陳連清，黃裕峰，周 泉，吳 鋮，牛雄雷

(1 中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，催化材料科學(xué)國家民委-教育部共建重點實驗室 武漢430074; 2 遼寧省蠶業(yè)科學(xué)研究所，鳳城118100 )

氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物溶劑熱法合成和表征

陳連清1，黃裕峰1，周 泉1，吳 鋮1，牛雄雷2

(1 中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，催化材料科學(xué)國家民委-教育部共建重點實驗室 武漢430074; 2 遼寧省蠶業(yè)科學(xué)研究所，鳳城118100 )

為制備疏水程度和光物理性能良好的殺蟲劑，經(jīng)氫化鈉處理，采用溶劑熱法進行了一系列的鏈狀烷烴酰氯反應(yīng)，合成了10種氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物，其結(jié)構(gòu)經(jīng)紅外、質(zhì)譜、核磁和元素分析確證，并測試了其光物理性能和高效液相色譜保留時間.結(jié)果表明：該類化合物均具有穩(wěn)定的熒光性能；且隨著鏈長及氯原子數(shù)目的增多，其保留時間、疏水性和脂溶性增加，為進一步測試氟蟲腈衍生物的生物活性奠定了基礎(chǔ).

氟蟲腈；酰胺化；溶劑熱法；合成；疏水性

氟蟲腈是由法國羅納-普朗克公司研發(fā)的新一代殺蟲劑[1].由于氟蟲腈能有效干擾害蟲的神經(jīng)中樞，對直翅目、纓翅目、同翅目、異翅目、鱗翅目、鞘翅目和雙翅目等一系列害蟲具有高效的殺蟲活性，且與現(xiàn)有殺蟲劑無交互抗性，其結(jié)構(gòu)改造與生物活性研究受到眾多研究者的青睞.大連瑞澤公司研發(fā)出丁烯氟蟲腈，通過引入鏈狀雙鍵基團，使分子能更好地與植物代謝物相互作用，大大降低了氟蟲腈的毒性，對魚類低毒，對水稻和蔬菜上的害蟲殺滅活性高[2]；徐漢虹等[3]通過糖基修飾氟蟲腈的氨基，合成了具有導(dǎo)向功能的氟蟲腈-糖基偶合物，通過導(dǎo)向基團糖基的轉(zhuǎn)移蛋白作用將偶合物運送至植物體內(nèi)，經(jīng)過植物韌皮部運輸至害蟲為害部位；牛雄雷等[4]在氟蟲腈的氨基上引入不同類型的酰胺基團，通過酰胺基團的導(dǎo)向作用，降低了氟蟲腈對柞蠶的毒性，并對柞蠶飾腹寄蠅有良好的防治效果.

近年來，具有導(dǎo)向功能的綠色農(nóng)藥研究方興未艾，如何檢測農(nóng)藥分子的導(dǎo)向功能是一個的難題.徐漢虹等[5]通過測定植物韌皮部農(nóng)藥分子的濃度估測其運輸途徑，誤差較大；通過農(nóng)藥分子本身具有的熒光發(fā)射光譜，能有效地檢測分子在生物體內(nèi)的運輸路徑和積累部位，跟蹤農(nóng)藥分子以便檢測農(nóng)藥的導(dǎo)向功能.農(nóng)藥的疏水性越大，脂溶性也越高，更有利于進入到害蟲體內(nèi)高效地殺死害蟲，使用高效液相色譜法測定農(nóng)藥的保留時間能間接地判斷其疏水性的大小[6].

