李康明,李延賽,易陽杰,徐雷濤,葉 姣,歐曉明,李建明,胡艾希

(1.湖南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,長沙 410082; 2.湖南化工研究院,長沙 410007)

吡唑類衍生物是一類五元含氮雜環(huán)化合物[1],具有降血糖[2]、殺蟲[3]、殺菌[4]和除草[5]等廣譜生物活性.目前,已上市的吡唑酰胺類農(nóng)藥有唑蟲酰胺[6]、氯蟲苯甲酰胺[7]和溴氰蟲酰胺[8]等殺蟲劑,以及呋吡菌胺[9]、吡噻菌胺[10]和氟唑菌酰胺[11]等殺菌劑.王海洋等[12]發(fā)現(xiàn)含1,2,4-三氮唑的吡唑酰胺類化合物對小菜蛾和黏蟲具有較好的活性.石玉軍等[13]利用拼接原理設(shè)計合成的含吡啶結(jié)構(gòu)的吡唑酰胺類化合物具有較好的殺蟲活性.鐘良坤等[14]合成了一系列含芳基異噁唑啉結(jié)構(gòu)的吡唑-5-甲酰胺類化合物,在500 mg/L濃度下對黏蟲具有殺蟲活性,致死率均在80%以上.洪宇等[15]通過活性亞結(jié)構(gòu)拼接的方法設(shè)計合成了一類含七氟異丙基結(jié)構(gòu)的吡唑酰胺類衍生物,該類化合物對黏蟲具有較好的殺蟲活性,致死率為60%～100%.Yan等[16]基于生物電子等排及骨架躍遷原理,設(shè)計合成了具有良好殺菌活性的含噻唑結(jié)構(gòu)的吡唑酰胺類化合物,其EC50值低至3.04 mg/L.

呋喃酚作為一個重要的生物活性片段,具有殺蟲[17]、殺菌[18]和除草[19]等活性.噻唑類衍生物具有低毒和高效等優(yōu)異特點,受到了廣泛關(guān)注.Iwataki等[20]報道了氨基噻唑類化合物及其生物活性,在125 mg/L濃度下,部分化合物對黏蟲、小菜蛾和螨蟲的致死率為100%.張畫輕等[21]報道了含噻唑環(huán)的鄰甲酰氨基苯甲酰胺類衍生物及其殺蟲活性,發(fā)現(xiàn)該類化合物對稻飛虱具有較好的殺蟲活性,致死率≥74%,優(yōu)于陽性對照氯蟲苯甲酰胺.Ye等[22]發(fā)現(xiàn)N-(4-叔丁基)-5-(1,2,4-三唑-1-基)噻唑-2-基)丙酰胺在25 mg/L濃度下對立枯絲核病菌的抑制率>80%.沈芳等[23]發(fā)現(xiàn)4-(7-甲氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)-2-芐亞氨基噻唑具有較好的殺蟲活性,對紅蜘蛛的抑制率達到67.7%.

本文以5-吡唑甲酰胺為基本骨架,利用骨架躍遷及生物電子等排原理,將呋喃環(huán)與吡唑環(huán)以酰胺鍵的方式組合到同一個分子中,制得N-[4-(2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)]-1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酰胺(A1～A6); 在此基礎(chǔ)上,插入噻唑環(huán)作為新的連接鏈,制得N-[4-(7-烷氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)噻唑-2-基]-5-吡唑甲酰胺(B1～B4); 然后,再擴充噻唑環(huán)上取代基范圍,制得含噻唑取代的5-吡唑甲酰胺類化合物(C1～C13); 共設(shè)計合成了23個新的含噻唑或呋喃結(jié)構(gòu)的5-吡唑酰胺類化合物; 并測試了其殺菌與殺蟲活性; 同時,采用量子化學(xué)計算進一步探討了相關(guān)化合物的活性.目標化合物的結(jié)構(gòu)經(jīng)核磁共振波譜(NMR)和高分辨質(zhì)譜(HRMS)確認,設(shè)計思路及合成路線如Scheme 1所示.

