劉 娟, 張晨曦, 李 慶, 萬東升, 王加輝, 薛志勇

(武漢紡織大學 化學與化工學院,湖北 武漢 430073)

卵蟲病害是一種真核病原體,作為長期以來嚴重損害農作物產品的元首,其生長周期短、傳播速度快且侵害范圍廣,給宿主帶來災難性的病害,嚴重威脅著農作物的成長,給農業(yè)作物相關領域的經濟造成巨大損失[1-4]。隨著農作物種植品種的不斷增加,卵蟲病害的危害日漸嚴重。當前,卵菌病毒防治主要分為3種方法:農業(yè)防治、生物防治和化學防治[5]。其中,化學防治作為卵菌病毒的主要依賴方法,使用了具有殺菌劑的農藥來防治植物病害。

烯酰嗎啉,作為肉桂酸的衍生物,是一種對卵菌病有專一殺菌活性的殺菌劑[6]。烯酰嗎啉具有抑菌活性高、內吸傳導性強等特點,其Z式結構具有殺菌活性,對抑制病菌作用很較為顯著[7-9]。隨著烯酰嗎啉在內的殺菌劑在農作物卵菌病害中的廣泛應用,農作物面臨的抗藥問題也越來越引起人們的重視。近年來,為了避免單一品種長期使用,進一步優(yōu)化卵菌病害的預防與治療效果,科研工作者隨后又開發(fā)了氟嗎啉、丁吡嗎啉等新型高效的內吸性殺菌劑[10-12]。氟嗎啉由于氟原子特有的性能如模擬效應、阻礙效應和滲透效應,使氟嗎啉的殺菌效果倍增。丁吡嗎啉的結構與烯酰嗎啉相似,均含有嗎啉環(huán),并且對致病疫霉休止孢的萌發(fā)及孢子囊的產生都具有顯著的抑制作用。然而,烯酰嗎啉衍生物引入具有活性基團的羧基基團后[13-16],具有高效殺菌劑的特點,在卵菌病害中表現出較好的應用前景。

基于此,本文以烯酰嗎啉和叔丁醇鉀為原料,通過酯化水解,引入哌嗪-1-羧酸叔丁酯,三氟乙酸水解,引入4-溴丁酸叔丁酯,三氟乙酸水解五步反應,設計并合成了一種含有丁酸結構的烯酰嗎啉衍生物5(圖1)。并探討了水解試劑種類與用量、反應溫度以及原料投料比對純化分離的影響,最終以較好的收率實現了目標產物的合成,為后面合成一類新型烯酰嗎啉衍生物提供了新的思路。

圖1 烯酰嗎啉衍生物的合成路線

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

Bruker ADV ANCE Ⅲ 300 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS內標);XE-VOg2-XS型質譜儀;TENSOR27型布魯克紅外光譜儀(KBr壓片,分辨率不低于0.5 cm-1);

所用試劑均為分析純。

1.2 合成

(1) 化合物1的合成

將10.00 g(0.03 mol)烯酰嗎啉,17.40 g(0.16 mol)叔丁醇鉀,0.92 g(0.05 mol)水加入圓底燒瓶,再加入80.00 mL四氫呋喃,攪拌使其溶解。80 ℃加熱回流,反應3 h。抽濾得到濾液,加入鹽酸調至pH=6,再次抽濾得到濾液,殘余物濃縮,加水洗滌,加入二氯甲烷萃取,有機相旋干,得粗產品。經硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯 ∶石油醚=1 ∶4,V∶V)純化得白色固體化合物1。產物包含Z型和E型2種構型。

E式構型,3.95 g,收率48%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.36～7.13(m, 4H), 6.83～6.74(m, 3H), 6.28(s, 1H), 3.92(s, 3H), 3.81(s, 3H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 170.74, 151.81, 150.92, 148.85, 136.92, 132.88, 130.74, 128.63, 128.16, 122.47, 114.80, 110.89, 110.66, 77.36, 77.04, 76.72, 55.98, 55.95; MS(ESI)m/z: 388.9{[M+H]+}; IRν: 3004.01, 2934.19, 2820.80, 1660.10, 1589.68, 1507.12, 1445.34, 1260.87, 848.51, 601.45 cm-1。

