部分内容展示

摘  要：硝磺草酮具有稳定、优秀的产品性能，是中国乃至全球杰出的玉米田除草剂，在玉米田阔叶杂草、恶性杂草及抗性杂草防除方面发挥了重要作用，在我国具有较大的开发价值及较好的推广使用前景。但是现有硝磺草酮的生产工艺还存在较大的环境污染和安全风险，有必要对其合成路径进行改进。本文对硝磺草酮在化学除草剂中的合成进行研究，通过实验研究和理论文献分析，优选了其中最可行的生产工艺路线，即：以2-硝基-4-甲磺酰基苯甲酰氯为原料，二氯乙烷为溶剂，三乙胺为缚酸剂，与1，3-环己二酮是液体经缩合重排反应得目的产物硝磺草酮。通过这一工艺流程，硝磺草酮产品收率为87%，达到了理想效果。
关键词：硝磺草酮；合成；工艺；除草剂；更多范文

1.1除草剂

除草剂（herbicide）是指可使杂草彻底地或选择地发生枯死的药剂。纵观当今世界的发展趋势，化学除草作为一种经济有效的除草方式，已被广泛接受，主要以发展高效、低毒、广谱、低用量的品种，对环境污染小的一次性处理剂为主流。目前登记的除草剂种类有很多，例如乙草胺、异丙甲草胺、草甘膦、西玛津、丁草胺、莠去津（阿特拉津）、禾草灵、烟嘧磺隆、2.4-D丁酯、敌草快、百草枯等，不同的除草剂适用的作物及施用浓度和方法不同。
按照除草剂在植物体内的移动途径可分为触杀型、内吸传导型除草剂。触杀型只能杀死杂草与其直接接触的那部分，不能内吸传导，所以对杂草的地下部分无效果，如除草醚、百草枯，这类除草剂对有地下茎的多年生杂草效果很差。内吸传导型除草剂能被植物的根、茎、叶吸收，并传导到植物体的各个部分，使其死亡，如草甘膦和除草净等。
根据作用方式，也可以将除草剂分为选择性除草剂和灭生性除草剂，一般灭生性除草剂主要在播种前、出苗前使用，主要因为其对所有植物都有毒性，只要接触，都会被杀死，例如草甘膦。而选择性除草剂对于不同的作物，抗性的程度也不同，因此可以杀死杂草，不会伤害农作物。这类除草剂可以在苗前和苗后使用，如西玛津、禾草灵等。
此外，还可以根据施药对象、剂型和化学结构进行分类。化学除草剂种类繁多，应根据不同的作物和杂草类型选择合适的除草剂。
玉米不仅是我国重要的粮食作物，同时也是总产量居全世界第一的粮食作物，我国的玉米种植面积有3亿亩左右，我国的玉米品种有黄玉米和白玉米2种，我国粮食和饲料资源的储备主要来自我国北方大面积大范围的种植。在玉米的整个生长周期中，玉米田间杂草会与玉米竞争阳光，养分和生长空间等，同时由于玉米的正常生长和养分供给受到阻碍会滋生玉米的病虫害，如果得不到及时铲除和防治，会严重影响玉米的产量和品质。玉米田中田间杂草的防治手段主要还是依靠化学防治。在我国进入60年代以来，我国玉米田中开始大量的使用2，4-滴和莠去津等除草剂（苏少泉2008）。20世纪90年代，莠去津、乙草胺和百草枯等是我国玉米田的主要使用的化学除草剂。我国的间种、套种和轮作较为复杂，由于除草剂种类单一而又长时间的使用，会产生严重的食品环境安全问题（张敏恒2002）。最近几年，玉米田中开始使用以HPPD为靶标的三酮类除草剂，例如硝磺草酮和磺草酮等（陈志石2008）。除草剂的大量使用已经对食品和生态环境的安全问题造成了巨大影响。

