基于天然产物Tetramic acids的新型除草剂的设计 合成及生物活性研究.docx

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基于天然产物Tetramicacids的新型除草剂的设计合成及生物活性研究

基于天然产物Tetramicacids的新型除草剂的设计合成及生物活性研究

中文摘要

中文摘要

Tetramicacid（2，4．吡咯烷二酮）广泛存在于许多天然产物结构中，早在二十世纪初就为人们所熟知。

植物毒性研究显示：

该类天然产物不仅对光合自养型生物如蓝藻、绿藻等表现出植物毒性，还对包括杂草和农作物在内的许多高等植物表现出植物毒性。

因此，本论文以此类天然产物为先导进行了新型除草剂的创制研究。

（1）为了研究L．Tenuazonicacid（TeA，3．乙酰基一5．仲丁基．2，4一吡咯烷二酮）结构中4位取代基对除草活性的影响，本论文结合3一取代氨基一2一氰基丙烯酸酯类化合物的结构特点设计合成了一系列4．氨基取代的tetramicacid类衍生物。

生物活性研究显示该类化合物不表现或者只表现出弱的除草活性，这说明B．三酮

结构对除草活性起着重要的作用，不能轻易变动。

（2）有关1，3．环己二酮类除草剂（如磺草酮和甲基磺草酮）和吡咯烷2，4．二酮类化合物的除草活性研究表明：

并存的三酮结构和苯甲酰结构对除草活性起着重要的作用。

为了进一步研究其重要性及苯环上取代基电子效应对活性的影响，本论文设计合成了一系列N-烷基．2，4．哌啶二酮类化合物。

生物活性研究显示当3位苯甲酰基中苯环上的取代基发生变化时，除草活性发生显著变化。

这说明除草活性不仅与苯环上取代基的电子效应有关，还与取代基的种类有关。

特别值得一提的是，优化出的高活性化合物4．羟基．3．（2．甲砜基．4．三氟甲基苯甲酰基）．1．丙基一2-哌啶酮（4．9c）在3．125克／亩剂量下对油菜仍表现出93％茎叶处理除草活性。

（3）为了进一步研究苯甲酰结构对除草活性的影响，本论文将3位的苯甲酰基衍生为酰腙结构，设计合成了～系列4．羟基．3一腙甲酰基．2．喹啉酮类化合物。

生物活性研究显示该类化合物表现出除草活性，但整体水平不高，这说明3．酰腙结构的存在降低了除草活性，也从反面说明了3．苯甲酰基对除草活性的必要性。

（4）基于上述研究结果，本论文进一步结合文献研究成果和天然产物结构特点，运用生物电子等排原理设计合成了一系列3一酰亚胺类4．羟基．2．喹啉酮类化合物。

生物活性研究显示3位亚胺结构的存在对除草活性有利，但亚胺结构和苯环并存构成苯甲酰亚胺结构时对除草活性不利。

3位取代基为烷基酰亚胺时，

中文摘要

结构中酰基链越短、位阻越小对除草活性越有利，甲基为最佳；氨基链链长越短（丙基为下限）、支链越多、0【位甲基越多对除草活性越有利，以叔丁基和1．甲基苄基为最佳。

尤其，优化出的高活性化合物4．羟基．3．（Ⅳ-叔丁基乙酰亚胺基）．2．喹啉酮（6．3．3e）在6．25克／亩剂量下对单子叶植物马唐仍表现出85％的茎叶处理除草活性，高活性化合物4．羟基．3．（U-1．甲基苄基乙酰亚胺基）．2．喹啉酮（6．3．3n）在6．25克／亩剂量下对双子叶植物苋菜仍表现出88％的茎叶处理除草活性。

