新颖除草剂苯并噁唑类

张翼翾 编译

(上海市农药研究所，上海 200032)

已知芳香杂环化合物有广谱的生物活性。在杂环类化合物中，苯并噁唑骨架是数个天然产品和许多合成药物的组成部分(图1)。

苯并噁唑衍生物已被用于医药，许多化合物具有抗病毒、抗真菌、抗细菌和抗癌等化学治疗活性。由此，苯并噁唑衍生物被认为是能结合多个靶标的优势骨架，是药物设计的新的骨架基础。

一般在催化剂、酸性条件和高温下，羧酸衍生物和2-氨基苯酚偶联合成2-位被取代的苯并噁唑。相比之下，许多方法为 2-氨基苯酚和醛发生缩合反应，随后发生氧化反应。为了发现环境友好，条件温和和简单的合成方法，笔者最近开发了1,1-双-甲基硫烷基-2-硝基乙烯(1)和 2-氨基苯酚(2)发生双乙烯取代合成法。

苯并噁唑衍生物具有低的细胞毒性和简便合成法，在医药化学被广泛使用，但在农化研究中的潜在用途还没有受到较多关注。

芳氧苯氧丙酸衍生物属于含有苯并噁唑取代基的一类除草剂，如fenoxiprop和噁唑酰草胺(metamifop)。然而，这些取代基对化合物的活性不重要，如具有相同水平活性的没有苯并噁唑基团的 haloxyfop和fluazifop (图 2)。

Dietrich等人合成和评估了300个苯并噁唑基氨基-1,3,5-三嗪的除草活性。他们研究了苯并噁唑基团作为已知的除草剂1,3,5-三嗪的取代基的作用。此研究是受到 Giencke等人的专利的启发而进行，Giencke等人的专利表明含有苯并噁唑基团的一些2,4-二氨基-1,3,5-三嗪具有除草活性。

图1 含有苯并噁唑杂环的药物和天然产品例：suvorexant、boxazomycins A和calcimycin

图2 商业化除草剂和苯并噁唑衍生物

最近，Fukude等人申请的专利表明含有芳基和杂芳基的2-取代苯并噁唑具有除草活性，但作用机制未确定。

在本研究中，笔者合成了一系列2-取代的苯并噁唑(3)，评估了它们对数种作物的毒性和构效关系。

1 材料和方法

1.1 试剂和仪器

试剂和溶剂在用前没有进行纯化。用具有红外传感器的安东帕Monoware200单模微波合成仪辅助合成。用快速柱色谱对所有测试化合物进行纯化，用气相色谱柱(GC)和核磁共振仪(NMR)测定它们的纯度。用 Bruker ARX-400(分别为 400、100 MHz)测定1H和13C NMR谱。用Shimadzu GCMS-QP5000测定质谱。

1.2 合成步骤

在玻璃管中加入硝基乙烯1 (165 mg 1.0 mmol)、2-氨基醇(1.0 mmol)和乙醇(4 mL)，密封，在 110 ℃安东帕Monowave 200微波合成仪中被照射60 min。用快速柱色谱以二氯甲烷为洗脱液纯化得到的2-硝基甲基苯并噁唑。

2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑(3a)：1H NMR (400 MHz，CDCl3)：δ 5.83 (s, 2H), 7.42-7.50 (m, 2H), 7.61-7.64 (m, 1H), 7.82-7.85(m, 1H)。13C NMR (100 MHz,CDCl3): δ 71.67, 111.25, 121.10, 125.32, 126.86,140.66, 151.39, 153.98。GC-MS (70 eV) m/z (%): 178(M+, 2), 132 (100), 104 (25), 77 (35)。

5-氯-2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑(3b):1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ 5.81 (s, 2H), 7.44 (dd, 1H, J 8.49,2.12), 7.54 (dd, 1H, J 8.49), 7.80(d, 1H, J 2.12)。13C NMR(100 MHz, CDCl3): δ 71.48, 112.07, 121.04, 127.34,130.97, 141.67, 149.90, 155.26。GC-MS (70 eV) m/z (%):212 (M+, 5), 166 (100), 138 (25), 102 (45), 63 (40)。

