值得高兴 的是，发现化合物4 在2k g h a 时有弱的作物生长抑制作用。 由于认为不同的杂环系有可能产生不同类型的生物反应，所以l e v i r 博士决 定合成含杂环取代基的磺酰脲。1 9 7 5 年6 月，l e v i r 制备出关键的嘧啶取代基化 合物5 ( 图1 1 ) ，并发现该化合物具有很高的除草活性，这一发现就成了他日后 成功的关键。 d u p o n t 公司的生物学家d a v i djf 发现，当喷洒化合物5 后在植物上的微 第一章前言 量残留物能损伤植物，并有如此的潜在能力。这一磺酰脲化合物被称之为“倒数 计时化合物”。为今后可能建立起来的最优化程序提供了基本骨架。 p 妣悯2 n h p s 掣呦嗽 令。( 心刚一c o c n p c f 9 妣n h c 洲q 洲9 她n h 5 洲h 图1 1 磺酰脲除草剂的由来 1 1 2 磺酰脲类除草剂的发展 结构活性的开发实际上与这些化合物的发明过程在一定程度上是平行的。 l e v i t t 最初选用杂环基团取代先导化合物的对氰基苯基基团，同时保持无取代基 的苯环和桥，其中选用的杂环涉及到在其它系统内与生物活性有联系的几种环， 当发现活性有提高时，就保持杂环，进而在芳基位置上变化，以提高活性，进 而引入其它杂环，与当时认为活性最强的芳基基团配合，最后用活性最佳的芳 基和杂环基团进行桥的修饰，寻找活性最好的结构( 图1 2 ) 。 芳基一桥一杂环 9 s 0 2 n h 邑n h f 萘- 环3 0 2 n h 曰c n h 弋7 图1 2 最优化策略( e e l 为- j - 变化部分) 1 1 2 1 杂环 l e v i t t 首先合成了一系列4 ，6 位无取代的或用氯或甲基取代的嘧啶衍生物， 这一系列化合物的相对活性如图1 3 。发现二甲基化合物5 的活性与其他化合物 2 第一章前言 相比显然强得多。 9 s 刚h x ：m em em ee thhc 1 c h ( c h 3 ) 2 y ： m ehc le thc lc l c h ( c h 3 ) 2 i n c r e a s i n ga c t i v i t y 【n a c t e 图1 3 嘧啶环不同取代基磺酰脲的相对活性 制备其它类似物与4 ，6 二甲基衍生物相比较，用一个甲氧基代替一个甲基， 活性大大提高，两个位置都用甲氧基取代，活性保持不变。用一个乙氧基取代 时，活性没有明显下降。嘧啶环4 和6 位都用较高级的烷氧基、甲硫基或二甲 氨基取代时，化合物活性丧失。其他广泛的取代基，包括三氟甲基、烷氧烷基、 烷氧烷氧基和三氟乙氧基都进行过研究，但没有一个能将活性提高到上述水平 【p 1 4 】( 图1 4 ) 。 ，x 9 s 刚h 8 n h 、y x ：o m em e o m eo e t o e t s c h 3 o e t n ( c h 3 ) 2s c h 3 y ：m em e o m e o m em e c h 3 o e t n ( c h 3 ) 2s c h 3 i n c r e a s i n ga c t i v n yi n a c t r 、呢 图1 4 不同嘧啶取代基磺酰脲的相对活性 当嘧啶环5 位被取代时，则总的活性要比其相应的4 ，6 二取代衍生物低得 多。l e v i t t 合成了4 ，6 二取代的l ，3 ，5 三嗪类似物，对三嗪和对嘧啶环的取 代基效应相似。然而，与嘧啶衍生物不同的是，三嗪类化合物对禾本科杂草有 选择性。其他杂环系的具除草活性的磺酰脲类衍生物也被制备出( 图1 5 ) ，但 3 第一章前言 这些化合物的活性都比4 ，6 二取代嘧啶和4 ，6 二取代三嗪的化合物低得多。 电叫屯嘞 1 1 2 2 芳环 图1 5 磺酰脲的不同杂环 当发现4 ，6 二甲基嘧啶取代后磺酰脲的活性显著提高后，l e v i t t 就制备了 保持这些杂环系不变而改变芳基部位的磺酰脲。