（5）为了系统研究目标化合物的生物活性，本论文还进行了杀虫、杀菌和抗癌等生物活性研究，发现目标化合物表现出广谱的生物活性，部分化合物的杀菌活性较好。

关键词：

Tetramicacid；三酮；2,4．哌啶二酮；4一羟基．2．喹啉酮；除草活性

Abstract

Tetramicacids（pyrrolidine一2，4一dione）widelyexistinmanynaturalproductsandhavebeenknownintheearlytwentiethcentury．Thestudiesofphytotoxicityofthesenaturalproductshaveshownthattheyexihibitphytotoxicitiesnotonlyonthephotosyntheticautotrophssuchascyanobacteriaandgreenalgae，butalsoonmanyhigherplantsincludingweedsandcrops．Therefore，thisthesisusedsuchnaturalproductsasleadcompoundtodiscovernovelherbicide．

（1）Tofurtherstudytheinfluenceofthesubstituentsatthe4-positionofTeA（2-acetyl一5-butyl-pyrrolidine-2，4-dione）onherbicidalactivity，aseriesof4-amino-substitutedtetramicacidderivativesweredesignedandsynthesized，combiningwiththestructuralfeaturesof3一substitutedamino一2-cyanoacrylate．Thebiologicalactivitystudiesshowedthatthesecompoundsexhibitednoorweakherbicidalactivity，whichindicatedthattheexistenceof13-triketonestructureplayedanimportantroleintheherbicidalactivity．

（2）Basedontheherbicidalactivityofcyclohexane一1，3-dioneherbicidessuchasSulcotrioneandMesotrioneandpyrrolidine-2，4一dionecompounds，thecoexistenceofthetriketoneandbenzoylmoietiesplaysanimportantroleintheherbicidalactivity．Tofurthervalidatetheaboveopinionandstudytheelectroniceffectsofsubstituentonbenzenering，aseriesof

4-hydroxy—-3··substitutedbenzoyl·-1-·propyl··piperidine·-2-·onederivativesweredesignedandsynthesized．Thebiologicalactivitystudiesshowedthatasignificantchangeofherbicidalactivityisoccuredaccompaniedbythechangeofthesubstituentonthebenzenering，whichindicatedthattheherbicidalactivityisnotonlyrelatedwiththeelectroniceffectofsubstituentsonthebenzenering，butalsowiththetypeof

substituents．Amongthesecompounds，

4一hydroxy一3一（2一（methylsulfonyl）一4一（trifluoromethyl）benzoyl）-1一propyl—piperidine一2（1

／-／）-oner4—9e）exhibited93％inhibitoryactivityondicotyledonrapeon

postemergencetreatmentinthedoseof3．125Nacre．

III

垒!

!

塑坐——（3）Tofurtherstudytheimportanceofthecoexistenceoftriketoneandbenzoylmoietiesinherbicidalactivity，3-benzoylwasreplacedbyhydrazoneandaseriesof

4-hydroxy．3．hydrazone．2．quinolonederivativesweresynthesized．Thebiologicalactivitystudiesshowedthattheoverallrevelofherbicidalactivityofthesecompoundsisnothigh，whichindicatedthatthepresenceof3-hydrazonemoietyreducedtheherbicidalactivity，andalsoillustratedthenecessityof3一benzoyl．

（4）Basedontheabovefindingsandstructuralcharacteristicsofnaturalproducts，aseriesof3-imide4-hydroxy-2-quinolonederivativesweredesignedandsynthesized．Biologicalactivitystudiesshowedthattheexistenceofthe3-imineisrequiredtoherbicidalactivity，andiminecannotcoexistwithbenzenering．Theacylchainat3-positionisasshortaspossibleandthesterichindranceisassmallaspossible，ofwhichmethylisthebest．Theaminochainat3-positionisasshortaspossible（minimumn—propyl），branchedchainisasmoreaspossibleand0【-methylisasmoreasfavorableforherbicidalactivity．ofwhichtert-butyland0【-methylbenzylarethebest．Especially，（目一3-（1一（tert-butylimino）ethyl）-4一hydroxyquinolin一2（1／4）-one（6．3-3e）exhibited85％inhibitoryactivityoncrabgrassand（E3—3一（1一（a—methylbenzylimino）ethyl）-4一hydroxyquinolin-2（114）-one（6．3-3n）exhibited88％inhibitoryactivityonamaranthbothonpostemergenceinthedoseof6．25Nacre．

