三聯噻吩類光活化農藥設計與合成羅欣賢譚建發陳文珊楊卓鴻（華南農業大學理學院，廣州，510642）摘要：實驗以2溴噻吩作為原料，通過溴化、格氏試劑交叉偶聯反應制備光活化農藥先導化合物α三聯噻吩；然后通過VilsmeierHaack反應，堿催化下羥醛縮合與吡唑啉關環等反應對α三聯噻吩進行結構修飾，最終獲得一系列的噻吩類吡唑啉化合物。并通過紅外光譜、核磁共振等表征，經分析得到其確切的結構。關鍵詞：光活化農藥α三聯噻吩吡唑啉雜環化合物TheDesignandSynthesisOfLightActivatedPesticides－terthiophenepyrazolineLuoXinxianTanJianfaChenWensanYangZhuohong(CollegeofScience,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou，510642)Abstractαterthiophene，astheintermediateofthephotoactivatedpesticideswassynthesizedfrom2bromothiophenebyGrignardreaction.ThentheintermediatewasusedtosynthesislightactivatedHeterocyclesthroughtVilsmeierHaackreation,AldolreactionsandPyrazolinecyclicreaction.Finally,aseriesofHeterocyclesweresynthesizedandidentifiedbyIRand1HNMR.KeywordslightactivatedpesticidesαterthiophenepyrazolineHeterocycles1前言化合物所產生的生物活性是由其化學結構決定的,通過光活化毒素構效關系研究，分析結構與活性關系，對新農藥研發創制具有重大意義。對多聚噻吩的研究表明，噻吩環愈多，活性愈強；試驗證實三聯噻吩活性遠高于二聯噻吩[1]，試驗證明αT具有高效、廣譜、見效快、無殘留、與目前常用農藥無交互抗性等優點.以αT對母體骨架進行改造，以此為先導化合物，設計合成新的化合物。在充分保留其光活化性能的基礎上，基于農藥分子設計理論，對先導化合物進行合理結構修飾，引入具有廣譜殺蟲活性的吡唑啉結構基團，設計合成多類含噻吩環的多雜環化合物，這樣合成的新化合物既含有光活化殺蟲活性，又具有吡唑啉廣譜殺蟲活性，預期發現具有高效、廣譜、低毒的光活化農藥。2實驗部分2.1合成路線R=H、Ac、Ph、、etc.圖1合成路線步驟Ⅰ為噻吩的溴化反應，由于噻吩雜環共有6個π電子，雜原子起了給電子的作用，在室溫下發生溴化反應比較容易，此反應可以進行；步驟Ⅱ為格式試劑交叉偶聯反應，反應的關鍵是格式試劑的制備，據多數的合成α三聯噻吩文獻[23]可知反應具有較高的產率，產率基本都能達到80%。此合成步驟方法簡單成熟，反應可以進行；步驟Ⅲ為VilsmeierHaack[4]反應，VilsmeierHaack反應適用于富電子的雜環反應，使環上反應生成取代醛基。但當α三聯噻吩與過量的DMF/POCl3反應，然后酸性水解的2,2〃位二取代醛基，若不過量，則生成2位取代醛基。步驟Ⅳ為羥醛縮合反應，在稀堿的作用下，以分子的醛和一分子的酮相互作用，生成α,β不飽和酮。據文獻[5]所知，大多數的羥醛縮合反應產率都能達到70%以上，反應條件簡單成熟，反應可以進行。步驟Ⅴ為制備吡唑啉類化合物最常用的方法。據過去的文獻報道[5]，反應在冰乙酸的催化下，苯肼的α氮原子與烯酮的β烯碳發生1,4加成，然后β氨基與羰基碳原子發生分子內關環，生成吡唑啉類化合物，且產率也較高。根據吡唑啉類的化合物的合成可知，步驟Ⅴ合成方法成熟，反應可以進行。2.2藥品和儀器2.2.1實驗藥品2溴噻吩：分析純，連云港宏業精細化工；其它試劑為分析純，主要購買于天津市大茂化學試劑廠。溶劑按照常用方法干燥、純化。2.2.2實驗儀器NicoletAVATAR360E.S.P.型AvatarFTIR紅外光譜儀，布魯克600兆核磁共振儀。