本研究中,根据生物电子等排原理,通过替换异噁唑啉类杀虫剂分子中的芳环,同时修饰尾部酰胺基团,期望发现具有优异杀虫效果的新型异噁唑啉类杀虫先导化合物。以3,5-二氯苯硼酸、5-溴-3-甲基-2-吡啶甲酸甲酯和5-溴-2-吡啶甲酸甲酯等为原料,经7步反应设计合成了6个异噁唑啉类衍生物,并测试了其对果蝇(drosophila melanogaster)和玉米螟(pyrausta nubilalis)的室内杀虫活性。
1 实验部分
1.1 试剂与仪器
无水碳酸钾、2-溴-3,3,3-三氟-1-丙烯、3,5-二氯苯硼酸、四(三苯基膦)钯、5-溴-3-甲基-2-吡啶甲酸甲酯、5-溴-2-吡啶甲酸甲酯、氰化亚铜、盐酸羟胺、醋酸钠、亚硝酸钠、盐酸、氢氧化钠、叠氮磷酸二苯酯、2-氨基-N-(2,2,2-三氟乙基)-乙酰胺盐酸盐、甘氨酸甲酯盐酸盐、甲氧胺盐酸盐、三乙胺(triethylamine)、N,N-二甲基甲酰胺(N,N-dimethylformamide,DMF)、四氢呋喃(tetrahydro-furan)、石油醚(petroleum ether, 60~90 ℃)、乙酸乙酯(ethyl acetate)、甲醇、蒸馏水等(均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司、上海毕得医药有限公司等)。实验过程中无氧条件的反应均选用氩气保护,层析柱纯化所用硅胶粉粒径为40~45?μm。JNMA-400型核磁共振仪,日本电子株式会社;XEVO/SYNAPT G2型质谱仪,美国Waters公司,1290型质谱仪,安捷伦科技有限公司。
1.2 杀虫活性测试材料
供试药品为6个目标化合物G1-G6、氟虫腈(fipronil);培养板、塑料容器、泡沫塞、注射器、移液管、人工饲料等;果蝇成年雌虫、玉米螟三龄幼虫;供试化学试剂为蔗糖、二甲基亚砜(dimethyl sulfoxide, DMSO),试剂均为分析纯。
1.3 目标化合物的合成路线
以3,5-二氯苯硼酸、5-溴-3-甲基-2-吡啶甲酸甲酯和5-溴-2-吡啶甲酸甲酯等为原料,经7步反应设计合成了6个异噁唑啉类衍生物,其合成路线如图1所示。
1.3.1 中间体1,3-二氯-5-(1-三氟甲基-乙烯基)-苯(3)的合成 依次将3,5-二氯苯硼酸(1.90?g, 10?mmol)、2-溴-3,3,3-三氟-1-丙烯(1.91 g, 11 mmol)、碳酸钾(2.76?g, 20?mmol)和四(三苯基膦)钯(0.17?g, 0.15?mmol),加入到100?mL的双口圆底烧瓶中,然后向其加入四氢呋喃30?mL,水15?mL,氩气置换3次,升温至90?℃回流反应5?h。反应完毕后,用乙酸乙酯15?mL萃取3次,合并有机相,用无水硫酸钠干燥后过滤,滤液减压浓缩。粗产品经硅胶柱层析纯化(洗脱剂:PE),分离得到2.04?g无色液体,收率85.0%。
1.3.2 中间体5-氰基吡啶-2-甲酸甲酯(5a)的合成 依次将5-溴吡啶-2-甲酸甲酯(2.15?g,10?mmol)和氰化亚铜(1.78?g, 20?mmol)加入到250?mL双口圆底口烧瓶中,加入30?mL DMF溶解,搅拌升温至170?℃回流反应7?h。反应完毕后冷却至室温,将反应液加入到氨水溶液中(200?mL)抽滤,滤液用乙酸乙酯萃取(20?mL,3次),合并有机相后用蒸馏水(30?mL,3次)和饱和食盐水(15?mL,3次)洗涤,再用无水硫酸钠干燥后过滤,滤液减压浓缩,粗产品用乙酸乙酯重结晶、过滤、石油醚洗涤。分离得到1.06?g白色固体,收率65.4%。
1.3.3 中间体5-氰基-3-甲基吡啶-2-甲酸甲酯(5b)的合成 以5-溴-3-甲基-2-吡啶甲酸甲酯(2.29?g, 10?mmol)等为原料,参照化合物5a的方法合成,得到0.99?g白色固体,收率56.2%。