A1: R=CH3; A2: R=Et; A3: R=n-Pr; A4: R=Bn; A5: R=CO-2,4-Cl2-C6H3.B1—B4,C5—C8,C11—C13: R1=H; B1,B3: R2= ; B2,B4: R2= ; C1: R1=COCH3,R2=CH3; C2: R1=C(NOCH3)CH3,R2=CH3; C3,C9: R1=CO2C2H5,R2=CH3; C4,C10,R1=1,2,4-triazol-yl; R2= n-Bu; C5: R2=2,4-Cl2-5F-C6H2; C6,C11: R2=CH3CH2CO2CH2; C7,C12: R2= ; C8,C13: R2= Scheme 1 Design strategy and general synthetic routes of the novel 5-pyrazole carboxamide derivatives

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

二環(huán)己基碳二亞胺、1-羥基苯并三唑、1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽、N,N-二甲基甲酰胺及氯化亞砜均為分析純(國藥集團化學(xué)試劑有限公司); 1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酸和3-溴-1-(3-氯吡啶-2-基)-5-吡唑甲酸(工業(yè)用品,純度98%,湖南化工研究院).

INOVA-400MB型核磁共振波譜(NMR)儀,TMS為內(nèi)標,美國Varian公司; RY-1型熔點儀,天津市天分儀器廠; ZF-2型三用紫外顯色儀,上海安亭電子儀器廠; MAT 95XP型高分辨質(zhì)譜(HRMS)儀,美國Thermo公司.

1.2 實驗過程

參照文獻[24]方法合成7-甲氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-胺、7-乙氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-胺、7-丙氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-胺和7-(芐氧基)-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-胺; 參照文獻[25]方法合成5-乙?；?2-氨基-4-甲基噻唑、2-氨基-4-甲基噻唑-5-羧酸乙酯、4-(叔丁基)-5-(1H-1,2,4-三唑-1-基)噻唑-2-胺、4-(2,4-二氯-5-氟苯基)噻唑-2-胺和(2-氨基噻唑-4-基)丙酸甲酯和1-(2-氨基-4-甲基噻唑-5-基)乙-1-酮O-甲基肟.

1.2.1 目標化合物A1～A6的合成 將1.90 g(10 mmol)1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酸和10 mL二氯亞砜混合,攪拌回流反應(yīng)6 h,用薄層液相色譜(TLC)監(jiān)測至反應(yīng)完全,減壓旋轉(zhuǎn)除去過量的二氯亞砜,得到棕色液體1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酰氯.

將0.20 g(1.0 mmol)7-甲氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-胺、0.13 g(1.3 mmol)三乙胺和20 mL二氯甲烷加入反應(yīng)瓶中,在冰浴及攪拌下緩慢滴加0.23 g(1.1 mmol)1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酰氯(溶于5 mL二氯甲烷),繼續(xù)攪拌0.5 h,用TLC監(jiān)測至反應(yīng)完全; 用去離子水洗滌,分液,水相用二氯甲烷萃取,合并有機相,旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收溶劑,經(jīng)柱層析分離得到灰色固體N-[4-(7-甲氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)]-1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酰胺(A1),收率68.8%.

參照化合物A1的合成方法,分別用不同取代的苯并呋喃-5-胺與1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酰氯進行縮合反應(yīng),制得化合物A2～A5,收率32.7%～66.0%.

將0.72 g(2.4 mmol)3-溴-1-(3-氯吡啶-2-基)-5-吡唑甲酸、0.46 g(2.4 mmol)1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDCI)、0.32 g(2.4 mmol)1-羥基苯并三唑(HOBt)和10 mLN,N-二甲基甲酰胺(DMF)混合,室溫下攪拌30 min,加入0.41 g(2.0 mmol)7-乙氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-胺和0.5 mL三乙胺,于120 ℃繼續(xù)攪拌8.0 h; 將反應(yīng)液倒入去離子水中,析出固體,粗產(chǎn)物經(jīng)柱層析得淡黃色固體N-(7-乙氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)-3-溴-1-(3-氯吡啶-2-基)-5-吡唑甲酰胺(A6),收率48.2%.