5-甲基-2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑(3c):1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ 2.50 (s, 3H), 5.78 (s, 2H), 7.25-7.29 (m, 1H), 7.47 (d, 1H, J 8.37), 7.57-7.60 (m,1H)。13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 21.48, 71.70,110.58, 120.82, 128.06, 135.32, 140.84, 153.95, 153.97。

4-甲基-2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑(3d)：1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ 2.64 (s, 3H), 5.80 (s, 2H), 7.21(d, 1H, J 7.51), 7.38-7.34 (dd, 1H, J 7.51, 8.07), 7.41(d, 1H, J 8.07)。13C NMR (100 MHz, CDCl3): δ 16.42,71.69, 108.46, 125.74, 126.55, 131.71, 139.99, 151.19,153.15。GC-MS (70 eV) m/z (%): 192 (M+, 3), 146(100), 117 (18), 91 (32)。

2-(硝基亚甲基)噁唑烷(5)：1H NMR (400 MHz，DMSO-d6)：δ 3.14-3.56 (m, 4H), 6.53 (s, 1H)。13C NMR(100 MHz, DMSO-d6): δ 44.71, 59.92, 97.69, 156.75。

在25 °C，氢气气氛下(1 atm)，把2-(硝基甲基)苯并[d]噁唑3a的悬浮液(178.15 mg,1.0 mmol)、10%钯碳催化剂[17.82 mg，是底物的10% (重量比)]加入甲醇(10 mL)中搅拌。反应2 h后，在真空过滤，浓缩反应混和液。以二氯甲烷为洗脱液用硅胶柱色谱纯化粗产物。

苯并噁唑-2-基甲胺(6):1H NMR(400 MHz，CDCl3)：δ 4.39 (s, 2H), 7.30-7.35 (m, 2H), 7.50-7.52 (m, 1H), 7.68-7.72 (m, 1H)。13C NMR (100 MHz，CDCl3): δ 51.62，111.10, 120.43, 124.96，125.59，141.22，151.21，164.14。

2 生 测

把 20颗洋葱或番茄种子放置于皮氏培养皿(直径9 cm)中，在培养皿中加入5 mL的试验溶液。每个浓度重复3次。把培养皿放置于25 °C黑暗条件下。黄瓜和高粱的种子比其他的大，其根和芽大。因此，在直径为9 cm的培养皿中它们的发育会受到阻碍，故把20颗黄瓜或高粱种子放置于直径15 cm的培养皿中，加入8 mL的试验溶液，在25 °C黑暗条件下培养6 d。

称重化合物3a-d、5、6和精异丙甲草胺，然后溶解于二甲基亚砜(DMSO)中，用蒸馏水稀释制备为30 mL 含有0.3% (v/v) DMSO的水溶液。其中一半的溶液用于生测，另一半用含有 0.3% (v/v) DMSO的15 mL蒸馏水稀释，制备为浓度更低的溶液。0.3%DMSO (v/v)水溶液用于阴性对照，芽前处理商业化除草剂Dual (精异丙甲草胺)为阳性对照。生测所用溶液的浓度有1 000、500、250、125、50 μM。在种子发芽后，对其进行数码摄影和测量。以柱状图形表示各处理与对照的百分比差异(图3-10)。零代表对照，正值表示处理有刺激生长作用，负值表示有抑制作用。

3 结果和讨论

3.1 合成

用文献介绍的合成路线，在微波照射下1,1-双-甲基硫烷基-2-硝基乙烯1和2-氨基苯酚2发生双乙烯取代生成了 2-硝基甲基苯并噁唑 3a-d。用硅胶柱色谱纯化化合物3a-3d，通过1H NMR谱中芳香族氢信号的出现和甲基硫烷基氢信号的缺少轻易地确定了化合物3a-3d (图3)。

图3 双乙烯取代法合成苯并噁唑衍生物

在研究杂环化合物中苯型部分的作用时，笔者测试了噁唑烷 5。以 2-氨基乙醇为双乙烯取代反应的亲核试剂，用相同的方法合成了2-硝基亚甲基噁唑烷5。在过滤后，通过1H NMR中δ 6.53 ppm处烯基氢信号的存在和甲基硫烷基氢信号的缺少，确定了噁唑烷5的形成(图4)。