2.3實驗步驟2.3在150mL圓底燒瓶中裝配磁子和恒壓滴液漏斗，加入9.50g（0.6mol）2溴噻吩和20mL純化的四氯化碳，將9.79g溴素和30mL純化的四氯化碳混合后加入恒壓滴液漏斗中，緩慢滴加，室溫下磁力攪拌，同時向反應液中加入數粒碘和無水AlCl3作催化劑，5h后滴加完畢，反應液在室溫下繼續攪拌36h，TCL跟蹤反應，反應液先變為黃色，然后變為深紅棕色。反應完畢后，向反應液中加入1.7g固體氫氧化鈉，反應瓶接球形冷凝管和干燥管，在100℃油浴下加熱回流4.5h，冷卻到室溫，過濾，濾液轉移到圓底燒瓶用旋轉蒸發器蒸去四氯化碳，剩余溶液進行蒸餾，收集193～204℃的餾分10.23g，2,5二溴噻吩的收率為72.57%。2.3.在100mL三頸燒瓶中裝配磁子，上接干燥管的球形冷凝管，恒壓滴液漏斗和氮氣連接管，向三頸燒瓶里加入1.80g活化鎂屑，接通氮氣并加熱10min，加入數粒碘，使碘蒸氣充滿三頸燒瓶，加入15mL無水乙醚，向恒壓滴液漏斗中加入12.3g2溴噻吩和15mL無水乙醚，然后從恒壓滴液漏斗向三頸燒瓶緩慢滴加3mL混合液，磁力攪拌使反應發生，此時碘蒸氣顏色消失，表明反應已發生，加熱到乙醚回流，然后緩慢滴加2溴噻吩的乙醚溶液，回流反應5h，使得鎂屑基本消失，并不時向反應中補加乙醚，以防乙醚蒸干，生成格氏試劑。稱取7.32g2,5二溴噻吩于10mL無水乙醚中，加進恒壓滴液漏斗后緩慢滴加，同時向反應液里加入0.007g雙（二苯基磷）丙烷氯化鎳作催化劑，加熱回流反應12h，TLC跟蹤至反應基本完成。用2mol/L鹽酸中止反應，用無水乙醚萃取，分液，油層加入無水硫酸鎂干燥1h，過濾，濾液轉移到圓底燒瓶后用旋轉蒸發器蒸去溶劑，得到略帶黃色的紫黑色溶液，置于冰浴冷卻，立即析出淡黃色晶體，將所得濃縮液經柱層析分離，用石油醚（60-90℃）：乙酸乙酯＝6：1洗脫，得到3.63g黃綠色的α三聯噻吩，mp.88～89℃2.3.32醛基α三聯噻吩的制備在50ml帶塞子的錐形瓶內加入10mlCH2Cl2與1.2ml（14.9mmol）N,N二甲基甲酰胺后，于冰浴下磁力攪拌，混合均勻后用注射器向內逐滴加入1.2ml（12.8mmol）POCl3，保持整個過程干燥，不引入水分，然后將溫度慢慢加熱到40℃，可得淡黃色溶液。另在50ml三口燒瓶中加入15mlCH2Cl2含3g（12.1mmol）的α三聯噻吩，冰浴條件下攪拌10min，后向內逐滴滴加上述制備淡黃色的試劑，溶液由無色變為黃色，滴加完畢，室溫下反應10h。TLC分析，跟蹤反應。所得的反應液回流反應10h后，得到紅棕色的溶液，后向內加入10%HCl20mL，50℃條件下攪拌反應1.5h，溶液明顯分層，上層為水層，下層為黑紅色的有機相，所得溶液冷卻至室溫，后用CH2Cl2萃取。脫溶劑，烘干，粗產物為2.71g，收率為78.1%。將上面得到的粗產物經柱層析分離，用CH2Cl2進行洗脫，得到1.76g紅褐色的晶體，mp.135～136℃。2.3.41苯基3（2〃α三聯噻吩）2丙烯1酮的制備在100mL反應瓶中分別加入0.8g(6.67mmol)苯乙酮溶于50mL95%乙醇的溶液、2.0mL質量分數為10%的NaOH水溶液和1.50g(5.43mmol)2醛基α三聯噻吩,室溫攪拌反應，2h后，粉末狀固體開始析出，TLC跟蹤反應。6h后反應完成，向反應容器中加入冰水，大量黃色粉末析出，趁冷抽濾，固體依次用冷乙醇、冷卻水、冷乙醇洗滌，然后再用乙醇進行重結晶，得到1.44g橙色粉末狀產物，mp.162～2.3.以2，3二苯基5（2〃α三聯噻吩）吡唑啉的制備為例在50ml的圓底燒瓶中，將0.1106g1苯基3（2〃α三聯噻吩）2丙烯1酮溶于20mL乙醇中，常溫下，磁力攪拌，使之完全溶解，后向內加入5mL冰乙酸和逐滴加入0.0316g苯肼，溶液由紅黃色逐漸變成帶熒光的淺橙色，常溫下磁力攪拌，回流反應12h，并用TLC跟蹤反應。反應完畢后，脫溶劑、溶于乙醚。用水洗滌有機相，分出有機層，用無水MgSO4干燥。脫溶劑烘干，得粗產物。將上面所得的粗產物經柱層析分離，用石油醚：乙酸乙酯=8：1的洗脫液進行洗脫，得到0.1317g橙色固體，mp.148~150℃，產率為96.18%。以類似方法制備其他噻吩類吡唑啉化合物。