同时把该过程扩展到包括4 甲 氧基6 一甲基和4 ，6 二甲氧基嘧啶以及他们的三嗪类似物上。 l e v i t t 首先从邻，间一，对甲苯基类似物出发，发现只有在邻位时候活性提 高。接着用芳环上有氟、氯、三氟甲基和硝基取代的制备化合物，发现用这些 取代基合成的衍生物除草活性顺序和甲苯衍生物相同( 图1 6 ) 。 r s 0 2 n h c 3 | | 力。心 n h 叫、) ：o - c o犯o - c b l r o - c 0 2 m eo - n 0 2 o fo m e m m e 肌- c 1 意 = d - c f 3 - m 一 肌= ：= ：i 。 d - b r 。搿“ 图1 6 苯环上不同单取代磺酰脲的相对活性 研究还发现，许多不同的功能团与氢相比，当它们存在于桥的邻位时都能 提高活性。吸电子和供电子基团都具有潜在的效应。但是，游离羧基和羟基具 有减活的作用。同时发现，二取代苯磺酰脲类能保持活性( 图1 7 ) 。2 ，6 二氯 衍生物几乎与2 氯类似物活性相同，其它化合物都显示出邻位取代基的活化效 应和对位取代基的减活作用。 4 n飞n 勿 n叫n 第一章前言 。o c h 3 黔s 叫邑n h 弋 c h 3 2 ，6 2 。3 - 2 ，5 - 2 ，4 3 5 - 3 。4 - i n c r e a s i n ga c t i v i t y 图1 7 二氯苯磺酰脲衍生物的相对活性 其他环系衍生物的除草活性的取代基效应与苯系衍生物的取代基效应相类 似( 图1 8 ) 1 5 l 刀。硫酚则具有土壤残留活性期短的优点。 x = o ，s 。n r 图1 8 磺酰脲衍生物的不同芳环 1 1 2 3 脲桥 在发现芳基环邻位取代具有活性增强效应之前，l e v i t t 就开始进行桥结构修 饰的研究。由于当时这些邻位无取代基化合物，几乎都没有活性，因此当l e v i t t 寻找到最佳芳基和杂环基后，又重新研究了桥的修饰。 磺酰脲桥的改动主要有三方面。 首先是桥变长。早期杜邦公司的苄嘧磺隆分子中在苯环和磺酰基间插入了 一个碳原子，后来又开发的酰嘧磺隆、乙氧嘧磺隆、环丙嘧磺隆等化合物分子 中则插入了一个氧原子或氮原子，这类结构一般容易降解，对后茬作物影响较 小，但大多比未修饰磺酰脲活性稍有降低。专利【1 眦川中也报道了其它类似化合 物6 - - 8 。 其次是桥的变短。这主要是磺酰氨基羰基三唑啉酮类和三唑并嘧啶磺酰胺 类( 9 - - 一1 6 ) ，近几年有较多类似的结构( 1 7 2 2 ) 被报道【2 1 2 6 1 ，另有专利【2 7 2 8 】 报道了活性化合物2 3 和2 4 ，但它们最终未能商品化。 最后是桥上的取代，如苯磺隆具有足够的活性能够开发成产品，其特异性 如选择性和残留活性短等使得该产品对种植者更有利，杜邦公司除苯磺隆外， 芦 一 n i 瞰 习n ( 第一章前言 并没有此类品种商品化 2 9 1 。 c 三c h c n ( c h 3 ) 2 n h s 0 2 n h c n h 洲3 眠s 。州o n h 甜 气n 弋 o c h 3 7 c h 3 h 3 8 o c h 3 1 0 心苓州 n 、n 冬g c n 2 h 5 。2 弋n 姒f 、f c 0 2 c h 3 1 4 n h s 0 2 n o c h 2 c h f 2 h 3 c s 9 c h 3 人 、n 7 心n o c h 3 h 3 6 f n n h s 0 2 n c f 11 o c h 2 c h 3 n 2 慨觋f 1 3 n n h s 0 2 之 n 15 1 9 f 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。 