黃道戰(zhàn),朱守記,藍(lán)虹云,雷福厚,黃忠京
(廣西民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廣西林產(chǎn)化學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廣西南寧 530008)
桉樹腦衍生物因具有優(yōu)良的除草活性,已作為植物源除草劑在諸多國(guó)家和地區(qū)廣泛使用[1-4]。然而,桉樹腦衍生物除草劑大多屬于油溶性產(chǎn)品,在生產(chǎn)、包裝和使用過(guò)程中均存在危害人體健康和污染環(huán)境等問(wèn)題。如稻田除草劑環(huán)庚草醚[5-6]和 1,8-桉樹腦衍生物[7-8],均系以 2-羥基-1,4-桉樹腦、2-羥基-1,8-桉樹腦或 3-羥基-1,8-桉樹腦等單羥基桉樹腦為原料合成的單官能酯類或醚類衍生物,親水性較弱,難以在水中溶解或分散,須先用二甲苯或苯等有機(jī)溶劑調(diào)配成乳油再使用[6,8],不符合國(guó)際上對(duì)農(nóng)藥劑型水基化的發(fā)展要求[9-12]。
(3R,4R)-4,7,7-三甲基-6-氧雜二環(huán)[3,2,1]辛烷-3,4-二醇(1),是一種可由 α-蒎烯或其含氧衍生物[13-14]制備的單萜氧雜二環(huán)二醇類化合物,具有與2,3-二羥基-1,8-桉樹腦(4)相似的骨架結(jié)構(gòu)和鄰位雙羥基官能團(tuán),水溶性較好。因此,通過(guò)修飾1結(jié)構(gòu)中的3-位和4-位的雙羥基,可構(gòu)筑兼具除草活性和親水性的雙官能單萜氧雜二環(huán)二醇酯類衍生物。
根據(jù)這一設(shè)計(jì)思路,本文以1和乙酰氯(2)為原料,經(jīng)“一鍋法”制得混合物Ⅰ;Ⅰ經(jīng)分離純化得4個(gè)新型的雙官能1,8-桉樹腦乙酸酯類衍生物(3a~3d,Scheme 1),其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR,13C NMR,F(xiàn)T-IR和HR-MS表征。用培養(yǎng)皿法測(cè)試了1和3a~3d的除草活性。
Scheme 1
WRS-1B型熔點(diǎn)儀(溫度未校正);Bruker Avance 600 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo));Nicolet Magna型紅外光譜儀(KBr壓片);Shimadzu GC-14B型氣相色譜儀;Perkin Elmer Clarus500型氣質(zhì)聯(lián)用儀;MAT 95XP型高分辨質(zhì)譜儀;LRH-250-GSI型人工氣候箱。
[14-15]方法合成;吡啶和二氯甲烷使用前經(jīng)常規(guī)方法脫水干燥;其余所用試劑均為分析純。
在三口燒瓶中加入1 50 mmol,吡啶500 mmol和二氯甲烷320 mL,攪拌下于0.5 h內(nèi)滴加2 500 mmol的二氯甲烷(50 mL)溶液,滴畢,回流反應(yīng)7 h。冷卻至室溫,轉(zhuǎn)移至分液漏斗,依次用1 mol·L-1鹽酸 100 mL 和 1.5 mol·L-1Na2CO3溶液100 mL洗滌,分液,有機(jī)相旋蒸回收溶劑,剩余物減壓蒸餾除去吡啶及未反應(yīng)的2后經(jīng)硅膠柱層析[洗脫劑:V(石油醚)∶V(乙醚)=95∶5]純化(GC檢測(cè)),定量收集洗脫液,分類歸并,蒸發(fā)濃縮,真空干燥,可將剩余物分為三部分:3a,3b和混合物A(3c,3d和少量3b)。其中3a吸附于硅膠柱上,用乙酸乙酯洗脫收集,蒸發(fā)回收洗脫劑,剩余物用丙酮0.5 mL溶解,加入石油醚1 mL,混勻后于-20℃冷凍結(jié)晶;過(guò)濾,真空干燥得黃色晶體(3R,4S)-4-羥基-4,7,7-三甲基-6-氧雜二環(huán)[3.2.1]辛烷-3-基乙酸酯(3a)。(3R,4S)-4,7,7-三甲基-6-氧雜二環(huán)[3.2.1]辛烷-3,4-二基二乙酸酯(3b)為淡黃色油狀液體。