化合物A1～A6的合成條件和理化數(shù)據(jù)列于表1.

Table 1 Physical data and HRMS results of compounds A

*m/z=M+1.

1.2.2 目標化合物B1～B4的合成 將0.55 g(2.0 mmol)4-(7-甲氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)噻唑-2-胺、0.42 g(6.0 mmol)碳酸鉀和10 mL丙酮混合,室溫攪拌下緩慢滴加0.44 g(2.2 mmol)1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酰氯的丙酮溶液(10 mL),回流反應(yīng)4.0 h; 旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)回收溶劑,加入二氯甲烷,用去離子水洗滌,用二氯甲烷萃取,合并有機相,干燥后旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去溶劑,再用乙酸乙酯和石油醚重結(jié)晶,得到白色固體N-[4-(7-甲氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)噻唑-2-基]-1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酰胺(B1),收率28.1%.

參照化合物B1的合成方法,以4-(7-乙氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)噻唑-2-胺為原料合成了化合物B2,收率30.9%.

參照化合物A6的合成方法,分別以4-(7-甲氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)噻唑-2-胺和4-(7-乙氧基-2,2-二甲基-2,3-二氫苯并呋喃-5-基)噻唑-2-胺為原料合成了化合物B3～B4,收率分別為31.6%和52.4%.化合物B1～B4的合成條件和理化數(shù)據(jù)列于表2.

Table 2 Physical data and HRMS results of compounds B

*m/z=M+1.

1.2.3 目標化合物C1～C13的合成 參照化合物B1的合成方法,分別用不同取代的噻唑-2-胺與1-甲基-3-乙基-4-氯-5-吡唑甲酰氯反應(yīng)制備了化合物C1～C8,收率33.5%～69.4%.參照化合物A6的合成方法,分別用不同取代的噻唑-2-胺與3-溴-1-(3-氯吡啶-2-基)-5-吡唑甲酸縮合制備了化合物C9～C13,收率40.7%～63.4%.

化合物C1～C13的合成條件和理化數(shù)據(jù)列于表3,化合物A～C的核磁共振波譜表征數(shù)據(jù)列于表4.

Table 3 Physical data and HRMS results of compounds C

*m/z=M+1.

