苯并恶嗪酮系列的合成.docx
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苯并恶嗪酮系列的合成
苯并恶嗪酮系列的合成
SynthesisofBenzoxazineKetones
目录
中文摘要I
AbstractII
引言1
第1章概述3
1.1苯并恶嗪酮类化合物的研究进展3
1.2苯并恶嗪酮类化合物的生物活性和生态功能4
1.2.1苯并恶嗪酮类化合物的抗虫活性4
1.2.2苯并恶嗪酮类化合物对植物的毒性4
1.2.3苯并恶嗪酮类化合物的抗真菌、病毒活性5
1.2.4苯并恶嗪酮类化合物的化感作用6
1.32-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮及其衍生物在农药中的研究进展6
第2章实验部分7
2.1合成路线的确定7
2.2实验仪器设备及试剂8
2.2.1实验仪器设备8
2.2.2实验装置图8
2.4实验步骤9
2.4.1化合物2-（2-硝基-苯氧基）丙酸甲酯及其衍生物的合成9
2.4.2化合物2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮及其衍生物的合成13
总结17
致谢18
参考文献19
附图22
苯并恶嗪酮系列的合成
摘要：
氮的杂环化合物的合成是一个重要的研究领域，特别是苯并恶嗪酮系列，他们是很多药物的中间体，有着广泛的应用，包括抗生素，植物的抗病抗菌和抗病虫害,羟色胺（5-HT3）受体拮抗剂，钾通道调制器，抗风湿药和降压药和一些酶的抑制剂等，是目前药物合成研究的热点，本文特别介绍了在它们在农药中的应用。
本文概述了苯并恶嗪酮类化合物在各个领域的应用，并且合成了2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮，6-甲氧基-2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮，6-氯-2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮，2,6-二甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮。
在实验的过程中，也运用了不同检测反应的手段，包括TLC点板，LCMS，NMR等，保证反应的合理性，正确性，可靠性。
关键字：
苯并恶嗪酮合成表征
SynthesisofBenzoxazineKetones
Abstract：
Nitrogenheterocycliccompoundsareimportantresearcharea,especiallybenzoxazineketones,whichareintermediatesofdrugs,andhaveawiderangeofapplications,includingantibiotics,plantdiseaseresistancetoanti-bacterialandanti-pestsanddiseases,serotonin（5-HT3）receptorantagonists,potassiumchannelmodulators,anti-rheumaticdrugsandantihypertensivedrugs,andsomeenzymeinhibitorsandsoon,itispopularinthefieldsofdrugsynthesis,thisarticlespecificallyintroducestheirapplicationsonpesticide.
Thisarticlereviewstheapplicationsofbenzoxazinketonesinvariousfields,andisynthesisfourdrugs，2-methyl-4H-benzo[1,4]oxazin-3-one，6-methoxy-2-methyl-4H-benzo[1,4]oxazin-3-one,6-chloro-2-methyl-4H-benzo[1,4]oxazin-3-one,2,6-dimethyl-4H-benzo[1,4]oxazin-3-oneincluded.
Intheexperimentalprocess,theuseofdifferentdetectionreactionsmeans,includingTLC,LC-MS,NMR,toensuretheirreasonability,accuracy,andreliability.