1.2硝磺草酮

70年代中期从来自澳大利亚与美国加州的桃金娘科（Myrtaceae）红千层（Callistemon citrinus）植物中分离出了一种挥发性油类植物毒素纤精酮（Leptospermone），这是一种多聚乙酰天然产物，用量1000ga.i/hm²，对若干阔叶与禾本科杂草具有中等除草活性，杂草产生白化症状，而玉米对其具有耐性；1980年，以此化合物为基础的若干人工合成衍生物及其除草活性取得了专利。1982年发现NTBC[2（2硝基4三氟甲基苯甲酰基）环己烷1，3二酮]具有类似的白化活性，而且，其活性大于纤精酮，从此以NTBC作为先导化合物进行结构改造与修饰，Stauffer公司首先发现了三酮类除草剂的第一个高活性化合物SC0051，其后ICI公司继续研究，最后由Zeneca公司西方研究中心于1991年开发成功磺草酮（sulcotrione），并于1993年首次注册在欧洲用来选择性防除玉米田阔叶杂草。硝磺草酮（mesotrione）则是通过磺草酮结构修饰而开发的另一个三酮类除草剂品种，其生物活性超过磺草酮10倍以上，更具有开发潜力与竞争性，2000年在欧洲登记。它以商品名Callisto于2001年开始在德国与奥地利销售，由于其对环境友好，2001年通过美国环境保护局的批准，其单剂及混合制剂于2002年在欧盟各国与美国销售（MitchellG，2001）。该类除草剂的开发过程见图1-1。
 
图1-1 三酮类除草剂的开发过程（苏少泉，2000）

1.2.1硝磺草酮性质

硝磺草酮（mesotrione），又名硝磺草酮，化学名称为：2-（4-甲磺酰基）-2-硝基苯甲酰）-1，3-环己二酮，分子式C₁₄H₁₃NO₇S，相对分子质量339.32。纯品外观为浅黄色固体，蒸汽压<5.7×10-6Pa（20℃），熔点为165.3℃，密度1.46g·mL^-1（20℃）；硝磺草酮呈弱酸性，pKa为3.12（20℃）；硝磺草酮易溶于水，溶解度依赖于水溶液的pH，20℃水中溶解度为：2.2g·L^-1（pH4.8），15g·L^-1（pH6.9），22g·L^-1（pH9.0）；pH4～9时抗水解，相对稳定；在有机溶剂中的溶解度（g·L^-1）：乙腈117.0，丙酮93.3，二氯甲烷82.7，1，2-二氯乙烷66.3，乙酸乙酯18.6，甲醇4.6，甲苯3.1，二甲苯1.6，正庚烷<0.5。
硝磺草酮主要用于防除玉米田阔叶杂草和部分禾本科杂草（Mitchell et al.，2001），它是通过间接抑制类胡萝卜素的合成而引起敏感性杂草出现明显的白化或黄化现象而死亡（Black et al.，1999；James et al.，2006； Lee et al.，1997）。硝磺草酮可在芽前土表处理或苗后茎叶喷雾，药剂被根部或叶面吸收，由木质部和韧皮部传导，杂草对硝磺草酮的吸收和输导比玉米茎叶快，藜在苗后茎叶喷药后，其吸收量的48%会从叶片传至其它部位，而玉米仅有14%传至其它部位，并且玉米对药剂吸收缓慢，且通过体内的P450酶将药剂代谢为无活性的物质，因此硝磺草酮在玉米田中具有非常强的生理选择性、输导性和安全性（James et al.， 2006）。硝磺草酮为快速内吸性除草剂，施药后1h降雨，对药效无影响；而表面活性剂又可促进植物对药剂的吸收而增强药效；温度也可影响药效的发挥，温度越高，越有利于硝磺草酮药效发挥（高爽等，2004）。史伟等（史伟等，2010）采用室内生物测定法研究了硝磺草酮茎叶喷施对杂草的活性，结果表明，硝磺草酮悬浮剂对反枝苋杂草活性最高，对藜次之，并且发现低叶龄杂草对药物敏感，随着叶龄增大，敏感性减弱，因此，在硝磺草酮田间使用时，应充分考虑杂草叶龄，选择合适的叶龄期和合适的剂量施药。王新生等（王新生等，2010）通过硝磺草酮10%悬浮剂+莠去津38%悬浮剂对玉米地杂草的药效试验，结果发现，该药对玉米田杂草防除效果好，施药后7d大部分杂草已枯萎，施药后14d田间大部分杂草死亡，总防效达98.7%，并且防效性、速效性、安全性均高于参试药剂硝磺·莠去津550g·L^-1悬浮剂和烟嘧·莠去津52%可湿性粉剂。硝磺草酮茎叶喷雾使用时，应尽量避免与特丁硫磷杀虫剂同时施用（Jewett et al.，2008）。还有研究表明，氮肥的施用可以提高硝磺草酮的除草药效，氮肥的施用时间很关键，应与硝磺草酮同时或间隔尽可能短的时间施用（Beck et al.，2015）。
同一药剂防治同一种病虫害及杂草时，由于地区环境条件不同，其防治效果差异较大，环境因子不仅影响病、虫、草等有害生物的生长发育及其行为和各种生理活动，也影响了药效的发挥和对作物的安全（徐汉虹，2010）。因此，建议硝磺草酮的使用应考虑地域差异，在我国北方春玉米种植地区建议硝磺草酮最好进行茎叶喷雾，而华北及华中的夏玉米则既可茎叶喷雾，也可进行土壤处理（苏少泉，2004）。