（5）Tostudythebioactivitysystematically，theinsecticidal，fungicidalandanti-canceractivitiesofallsynthesizedcompoundswerealsostudied．Theresultsshowedthattheyexhibitedbroad-spectrumactivities，inparticular，somecompoundsshowedgoodfungicidalactivity．

KeyWords：

Tetramicacid；triketone；piperidine．2，4．dione；

4-hydroxy-quinolin一2（1m—one；herbicidalactivity

IV

第一章绪论

—————————————————————————————————————————————————一

第一章绪论

随着世界人1：

3的不断增长，粮食的需求量越来越大，粮食问题逐渐成为当今社会急需解决的主要问题之一，如何在有限的土地资源上种植出满足需求的粮食是世界各国面临的巨大挑战。

人口增长带来的另一个问题就是世界人均耕地面积的减少，上世纪六十年代世界人均耕地面积为O．44公顷，到九十年代降为0．27公顷，专家预测到本世纪三十年代世界人均耕地面积将降至0．17公顷【1。

3J。

中国作为一个人口大国，人口总数占世界人口总数的22％，但是耕地面积只占世界耕地总面积的7％，要在7％的耕地上养活22％的人口，中国面临的局势将更加严峻，提高农业产量的需求也将更加迫切。

化学农药因其防治农作物病虫草害见效快、效率高、成本低等特点，在提高粮食产量中起着重要的作用，特别是当病虫草害泛滥成灾时，化学农药的优势就更加凸显。

鉴于化学农药所带来的巨大利益，世界各国相继投入大量人力财力对其进行深入研究，使得其在上个世纪得到了迅猛发展，产量也由五十年代的20万吨提高到九十年代的200～250万吨[41。

中国作为农药生产大国，农药产量从2000年的60．7万吨增加到2009年的226万吨，到2011年全国化学农药原药产量达264．87万吨（折百量），其中，除草剂原药产量达117．5万吨，占总产量的44．35％；杀虫剂原药产量为70．9万吨，占26．77％；杀菌剂原药产量为15万吨，占5．67％；其他农药原药产量61．47万吨，占16．1％E51。

化学农药在带来巨大经济效益的同时也产生了许多环境问题[6]。

首先，传统化学农药以杀死有毒病虫为目标，毒性大，对人畜也有一定的毒害作用；其次，传统化学农药是非自然存在的物质，在环境中难降解，会残留于生物链中，进而危害人类健康。

随着社会的进步，人们的环保意识和健康意识逐渐提高，从而对传统化学农药所带来的环境问题和社会问题进行了重新评估。

从上世纪七十年代开始，有机氯等农药相继在各国被禁用，而高效、高选择性和环境友好的新型绿色农药的创制逐渐受到关注，并将成为未来农药发展的必然趋势[71。

新型绿色农药的创制以选择合适的先导化合物为基础[8，91，而先导化合物主要通过以下途径获得：

（1）随机筛选；

（2）类同合成法；（3）活性亚结构拼接法；（4）生物合理设计；（5）活性天然产物。

其中，以活性天然产物为先导进行新型绿色

第一章绪论

农药的创制主要有以下两种方法：

（1）对高活性天然产物进行全合成，以期实现工业化生产；

（2）对低活性天然产物进行结构改造，以期提高生物活性进而商品化【lo]。

与传统化学农药相比，以活性天然产物为先导进行新型农药的创制具有资源丰富、环境相容性好、人畜安全等特点，符合绿色农药的要求，逐渐成为新型农药创制的主要途径之一[11,12]。

目前已有许多成功的实例，如草胺磷、环庚草醚、磺草酮等除草剂，拟除虫菊酯、氨基甲酸酯等杀虫杀螨剂，稻瘟灵、乙蒜素等杀菌剂【l3。

15J。

杂草在农业栽培系统中对农作物生产构成了显著且延续性的制约，在世界大部分地区的农田中，除草剂已成为杂草防治的主要手段，它的使用极大地减轻了劳动强度，直接或间接地提高了农业生产水平。