A經(jīng)硅膠柱層析[梯度洗脫劑:石油醚200 mL;V(石油醚)∶V(乙醚)=95 ∶5]純化,收集洗脫液,分類歸并,蒸發(fā)濃縮,真空干燥得淡黃色油狀液體 3b,黃色固體(3R,4S)-4-乙酰氧基-4,7,7-三甲基-6-氧雜二環(huán)[3.2.1]辛烷-3-基二乙酰乙酸酯(3c)和無(wú)色蠟狀固體(3R,4S)-3-乙酰氧基-4,7,7-三甲基-6-氧雜二環(huán)[3.2.1]辛烷-4-基二乙酰乙酸酯(3d)。
3a:產(chǎn)率 22%,m.p.96.2 ℃ ~97.7 ℃;1H NMR δ:4.99 ~5.02(dd,J=4.8 Hz,3.6 Hz,1H,3-H),3.93(s,1H,4-OH),2.28 ~2.30(d,J=12.0 Hz,1H,5-H),2.10 ~2.14(m,3H,1-H,2-Heq,8-Heq),2.06(s,3H,a'-H),1.93(d,J=3.0 Hz,1H,8-Hax),1.44 ~1.48(m,1H,2-Hax),1.39(s,3H,4-H),1.18(s,3H,10-H),1.17(s,3H,9-H);13C NMR δ:170.31(Cb'),82.88(C7),82.32(C4),73.77(C5),72.20(C3),41.39(C1),31.31(C8),30.26(C10),29.89(C9),25.18(C2),23.38(Ca'),21.22(C4);IR ν:3 434,2 973,2 930,1 738 cm-1;HR-MS m/z:Calcd for C12H20O4[M+]228.136 2,found 228.136 1。
3b:產(chǎn)率16%;1H NMR δ:5.06 ~5.09(dd,J=6.6 Hz,4.8 Hz,1H,3-H),4.81 ~ 4.82(d,J=6.0 Hz,1H,5-H),2.13 ~ 2.11(d,1H,8-Heq),2.03(s,3H,a″-H),2.00 ~2.02(m,1H,1-H),1.92 ~1.93(d,1H,2-Heq),1.76 ~1.77(d,J=6.0 Hz,1H,8-Hax),1.49 ~ 1.51(dd,J=2.4 Hz,9.0 Hz,1H,2-Hax),1.43(s,3H,4-H),1.40(s,3H,10-H),1.16(s,3H,9-H);13C NMR δ:170.89(Ca″),170.12(Ca'),83.26(C7),82.47(C4),79.31(C5),73.43(C3),41.45(C1),31.58(C8),29.89(C10),29.79(C9),22.59(Ca'),22.15(Ca″),21.16(C4),19.05(C2);IR ν:2 964,1 737 cm-1;HR-MS m/z:calcd for C14H22O5[M+]270.146 7,found 270.145 6。
3c:產(chǎn)率 37.92%,m.p.108.1 ℃ ~111.0 ℃;1H NMR δ:5.68(s,1H,a'-H),5.12 ~5.15(dd,J=6.6 Hz,4.8 Hz,1H,3-H),4.90 ~ 4.91(d,J=6.0 Hz,1H,5-H),2.32(s,3H,a″-H),2.17 ~2.18(dd,J=2.4 Hz,1.8 Hz,1H,8-Heq),2.15 ~2.04(s,6H,c',d'-H),1.98 ~1.99(m,1H,1-H),1.96 ~1.97(d,1H,J=3.0 Hz,2-Heq),1.79 ~ 1.83(t,1H,J=13.2 Hz,8-Hax),1.49 ~1.54(m,1H,2-Hax),1.47(s,3H,4-H),1.41(s,3H,10-H),1.17(s,3H,9-H);13C NMR δ:170.76,168.22(Cc')],164.76(Cb″),163.95(Cb'),111.3(Ca'),83.31(C7),82.84(C4),79.40(C5),73.50(C3),41.43(C1),31.53(C8),29.95,29.80(Cf'),22.56(C9),21.16(C10),21.11(C4),19.14(C2),18.25(Ca″);IR ν:2 992,2 937,1 770,1 730,1 716,1 668 cm-1;HR-MS m/z:calcd for C18H26O7[M+]354.167 9,found 354.167 5。