Keywords：
benzoxazineketone;synthesis;characterization
引言
我国是一个拥有十三亿人口的农业大国，粮食安全问题历来具有十分重要的战略意义。
随着人口的增长、城市建设和工业用地的增加，耕地面积在不断减少，粮食需求的增长与可耕地面积减少之间的矛盾日趋突出。
据统计，全世界每年有10亿吨左右的粮食毁于病虫害，由于病、虫、草、鼠害等造成的农作物减产幅度达20-30%，如果一旦停止用药或严重的用药不当，一年后将减少收成25-40%（与正常用药相比），两年后将减少40-60%以至绝产。
农药工业是重要的支农产业，它对控制病虫草害，调节植物生长，保证农业丰收起着十分重要的作用，同时农药对林业及公共卫生事业的贡献也是举世公认，使用农药可以挽回15-30%的农产品损失，在农药研究上每投资一元可产生数元到数十元的经济效益，因此，农药自发明以来就在人类农业发展中扮演了重要角色，时至今日，它的作用仍然不可替代，农业的发展离不开农药。
近年来，杀虫剂的比例不断下降，除草剂稳中有升，而杀菌剂上升较快，并有可能取代杀虫剂居三大类农药的次席。
随着人们生活水平和环保意识的提高，农药的开发难度也加大，对农药也提出了更高的要求，高效、低毒、低残留、环境相容性好是农药的发展方向。
目前世界上共开发了2000个左右的农药产品，其中有少量的是生物农药，但化学农药仍是主体。
在新的农药品中，含氟农药迅速发展，杂环农药是新农药开发的重要方向，此外，采用立体选择合成、拆分和差向异构等新技术、新工艺生产的高效异构体己成为高效农药中的新贵，含杂原子的稠环、螺环化合物作用机理独特，不易产生抗性，同样引人注目。
与世界成熟农药市场相比，中国农药市场还处于发育成长期。
近年来，我国农药品种结构的变化趋势与世界是一致的[1]，但是老产品仍然居多，品种结构还有待进一步优化。
近年来，我国自行创制了一批具有自主知识产权的品种，如杀虫剂：
氯胺磷、硝虫硫磷和倍速菊酯；杀菌剂：
氟吗琳、曝菌铜、申嗪霉素、中科3号和中科6号；除草剂：
单嘧磺隆、单嘧磺酷、丙酯草醚、异丙酯草醚和双甲胺草磷。
这些品种正在推广中，所占市场份额还不大。
当今我国农药开发呈现以下特点:
新农药创制己初见成效，取得了阶段性成果：
仿制依然是研发的主体;落后制剂份量重，新型制剂难发展，整体研究水平有待提高。
目前，中国通过对病虫草的防治，每年可挽回粮食损失150亿干克，但仍有
100-150亿千克的农作物受损于病虫草等危害。
对此，农药无疑是挽回损失的十分重要的手段，研究和开发更多科学的具有生物活性的农药以防抗性发生是当务之急。
农药创制工程是我国经济发展和社会进步的重大需求，是我国农业生产和农药行业发展的需要。
2005年初，国务院颁布了《国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020年》，明确指出要“重点研究开发农药创制关键技术，以及高效、持久、安全的有害生物综合防治技术”。
由此可见，开展农药创制工程是一项战略决策，是解决“三农”问题的综合措施之一，也是我国科技创新的重要组成部分。
含氮含氟杂环是新农药发展的主流方向，也是新农药创制研究的热点之一[2-4]。
2H-[1,4]]苯并恶嗪-3（4H）-酮类衍生物，因其具有广泛的生物活性和较低的毒性，己受到医药及农药研究者的关注，人们对这类化合物的合成进行了广泛的研究，合成了不少具有生物活性的化合物。
第1章概述
1.1苯并恶嗪酮类化合物的研究进展
苯并恶嗪酮类物质（benzoxazinoid,Bx）是一类广泛存在于禾本科植物中的次生代谢物，具有广谱抗病抗虫性，能作用于多种农作物病虫害，也是农作物育种的一个抗性指标[5-6]。
从上世纪60年代开始，人们就对这一类化合物的性质、结构以及抗虫性等多方面展开了研究[7-9]。
