金家渺，宋 佳，沈廷偉，呂 潔，金智超

(貴州大學 綠色農藥全國重點實驗室，貴陽 550025)

手性廣泛存在于自然界中，手性分子與其鏡像不能重合。隨著對手性的認識與研究，人們發(fā)現(xiàn)不管是作用于人體的手性藥物還是應用于農業(yè)的手性農藥，不同的構型往往具有不同，甚至是截然不同的生理作用。如歐洲的“反應?！笔录琑-反應停(thalidomide)有鎮(zhèn)靜作用，但其S構型對胎兒有致畸作用[1]。手性農藥跟手性藥物一樣重要，當手性農藥的對映體進入具有手性特征的生物體內時，對映異構體在生物活性、環(huán)境行為和毒理學等方面都可能存在差異。因此，不同的對映異構體在植物保護中會表現(xiàn)出不同的生物活性(圖1)。例如，除草劑異丙甲草胺(metolachlor)，其S-對映體有很好的除草活性，而R-對映體卻對小鼠具有致突變作用[2]。

圖1 不同構型商品藥的活性差異

因手性合成工藝開發(fā)困難，大多市售手性農藥仍以外消旋體形式上市。但隨著手性合成技術的快速發(fā)展，未來將會實現(xiàn)更多單一立體異構體農用化學品的商業(yè)化。迄今為止，在眾多商業(yè)化或正在開發(fā)的手性農藥中，絕大多數(shù)手性農藥為中心手性分子，而由于軸手性和面手性農藥活性分子的合成具有一定的挑戰(zhàn)性，相關的研究報道較少。隨著不對稱催化和化學合成的快速發(fā)展，以低成本合成軸手性和面手性分子將成為未來的研究熱點。

氮雜環(huán)卡賓(N-heterocyclic carbene, NHC)催化劑在近20年得到飛速發(fā)展，它具有獨特的活化模式和強大的催化性能，已成為不對稱催化領域研究中最為成熟可靠的方法之一。在開發(fā)小分子手性農藥方面取得的巨大成就鼓舞下，筆者旨在探索新的立體化學結構，以有效控制重要的植物病害。因此，筆者從以下3 個方面總結了氮雜卡賓催化不對稱合成方法在手性農藥活性化合物合成中的應用：⑴手性螺環(huán)氧化吲哚殺菌劑的研發(fā)；⑵軸手性噻嗪類殺菌劑的創(chuàng)制；⑶面手性二茂鐵殺菌劑的合成，以期為新型綠色手性農藥的開發(fā)提供新方法。

1 手性螺環(huán)氧化吲哚殺菌劑的研發(fā)

煙草青枯病是由青枯雷爾氏桿菌引起的一種發(fā)生在煙草上的土傳病害，植物的葉、莖、根都可受害，一旦感染，發(fā)展速度很快，短期內發(fā)病率可達80%以上，因此防治較難[3]。許多學者通過研究篩選出了多種對煙草青枯病菌有較好抑制作用的藥劑，比如含有螺環(huán)吲哚活性片段的麥角酰胺生物堿。但目前具有高效、廣譜生物活性和對非靶標生物低風險的抗菌化學品仍然很少，開發(fā)高效、低風險新型化學結構殺菌劑至關重要。

雜環(huán)芳烴廣泛存在于醫(yī)藥、農藥以及天然產物等多種功能分子中，對于雜環(huán)芳烴中的雜原子進行結構修飾及功能轉化是有機合成領域的熱門課題。例如，吲哚及吡咯結構中所含的氮雜原子可以與酮類化合物反應構建N,O-縮醛結構。但有效控制N,O-縮醛化合物合成過程中的立體選擇性是非常具有挑戰(zhàn)性的課題。目前，對于N,O-縮醛化合物的不對稱合成方法在過渡金屬和手性膦酸催化領域中少有報道[4]。