1.3.4 中间体5-[(Z)-氨基(羟氨亚基)甲基]吡啶-2-甲酸甲酯(6a)的合成 将化合物5a(1.62?g,10?mmol)和盐酸羟胺(1.38?g, 20?mmol)加入到250?mL单口圆底烧瓶中,加入60?mL甲醇溶解。加入三乙胺(2.92?mL, 21?mmol),升温至80?℃回流反应5?h。反应完毕后冷却到室温,减压浓缩除去溶剂,乙酸乙酯萃取(20?mL,3次)后合并有机相,用无水硫酸钠干燥后过滤,滤液减压浓缩。粗产品经硅胶柱层析[洗脱剂:V(PE)/V(EA)= 4∶1],分离得到1.47?g白色固体,收率75.4%。
1.3.5 中间体5-[(Z)-氨基(羟氨亚基)甲基]-3-甲基吡啶-2-甲酸甲酯(6b)的合成 以化合物5b(1.76?g, 10?mmol)等为原料,参照化合物6a的方法合成,得到1.78?g白色固体,收率85.2%。
1.3.6 中间体5-[(Z)-氯(羟氨亚基)甲基]吡啶-2-甲酸甲酯(7a)的合成 将化合物6a(1,95?g,10?mmol)加入100?mL单口烧瓶中,加入80?mL 12%?HCl溶解后,冰浴。另取亚硝酸钠(1.38?g,20?mmol),用少量水溶解,将其滴加入反应液,0~5?℃回流反应5?h。反应完全后,乙酸乙酯(20?mL,3次)萃取合并有机相,用饱和食盐水(10?mL,3次)洗涤,用无水硫酸钠干燥后过滤,滤液减压浓缩得到2.1?g白色固体,收率98.1%。
1.3.7 中间体5-[(Z)-氯(羟氨亚基)甲基]-3-甲基吡啶-2-甲酸甲酯(7b)的合成 以化合物6b(2.09?g, 10?mmol)等为原料,参照化合物7a的方法合成,得到2.2?g白色固体,收率96.5%。
1.3.8 中间体5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]吡啶-2-甲酸甲酯(8a)的合成 依次将化合物7a(2.14?g, 10?mmol)、化合物3(3.6?g, 15?mmol)和15?mL DMF加入到100?mL的圆底烧瓶中,滴加三乙胺(2.78?mL, 20?mmol),搅拌升温至60?℃反应8?h。反应完毕后,加入15?mL蒸馏水继续搅拌1?h,乙酸乙酯萃取(20?mL,3次)后合并有机相,用蒸馏水(20?mL,3次)、饱和食盐水(20?mL,3次)洗涤,无水硫酸钠干燥有机相后过滤,滤液减压浓缩,粗产品经硅胶柱层析[洗脱剂∶V(PE)/V(EA)为40∶1],分离得到3.21?g白色固体,收率76.8%。
1.3.9 中间体5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]-3-甲基吡啶-2-甲酸甲酯(8b)的合成 以化合物7b(2.28?g, 10?mmol)等为原料,参照化合物8a的方法合成,得到3.38?g白色固体,收率78.2%。
1.3.10 中间体5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]吡啶-2-甲酸(9a)的合成 依次将化合物8a(1.25?g, 3?mmol)、氢氧化钠(0.48?g, 12?mmol)加入250?mL的圆底烧瓶中,加入100?mL甲醇、20?mL纯水,搅拌升温至50?℃反应3?h,反应完全后,减压浓缩除去甲醇,用乙酸乙酯萃取(20?mL,3次)后合并有机相,分别用蒸馏水(20?mL,3次)、饱和食盐水(20?mL,3次)洗涤,无水硫酸钠干燥有机相后过滤,滤液减压浓缩,得1.17?g白色固体,收率96.5%,所得化合物无需纯化可直接进行下一步反应。
1.3.11 中间体5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]-3-甲基吡啶-2-甲酸(9b)的合成 以化合物8b(1.30?g, 3?mmol)等为原料,参照化合物9a的方法合成,得1.23?g白色固体,收率98.1%,所得化合物无需纯化可直接进行下一步反应。