近年来，随着分子生物学技术的不断应用，人们对这类物质的化学特性、生物合成途径、诱导变化规律，抗病、抗虫特性和植物化感方面的生态功能等进行了一系列研究，发现了不少新的规律和潜在的应用前景。
1944年Holly和Cope[10]在Mannich反应产物中意外发现了2H-1,3-苯并恶嗪化合物后，这类2H-1,3-苯并恶嗪化合物广泛应用于高分子树脂方面[11]；Y-25130（一种含3-氧-2H-1,4-苯并恶嗪酮的化合物）可用于治疗癌症病人因化疗引起的副作用：
Hirata等[12]报道了苯并恶嗪利福霉素KRM-1648，其对体外或体内的脓肿分支秆菌都有很好杀灭活性。
抗生素C-1027，一种从煮肉后的滤液中分离得到的新抗肿瘤色蛋白，其对体外的KB癌细胞表现出极强的细胞毒性（IC500.1ng/ml），并对老鼠体内的癌细胞具有很强的有效性。
其活性与导致DNA双螺旋线分裂的抗菌素有关，由脱辅基蛋白和一个不稳定的生色团（C-1027-Chr）组成的抗生素是C-1027生物活性的主要部分。
C-1027-Chr可以很容易地从脱辅基蛋白中分离出来，但在无蛋白质的环境中极不稳定难以进行结构表征。
Yoshinori等制备并表征了一种较稳定的C-1027-Chr反应产物，分析表明这种化合物是由苯并恶嗪和一个含氨基糖的大环组成（见下图）
近年来不断有文献报导该类具有较高杀虫、杀菌、除草等活性的衍生物，并开发出了具有较高除草活性的原叶琳氧化酶抑制剂丙炔氟草胺、thidiazimin等。
1.2苯并恶嗪酮类化合物的生物活性和生态功能
苯并恶嗪酮类化合物是禾本科植物中的重要次生代谢产物，由于其分子结构的特点，能够和多种酶相互作用，影响动植物甚至真菌的代谢过程，涉及抗病、抗虫化感、营养等多种活性功能。
1.2.1苯并恶嗪酮类化合物的抗虫活性
苯并恶嗪酮类化合物最初引起人们关注就是因为它在众多农作物中表现出对害虫的广谱抗性。
苯并恶嗪酮类化合物能作用于多种农业害虫，是农作物育种的一个抗性指标。
其中研究最多的是苯并恶嗪类化合物对蚜虫和鳞翅目幼虫的抗性。
蚜虫的相对生长率在Bx含量高的小麦上显著降低[13]野生禾本科植物含有DIBOA，而且其含量和麦双尾蚜种群数量成反比，与麦二叉蚜的生育力成反比用含有HDMBOA-Glc和DIMBOA-Glc的人工饲料饲喂麦无网长管蚜，发现HDMBOA-Glc和DIMBOA-Glc都能降低成虫的成活率，而且HDMBOA作用更强一些；DIMBOA-Glc能显著降低麦无网长管蚜后代的存活率，HDMBOA-Glc则不能[14]。
用刺吸电位技术（electricalpenetrationgraph,EPG）监测蚜虫在含不同Bx浓度小麦品系上的取食行为，结果显示在苯并恶嗪类化合物浓度越高的小麦品系上，蚜虫口针到达韧皮部的比率越低；苯并恶嗪酮类化合物浓度越高，口针到达韧皮部所需要的时间就越长;苯并恶嗪酮类化合物浓度越高，蚜虫的相对生长率有降低的倾向，但不明显[15]有玉米株系都对蚜虫表现出抗性，蚜虫数量在DIMBOA浓度较高的生长初期下降，在DIMBOA浓度较低的成熟期和衰老期存活率上升，其中在几.乎不含有DIMBOA的雄花为害最严重。
除了直接的毒性和拒食作用外，Bx还可以从三级营养关系的角度上降低蚜虫的数量。
在Bx高含量的小麦上取食的蚜虫被雌性寄生蜂产卵器插入体内的几率显著升高，可能的原因是体型较大的蚜虫可以用后足把靠近的寄生蜂踢开，而高Bx的含量显著降低了蚜虫的相对生长率，使体型小的蚜虫比例增加，因此被寄生的比率也随之增加。
1.2.2苯并恶嗪酮类化合物对植物的毒性
对植物来说，Bx是一把双刃剑，它能够帮助植物抵御病虫害，同时对植物本身也是有毒性的，植物把Bx糖苷和Bx糖苷水解酶分别储存于细胞的不同部位就是为了避免对自身的毒害。
