不对称氮杂环卡宾催化在农药活性分子合成中的应用

金家渺，宋 佳，沈廷伟，吕 洁，金智超

(贵州大学 绿色农药全国重点实验室，贵阳 550025)

手性广泛存在于自然界中，手性分子与其镜像不能重合。随着对手性的认识与研究，人们发现不管是作用于人体的手性药物还是应用于农业的手性农药，不同的构型往往具有不同，甚至是截然不同的生理作用。如欧洲的“反应停”事件，R-反应停(thalidomide)有镇静作用，但其S构型对胎儿有致畸作用[1]。手性农药跟手性药物一样重要，当手性农药的对映体进入具有手性特征的生物体内时，对映异构体在生物活性、环境行为和毒理学等方面都可能存在差异。因此，不同的对映异构体在植物保护中会表现出不同的生物活性(图1)。例如，除草剂异丙甲草胺(metolachlor)，其S-对映体有很好的除草活性，而R-对映体却对小鼠具有致突变作用[2]。

图1 不同构型商品药的活性差异

因手性合成工艺开发困难，大多市售手性农药仍以外消旋体形式上市。但随着手性合成技术的快速发展，未来将会实现更多单一立体异构体农用化学品的商业化。迄今为止，在众多商业化或正在开发的手性农药中，绝大多数手性农药为中心手性分子，而由于轴手性和面手性农药活性分子的合成具有一定的挑战性，相关的研究报道较少。随着不对称催化和化学合成的快速发展，以低成本合成轴手性和面手性分子将成为未来的研究热点。

氮杂环卡宾(N-heterocyclic carbene, NHC)催化剂在近20年得到飞速发展，它具有独特的活化模式和强大的催化性能，已成为不对称催化领域研究中最为成熟可靠的方法之一。在开发小分子手性农药方面取得的巨大成就鼓舞下，笔者旨在探索新的立体化学结构，以有效控制重要的植物病害。因此，笔者从以下3 个方面总结了氮杂卡宾催化不对称合成方法在手性农药活性化合物合成中的应用：⑴手性螺环氧化吲哚杀菌剂的研发；
⑵轴手性噻嗪类杀菌剂的创制；
⑶面手性二茂铁杀菌剂的合成，以期为新型绿色手性农药的开发提供新方法。

烟草青枯病是由青枯雷尔氏杆菌引起的一种发生在烟草上的土传病害，植物的叶、茎、根都可受害，一旦感染，发展速度很快，短期内发病率可达80%以上，因此防治较难[3]。许多学者通过研究筛选出了多种对烟草青枯病菌有较好抑制作用的药剂，比如含有螺环吲哚活性片段的麦角酰胺生物碱。但目前具有高效、广谱生物活性和对非靶标生物低风险的抗菌化学品仍然很少，开发高效、低风险新型化学结构杀菌剂至关重要。

杂环芳烃广泛存在于医药、农药以及天然产物等多种功能分子中，对于杂环芳烃中的杂原子进行结构修饰及功能转化是有机合成领域的热门课题。例如，吲哚及吡咯结构中所含的氮杂原子可以与酮类化合物反应构建N,O-缩醛结构。但有效控制N,O-缩醛化合物合成过程中的立体选择性是非常具有挑战性的课题。目前，对于N,O-缩醛化合物的不对称合成方法在过渡金属和手性膦酸催化领域中少有报道[4]。

过去，NHC 催化剂主要用于实现羰基化合物和亚胺分子中碳原子的活化；
对于化合物中杂原子的活化和不对称转化少有报道。笔者团队报道了NHC催化下芳香N 原子的亲电活化反应[5]。以吲哚-2-甲醛为起始底物，与NHC 催化剂在氧化条件下首先形成acylazolium 酰基唑鎓中间体I。中间体I芳香环体系中的NH 基团在碱的作用下去质子化，形成aza-fulvene 中间体Ⅱ。随后中间体Ⅱ作为亲核试剂与缺电子酮类底物发生[3+2]环化反应，从而形成N,O-缩醛产物(图2)。

图2 NHC 催化芳香N 原子的亲电活化反应及其机理

笔者在DQ 氧化剂存在下选择吲哚醛和靛红作为模型底物进行了条件优化，并获得映选择性氮杂[3+2]环加成反应的最优条件，并对该反应进行了底物拓展。结果表明该反应底物普适性好，亲核底物可以拓展为多种取代类型的吲哚-2-甲醛与吡咯-2-甲醛，亲电底物则可包括多种类型的取代靛红和α-酮酸酯，反应收率高达99%，所制备得到的绝大多数手性N,O-缩醛产物可获得＞95∶5 的er 值(2 个对映异构体的峰面积比值)。部分反应和产物结构如图3 所示。

图3 手性螺环氧化吲哚化合物的底物拓展

采用浑浊度法[6]，测试了所获新型手性N,O-缩醛小分子对烟草青枯病菌的离体抑菌活性(表1)。结果显示所制备的多种手性化合物对烟草青枯病菌具有优于杀菌剂噻菌铜与叶枯唑的良好抗菌活性。

表1 手性螺环氧化吲哚化合物的抗青枯菌活性

水稻白叶枯病是由稻黄单胞菌(Xanthomonas oryzae)引起的最难防治细菌性病害，严重威胁我国水稻生产[7]。迄今为止，水稻白叶枯病的防治主要是通过种植技术的结合或使用抗病水稻。抗微生物化学制剂，如双马噻唑和噻唑锌，也被用于控制稻黄单胞菌的侵染。但这些金属或有机化学试剂的防效目前仍不理想，迫切需要寻找有效的化学物质来治疗或预防水稻植株上的稻黄单胞菌侵染。