2.3.6實驗產物列表實驗產物編號IIIIIIIVVaVbVcVdVe表1實驗產物結構式及各自對應的編號列表3實驗結果與討論分析3.1實驗產物數據產物產量/g產率/%熔點/℃表觀I10.2372.57深紅棕色粘稠液體II3.6348.3788~89黃色晶體III1.7650.72135~136紅褐色晶體IV1.4467.20162~164橙色粉末狀固體Va0.082083.68156~158黃色粉末狀固體Vb0.090182.95170~172土黃色粉末狀固體Vc0.131796.18148~150橙色粉末狀固體Vd0.112487.75193~195黃色粉末狀固體Ve0.127188.69133~134淺黃色粉末狀固體表2各實驗產物的數據列表由上表數據可以看出一系列的反應中，除了反應II的產率低于50%以外，其它反應的產率都比較高，尤其是最后的幾個反應V都有很高的產率。而且各固體產物的熔程都比較短，只有1～2℃，表明產物的純度都比較高。3.2實驗產物圖譜解析3.2.1紅外圖譜（有關化合物的紅外圖譜后附）3.2.1.1α三聯噻吩的紅外表征由所得產物的紅外譜圖可得：3071.25cm1噻吩α位CH伸縮振動；1493.92和1421.87cm1為n≥2的噻吩齊聚物特有的噻吩環的伸縮振動[7]；對于2360.13cm1的峰推測為噻吩環內的累積雙鍵的伸縮振動，文獻[7]也曾出現，但該文獻沒有詳細分析，其化合物結構同為噻吩環；600到850cm1為多聯噻吩的指紋區域，832.04cm1為鏈端噻吩環的CH面外振動，795.99cm1為多聯噻吩n＝3時噻吩環β位的CH面外變形振動，而687.44和675.29cm1這些低波數側峰則是多聯噻吩特有的中間的噻吩環呼吸振動所作的貢獻[8]；由上述紅外譜圖分析可得，產物具有αα＇結構，且噻吩齊聚物的噻吩環數為n＝3，因此產物為目標化合物α三聯噻吩。3.2.1.22醛基α三聯噻吩(III由所得產物的紅外譜圖可得：除了有類似α三聯噻吩的特征吸收外，比α三聯噻吩還多了3432.84cm1處的CHO中的CH鍵伸縮振動[9]；1650.85cm1處的羰基中的C=O雙鍵伸縮振動，因此產物為目標化合物2醛基α三聯噻吩。3.2.1.31苯基3（2〃α三聯噻吩）2丙烯1酮(IV)紅外光譜檢測如圖所示：3079.91cm1和3064.48cm1為噻吩α位CH伸縮振動；2923.7cm1和2852.34cm1為噻吩α位CH伸縮振動；1648.923.2.1.4噻吩類吡唑啉化合物的紅外表征以2，3二苯基5（2〃α三聯噻吩）吡唑啉(Vc)的紅外表征為例解析紅外光譜檢測如圖所示：3417.41cm1為吡唑啉環中締合NH鍵和苯環上NH鍵的伸縮振動；3062.56cm1為噻吩α位CH伸縮振動[10]；2925.63cm1為吡唑啉環上CH2的反對稱伸縮；2852.34cm1為吡唑啉環上CH2的對稱伸縮；1591.06cm1和1569.85cm1為吡唑啉環C=N的伸縮振動；1375.06cm1為苯環骨架的伸縮振動；133.2.2噻吩類吡唑啉化合物1HNMR圖譜（1HNMR圖譜后附）以2乙酰基3苯基5（2〃α三聯噻吩）吡唑啉（Vb）的1HNMR表征為例解析溶劑丙酮δH2.05～2.15ppm，噻吩環上的兩個βH互相偶合δH1.3～1.4ppm，甲基上的三個HδH2.7～2.9ppm，中間的噻吩環上的兩個βHδH7.31～7.33ppm，有三個H的噻吩環的三個HδH7.34～7.39ppm，與吡唑啉環相連的噻吩環上的兩個βHδH7.57～7.67ppm，吡唑啉環上的兩個HδH8.2～8.9ppm，苯環上的五個HδH7.43～7.52ppm。1HNMR表征清楚地表達了產物中的氫原子偶合情況，通過對這些氫原子偶合情況的解讀，可以幫助驗證產物的結構。[12]4生物測試4.1生測步驟利用斜紋夜蛾細胞建立MTT細胞比色法的生物測定體系。MTT步驟如下：（1）接種細胞：用含10％胎小牛血清得培養液配成單個細胞懸液，以每孔1000－10000個細胞接種到96孔板，每孔體積200ul.（2）培養細胞：同一般培養條件，培養3－5天（可根據試驗目的和要求決定培養時間）。再加藥處理。（3）呈色：培養3－5天后，每孔加MTT溶液（5mg/ml用PBS配)20ul.繼續孵育4小時，終止培養，小心吸棄孔內培養上清液，對于懸浮細胞需要離心后再吸棄孔內培養上清液。每孔加150ulDMSO，振蕩10分鐘，使結晶物充分融解。（4）比色：選擇490nm波長，在酶聯免疫監測儀上測定各孔光吸收值，記錄結果。