過去，NHC 催化劑主要用于實現(xiàn)羰基化合物和亞胺分子中碳原子的活化；對于化合物中雜原子的活化和不對稱轉化少有報道。筆者團隊報道了NHC催化下芳香N 原子的親電活化反應[5]。以吲哚-2-甲醛為起始底物，與NHC 催化劑在氧化條件下首先形成acylazolium ?；蜴f中間體I。中間體I芳香環(huán)體系中的NH 基團在堿的作用下去質子化，形成aza-fulvene 中間體Ⅱ。隨后中間體Ⅱ作為親核試劑與缺電子酮類底物發(fā)生[3+2]環(huán)化反應，從而形成N,O-縮醛產物(圖2)。

圖2 NHC 催化芳香N 原子的親電活化反應及其機理

筆者在DQ 氧化劑存在下選擇吲哚醛和靛紅作為模型底物進行了條件優(yōu)化，并獲得映選擇性氮雜[3+2]環(huán)加成反應的最優(yōu)條件，并對該反應進行了底物拓展。結果表明該反應底物普適性好，親核底物可以拓展為多種取代類型的吲哚-2-甲醛與吡咯-2-甲醛，親電底物則可包括多種類型的取代靛紅和α-酮酸酯，反應收率高達99%，所制備得到的絕大多數(shù)手性N,O-縮醛產物可獲得＞95∶5 的er 值(2 個對映異構體的峰面積比值)。部分反應和產物結構如圖3 所示。

圖3 手性螺環(huán)氧化吲哚化合物的底物拓展

采用渾濁度法[6]，測試了所獲新型手性N,O-縮醛小分子對煙草青枯病菌的離體抑菌活性(表1)。結果顯示所制備的多種手性化合物對煙草青枯病菌具有優(yōu)于殺菌劑噻菌銅與葉枯唑的良好抗菌活性。

表1 手性螺環(huán)氧化吲哚化合物的抗青枯菌活性

2 軸手性噻嗪類殺菌劑的創(chuàng)制

水稻白葉枯病是由稻黃單胞菌(Xanthomonas oryzae)引起的最難防治細菌性病害，嚴重威脅我國水稻生產[7]。迄今為止，水稻白葉枯病的防治主要是通過種植技術的結合或使用抗病水稻?？刮⑸锘瘜W制劑，如雙馬噻唑和噻唑鋅，也被用于控制稻黃單胞菌的侵染。但這些金屬或有機化學試劑的防效目前仍不理想，迫切需要尋找有效的化學物質來治療或預防水稻植株上的稻黃單胞菌侵染。

筆者團隊研究了氮雜環(huán)卡賓催化下的硫脲與苯丙炔醛之間的選擇性環(huán)加成反應[8]。此反應特點是首次利用NHC 催化將硫脲加成到炔基?；蛑虚g體中，最終建立具有優(yōu)異光學純度的C-N 軸手性，得到具有多個官能團的軸手性噻嗪衍生物，并顯示出抗水稻白葉枯病菌活性。

通過對模型反應的條件優(yōu)化以及對反應底物的普適性研究，可通過此方法立體選擇性地合成30 余種高光學純度的軸手性取代噻嗪類化合物(圖4)。在研究中發(fā)現(xiàn)，產物N-苯基上鄰位取代基的大小對目標產物er 值的影響較大：隨著取代基空間位阻的減小，其對應的產物er 值逐步降低，并且產物13b 的er 值會隨著反應時間的延長而緩慢降低。因此，筆者進一步探究了目標產物的立體化學穩(wěn)定性。通過監(jiān)測化合物12a、13a、13b 在不同溫度下er 值的變化，通過實驗計算得到了化合物12a 的阻轉能壘為29.5 kcal/mol，13a 為28.4 kcal/mol，13b 為26.9 kcal/mol。其中12a 阻轉能壘的實驗計算結果與理論計算值(30.4 kcal/mol)相吻合。

圖4 軸手性噻嗪類化合物的底物拓展

采用渾濁度法，測試了目標產物對水稻白葉枯病菌的離體抑菌活性(表2)。其中，化合物(R)-13c和(R)-13j 在100 μg/mL 時對水稻白葉枯病菌的抑制率分別為88.71%和98.63%，優(yōu)于殺菌劑噻菌銅和葉枯唑?；铙w活性研究表明，(R)-13c 對水稻白葉枯病具有很好的治療和保護作用，其防效分別為56%和68%，優(yōu)于噻菌銅與葉枯唑。這些分子的立體構型對相應的抗菌活性有顯著影響，軸手性噻嗪類化合物的R構型的抗菌活性優(yōu)于S構型。

