巨修練,胡福臨,王均震,李 黎,李水清
(1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,教育部綠色化工過(guò)程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430074;2.武漢信佳和誠(chéng)藥物化學(xué)有限公司,湖北 武漢 430075;3.武漢中鑫化工有限公司,湖北 武漢 430200)
以吡蟲(chóng)啉為代表的選擇性作用于昆蟲(chóng)神經(jīng)系統(tǒng)煙堿乙酰膽堿受體的新煙堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑,具有極高的殺蟲(chóng)活性和光穩(wěn)定性,因而迅速獲得市場(chǎng)的青睞,在較短的時(shí)間內(nèi)占據(jù)全球農(nóng)藥市場(chǎng)的三成份額[1].隨著新煙堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑的廣泛應(yīng)用,不可避免的出現(xiàn)了害蟲(chóng)抗藥性和交互抗性[2-3],甚至有報(bào)道新煙堿類(lèi)種子處理劑的使用,導(dǎo)致蜜蜂的大量死亡[4-5].為了解決這一難題,更好地了解新煙堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑的殺蟲(chóng)機(jī)理和作用方式,創(chuàng)新出更加高效低毒的新煙堿類(lèi)農(nóng)藥,各國(guó)科學(xué)家對(duì)新煙堿類(lèi)化合物從分子設(shè)計(jì)、作用方式、構(gòu)效關(guān)系等方面做出了大量研究[6-9].
中國(guó)作為一個(gè)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó),據(jù)統(tǒng)計(jì),需要防治1648種農(nóng)業(yè)害蟲(chóng)[10],對(duì)農(nóng)藥的需求量巨大.隨著時(shí)代的發(fā)展,農(nóng)業(yè)對(duì)高效低毒農(nóng)藥的需求與日俱增,使人們對(duì)新煙堿類(lèi)殺蟲(chóng)劑研究更感興趣.在國(guó)家“973”和“863”等項(xiàng)目的支持下,與新煙堿類(lèi)化合物相關(guān)的研究,取得了巨大的進(jìn)步和創(chuàng)新,不僅在目前普遍使用的新煙堿類(lèi)農(nóng)藥上進(jìn)行工藝改進(jìn),還研究出擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代農(nóng)藥,即將或已經(jīng)取得生產(chǎn)許可證[11],如圖1所示.
環(huán)氧蟲(chóng)啉為武漢工程大學(xué)與武漢中鑫化工有限公司合作研制的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新煙堿類(lèi)農(nóng)藥,經(jīng)田間藥效試驗(yàn)[12]證明,其具有較好的害蟲(chóng)防治效果.為了更好的研究推廣環(huán)氧蟲(chóng)啉,在實(shí)驗(yàn)室工作的基礎(chǔ)上,合成環(huán)氧蟲(chóng)啉,并進(jìn)行單晶衍射和殺蟲(chóng)活性測(cè)試.
圖1 在中國(guó)正在商業(yè)化的新煙堿類(lèi)農(nóng)藥Fig.1 Commercializing neonicotinoids in China
環(huán)氧氯丙烷、乙腈、碳酸鉀、甲醇、二氯甲烷均來(lái)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,分析純.2-硝基亞氨基咪唑烷(化學(xué)純,江蘇常農(nóng)化工有限公司)
Bruker D KX 400核磁共振儀,Smart CCD-X射線(xiàn)衍射儀,TRACEMS 2000色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀,Vario公司ELⅢ型元素分析儀.
500mL四口燒瓶中依次加入250mL乙腈,一定量的2-硝基亞氨基咪唑烷,碳酸鉀,持續(xù)攪拌,加熱升溫.待溫度升至65~75℃,滴加適量的環(huán)氧氯丙烷.反應(yīng)3~5h,冷卻至50℃,過(guò)濾,濾液旋蒸,溶劑回收,得到固體以300mL二氯甲烷,50mL蒸餾水分三次萃取,有機(jī)層合并旋蒸,固體用甲醇重結(jié)晶.第二天過(guò)濾,干燥,得白色粉末固體,收率60%,合成路線(xiàn)如圖2.1H-NMR(CDCl3,400MHz)∶δ(化學(xué)位移)∶2.55(s,1H),2.81(s,1H),2.98~3.04(q,J=24Hz,1H),3.14(s,1H),3.66~3.69(t,J=12Hz,1H),3.79-3.82(d,J=12Hz,3H),4.04~4.07(d,J=12Hz,1H),8.20 (s,1H).MS m/z(%):186(M+,26),154(59),131(100),129(4),117(49);Anal.calcd for C6H10N4O3∶C 38.71,H 5.41,N 30.09;found C 38.54,H 5.62,N 29.87.