基于此，本文引入使氟蟲腈具有導(dǎo)向功能的酰胺基團，利用酰氯與氟蟲腈分子上的氨基反應(yīng)生成酰胺化衍生物；通過調(diào)節(jié)鏈狀烷烴酰氯上碳鏈的長度，增加氟蟲腈衍生物的疏水性，把導(dǎo)向功能與疏水性結(jié)合起來，制備了一系列新型農(nóng)藥，使用熒光發(fā)射光譜和紫外吸收光譜測定了氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物的光物理性能，并利用HPLC測定其保留時間比較疏水性大小.使用溶劑熱法合成氟蟲腈衍生物至今未見報道，與傳統(tǒng)加熱回流相比，溶劑熱法能形成高溫高壓條件，反應(yīng)物分散在溶液中且變得比較活潑，有利于反應(yīng)進行；在密閉的體系中能防止酰氯與空氣過多地接觸，避免有毒氣體溢出；實驗過程中溶劑不揮發(fā)，溶劑可以回收再利用[7].

1 實驗部分

1.1 試劑和儀器

氟蟲腈(壽光研新化工技術(shù)有限公司，純度≥97%)，乙酰氯、丙酰氯、丁酰氯、異丁酰氯、己酰氯、庚酰氯、辛酰氯、氯乙酰氯、二氯乙酰氯、三氯乙酰氯、NaH、THF、乙酸乙酯和石油醚，均為市售分析純，使用前未進一步純化.

恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101S，上海東璽制冷儀器)，三用紫外線分析儀(ZF-1型，上海嘉鵬科技)，傅立葉紅外光譜儀(NEXUS470型，美國)，全數(shù)字化核磁共振譜儀(AVANCE III 400MHz，瑞士布魯克)，紫外-可見分光光度計(Lambda-Bio35，日本島津)，熒光光譜儀(PE LS-55型，美國)，GC-Mass(Agilent 6890N-5973N型, 美國)，元素分析儀(Vario-EL III CHNS型，美國).

1.2 氟蟲腈衍生物的合成

氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物(見圖1)，其合成步驟如下：在100 mL三口燒瓶中加入0.02 mol氟蟲腈、40 mL THF溶液，室溫下緩慢加入0.02 mol NaH固體顆粒，磁力攪拌20 min，然后將三口燒瓶里的THF溶劑倒入100 mL的聚四氟乙烯內(nèi)襯中，快速加入0.02 mol酰氯至聚四氟乙烯內(nèi)襯中，裝入高壓反應(yīng)釜中，放入烘箱后，在90℃下反應(yīng)720 min.停止反應(yīng)后，使用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀除去溶劑THF，加入飽和Na2CO3溶液調(diào)節(jié)pH值為7～8去除酸性雜質(zhì).使用乙酸乙酯萃取3次，合并有機相，用無水MgSO4干燥后抽濾. 使用硅膠吸附并干法制樣，洗脫劑為體積比1︰4的乙酸乙酯與石油醚，經(jīng)柱層析法提純產(chǎn)物，得到化合物1～10.

圖1 氟蟲腈酰胺化合成路線Fig.1 Synthetic route of fipronilamidation

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物的合成及表征

在合成過程中，先利用NaH與氟蟲腈上的氨基反應(yīng)生成NaNH2和H2，NaNH2對酰氯的反應(yīng)活性比氨基強，有利于提高產(chǎn)率.以制備化合物1為例，分別使用加熱回流法與溶劑熱法結(jié)果見表1.由表1可見，產(chǎn)物的產(chǎn)率受溫度與反應(yīng)時間影響：溫度越高，反應(yīng)時間越長，產(chǎn)率提高；組分1使用溶劑熱法比加熱回流的產(chǎn)率高21.9%.加熱回流時，溶劑易揮發(fā)，反應(yīng)720 min損失約一半的溶劑，其高壓高溫環(huán)境能提高反應(yīng)效率；溶劑在反應(yīng)過程中難以揮發(fā)，反應(yīng)后可回收；操作簡便，后處理方便，產(chǎn)率提高.

表1 不同合成方法產(chǎn)率對比

元素分析結(jié)果(見表2)表明：目標化合物的C、H測定值與理論組成一致；在IR結(jié)果(見表3)中，目標化合物各個特征吸收振動峰均得到證實；在MS譜圖中目標化合物的分子碎片峰符合分子理論組成.在目標化合物的1HNMR譜(見表4)結(jié)果中，低場均可見苯環(huán)上的2個H的峰，氨基上的N只連接1個H；在高場各種質(zhì)子的化學(xué)位移均得到了相應(yīng)的歸屬.以上表征結(jié)果確認了目標化合物結(jié)構(gòu)，說明成功合成了10種氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物.

