《武汉工程大学学报》 2013年12期
17-21
出版日期：2013-12-31
ISSN:1674-2869
CN:42-1779/TQ
环氧虫啉的晶体结构及其杀虫活性
0引言 以吡虫啉为代表的选择性作用于昆虫神经系统烟碱乙酰胆碱受体的新烟碱类杀虫剂，具有极高的杀虫活性和光稳定性，因而迅速获得市场的青睐，在较短的时间内占据全球农药市场的三成份额［1］.随着新烟碱类杀虫剂的广泛应用，不可避免的出现了害虫抗药性和交互抗性［2\|3］，甚至有报道新烟碱类种子处理剂的使用，导致蜜蜂的大量死亡［4\|5］.为了解决这一难题，更好地了解新烟碱类杀虫剂的杀虫机理和作用方式，创新出更加高效低毒的新烟碱类农药，各国科学家对新烟碱类化合物从分子设计、作用方式、构效关系等方面做出了大量研究［6\|9］. 中国作为一个传统的农业大国，据统计，需要防治1648种农业害虫［10］，对农药的需求量巨大.随着时代的发展，农业对高效低毒农药的需求与日俱增，使人们对新烟碱类杀虫剂研究更感兴趣.在国家“973”和“863”等项目的支持下，与新烟碱类化合物相关的研究，取得了巨大的进步和创新，不仅在目前普遍使用的新烟碱类农药上进行工艺改进，还研究出拥有自主知识产权的新一代农药，即将或已经取得生产许可证［11］，如图1所示. 环氧虫啉为武汉工程大学与武汉中鑫化工有限公司合作研制的具有自主知识产权的新烟碱类农药，经田间药效试验［12］证明，其具有较好的害虫防治效果.为了更好的研究推广环氧虫啉，在实验室工作的基础上，合成环氧虫啉，并进行单晶衍射和杀虫活性测试.图1在中国正在商业化的新烟碱类农药Fig.1Commercializing neonicotinoids in China1实验部分1.1试剂与仪器 环氧氯丙烷、乙腈、碳酸钾、甲醇、二氯甲烷均来自国药集团化学试剂有限公司，分析纯.2\|硝基亚氨基咪唑烷（化学纯，江苏常农化工有限公司） Bruker D KX 400核磁共振仪，Smart CCD\|X 射线衍射仪，TRACEMS 2000 色谱\|质谱联用仪，Vario 公司EL Ⅲ型元素分析仪.1.2环氧虫啉的合成 500 mL四口烧瓶中依次加入250 mL乙腈，一定量的2\|硝基亚氨基咪唑烷，碳酸钾，持续搅拌，加热升温.待温度升至65~75 ℃，滴加适量的环氧氯丙烷.反应3~5 h,冷却至50 ℃，过滤，滤液旋蒸，溶剂回收，得到固体以300 mL二氯甲烷，50 mL蒸馏水分三次萃取，有机层合并旋蒸，固体用甲醇重结晶.第二天过滤，干燥，得白色粉末固体，收率60%，合成路线如图2.1H\|NMR(CDCl3,400 MHz)∶δ(化学位移)∶2.55(s,1H),2.81(s,1H),2.98~3.04(q,J=24 Hz,1H),3.14(s,1H),3.66~3.69(t,J=12 Hz,1H),3.79\|3.82 (d,J=12 Hz,3H),4.04~4.07(d,J=12 Hz,1H),8.20 (s,1H).MS m/z(%):186(M+,26),154(59),131(100),129(4),117(49)；Anal.calcd for C6H10N4O3∶C 38.71,H 5.41,N 30.09; found C 38.54,H 5.62,N 29.87.图2环氧虫啉合成路线Fig.2Synthesis of huanyangchonglin1.3晶体结构测定 以二氯甲烷为洗脱剂，以硅胶为固定相，对环氧虫啉进行柱层析，旋蒸二氯甲烷，得白色固体，再以甲醇重结晶，过滤、干燥，固体溶于二氯甲烷/甲苯,采用溶剂挥发法培养单晶.