三联噻吩类光活化农药设计与合成

三联噻吩类光活化农药设计与合成罗欣贤谭建发陈文珊杨卓鸿（华南农业大学理学院，广州，510642）摘要：实验以2溴噻吩作为原料，通过溴化、格氏试剂交叉偶联反应制备光活化农药先导化合物α三联噻吩；然后通过VilsmeierHaack反应，碱催化下羟醛缩合与吡唑啉关环等反应对α三联噻吩进行结构修饰，最终获得一系列的噻吩类吡唑啉化合物。并通过红外光谱、核磁共振等表征，经分析得到其确切的结构。关键词：光活化农药α三联噻吩吡唑啉杂环化合物TheDesignandSynthesisOfLightActivatedPesticides－terthiophenepyrazolineLuoXinxianTanJianfaChenWensanYangZhuohong(CollegeofScience,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou，510642)Abstractαterthiophene，astheintermediateofthephotoactivatedpesticideswassynthesizedfrom2bromothiophenebyGrignardreaction.ThentheintermediatewasusedtosynthesislightactivatedHeterocyclesthroughtVilsmeierHaackreation,AldolreactionsandPyrazolinecyclicreaction.Finally,aseriesofHeterocyclesweresynthesizedandidentifiedbyIRand1HNMR.KeywordslightactivatedpesticidesαterthiophenepyrazolineHeterocycles1前言化合物所产生的生物活性是由其化学结构决定的,通过光活化毒素构效关系研究，分析结构与活性关系，对新农药研发创制具有重大意义。对多聚噻吩的研究表明，噻吩环愈多，活性愈强；试验证实三联噻吩活性远高于二联噻吩[1]，试验证明αT具有高效、广谱、见效快、无残留、与目前常用农药无交互抗性等优点.以αT对母体骨架进行改造，以此为先导化合物，设计合成新的化合物。在充分保留其光活化性能的基础上，基于农药分子设计理论，对先导化合物进行合理结构修饰，引入具有广谱杀虫活性的吡唑啉结构基团，设计合成多类含噻吩环的多杂环化合物，这样合成的新化合物既含有光活化杀虫活性，又具有吡唑啉广谱杀虫活性，预期发现具有高效、广谱、低毒的光活化农药。2实验部分2.1合成路线R=H、Ac、Ph、、etc.图1合成路线步骤Ⅰ为噻吩的溴化反应，由于噻吩杂环共有6个π电子，杂原子起了给电子的作用，在室温下发生溴化反应比较容易，此反应可以进行；步骤Ⅱ为格式试剂交叉偶联反应，反应的关键是格式试剂的制备，据多数的合成α三联噻吩文献[23]可知反应具有较高的产率，产率基本都能达到80%。此合成步骤方法简单成熟，反应可以进行；步骤Ⅲ为VilsmeierHaack[4]反应，VilsmeierHaack反应适用于富电子的杂环反应，使环上反应生成取代醛基。但当α三联噻吩与过量的DMF/POCl3反应，然后酸性水解的2,2〃位二取代醛基，若不过量，则生成2位取代醛基。步骤Ⅳ为羟醛缩合反应，在稀碱的作用下，以分子的醛和一分子的酮相互作用，生成α,β不饱和酮。据文献[5]所知，大多数的羟醛缩合反应产率都能达到70%以上，反应条件简单成熟，反应可以进行。步骤Ⅴ为制备吡唑啉类化合物最常用的方法。据过去的文献报道[5]，反应在冰乙酸的催化下，苯肼的α氮原子与烯酮的β烯碳发生1,4加成，然后β氨基与羰基碳原子发生分子内关环，生成吡唑啉类化合物，且产率也较高。根据吡唑啉类的化合物的合成可知，步骤Ⅴ合成方法成熟，反应可以进行。2.2药品和仪器2.2.1实验药品2溴噻吩：分析纯，连云港宏业精细化工；其它试剂为分析纯，主要购买于天津市大茂化学试剂厂。溶剂按照常用方法干燥、纯化。2.2.2实验仪器NicoletAVATAR360E.S.P.型AvatarFTIR红外光谱仪，布鲁克600兆核磁共振仪。