圖2 環(huán)氧蟲(chóng)啉合成路線(xiàn)Fig.2 Synthesis of huanyangchonglin
以二氯甲烷為洗脫劑,以硅膠為固定相,對(duì)環(huán)氧蟲(chóng)啉進(jìn)行柱層析,旋蒸二氯甲烷,得白色固體,再以甲醇重結(jié)晶,過(guò)濾、干燥,固體溶于二氯甲烷/甲苯,采用溶劑揮發(fā)法培養(yǎng)單晶.選取大小為0.20×0.10×0.10mm3的單晶,在Smart CCD-X射線(xiàn)衍射儀,使用 Mo Kα射線(xiàn)(λ=0.710 73nm)作為入射輻射,在296(2)K 下,1.58°<θ<26.00°范圍內(nèi)(h∶-9~9;K∶-10~10;I∶-14~16),以ω/2θ的掃描方式,共收集到3 433個(gè)獨(dú)立衍射點(diǎn),化合物環(huán)氧蟲(chóng)啉的結(jié)構(gòu)采用直接法解出,全部非氫原子坐標(biāo)及各向異向性熱參數(shù)經(jīng)最小二乘法修正,所有計(jì)算用SHEL XS-97程序進(jìn)行.最終偏離因子R1=0.056 7.
以98.3%環(huán)氧蟲(chóng)啉原藥為供試藥劑,95.3%吡蟲(chóng)啉原藥為對(duì)照試劑,將一定量的原藥用DMSO溶解,然后用水稀釋為5個(gè)百分濃度梯度,每個(gè)百分濃度為1處理,每處理30頭甘藍(lán)蚜蟲(chóng),4次重復(fù),以清水處理為對(duì)照.每片葉片上存留30頭生長(zhǎng)發(fā)育一致的甘藍(lán)蚜蟲(chóng)無(wú)翅蚜,葉片浸入藥液中,停留5s,取出,多余藥液用濾紙吸干,放入培養(yǎng)皿中,在室溫(26±1)℃的培養(yǎng)室中培養(yǎng).48h后調(diào)查,以毛筆輕觸蟲(chóng)體不動(dòng)為死亡,計(jì)算死亡率.
采用一步法由2-硝基亞氨基咪唑烷與環(huán)氧氯丙烷合成環(huán)氧蟲(chóng)啉.反應(yīng)溶劑采用乙腈,重結(jié)晶過(guò)程以甲醇替換丁酮,同實(shí)驗(yàn)室前期合成路線(xiàn)[13]相比,一次性收率提高到60%,產(chǎn)品純度提高到95%.在純化過(guò)程中,以二氯甲烷替代乙酸乙酯,純化效果更加明顯.
X-射線(xiàn)衍射實(shí)驗(yàn)表明,化合物環(huán)氧蟲(chóng)啉的晶體組成為C12H20N8O6(見(jiàn)圖3),屬于三斜晶系,P-1空間群,晶胞參數(shù)a=0.788 78(13)nm,b=0.845 89(14)nm,c=1.305 9(2)nm;α=86.703(2)°,β=80.665(2)°,γ=86.013(2)°;V=0.856 8(2)nm3,Z=2,Dc=1.443g/cm3,F(xiàn)(000)=392,GOF=1.042,R(int)=0.022 4,晶體數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)列于表1.