Table 4 1H NMR and 13C NMR data of compounds A—C

Continued

Compd. 1H NMR(400 MHz, CDCl3), δ13C NMR(100 MHz, CDCl3), δA48.19(s, 1H, NH), 7.45(d, J=7.5 Hz, 2H, Ph-H), 7.38—7.27(m, 3H, Ph-H), 7.08(s, 1H, benzofuran-H), 6.99(s, 1H, benzofuran-H), 5.19(s, 2H, OCH2), 4.15(s, 3H, NCH3), 3.03(s, 2H, CH2), 2.66(q, J=7.6 Hz, 2H, CH2), 1.52(s, 6H, 2CH3), 1.26(t, J=7.6 Hz, 3H, CH3)156.45, 149.72, 145.69, 143.24, 137.13, 131.42, 129.88, 128.92, 128.59, 128.01, 127.73, 111.25, 107.99, 107.45, 87.99, 71.43, 43.49, 40.84, 28.29, 19.40, 12.95A58.32(s, 1H, NH), 8.07(d, J=8.4 Hz, 1H, C6H3), 7.54(s, 1H, benzo-furan-H), 7.37(d, J=8.4 Hz, 2H, C6H3), 7.26(s, 1H, benzofuran-H), 4.16(s, 3H, NCH3), 3.09(s, 2H, CH2), 2.67(q, J=7.5 Hz, 2H, CH2), 1.49(s, 6H, 2CH3), 1.26(t, J=7.5 Hz, 3H, CH3)162.03, 156.55, 149.80, 147.93, 136.04, 133.67, 133.47, 131.39, 130.52, 129.67, 127.24, 116.42, 114.81, 107.62, 89.30, 43.36, 40.97, 28.18, 19.42, 12.96A68.47—7.39(m, 3H, pyridine-H), 6.91(s, 1H, benzofuran-H), 6.83(s, 1H, pyrazole-H), 6.78(s, 1H, benzofuran-H), 4.01(q, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 2.94(s, 2H, CH2), 1.47(s, 6H, 2CH3), 1.37(t, J=7.0 Hz, 3H, CH3)155.50, 148.85, 146.66, 145.22, 143.34, 139.99, 139.52, 129.40, 129.20, 128.27, 127.98, 125.80, 110.66, 110.14, 106.42, 87.80, 64.49, 43.38, 28.15, 14.79B110.11(s, 1H, NH), 7.27—7.03(m, 3H, benzofuran-H+thiazole-H), 4.21(s, 3H, NCH3), 3.95(s, 3H, OCH3), 3.07(s, 2H, CH2), 2.68(q, J=7.6 Hz, 2H, CH2), 1.54(s, 6H, 2CH3), 1.27(t, J=7.5 Hz, 3H, CH3)156.08, 155.58, 150.89, 150.07, 147.58, 144.54, 129.15, 128.41, 127.39, 115.47, 109.30, 108.94, 106.20, 88.18, 55.95, 43.26, 41.14, 28.25, 19.22, 12.71B210.38(s, 1H, NH), 7.30(s, 1H, benzofuran-H), 7.28(s, 1H, benzofu-ran-H), 7.02(s, 1H, thiazole-H), 4.22(t, 2H, J=7.2 Hz, CH2), 4.21(s, 3H, CH3), 3.06(s, 2H, CH2), 2.69(q, J=7.6 Hz, 2H, CH2), 1.54(s, 6H, 2CH3), 1.47(t, J=7.0 Hz, 3H, CH3), 1.28(t, J=7.6 Hz, 3H, CH3)156.10, 155.62, 154.05, 150.97, 150.12, 148.07, 143.79, 129.23, 128.74, 127.29, 115.55, 111.16, 106.14, 88.02, 64.59, 43.36, 41.17, 28.28, 19.21, 14.95, 12.69B38.54—7.44(m, 3H, pyridine-H), 6.98(s, 1H, pyrazole-H), 7.19—6.86(m, 