手性杀菌剂的研究进展

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手性农药的合成与生 物活性研究进展
——杀菌剂篇与除草剂篇
手性是自然界的本质属性之一,是生命物质区别与 非生命物质的重要标志。生命现象中的化学过程都是 在高度不对称的环境中进行的。许多化学物质的生理 功能的产生常归因于分子的手性识别和匹配。随着科 学的发展,人们对生命过程的认识不断深入,手征性 研究己引起科学界广泛的兴趣。
(2R,4R)-丙环唑
除了光学异构以外,丙环唑还存在顺反异构,以 二氧戊环上为平面,丙基和取代苯环位于同一侧
时即cis,在两侧时为trans 由表可见cis体的活性
略好于trans体。
丙环唑的顺反异构与杀菌活性
构型
浓度 (mg/L)
抑制率%
小麦纹枯病菌
水稻稻瘟病菌
cis/trans-丙环唑(95/5) cis/trans-丙环唑(95/5) cis/trans-丙环唑(95/5) cis/trans-丙环唑(95/5) cis/trans-丙环唑(61/39) cis/trans-丙环唑(61/39) cis/trans-丙环唑(61/39) cis/trans-丙环唑(61/39)
H
N
Cl
Cl
(+)-DIP-Cl Cl
Cl
N
Cl THF -25OC
(S)
Cl NaI
O
OH
Cl
Cl
Cl
Cl
(S)
N CH2 CH CH2Br
N
OH
THF NaH
(S)
N
N
O
CH2 CH CH2
抑霉唑
构型 外消旋
(R) (S)
ED50 ED90 ED50 ED90 ED50 ED90
抑霉唑异构体的杀菌活性(μg/mL)
丁苯吗啉的光学异构与杀菌活性
构型
浓度(mg/L)
小麦霉病
小麦褐锈病
cis-(S)-(-)
12.00
0
0
6.00
0
0
3.00
0
0
cis-(R)-(+)
12.00
0
2
6.00
2
3
3.00
3
3
*杀菌活性分级:0表示100% 杀菌活性,然后依次降低, 5 为完全没有杀菌活性
1992年Bachi报道了一个环丙甲氧基取代的丁苯吗
Z
Cl
Cl
2
2
2
4
3
2
Z
H
OCH3
1
1
0
1
0
0
E
H
H
4
2
1
3
1
0
E
Cl
H
4
3
1
1
0
0
E
H
Cl
4
4
3
4
0
0
E
Cl
Cl
4
4
4
4
4
4
E
H
OCH3
2
0
0
0
0
0
杀菌活性等级:0低于49%;1是50%~74%;2是75%~89%;3是90%~99%;4是100%
丙环唑(propiconazol) 是上世纪七十年代由杨森公司 开发的一种的内吸性广谱杀菌剂,丙环唑有两个手 性中心,四个异构体,其杀菌活性无显著差异,但 与2S体相比,2R体对蔬菜有药害,对植物生长有
OCH2Ph
cis or trans
(S)
OCH2Ph
OCH2CH3 水解
(R)
N O
分离
O N H (cis or trans)
cis-(R) trans-(R)
(S)
N O
OCH2Ph cis or trans
cis or trans-(R)
CH2Cl
(S)
N O
O
cis or trans-(S)
Cl
(S)
BrH2C C
Cl
O (R) O
H CH2CH2CH3
Cl
(R)
BrH2C C
Cl
O (R) O
H3CH2CH2C H
N HN
N
Cl
N H2 (S)
NC C
Cl
N
O (R) O
H CH2CH2CH3
(2S,4R)-丙环唑
Cl
N H2 (R)
NC C
Cl
N
O (R) O
H3CH2CH2C H
花生褐斑 番茄早疫 油菜菌核 苹果轮斑 甜菜褐斑
病菌
病菌
病菌
病菌
病菌
48h 72h 48h 72h 48h 72h 48h 72h 48h 72h
100 100 100 100 100 100 69.2 64.7 100 100
92.9 68.2 52.4 41.7 37.9 36.4 29.4 26.9 90.0 64.3
谢速度是(+) > (-)
HO
Cl
O C * C C(CH3)3
N N
N 三唑酮
三唑醇(triadimonol)是1975年Buchel发现的 一种优良的内吸性广谱杀菌剂有两个手性 碳,四个光学异构体,它们的生物活性有 明显的差异。可以利用(+)-樟脑-β-磺酸为拆 分剂,将异构体拆分开来。其活性顺序是
