脲嘧啶类除草剂的研究与进展.docx

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1、由于人类对环境保护与食品安全越来越重视,所以新时代新农药创制的主题依然是高效、低毒、安全，这也是新农药发展的趋势。服口密咤类除草剂属于原吓琳原氧化酶抑制剂类的除草剂。研究表明，这类除草剂的特点是高效、选择性强、对环境污染少以及对非目标生物安全等。据统计，在西方国家，原吓咻原氧化酶抑制剂已经成为当前发展最快的除草剂品种之一。但近几年来，大量除草剂的滥用导致了很多商品化品种对杂草的防效越来越低，所以开发出无交互抗性、选择性高、除草谱广、污染小等特点的新型除草剂具有重大意义。1服喀咤类除草剂的发展历程美国杜邦公司早在20世纪60年代就首次开发了一系列的眼喀陡类除草剂，1963年上市了作用于光合作用受

2、体的除草定图1(1)以及异草定图1(2),1966年开发的特草定图1(3)以及环草定图1(4)等4。研究发现，这几种最早问世的版口密陡类除草剂是电子传递抑制剂，对其结构式进行分析，该类化合物仅在喀陡环的3位氮原子上进行了烷烧链取代，直到化合物1图1(5)的出现，在其3位氮原子上引入了具有芳香结构的取代基3,4-二氯苯基。新化合物5的作用机制与前几类除草剂的作用机制有所不同，但尚未明确。1986年，瑞士Hoffman-1aRoche公司在对杜邦公司开发的早期版哪碇类除草剂结构进行优化和改造时，将三氟甲基引入到了眼哪陡环的6位，把一个高度官能化的苯基引入到了3位。经研究发现，三氟甲基是一个非常重要

3、的取代基，它的引入对提高化合物的除草活性至关重要。同年，在Hoffman-1aR。Che公司申请的专利中，首次报道了眼口密陡衍生物，即化合物2图1(6)的作用靶标是原口卜琳原氧化酶，属于原口卜咻原氧化酶(PPO)抑制剂。如图1(7)(10)所示，1991年,专禾IUS4927451、EP0473551、JP3215476、DE3712782报道了在服口密咤环6位上引入甲基(化合物3、4)、苯基(化物合5)或并环(化合物6)时，所得化合物的活性与三氟甲基类除草剂是相近的。基于这一阶段研究成果，科研人员一直对6-三氟甲基腺嘴咤的结构进行优化升级和修饰，从来没有间断过。尤为突出的是，由美国尤尼罗伊尔

4、公司开发的化合物7图I(I1)对一年生杂草起到了有效的除草效果，在水稻领域得到了不错的应用。于是，众多农药公司开始参与版喀咤类除草剂的研发，并相继开发出很多高效的新品种，如苯嚓磺草胺、氟口密硫草酯，使得服嗜咤类除草剂成为开发的热点。到目前为止，相关的专利已数百计，近几年开发的高效品种也不在少数，这为眼喀陡类除草剂的研究提供了更多的信息资源。2作用机理及结构特点除草剂的种类较多,各种除草剂的作用受体又不尽相同。实验研究发现，服嚓咤类的除草剂属于原吓琳原氧化酶抑制剂，是一种光合抑制剂。在植株的光合作用中，原叶琳原氧化酶是一种至关重要的合成酶，其作用机理是原口卜咻原氧化酶抑制剂不断占据原吓琳原氧化酶

5、的催化活性空腔，成为催化活性空间的主导，抑制了原口卜琳原氧化酶在反应过程中的活性。缺乏这种酶的催化作用，植株叶绿体中的原口卜琳原IX物质会过量堆积，使植株自身的调节能力失效，导致有害物质原口卜琳原IX流入细胞质中，并被氧化成原口卜咻IX。原吓咻IX是一种叶绿素合成过程中的必需物质,在光照条件下能与氧气发生光解反应，使植物细胞膜的磷脂双分子层损伤，或导致细胞膜破裂，使内源物不断从细胞中外流，造成细胞干枯并死亡，最终对植物造成不可逆转的损伤，甚至死亡。研究显示，原咋琳原氧化酶抑制剂分子与原口卜琳原IX分子的结构同一性越强，除草剂的抑制活性就越好，其作用机理详见图2o近年来，以结构通式化合物8为骨架