2.3实验步骤2.3在150mL圆底烧瓶中装配磁子和恒压滴液漏斗，加入9.50g（0.6mol）2溴噻吩和20mL纯化的四氯化碳，将9.79g溴素和30mL纯化的四氯化碳混合后加入恒压滴液漏斗中，缓慢滴加，室温下磁力搅拌，同时向反应液中加入数粒碘和无水AlCl3作催化剂，5h后滴加完毕，反应液在室温下继续搅拌36h，TCL跟踪反应，反应液先变为黄色，然后变为深红棕色。反应完毕后，向反应液中加入1.7g固体氢氧化钠，反应瓶接球形冷凝管和干燥管，在100℃油浴下加热回流4.5h，冷却到室温，过滤，滤液转移到圆底烧瓶用旋转蒸发器蒸去四氯化碳，剩余溶液进行蒸馏，收集193～204℃的馏分10.23g，2,5二溴噻吩的收率为72.57%。2.3.在100mL三颈烧瓶中装配磁子，上接干燥管的球形冷凝管，恒压滴液漏斗和氮气连接管，向三颈烧瓶里加入1.80g活化镁屑，接通氮气并加热10min，加入数粒碘，使碘蒸气充满三颈烧瓶，加入15mL无水乙醚，向恒压滴液漏斗中加入12.3g2溴噻吩和15mL无水乙醚，然后从恒压滴液漏斗向三颈烧瓶缓慢滴加3mL混合液，磁力搅拌使反应发生，此时碘蒸气颜色消失，表明反应已发生，加热到乙醚回流，然后缓慢滴加2溴噻吩的乙醚溶液，回流反应5h，使得镁屑基本消失，并不时向反应中补加乙醚，以防乙醚蒸干，生成格氏试剂。称取7.32g2,5二溴噻吩于10mL无水乙醚中，加进恒压滴液漏斗后缓慢滴加，同时向反应液里加入0.007g双（二苯基磷）丙烷氯化镍作催化剂，加热回流反应12h，TLC跟踪至反应基本完成。用2mol/L盐酸中止反应，用无水乙醚萃取，分液，油层加入无水硫酸镁干燥1h，过滤，滤液转移到圆底烧瓶后用旋转蒸发器蒸去溶剂，得到略带黄色的紫黑色溶液，置于冰浴冷却，立即析出淡黄色晶体，将所得浓缩液经柱层析分离，用石油醚（60-90℃）：乙酸乙酯＝6：1洗脱，得到3.63g黄绿色的α三联噻吩，mp.88～89℃2.3.32醛基α三联噻吩的制备在50ml带塞子的锥形瓶内加入10mlCH2Cl2与1.2ml（14.9mmol）N,N二甲基甲酰胺后，于冰浴下磁力搅拌，混合均匀后用注射器向内逐滴加入1.2ml（12.8mmol）POCl3，保持整个过程干燥，不引入水分，然后将温度慢慢加热到40℃，可得淡黄色溶液。另在50ml三口烧瓶中加入15mlCH2Cl2含3g（12.1mmol）的α三联噻吩，冰浴条件下搅拌10min，后向内逐滴滴加上述制备淡黄色的试剂，溶液由无色变为黄色，滴加完毕，室温下反应10h。TLC分析，跟踪反应。所得的反应液回流反应10h后，得到红棕色的溶液，后向内加入10%HCl20mL，50℃条件下搅拌反应1.5h，溶液明显分层，上层为水层，下层为黑红色的有机相，所得溶液冷却至室温，后用CH2Cl2萃取。脱溶剂，烘干，粗产物为2.71g，收率为78.1%。将上面得到的粗产物经柱层析分离，用CH2Cl2进行洗脱，得到1.76g红褐色的晶体，mp.135～136℃。2.3.41苯基3（2〃α三联噻吩）2丙烯1酮的制备在100mL反应瓶中分别加入0.8g(6.67mmol)苯乙酮溶于50mL95%乙醇的溶液、2.0mL质量分数为10%的NaOH水溶液和1.50g(5.43mmol)2醛基α三联噻吩,室温搅拌反应，2h后，粉末状固体开始析出，TLC跟踪反应。6h后反应完成，向反应容器中加入冰水，大量黄色粉末析出，趁冷抽滤，固体依次用冷乙醇、冷却水、冷乙醇洗涤，然后再用乙醇进行重结晶，得到1.44g橙色粉末状产物，mp.162～2.3.以2，3二苯基5（2〃α三联噻吩）吡唑啉的制备为例在50ml的圆底烧瓶中，将0.1106g1苯基3（2〃α三联噻吩）2丙烯1酮溶于20mL乙醇中，常温下，磁力搅拌，使之完全溶解，后向内加入5mL冰乙酸和逐滴加入0.0316g苯肼，溶液由红黄色逐渐变成带荧光的浅橙色，常温下磁力搅拌，回流反应12h，并用TLC跟踪反应。反应完毕后，脱溶剂、溶于乙醚。用水洗涤有机相，分出有机层，用无水MgSO4干燥。脱溶剂烘干，得粗产物。将上面所得的粗产物经柱层析分离，用石油醚：乙酸乙酯=8：1的洗脱液进行洗脱，得到0.1317g橙色固体，mp.148~150℃，产率为96.18%。以类似方法制备其他噻吩类吡唑啉化合物。