图4 2-硝基亚甲基-噁唑烷的合成

苯并噁唑3a的硝基基团在氢气气氛中钯碳催化下被还原为苯并噁唑基-2-基甲胺6。与起始物3a相比，化合物6的亚甲基基团的碳和氢分别为13C和1H NMR谱的高磁场域，这是化合物发生转变的一个重要证据(图5)。

图5 苯并噁唑基-2-基-甲胺的合成

3.2 生物活性

3.2.1 番茄(图6和7)

测试的所有 2-硝基甲基苯并噁唑(3a-3d)具有高的植物毒性，要高于精异丙甲草胺。活性最高的化合物为3b，1 000、500 µM时对地上部分和根的生长有100%抑制作用。硝基基团好像对活性重要，因为化合物6的活性比3a-3d的低。噁唑烷5具有完全不同的活性方式，促进植物地上部分和根的生长。由此笔者认为苯型环对化合物对番茄种子的植物毒性很重要。

3.2.2 洋葱(图8和9)

化合物3a和3c的活性与精异丙甲草胺相似，但化合物3b和3d具有较高的植物毒性，1 000 µM时100%抑制地上部分和根的生长。化合物6的活性比硝基甲基苯并噁唑和精异丙甲草胺的低，这表明硝基对化合物活性的重要性。噁唑烷化合物5呈现出不同的活性方式——刺激根的生长。

图6 与精异丙甲草胺处理相比各浓度处理番茄的芽长度(值为与对照的百分比差异)

图7 与精异丙甲草胺处理相比各浓度处理番茄的根长度(值为与对照的百分比差异)

3.2.3 黄瓜(图10和11)

化合物3a和3c的活性低于精异丙甲草胺。然而，化合物3b和3d对芽和根生长的抑制活性高于精异丙甲草胺。化合物3b活性最高，在1 000 µM时对根有100%的抑制作用，对芽的生长抑制作用约90%，而还原产物苯并噁唑6没有相关的抑制作用。然而，噁唑烷5对根的生长有较大的促进作用。

3.2.4 高粱(图12和13)

化合物3a和3b比精异丙甲草胺的抑制活性高，但令人惊奇的是活性最高的化合物为衍生物 6。化合物6比商业除草剂对根和芽有更高的抑制作用。而噁唑烷5没有植物毒性活性。

图8 与精异丙甲草胺处理相比各浓度处理洋葱的芽长度(值为与对照的百分比差异)

图9 与精异丙甲草胺处理相比各浓度处理洋葱的根长度(值为与对照的百分比差异)

图10 与精异丙甲草胺处理相比各浓度处理黄瓜的芽长度(值为与对照的百分比差异)

图11 与精异丙甲草胺处理相比各浓度处理黄瓜的根长度(值为与对照的百分比差异)

图12 与精异丙甲草胺处理相比各浓度处理高粱的芽长度(值为与对照的百分比差异)

图13 与精异丙甲草胺处理相比各浓度处理高粱的根长度(值为与对照的百分比差异)

4 总 结

对 1,1-双甲基硫烷基-2-硝基乙烯进行双乙烯取代，生成4个2-硝基甲基苯并噁唑衍生物(3a-d)，并评估了这些化合物对洋葱、番茄、黄瓜和高粱的潜在植物毒性。

噁唑烷5是通过双乙烯取代合成，并研究了其构效关系。化合物3a的硝基被还原产生苯并噁唑6。

试验发现所有化合物对种子的发芽具有活性。化合物3b对4个试验植物品种的活性高于精异丙甲草胺(商业化除草剂 Dual)，对洋葱、番茄和黄瓜种子发芽有100%的抑制作用。化合物6对高粱的活性最高，高于精异丙甲草胺。与此形成对比的是，化合物5对所有试验品种具有刺激作用。

笔者认为苯并噁唑是一类具有较大潜力开发为新颖除草剂的化合物。