表2 化合物1～10的物性常數(shù)和元素分析組成

注：a理論值；b實驗值

氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物的產(chǎn)率隨著碳鏈的增長降低，因為隨著碳鏈的增長，取代基位阻增大，酰氯活性降低.由表3可知：碳鏈長度在3以下的位阻較小，酰氯活性較高，產(chǎn)率較高；碳鏈長度在4以上的位阻較大，酰氯活性降低，產(chǎn)率較低.隨著碳鏈的增長，產(chǎn)物極性變小.從薄層色譜法中可知：碳鏈長度在3以下，產(chǎn)物點與原料點的Rf值相差較大，柱層析能有效分離產(chǎn)物與原料；碳鏈長度在4以上時，產(chǎn)物點與原料點的Rf值相隔很近，柱層析分離效果較差，這也是碳鏈增長產(chǎn)率降低的另一個重要原因之一.

2.2 氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物的光物理性能

表5為相同條件下化合物1～10的熒光發(fā)射光譜和紫外吸收光譜分析.由紫外光譜數(shù)據(jù)可見，這類化合物的紫外吸收光譜主要集中在苯環(huán)的B帶，由于苯環(huán)與吡唑環(huán)不在同一平面上，無法更好共軛，吡唑環(huán)的紫外吸收并不明顯.結(jié)合熒光數(shù)據(jù)與圖2可知：化合物1～10具有很好的熒光性能.

表3 化合物1～10紅外和質(zhì)譜數(shù)據(jù)

增加氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物鏈狀烷烴的長度，其熒光發(fā)射峰無明顯位移，說明這類化合物的熒光發(fā)射主要集中在苯環(huán)與吡唑環(huán)上，增加鏈狀烷烴碳鏈的長度和支鏈個數(shù)，未明顯地改變苯環(huán)與吡唑環(huán)的共軛結(jié)構(gòu)；Cl原子作為吸電子基團，增加其個數(shù)，也未明顯改變氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物的熒光發(fā)射峰，說明它的誘導(dǎo)效應(yīng)無法有效地傳遞給吡唑環(huán)；酰胺鍵的存在，增大了整個體系的電子云密度，分子極性增大，但由于氨基采用sp3雜化，酰胺鍵與吡唑環(huán)無法有效地共軛，熒光發(fā)射峰位移并不明顯.在氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物上引入鏈狀烷烴酰胺鍵并增加Cl個數(shù)，其光物理性能穩(wěn)定，熒光性能良好，為后續(xù)檢測農(nóng)藥分子導(dǎo)向性和農(nóng)藥殘留奠定了一定基礎(chǔ).

表4 化合物1～10核磁氫譜數(shù)據(jù)

表5 化合物1～10的光物理性能

注：a溶劑:CH3CH2OH ;bsolid ;cfluorescence intensity

λ/nm圖2 化合物1～10的熒光光譜 Fig.2 PL spectra of compounds 1-10

2.3 氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物的疏水性能

使用反相高效液相色譜法測量化合物1～10的保留時間.用HPLC的色譜容量因子lgK作為化合物的疏水參數(shù)，lgK能較好地反映疏水效應(yīng)，化合物的疏水參數(shù)越大其疏水性越強.據(jù)公式lgK= (tr-t0) /t0，lgK與保留時間tr存在線性關(guān)系[8]，根據(jù)保留時間tr判斷化合物1～10的疏水程度[9].