4.00 1.00 0.25 0.0625 4.00 1.00 0.25 0.0625
76.99 71.48 54.87 34.51 76.99 62.26 49.56 31.86
95.00 65.71 31.43 14.29 94.29 44.29 30.00 7.14
戊唑醇(tebuconazole) 是德国拜尔公司1986年推出 的高效三唑类杀菌剂,以外消旋混合物的形式销 售。用于禾谷类作物,可防治白粉菌属、柄锈菌 属、喙孢属、核腔菌属和壳针孢菌属引起的病害。 目前, 戊唑醇作为有效成分的多种制剂在世界上50 多个国家的65 种作物上获得登记
者以外消旋形式销售,但是Takenaka等人报道了 以(S)-α-氨基丁酸为起始原料合成 (S)-(-)-稻瘟酯 。
H3C N SCH3 N NH
(S)
O
(S)-咪唑菌酮
C2H5
O
(S) C H
CH2
N C
O COO(CH2)3CH
CH2
N
N (S)-(-)-稻瘟酯
三、吗啉类手性杀菌剂
1979年BASF/Hoffma公司在筛选十二吗啉类衍生 物的时候,开发了丁苯吗啉(fenpropimorph) , 采用类同合成的思路该公司又开发了丁苯哌啶
100 100 100 100 100 100 100 76.9 100 100
100 99.5 95.8 61.9 100 96.6 53.8 47.1 98.0 64.3
63.6 42.9 42.9 8.3 17.2 4.5 19.2 11.8 57.1 40.0
100 100 100 66.7 100 99.7 57.7 52.9 99.0 98.6
体异构,它们之间的生物活性差异如表
三唑醇和多效唑的立体异构与生物活性
三唑醇
多效唑
杀菌活性 植物生长调节活性
1S,2R>1R,2R 1S,2R>1R,2S
1R,2R>1S,2S 1S,2S>1R,2R
烯效唑(uniconazole) 和烯唑醇(dinicorazole) 亦是三 唑类杀菌剂中具有代表性的例子
二、咪唑类手性杀菌剂
日本杨森公司在研制抗人体真菌的咪唑类衍生物
时,同时对植物病原也进行了筛选,发现了抑霉 唑(imazalil) ,它的高效S体由美国Celgene公司
2001年开发并上市。
Cl
Cl
(S)
N
N
O
CH2 CH CH2
(s)-抑霉唑
1985年Nelson报道了(S)-抑霉唑的合成方法,二异蒎烯基硼 烷氯化物(+)-DIP-Cl催化不对称还原取代苯乙酮,得到的醇再 与NaI形成碘代物,然后在氮气保护下以三乙胺为溶剂与咪唑 回流8小时得到产物,该产物再与烯丙基溴、氢化钠在氮气保 护下回流得到(S)-抑霉唑 。
手性农药只含一个或两个高效异构体,其用量少, 环境友好,高效低毒,选择性强,残留量少,因而受 到广泛的关注。据最新统计,手性农药自上世纪七十 年代出现在国际市场以来,商业化的农用化学品中有 28%为手性化合物,约有200种。32%是杀菌剂是手性 的,34%的杀虫剂和21%的除草剂是手性的,但受分 离制备技术水平和经济因素的影响,大部分手性化合 物仍以外消旋体形式销售和使用,只有7%的农药是以 纯光学体的形式出售。
(fenpropidin) 。其结构如下。
(CH3)3C
*N O
丁苯吗啉
(CH3)3C
*N 丁苯哌啶
丁苯吗啉含一个手性碳,吗啉环上的两个取代基有顺反异构, 所以存在四个异构体,Himmele等用樟脑磺酸拆分了其中两 个光学异构体cis-(S)-(-)和cis-(R)-(+),并比较了它们的生 物活性,如表所示,可见,对于小麦霉病和小麦褐锈病而言, S体活性明显较R高 。
第一部分
手性杀菌剂的合成与生物活性
一、三唑类杀菌剂
三唑类杀菌剂是杀菌剂发展历史上最引人 注目的一类,其机理是通过抑制细胞膜中 的麦角甾醇类的合成,影响细胞膜的形成, 从而导致菌体死亡。同时三唑类化合物还 可以控制植物体内赤霉素的合成,延缓植 物顶端生长优势,表现出植物生长调节活 性
三唑酮(triadimefon)是一个三唑类杀菌剂中里程碑 式的化合物,以它为先导结构,各大公司相继开 发出了近40种1, 2, 4-三唑类杀菌剂品种。有报道 三唑酮在哺乳动物肝脏中代谢成三唑醇,并且代