3H, benzofuran-H+thiazole-H), 3.90(s, 3H, CH3), 3.06(s, 2H, CH2), 1.52(s, 6H, 2CH3)157.53, 154.97, 150.65, 148.37, 147.80, 146.87, 144.58, 139.56, 137.26, 128.86, 128.51, 128.05, 126.92, 125.89, 115.56, 111.40, 109.32, 106.60, 88.27, 55.83, 43.17, 28.23B410.83(s, 1H, NH), 8.55—7.43(m, 3H, pyridine-H), 6.97(s, 1H, pyrazole-H), 7.18—6.76(m, 3H, benzofuran-H+ thiazole-H), 4.14(q, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 3.04(s, 2H, CH2), 1.50(s, 6H, 2CH3), 1.43(t, J=7.0 Hz, 3H, CH3)157.61, 155.02, 150.71, 148.41, 148.16, 146.90, 143.80, 139.54, 137.24, 128.87, 128.77, 128.02, 126.87, 125.88, 115.55, 111.38, 111.06, 106.54, 88.08, 64.45, 43.22, 28.22, 14.92C110.00(s, 1H, NH), 4.22(s, 3H, NCH3), 2.69(t, 2H, J=7.6 Hz, CH2), 2.67(s, 3H, CH3), 2.54(s, 3H, COCH3), 1.27(t, J=7.6 Hz, 3H, CH3)190.46, 157.35, 155.72, 155.51, 150.25, 128.64, 126.17, 109.39, 41.26, 30.43, 19.17, 18.09, 12.65C24.21(s, 3H, NCH3), 3.96—3.97[2s, (2.25+0.75)H, OCH3], 2.69(t, 2H, J=7.6 Hz, CH2), 2.46—2.51[2s, (0.75+2.25)H, CH3], 2.25, 2.31[2s, (2.25+0.75) H, CH3], 1.27(t, J=7.6 Hz, 3H, CH3)C310.06(s, 1H, NH), 4.32(q, J=6.9 Hz, 2H, OCH2), 4.20(s, 3H, NCH3), 2.69—2.65(m, 5H, CH3+CH2), 1.36(t, J=7.0 Hz, 3H, CH3), 1.26(t, J=7.4 Hz, 3H, CH3)162.52, 157.92, 156.72, 155.70, 150.22, 128.72, 116.74, 109.31, 60.96, 41.25, 19.18, 17.10, 14.34, 12.67C49.88(s, 1H, NH), 8.27(s, 1H, 1,2,4-triazole-H), 8.11(s, 1H, 1,2,4-triazole-H), 4.18(s, 3H, NCH3), 2.69(q, J=7.5 Hz, 2H, CH2), 1.27(t, J=7.6 Hz, 3H, CH3), 1.16(s, 9H, 3CH3)156.73, 155.70, 152.53, 152.48, 150.22, 147.36, 128.68, 119.78, 109.18, 41.19, 35.95, 29.58, 19.20, 12.70C510.16(s, 1H, NH), 7.82(d, 1H, C6H2), 7.50(d, 1H, C6H2), 7.26(s, 1H, thiazole-H), 4.20(s, 3H, NCH3), 2.68(q, J=7.6 Hz, 2H, CH2), 1.27(t, J=7.6 Hz, 3H, CH3)158.02, 155.64(d), 155.55, 150.17, 144.75, 132.77(d), 131.91, 128.90, 126.87(d), 120.87(d), 12.67, 19.21, 41.15, 109.14, 114.53, 118.55(d)C69.98(s, 1H, NH), 6.89(s, 1H, thiazole-H), 4.20(s, 5H, COCH2+NCH3), 3.73—3.70(m, 2H, CH2), 2.71—2.61(m, 2H, CH2), 1.32—1.22(m, 6H, CH3+CH3)170.17, 156.39, 155.51, 150.10, 144.01, 129.08, 111.54, 109.03, 61.13, 41.12, 37.01, 19.1, 14.18, 12.68

