靶向丙酮酸脱氢酶吡啶衍生物除草剂的设计与合成

靶向丙酮酸脱氢酶吡啶衍生物除草剂的与合成 靶向丙酮酸脱氢酶吡啶衍生物除草剂的设 计与合成 2010年4月第27卷第4期(下) 河南化工 HENANCHEMICALINDUSTRY 靶向丙酮酸脱氢酶吡啶衍生物除草剂的设计与合成 汪雨潇 (中国药科大学基础药学,江苏,南京,211198) 【摘要】丙酮酸脱氢酶系(pyruvatedehydrogenase,PDH)是一个有潜力的除草剂作用靶点.采用不同取代苯甲醛合成各 种0【一羟基芳基膦酸酯,然后与2,6一吡啶二甲酰氯反应得到五个不同取代基的2,6一吡啶二甲酰氧基烃基膦酸酯,并由IR与 lHNMR波谱进行验证.进一步通过对比分析各个不同产物的产率得出苯甲醛上不同取代基对此反应的影响. 【关键词】丙酮酸脱氢酶;吡啶衍生物;除草剂;膦酸酯;合成 【中图分类号】$482.4+6【文献标识码】B【文章编号】1003—3467(2010)08—001l一03 从生物化学的观点进行农药分子设计,丙酮酸脱氢酶系 (pyruvatedehydrogenase,PDH)是一个非常有意义的作用靶 点,但目前以丙酮酸脱氢酶系为靶点的除草剂商品极少.如 今农业虽然各类除草剂种类繁多,但靶点却只有20多种…, 为了探索和开发具有新结构,新靶点的除草剂,丙酮酸脱氢 酶抑制剂的设计和研究成为令人关注的研究领域.3』.早在 上个世纪五十年代,人们就已发现一些含砷含铜的农药以及 某些杀菌剂都可以抑制丙酮酸脱氢酶系.1958年Reiss发 现亚砷酸盐在只有丙酮酸和辅酶A存在下会使丙酮酸脱氢 酶系失活;Corbett等报道二烷基二硫代氨基甲酸铜盐对丙酮 酸脱氢酶系也具有抑制作用.此外,Schwarta和Maldonado 又先后发现银化合物和溴代丙酮酸酯能使丙酮酸脱氢酶系 失活.然而这些含砷等农药和载铜杀菌剂,如二烷基二硫代 氨基甲酸铜盐等并不是理想的抑制剂,因为这几类农药不仅 抑制活性不高,而且特异性作用不够高,对如2一氧代戊二酶 脱氢酶等其他相关酶的活性也有较大影响,毒性较大,因而 未商品化或推广应用. 1目标化合物的设计 ,Westerik等和Thompson发展了一种形成特殊 1979年 共价中间体方法,为人们了解底物与丙酮酸脱氢酶系作用位 置提供了理论基础.他们发现肽底物醛的类似物对木瓜蛋 白酶和胰肽酶E具有强抑制性,肽在催化步骤中正常裂分, 并遵循酶上的羟基或巯基加成到羰基部位的规律,分别产生 假定的四面体中间体(T)和(T'): OoHo0H ?M灌R一6?#《t)+H嚣?R一,髓 ^ 嚣暾瓣雠#{t)殷廉辆懿脚d酶t{ 随后Kluger等在此研究的基础上,用这种方法首先对从 大肠杆菌中提取的丙酮酸脱氢酶系进行了研究,证实了四面 体中间体T的存在: 在此反应中丙酮酸与丙酮酸脱羧酶上的TPP连接,TPP 的关键结构是噻唑环中N和s原子之间的c原子上的H比 大多数不饱和碳上的H更容易解离,使该c原子形成反应性 很强的负碳离子,因而可亲核攻击丙酮酸的羰基碳原子 (8)形成加成物Ma,TPP噻唑环上的N带正电,可作为电 子穴,使脱羧作用容易进行,脱羧后产生羟乙基TPP.根据 此发现,科学家设计合成了丙酮酸脱氢酶系底物的类似物一 一 甲基乙酰基膦酸钠盐(M),并研究了M对PDH的抑制作 用.其研究结果表明:M为丙酮酸脱氢酶系强有力的竞争性 抑制剂;TPP与M.以较慢的速率结合,因酶的活性存在,这 种抑制作用是可逆的;一般条件下不易发生脱磷酸作用.