表2 軸手性噻嗪類化合物抗水稻白葉枯病菌活性

續(xù)表2

3 面手性二茂鐵殺菌劑的合成

二茂鐵及其衍生物具有一個三明治結構，當2 個以上不同官能團被引入到同一個環(huán)戊二烯上，就可以產生平面手性。平面手性二茂鐵衍生物在合成化學和藥物研究中已有探索。例如，(R,Sp)-二甲苯已被用作手性除草劑(S)-異丙草胺生產中的配體[9]。具有平面手性的二茂鐵氯喹(ferroquine)是一種抗瘧疾試劑，已在聯(lián)合治療瘧疾的II 期臨床試驗中獲得進展[10]?；诙F的衍生物廣泛存在于醫(yī)藥、農藥、配體以及高分子材料等多種功能分子中，對于二茂鐵進行結構修飾及功能轉化是有機合成領域的熱門課題。因此，開發(fā)高效和立體選擇性的方法來獲得平面手性二茂鐵衍生物具有重要意義。

在此，筆者開發(fā)了一種基于二茂鐵的平面手性多功能分子的不對稱合成有機催化方法[11](圖5)。氮雜環(huán)卡賓(NHC)用作前手性二茂鐵二甲醛14a 的對映選擇性不對稱化的唯一有機催化劑。加入手性NHC 催化劑后，以可逆的方式形成2 個非對映異構的Breslow 中間體III 和Ⅳ。中間體Ⅳ由于立體原因比中間體III 更容易形成，并且可以在溫和條件下氧化得到手性?；蜴f中間體V。2-硝基苯酚15a 用作酯化試劑。

圖5 二茂鐵平面手性分子不對稱合成的有機催化方法及其機理

筆者以非手性的二茂鐵二醛14a 和鄰硝基苯酚15a 為模型反應底物進行條件優(yōu)化，在選用NHC E為催化劑，苯甲酸鈉為堿，四氫呋喃為溶劑，于-20 ℃攪拌48 h 可以得到最優(yōu)的反應結果。隨后對反應的普適性進行了考察，并通過此方法以較好的收率和立體選擇性合成了一系列平面手性二茂鐵衍生物，并且對目標產物在合成化學中的應用進行了考察(圖6)。平面手性二茂鐵衍生物中的醛基和酯基可通過簡單轉化，生成10 余種光學純的平面手性功能分子。這些多功能平面手性分子化合物可用作平面手性催化劑或配體，應用于不對稱合成中并取得了較好反應效果。分別采用渾濁度法和含毒介質法[12]，測試了所得平面手性二茂鐵化合物16l、16s 和18b等對細菌柑橘潰瘍病菌和真菌辣椒炭疽病菌的離體抑菌活性(表3)，結果顯示化合物16l、16s 和18b 對柑橘潰瘍病菌的抑制活性優(yōu)于殺菌劑噻菌銅，化合物16l 對柑橘潰瘍病菌的抑制活性與噻菌銅相當。

表3 面手性二茂鐵化合物的抗細菌和抗真菌活性

圖6 面手性二茂鐵化合物的底物拓展

4 總結與展望

化學藥劑是植物保護的重要和有效的手段，隨著人們對手性認識的加深，手性農藥的開發(fā)已經成為綠色農藥創(chuàng)新的熱點。針對手性農藥制備中催化劑效率低、手性農藥生產成本高的問題，構建溫和高效的催化體系實現(xiàn)手性農藥分子的清潔制備至關重要。此外，隨著有機化學領域內軸手性和面手性活性分子的高效構建策略的發(fā)展，也將帶動相關功能分子在手性農藥領域的研究。

綜上所述，農藥分子手性結構的創(chuàng)新和綠色農藥清潔生產工藝的開發(fā)是綠色農藥創(chuàng)制與應用的關鍵科技問題，大力開展相關科學研究對于有效預防和控制植物病蟲害導致的作物損失，確保我國糧食安全和食品安全具有重要意義。