2.3.6实验产物列表实验产物编号IIIIIIIVVaVbVcVdVe表1实验产物结构式及各自对应的编号列表3实验结果与讨论分析3.1实验产物数据产物产量/g产率/%熔点/℃表观I10.2372.57深红棕色粘稠液体II3.6348.3788~89黄色晶体III1.7650.72135~136红褐色晶体IV1.4467.20162~164橙色粉末状固体Va0.082083.68156~158黄色粉末状固体Vb0.090182.95170~172土黄色粉末状固体Vc0.131796.18148~150橙色粉末状固体Vd0.112487.75193~195黄色粉末状固体Ve0.127188.69133~134浅黄色粉末状固体表2各实验产物的数据列表由上表数据可以看出一系列的反应中，除了反应II的产率低于50%以外，其它反应的产率都比较高，尤其是最后的几个反应V都有很高的产率。而且各固体产物的熔程都比较短，只有1～2℃，表明产物的纯度都比较高。3.2实验产物图谱解析3.2.1红外图谱（有关化合物的红外图谱后附）3.2.1.1α三联噻吩的红外表征由所得产物的红外谱图可得：3071.25cm1噻吩α位CH伸缩振动；1493.92和1421.87cm1为n≥2的噻吩齐聚物特有的噻吩环的伸缩振动[7]；对于2360.13cm1的峰推测为噻吩环内的累积双键的伸缩振动，文献[7]也曾出现，但该文献没有详细分析，其化合物结构同为噻吩环；600到850cm1为多联噻吩的指纹区域，832.04cm1为链端噻吩环的CH面外振动，795.99cm1为多联噻吩n＝3时噻吩环β位的CH面外变形振动，而687.44和675.29cm1这些低波数侧峰则是多联噻吩特有的中间的噻吩环呼吸振动所作的贡献[8]；由上述红外谱图分析可得，产物具有αα＇结构，且噻吩齐聚物的噻吩环数为n＝3，因此产物为目标化合物α三联噻吩。3.2.1.22醛基α三联噻吩(III由所得产物的红外谱图可得：除了有类似α三联噻吩的特征吸收外，比α三联噻吩还多了3432.84cm1处的CHO中的CH键伸缩振动[9]；1650.85cm1处的羰基中的C=O双键伸缩振动，因此产物为目标化合物2醛基α三联噻吩。3.2.1.31苯基3（2〃α三联噻吩）2丙烯1酮(IV)红外光谱检测如图所示：3079.91cm1和3064.48cm1为噻吩α位CH伸缩振动；2923.7cm1和2852.34cm1为噻吩α位CH伸缩振动；1648.923.2.1.4噻吩类吡唑啉化合物的红外表征以2，3二苯基5（2〃α三联噻吩）吡唑啉(Vc)的红外表征为例解析红外光谱检测如图所示：3417.41cm1为吡唑啉环中缔合NH键和苯环上NH键的伸缩振动；3062.56cm1为噻吩α位CH伸缩振动[10]；2925.63cm1为吡唑啉环上CH2的反对称伸缩；2852.34cm1为吡唑啉环上CH2的对称伸缩；1591.06cm1和1569.85cm1为吡唑啉环C=N的伸缩振动；1375.06cm1为苯环骨架的伸缩振动；133.2.2噻吩类吡唑啉化合物1HNMR图谱（1HNMR图谱后附）以2乙酰基3苯基5（2〃α三联噻吩）吡唑啉（Vb）的1HNMR表征为例解析溶剂丙酮δH2.05～2.15ppm，噻吩环上的两个βH互相偶合δH1.3～1.4ppm，甲基上的三个HδH2.7～2.9ppm，中间的噻吩环上的两个βHδH7.31～7.33ppm，有三个H的噻吩环的三个HδH7.34～7.39ppm，与吡唑啉环相连的噻吩环上的两个βHδH7.57～7.67ppm，吡唑啉环上的两个HδH8.2～8.9ppm，苯环上的五个HδH7.43～7.52ppm。1HNMR表征清楚地表达了产物中的氢原子偶合情况，通过对这些氢原子偶合情况的解读，可以帮助验证产物的结构。[12]4生物测试4.1生测步骤利用斜纹夜蛾细胞建立MTT细胞比色法的生物测定体系。MTT步骤如下：（1）接种细胞：用含10％胎小牛血清得培养液配成单个细胞悬液，以每孔1000－10000个细胞接种到96孔板，每孔体积200ul.（2）培养细胞：同一般培养条件，培养3－5天（可根据试验目的和要求决定培养时间）。再加药处理。（3）呈色：培养3－5天后，每孔加MTT溶液（5mg/ml用PBS配)20ul.继续孵育4小时，终止培养，小心吸弃孔内培养上清液，对于悬浮细胞需要离心后再吸弃孔内培养上清液。每孔加150ulDMSO，振荡10分钟，使结晶物充分融解。（4）比色：选择490nm波长，在酶联免疫监测仪上测定各孔光吸收值，记录结果。