在 这一抑制过程中,M与丙酮酸的竞争,首先占有丙酮酸的位 置与TPP结合,然后再与TPP辅酶反应,给出一个与Ma类 似的中间体Mb,但Mb不能发生进一步的脱羧反应,从而抑 制了在丙酮酸脱氢酶系催化下脱羧反应,破坏了正常的有氧 代谢过程. ‰一瓣旦等6?,?''R, 黟塞P撼赫?hMl蠡喜 Kluger等的研究工作使丙酮酸脱氢酶系抑制剂的研究 达到了一个基于靶标酶进行合成的新水平,为了探索和开发 以丙酮酸脱氢酶系为靶标的新型除草剂,上世纪8O年代初 期,Baillie等在此研究的基础上,设计合成了约50种丙酮 酸的含磷类似物,并研究了这类化合物的除草活性及对丙酮 酸脱氢酶系抑制活性.本次研究在前人的基础上研究设计 由一羟基烃基膦酸酯 一3CH2C. . H3CH2CO R I. 作者简介:汪雨潇(1990.5,),男,籍贯:江西赣州市,研究方向:药学研究;中国药科大 学基础药学专业学生. - 12? 河南化工 HENANCHEMICALINDUSTRY2010年4月第27卷第4期(下) R'=I:Ph;II:2,6—2C1Ph;m:3一NO2Ph;IV:4一 CHOPh;V:4一CH1Ph 与2,6一吡啶二甲酰氯 …. 合成新型的2,6一吡啶二甲酰氧基烃基膦酸衍生物,即 由一羟基芳基膦酸酯与2,6一吡啶二甲酰氯反应合成2,6 一 毗啶二甲酰氧基烃基膦酸二乙酯,分子式如下: 辫.H~,..O…CH2CH.3 R'=I:Ph;?:2,6—2C1Ph;11I:3一NO2Ph;1V:4一 CHOPh;V:4一CHPh 其结构特点在于既含有潜在的具有农药活性的结构单 元吡啶羧酸,同时又含有潜在的抑制丙酮酸脱氢酶系的羰基 膦酸酯结构,后者的某些一羰基(次)膦酸酯已被证实为丙 酮酸脱氢酶系的强抑制剂. 2实验部分 2.1亚磷酸二乙酯的合成将75mlCC1和82.8g(1.8too1) 无水CHCHOH加人500ml三颈烧瓶中,在氮气保护剂搅拌 下滴加溶于50mlCCI的70.2g(0.51too1)PC1,(新蒸)溶液,约 1.5—2.0h加完,温度在整个过程中略有升高,加完升温至 70?反应1.5h,溶液由无色变为淡黄色,然后用水泵45~C/ 0.08MPa减压蒸去溶剂,油泵减压45~C/10mmHg蒸出产物, 得到48g产品,收率73.5%. 2.2一羟基芳烃基膦酸酯的合成0.05tool亚磷酸二乙 酯和0.055mol各种醛加入到100mL三颈瓶中,冰盐浴冷却 (温度控制在0,5~C),电磁搅拌下,缓慢滴加0.025mol三 乙胺,滴毕,然后在80?下反应1小时.用旋转蒸发仪减压 脱去部分三乙胺,即得淡黄色或白色固体粗产品,用二氯甲 烷和石油醚重结晶得淡黄色或白色固体纯品.收率为72— 90%. 2.32,6一吡啶二甲酰氯的合成在配有磁力搅拌的 100mL三颈瓶中加入0.05moE,6一吡啶二甲酸及25mL氯化 亚砜,加上回流冷凝装置和干燥及尾气吸收装置后,油浴加 热升温至65—7O?,回流反应7,8小时,然后用水泵减压 (条件:52?/1.5h/0.09MPa)蒸出大量过量的氯化亚 砜,即得粗产品,呈紫红色液态,粗产率为85—96%,它们直 接用于下一步反应. 2.4目标化合物的合成将0.02mol的ot一羟基烃基膦酸 00ml三颈烧瓶中,加20mL氯仿,搅拌下控温在5? 酯置于1 以下加入溶于15mL氯仿的0.012mol的2,6一吡啶二甲酰 氯,并滴加0.02tool三乙胺,升温至20?,搅拌反应5小时, 再在40?反应1小时,用饱和氯化钠水溶液洗涤3次,无水 硫酸钠干燥过夜,经柱层析梯度洗脱分离出纯品(淡黄色液 体或固体),流动相为丙酮和石油醚(1:4).