选取大小为0.20×0.10×0.10 mm3的单晶，在Smart CCD\|X射线衍射仪，使用Mo Kα射线（λ=0.710 73 nm）作为入射辐射，在296（2）K下，1.58°＜θ＜26.00°范围内（h∶-9~9;K∶-10~10;I∶-14~16）,以ω/2θ的扫描方式，共收集到3 433个独立衍射点，化合物环氧虫啉的结构采用直接法解出，全部非氢原子坐标及各向异向性热参数经最小二乘法修正，所有计算用SHEL XS\|97程序进行.最终偏离因子R1=0.056 7.第12期巨修练，等：环氧虫啉的晶体结构及其杀虫活性武汉工程大学学报第35卷1.4杀虫活性测试 以98.3%环氧虫啉原药为供试药剂，95.3%吡虫啉原药为对照试剂，将一定量的原药用DMSO溶解,然后用水稀释为5个百分浓度梯度，每个百分浓度为1处理，每处理30头甘蓝蚜虫， 4次重复，以清水处理为对照.每片叶片上存留30头生长发育一致的甘蓝蚜虫无翅蚜，叶片浸入药液中，停留5 s，取出，多余药液用滤纸吸干，放入培养皿中，在室温（26±1）℃的培养室中培养.48 h后调查，以毛笔轻触虫体不动为死亡，计算死亡率.2结果与讨论2.1合成分析 采用一步法由2\|硝基亚氨基咪唑烷与环氧氯丙烷合成环氧虫啉.反应溶剂采用乙腈，重结晶过程以甲醇替换丁酮，同实验室前期合成路线［13］相比，一次性收率提高到60%，产品纯度提高到95%.在纯化过程中，以二氯甲烷替代乙酸乙酯，纯化效果更加明显.2.2晶体结构分析 X\|射线衍射实验表明，化合物环氧虫啉的晶体组成为C12H20N8O6（见图3），属于三斜晶系，P\|1空间群，晶胞参数a=0.788 78(13)nm，b=0.845 89(14)nm,c=1.305 9(2)nm;α=86.703(2)°,β=80.665(2)°，γ=86.013(2)°；V=0.856 8(2)nm3，Z=2，Dc=1.443 g/cm3, F(000)=392,GOF=1.042,R(int)=0.022 4，晶体数据和结构参数列于表1.图3化合物环氧虫啉的分子结构示意图Fig.3The molecular structure of huanyangchonglin表1环氧虫啉的晶体数据和结构参数Table 1Crystal data and structure parameters of huanyangchonglin经验式C12H20N8O6Z2分子量372.36Density (calculated)1.443 mg/m3温度296(2) KAbsorption coefficient0.117 mm-1波长0.071 0 nm73 nmF(000)392品系TriclinicCrystal size0.20×0.10×0.10 mm3空间群P\|1Theta range for data collection1.58~26.00°a0.788 78(13)nmIndex ranges-9<=h<=9,-10<=k<=10,-14<=l<=16b0.845 89(14)nmReflections collected6 523c1.305 9(2)nmIndependent reflections3 343 ［R(int)=0.022 4］ α86.703(2)°Data / restraints / parameters3 343/10/273β80.665(2)°Goodness\|of\|fit on F21.042γ86.013(2)°Final R indices ［I>2sigma(I)］R1=0.056 7,wR2=0.172 7体积85.68(2)nmR indices (all data)R1=0.065 1,wR2=0.184 7由X\|RAY晶体结构图中可知，环氧虫啉是一个手性化合物，以外消旋体存在，手性C原子为四面体SP3杂化，分别与两个碳原子、一个氧原子和一个氢原子形成四面体.