Continued

Compd. 1H NMR(400 MHz, CDCl3), δ13C NMR(100 MHz, CDCl3), δC710.06(s, 1H, NH), 7.89(d, J=8.5 Hz, 1H, benzofuran-H), 7.57(s, 1H, thiazole-H), 6.48(d, J=8.5 Hz, 1H, benzofuran-H), 4.22(s, 3H, NCH3), 3.86(s, 3H, OCH3), 3.00(s, 2H, CH2), 2.68(q, J=7.3 Hz, 2H, CH2), 1.55(s, 6H, 2CH3), 1.27(t, J=7.4 Hz, 3H, CH3)157.30, 156.15, 155.52, 155.15, 150.04, 146.24, 129.31, 127.67, 114.18, 111.09, 109.72, 108.87, 102.80, 88.27, 55.41, 41.14, 40.08, 28.67, 19.23, 12.73C810.02(s, 1H, NH), 7.88(d, J=8.6 Hz, 1H, benzofuran-H), 7.57(s, 1H, thiazole-H), 6.47(d, J=8.7 Hz, 1H, benzofuran-H), 4.22(s, 3H, CH3), 4.09(q, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 3.01(s, 2H, CH3), 2.69(q, J=7.6 Hz, 2H, CH2), 1.55(s, 6H, 2CH3), 1.41(t, J=7.0 Hz, 3H, CH3), 1.28(t, J=7.6 Hz, 3H, CH3)157.33, 155.59, 155.56, 155.20, 150.04, 146.31, 129.38, 127.57, 114.4, 110.86, 109.61, 108.88, 103.77, 88.19, 63.59, 41.10, 40.19, 28.69, 19.23, 14.96, 12.72C98.58—7.48(m, 3H, pyridine-H), 6.95(s, 1H, pyrazole-H), 4.27(q, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 2.61(s, 3H, CH3), 1.31(t, J=7.1 Hz, 3H, CH3)162.25, 158.79, 155.90, 155.24, 148.22, 147.00, 140.00, 137.25, 128.98, 128.35, 126.08, 116.73, 111.84, 61.02, 16.92, 14.27C108.47(s, 1H, 1,2,4-triazole-H), 8.09(s, 1H, 1,2,4-triazole-H), 8.77—7.52(m, 3H, pyridine-H), 6.86(s, 1H, pyrazole-H), 1.10(s, 9H, 3CH3)C118.54—7.45(m, 3H, pyridine-H), 6.91(s, 1H, pyrazole-H), 6.82(s, 1H, thiazole-H), 4.18(q, J=7.1 Hz, 2H, CH2), 3.67(s, 2H, CH2), 1.26(t, J=7.0 Hz, 3H, CH3)170.21, 157.07, 154.83, 148.35, 146.99, 143.50, 139.67, 137.67, 128.91, 128.23, 126.02, 111.72, 111.44, 61.25, 36.90, 14.15C127.69(d, J=8.6 Hz, 1H, benzofuran), 8.55—7.43(m, 3H, pyridine-H), 7.40(s, 1H, thiazole-H), 6.92(s, 1H, pyrazole-H), 6.47(d, J=8.7 Hz, 1H, benzofuran-H), 3.84(s, 3H, OCH3), 2.98(s, 2H, CH2), 1.54(s, 6H, 2CH3)157.71, 157.13, 156.37, 155.90, 148.62, 146.87, 144.74, 139.49, 138.17, 129.00, 128.08, 127.23, 125.84, 114.38, 111.49, 110.02, 109.05, 103.08, 88.55, 55.42, 40.02, 28.64C1310.74(s, 1H, NH), 7.65(d, J=8.6 Hz, 1H, benzofuran-H), 8.55—7.43(m, 3H, pyridine-H), 7.39(s, 1H, thiazole-H), 6.85(s, 1H, pyrazole-H), 6.43(d, J=8.7 Hz, 1H, benzofuran-H), 4.07(q, J=7.0 Hz, 2H, CH2), 2.99(s, 2H, CH2), 1.54(s, 6H, 2CH3), 1.40(t, J=7.0 Hz, 3H, CH3)157.85, 157.10, 156.09, 155.85, 148.65, 146.85, 146.48, 139.49, 138.45, 129.03, 128.12, 127.10, 125.83, 114.62, 111.51, 109.66, 108.69, 104.05, 88.54, 63.63, 40.12, 28.66, 14.93

1.3 生物活性測試

委托國家農(nóng)藥創(chuàng)制工程技術(shù)研究中心湖南化工研究院有限公司生測中心測定了目標化合物的殺菌活性和殺蟲活性.殺菌活性測試靶標為辣椒疫霉病菌(Phytophythoracapsici)、煙草赤星病菌(Alternariaalternata)、小麥赤霉病菌(Gibberellazeae)、黃瓜灰霉病菌(Botrytiscinerea)和油菜菌核病菌(Sclerotoniasclerotiorum).殺蟲活性測試靶標分別為黏蟲、蠶豆蚜及棉紅蜘蛛.采用農(nóng)藥生物活性篩選測定技術(shù)測定和計算抑制率[26].

1.4 DFT計算

利用Gasian09軟件[27]完成離散傅里葉變換(DFT)計算,采用密度泛函理論B3LYP方法在氣相中尋找并優(yōu)化所有極小值點,對所有元素使用了6-311G(d,p)基組,頻率分析驗證所有優(yōu)化得到的不動點的性質(zhì),分別具有0個(極小點)或1個虛頻(過渡態(tài)).在密度泛函理論B3LYP方法的基礎(chǔ)上利用Multiwfn 3.6軟件計算了分子范德華表面靜電勢[28,29],并利用VMD程序繪制得到靜電勢圖.