(2) 化合物2的合成

將3.00 g(9.41mmol)化合物1和1.76 g(9.45 mmol)哌嗪-1-羧酸叔丁酯,2.72 g(14.2 mmol) 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽(EDC-Cl), 0.11 g(0.91 mmol) 4-二甲氨基吡啶(DMAP)加入圓底燒瓶,再加入30.00 mL二氯甲烷溶解,室溫反應,攪拌3 h,濃縮加水攪拌,加入二氯甲烷萃取,有機相旋干,得粗產品。經硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯 ∶石油醚=1 ∶2,V∶V)純化得白色固體化合物23.89 g,收率85%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.35～7.21(m, 4H), 6.81～6.77(m, 3H), 6.28(s, 1H), 3.90(s, 3H), 3.80(s, 3H), 3.50～3.48(m, 2H), 3.28～3.26(m, 4H), 3.03(s, 2H), 1.44(s, 9H);13C NMR(CDCl3, 75 MHz)δ: 167.13, 154.41, 149.87, 148.82, 137.22, 133.08, 130.82, 128.60, 121.18, 119.38, 110.98, 110.79, 80.40, 77.35, 77.03, 76.72, 55.98, 55.95, 46.11, 41.05, 28.34, 20.51; MS(ESI)m/z: 319.8{[M+H]+}; IRν: 3455.16, 2978.94, 2858.99, 2580.31, 1696.50, 1512.70, 1413.04, 1238.79, 857.46, 692.16 cm-1。

(3) 化合物3的合成

將3.0 g(7.19 mmol)化合物2置于圓底燒瓶,加入5.00 mL二氯甲烷溶解,再加入2.00 mL三氟乙酸,室溫反應攪拌過夜。旋干,加入二氯甲烷溶解,加水洗滌,加入氫氧化鈉調至pH=7。加入二氯甲烷萃取,有機相旋干,得到淡黃色固體化合物32.64 g,收率95%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.36～7.20(m, 4H), 6.81～6.77(m, 3H), 6.27～6.19(d, 1H), 4.40(s, 1H), 3.90～3.82(m, 3H), 3.81～3.79(m, 3H), 3.61(m, 2H), 3.39～3.37(m, 2H), 2.70～2.63(m, 2H);13C NMR(CDCl3, 75MHz)δ: 166.85, 149.63, 148.71, 146.99, 146.06, 145.70, 133.24, 130.67, 128.51, 122.17, 119.20, 112.57, 110.79, 55.95, 50.60, 44.56, 40.78; MS(ESI)m/z: 488{[M+H]+}; IRν: 3421.14, 2934.19, 2836.32, 2605.37, 1598.64, 1512.70, 1440.49, 1254.31, 823.44, 576.39 cm-1。

(4) 化合物4的合成

將2.00 g(5.17 mmol)化合物3, 1.28 g(5.72 mmol) 4-溴丁酸叔丁酯,0.86 g(6.25 mmol)碳酸鉀置于圓底燒瓶,加入適量N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解,室溫反應。旋干干燥,加乙酸乙酯溶解,有機相旋干,得到粗產品。經硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯 ∶石油醚=4 ∶1,V∶V)純化得棕色油狀液體化合物42.34 g,收率85%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.34～7.21(m, 4H), 7.86～7.75(m, 3H), 6.26～6.20(m, 1H), 3.90(s, 3H), 3.82～3.80(m, 3H), 3.59(s, 2H), 3.35～3.31(d, 2H), 2.36～2.19(m, 6H), 2.04～2.02(m, 3H), 1.74～1.68(m, 2H), 1.43(s, 9H);13CNMR(CDCl3, 75MHz)δ: 172.50, 167.06, 166.77, 149.79, 149.54, 148.80, 146.01, 139.45, 137.33, 133.13, 130.93, 129.51, 121.15, 119.61, 112.62, 110.78, 57.23, 55.90, 52.37, 51.98, 45.67, 40.52, 33.04, 28.09; MS(ESI)m/z: 530.1{[M+H]+}; IRν: 3443.82, 2934.19, 1723.36, 1632.65, 1517.48, 1460.78, 1362.92, 1254.31, 830.61, 644.42 cm-1。

