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(tuán)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(xué)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(jié)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(jìn)行了構(gòu)效關(guān)系研究。結(jié)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-甲磺酰基嘧啶反應(yīng),所得中間體經(jīng)由氧化、兩步還原、取代反應(yīng)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(biāo)雜草是禾本科雜草、莎草和闊葉雜草,在生物體內(nèi)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(yīng)合成相應(yīng)的7-F-吲哚-2-酮。經(jīng)還原消除掉甲硫基后,與2-氯-4,6-二甲氧基三嗪經(jīng)過親核取代反應(yīng)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(dāng)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(jīng)FeSO4/H2O2氧化后進(jìn)一步生成相應(yīng)的酮,最終經(jīng)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(yīng)合成(見圖4),是一種已經(jīng)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(yīng)制得,但該氟化反應(yīng)易導(dǎo)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(nóng)場、休閑草皮、觀賞、非作物區(qū)、圣誕樹農(nóng)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(xué)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(yīng)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(jīng)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(jìn)行氟化,因反應(yīng)過程會生成丙烯酸甲酯需要進(jìn)行繁瑣的純化,導(dǎo)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(tuán),然后與HF反應(yīng),具有極好的原子經(jīng)濟(jì)性(見圖9)。

在2007年,拜耳還申請了一項關(guān)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(yīng)混合物中,在相對溫和的反應(yīng)條件下,促進(jìn)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(nóng)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(nèi)受體激素結(jié)合,刺激細(xì)胞過度分裂,阻塞傳導(dǎo)組織,導(dǎo)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(jīng)由羥基化、甲基化、硼酸化、Suzuki偶聯(lián)等反應(yīng)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(guān)環(huán)來構(gòu)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(jīng)由羥基化、甲基化、硼酸化、Suzuki偶聯(lián)、水解、酯化等反應(yīng)得目標(biāo)產(chǎn)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(zhǔn)。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(dǎo)致雜草死亡為苗前、苗后除草劑,使用劑量為100ga.i./hm2。該產(chǎn)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(jīng)親核取代、苯環(huán)硝化、硝基還原、氮原子酰基化、氮原子烷基化、關(guān)環(huán)等反應(yīng)得到。

路線二(見圖17)以5-氟-2-硝基苯酚為起始原料,經(jīng)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(yīng)制得目標(biāo)物。

合成路線三(見圖18)是在路線一的基礎(chǔ)上對最后一步三嗪環(huán)合成反應(yīng)進(jìn)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(biāo)物。

二、結(jié)語

總體來說,氟原子的特殊理化性質(zhì),使得含氟化合物在除草劑產(chǎn)品中占據(jù)著非常重要的位置。由于氟原子半徑小,又具有較大的電負(fù)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(jìn)其在生物體內(nèi)吸收與傳遞速度,使生理作用發(fā)生變化。所以很多含氟農(nóng)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(guān)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。