新型菊酰胺衍生物的合成修饰及其生物活性

张炳杰, 高美婷, 梁汉英, 方颖琳, 赵肃清

(广东工业大学 生物医药学院，广东 广州 510006)

蚊子特别是雌性成蚊，因具有吸血才能产卵的习性使得其作为传播疟疾、丝虫病、黑热病、登革热和登革热出血热、流行性乙型脑炎等多种病原体的中间宿主而严重危害人类生命健康。传统

Scheme 1

Chart 1

杀虫剂如有机磷、有机氯、氨基甲酸酯，和家庭用的驱蚊水如天然植物驱蚊香，曾被长期广泛使用于农业和生活中[1-2]，但是其残留时间长，对环境影响也较大。驱蚊水或者天然植物驱蚊香等长期使用使蚊子产生抗性。因此后来开发的第一代拟菊酯如丙烯菊酯(1, Chart 1)、第二代拟菊酯如氯菊酯(2, Chart 1)如甚至目前正在开发的第三代拟除虫菊酯如四氟苯菊酯(3, Chart 1)类的衍生物是一种能防治多种害虫的广谱杀虫剂，其杀虫效果比老一代杀虫剂提高10～100倍，且具有环境友好，毒性低，残留时间短等优点[2-3]。

传统观点认为，拟除虫菊酯类杀虫剂具有广谱高效的生物活性、低的环境和食品残留度、相对较低的哺乳动物毒性[4]。但越来越多的研究发现拟除虫菊酯会干扰生物体正常的功能，对健康造成较大威胁[5]。此外，农用拟除虫菊酯类杀虫剂是一类容易诱发农药害虫产生耐药性的杀虫剂[5]。因此需要一种高效低毒且不易产生耐药性的新型结构的杀虫剂化合物。酰胺基结构在农药甚至医药领域中都是常见的官能团，主要通过酸胺的缩合或酰氯与胺基的酰基化反应得到。含芳基和酰胺结构的化合物具有杀虫活性，如N-(取代噻唑-2-基)-菊酰胺类化合物和含二苯醚菊酰胺等[6-8]。

本文在上述研究工作的基础上，保留了商品化农药四氟苯菊酯中的菊酸和苯环结构，用酰胺替换酯基，用二溴菊酸替换二氯菊酸，并同时用简单易得的多取代苄胺替换四氟苄醇，最终达到的目的是使小分子结构尽可能简单，同时减少含氯、氟原子对环境的影响[9]。以多取代苄胺与二溴菊酸为主要原料，经N-酰基化反应合成了16个新型的菊酰胺衍生物(DCA-01～DCA-16, Scheme 1)，其结构经1H NMR，13C NMR和MS(ESI)表征。并研究了目标化合物对幼虫及雌性成蚊的杀灭活性。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

X-4型显微熔点仪；Bruker-400 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)；TSQ Endura型质谱仪；Q Exactive型超高分辨四极杆组合静电场轨道阱液质联用仪；WFH-203B型三用紫外分析仪。