1.3.12 目标化合物G1-G6的合成 将上述中间体9a(0.4?g, 1?mmol)加入100?mL单口圆底烧瓶中,用10?mL DMF溶解,加入叠氮磷酸二苯酯(0.28?g, 1?mmol),冰浴后,缓慢滴加三乙胺(0.28?mL,2?mmol),反应1?h后移至室温条件(25?℃)下,分批加入2-氨基-N-(2,2,2-三氟乙基)-乙酰胺盐酸盐(0.38?g, 2?mmol),继续反应12?h。反应完毕后,加入20?mL蒸馏水继续搅拌20?min,用乙酸乙酯萃取(10?mL,3次)后合并有机相,分别用蒸馏水(20?mL,3次)、饱和食盐水(20?mL,3次)洗涤,无水硫酸钠干燥后过滤,滤液减压浓缩得到灰色粗产品。粗产物用石油醚/乙酸乙酯混合溶剂进行重结晶,得0.46?g白色固体,产率84.9%。目标化合物G2-G6参照上述方法合成。
1.4 杀虫活性测试
1.4.1 果蝇室内杀虫活性测定方法 将供试化合物和氟虫腈分别溶解在溶剂DMSO中,并用质量体积比20%蔗糖溶液配制成100?mg/L的待测化合物稀释液,每种待测化合物稀释液约需要5?mL,以添加相同量溶剂(DMSO)的质量体积比20%蔗糖溶液作为对照组。挑选生长一致且健康的果蝇成年雌虫待试,对照组果蝇喂养蔗糖溶液润湿处理的牙芯,实验组喂养含待测化合物蔗糖溶液润湿的牙芯,将每组10只大小均匀的雌性果蝇放置到各个容器中,用泡沫塞盖住容器并转移至适宜条件下饲养。经过48?h后统计果蝇死亡数。每个待测药物重复3次实验,统计各组死亡数,计算死亡率(式1)和校正死亡率(式2)。
[Pt%=死亡昆虫个数总测试昆虫个数×100] (1)
[P1%=Pt-P01-P0×100] (2)
式中,Pt代表实验组死亡率,P0代表对照组死亡率,P1代表校正死亡率。
1.4.2 玉米螟室内杀虫活性测定方法 将供试化合物和氟虫腈分别溶解在溶剂DMSO中,将母液与人工饲料混匀,制成含有100?mg/L待测药剂的人工饲料,以添加相同质量溶剂(DMSO)的饲料为对照。选取生长一致且健康的三龄幼虫待试,在培养板的每孔加入约1.0?g含有待测药剂的人工饲料作为实验组,放置20头三龄幼虫待试,将培养板放置适宜条件下饲养。经过48?h后统计玉米螟三龄幼虫的死亡数量。每个待测药物重复3次实验,统计各组死亡数,计算死亡率(式1)和校正死亡率(式2)。
2 结果与讨论
2.1 结构表征
合成的6个异噁唑啉类目标化合物G1-G6,其1H-NMR、13C-NMR和HRMS数据均与预期结构相符合,具体表征如下:
1,3-二氯-5-(1-三氟甲基-乙烯基)-苯(3):无色液体,收率85.0%。1H NMR (400?MHz, CDCl3): δ 7.43~7.39 (m,1H),7.34 (s, 2H),6.05 (s, 1H), 5.82 (s, 1H);MS(ESI): m/z 242.25 (M+H)+。
中间体5-氰基吡啶-2-甲酸甲酯(5a):白色固体,收率65.4%。1H NMR (400?MHz, CDCl3): δ 9.00 (d, J = 4?Hz, 1H), 8.25 (d, J = 8?Hz, 1H), 8.15 (dd, J = 8, 4?Hz, 1H), 4.04 (s, 3H); MS(ESI): m/z 163.10 (M+H)+。
中间体5-氰基-3-甲基吡啶-2-甲酸甲酯(5b):白色固体,收率56.2%。1H NMR (400?MHz, CDCl3): δ 8.77 (d, J = 4?Hz, 1H), 7.90 (d, J = 4?Hz, 1H), 4.00 (s, 3H), 2.62 (s, 3H); MS(ESI): m/z 177.20 (M+H)+。
5-[(Z)-氨基(羟氨亚基)甲基]吡啶-2-甲酸甲酯(6a):白色固体,收率为75.4%。1H NMR (400?MHz, DMSO-d6): δ 10.10 (s, 1H), 9.06~8.88 (m, 1H), 8.20~8.18 (m, 1H), 8.05 (d, J = 8 Hz,1H),6.10 (s, 2H),3.87 (s, 3H); MS(ESI): m/z 196.10 (M+H)+。
