含1,3,4-噁二唑（1,3,4-oxadiazole）片段的新型羧酸（carboxylic acid）抑制剂的设计、合成及除草活性评价

《Frontiers in Agronomy》：Design, synthesis and evaluation of herbicidal activity of novel carboxylic acid inhibitors containing 1,3,4 oxadiazole fragments

　　

摘要：羧酸（carboxylic acid）及1,3,4-噁二唑（1,3,4-oxadiazole）片段是许多人工合成生物活性分子的关键结构单元。研究人员设计合成了一系列新型2-[(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)硫代]丙酸甲酯衍生物（2-[(5-phenyl-1,3,4-oxadiazol-2-yl)thio]propanoate derivatives，5aa–5bb），其结构经1H NMR、13C NMR及高分辨质谱（HRMS，High Resolution Mass Spectrometry）确证；化合物5aa的空间构型经X射线单晶衍射进一步确定。研究人员对所合成的目标化合物进行了体外（in vitro）除草活性测试，从中筛选出最具活性的化合物5ap（ED50＝96.89 g/ha；田间试验用量：750 g/ha）。此外，5ap对水稻（Oryza sativa）和玉米（Zea mays）表现出高度选择性，并对意大利蜜蜂（Apis mellifera）毒性较低。透射电子显微镜（TEM，Transmission Electron Microscopy）观察结果表明，5ap可能通过干扰植物正常代谢过程及光合作用导致杂草死亡。综上所述，化合物5ap具有良好的除草活性与优良的生物安全性，具备进一步开发为除草剂的潜力。

该研究发表于《Frontiers in Agronomy》。当前杂草抗药性日益严重、长期单一施用现有除草剂导致农药残留及抗性杂草演化，全球已有273种杂草对现有作用机制产生抗性，亟需开发新型绿色低毒除草剂。1,3,4-噁二唑（1,3,4-oxadiazole，含氮氧五元杂环）骨架已被成功引入农用化学品并有氟噻酰草胺（flusulfinam）和恶草酮（oxadiargyl）等商品化品种；羧酸类（carboxylic acid）化合物如2,4-D亦为经典选择性除草剂。基于此，研究人员采用活性片段融合策略（active fragment fusion strategy），将1,3,4-噁二唑母核与羧酸结构片段（以α-硫代丙酸甲酯形式引入）拼接，设计合成一系列2-[(5-芳基-1,3,4-噁二唑-2-基)硫代]丙酸甲酯衍生物，通过结构表征、温室及田间除草活性测定、作物安全性与蜜蜂毒性评估、以及透射电镜（TEM）观察叶绿体超微结构变化，筛选出最优候选化合物5ap（3,4-二氯苯基取代），探讨其除草潜力与可能作用机制。

主要关键技术方法：以苯甲酸衍生物为起始原料，经四步反应（酯化、水合肼环合制酰肼、CS₂/KOH环合为5-芳基-1,3,4-噁二唑-2-硫醇、与2-溴丙酸甲酯在K₂CO₃/DMF中S-烷基化）合成目标化合物；结构经¹H NMR、¹³C NMR、高分辨质谱（HRMS）及X射线单晶衍射确证；以稗草（Echinochloa crus-galli，E.c.）和反枝苋（Amaranthus retroflexus，A.r.）为供试杂草进行温室茎叶处理后鲜重抑制率测定并计算ED₅₀；以水稻、玉米、烟草、大豆测定1125 g/ha剂量下作物安全性，以多种杂草测定375 g/ha下除草谱；按OECD No.245标准进行意大利蜜蜂急性经口毒性试验；田间小区试验于水稻3–5叶期以750 g/ha喷施；以ED₅₀剂量处理A.r.叶片，TEM观察叶绿体超微结构损伤。

研究结果：

3.1 Synthesis：研究人员以取代苯甲酸为原料经酯化得化合物2aa–2bb（产率90–97%），与水合肼反应得酰肼化合物3aa–3bb（产率53–67%），再与CS₂/KOH环合得5-芳基-1,3,4-噁二唑-2-硫醇4aa–4bb（产率85–93%），最后与甲基2-溴丙酸酯在K₂CO₃/DMF中60℃缩合得目标化合物5aa–5bb（产率62–83%）。所有化合物经¹H NMR、¹³C NMR及HRMS确证，化合物5aa经X射线单晶衍射验证结构，CCDC号为2481325。

3.2 Herbicidal activity：初筛（375 g/ha）显示5ap对E.c.抑制率达84.42%，对A.r.达100%；复筛（225 g/ha）5ap对A.r.抑制率仍为100%，优于多数同类物。卤素取代尤其3,4-二氯取代（5ap）活性最佳。5ap对A.r.的ED₅₀为96.89 g/ha。苯环上吸电子基（尤其是Cl在3,4位）有利于除草活性。

3.3 Crop safety and herbicidal spectrum of compound 5ap：1125 g/ha下5ap对大豆和烟草有一定药害但可恢复，对水稻和玉米药害显著低于阳性对照2,4-D且无后期不良影响；对马唐（Digitaria sanguinalis）和萹蓄（Polygonum orientale？文中为P.o.，应为Portulaca oleracea或对应杂草——原文指Purslane即Portulaca oleracea被抑制100%及Digitaria sanguinalis 100%）及Lactuca sativa达100%抑制，对部分阔叶及水生杂草效果不及2,4-D，表明其对禾本科和部分阔叶杂草具广谱潜力。

3.4 Compound 5ap herbicidal activity in rice fields：田间750 g/ha处理14天后，5ap对稻田杂草综合防效＞85%，水稻无药害症状；而2,4-D出现明显药害，表明5ap适用于稻田除草且安全性好。

3.5 Bee safety assessment：200 μg/蜂经口染毒，5ap组蜜蜂死亡率5%（＜11 μg/蜂阈值属低毒级），优于2,4-D，初步判定对意大利蜜蜂急性经口毒性低。

3.6 Transmission electron microscopy experiment：空白对照组A.r.叶绿体呈长梭形、基粒类囊体（grana thylakoid）与基质（stroma）排列整齐；5ap处理72 h后叶绿体变形碎裂、被膜由长梭形变椭圆、出现亲锇颗粒（osmiophilic granules）、基粒类囊体片层消失、基质片层紊乱并伴有质壁分离，与2,4-D处理相似但程度略轻。表明5ap可能干扰叶绿体相关生理功能特别是光合代谢。

讨论与结论翻译：本研究采用活性片段拼接策略设计合成一系列甲基2-[(5-苯基-1,3,4-噁二唑-2-基)硫代]丙酸甲酯衍生物，并经¹H NMR、¹³C NMR及HRMS表征。其中化合物5ap表现出优异除草活性及对水稻良好安全性，田间试验进一步验证此结果。蜜蜂安全性试验中化合物5ap对意大利蜜蜂呈低毒。透射电子显微镜分析显示，5ap处理72 h后叶片细胞叶绿体结构受损、细胞发生质壁分离、细胞膜严重变形，叶绿体内亲锇颗粒与淀粉粒增多，提示5ap可能干扰植物正常代谢过程及光合作用从而导致植株死亡。综上，化合物5ap展现出良好的除草活性与高生物安全性，具进一步开发为除草剂的重要潜力。