2 結(jié)果與討論

2.1 目標化合物的核磁共振波譜表征

化合物A主要由苯并呋喃環(huán)和吡唑環(huán)構(gòu)成,化合物B在化合物A的基礎(chǔ)上引入了噻唑環(huán),化合物C則主要由噻唑環(huán)和吡唑環(huán)構(gòu)成,因此在氫譜上比較好區(qū)分.除化合物A6外,其余化合物的酰胺鍵上的活潑氫均出現(xiàn)在δ8.25附近.由于化合物B和C中存在噻唑環(huán),酰胺鍵上的活潑氫則出現(xiàn)在更低場(δ10.00附近).在13C NMR譜中,烷基碳作為sp3雜化的碳原子,其δ位于0～90之間,芳香環(huán)上的碳作為sp2雜化的碳原子,其δ位于100～160之間.此外,化合物中酰胺結(jié)構(gòu)的羰基碳原子的δ最高(約為158).

2.2 生物活性

采用農(nóng)藥生物活性篩選測定技術(shù)測試了目標化合物的殺菌和殺蟲活性,結(jié)果列于表5.

Table 5 Bactericidal and insecticidal activities of compounds A—C*

*---: Not determined;Aa:Alternariaalternata;Gz:Gibberellazeae;Ss:Sclerotonia;Ms:Mythimnaseparate;Af:Aphisfabae.

由表5可見,目標化合物在25 mg/L濃度下對辣椒疫霉病菌(Phytophythoracapsici)、煙草赤星病菌(Alternariaalternata)、小麥赤霉病菌(Gibberellazeae)、黃瓜灰霉病菌(Botrytiscinerea)和油菜菌核病菌(Sclerotoniasclerotiorum)的離體抑菌活性表現(xiàn)一般,其中化合物A3對煙草赤星病菌及C7對小麥赤霉病菌的抑制率>50%,化合物A1和A4對油菜菌核病菌的抑制率>50%,而其余化合物的抑菌效果不明顯,相關(guān)數(shù)據(jù)未列出.在500 mg/L的濃度下,大部分化合物對蚜蟲表現(xiàn)了較好的殺蟲活性,其中化合物B3和B4對蚜蟲的致死率達到100%,與對照藥劑吡蟲啉相當,化合物C9的致死率為95.54%,化合物C10的致死率為67.21%; 大部分化合物對黏蟲的殺蟲活性較弱或無活性,僅化合物A1和B1對黏蟲表現(xiàn)出較好的殺蟲活性,致死率為100%,與對照藥劑相當.所有目標化合物對棉紅蜘蛛幾乎無滅殺效果,數(shù)據(jù)未列出.通過分析化合物結(jié)構(gòu)與殺蚜蟲活性之間的構(gòu)效關(guān)系發(fā)現(xiàn),在呋喃酚吡唑酰胺骨架上插入噻唑環(huán)可顯著提升化合物的殺蚜蟲活性,去掉呋喃酚或異構(gòu)化呋喃酚時殺蚜蟲活性出現(xiàn)不同程度的減弱.在保留噻唑環(huán)和吡唑酰胺骨架的基礎(chǔ)上,對噻唑環(huán)側(cè)鏈進行修飾,得到了殺蚜蟲活性較好的化合物C10和C11.同時,我們發(fā)現(xiàn)吡唑環(huán)上取代基的改變對殺蚜蟲活性有較大影響,當吡唑環(huán)上3位取代基為溴,1位取代基為3-氯-吡啶基時殺蚜蟲活性最佳.

2.3 DFT計算

根據(jù)前線子軌道理論可知,最高占據(jù)分子軌道(HOMO)和最低占據(jù)分子軌道(LUMO)分別能夠優(yōu)先提供和接收電子,這2個分子軌道是影響生物活性的重要量子化學(xué)參數(shù).本文采用密度泛函理論(DFT)的Becke三參數(shù)混合泛函方法(B3LYP)對化合物B1,B3及陽性對照藥吡蟲啉進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化(Scheme 2),并對其前沿分子軌道進行了分析.