苄胺或多取代基苄胺，阿拉丁试剂有限公司；二溴菊酸，上海龙云生物科技有限公司；其余所用试剂均为分析纯或化学纯。

1.2 DCA-01～DCA-16的合成通法

在50 mL圆底烧瓶内加入二溴菊酸200 mg(0.671 mmol)，氮气保护下，加入DCM 15 mL，室温下搅拌至二溴菊酸完全溶解；加入草酰氯0.171 mL(2.014 mmol)，搅拌30 min后，加入DMF 0.1 mL，氮气保护下反应1 h。蒸除溶剂和过量草酰氯，残余物加入干燥DCM 15 mL，搅拌溶解；接着加入无水吡啶0.109 mL(1.342 mmol)，搅拌下反应30 min；加入苄胺或多取代苄胺(1～16)1.342 mmol，反应2 h(TLC跟踪)。洗涤、萃取、有机相过滤、滤饼干燥得粗产物，经硅胶柱层析[洗脱剂：V(乙酸乙酯)/V(石油醚)=1/16]纯化得化合物DCA-01～DCA-16。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-苄酰胺(DCA-01)： 白色固体，收率69%， m.p.53～54 ℃;1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ: 7.39～7.31(m, 2H), 7.28(td,J=6.6 Hz, 3.5 Hz, 3H), 6.98(d,J=8.8 Hz, 1H), 6.16～5.65(m, 1H), 4.42(dt,J=5.7 Hz, 2.8 Hz, 2H), 1.88(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.55(dt,J=8.5 Hz, 1.7 Hz, 1H), 1.31(d,J=1.3 Hz, 3H), 1.22(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.49, 138.40, 134.50, 128.87, 127.95, 127.94, 127.66, 88.43, 43.84, 35.14, 33.98, 28.82, 26.66, 15.40; MS(ESI)m/z: Calcd for C15H17NOBr2{[M+H]+}387.97, found 387.98。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-4-氰基苄酰胺(DCA-02)： 白色固体，收率61%， m.p.56～58 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.66～7.54(m, 2H), 7.36(d,J=8.1 Hz, 2H), 6.90(d,J=8.7 Hz, 1H), 6.08(t,J=5.8 Hz, 1H), 4.55～4.40(m, 2H), 1.91(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.30(s, 3H), 1.23(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ169.84, 144.14, 134.19, 132.61, 128.22, 118.83, 111.35, 88.83, 43.26, 35.30, 33.81, 28.79, 26.89, 15.34; MS(ESI)m/z: Calcd for C16H16N2OBr2{[M+H]+}412.97, found 412.97。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-3,5-二氟苄酰胺(DCA-03)： 白色固体，收率70%， m.p.45～47℃;1H NMR (400 MHz, CDCl3)δ6.92 (d,J=8.7 Hz, 1H), 6.78(h,J=4.5 Hz, 2H), 6.70(tt,J=8.9 Hz, 2.4 Hz, 1H), 6.02(t,J=6.1 Hz, 1H), 4.39(qd,J=15.4 Hz, 6.0 Hz, 2H), 1.91(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.30(s, 3H), 1.23(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.67, 164.41, 161.94, 142.46, 134.03, 110.20, 102.84, 88.68, 42.82, 42.80, 35.18, 33.71, 28.66, 26.77, 15.21; MS(ESI)m/z: Calcd for C15H15NOF2Br2{[M+H]+}423.95, found 423.92。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-4-三氟甲基苄酰胺(DCA-04)： 白色固体，收率65%， m.p.56～58 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.59(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.37(d,J=8.0 Hz, 2H), 6.93(d,J=8.7 Hz, 1H), 6.01(t,J=6.2 Hz, 1H), 4.47(d,J=5.9 Hz, 2H), 1.90(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.31(s, 3H), 1.23(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.73, 142.63, 134.29, 129.91, 127.97, 125.80, 124.22, 88.76, 43.26, 35.26, 33.90, 28.80, 26.81, 15.37; MS(ESI)m/z: Calcd for C15H15NOF2Br2{[M+H]+}455.96, found 455.92。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-4-甲氧基苄酰胺(DCA-05)： 无色油状液体，收率62%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.24～7.14(m, 2H), 6.98(d,J=8.8 Hz, 1H), 6.90～6.83(m, 2H), 5.79(d,J=5.9 Hz, 1H), 4.35(d,J=5.5 Hz, 2H), 3.80(s, 3H), 1.86(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.53(d,J=8.5 Hz, 1H), 1.31(s, 3H), 1.21(s, 3H);13C NMR (101 MHz, CDCl3)δ: 169.23, 159.06, 134.40, 130.37, 129.20, 114.14, 88.25, 55.33, 43.20, 34.99, 33.89, 28.70, 26.50, 15.28; MS(ESI)m/z: Calcd for C16H19NO2Br2{[M+H]+}417.98, found 417.94。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-2-三氟甲氧基苄酰胺(DCA-06)： 白色固体，收率60%， m.p.54～55 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.42(dd,J=7.3 Hz, 2.1 Hz, 1H), 7.37～7.26(m, 3H), 6.96(d,J=8.8 Hz, 1H), 5.97(t,J=6.1 Hz, 1H), 4.58～4.46(m, 2H), 1.90(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.58(d,J=8.5 Hz, 1H), 1.31(s, 3H), 1.24(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.47, 147.32, 134.22, 130.88, 130.27, 128.97, 127.20, 120.65, 120.55, 88.44, 38.18, 35.06, 33.74, 28.65, 26.61, 15.17; MS(ESI)m/z: Calcd for C16H16NO2F3Br2{[M+H]+}471.96, found 471.91。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-3-氟-4-甲氧基苄酰胺(DCA-07)： 白色固体，收率66%, m.p.54～55 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.06～6.82(m, 4H), 5.92(t,J=5.6 Hz, 1H), 4.40～4.26(m, 2H), 3.87(s, 3H), 1.87(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.55(d,J=8.6 Hz, 1H), 1.30(s, 3H), 1.21(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.52, 152.50, 147.11, 134.40, 131.54, 12.65, 115.69, 113.71, 88.53, 56.49, 42.94, 42.92, 35.18, 33.93, 28.80, 26.70, 15.37; MS(ESI)m/z: Calcd for C16H18Br2FNO2{[M+H]+}435.97, found 435.94。