配制質(zhì)量濃度為0.015 g / 100 mL的化合物1～10溶液.柱溫：25℃，流動相：φ(水︰乙腈) = 3︰7，流速：1 mL/min，檢測波長：210 nm，進樣體積：20 μL，初始時間t0=1.600.由圖3和表6可見：隨著碳鏈的增長，化合物1～10的保留時間增長，其疏水性也增強.比較化合物3與化合物4的保留時間，在碳原子個數(shù)相同的情況下，有支鏈結(jié)構(gòu)的疏水性較直鏈結(jié)構(gòu)的疏水性大.

圖3 化合物1～10的HPLC譜圖Fig.3 HPLC spectra of compound 1-10

在化合物1～10的分離提純階段，柱層析分離效果隨著碳鏈的增長變差.薄層色譜法跟蹤柱層析分離情況，氟蟲腈先從層析柱洗脫出來，化合物1～7后洗脫出來，化合物1與氟蟲腈有大量的空白點，化合物2～7與氟蟲腈有少量的空白點；從化合物8開始，氟蟲腈與化合物8～10有一定的混合點，隨著碳鏈的增長，化合物在乙酸乙酯中的溶解性增強.這與反相高效液相色譜判斷出來的疏水性相一致.隨著碳鏈的增長，化合物的lgK與保留時間tr越大；增加Cl原子個數(shù)不能有效改變化合物的疏水性，說明氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物的疏水性主要受鏈狀烷烴碳鏈長度的影響.這類衍生物的疏水性越大，脂溶性越好，更易通過細胞壁進入到細胞內(nèi)，在水中的濃度減小.通過比較化合物1～10的疏水性大小，為后續(xù)檢測其殺蟲活性提供幫助.

表6 化合物1～10的HPLC保留時間

3 結(jié)語

本文以氟蟲腈為初始原料，使用溶劑熱法對10種鏈狀烷烴酰氯與氟蟲腈進行了酰化反應(yīng)，成功合成了10種氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物，利用IR、1HNMR、MS和元素分析等表征手段確認了其結(jié)構(gòu).通過紫外與熒光分析，此類氟蟲腈鏈狀烷烴酰胺化衍生物具有穩(wěn)定的光物理性能，能通過熒光檢測農(nóng)藥分子導(dǎo)向性和農(nóng)藥殘留.隨著碳鏈的增長，其疏水性也增大，在碳原子個數(shù)相同的情況下，有支鏈結(jié)構(gòu)的疏水性較直鏈結(jié)構(gòu)的疏水性大，為后續(xù)檢測其生物殺蟲活性奠定了基礎(chǔ).

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Solvothermal Synthesis and Characterization of Fipronil Chain Alkane′s Aamide Derivatives

ChenLianqing1,HuanYufeng1,ZhouQuan1,WuCheng1,NiuXionglei2

(1 Key Laboratory of Catalysis and Materials Science of the State Ethnic Affairs Commission & Ministry of Education,College of Chemistry and Materials Science ,South-Central University for Nationalities, Wuhan 430074;2 Sericultural Research Institute of Liaoning Province, Fengcheng 118100)

To develop pesticides with good hydrophobic and physical properties, 10 kinds of amide derivatives of fipronil were synthesized by treating with NaH followed by amidation with a series of amide chlorides via solvothermal method. The structures of the derivatives were confirmed by IR, mass spectrometry, NMR and elemental analysis. The photophysical properties and HPLC retention time were also examined. The results showed that these compounds had stable fluorescence properties, and the retention time, hydrophobicity and lipid solubility increased with the increase of chain length and the number of chlorine atoms. This work may serve as the foundation for further testing of the biological activity of fipronil derivatives.

fipronil; amidation; solvothermal methods; synthesis; hydrophobic property

2016-04-01

陳連清(1979-)，男，副教授，博士，研究方向：有機合成，E-mail: lqchen@mail.scuec.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項目(20702064, 21177161, 31402137)；人事部留學(xué)人員科技活動擇優(yōu)資助項目(BZY13007)；湖北省杰出青年基金資助項目(2013CFA034)；湖北省青年英才開發(fā)計劃(RCJH15001)；武漢市青年科技晨光計劃資助項目(201271031422)

TQ031.2

A

1672-4321(2017)02-0006-05