一、含氟除草劑品種

1. 嘧氟磺草胺和氟酮磺草胺

嘧氟磺草胺和氟酮磺草胺屬于含有二氟甲基磺酰胺基團的磺胺嘧啶類除草劑(見圖1)。

嘧氟磺草胺是由日本組合化學公司發(fā)現(xiàn)并開發(fā)的一種新型苗前、苗后水稻田除草劑。使用劑量為50~75ga.i./hm2,該化合物對一年生禾本科雜草、莎草、闊葉和抗磺酰脲類雜草具有廣譜雜草控制作用,對水稻不造成植物毒性傷害,對魚類、蚤類等水生生物和環(huán)境安全。Takumi等總結了N-(嘧啶-2-基羰基苯基) 磺酰胺及其衍生物的不同合成路線,并對磺酰基上取代基進行了構效關系研究。結果表明,含CF2H取代基的磺胺類化合物具有較強的除草活性和廣譜性。嘧氟磺草胺的合成方法見圖2,以3-(甲氧基甲基)-2-硝基苯乙腈為原料與4,6-二甲氧基-2-甲磺?；奏し磻?所得中間體經由氧化、兩步還原、取代反應最終得到嘧氟磺草胺。

氟酮磺草胺是拜耳公司發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的一種新型苗前、苗后除草劑,使用劑量為20~50ga.i./hm²。主要的目標雜草是禾本科雜草、莎草和闊葉雜草,在生物體內無潛在積累作用。氟酮磺草胺和嘧氟磺草胺的作用機理相似,都是抑制乙酰乳酸合成酶。

氟酮磺草胺的合成方法見圖3,由2-氟苯胺和(甲硫基)乙酸甲酯通過Gassman反應合成相應的7-F-吲哚-2-酮。經還原消除掉甲硫基后,與2-氯-4,6-二甲氧基三嗪經過親核取代反應得到3-(4,6-二甲氧基-1,3,5-三嗪)-7-氟吲哚-2-酮。由于二氟甲基磺酰氯在堿性條件下相當不穩(wěn)定,在N-甲基咪唑作為堿的條件下實現(xiàn)了吲哚酮的二氟甲基磺化。吲哚酮經FeSO4/H2O2氧化后進一步生成相應的酮,最終經甲基化生成氟酮磺草胺。

在氟酮磺草胺和嘧氟磺草胺的合成中都使用了二氟甲基磺酰氯,二氟甲基磺酰氯由氟利昂和芐基硫醇通過2步反應合成(見圖4),是一種已經商業(yè)化且易得的中間體。

2. 三嗪氟草胺和茚嗪氟草胺

三嗪氟草胺(見圖5)是日本Idemitsu Kosan公司開發(fā)的新型均三嗪類除草劑,主要用于稻田苗前和苗后防除禾本科雜草和闊葉雜草,使用劑量為100~200ga.i./hm2。其2006年上市,三嗪氟草胺可抑制雜草的光合作用、微管形成及纖維素形成,具有全新的除草機制,這個特點有利于延緩雜草抗性的形成。其合成方法見(見圖6),該合成路線的重要原料2-氟異丁酸乙酯由2-羥基異丁酸乙酯與氟化氫反應制得,但該氟化反應易導致消除情況從而使收率變低。

2011年,拜耳公司推出了一種新的活性成分茚嗪氟草胺,這是一種纖維素生物合成(CBI)的高效抑制劑,為苗前、苗后除草劑,可用于控制柑橘、葡萄、果樹、堅果樹等固定作物的雜草。如工業(yè)種植園,多年生甘蔗,草坪以及高爾夫球場、草皮農場、休閑草皮、觀賞、非作物區(qū)、圣誕樹農場及林地,該除草劑對生物體安全。茚嗪氟草胺在防治雜草的施用量和施藥譜方面取得了重大突破,但該化合物包含3個手性中心,使得茚嗪氟草胺的合成成為是一個化學難題。

茚嗪氟草胺的中間體(1R,2S)-2,6-二甲基-2,3-二氫-1H-茚-1-胺由2,6二甲基-2,3-二氫-1-茚酮作為起始原料,通過還原胺化反應得到(見圖7)。

手性2-F-丙酸或其酯的合成從天然乳酸酯開始,經OH/F對映選擇性取代得到。1993年報道的第1種方法是在N,N-二甲基甲酰胺中用KF對甲磺酸酯進行氟化,因反應過程會生成丙烯酸甲酯需要進行繁瑣的純化,導致收率較低(見圖8)。