4.2生测结果条件抑制率VaVbVcVdVe24H光照20ppm重复10.6290040.8709960.7891460.860320.899466重复20.6681490.8781140.7357650.8959070.91726重复30.6681490.8994660.7998220.8709960.892349重复40.5720640.8781140.806940.8923490.910142平均抑制率%63.4341688.1672678.2918187.9893290.48043SE（标准误差）2.2717340.6163881.6137330.8533510.55322524H黑暗20ppm重复10.0346980.0110460.0753990.0418150.07726重复20.0631670.0500320.0700710.0062280.064831重复30.0916370.014940.0764650.0524910.043517重复40.13790.001950.0771750.0738430.00266平均抑制率%8.1850531.1046137.5527954.3594310.71048SE（标准误差）2.2003471.4036691.6108671.4123233.145344表3各实验产物的生测抑制率由上表数据可得出，本实验中所制得的五个噻吩类吡唑啉农药经过光照活化后对斜纹夜蛾细胞的抑制率为60～90％不等，可以通过这个生物测试对本实验中所制得的产物进行筛选[13]；再通过与黑暗条件下对斜纹夜蛾细胞的抑制率作对比，本实验中所制得的农药的光活化特点得到了明显的体现。5结论（1）由实验可知，通过本合成路线可以得到目标产物噻吩类吡唑啉化合物。其中溴代反应、格氏试剂交叉偶联反应与碱催化下羟醛缩合反应副产物较少，产率较高。而VilsmeierHaack试剂下的甲酰化反应与吡唑啉关环反应，副反应较为激烈，副产物较多，目标产物产率相对较低。[14]纵观实验，可知合成路线与实验方法简单、成熟，因此可以进行大剂量实验，生产更多的光活化产物进行生物测试研究。（2）采用格氏试剂交叉偶联法合成光活化农药中间体α三联噻吩，采用双（二苯基磷）丙烷氯化镍作催化剂，以工业品2溴噻吩为原料合成α三联噻吩总产率为48.37％。（3）在吡唑啉关环反应中，不同的取代肼与α,β不饱和醛酮进行的吡唑啉关环反应活性不一样，取代肼中氮原子的活性越高，反应越容易进行。而且由于取代肼与α,β不饱和醛酮都是有两个反应中心的化合物，因此该反应的副反应较多，对主要目标产物的产率有一定影响。[15]（4）通过进行生物测试研究表明，本实验所制得的五个噻吩类吡唑啉光活化农药，在光照情况下对斜纹夜蛾细胞均有较高抑制率。产物通过光活化后对斜纹夜蛾细胞的抑制率分别比在黑暗条件下的抑制率高了约8～127倍不等，表现了光活化农药作用机理独特，光照下可显著提高其杀虫、拟菌、除草的生物活性，同时自身降解,环境友好。[16][参考文献][1]黄青春,吴计划.噻吩类光活化物质对淡色库蚊的活性及构效关系研究[J].中国媒介生物学及控制杂志,2006,17(4):271273.[2]TamaoK,KodamaS,NakajimaI,etal.NickelPhosphineplexcatalyzedgrignardcouplingⅡ.Terahedron,1982,38(22):33473354.[3]JuzoN,ToruK,MasamatsuH.Preparetionofthiopheneoligomers.Heterocycles,1988,27(7):17321754.[4]钱定权,曹如珍,刘纶祖.Vilsmeier试剂近年来在有机合成中的应用[J].有机化学,2000,20(1):3043.[5]韩秀英,林培华,田美令,等.1,3二苯基5(4氯苯基)2吡唑啉的合成[J].山西大学学报(自然科学版),2003,26(4):327329.[6]常建华,杨韵娜.α,β不饱和醛酮与取代肼的反应[J].化学通报,1988,5:3942.[7]草镛,过丁,叶成,等.2,5噻吩集聚物链结果的表征[J].化学学报,1987,15:10721076.[8]HChen,DQQian,GXXu,YXLiu,XDChen,XDShi,RCCao,LZLiu.＂TheSynthesisofPhosphonylPyrazoles.Proceedingsofthe14thInternationalConferenceonPhosphorusChemistry＂,July,Cincinnati,1998(inPress)[9]DownumKR.LightActivatedPesticidesControl