Bx对植物内部许多重要的生理过程有抑制作用。
研究发现，在玉米线粒体中DIMBOA抑制电子从NADH到OZ的传递，从而降低玉米线粒体和叶绿体的电子传递，DIMBOA的糖昔形式则没有抑制作用；DIMBOA还能抑制菠菜线粒体的电子传递和磷酸化反应，影响ATP酶的光合磷酸化过程，DIMBOA能够以离子键或共价键。
与细胞壁过氧化物酶结合，使NADH氧化速率大大增加，抑制燕麦胚芽鞘的生长[16]玉米的胚芽鞘中含有能抑制NAA与生长素受体结合的物质，这类物质后来鉴定为MBOA和BOA，比DIBOA具有更高活性，这些Bx不但能抑制NAA与受体结合，还能抑制生长素诱导的胚芽鞘生长。
DIMBOA还能直接引起植物细胞的死亡。
DIMBOA溶液处理胡萝卜切片及烟草叶柄切口，都能引起变黑和细胞坏死崩溃现象，而对照（只有剪刀的机械破坏）有愈伤趋势；DIMBOA溶液还能使玉米叶片的中肋切口变黑，引起预示细胞死亡的棕色物质在维管中沉积；引起玉米叶片上的机械刮痕产生黑色的坏死斑点[17]。
1.2.3苯并恶嗪酮类化合物的抗真菌、病毒活性
Bx对一些农作物的致病菌和病毒也有一定抗性。
茎锈病菌的寄生可引起植物细胞中的DIMBOA-Glc降解，产生的DIMBOA具有细胞毒性，使寄主细胞死亡，阻止菌丝寄生。
小麦的根部只含有DIMBOA，黑小麦和黑麦的根部同时含有DIMBOA和DIBOA；把黑小麦和黑麦的根部提取物加入培养基中可抑制引起小麦全蚀病的真菌。
加入小麦根部提取物则不能抑制Ggt的生长，单独加人DIBOA浓度达到0.5mol/L就能抑制其生长，而DIMBOA则要加入1mol/L才能抑制，被抑制的菌株放到不含Bx的培养基中能够恢复生长。
根际提取物对真菌生长的抑制最主要是由于DIBOA的存在。
小麦体内DIMBOA含量与抗病性密切相关。
在未感病情况下，相同遗传背景的小麦品种体内DIMBOA没有差异。
接种条锈病菌后，感病系在病原菌侵染初期DIMBOA含量下降，而抗病系在病菌侵染初期DIMBOA含量迅速大幅度上升，感染条锈病最终导致感病植株DIMBOA含量比未接种的植株明显减少[18]。
Bx直接抗病毒的例子尚未见报道，但是Bx可以通过影响昆虫的行为来减少病毒的传播。
有报道指出，Bx的疏水性是抗藻类和真菌的毒性基础，Bx的糖昔形式无毒，就是因为多了一个水溶性的糖基，用化学合成的方法合成一系列的疏水性增加的Bx同系物，在毒性试验中显示，随着疏水性增加，Bx抗真菌的活性增强[19]。
1.2.4苯并恶嗪酮类化合物的化感作用
很多植物的根部都能够分泌Bx到根际，使Bx具备化感化合物的条件。
入侵型禾本科植物甸旬冰草的根系分泌物里含有Bx（DIMBOA,DIBOA,DIMZBOA），相信和化感作用有关系[20]。
Bx凭借其独特的结构和功能，在植物和昆虫，植物和植物，植物和微生物的相互作用中扮演重要角色[21]多种重要的粮食作物都含有Bx，在农业生态系统中Bx的作用尤其突出，进一步研究这类化合物并加以利用，必将提高农业病虫害的综合治理的水平。
1.32-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮及其衍生物在农药中的研究进展
以2H-1,4-苯并恶嗪酮为代表的苯并噁嗪类化合物是广泛存在于禾本科作物中的次生物质,对植物病虫害具有广谱抗性,上世纪中叶开始即引起人们重视并开始了一系列研究。
近年来,随着分子生物学技术的应用和诱导抗性理论的发展,对这类物质的功能有了进一步的认识。
苯并噁嗪类化合物是从色氨酸合成途径分支出来的一类次生代谢物,其含量是随着植物组织和年龄而变化的;植食性昆虫的取食和病菌的感染能够引起苯并恶嗪类化合物含量的变化以及苯并恶嗪糖苷的水解。