5-[(Z)-氨基(羟氨亚基)甲基]-3-甲基吡啶-2-甲酸甲酯(6b):白色固体,收率85.2%。1H NMR (400?MHz, DMSO-d6): δ 10.01 (s, 1H), 8.76 (s, 1H), 8.01 (s, 1H), 6.04 (s, 2H), 3.87 (s, 3H), 2.48 (s, 3H); MS(ESI): m/z 210.00 (M+H)+。
5-[(Z)-氯(羟氨亚基)甲基]吡啶-2-甲酸甲酯(7a):白色固体,收率为98.1%。1H NMR (400?MHz,DMSO-d6): δ 12.99 (s, 1H), 9.08 (d, J = 4?Hz, 1H), 8.33 (m, 1H), 8.15 (d, J = 8?Hz, 1H),3.91 (s, 3H);MS(ESI):m/z 215.00 (M+H)+。
5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]吡啶-2-甲酸甲酯(8a):白色固体,收率76.8%。1H NMR (400?MHz, CDCl3): δ 8.94 (s, 1H), 8.20 (s, 2H,), 7.51 (d, J = 4?Hz, 2H), 7.44 (t, J = 2?Hz, 1H), 4.12 (d, J = 16?Hz, 1H), 4.03 (s, 3H), 3.74 (d, J = 20?Hz,1H);MS(ESI): m/z 419.05 (M+H)+。
5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]-3-甲基吡啶-2-甲酸甲酯(8b):白色固体,收率78.2%。1H NMR (400?MHz, DMSO-d6): δ 8.79 (d, J = 4?Hz, 1H),8.13(d, J =4?Hz, 1H), 7.82 (t, J = 2?Hz, 1H),7.63(d, J =4?Hz, 2H), 4.48 (d, J =16?Hz, 1H),4.36(d, J =20?Hz, 1H), 3.89 (s, 3H), 2.49 (s, 3H); MS(ESI): m/z 433.05 (M+H)+。
5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]-N-{2-氧亚基-2-[(2,2,2-三氟乙基)氨基]乙基}吡啶-2-甲酰胺(G1):白色固体,收率84.9%。1H NMR (400?MHz, DMSO-d6): δ 9.05 (t, J = 6?Hz, 1H), 8.94 (d, J = 4?Hz, 1H), 8.64 (t, J = 6?Hz, 1H), 8.31 (m, 1H), 8.12 (d, J = 8?Hz, 1H), 7.80 (t, J = 4?Hz, 1H), 7.62 (d, J = 4?Hz, 2H), 4.60~4.30 (m, 2H), 3.98 (d, J = 4?Hz, 2H), 3.91 (m, 2H); 13C NMR (101?MHz, DMSO-d6): δ 169.9, 163.9, 156.3, 151.5, 147.4, 139.0, 136.5, 135.2, 130.8, 130.1, 126.5, 126.5, 126.1, 123.8, 122.5, 87.7, 87.4, 43.0, 42.6, 29.5; HRMS m/z: calcd for C20H14Cl2F6N4O3 (M+H)+ 543.042 5, found 543.042 4。