本课题组于上世纪9 0 年代初采用逆向思维法，借鉴l e v i t t 研究组的经验， 首先在苯环的邻位上连有吸电子基团，然后优化右边的杂环，得到与他不同的 实验结果：即有少数含单取代嘧啶的磺酰脲分子也有很好的生物活性( 实例见 表1 1 中的n k 9 2 8 2 5 ，n k 9 4 8 2 7 ) 。因此对l e v i t t 博士的结论进行了修正，即当 杂环为嘧啶环时，桥的间位上单取代和双取代的药效相型3 0 】，而当杂环为三嗪 环时，l e v i t t 规律仍适用。 第二节磺酰脲的作用方式及已商品化的品种 1 2 1 磺酰脲除草剂的作用机理 伴随着磺酰脲的问世，其除草作用机理就一直被人们所关注。l ar o s s a 等 人【3 l 】最早发现，磺酰脲类除草剂的作用靶标是催化植物体内支链氨基酸合成第 一步反应的乙酰乳酸( 羟基酸) 合成酶( a c e t o l a c t a t es y n t h a s e 或a c e t o h y d r o x y a c i d s y n t h a s e ) ，简称a l s 或a h a s 。如图1 1 2 所示，该酶是真菌、细菌和高等植物 支链氨基酸( 缬氨酸、亮氨酸和异亮氨酸) 生物合成途径中的第一个关键酶， 催化两个平行的反应。一是两分子的丙酮酸缩合形成乙酰乳酸；二是丙酮酸与q 一 酮基丁酸缩合形成a 一乙酰q 一羟基丁酸，反应中间体经过酮醇酸还原异构酶k a r l 进行还原异构化，再经过双羟酸脱水酶d h 催化脱水，分别得到缬氨酸和异亮氨 酸的前体，最后经转氨酶t a 实现缬氨酸和异亮氨酸的生物合成；对于亮氨酸， 第一章前言 则是经d h 脱水以后，中间体2 酮异戊酸依次经2 异丙基苹果酸合成酶i p m s ， 异丙基苹果酸异构酶i p m i ，3 异丙基苹果酸脱氢酶i p m d 的生物催化生成亮 氨酸。在这个过程中，需要有硫胺焦磷酸素( t h a m i n ep y r o p h o s p h a n t e ，简称t h d p ) 、 黄素腺嘌呤二核苷酸( f l a v i na d e n i n ed i n u c l e o t i d e ，简称f a d ) 和m g + 三种辅助 因子的配合作用才可以实现( 如图1 1 3 ) 。a h a s 酶受到磺酰脲化合物的抑制， 支链氨基酸的生物合成受阻，将导致蛋白质合成的停止，使d n a 和其他有丝分 裂必不可少的物质的合成被破坏【3 2 1 ，导致植物根、茎、叶的生长受到抑制，从 而使植物生长严重受损直至死亡。 由于a h a s 只存在于植物和微生物体内，在动物体内不存在a h a s ，因此 以a h a s 为靶标的磺酰脲类除草剂具有极低的动物毒性，从这一点来看，a h a s 是最佳的除草剂靶标酶。 事实上，根据其功能的不同生物体内存在两种a h a s 。一般情况下提及的 a h a s 就是本文所指的催化支链氨基酸生物合成的酶，另外一种具有分解代谢的 功能，只能催化乙酰乳酸的生物合成，生成的乙酰乳酸经过乙酰乳酸脱羧酶， 乙酰甲基元醇还原酶催化的生物化学反应，生成2 。3 丁二醇。为了区别起见，后 者被称为a l s 。 杜邦公司的s c h l o s s 鉴别出a l s 实际上有a l si 、a l si i 、a l si i i 之分，这 三种同工酶对各种除草剂的敏感性不同，其中以a l si i 最为敏感。s c h l o s s 认为， 磺酰脲分子和a l s 酶的作用点为硫胺焦磷酸素，它与磺酰脲类的嘧磺隆 ( s u l f o m c t u r o n ) 分子结构类似，均有一个取代的嘧啶基，并在嘧啶环间隔的第 二个键都有一个三角中心( 羰基与三唑氨基) ，间隔的第三个键中均有一个负离 子中心。