4.2生測結果條件抑制率VaVbVcVdVe24H光照20ppm重復10.6290040.8709960.7891460.860320.899466重復20.6681490.8781140.7357650.8959070.91726重復30.6681490.8994660.7998220.8709960.892349重復40.5720640.8781140.806940.8923490.910142平均抑制率%63.4341688.1672678.2918187.9893290.48043SE（標準誤差）2.2717340.6163881.6137330.8533510.55322524H黑暗20ppm重復10.0346980.0110460.0753990.0418150.07726重復20.0631670.0500320.0700710.0062280.064831重復30.0916370.014940.0764650.0524910.043517重復40.13790.001950.0771750.0738430.00266平均抑制率%8.1850531.1046137.5527954.3594310.71048SE（標準誤差）2.2003471.4036691.6108671.4123233.145344表3各實驗產物的生測抑制率由上表數據可得出，本實驗中所制得的五個噻吩類吡唑啉農藥經過光照活化后對斜紋夜蛾細胞的抑制率為60～90％不等，可以通過這個生物測試對本實驗中所制得的產物進行篩選[13]；再通過與黑暗條件下對斜紋夜蛾細胞的抑制率作對比，本實驗中所制得的農藥的光活化特點得到了明顯的體現。5結論（1）由實驗可知，通過本合成路線可以得到目標產物噻吩類吡唑啉化合物。其中溴代反應、格氏試劑交叉偶聯反應與堿催化下羥醛縮合反應副產物較少，產率較高。而VilsmeierHaack試劑下的甲酰化反應與吡唑啉關環反應，副反應較為激烈，副產物較多，目標產物產率相對較低。[14]縱觀實驗，可知合成路線與實驗方法簡單、成熟，因此可以進行大劑量實驗，生產更多的光活化產物進行生物測試研究。（2）采用格氏試劑交叉偶聯法合成光活化農藥中間體α三聯噻吩，采用雙（二苯基磷）丙烷氯化鎳作催化劑，以工業品2溴噻吩為原料合成α三聯噻吩總產率為48.37％。（3）在吡唑啉關環反應中，不同的取代肼與α,β不飽和醛酮進行的吡唑啉關環反應活性不一樣，取代肼中氮原子的活性越高，反應越容易進行。而且由于取代肼與α,β不飽和醛酮都是有兩個反應中心的化合物，因此該反應的副反應較多，對主要目標產物的產率有一定影響。[15]（4）通過進行生物測試研究表明，本實驗所制得的五個噻吩類吡唑啉光活化農藥，在光照情況下對斜紋夜蛾細胞均有較高抑制率。產物通過光活化后對斜紋夜蛾細胞的抑制率分別比在黑暗條件下的抑制率高了約8～127倍不等，表現了光活化農藥作用機理獨特，光照下可顯著提高其殺蟲、擬菌、除草的生物活性，同時自身降解,環境友好。[16][參考文獻][1]黃青春,吳計劃.噻吩類光活化物質對淡色庫蚊的活性及構效關系研究[J].中國媒介生物學及控制雜志,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]錢定權,曹如珍,劉綸祖.Vilsmeier試劑近年來在有機合成中的應用[J].有機化學,2000,20(1):3043.[5]韓秀英,林培華,田美令,等.1,3二苯基5(4氯苯基)2吡唑啉的合成[J].山西大學學報(自然科學版),2003,26(4):327329.[6]常建華,楊韻娜.α,β不飽和醛酮與取代肼的反應[J].化學通報,1988,5:3942.[7]草鏞,過丁,葉成,等.2,5噻吩集聚物鏈結果的表征[J].化學學報,1987,15:10721076.[8]HChen,DQQian,GXXu,YXLiu,XDChen,XDShi,RCCao,LZLiu.＂TheSynthesisofPhosphonylPyrazoles.Proceedingsofthe14thInternationalConferenceonPhosphorusChemistry＂,July,Cincinnati,1998(inPress)[9]DownumKR.LightActivatedPesticidesControl