用上述方法共 合成了5个该类化合物,收率56%,79%,其理化数据,IR, HNMR数据如下: I:淡黄色晶体(收率73%);m.P.:55,57;IR(KBr)u:3074 (w,Ph—H),2959,2857(In,C—H),1737(s,C=0),1587, 1476,1457(s,Ph),1267(8,P=0),1156(s,C一0一C),1037, 835(s,P一0一C),757(s,P—C)cm,;HNMR(CHCI3,400Hz) 8:1.11,1.27(m,12H,一OCH2CH3,J=7.2Hz),3.84,4.26(m. 8H,一OCH,CH),6.47(d,2×H,一OCHP,J=5.IX)tlz),7.36— 7.66(nl,2x5H,2×(一C6H5)),8.02,8.37(m,3H,一C5}I3 N). ?:淡黄色晶体(收率79%);n1.P.:16,17;IR(KBr)u:3088 (w,Ph—H),2959,2857(nl,C—H),1734(s,C=O),1585, 1496,1455(s,Ph),1268(s,P=O),1151(s,C—O—C),105I, 832(s,P一0一C),754(s,P,C)cm一;HNMR(CHCI3,400Hz) 6:1.11,I.27(nl,12H,一OCH2CH3,J:7.2Hz),3.84,4.26(m, 8H,一OCH2CH3),6.83(d,2xH,一OCHP,J=6.00Hz),7.3I一 7.76(nl,2x3H,2x(一C6H3)),8.O1,8.34(nl,3H,一C5H3 N). ?:淡黄色液体(收率56%);111)20:1.4492;IR(KBr)v:3124(w, Ph—H),2959,2855(m,C—H),1732(s,C=0),1586,1496, 1454(s,Ph),1268(s,P=O),i151(s,C—O—c),1039,831(s, P一0一C),753(s,P—C)cm';HNMR(CHC13,400Hz)8:1.13 , 1.27(in,12H,一OCH2CH3,J=7.2Hz),3.84-4.26(m,8H,一 OCH2CH3),6.52(d,2xH,一OCHP,J=7.25Hz),7.60,8.47 (In,2x4H,2x(一C6H4)),8.08,8.38(m,3H,一C5H3N). ?:淡黄色晶体(收率60%);n1.P.:14,16;IR(KBr)v:3084(w, Ph—H),2956,2856(m,C—H),1737(s,C=O),1588,1498, 1455(s,Ph),1263(8,P=O),1154(s,C一0一C),1036,834(s, P一0一c),757(s,P—c)cm一;HNMR(CHCI3,400rlz)8:1.11 — 1.27(in,12H,一OCH2CH3,J=7.2Hz),3.72(s,2×3H,2x PhOCH3),3.84,4.26(nl,8H,一OCH2CH3),6.40(d,2×H,一 OCHP,J=4.00Hz),6.91—7.59(in,2x4H,2x(,C6H4)),7.99 — 8.32(in,3H,一C5H3N). V:淡黄色晶体(收率78%);in.P.:18—19;IR(KBr)1J:3099 (w,Ph—H),2949,2854(in,C—H),1736(s,C=0),1584, 1494,1455(s,Ph),1264(s,P=O),1154(8,C一0一C),1036, 832(s,P—O—C),752(s,P—C)cm一;HNMR(CHCI3,400Hz) 8:2.36(s,2x3H,2xCH3Ph),1.12,1,38(nl,12H,一OCH2 CH3,J=7.2Hz),3.84,4.26(n3,8H,一OCH2CH3),6.42(d,2× H,一OCHP,J=6.50Hz),7.O6,7.54(nl,2×4H,2x(一C6 H4)),8.00—8.32(ifn,3H,一C5H3N). 