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-4-苯氧基苄酰胺(DCA-08)： 白色固体，收率58%, m.p.59～61 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.40～7.33(m, 2H), 7.28(d,J=8.8 Hz, 2H), 7.17～7.10(m, 1H), 7.07～6.94(m, 5H), 5.84(s, 1H), 4.43(d,J=5.6 Hz, 2H), 1.91(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.34(s, 3H), 1.25(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.44, 157.24, 156.87, 134.45, 133.23, 129.92, 129.45, 123.51, 119.21, 119.03, 88.51, 43.30, 35.17, 34.02, 28.84, 26.69, 15.42; MS(ESI)m/z: Calcd for C21H21NO2Br2{[M+H]+}480.00, found 479.97。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-2-氯苄酰胺(DCA-09)： 白色固体，收率71%, m.p.44～45 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.39(dt,J=7.0, 1.9 Hz, 2H), 7.30～7.26(m, 1H), 7.26～7.22(m, 1H), 6.95(d,J=8.7 Hz, 1H), 6.02(d,J=6.1 Hz, 1H), 4.54(d,J=6.0 Hz, 2H), 1.89(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.58(s, 1H), 1.30(s, 3H), 1.24(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.47, 135.85, 134.40, 133.78, 130.35, 129.68, 129.10, 127.30, 88.57, 41.69, 35.13, 33.94, 28.80, 26.67, 15.39; MS(ESI)m/z: Calcd for C15H16NOClBr2{[M+H]+}421.93, found 421.88。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-3-氯苄酰胺(DCA-10)： 白色固体，收率69%, m.p.46～47 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.32～7.26(m, 3H), 7.17(dt,J=6.4 Hz, 2.1 Hz, 1H), 6.97(d,J=8.7 Hz, 1H), 5.96(t,J=6.0 Hz, 1H), 4.49～4.35(m, 2H), 1.92(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.60(d,J=8.4 Hz, 1H), 1.33(s, 3H), 1.25(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.63, 140.54, 134.68, 134.32, 130.14, 127.88, 127.79, 125.94, 88.65, 43.21, 35.24, 33.93, 28.81, 26.79, 15.37; MS(ESI)m/z: Calcd for C15H16NOClBr2{[M+H]+}421.93, found 421.88。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-4-氯苄酰胺(DCA-11)： 白色固体，收率72%, m.p.44～46 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.31(d,J=8.3 Hz, 2H), 7.20(d,J=8.1 Hz, 2H), 6.94(d,J=8.8 Hz, 1H), 5.86(t,J=5.8 Hz, 1H), 4.39(d,J=5.7 Hz, 2H), 1.89(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.31(s, 3H), 1.22(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.41, 136.88, 134.21, 133.32, 129.10, 128.86, 88.50, 42.98, 35.07, 33.82, 28.68, 26.61, 15.25; MS(ESI)m/z: Calcd for C15H16NOClBr2{[M+H]+}421.93, found 421.89。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-2-氟苄酰胺(DCA-12)： 白色固体，收率67%, m.p.51～53 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.34(td,J=7.6 Hz, 1.8 Hz, 1H), 7.31～7.26(m, 1H), 7.14(td,J=7.5 Hz, 1.2 Hz, 1H), 7.07(ddd,J=9.6 Hz, 8.2 Hz, 1.2 Hz, 1H), 6.96(d,J=8.7 Hz, 1H), 5.96(t,J=5.9 Hz, 1H), 4.50(d,J=5.9 Hz, 2H), 1.89(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.57(d,J=8.5 Hz, 1H), 1.30(s, 3H), 1.23(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.49, 161.19, 134.41, 130.42, 129.46, 125.41, 124.51, 115.54, 88.51, 37.78, 37.74, 35.13, 33.93, 28.80, 26.67, 15.36; HR-MS(ESI)m/z: Calcd for C15H16NOFBr2Na{[M+Na]+}427.94599, found 427.94544。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-3-氟苄酰胺(DCA-13)： 白色固体，收率65%, m.p.48～50 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.35～7.24(m, 1H), 7.08～7.00(m, 1H), 7.01～6.89(m, 3H), 5.95(d,J=6.1 Hz, 1H), 4.49～4.33(m, 2H), 1.89(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.57(d,J=8.5 Hz, 1H), 1.31(s, 3H), 1.23(s, 4H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.62, 163.12, 141.07, 134.34, 130.38, 123.32, 114.69, 114.47, 88.61, 43.25, 35.22, 33.92, 28.81, 26.77, 15.37; MS(ESI)m/z: Calcd for C15H16NOFBr2{[M+H]+}405.96, found 405.93。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-4-氟苄酰胺(DCA-14)： 白色固体，收率68%, m.p.45～46 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.28(d,J=6.1 Hz, 1H), 7.25(d,J=5.5 Hz, 1H), 7.08～7.01(m, 2H), 6.97(d,J=8.8 Hz, 1H), 5.89(s, 1H), 4.41(d,J=5.6 Hz, 2H), 1.90(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.33(s, 3H), 1.24(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.50, 162.32, 134.40,134.26, 129.59, 115.71, 88.57, 43.10, 35.17, 33.96, 28.82, 26.71, 15.39; MS(ESI)m/z: Calcd for C15H16NOFBr2{[M+H]+}405.96, found 405.92。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-2-甲氧基苄酰胺(DCA-15)： 无色油状液体，收率65%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.29(d,J=8.2 Hz, 1H), 7.26(s, 1H), 7.00～6.86(m, 3H), 6.05(d,J=6.1 Hz, 1H), 4.43(d,J=5.8 Hz, 2H), 3.88(s, 3H), 1.84(t,J=8.7 Hz, 1H), 1.53(d,J=8.5 Hz, 1H), 1.29(s, 3H), 1.21(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.12, 157.72, 134.68, 129.99, 129.05, 126.43, 120.87, 110.48, 88.15, 55.50, 39.57, 34.98, 34.16, 28.84, 26.47, 15.42; MS(ESI)m/z: Calcd for C16H19NO2Br2{[M+H]+}417.98, found 417.94。