对于两个构型的化合物的键长（nm），亚甲基C—H键长均0.097，手性碳上C—H键长均为0.098，其余部分键长分别为C（5)—C(6)=0.143 3(7),C(5)—O(3)=1.406(7),C(5)—C(4)=0.148 0(6),C(5)—H(5)=0.098,C(5’)—O(3’)=0.140 3(11); 部分键角(°)分别为O(3)—C(5)—C(6)=59.6(4),O(3)—C(5)—C(4)=118.2(5), C(6)—C(5)—C(4)=124.4(6),O(3’)—C(5’)— C(6’)=60.7(6), O(3’)—C(5’)—C(4’)=116.0(7),C( C(6’)—C(5’)—H(5’)=112.9; 整个分子采用折叠型的构型，其部分扭转角(°)分别为：N(1)—C(2)—C(3)—N(2)=—7.9(3),N(1)—C(4)—C(5)—O(3)=84.9(5),N(1)—C(4)—C(5)—C(6)=155.7(5),C(4)—C(5)—C(6)—O(3) =-105.2(7),C(4)—C(5)—O(3)—C(6)=115.4(7); 部分键长和键角列于表2、表3，氢键作用力见图4.表2环氧虫啉的部分键长Table 2Selected bond length of huanyangchonglin键键长/nm键键长/nmC(1)—N(2) 0.130 5(3)C(7)—N(5)0.133 6(3)C(1)—N(1)0.133 1(3)C(7)—N(7)0.134 5(2)C(5’)—C(6’) 0.143 4(10)N(8)—O(4)0.123 4(2)C(7)—N(6)0.131 9(2)N(6)—H(6)0.086 00表3环氧虫啉的部分键角Table 3Selected angel of huanyangchonglin全键键角/（°）键键角/（°）N(2)—C(1)—N(1)110.13(18)C(5)—O(3)—C(6)61.2(4)N(2)—C(1)—N(3)132.90(18)C(5’)—C(4’)—N(1)107.0(5)C(6)—C(5)—C(4)124.4(6)N(5)—C(7)—N(7)117.25(17)O(3)—C(6)—C(5)59.2(4)N(5)—C(8)—C(9)103.43(17)图4环氧虫啉的氢键Fig.4Hydrogen bonds of huanyangchonglin从图4可知，该化合物分子内和分子间存在氢键作用，主要为氮原子上氢与相邻氧原子和氮原子间的作用.Z=2，计算得知该化合物密度为1.443 g/cm3.2.3杀虫活性测试分析 根据处理的总虫数和死虫数计算死亡率，以空白对照死亡率按照Abbott公式计算校正死亡率，用DPS软件求出各供试药样的毒力回归线及LC50，以95.3%吡虫啉原药为标准对照药剂，计算环氧虫啉的相对毒力指数，比较两种药剂对甘蓝蚜虫的活性差异.结果列于表4，从表中可知环氧虫啉对甘蓝蚜虫的室内生物活性优于吡虫啉.表4环氧虫啉和吡虫啉对甘蓝蚜虫的杀虫活性Table 4 Insecticidal activities of huanyangchonglin and imidacloprid against Brevicoryne brassicae药剂独立回归式LC50/(ug/mL)相关系数相对毒力指数环氧虫啉Y=8.11+2.30X0.044(0.035~0.058)0.9991.2吡虫啉Y=7.52+1.97X0.053(0.040~0.074)0.9881.03结语 本研究介绍了新烟碱类化合物环氧虫啉的一种合成方法，并得到以外消旋体形式存在的环氧虫啉晶体.通过单晶衍射方法，得到消旋环氧虫啉的晶体结构数据，并进一步研究环氧虫啉的杀虫活性.结果表明，环氧虫啉的合成工艺成熟、室内对甘蓝蚜虫的杀虫活性高，具有较好的应用前景. 致谢 本研究得到武汉市科技局资助；活性测定在华中农业大学王末教授课题组实验室中完成，在此一并表示感谢！