6、的眼嚓碇类除草剂被各大农药研发公司不断开发，并取得了较好的成果。如图3所示,其特征是R2为甲基或氨基；R1为苯基、取代苯基、苯氧基、苯硫基及叱陡基等，其中取代苯基的特征为2位的氢原子被氟取代,4位的氢原子被氯或氟基取代，5位的氢被烷基、烯基、酯基等取代。同时也有一些研究结果表明，将R1与R2上的取代基相互替换时，所得化合物也具有较高的除草活性，这对除草剂的研究工作具有重要的指导意义。细胞质原吓咻原IX.酶氧化1（过氧化酶）原原咻IX上氧气+光单线态氧脂质过氧化物I组织坏死叶绿体谷氨酸I氨基乙酰丙酸I原吓郭原IX原口卜林IX铁fI镁螯合醐、镁原口卜咻IX原叶绿素酸酯I脱植基叶绿素光一I叶绿素图3

7、化合物8化学结构式图2原吓琳原氧化酶抑制剂的作用机理3品种介绍及合成路线服口密陡骨架作为先导化合物在农作物保护方面具有很高的价值,特别是在抗性除草剂领域。目前市场流通的版哪咤类除草剂主要有氟丙哪草酯、苯口密磺草胺、氟嗜硫草酯。现在对这3个品种的现状和合成路线进行简述。3.1 氟丙嚏草酯氟丙哪草酯是由先正达公司开发的服嚓咤类非选择性除草剂。氟丙喀草酯的英文通用名称:Butafenaci1商品名称inspire;CAS号134605-64-4o化学分子式为C2OHi8CIF3N2O6,化学结构式如图4所示。图4Butafenaci1化学结构式瑞士诺华公司推出的氟丙口密草酯是以氟口密苯甲酸为先导化合

8、物，经过优化得到的产品。该产品属于接触型除草剂，可以使用在大型果园基地、大规模的棉花地和非农业基地。氟丙嘴草酯主要是针对禾本科杂草、一年生和多年生阔叶杂草、莎草等，对杂草有较强的除草效果。由于施药阶段不同，所以在使用剂量上也会有所不同。一般情况为苗后2kghm2或苗前4kghm2,此剂量仅供参考。在其他国家地区，氟丙嘴草酯被主要用于小麦田和其他禾谷类作物田，以自身优异的除草效果被广泛应用并被极大地推广。文献报道的关于氟丙口密草酯的合成方法主要有如下2种。3.2 苯嚏磺草胺苯嗜磺草胺是由巴斯夫公司开发的眼哪咤类除草剂。该除草剂的英文通用名称:Saf1ufenaci1;商品名称:Kixor;CAS

9、号:3-72137-35-4o化学分子式为Ci7Hi7CIF4N4OsS,化学结构式如图7所示。苯哪磺草胺的设计思路是以氟丙喀草酯的结构为主体，拼接了酰亚胺类和磺酰豚类2种除草剂的结构优势，使苯嗜磺草胺在结构上具有双重结构的特点。2009年，在尼加拉瓜、智利、阿根廷以及中国等地，苯嗜磺草胺都己登记。同年，苯嗜磺草胺在中国以水分散粒剂的剂型上市量产，可以有效针对多种杂草的防治，主要运用在五谷类田地、棉花地、果园区以及坚果生产基地。其对莠去津、草甘嶙产生抗性的杂草也具有不错的防效，一般使用剂量在1825ghm2.苯嗜磺草胺无论在活性方面还是在创新方面都别具一格,被誉为二十多年来开发最成功的新型除草

10、剂，是除草剂史的又一里程碑。路线一：以2-氯-5-硝基苯甲酸作为反应的起始原料，通过酯化反应、还原反应以及缩合反应制得到中间体A化合物，然后以中间体A化合物作为反应原料，经过胺解反应、成环反应、甲基化反应得到中间体B;再以中间体B为原料，经过加氢反应、酰氯化反应以及缩合反应得到最终的目标化合物氟丙口密草酯。在反应路线中，最关键的一点是对活性基团竣基进行保护，经过一系列的反应之后，再对獭基进行脱保护，最后经过缩合生成需要的目标化合物氟丙嗜草酯。合成路线见图5。路线二：沿用路线一的起始原料，通过酯化反应制得到中间体化合物1,然后以中间体化合物1作为第2步反应的原料，经过还原反应得到中间体化合物2;

11、再以中间体化合物2为原料，经过异氟酸化反应得到中间体化合物3;最后以中间体3为原料，经过成环反应制得目标化合物氟丙D草酯，合成路线见图60路线二的优点是使合成步骤和实验处理都变得更为简单，没有竣基的保护和脱保护2步反应，而是利用2-羟基异丁酸熔丙酯与2-氯-5-硝基苯甲酸直接进行了酯化反应，最后直接环合就得到了目标化合物。图7Saf1UfenaCi1化学结构式路线二：沿用路线一的起始原料，通过酯化反应制得到中间体化合物1,然后以中间体化合物1作为第2步反应的原料，经过还原反应得到中间体化合物2；再以中间体化合物2为原料，经过异氟酸化反应得到中间体化合物3;最后以中间体3为原料，经过成环反应制得