1980年世界除草剂己占农药总销售额的41％，超过杀虫剂而跃居第一位。

之后，世界除草剂发展渐趋平稳，主要发展高效、低毒、广谱、低用量的新型绿色除草剂，对环境友好的一次性处理剂逐渐成为主流【16|。

为了创制新型绿色除草剂，我们选择具有植物毒性的Tetramicacid类天然产物为先导，对其进行结构改造，以期开发出高活性除草剂。

下面我们将分别对具有植物毒性的Tetramicacid类天然产物及其衍生物的研究进展、三酮类除草剂的研究进展以及结构改造过程中涉及到的哌啶酮类和喹啉酮类衍生物的研究进展进行介绍。

第一节具有植物毒性的Tetramicacid类天然产物及其衍生物的研究进展

Tetramicacid（2,4-吡咯烷二酮）在二十世纪初就为人们所知，但是直到六十年代人们才发现该环状结构广泛存在于许多天然产物结构中，并成为其中重要的结构单元，从而认识到它的重要性。

由于其广泛的生物活性和独特的结构特点，Tetramicacid类天然产物引起了化学家们的极大兴趣，至今已经发现并分离得到的该类天然产物已有上千种，据报道该类天然产物表现出抗病毒、抗溃疡、抗癌和杀菌活性，部分天然产物还表现出植物毒性【17】。

1．1．1具有植物毒性的Tetramicacid类天然产物

第一章绪论

相对于其他生物活性而言，具有植物毒性的Tetramicacid类天然产物则少之又少，至今为止，共报道了六个具有植物毒性的该类化合物，分别为L—Tenuazonicacid（1-1）、FischerellinA（1-2）、Equisetin（1—3）、Trichosetin（1-4）、MacrocidinsA（1-5a）．乖HMacrocidinsB（1-5b）。

1．L-Tenuazonicacid（TeA）

1957年，T．Rosett等首次从链格孢菌（Alternariatenuis）酐J培养液中分离得到天然产物L—Tenuazonicacid（TeA）[18】，随后，GL．Gallardo掣19]从蜂房底座的花

粉中分离得到黑斑病菌（Altemariabrassicicola）乘1莱菔子链格孢菌（Alternariaraphani），进而从这两种真菌中也分离得到了这一天然产物。

随着研究的深入，发现TeA+是链格孢菌代谢的主要毒素之一，在腐烂的水果、发霉的食物以及染病的植物中都能检测到[20．231。

据报道，TeA表现出杀菌[24]、杀虫[25】、抗病毒【26】以及抗癌【27]等广泛的生物活性。

同时，由于寄生在植物中的链格孢属菌类会对宿主产生药害，而作为其主要代谢毒素之一的TeA也可能具有一定的植物毒性，从而成为少数具有植物毒性的Tetramicacid类天然产物之一。

O

HO

Equisetin（1-3）：

R=MeMacrocidinA（1-Sa）：

R=H

Trichosetin（14）：

R=HMacrocidinB11-5b）：

R=OH

图1．1具有植物毒性的Tetramicacid类天然产物

1971年，Y．Mikami等网开始了对TeA植物毒性的研究，并证实其对烟草

幼嫩叶片具有植物毒害作用。

1974年，N．Umetsu等[291研究了TeA对植物籽苗

第一章绪论

_———————————————————————————————————————————————————一

和离体细胞的影响，研究发现当将TeA应用于水稻叶片受伤部位时会产生枯萎斑，而水稻、绿豆、萝b、芜菁的籽苗和悬浮培养的大豆、水稻细胞会出现明显的生长发育迟缓现象。

1989年，H．Witscnboer等[30]研究发现链格孢菌毒素对番茄具有较强的致病性。

2010年，周兵等【3l】报道TeA对双子叶植物空心莲子草表现出药害，并进一步研究了将其开发为生物源除草剂的潜力。

随着研究的不断深入，关于TeA对包括杂草和庄稼作物在内的许多植物的植物毒性和抑制种子萌芽的报道相继出现【3二"J。

对TeA作用机制的研究，最初的报道出现于1974年，N．Umetsu等口圳认为TeA的植物毒性源于其阻碍了亮氨酸和腺嘌呤进入到植物细胞内，从而抑制蛋白质和核酸的合成。