3d:產(chǎn)率25%,m.p.109.3 ℃ ~111.8 ℃;1H NMR δ:5.66(s,1H,a″-H),5.12 ~5.15(dd,J=6.0 Hz,5.4 Hz,1H,3-H),4.86 ~ 4.87(d,J=6.0 Hz,1H,5-H),2.23(s,3H,a'-H),2.14 ~2.17(m,1H,8-Heq),2.00 ~2.08(s,6H,d″,f″-H),1.95 ~ 1.96(m,1H,1-H),1.80 ~1.82(d,J=12.6 Hz,1H,2-Heq),1.67(s,1H,8-Hax),1.51 ~1.55(m,1H,2-Hax),1.45(s,3H,4-H),1.42(s,3H,10-H),1.18(s,3H,9-H);13C NMR δ:170.98,168.05(Cc″,Ce″),162.69(Cb'),160.21(Cb″),108.98(Ca″),83.35(C7),82.58(C4),79.49(C5),73.54(C3),41.51(C1),31.49(C8),29.94,29.84(Cd″,Cf″),22.65(C9),21.80(C10),21.24(C4),21.21(C2),19.16(Ca');IR ν:2 981,1 768,1 727,1 668 cm-1;HR-MS m/z:calcd for C18H26O7[M+]354.167 9,found 354.167 5。
1和3a易溶于水,直接用無(wú)菌蒸餾水配制為(20,10,5,2,1,0.5 和 0.1)mmol·L-1溶液 。3b~3d不溶于水,可先加少量DMF和吐溫80配制為均勻乳液,再用蒸餾水定容為上述濃度的溶液。
用平皿培養(yǎng)法評(píng)價(jià)1和3a~3d的除草活性[15]。將一年生黑麥草種子在無(wú)菌去離子水中浸泡處理15 h;在內(nèi)襯圓形濾紙的培養(yǎng)皿(φ=9 cm)中加入樣品溶液10 mL(每一濃度重復(fù)3次),以等量蒸餾水和含DMF及吐溫80的蒸餾水作空白對(duì)照組;在每個(gè)培養(yǎng)皿中加入10顆種子,于25℃在人工氣候箱中避光培養(yǎng)4 d,分別測(cè)量根長(zhǎng)及芽長(zhǎng),計(jì)算抑制率。
反應(yīng)條件同1.2,用GC檢測(cè)反應(yīng)進(jìn)程,考察物料比r[n(2)∶n(1)]和反應(yīng)時(shí)間對(duì)1和3a~3d相對(duì)濃度的影響(相對(duì)濃度為相對(duì)質(zhì)量百分濃度,用GC峰面積歸一化法統(tǒng)計(jì))。
(1)r
1 5 mmol,其余反應(yīng)條件同 1.2,考察 r 對(duì)3a~3d相對(duì)濃度的影響,結(jié)果見表1。
表1 r對(duì)3a~3d相對(duì)濃度的影響*Table 1 Effects of r on relative concentration of 3a~3d
由表1可見,r對(duì)3a~3d相對(duì)濃度有較大的影響。當(dāng)r=1時(shí),產(chǎn)物僅有3a;當(dāng)r=2時(shí),反應(yīng)產(chǎn)物主要為3a,3b~3d相對(duì)濃度均低于16%且依次遞減;隨著r提高,3a相對(duì)濃度逐漸降低,3b相對(duì)濃度先升高再降低,3c和3d相對(duì)濃度則緩慢升高;當(dāng)r=4時(shí),反應(yīng)產(chǎn)物仍以3a和3b為主;僅當(dāng)r很大時(shí),3c和3d相對(duì)百分濃度才會(huì)高于3a和3b。這一結(jié)果表明,1結(jié)構(gòu)中4-位和3-位的雙羥基酯化反應(yīng)活性有明顯差別。