(5) 化合物5的合成

將2.00 g(3.77mmol)化合物4置于圓底燒瓶,加入5.00 mL二氯甲烷將其溶解,再加入2.00 mL三氟乙酸,室溫反應攪拌過夜。旋干,加入二氯甲烷溶解,經硅膠柱層析(洗脫劑:乙酸乙酯 ∶甲醇=4 ∶1,V∶V)純化得粉色固體化合物51.64 g,收率92%;1H NMR(CDCl3, 300 MHz)δ: 7.38～7.22(m, 4H), 6.81～6.76(m, 3H), 6.23～6.16(d, 1H), 3.89(m, 3H), 3.81～3.78(d, 3H), 3.60～3.58(s, 2H), 2.96～2.79(m, 3H), 2.34～2.29(s, 3H), 2.05(m, 1H), 1.82(m, 2H), 1.28～1.24(m, 1H);13C NMR(CDCl3, 75MHz)δ: 167.15, 166.84, 150.18, 149.86, 148.93,147.05, 138.73, 137.27, 135.04, 130.66, 129.50, 128.78, 121.34, 118.11, 112.84, 110.91, 60.42, 56.15, 51.02, 43.99, 31.24, 21.06, 14.20; MS(ESI)m/z: 474{[M+H]+}; IRν: 3446.21, 2943.14, 2589.26, 1687.55, 1635.04, 1515.09, 1430.95, 1268.03, 830.61, 585.55 cm-1。

此次實驗用廉價易得的烯酰嗎啉和叔丁醇鉀為起始原料,合成了一種含有羧基基團的烯酰嗎啉衍生物,并對關鍵步驟的合成工藝進行了優(yōu)化,包括反應溫度,水解試劑種類及其用量。

2.1 水解試劑種類以及投料比對反應的影響

為了考察水解試劑種類對烯酰嗎啉酯化水解反應的影響,設置烯酰嗎啉與水解試劑的物質的量之比為1 ∶6,研究不同水解試劑對反應收率影響,結果如表1所示。由表1可知,當水解試劑選擇叔丁醇鉀時,收率最高為85%,所以叔丁醇鉀用于烯酰嗎啉酯化水解反應為最佳。

表1 水解試劑種類對烯酰嗎啉酯水解反應的影響

表2考察了烯酰嗎啉與叔丁醇鉀的物質的量之比對烯酰嗎啉酯水解反應的影響,由Entry 1～3可知,當烯酰嗎啉與叔丁醇鉀的物質的量之比大于1 ∶6時,水解產物的收率較低,這是因為叔丁醇鉀作為水解試劑,不能將烯酰嗎啉完全酯化水解。當叔丁醇鉀的用量不足時,會得到部分未完全反應的原料烯酰嗎啉及些許副產物。當烯酰嗎啉與叔丁醇鉀的最佳物質的量之比為1 ∶6時,水解產物收率高達87%,經柱層析分離得到Z和E構型,E構型含量為48%,Z構型含量為37%。

表2 水解試劑投料比對烯酰嗎啉酯水解反應的影響

2.2 溫度對引入4-溴丁酸叔丁酯反應的影響

表3考察了不同溫度對衍生物引入4-溴丁酸叔丁酯反應的影響。由表3可知,當溫度為100 ℃時,收率最高為85%。當溫度低于100 ℃時,隨著溫度逐漸升高,反應的收率逐漸提升。當溫度高于100 ℃時,隨著溫度逐漸升高,反應收率呈逐漸下降趨勢。

表3 不同溫度對衍生物引入4-溴丁酸叔丁酯水解反應的影響

2.3 水解試劑種類以及用量對反應的影響

表4和表5分別為水解試劑種類以及三氟乙酸用量對脫Boc水解反應的影響,設定化合物2的用量為1 g,二氯甲烷用量為5 mL進行反應。由表4可知,當水解試劑選擇三氟乙酸時,收率最佳。由表5可知,氟乙酸用量大于2.00 mL時,收率最高為95%。

表4 水解試劑種類對脫Boc反應的影響

表5 三氟乙酸用量對脫酸酐基團水解反應的影響

本文以烯酰嗎啉和叔丁醇鉀為原料,通過酯化水解、引入哌嗪-1-羧酸叔丁酯、三氟乙酸水解、引入4-溴丁酸叔丁酯和三氟乙酸水解五步反應,合成了一種新型烯酰嗎啉衍生物,并優(yōu)化了合成路線,對水解試劑、最佳物質的量投料比、反應溫度以及試劑用量等進行探索。結果表明:當水解試劑為叔丁醇鉀時,烯酰嗎啉酯化水解收率最佳,且烯酰嗎啉與叔丁醇鉀的最佳物質的量投料比為1 ∶6時,反應收率為87%。引入4-溴丁酸叔丁酯至反應中且溫度為100 ℃時收率最高為85%。當水解試劑在脫酸酐基團反應中為三氟乙酸,且三氟乙酸用量為2 mL時,反應效果最好,產品收率為95%。