3实验讨论 3.1亚磷酸二乙酯的合成此处利用三氯化磷和乙醇反应 来制备所需的合成中间体一亚磷酸二乙酯,其反应式如下: P(13?HH2【)HHH3 c C H H , 2 c C o O一 H 这一制备反应,要注意以下几个方面的问题:?所用的 三氯化磷一定要新蒸,且三氯化磷易吸收空气中的水分,故 称量时应快速,最好先查其密度,量体积;?溶于四氯化碳的 三氯化磷溶液需用恒压漏斗缓慢滴加;?反应完后,所得产 品先用水泵进行减压蒸馏,温度控制在45~C左右;再用油泵 进行减压蒸馏;?在滴加三氯化磷的过程中,一定要用冰盐 浴,温度控制在5?以下;?在实验的过程中,反应过程要在 2010年4月第27卷第4期(下) 河南化工 HENANCHEMICALJNDUSTRY?13? 氮气保护下进行;?干燥管中盛装氯化钙粉末,采用磁力搅 拌,整个实验装置在通风橱中进行. 3.2Ct一羟基芳基膦酸酯的合成使用亚磷酸二乙酯分别 和苯甲醛,2,6一二氯苯甲醛,间硝基苯甲醛,对甲氧基苯甲 醛,对甲基苯甲醛反应合成中间体进而合成目标产物,在反 应过程中用KF/A1:O,(质量比1:1)作为催化剂,其反应式 如下:亚磷酸二乙酯和各种取代苯甲醛反应: HC.,艮H H3CH2CO R'=I:Ph: KF:AI2O3皈量比1:1) ?:2,6—2CIPh; H3(=o,删 /I 2?占 Ill:3一NO2Ph;IV:4 一 CHOPh;VVI:4一CHPh 通过这一系列实验,得出关于在这个反应中使用KF和 A1:0,(质量比1:1)作为催化剂的六条经验:当实验要用的 亚磷酸酯的量超过0.05mol时,在这个实验中可以不必再加 溶剂;如果当要用的亚磷酸酯的量小于0.05mol时,根据情 况可以适当的加人一些氯仿.这样做的目的是为了让磁子 更加均匀的搅拌;加热KF和A1O(质量比1:1)时,在80? 的条件下,在电炉上烘烤2,3h,并且用勺子搅拌,目的是使 催化剂更加干燥;实验的过程中,最好用大磁子搅拌,这主要 是因为有固体催化剂在里面不宜搅动的原因;反应的过程 中,KF和A10(质量比l:1)应缓慢的加入,主要是为了更 好的控制反应温度,因为此反应是放热反应;反应时间至少 控制在1h,如果反应时间太短,反应不完全,导致产物收率降 低. 3.32,6一吡啶二甲酰氯的合成利用催化剂可使2,6一吡啶二甲酸转化为酰基化能力较强的2,6一吡啶二甲酰氯. 常用的催化剂有SOC1:,PC1,PC1等,利用PCI,PC1作为催 化剂时,反应混合物中常有亚磷酸和磷酸,分离较困难,采用 SOC1作为氯化剂时,由于其副产物是SO,HC1,均为气体,反 应操作后除去较容易,纯度好,产率高,同时SOC1为低沸点 液体(b.P=79~C),过量的SOCl:易于分离除去,因此我们 选用SOC1,作为酰基化试剂. ….. 本实验在无溶剂下,采用大为过量的SOC1,与2,6一吡 ,8h,油浴温度控制在65,70~C,然后 啶二甲酸加热回流7 经水泵减压(条件:52?/1.5h/0.09MPa)蒸出大量过量的 SOC1,即得粗产品,呈紫红色,粗产率为85,96%,可直接用 于下一步反应.在实验中我们注意到,温度对反应的效果有 较大的影响,反应加热温度过高时,反应液颜色加深,并且随 着温度的升高,其颜色不断加深,其反应收率也随之下降. 因此在进行本实验时,为了提高产率,应该采用分段加热,刚 开始时最好控制在55?左右,待反应1,1.5h后,再升温至 70~C左右,回流反应6h,然后减压蒸馏得到紫红色液体,在低 温下变为紫红色晶体.另外,在此反应中要注意保持好封闭 性;还有要接一根干燥管,以防止水分进入,并且要在干燥管 上结一个吸收装置,用来吸收反应产生的氯化氢气体. 