圖3 化合物環(huán)氧蟲(chóng)啉的分子結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The molecular structure of huanyangchonglin
表1 環(huán)氧蟲(chóng)啉的晶體數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 Crystal data and structure parameters of huanyangchonglin
由X-RAY晶體結(jié)構(gòu)圖中可知,環(huán)氧蟲(chóng)啉是一個(gè)手性化合物,以外消旋體存在,手性C原子為四面體SP3雜化,分別與兩個(gè)碳原子、一個(gè)氧原子和一個(gè)氫原子形成四面體.對(duì)于兩個(gè)構(gòu)型的化合物的鍵長(zhǎng)(nm),亞甲基C—H鍵長(zhǎng)均0.097,手性碳上C—H鍵長(zhǎng)均為0.098,其余部分鍵長(zhǎng)分別為C(5)—C(6)=0.143 3(7),C(5)—O(3)=1.406(7),C(5)—C(4)=0.148 0(6),C(5)—H(5)=0.098,C(5’)—O(3’)=0.140 3(11);部分鍵角(°)分別為O(3)—C(5)—C(6)=59.6(4),O(3)—C(5)—C(4)=118.2(5),C(6)—C(5)—C(4)=124.4(6),O(3’)—C(5’)— C(6’)=60.7(6),O(3’)—C(5’)—C(4’)=116.0(7),C(C(6’)—C(5’)—H(5’)=112.9;整個(gè)分子采用折疊型的構(gòu)型,其部分扭轉(zhuǎn)角(°)分別為:N(1)—C(2)—C(3)—N(2)=—7.9(3),N(1)—C(4)—C(5)—O(3)=84.9(5),N(1)—C(4)—C(5)—C(6)=155.7(5),C(4)—C(5)—C(6)—O(3)=-105.2(7),C(4)—C(5)—O(3)—C(6)=115.4(7);部分鍵長(zhǎng)和鍵角列于表2、表3,氫鍵作用力見(jiàn)圖4.
表2 環(huán)氧蟲(chóng)啉的部分鍵長(zhǎng)Table 2 Selected bond length of huanyangchonglin
表3 環(huán)氧蟲(chóng)啉的部分鍵角Table 3 Selected angel of huanyangchonglin
從圖4可知,該化合物分子內(nèi)和分子間存在氫鍵作用,主要為氮原子上氫與相鄰氧原子和氮原子間的作用.Z=2,計(jì)算得知該化合物密度為1.443g/cm3.
根據(jù)處理的總蟲(chóng)數(shù)和死蟲(chóng)數(shù)計(jì)算死亡率,以空白對(duì)照死亡率按照Abbott公式計(jì)算校正死亡率,用DPS軟件求出各供試藥樣的毒力回歸線(xiàn)及LC50,以95.3%吡蟲(chóng)啉原藥為標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照藥劑,計(jì)算環(huán)氧蟲(chóng)啉的相對(duì)毒力指數(shù),比較兩種藥劑對(duì)甘藍(lán)蚜蟲(chóng)的活性差異.結(jié)果列于表4,從表中可知環(huán)氧蟲(chóng)啉對(duì)甘藍(lán)蚜蟲(chóng)的室內(nèi)生物活性?xún)?yōu)于吡蟲(chóng)啉.
圖4 環(huán)氧蟲(chóng)啉的氫鍵Fig.4 Hydrogen bonds of huanyangchonglin
表4 環(huán)氧蟲(chóng)啉和吡蟲(chóng)啉對(duì)甘藍(lán)蚜蟲(chóng)的殺蟲(chóng)活性Table 4 Insecticidal activities of huanyangchonglin and imidacloprid against Brevicoryne brassicae
本研究介紹了新煙堿類(lèi)化合物環(huán)氧蟲(chóng)啉的一種合成方法,并得到以外消旋體形式存在的環(huán)氧蟲(chóng)啉晶體.通過(guò)單晶衍射方法,得到消旋環(huán)氧蟲(chóng)啉的晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),并進(jìn)一步研究環(huán)氧蟲(chóng)啉的殺蟲(chóng)活性.結(jié)果表明,環(huán)氧蟲(chóng)啉的合成工藝成熟、室內(nèi)對(duì)甘藍(lán)蚜蟲(chóng)的殺蟲(chóng)活性高,具有較好的應(yīng)用前景.
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