它们是一类高活性Protox抑制剂，由于Protox抑制剂独特的作用机理，吸引了国内众多科研工作者的积极关注[22-30]新农药创制工作者在此领域也做了许多工作。
低剂量的Pratox抑制剂可有效地防除禾本科与阔叶杂草，其作用机制和二苯醚类似，它们造成植物白化或脱色，是白化除草剂中较重要的种类，其活性远超过二苯醚类除草剂，是开发超高效除草剂领域的热点。
目前己商品化的农药新品种主要有日本住友化学工业株式会社开发的除草剂丙炔氟草胺，也有较多苯并恶嗪酮类杀菌剂和杀虫剂得到开发，只是尚未商品化。
本文主要是通过大量的合成工作来做出2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮及其衍生物，以便对今后在该方面的研究打下基础。
第2章实验部分
2.1合成路线的确定
文献报道醚化反用DMF作溶剂，小试时用无水THF作溶剂；第二步，文献中介绍了微波辅助一锅煮反应，但是反应条件控制不好控制，反应时间过长，且收率不高，所以没有采用。
还原反应用H2还原比用Fe粉还原更易后处理，纯度高且收率高；但是出于对官能团的保护，我们在B3的合成时采用了此法。
最终的主合成路线如图2-1：
图2-1设计合成路线
2.2仪器设备及试剂
2.2.1试剂
本实验所用试剂均为市售分析纯。
2.2.2实验仪器设备
循环水式真空泵，旋转蒸发仪，紫外分析灯，磁力搅拌器，冷阱（干冰）。
图2-2循环水式真空泵图2-3旋转蒸发仪2-4紫外分析灯
2.2.3实验装置图
图2-5实验装置图
2.3实验步骤
2.3.1化合物2-（2-硝基-苯氧基）丙酸甲酯及其衍生物的合成
说明：
下文分别以化合物1，3，5，7称
图2-6第一步合成路线
化合物1（R=H）化合物3（R=OCH3）
化合物5（R=Cl）化合物7（R=CH3）
向100mL三口瓶中加入二硝基苯酚（或其衍生物），然后加入THF，磁力搅拌，再加入三苯基膦和甲基乳酸酯，N2保护（托盘中加入干冰进行前体冷却），待温度在-5℃左右时，滴加DEAD，加完后，5分钟后撤掉干冰，让温度自然冷却到室温，搅拌4小时。
反应时用TLC结合LCMS综合来检测反应进行程度，待确定反应完成后，加入乙酸乙酯和水进行淬灭，分层过滤，水相用乙酸乙酯洗净，点板和有机相对照确认，有机相依次用饱和NaCl和无水硫酸钠洗，旋干，硅胶拌样，油泵抽干，过柱子（展开剂PE:
EA=5:
1，V/V），过完旋干，LCMS/NMR确认产物。
所合成化合物及收率如表2.1。
表2.1化合物1、3、5、7的收率
化合物序号
化合物名称
收率%
备注
1
2-（2-硝基-苯氧基）丙酸甲酯
91.30
3
2-（4-甲氧基-2-硝基-苯氧基）丙酸甲酯
95.94
5
2-（4-氯-2-硝基-苯氧基）丙酸甲酯
90.85
7
2-（4-甲基-2-硝基-苯氧基）丙酸甲酯
91.20
反应完成时TLC板样
化合物1化合物3化合物5化合物7
图2-7图2-8图2-9图2-10
说明：
S为原料点，R反应液点，M为原料与反应液混合点。
目标产物在R点中的位置
从下到上分别为第2、第1、第2、第3个点。
这里以2-（2-硝基-苯氧基）丙酸甲酯（化合物1）的液相色谱质谱图和核磁为例，其它化合物（3，5，7）的LC-MS图和1HNMR图谱在文末附图中给出。
图2-112-（2-硝基-苯氧基）丙酸甲酯（化合物1）的LC-MS图
图2-122-（2-硝基-苯氧基）丙酸甲酯（化合物1）的NMR图谱
化合物1的1HNMR图谱化学位移及归属（H13828-012-1,CDCl3,400MHz,δ）：
7.8（d,J=8Hz,1H）,7.45-7.49（m,1H）,7.06（t,J=8Hz,1H）,6.94（d,J=8Hz,1H）,4.85（q,J=12,8Hz,1H）,3.72（s,3H）,1.67（t,J=4Hz,3H）.