12、目标化合物氟丙喀草酯，合成路线见图60路线二的优点是使合成步骤和实验处理都变得更为简单，没有竣基的保护和脱保护2步反应，而是利用2-羟基异丁酸烯丙酯与2氯-5-硝基苯甲酸直接进行了酯化反应，最后直接环合就得到了目标化合物。文献报道的关于苯嗜磺草胺的合成方法主要有如下2种。路线一:以2-氯4氟苯甲酸作为反应的起始原料，通过酯化反应、硝化反应以及还原反应合成中间体5-氨基-2-氯-4-氟苯甲酸甲酯；再以该中间体化合物为原料，通过酰化反应、成环反应、甲基化反应以及水解反应等最终得到化合物苯口密磺草胺。路线一合成步骤有9步反应，合成步骤较多，实验处理工作量大，总收率较低。其反应路线见图8。图8苯嚓磺草

13、胺合成路线一路线二：以2-氯-4-氟苯甲酸作为反应的起始原料，首先通过硝化反应、磺化反应以及还原反应制得中间体化合物X,然后以中间体化合物X为原料，经过酰化反应、成环反应以及甲基化反应得到目标化合物苯喀磺草胺。路线二的优点是该方法合成步骤简单，合成收率较高，更有利于工业化的大规模生产，但是路线二也有不足之处，如在最后1步甲基化反应中，磺酰胺基上的氢也会参与二次甲基化反应，从而易产生副产物,进而导致收率降氐。其反应路线见图9o莘味碱草胺图9苯嚓磺草胺合成路线二有研究者在路线二合成步骤上做了进一步的优化,在酯化反应之后直接做了成环反应，省去了甲基化反应，也避免了磺酰胺基上的氢进行二次甲基化反应带来

14、的副产物。该方法可以较快地得到化合物苯喀磺草胺，这不仅提高产品生产效率而且也大大提高了产品纯度。其合成路线见图10。3.3 图10优化后的苯。密磺草胺合成路线3.4 氟嚏硫草酯氟口密硫草酯是韩国1G化学子公司经过十几年独立研究出来的又一新型服嘴陡类除草剂。氟嗜硫草酯的英文通用名称：TiafenaCiI;商品名：Terrad,or;CAS号：1220411-29-9;化学分子式为Ci9Hi8CIF4N3O5S;化学结构式如图11所示。图11Tiafenaci1化学结构式氟口密硫草酯是新型版哪碇类非选择性除草剂，有效药物分子中含有以氨基酸为骨架的酰胺结构和服嚓咤环结构。2018年，韩国首先上市了该

15、产品。次年，氟喀硫草酯在斯里兰卡上市，打开了氟嗜硫草酯在海外市场的新天地。当前，氟嗜硫草酯研发公司1G已经获得了全球几十个国家的专利授权,其中在中国的专利申请于2009年，该产品已在全球推广使用。氟喀硫草酯作为非选择性的除草剂，除草谱广，见效快，并且具有优异的毒理学特性等特点，被广泛应用在农作物领域。氟嗜硫草酯的防除对象主要包括阔叶杂草和禾本科杂草等，对于使用其他农药产生抗性的杂草也具有良好的除草效果。文献报道关于氟口密硫草酯的合成方法主要有如下2种。路线一：以三氟乙酰乙酸乙酯作为反应的起始原料，通过氨基化反应、成环反应、甲基化反应、磺酸化反应等8步反应得到最终的目标产物氟喀硫草酯。该合成路线

16、的缺点是反应步骤过多，反应过程中使用了大量有害试剂，违背了环保理念。同时，在后处理中也会产生大量的酸性废水，其他有害废弃物质较多，违背了可持续发展理念。其反应路线见图12。路线二：以2氟-4-氯苯胺和2-漠丙酸分别作为反应的起始原料，经过酰胺化反应、成环反应、磺酸化反应、酯化反应以及缩合反应，最终得到化合物氟口密硫草酯。合成路线见图13。路线二是在路线一的基础上进行的优化，其特点是相较于路线一而言，合成路线较短，总体收率较高，避免了大量有害试剂的使用，节约了合成成本，这对其他品种的合成优化提供了新思路。4总结与展望服喙碇类除草剂作用于原口卜琳原氧化酶,对农业草害表现出显著的生物活性且无明显交叉抗性，因此具有较