其可能原因?yàn)?2與1上羥基的酯化反應(yīng)遵循親核反應(yīng)機(jī)理;1中4-羥基存在較大的空間位阻,3-位羥基較易與2中帶正電性的羰基碳原子反應(yīng),即3-位羥基反應(yīng)活性明顯高于4-位羥基,優(yōu)先與2發(fā)生酯化反應(yīng),生成單乙酸酯3a;當(dāng)3-位羥基全部被酯化后,4-位羥基才開始參與酯化反應(yīng)。3c和3d是3b與2反應(yīng)的產(chǎn)物,受酯基拉電子效應(yīng)影響,3b中乙酰氧基α-氫原子變得活潑,易離去生成碳負(fù)離子,碳負(fù)離子與2進(jìn)行親核反應(yīng),生成中間體乙酰乙酸酯;在此基礎(chǔ)上,受酯基和羰基拉電子效應(yīng)雙重影響,乙酰乙酸酯中亞甲基氫原子變得更為活潑,也易離去生成碳負(fù)離子,該碳負(fù)離子繼續(xù)與2進(jìn)行碳?;磻?yīng),最終生成3c和3d。此外,由于同樣受到空間位阻效應(yīng)的影響,3b中兩個(gè)α-碳反應(yīng)活性也不同。因此,即使r>2,3c相對(duì)濃度也大于3d。
(2)反應(yīng)時(shí)間
1 5 mmol,r=4,其余反應(yīng)條件同 2.1(1),考察反應(yīng)時(shí)間(t)對(duì)3a~3d相對(duì)濃度的影響,結(jié)果見表2。
表2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)3a~3d相對(duì)濃度的影響*Table 2 Effects of reaction time on relative concentration of 3a~3d
由表2可見,酯化反應(yīng)進(jìn)行0.5 h,產(chǎn)物主要為3a和少量3b,無(wú)3c和3d;隨著反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),3a相對(duì)濃度逐漸降低,3b,3c和3d相對(duì)濃度逐漸增加;反應(yīng)7.0 h,3a~3d相對(duì)濃度分別為50.7%,36.6%,7.84% 和 4.86%,這進(jìn)一步表明,1中兩個(gè)羥基活性有明顯差別,3-位羥基由于活性較高,更容易與2發(fā)生酯化反應(yīng)生成3a;當(dāng)3-位羥基全部酯化后,4-位羥基才開始參與酯化反應(yīng)生成3b;3b進(jìn)而與2反應(yīng)生成3c和3d。
(1)1H NMR
由1H NMR分析可見,3a~3d的氫化學(xué)位移都有明顯特征。單萜氧雜二環(huán)骨架結(jié)構(gòu)中三個(gè)甲基(4-CH3,7-CH3,7-CH3)上的氫所處化學(xué)環(huán)境不同,均呈強(qiáng)單峰,δ位于1.10~1.41;乙酰氧基中甲基上氫的δ位于2.00附近,呈強(qiáng)單峰;二乙酰乙酸氧基中甲基上氫(d,f-H)的 δ位于2.08 ~2.33,呈強(qiáng)單峰;二乙酰乙酸氧基中次甲基上氫(a″-H)的δ位于5.66 ~5.68,呈強(qiáng)單峰;4-位叔氫(4-H)的 δ位于1.49附近,呈多重峰;1,3-位叔氫的δ位于3.93 ~5.15;2,8-位亞甲基上的氫受鄰近氫裂分和3-位及5-位上取代基影響,δ變化較大,峰形較復(fù)雜。
(2)13C NMR
由13C NMR分析可見,3a~3d中碳原子數(shù)與理論值相符。其中,乙酰氧基中羰基碳(Cb)的δ位于170附近;二乙酰乙酸氧基中酮羰基碳(Cd和Cf)的δ位于168或164附近;酯羰基碳(Cb)的δ位于163或160附近,次甲基碳(Cc)受兩邊羰基拉電子效應(yīng)影響,δ較高,位于110附近;單萜氧雜二環(huán)骨架結(jié)構(gòu)中,受氧原子拉電子效應(yīng)影響,4-位和7-位碳的δ位于82~83;5-位和3-位碳的δ位于79或73附近。
表3 1和3a~3d對(duì)一年生黑麥草根芽生長(zhǎng)的抑制率Table 3 Inhibition rate of 1 and 3a~3d on annual ryegrass
(3)IR