笔者团队研究了氮杂环卡宾催化下的硫脲与苯丙炔醛之间的选择性环加成反应[8]。此反应特点是首次利用NHC 催化将硫脲加成到炔基酰化唑中间体中，最终建立具有优异光学纯度的C-N 轴手性，得到具有多个官能团的轴手性噻嗪衍生物，并显示出抗水稻白叶枯病菌活性。

通过对模型反应的条件优化以及对反应底物的普适性研究，可通过此方法立体选择性地合成30 余种高光学纯度的轴手性取代噻嗪类化合物(图4)。在研究中发现，产物N-苯基上邻位取代基的大小对目标产物er 值的影响较大：随着取代基空间位阻的减小，其对应的产物er 值逐步降低，并且产物13b 的er 值会随着反应时间的延长而缓慢降低。因此，笔者进一步探究了目标产物的立体化学稳定性。通过监测化合物12a、13a、13b 在不同温度下er 值的变化，通过实验计算得到了化合物12a 的阻转能垒为29.5 kcal/mol，13a 为28.4 kcal/mol，13b 为26.9 kcal/mol。其中12a 阻转能垒的实验计算结果与理论计算值(30.4 kcal/mol)相吻合。

图4 轴手性噻嗪类化合物的底物拓展

采用浑浊度法，测试了目标产物对水稻白叶枯病菌的离体抑菌活性(表2)。其中，化合物(R)-13c和(R)-13j 在100 μg/mL 时对水稻白叶枯病菌的抑制率分别为88.71%和98.63%，优于杀菌剂噻菌铜和叶枯唑。活体活性研究表明，(R)-13c 对水稻白叶枯病具有很好的治疗和保护作用，其防效分别为56%和68%，优于噻菌铜与叶枯唑。这些分子的立体构型对相应的抗菌活性有显著影响，轴手性噻嗪类化合物的R构型的抗菌活性优于S构型。

表2 轴手性噻嗪类化合物抗水稻白叶枯病菌活性

续表2

二茂铁及其衍生物具有一个三明治结构，当2 个以上不同官能团被引入到同一个环戊二烯上，就可以产生平面手性。平面手性二茂铁衍生物在合成化学和药物研究中已有探索。例如，(R,Sp)-二甲苯已被用作手性除草剂(S)-异丙草胺生产中的配体[9]。具有平面手性的二茂铁氯喹(ferroquine)是一种抗疟疾试剂，已在联合治疗疟疾的II 期临床试验中获得进展[10]。基于二茂铁的衍生物广泛存在于医药、农药、配体以及高分子材料等多种功能分子中，对于二茂铁进行结构修饰及功能转化是有机合成领域的热门课题。因此，开发高效和立体选择性的方法来获得平面手性二茂铁衍生物具有重要意义。

在此，笔者开发了一种基于二茂铁的平面手性多功能分子的不对称合成有机催化方法[11](图5)。氮杂环卡宾(NHC)用作前手性二茂铁二甲醛14a 的对映选择性不对称化的唯一有机催化剂。加入手性NHC 催化剂后，以可逆的方式形成2 个非对映异构的Breslow 中间体III 和Ⅳ。中间体Ⅳ由于立体原因比中间体III 更容易形成，并且可以在温和条件下氧化得到手性酰基唑鎓中间体V。2-硝基苯酚15a 用作酯化试剂。

图5 二茂铁平面手性分子不对称合成的有机催化方法及其机理

笔者以非手性的二茂铁二醛14a 和邻硝基苯酚15a 为模型反应底物进行条件优化，在选用NHC E为催化剂，苯甲酸钠为碱，四氢呋喃为溶剂，于-20 ℃搅拌48 h 可以得到最优的反应结果。随后对反应的普适性进行了考察，并通过此方法以较好的收率和立体选择性合成了一系列平面手性二茂铁衍生物，并且对目标产物在合成化学中的应用进行了考察(图6)。平面手性二茂铁衍生物中的醛基和酯基可通过简单转化，生成10 余种光学纯的平面手性功能分子。这些多功能平面手性分子化合物可用作平面手性催化剂或配体，应用于不对称合成中并取得了较好反应效果。分别采用浑浊度法和含毒介质法[12]，测试了所得平面手性二茂铁化合物16l、16s 和18b等对细菌柑橘溃疡病菌和真菌辣椒炭疽病菌的离体抑菌活性(表3)，结果显示化合物16l、16s 和18b 对柑橘溃疡病菌的抑制活性优于杀菌剂噻菌铜，化合物16l 对柑橘溃疡病菌的抑制活性与噻菌铜相当。

表3 面手性二茂铁化合物的抗细菌和抗真菌活性

图6 面手性二茂铁化合物的底物拓展

化学药剂是植物保护的重要和有效的手段，随着人们对手性认识的加深，手性农药的开发已经成为绿色农药创新的热点。针对手性农药制备中催化剂效率低、手性农药生产成本高的问题，构建温和高效的催化体系实现手性农药分子的清洁制备至关重要。此外，随着有机化学领域内轴手性和面手性活性分子的高效构建策略的发展，也将带动相关功能分子在手性农药领域的研究。

综上所述，农药分子手性结构的创新和绿色农药清洁生产工艺的开发是绿色农药创制与应用的关键科技问题，大力开展相关科学研究对于有效预防和控制植物病虫害导致的作物损失，确保我国粮食安全和食品安全具有重要意义。