5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]-N-甲氧基吡啶-2-甲酰胺(G2):白色固体,收率90.1%。1H NMR (400?MHz, DMSO-d6): δ 12.22 (s, 1H), 8.90 (s, 1H), 8.31 (dd, J = 8, 4?Hz, 1H), 8.11 (d, J = 8?Hz, 1H), 7.83 (s, 1H), 7.64 (s, 2H), 4.56~4.36 (m, 2H), 3.72 (s, 3H); 13C NMR (101?MHz, DMSO-d6): δ 160.9, 156.3, 151.5, 147.4, 139.0, 136.5, 135.2, 130.1, 126.5, 126.1, 122.7, 87.7, 87.4, 63.7, 43.0; HRMS m/z: calcd for C17H12Cl2F3N3O3 (M+H)+ 434.028 6, found 434.028 3。
[({5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]吡啶-2-基}羰基)氨基]乙酸甲酯(G3):白色固体,收率90.5%。1H-NMR (400?MHz, DMSO-d6): δ 9.24 (t, J = 6?Hz, 1H), 8.94 (s, 1H), 8.31 (d, J = 8?Hz, 1H), 8.12 (d, J = 8?Hz, 1H), 7.80 (t, J = 2?Hz, 1H), 7.62 (s, 2H), 4.55~4.34 (m, 2H), 4.06 (d, J = 4?Hz, 2H), 3.64 (s, 3H); 13C NMR (101?MHz, DMSO-d6): δ 170.5, 164.1, 156.3, 151.3, 147.5, 139.0, 136.60, 135.2, 130.1, 126.6, 126.2, 125.6,122.6,87.7, 87.4, 52.3, 43.0, 41.5; HRMS m/z: calcd for C19H14Cl2F3N3O4 (M+H)+ 476.039 1, found 476.039 0。
5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]-3-甲基-N-{2-氧亚基-2-[(2,2,2-三氟乙基)氨基]乙基}吡啶-2-甲酰胺(G4):白色固体,收率86.3%。1H NMR (400?MHz, DMSO-d6): δ 8.92 (t, J = 6.0?Hz, 1H), 8.78 (s, 1H), 8.62 (t, J = 6?Hz, 1H), 8.10 (s, 1H), 7.82 (s, 1H), 7.63 (s, 2H), 4.49 (s, 1H), 4.37 (s, 1H), 3.98~3.89 (m, 4H), 2.61 (s, 3H); 13C NMR (101?MHz, DMSO-d6): δ 170.1, 165.9, 156.2, 150.2, 144.5, 139.0, 135.2, 134.5, 130.1, 126.6, 126.2, 125.5, 123.8, 87.5, 87.2, 43.1, 42.5, 29.5, 19.8; HRMS m/z: calcd for C21H16Cl2F6N4O3(M+H)+ 557.058 2, found 557.058 1。
5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]-N-甲氧基-3-甲基吡啶-2-甲酰胺(G5):白色固体,收率91.7%。1H NMR (400?MHz, DMSO-d6): δ 10.22 (s, 1H), 8.63 (d, J = 4?Hz, 1H), 7.86 (d, J = 4?Hz, 1H), 7.49 (s, 2H), 7.43 (t, J = 2?Hz, 1H), 4.09 (d, J = 20?Hz, 1H), 3.89 (s, 3H), 3.72 (d, J = 16?Hz, 1H), 2.75 (s, 3H); 13C NMR (101?MHz, DMSO-d6): δ 170.6, 166.2, 156.2, 150.2, 144.6, 139.1, 139.0, 135.2, 134.4, 130.1, 126.2, 125.6, 87.5, 87.2, 52.2, 43.1, 41.3, 19.7; HRMS m/z: calcd for C18H14Cl2F3N3O3 (M+H)+ 448.044 2, found 448.043 7。