由IR分析可見,3a的O-H伸縮振動(dòng)吸收峰位于3 400 cm-1附近,3b~3d的O-H伸縮振動(dòng)吸收峰消失;1 710 cm-1~1 775 cm-1有較強(qiáng)的酯羰基伸縮振動(dòng)吸收峰;1 668 cm-1為酮羰基伸縮振動(dòng)吸收峰。
(4)GC
圖1 3a~3d的GC譜圖Figure 1 GC spectra of 3a~3d
圖1為3a~3d的GC譜圖。由圖1可見,保留時(shí)間小于5 min的色譜峰為二氯甲烷、吡啶和未反應(yīng)2的色譜峰;保留時(shí)間大于5 min的色譜峰為3a~3d色譜峰,相對(duì)保留時(shí)間分別為8.85 min,11.19 min,19.55 min 和 20.30 min。
表3為1和3a~3d對(duì)一年生黑麥草根芽生長(zhǎng)的抑制活性。由表3可以看出,1和3a~3d對(duì)一年生黑麥草胚根與胚芽的生長(zhǎng)都具有明顯抑制作用。隨著c增加,抑制作用逐漸增強(qiáng)。c由0.1 mmol·L-1提高至 5 mmol·L-1時(shí),1 和 3a ~3d對(duì)胚根生長(zhǎng)抑制率由 8.2%,20.2%,26.7%,18.3% 和 29.2% 分別增加至 55.1%,86.0%,84.2%,91.3% 和 97.5%;胚芽生長(zhǎng)抑制率由13.9%,21.1%,51.7%,26.9%和 29.7%提高至55.1%,76.5%,92.8%,94.8%和98.4%;c為20 mmol·L-1時(shí),3a~3d對(duì)胚根和胚芽生長(zhǎng)抑制率均為100%。由表3還可見,1和3a~3d除草活性與其分子結(jié)構(gòu)及理化性質(zhì)有關(guān);1含有2個(gè)羥基,水溶性好,分子量小,但除草活性較弱;1與2反應(yīng)生成3a~3d,隨著酯化程度增加及分子量增大,3a~3d水溶性減弱而除草活性增強(qiáng);與文獻(xiàn)[15]中實(shí)驗(yàn)結(jié)果相似,雖然3d和3c為同分異構(gòu)體,分子量相同,理化性質(zhì)相似,但3d的除草活性高于3c。
制備了4個(gè)新型的雙官能單萜氧雜二環(huán)二醇乙酸酯類衍生物(3a~3d),在反應(yīng)條件[1 5 mmol,r=7,回流反應(yīng)7 h]下,3a~3d 的相對(duì)濃度分別為 21.6%,15.6%,37.9%和 24.9%;在反應(yīng)條件[1 5 mmol,r=4,回流反應(yīng) 7 h]下,3a~3d的相對(duì)濃度分別為 50.7%,36.6%,7.84%和4.86%。除草活性實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,1和3a~3d均能顯著抑制一年生黑麥草胚根與胚芽生長(zhǎng);用藥量為5 mmol·L-1時(shí),1和3a~3d對(duì)根長(zhǎng)抑制率分別為 55.1%,86.0%,84.2%,91.3%和97.5%,對(duì)芽長(zhǎng)抑制率分別為55.1%,76.5%,92.8%,94.8%和 98.4%。
2,3-二羥基-1,8-桉樹腦(4)與 1 互為同分異構(gòu)體,但目前4的制備產(chǎn)率極低,難有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。本文通過(guò)1的衍生物3a~3d的制備,極有可能為4的合成提供依據(jù)。此外,1及其衍生物的生物活性至今未見文獻(xiàn)報(bào)道。因此,3a~3d進(jìn)一步的生物活性值得繼續(xù)研究。
參考文獻(xiàn)
[1]Ghosh R K,Jana P K,Nongmaithem D,et al.Prospects of botanical herbicides in system of crop intensification in the gangetic inceptisols of India[C].Hangzhou:Proceedings of 6th International Workshop on Software Clones,2012.