啉衍生物的合成与生物活性 。杀菌活性顺序是:
cis-(R) > cis-(S) > trans-(S) > trans-(R)。
*N O
O
丁苯吗啉衍生物
这是异构体的合成路线:
O
*
OCH2Ph (RS)
OH 脂肪酶
乙酸乙酯
CH2Cl O
(R)
OCH2Ph
N
OH
H
(cis or trans)
(R)
N O
蕃茄晚疫 病菌
50 407 31 149 21 166
水稻稻瘟 胡椒灰霉 病菌 病菌
8
43
70
72
14
38
44
65
6
42
50
93
小麦白粉 病菌
81 137 12 47 16 41
小麦叶锈 病菌
39 109 17 34 37 31
抑霉唑S体的活性好于外消旋体
咪唑类的杀菌剂与抑霉唑同属还有S-咪唑菌酮 (fenamidone)法国Rhone Poulenc公司1993年开发, 以及稻瘟酯,日本北兴化学工业公司开发 ,后
早期的手性农药有(1R,3R,αR)-溴氰菊酯,精喹禾 灵,高效麦草伏甲酯等,近年来随着手性技术的 提高,更有不少农药以纯光学体销售,它们中具 有代表性的有高效氯氰菊酯,精甲霜灵,(S)-咪唑 菌酮,氟唑草胺,高效异丙甲草胺等。
手性农药主要有以下几大类:拟除虫菊酯杀虫 剂、有机膦杀虫剂、三唑类杀菌剂、N-酰基苯胺 类杀菌剂、苯氧基类除草剂,氧基苯氧基丙酸酯 类除草剂、酰胺类除草剂。
OH
Cl
CH C * C C(CH3)3
NH N
N
烯效唑
OH
Cl
CH C *C C(CH3)3
NH Cl N
N
烯唑醇
值得注意的是烯唑醇虽然结构只与烯效唑相差一 个氯原子,生物活性却不同,烯效唑的植物生长 活性较烯唑醇高,烯唑醇的杀菌活性较烯效唑高, 二者都是的R体杀菌活性高,S体的植物生长活性 高
分离
cis-(S) trans-(S)
四、 N-酰基苯胺类杀菌剂
甲霜灵是瑞士Ciba-Geigy公司于1977年开发出来的N-酰 基类杀菌剂,可防治霜霉菌,疫霉菌所引起的病害。它 的R异构体的活性要比S异构体高20~30倍,纯R体的甲 霜灵已经上市 。
COOCH3
H
H3C
H3C
N
CH3 O CCH2OCH3
抑制作用
N N
N
Cl
H2 C
C*
Cl
OO
* CH2CH2CH3
丙环唑
手性丙环唑 的合成方法由Ciba-Geigy公司开发, 以RuCl2(BINAP)为手性催化剂得到的混合物,通 过樟脑磺酸结晶分离得到纯的光学体。
Cl
Cl
O COOH
(R)-RuCl2(BINAP)
OH
OH
(R)
O CH2Br C
N
N
N
(S)-(+)-烯效唑
烯唑式化合物由于烯键的存在,同时还有Z,E两种顺反异构体, 它们的杀菌活性也有区别的,如表E型的活性高于Z型
构型
R1
R2
防治白粉病的浓度 ppm
50 12.5 3.1
防治叶锈病的浓度 ppm
50 12.5 3.1
Z
H
H
3
1
0
2
1
0
Z
Cl
H
2
1
0
0
0
0
Z
H
Cl
3
3
2
4
4
2
N
OH
N CH2 * C C(CH3)3
N
CH2CH2
Cl
戊唑醇
2002年杨丽萍等报道了戊唑醇(S)-(-)体的活性好于 (R)-(+)体 ,如下表:
构型
外消旋 (R)-(+) (S)-(-) 外消旋 (R)-(+) (S)-(-)
戊唑醇的光学异构与杀菌活性抑制率(%)
浓度
μg/mL 10 10 10 2 2 2
(1S,2R)>(1R,2R) >(1R,2S) >(1S,2S) 。
H OH
Cl
O *C *C C(Biblioteka H3)3NH NN
三唑醇
大部分的三唑类化合物有几何异构和光学异构。 在这些异构中有的杀菌活性很高,有的杀菌活性 较低,有的则具有较强的植物生长调节性能,例 如:三唑醇和多效唑有两个手性碳原子,四个立
1991年日本住友公司开发了光学纯的烯效唑的合成 方法,以(S)-氨基醇为手性催化剂,用硼氢化钠还 原(S)-前手性酮得到了植物生长调节活性更高的
(S)-(+)-烯效唑,
Cl
O
C C(CH3)3 CC
H
N
N
N
OH (s) Ph
Ph NH2
NaBH4
Cl OH
(S) C C(CH3)3
CC H
H
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