3-(2,2-二溴乙烯基)-2,2-二甲基环丙烷羧酸-3-甲氧基苄酰胺(DCA-16)： 白色固体，收率70%, m.p.45～46 ℃;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.28(td,J=4.2 Hz, 1.7 Hz, 1H), 7.01(d,J=8.8 Hz, 1H), 6.92～6.79(m, 3H), 5.96(t,J=5.9 Hz, 1H), 4.42(dd,J=5.7 Hz, 1.7 Hz, 2H), 3.83(s, 3H), 1.91(t,J=8.6 Hz, 1H), 1.59(d,J=8.5 Hz, 1H), 1.35(s, 3H), 1.25(s, 3H);13C NMR(101 MHz, CDCl3)δ: 169.50, 160.01, 140.03, 134.48, 129.87, 120.10, 113.36, 113.21, 88.37, 55.37, 43.76, 35.17, 33.97, 28.81, 26.69, 15.37; MS(ESI)m/z: Calcd for C16H19NO2Br2{[M+H]+}417.98, found 417.94。

1.3 生物活性测试

参考文献[7,10]方法测试了DCA-01～DCA-16和四氟苯菊酯(阳性组)对白纹伊蚊幼蚊(Aedes albopictus larva)的杀虫活性[10]。

2 结果与讨论

2.1 活性检测数据

统计出17组测试样品(包括阳性组)对1龄期幼虫的致死率并计算出对应的半致死浓度LC50值，其统计结果见表1。

表 1 新型菊酰胺衍生物对蚊虫1龄期幼虫的杀灭活性

采用CDC bottle bioassay实验法，对杀灭活性较好的DCA-06、DCA-09和DCA-15及四氟苯菊酯(阳性组)进行了白纹伊蚊雌性成蚊(Aedes albopictus female adult mosquito)的杀虫活性测试[11-14]，结果见表2和表3。