[2]趙志英,雷彩霞,臧愛梅.植物源除草劑研究進(jìn)展[J].山東農(nóng)業(yè)科學(xué),2010,42(6):91 -93.
[3]Duke S O,Dayan F E,Romagni J G,et al.Natural products as sources of herbicides:Current status and future trends[J].Weed Research-Oxford,2000,40(1):99-112.
[4]Dayan F E,Duke S O.Plant-derived Natural Products[M].New York:Springer,2009.
[5]Grayson B T,Williams K S,F(xiàn)reehauf P A,et al.The physical and chemical properties of the herbicide cinmethylin[J].Pestic Sci,1987,21:143 -153.
[6]吳愛國(guó),嚴(yán)加奎.環(huán)庚草醚防除稻田雜草的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)藥,1995,34(12):41 -42.
[7]Barton A,Clarke B,Dell B,et al.Post-emergent herbicidal activity of cineole derivatives[J].Journal of Pest Science,2014,87(3):531 -541.
[8]Barton A,Dell B,Knight A.Herbicidal activity of cineole derivatives[J].Journal of agricultural and food chemistry,2010,58(18):10147 -10155.
[9]華乃震,羅才宏,曾鑫年.無(wú)溶劑水基性高效氯氟氰菊酯液體劑型的研制[J].農(nóng)藥,2011,50(3):192 -196.
[10]黃建恒,胡劍峰,沈慧芳.水基性農(nóng)藥制劑研究進(jìn)展[J].中國(guó)植保導(dǎo)刊,2012,32(4):12 -15.
[11]Chaskopoulou A,Latham M D,Pereira R M,et al.Efficacy of aerial ultra-low volume applications of two novel water-based formulations of unsynergized pyrethroids against riceland mosquitoes in Greece[J].Journal of the American Mosquito Control Association,2011,27(4):414 -422.
[12]ElShafei G,ElSaid M M,Attia H,et al.Environmentally friendly pesticides:Essential oil-based w/o/w multiple emulsions for anti-fungal formulations[J].Industrial crops and products,2010,31(1):99 -106.
[13]Popova L A,Biba V I,Prishchenpenko V M,et al.Synthesis of monoterpene oxabicyclodiols starting from alpha-pinene[J].Journal of General Chemistry of the USSR in English translation,1992,62:1346 - 1350,1639-1645.
[14]Costa V V,Rocha K A,Sousa L F,et al.Isomerization of α-pinene oxide over cerium and tin catalysts:Selective synthesis of trans-carveol and trans-sobrerol[P].CN 201 210 190 109,2012.
[15]朱有全,司學(xué)凱,鄒小毛,等.新型3-羥亞甲基吡咯烷-2,4-二酮衍生物的合成與除草活性研究[J].有機(jī)化學(xué),2007,27(3):385-390.