一、含氟除草剂品种
1. 嘧氟磺草胺和氟酮磺草胺
嘧氟磺草胺和氟酮磺草胺属于含有二氟甲基磺酰胺基团的磺胺嘧啶类除草剂(见图1)。
嘧氟磺草胺是由日本组合化学公司发现并开发的一种新型苗前、苗后水稻田除草剂。使用剂量为50~75ga.i./hm2,该化合物对一年生禾本科杂草、莎草、阔叶和抗磺酰脲类杂草具有广谱杂草控制作用,对水稻不造成植物毒性伤害,对鱼类、蚤类等水生生物和环境安全。Takumi等总结了N-(嘧啶-2-基羰基苯基) 磺酰胺及其衍生物的不同合成路线,并对磺酰基上取代基进行了构效关系研究。结果表明,含CF2H取代基的磺胺类化合物具有较强的除草活性和广谱性。嘧氟磺草胺的合成方法见图2,以3-(甲氧基甲基)-2-硝基苯乙腈为原料与4,6-二甲氧基-2-甲磺酰基嘧啶反应,所得中间体经由氧化、两步还原、取代反应最终得到嘧氟磺草胺。
氟酮磺草胺是拜耳公司发现和开发的一种新型苗前、苗后除草剂,使用剂量为20~50ga.i./hm2。主要的目标杂草是禾本科杂草、莎草和阔叶杂草,在生物体内无潜在积累作用。氟酮磺草胺和嘧氟磺草胺的作用机理相似,都是抑制乙酰乳酸合成酶。
氟酮磺草胺的合成方法见图3,由2-氟苯胺和(甲硫基)乙酸甲酯通过Gassman反应合成相应的7-F-吲哚-2-酮。经还原消除掉甲硫基后,与2-氯-4,6-二甲氧基三嗪经过亲核取代反应得到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碱性条件下相当不稳定,在N-甲基咪唑作为碱的条件下实现了吲哚酮的二氟甲基磺化。吲哚酮经FeSO4/H2O2氧化后进一步生成相应的酮,最终经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苄基硫醇通过2步反应合成(见图4),是一种已经商业化且易得的中间体。
2. 三嗪氟草胺和茚嗪氟草胺
三嗪氟草胺(见图5)是日本Idemitsu Kosan公司开发的新型均三嗪类除草剂,主要用于稻田苗前和苗后防除禾本科杂草和阔叶杂草,使用剂量为100~200ga.i./hm2。其2006年上市,三嗪氟草胺可抑制杂草的光合作用、微管形成及纤维素形成,具有全新的除草机制,这个特点有利于延缓杂草抗性的形成。其合成方法见(见图6),该合成路线的重要原料2-氟异丁酸乙酯由2-羟基异丁酸乙酯与氟化氢反应制得,但该氟化反应易导致消除情况从而使收率变低。
2011年,拜耳公司推出了一种新的活性成分茚嗪氟草胺,这是一种纤维素生物合成(CBI)的高效抑制剂,为苗前、苗后除草剂,可用于控制柑橘、葡萄、果树、坚果树等固定作物的杂草。如工业种植园,多年生甘蔗,草坪以及高尔夫球场、草皮农场、休闲草皮、观赏、非作物区、圣诞树农场及林地,该除草剂对生物体安全。茚嗪氟草胺在防治杂草的施用量和施药谱方面取得了重大突破,但该化合物包含3个手性中心,使得茚嗪氟草胺的合成成为是一个化学难题。
茚嗪氟草胺的中间体(1R,2S)-2,6-二甲基-2,3-二氢-1H-茚-1-胺由2,6二甲基-2,3-二氢-1-茚酮作为起始原料,通过还原胺化反应得到(见图7)。
手性2-F-丙酸或其酯的合成从天然乳酸酯开始,经OH/F对映选择性取代得到。1993年报道的第1种方法是在N,N-二甲基甲酰胺中用KF对甲磺酸酯进行氟化,因反应过程会生成丙烯酸甲酯需要进行繁琐的纯化,导致收率较低(见图8)。