Scheme 2 Molecular structure optimization diagrams of compound imidacloprid(A),B3(B) and B1(C)

經(jīng)過幾何優(yōu)化后發(fā)現(xiàn),化合物B3和吡蟲啉具有相似的幾何空間,其分子內(nèi)部均存在一定的夾角,而化合物B1的幾何空間卻與吡蟲啉不同.這可能是因為當化合物以一定夾角存在時容易與蛋白識別并結(jié)合,從而達到滅殺蚜蟲的效果.這也與化合物B3的殺蚜蟲活性優(yōu)于化合物B1的結(jié)果一致.

圖1示出了化合物B1和B3與對照藥劑吡蟲啉的前線分子軌道.

Fig.1 LUMO(A,C,E) and LUMO(B,D,F) maps for imidacloprid(A,B),B3(C,D) and B1(E,F) The green parts represent positive molecular orbital,and the red parts represent negative molecular orbital.

化合物B1,B3,B4及吡蟲啉的軌道能級數(shù)據(jù)列于表6.從前沿軌道能級來看,當分子的軌道能級差與陽性對照吡蟲啉的軌道能級差相近時化合物會表現(xiàn)出較好的殺蚜蟲活性.當化合物的軌道總能量與陽性對照吡蟲啉相近時,化合物的抑制活性與陽性對照相當.

Table 6 Frontier molecular orbital energies and acaricidal activities of compounds B1,B3,B4 and imidacloprid

a.1 Hartree=4.35974417×10-18J=27.2113845 eV;b. ΔE=ΔELUMO-ΔEHOMO.

Fig.2 ESP-mapped molecular vdW surface of compoud B1(A),B3(B) and imidacloprid(C)

分子范德華表面靜電勢(ESP)是研究和預(yù)測分子之間相互作用的關(guān)鍵.圖2示出了利用Multiwfn 3.6軟件計算所得分子范德華表面靜電勢,并利用VMD程序繪制得到靜電勢圖,得到了陽性對照吡蟲啉、化合物B1及B3的分子尺寸、結(jié)構(gòu)和電荷密度.由圖2可見,陽性對照吡蟲啉的負電荷主要集中在吡啶環(huán)上的氯原子附近; 化合物B3的電荷也主要集中在嘧啶環(huán)和吡唑環(huán)附近,與陽性對照的電荷分布相近; 而化合物B1的電荷卻主要集中在呋喃環(huán)及羰基附近,說明化合物電荷分布與活性密切相關(guān).當化合物與陽性對照電荷分布相近時,會表現(xiàn)出與陽性對照相近或相當?shù)幕钚?

3 結(jié) 論

生物活性測試結(jié)果表明,在25 mg/L濃度下,化合物A3對煙草赤星病菌的抑制率、C7對小麥赤霉病菌的抑制率以及A1和A4對油菜菌核病菌的抑制率均大于50%; 在500 mg/L濃度下,部分化合物對黏蟲和蚜蟲有良好的殺蟲活性,其中化合物A1和B1對黏蟲的致死率均為100%,化合物B3,B4和C9對蚜蟲的致死率分別為100%,100%和95.54%.對蚜蟲殺蟲活性的構(gòu)效關(guān)系分析結(jié)果表明,在呋喃酚吡唑酰胺骨架上插入噻唑環(huán)能顯著提升化合物的殺蚜蟲活性,當去掉呋喃酚或其異構(gòu)體時活性減弱.在保留噻唑環(huán)和吡唑酰胺骨架的基礎(chǔ)上,對噻唑環(huán)側(cè)鏈進行改造得到了殺蚜蟲活性較好的化合物C10和C11.吡唑環(huán)上氯吡啶基的引入可提升化合物對蚜蟲的殺蟲活性.