后來,Cost-efficient開發(fā)了幾種具有成本效益的路線,可以得到成噸規(guī)模的2-F-丙酸酯。其中一種最有效的方法為：使用SO2F2或SOCl2活化OH基團,然后與HF反應,具有極好的原子經濟性(見圖9)。

在2007年,拜耳還申請了一項關于氟烷基胺試劑的專利,四氟乙基二甲胺(TFEDMA)用于乳酸對映體選擇性一步去氧氟化,收率為75%-80%,對映選擇性非常高,見圖10。

茚嗪氟草胺的合成路線見圖11,異丙醇鋁作為路易斯酸加入到反應混合物中,在相對溫和的反應條件下,促進了雙胍的生成,并最終獲得了茚嗪氟草胺三酮,收率高,純度好。

3. 氟氯吡啶酯和氯氟吡啶酯

氟氯吡啶酯和氯氟吡啶酯均為美國陶氏益農公司開發(fā)的芳基吡啶酯類化合物(見圖12),是植物激素類除草劑,通過與植物體內受體激素結合,刺激細胞過度分裂,阻塞傳導組織,導致植物營養(yǎng)耗盡死亡。氟氯吡啶酯主要適用于谷物田,包括大麥、小麥、大麥黑麥等,苗后防除多種闊葉雜草以及惡性雜草,使用劑量為10~20ga.i./hm²,對哺乳動物安全,急性、慢性毒性低,對水稻安全性高；氯氟吡啶酯主要適用于水稻田,可有效防治千金子、稗草等闊葉雜草,為苗前、苗后除草劑,使用劑量為33.3~66.7ga.i./hm²,該除草劑對環(huán)境友好,對其他生物體安全。

氟氯吡啶酯的合成主要有兩條路線,路線一以4-氯2-氟-溴苯為原料,經由羥基化、甲基化、硼酸化、Suzuki偶聯(lián)等反應得到(見圖13)。

路線二以2-吡啶甲酸或2-氟-4-氯-3-甲氧基苯甲醛為原料,通過制備鋅試劑等和關環(huán)來構建吡啶環(huán)得到氟氯吡啶酯(見圖14)。

氯氟吡啶酯的合成與氟氯吡啶酯類似,以4-氯-2-氟溴苯為原料,經由羥基化、甲基化、硼酸化、Suzuki偶聯(lián)、水解、酯化等反應得目標產物(見圖15)。

4. 三氟草嗪

2014年巴斯夫的除草劑三氟草嗪獲得了ISO的批準。三氟草嗪為原卟啉原氧化酶(PPO)抑制劑類除草劑,通過干擾葉綠素生物合成,導致雜草死亡為苗前、苗后除草劑,使用劑量為100ga.i./hm2。該產品主要用于谷物、玉米、大豆、花生、柑橘、梨果及其他作物,防除藜、豚草、野生蘿卜、黑麥草、貓耳草等禾本科雜草和闊葉雜草,也用于防除一些重要的抗性雜草,如莧屬、豚草屬等雜草,該除草劑毒性低,對生物體安全性較高。

三氟草嗪的合成路線主要有三條,路線一(見圖16)是以間氟苯酚和溴代二氟乙酰二甲胺為起始原料,經親核取代、苯環(huán)硝化、硝基還原、氮原子?；?、氮原子烷基化、關環(huán)等反應得到。

路線二(見圖17)以5-氟-2-硝基苯酚為起始原料,經過還原、酰胺化、醚化、硝化、取代、還原、制備氰酸酯、合環(huán)八步反應制得目標物。

合成路線三(見圖18)是在路線一的基礎上對最后一步三嗪環(huán)合成反應進行優(yōu)化,以6-氨基-2,2,7-三氟-4-丙-2-炔基-4H-苯并[1,4] 惡嗪-3-酮為中間體,一步合環(huán)制備目標物。

二、結語

總體來說,氟原子的特殊理化性質,使得含氟化合物在除草劑產品中占據著非常重要的位置。由于氟原子半徑小,又具有較大的電負性,它所形成的C-F鍵鍵能要比C-H鍵鍵能大得多,明顯地增加了有機氟化合物的穩(wěn)定性和生理活性。另外含氟有機化合物還具有較高的脂溶性和疏水性,促進其在生物體內吸收與傳遞速度,使生理作用發(fā)生變化。所以很多含氟農藥在性能上相對具有用量小、毒性低、藥效高等特點,都使得含氟除草劑一直備受關注,也將是未來除草劑發(fā)展的重要方向。我們也期望得到更多的這種低毒,高效的除草劑品種,不光是在節(jié)約資源方面,更多的是為人體健康所考慮。所以,含氟除草劑的未來將不可估量。