2.4.2化合物2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮及其衍生物的合成
说明：
下文分别以化合物2，4，6，8称
化合物2（R=H），化合物4（R=OCH3），化合物8（R=CH3）
图2-13化合物6的另外一种还原方法
a）以10%Pd/C还原
将1g被还原的化合物（1，3，7）加入氢化瓶中，加入11.4mL甲醇，1.0g10%Pd/C，加热到50℃，通H2（50Psi），反应6小时。
用TLC和LC-MS检测确认反应完后，用砂芯漏斗过硅藻土，滤液呈亮黄色透明体。
旋蒸去溶剂，油泵抽干得白色固体物，TLC表明产物纯度较好。
LC-MS和NMR确认目标产物结构。
b）以Fe/乙酸还原
将化合物5溶于甲醇中，加入Fe（4g）粉，加入乙酸20ml，回流加热至50℃左右反应2小时。
TLC和LCMS确认反应完成后，用EA和水淬灭反应，先用沙星漏斗过硅藻土，然后分层过滤，水相用EA萃取几次，有几层合并后用水洗，饱和碳酸氢钠洗，饱和NaCl溶液洗涤，无水硫酸钠干燥。
旋蒸，油泵抽干，过硅胶层析柱（PE:
EA=30:
1，V/V），得白色固体，LC-MS和NMR确认目标产物结构。
还原反应说的产物的名称及收率如表2.2所示。
表2.2化合物2，4，6，8的收率
化合物序号
名称
收率%
备注
2
2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮
98.33
4
6-甲氧基-2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮
99.37
6
6-氯-2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮
94.87
8
2,6-二甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮
98.79
反应完成时TLC板样如图2-14
图2-14
这里以化合物2-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮的液相质谱图和核磁为例，如图2-15，其它的将在附图中给出
图2-152-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮（化合物2）的LC-MS图
图2-162-甲基-4H-苯并[1,4]恶嗪-3-酮的（化合物2）NMR图谱
HNMR:
（H13828-014-1,CDCl3,400MHz）,δ6.77（m,2H）,6.63-6.71（m,1H）,6.61（t,J=4Hz,1H）,2.23（m,1H）,3.7（s,1H）3.34（dd,J=11.6,2.4Hz,1H）,3.11（q,J=12,8Hz,1H）,1.39（d,J=6.4Hz,3H）.
总结
这个反应一共合成了8种化合物，是四个平行反应，第一步和第二部分别合成4种化合物，通过反应的记录和分析，以及对反应机理的深入研究，我们得出一些结论。
第一步的Mitsunobu反应，反应都很好，说明在二硝基苯酚的4号碳上连接不同的官能团，对该类型反应影响很小，关键是亲核试剂的选择，能让碱菜式中间体成功夺取亲核试剂的质子，其他条件正确的情况下，反应能够成功得到目标产物。
特别地，在第一步反应中，由于苯环上2号碳上-NO3比较难电离，在LCMS中，目标化合物的的电离强度很弱。
第二步反应中,在进行加Pd/C催化剂时,由于Pd/C比较活波,操作时尽量减少摩擦,引起实验火灾,再通H2前后,都要进行换气操
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