对孟烷席夫碱衍生物除草活性形成机制及构效关系研究

The application of herbicides is one of the most important methods to insure agricultural production. However, synthetic herbicides are highly toxic and difficult to be biodegraded. The wide and extensive application of synthetic herbicides seriously affect the environment and ecological safety. The development and application of botanical herbicides provides an efficient channel to resolve this problem. p-Menthane skeleton compounds are the most widely distributed terpene compounds in nature. Most of them have good environmental compatibility and even herbicidal activity. Among them, cinmethylin is one of the currently known best commercial botanical herbicide. In our previous work, we proved that several p-menthane Schiff base derivatives exhibited high herbicidal activity. Based on this discovery, we intend to design and synthesize a series of p-menthane Schiff base derivatives and their analogues. The evolution of molecular structures in each reaction process will be deeply investigated. The optimal synthetic methods for various p-menthane Schiff base derivatives and their analogues were established. The relationship for the herbicidal properties of related compounds with the type of Schiff base compounds and the species of substituent groups will be discussed. The formation mechanism for the herbicidal activity of p-menthane Schiff base derivatives will be analyzed. The relationship between the herbicidal activity and the structure of Schiff base compounds will be revealed. The activity regularity for the adjustment of p-menthane Schiff base derivatives will be elucidated. Our investigation will lay solid foundations for the design and synthesis of high active botanical herbicides and high value-added utilization of turpentine and relevant natural forest resources.

施用除草剂是保障农业产量的重要手段之一，但化学除草剂毒性高、难生物降解，其大量而广泛应用严重影响了环境和生态安全，植物源除草剂的开发和应用，为此提供了一条有效解决途径。对孟烷骨架化合物是自然界分布最广泛的萜类化合物，具有良好的环境相容性，有的还有很好的除草活性，其中环庚草醚是目前已知效果最好的商业化植物源除草剂之一。前期探索研究中，我们还进一步证实了对孟烷席夫碱衍生物具有较好的除草活性，在此基础上，本项目拟设计合成一系列对孟烷席夫碱衍生物及其结构类似物，深入研究各反应的分子结构演变规律，建立不同化合物的最优合成方法，探讨相关化合物的除草特性及其与化合物类型、取代基种类间的联系，解析对孟烷席夫碱衍生物的除草活性形成机制，揭示化合物分子结构与除草活性间的构效关系，阐明对孟烷席夫碱衍生物的除草活性调控规律，为高活性植物源除草剂的设计合成以及松节油等天然林化资源的高值化利用奠定坚实的理论基础。

为探究对䓝烷席夫碱及其衍生物结构变化与除草活性间的相互关系，开发新型松节油衍生植物源除草剂，本项目设计合成了7类含氮和3类含氧，共计10大类308种含对䓝烷或类似骨架的化合物，并通过FT-IR、1H NMR、13C NMR和HRMS进行了结构表征。采用平皿法评估了相关化合物对稗草、黑麦草和油菜等的除草活性，以IC50值作为评价标准，共有86个化合物活性超过草甘膦，其中对䓝烷-1-基仲胺（I系列）、对䓝烷-7-基仲胺（K系列）、3-对䓝烯-1-基仲胺（C系列）活性更为突出，例如：I1、I3、I5、I14、I24对稗草根长抑制活性分别为草甘膦的5.2、6.4、5.8、7.9、6.8倍；K16、K18、K21、K23对稗草根长抑制活性均为草甘膦的5倍之多；14个C系列化合物对稗草茎长活性高于草甘膦，其中C11活性为其5.5倍。席夫碱、叔胺、（季）铵盐等含氮衍生物，以及2-取代-1,8-桉叶素、异丙基甲酚、N-甲基氨基甲酸酯等含氧衍生物也都具有良好的除草活性。构效关系研究发现：（1）对䓝烷骨架是发挥除草活性的必要结构，开环或去除异丙基都会导致除草活性显著下降，多环或二级取代基团的结构可能对除草活性有某种协同作用；（2）对䓝烷骨架饱和与否对除草活性影响不明显，如从对䓝烷-1-胺到3-对䓝烯-1-胺、对䓝烷-7-醛到紫苏醛，除草活性没有明显变化；（3）含氮基团类型是影响对䓝烷衍生物除草活性的重要因素，与胺基相比，席夫碱、仲胺可使除草活性增强，而磺酰胺或酰胺则致除草活性明显下降；（4）引入含极性氧原子基团对除草活性具有较好的增强作用。作物安全性评价结果表明绝大多数化合物对小麦、高粱、玉米等农作物的生长没有影响，对正常BALB/c3T3和HUVEC-C细胞无害。相关研究为高活性松节油衍生植物源除草剂设计开发奠定了理论基础，对松脂等天然资源的高效、高附加值利用具有积极意义。