嘧磺隆可与a l si 产生的中间产物结合，从而使a l s 酶失去活性。 为了更好地了解磺酰脲类除草剂的作用机制，为开发新的高效除草剂提供 理论指导，包括杜邦公司在内的许多研究机构都曾试图得到a l si 的晶体，以便 用x 射线确定其绝对构型，但未获得成功。在a l s 晶体尚未得到及a l s 酶活 性中心结构尚未完全确定的情况下，人们难以确定a l s 与其抑制剂的详细作用 机理及进行a l s 抑制剂的直接分子设计。 a n d r e a 掣”】在对一系列磺酰脲化合物进行体外和体内活性测试的基础上， 进行了2 d q s a r 研究，提出了磺酰脲与a h a s 结合的假设模型( 图1 1 4 ) 。在 磺酰脲苯环的2 ，3 ，5 位存在疏水区，而2 位吸电子取代基及4 ，5 位给电子取代 基有利于化合物的除草活性；杂环部分4 或6 位取代则有体积的限制，为一至 9 第一章前言 i p m i i p m d 捌 明一吐湖 明广c c 汀 c h 广c c o 口 亮氨酸缬氨酸 a h a s 盘二 i i li i i h 3 r f 帕一f q 心 d h t a 图1 1 2 支链氨基酸生物合成途径 t 蚜 酸 h e c h 3 + h 3 n 一早一o 图1 1 3t h d p 和f a d 的结构式 删 第一章前言 n 图1 1 4 磺酰脲与a h a s 结合的假设模型 三个非氢原子，而脲桥则带负电荷，可结合受体带正电荷的氨基酸。 m u r a i 等【3 4 】通过研究5 6 种吡啶磺酰脲类除草剂的构效关系的基础上，也提 出了类似的模型。 t o s h i o ”】贝0 对磺酰脲作用模型有了较进一步的假设，认为a h a s 的底物丙 酮酸是电负性的，有理由推测其催化中心包含一个正电荷为底物，他选择n i - h + 代表受体正离子的结合位点，并找出其与磺酰脲和其它a h a s 抑制剂的距离关 系，建立起铵离子结合模型( 图1 1 5 ) 。 图1 1 5 磺酰脲与铵离子的结合模型 i n t e r a c t i o n ) 第二章前言 本课题组在李正名院士的带领下，1 0 余年来，一直致力于新磺酰脲类除草 剂的构效关系研究，并从中发现具有高活性的新颖结构。在a h a s 酶三维结构 未知的情况下展开工作，测定了9 个磺酰脲的晶体结构【3 2 1 。通过对结果分析 发现，从磺酰脲类的单晶数据来看，磺酰脲分子在晶胞中存在三个独立的平面， 即杂环磺酰脲平面、苯环平面和酯基( 或硝基) 平面，并且在全部的晶体结构 中，杂环上的一个n 原子与脲桥上连接磺酰基的n 原子上的h 构成分子内氢键， 这样就形成了一个大的共轭体系，这是国际上首次对该现象的报道。并与赖城 明教授课题组合作，应用分子图形学、分子力学和量子化学方法，研究了一系 列高活性磺酰脲的结构特点，总结出高活性分子的结构要素：( 1 ) 分子内氢键 使得脲与杂环形成一个共平面的大共轭体系，整个分子由以一定角度相交的三 个非共平面性结构所组成；( 2 ) 羰基氧、磺酰基氧和杂环氮原子形成三个负电 中心，与靶标互补；( 3 ) 磺酰基与邻位电负性基团形成一个空穴。并在此基础 上提出“卡口模型”，此模型很好的解释了各化合物的活性差掣4 3 州】。在构效关 系方面，研究了结构参数及计算方法的选择对提高磺酰脲活性预报准确性的影 响【4 5 确】。将反映分子表面积大小和分子构象差异的参数引入计算，探讨了杂环 表面积对药物分子和受体作用的影响，较好的解释了单取代三嗪类磺酰脲活性 较低的原因【4 刀。并用c o m f a 方法研究了磺酰脲的3 d q s a r ，为进一步优化结 构提供了有用的信息【4 8 1 。本课题组初步总结了磺酰脲分子具有除草活性的结构 特征，同时也初步解释了单取代嘧啶磺酰脲具有优良活性的内在原因。在与受 体的结合中，具有