1974年，D．Vazquez等[40]研究发现TeA对哺乳动物细胞的毒害作用源于其对人类扁桃腺中核糖体蛋白质合成的强烈抑制作用。

2002年，G．Meazza等【4lJ基于其对4．羟基苯丙酮酸双加氧酶（HPPD）的弱抑制活性（IC50=18gM）提出TeA是一种HPPD作用抑制剂的观点。

对TeA作用机制研究最深入的是南京农业大学强胜课题组。

1998年，该课题组从双子叶植物紫茎泽兰中分离得到能代谢产生具有致病力的链格孢菌毒素的链格孢菌，并将链格孢菌毒素中主要的活性物质TeA命名为细交链孢菌酮酸[42-44】。

2004年【45】，该课题组就链格孢菌毒素对紫茎泽兰顶端第二对真叶叶肉细胞超微结构的影响进行了研究，结果表明：

毒素处理4h后，叶肉细胞出现质壁分离，叶绿体变形；24h后细胞壁变形甚至破裂，质膜破裂，类囊体片层解体，叶绿体膜膨胀、破裂，叶绿体发生严重变形。

针对叶肉细胞中叶绿体受损伤程度大这一研究结果，该课题组猜测链格孢菌毒素的作用方式很可能是抑制光合作用。

同年[46]该课题组采用分离纯化的链格孢菌毒素就该毒素的致病作用与紫茎泽兰叶片光合作用抑制之问的相关性进行了研究，结果表明：

在毒素处理后的叶片的形态产生明显变化之前，光合放氧速率和表观量子效率就都已明显降低，而进一步的研究表明该毒素作用位点位于类囊体膜上，主要抑制光合系统的电子传递活性，而对色素含量和暗反应关键酶没有明显影响。

2007年[47,48]，该课题组以野生型莱菌藻及其突变体为实验材料，对链格孢菌毒素在光合电子传递链上的作用位点和作用模式进行了研究，结果表明该毒素会抑制ATP的合成，由此推测该毒素对光系统II电子传递是有抑制作用的，而进一步的快速叶绿素荧光诱导动力学研究结果表明该毒素抑制光系统II受体中质体醌（OA）和质体醌（QB）之间的电子传递。

莱茵藻突变体的实验结果显示，突变体D．．Ser264A1a

第一章绪论

和D1一Phe255Tyr对该毒素不表现抗性，而突变体D1一val219Ile、D1一Gly256Asp和D，一Leu275Phe表现出轻微的抗性，这表明Dl蛋白的氨基酸位点219、256、275有可能参与T,D毒素的结合，也证实了该毒素通过与QB结合，从而阻断了电子从eA到eB的传递，由此该课题组得出链格孢菌毒素的作用模式类似于苯酚类

除草剂的结论。

2008年（491，该课题组进一步以莱茵藻为实验材料，采用氧电极

法和快速叶绿素荧光诱导动力学方法，对链格孢菌毒素的作用位点进行了研究，结果显示该毒素对莱茵藻光系统II有多重影响：

（1）阻断受体中QA到QB的电子传递；

（2）使反应中心失活；（3）降低光能转化率；（4）破坏（或迁移）反应中心的部分天线色素；（5）降低活性与非活性反应中心的天线色素之间能量传递的协调性，这一研究结果表明链格孢菌毒素在莱茵藻光系统II中存在多个作用位点。

总而言之，强胜课题组对链格孢菌毒素作用机制的研究结论是该毒素是天然的光系统II抑制剂，作用位点在QB，作用模式类似于苯酚类除草剂，并且D，蛋白的219、256、275--个氨基酸位点涉及毒素与QB的结合，其中，275位的氨基酸可能性更大。

2．Fischerelli