3.4目标化合物的合成本文合成2,6一吡啶二甲酰氧基 烃基膦酸酯的方法如下: 0r . 一 cH一.H+cl.cNocI— N(G2 — Hs)3 H3eH2CO/CH2CI2 , 8一.…一o一.一 .一g—,.C. H3cH2co",OCH2CH . R'=I:Ph;?:2,6—2C1Ph;?:3一NO,Ph;IV:4一 CH3OPh;V:4一CH3Ph 在这些反应中用的酰氯是2,6一吡啶二甲酰氯,并且要 用到二氯甲烷作为溶剂,为了使反应中生成的盐酸便于除 去,为此我们还要加入一定量的三乙胺(或吡啶)作缚酸剂. 对反应所得产物进行柱层析处理,进一步纯化.o【一羟基芳 烃基膦酸酯与2,6一吡啶二甲酰氯的反应与羧酸衍生物的亲 核反应类似于加成一消去历程进行.为了保证该反应顺利 进行,应注意如下几点:反应原料一羟基芳基膦酸酯与2, 6一吡啶二甲酰氯以及反应溶剂必须干燥无水,否则将降低 产物的纯度及收率.选择CHC1,CHC1作溶剂,有利于中 间体的溶解和反应的进行.采用酰氯稍过量的配比(物质的 量比,酰氯:膦酸酯=1.1:1)更有利于反应的完全和产物的 分离.考虑到2,6一吡啶二甲酰氧基烃基膦酸酯在强碱以及 温度过高的条件下更易发生分解的性质,选用弱碱吡啶(或 三乙胺)作为反应的缚酸剂,采用肖特一鲍曼条件使反应物 先在4~C以下滴加酰氯的二氯甲烷溶液,再升温至室温反应 2,4h,然后再加热反应(40~C)的二段反应法.在反应中由 于吡啶(或三乙胺)不仅能及时中和反应中产生的HC1,同时 它可以与作为路易斯酸的酰氯生成相应的络合盐,使酰氯活 化,使之更易受到一羟基烃基膦酸酯的进攻,吡啶(或三 乙胺)的作用为: ,+ ?——j_=一,g .....厂_0 ,l一—— ,.一』+e 一cw 0 一!一…1I 监,o . ...u0 A.?,o-~-O一5一 在投料方式上,将吡啶(或三乙胺)加到O1.一羟基烃基膦 酸酯的CHC1溶液中,再缓慢地滴加酰氯的CHC1溶液,其 反应效果比将吡啶(或三乙胺)直接和酰氯混合的反应效果 好.在后处理中,采用饱和氯化钠水溶液洗涤3次,可洗去 大部分吡啶盐和未反应完的酰氯,经柱层析得到纯品,避免 了用碱液洗涤反应液时,产物部分分解,使收率降低. 4目标化合物的波谱分析 4.1红外光谱IR对目标化合物进行了IR谱分析,所有 特征基团在谱图中均有明显吸收:?羰基(C=0)在 1736cm附近表现出了强吸收峰,为典型的酯羰基吸收,而 C一0一C键的反对称伸缩振动吸收峰在1151—1156cm之 间.?苯环上尖而弱的c—H伸缩振动吸收带在2949— ? 14? 河南化工 HENANCHEMICALINDUSTRY2010年4月第27卷第4期(下) 氧化铝生产废水的综合治理与利用 许明合,梁峰,沈惠霞.,陈昊 (1.郑煤集团氧化铝项目指挥部,山西,运城,044300;2.郑煤集团氧化铝项目指挥部, 山西,运城,044300; 3.郑州市污水净化有限公司,河南,郑州,450044;4.郑煤集团氧化铝项目指挥部,山 西,运城,044300) 【摘要】氧化铝生产过程中会产生大量的生产废水,这些废水对环境造成了严重 污染,同时也浪费了水资源.针对这一 问题,本文详细阐述了废水的来源,性质,治理方法及废水回用措施,实现废水"零排 放".既降低了生产成本,保证了水资源的 合理开发利用,又取得了良好的经济效益,避免了对环境的污染. 