后来,Cost-efficient开发了几种具有成本效益的路线,可以得到成吨规模的2-F-丙酸酯。其中一种最有效的方法为：使用SO2F2或SOCl2活化OH基团,然后与HF反应,具有极好的原子经济性(见图9)。
在2007年,拜耳还申请了一项关于氟烷基胺试剂的专利,四氟乙基二甲胺(TFEDMA)用于乳酸对映体选择性一步去氧氟化,收率为75%-80%,对映选择性非常高,见图10。
茚嗪氟草胺的合成路线见图11,异丙醇铝作为路易斯酸加入到反应混合物中,在相对温和的反应条件下,促进了双胍的生成,并最终获得了茚嗪氟草胺三酮,收率高,纯度好。
3. 氟氯吡啶酯和氯氟吡啶酯
氟氯吡啶酯和氯氟吡啶酯均为美国陶氏益农公司开发的芳基吡啶酯类化合物(见图12),是植物激素类除草剂,通过与植物体内受体激素结合,刺激细胞过度分裂,阻塞传导组织,导致植物营养耗尽死亡。氟氯吡啶酯主要适用于谷物田,包括大麦、小麦、大麦黑麦等,苗后防除多种阔叶杂草以及恶性杂草,使用剂量为10~20ga.i./hm2,对哺乳动物安全,急性、慢性毒性低,对水稻安全性高；氯氟吡啶酯主要适用于水稻田,可有效防治千金子、稗草等阔叶杂草,为苗前、苗后除草剂,使用剂量为33.3~66.7ga.i./hm2,该除草剂对环境友好,对其他生物体安全。
氟氯吡啶酯的合成主要有两条路线,路线一以4-氯2-氟-溴苯为原料,经由羟基化、甲基化、硼酸化、Suzuki偶联等反应得到(见图13)。
路线二以2-吡啶甲酸或2-氟-4-氯-3-甲氧基苯甲醛为原料,通过制备锌试剂等和关环来构建吡啶环得到氟氯吡啶酯(见图14)。
氯氟吡啶酯的合成与氟氯吡啶酯类似,以4-氯-2-氟溴苯为原料,经由羟基化、甲基化、硼酸化、Suzuki偶联、水解、酯化等反应得目标产物(见图15)。
4. 三氟草嗪
2014年巴斯夫的除草剂三氟草嗪获得了ISO的批准。三氟草嗪为原卟啉原氧化酶(PPO)抑制剂类除草剂,通过干扰叶绿素生物合成,导致杂草死亡为苗前、苗后除草剂,使用剂量为100ga.i./hm2。该产品主要用于谷物、玉米、大豆、花生、柑橘、梨果及其他作物,防除藜、豚草、野生萝卜、黑麦草、猫耳草等禾本科杂草和阔叶杂草,也用于防除一些重要的抗性杂草,如苋属、豚草属等杂草,该除草剂毒性低,对生物体安全性较高。
三氟草嗪的合成路线主要有三条,路线一(见图16)是以间氟苯酚和溴代二氟乙酰二甲胺为起始原料,经亲核取代、苯环硝化、硝基还原、氮原子酰基化、氮原子烷基化、关环等反应得到。
路线二(见图17)以5-氟-2-硝基苯酚为起始原料,经过还原、酰胺化、醚化、硝化、取代、还原、制备氰酸酯、合环八步反应制得目标物。
合成路线三(见图18)是在路线一的基础上对最后一步三嗪环合成反应进行优化,以6-氨基-2,2,7-三氟-4-丙-2-炔基-4H-苯并[1,4] 恶嗪-3-酮为中间体,一步合环制备目标物。
二、结语
总体来说,氟原子的特殊理化性质,使得含氟化合物在除草剂产品中占据着非常重要的位置。由于氟原子半径小,又具有较大的电负性,它所形成的C-F键键能要比C-H键键能大得多,明显地增加了有机氟化合物的稳定性和生理活性。另外含氟有机化合物还具有较高的脂溶性和疏水性,促进其在生物体内吸收与传递速度,使生理作用发生变化。所以很多含氟农药在性能上相对具有用量小、毒性低、药效高等特点,都使得含氟除草剂一直备受关注,也将是未来除草剂发展的重要方向。我们也期望得到更多的这种低毒,高效的除草剂品种,不光是在节约资源方面,更多的是为人体健康所考虑。所以,含氟除草剂的未来将不可估量。