表 2 CDC bottle bioassay实验

表 3 四氟苯菊酯的CDC bottle bioassay实验

Time/min图 1 DCA-06对雌性成蚊的杀虫灭蚊动力学曲线

采用CDC bottle bioassay实验方法[15-17]对DCA-06进行了白纹伊蚊雌性成蚊的杀虫活性动力学测试。雌性成蚊的死亡率随时间的变化曲线如图1所示。

2.2 构效分析

大部分新型二溴菊酰胺衍生物对白纹伊蚊的幼虫具有杀灭效果，同时在苯环上有邻位取代基团的衍生物对幼虫杀灭活性普遍高于其它位置取代的衍生物，如邻位三氟甲氧基取代(DCA-06)对幼虫半致死浓度LC50值能达到1.58 μM，成为最强的杀虫活性化合物，稍弱于阳性组的杀虫活性；邻位氯取代(DCA-09)对幼虫的LC50值为1.85 μM，是与DCA-06号活性相接近的化合物；邻位氟取代(DCA-12)以及邻位甲氧基取代(DCA-15)对幼虫杀灭活性也较强的化合物，DCA-15对幼虫的LC50值为2.50 μM，略弱于邻位三氟甲氧基取代(DCA-06)化合物对幼虫的杀灭活性。由于大部分拟菊酯类化合物对蚊虫的作用机制是干扰昆虫的神经正常生理，特别是Na+离子通道，使之由兴奋进而痉挛到麻痹直至死亡。因测试幼虫的活性是在水相体系中进行的，所以含有酰胺结构的杀虫剂较四氟苯菊酯更易溶解。根据构效关系(SAR)分析，酰胺结构极性较大，难以穿透幼虫皮表作用于神经突触膜上，一般更可能通过口部进食导致的胃杀，因此杀虫活性弱于四氟苯菊酯。在所有菊酰胺衍生物中，邻位三氟甲氧基取代的(DCA-06)极性较小，可能更容易深入到神经突触膜的Na+离子通道蛋白中，因此杀虫活性较强[18]。

由表2和表3可以看出，1 600 μg·bottle-1DCA-06在30 min对成蚊的致死率为48%，在60 min后对成蚊的致死率能够达到88%，在120 min后对成蚊的致死率能够达到97%；衍生物浓度为200 μg·bottle-1，仍然对成蚊最高有61%以上的杀虫活性，在同等条件下稍若于两组阳性组的药效，且该药物的灭蚊杀虫活性具有剂量依赖和时间依赖关系[19-20]。根据结果可知，菊酰胺衍生物对成蚊的杀灭活性远小于四氟苯菊酯，这与酰胺结构有较大关系，酰胺极性较大导致对成蚊通透性较差，该类小分子难于透过蚊虫的表皮而导致作用减弱，活性弱于阳性组。但邻位三氟甲氧基取代(DCA-06)仍然比其它同类型两组活性更强，说明邻位三氟甲氧基对这类杀虫剂结构性能与蚊虫作用靶标蛋白更加容易结合，这为今后杀虫剂结构的设计提供了启示[21]。

由图1可知，DCA-06对雌性成蚊具有优良的杀灭活性，且随着样品浓度的增加，杀虫活性逐渐增强，即该药物的灭蚊杀虫活性具有剂量依赖关系；另外随着时间的推移，在同浓度的条件下，雌性成蚊的死亡率也是逐渐增强，表明了随着药物作用时间的延长，DCA-06对雌性成蚊的杀虫灭蚊活性是增强的。从动力学上分析可得出，由于酰胺结构较稳定，即使可能是因较长时间也不易被蚊虫体内P450蛋白酶代谢，导致DCA-06化合物对成蚊具有持续性的杀灭作用。这种比之四氟苯菊酯的酯基结构具有一定的潜在优势。

合成了16个新型二溴菊酰胺衍生物(DCA-01～DCA-16)。抗蚊杀虫活性实验测试结果显示：对幼虫杀灭活性最强的化合物为DCA-06，其对幼虫的半致死浓度为LC50值能达到1.58 μM；浓度为1 600 μg·bottle-1时，在120 min对成蚊的致死率能够达到97%。构效关系分析结果显示，邻位取代化合物普遍具有较高杀虫活性。