【关键词】废水;污染;氧化铝 3467(2010)08—0001—0l 【中图分类号】T【文献标识码】B【文章编号】1003— ComprehensivetreatmentandutilizationofwasteWaterduringaluminaproduction Xumingheshenhuixia (Departmentofalumiumconstructionofzhengzhoucoalindustrygroup shanxiyunchengO44300 ZhengzhouSewagePurificationCO.Ltd,henanzhengzhou,450044) 【Abstract】 Duringaluminaproduction,largequantitiesofwastewaterisproduced,resultinginseriouspo llutiontotheenviron- met'itanddeterioratingfreshwaterresources.Toachievethe"zero"drainage,thesoarce,wate rquality-treatment/neasuresandmanage- mentforrecyclingandsavingofwastewaterayeelaboratedinthepaper.Conpiderableecnon micbenefitshavebeenobtainedandaviolding eavimmanfle. 【Keywords】wastewater;pollationalumina 氧化铝生产过程需要使用大量的水,同时产生大量的工业废水,一方面,水作为溶 剂几乎贯穿整个生产过程;一方 - 4-?牵?孛?夺?夺?夺?夺-??争?孛??夺?孛?孛?夺??夺?夺?夺?夺?夺-牛?+?牛?夺??? 孛?孛?夺?夺?牵?夺?孛?孛?孛?寺?孛?夺?孛?夺?夺?孛?夺?夺?夺?夺????夺? 2959cm区域内,苯环碳骨架伸缩振动吸收峰在1450— 1610cm之间.?膦酸酯基中P:O的伸缩振动在 1260cm左右,表现为强吸收峰.P—C键所呈现的吸收峰 与常见的四配位膦酸酯一致在750cm左右,而P一0一C键 的不对称伸缩振动吸收峰在1030—1060cm左右. 4.2核磁共振谱HNMR芳环上氢的化学位移在6.89— 7.5O之间,吡啶环上氢的化学位移在7.99—8.37之间.与 磷直接相连的ot一碳上的氢受磷的偶合裂分为等高的两重 峰,偶合常数2JPCH值在12.8Hz左右,同时,由于"一C上 噻吩环的去屏蔽效应影响,在系列化合物中P—CH的氢原 子化学位移向低场移动,在6.41ppm附近.观察不同程度的 P一0一C键的旋转受阻现象,P—OCH中甲基一般应为单 峰,但由于存在着P—O—C键的旋转受阻作用而变为二重 峰,与磷相连的两个甲氧基偶合裂分为双两重峰,偶合常数 2JPOCH值在10.8Hz左右. 5结论 本文合成了5个新化合物,并计算了其收率,列表如下: 通过合成的目标化合物通过了IR,HNMR对其结构进 行红外光谱分析,结果表明所有主要基团都有较明显的吸收 作者简介:许明合(1982一),男,硕士,从事工艺设计管理工作. 峰,HNMR谱中都能观察到P—O—C键的旋转受阻现象. 通过对比实验研究,可知以芳醛为原料合成d一羟基膦酸酯 时,取代基立体效应比电子效应对收率影响大,取代基较多, 空间位阻较大时,收率有所下降. 表1其收率 目标化合物醛反应时问(第2步,h)产率(%) 参考文献 [1]尚尔才,刘长令,杜英娟.吡啶类农药的研究进展[J].化工进 展.1996,5:11. [2]HEHong—Wu(贺红武),a一取代芳氧基乙酰氧基烃基膦酸 酯除草活性研究,Pestic.World(世界农药)[J],1999,21:21 [3]HEHong—wu(贺红武),LIUZhao—Jie(刘钊杰),Chin.J.Ors. Chem.(有机化学)[J],2001,21(11):878