[({5-[5-(3,5-二氯苯基)-5-(三氟甲基)-4,5-二氢异噁唑-3-基]-3-甲基吡啶-2-基}羰基)氨基]乙酸甲酯(G6):白色固体,收率90.0%。1H NMR (400?MHz, DMSO-d6): δ 9.08 (t, J = 6?Hz, 1H), 8.76 (d, J = 2.0?Hz, 1H), 8.08 (d, J = 2.0?Hz, 1H), 7.81 (t, J = 2?Hz, 1H), 7.61(d, J = 2?Hz, 2H), 4.53~4.30 (m, 2H), 4.01(d, J = 4?Hz, 2H), 3.64 (s, 3H), 2.57 (s, 3H); 13C NMR (101?MHz, DMSO-d6): δ 170.6, 166.1, 156.2, 150.1, 144.6, 139.1, 139.0, 135.2, 134.4, 130.1, 126.2, 125.6, 87.5, 87.2, 52.2, 43.1, 41.3, 19.7; HRMS m/z: calcd for C20H16Cl2F3N3O4 (M+H)+ 490.054 8, found 490.055 1。
2.2 杀虫活性
化合物G1-G6对果蝇和玉米螟的杀虫活性如表1所示。结果表明,在100?mg/L浓度下,部分化合物对果蝇表现出较好的杀虫效果,其中G1、G4和G5对果蝇的杀虫率均达100%;而化合物G2和G3则表现出较弱的杀虫活性,果蝇48 h的校正死亡率低于40%。进一步测试了目标化合物对鳞翅目害虫玉米螟的杀虫效果;结果表明,100?mg/L浓度下,化合物G1-G4表现出与果蝇相似的杀虫效果,其中化合物G1和G4杀虫效果较好,玉米螟48 h后的死亡率分别为84.56%和100.00%,化合物G2和G3抑制效果较差,死亡率小于10%。值得注意的是,化合物G5和G6对玉米螟表现出较差的杀虫效果,小于30%,这与对果蝇的测试结果大为不同。以上测试结果表明,异噁唑啉环3号位连接吡啶环的分子骨架可能保留较好的杀虫活性,并且吡啶环3号位甲基取代的异噁唑啉类衍生物倾向于表现出更好的杀虫效果(杀虫率:化合物G5 ≥ G2,G6>G3 )。另外化合物的酰胺脂肪长链连有给电子的酯基或甲氧基时,可能会降低对玉米螟的杀虫活性(杀虫率:化合物G5<G4,G6 < G4 )。
表1 目标化合物在质量浓度100?mg/L条件下的杀虫活性
Tab. 1 Insecticidal activities of target compounds at 100?mg/L
[化合物 校正死亡率 / % 果蝇 玉米螟 G1 100.00 ± 0.00 84.56 ± 11.22 G2 33.70 ± 16.49 5.00 ± 4.08 G3 10.00 ± 8.16 3.42 ± 2.42 G4 100.00 ± 0.00 100.00 ± 0.00 G5 100.00 ± 0.00 5.00 ± 4.08 G6 92.96 ± 5.00 20.53 ± 7.82 氟虫腈 100.00 ± 0.00 100.00 ± 0.00 ]
注:数值为48?h测得的死亡率,n = 3。
3 结 论
本文通过7步反应合成了6个结构新颖的异噁唑啉类衍生物(G1-G6),并通过1H-NMR、13C-NMR和HRMS对目标化合物进行了结构表征。部分目标化合物在质量浓度100?mg/L条件下对果蝇和玉米螟表现出有效的杀虫活性,杀虫率达100%。活性测试结果表明,异噁唑啉环3号位连接吡啶环的分子骨架可能保留较好的杀虫活性,特别是吡啶环3号位有甲基取代的异噁唑啉类衍生物。另外化合物的酰胺脂肪长链连有给电子的酯基或甲氧基时,可能会降低杀虫活性。本研究为新型异噁唑啉类杀虫剂的设计与合成提供了重要参考