1.2.2硝磺草酮合成路线

硝磺草酮的合成路线非常多，主要是根据起始原料来确定合成路线，其结构主要包括酮类和芳环两部分的合成，其结构如图所示。
 
图1-2 硝磺草酮结构式（方卫明，2008）
左边酮类结构主要由1，3~环己二酮提供，右边芳环则根据起始原料不同，大致经过还原烷基化、氯（硝）化、氧化、酰化等步骤来合成提供。硝磺草酮原药合成，一般是先得到中间体对甲基苯甲砜，然后稍化得到中间体3-硝基-4-甲基苯甲砜，再经氧化得到2-硝基-4-甲砜基苯甲酸，再硝化得到2-硝基-4-甲砜基苯甲酰氯，最后得到原药；硝磺草酮原药的合成经过碱化、缩合、重排三步（如图1-3所示）（Paul，2003；Stephenetal，1999；苏少泉，2004；Brown，1999）。
 
图1-3 硝磺草酮酮合成过程（Brown，1999）

1.2.3硝磺草酮作用机理

硝磺草酮是对羟基丙酮酸双加氧酶（HPPD）的抑制剂，此种酶广泛的存在于各种有机体内，可以将酪氨酸转化为质体醌。质体醌是八氢番茄红素去饱和酶的辅助因子，是类胡萝卜素合成的关键酶，因此硝磺草酮能阻止叶绿素的合成。种子、幼根、幼芽与叶片均可吸收，由木质部和韧皮部进行传导，使用硝磺草酮3-5天后，杂草迅速吸收，到达分生组织后，可造成杂草白化，两个星期后遍及整株植物。玉米因其叶片吸收比杂草缓慢，吸收及传导剂量低，即使吸收了也能快速将其代谢为无活性的化合物，因此硝磺草酮对玉米不会产生伤害。
植物体内HPPD可以催化生育酚和质体醌的合成的第一步反应，将对羟苯基丙酮酸催化转化成尿黑酸，并放出二氧化碳。植物所含有的尿黑酸既是酪氨酸分解产生的物质，又是一种光合色素重要的组成物质。它的合成分为脱羧、双氧化和丙酮酸侧链的重新排列。在合成中，HPPD是二聚体形式成为重要的催化物质（Bradley F C et al.，1986）。所以如果HPPD活性受到抑制，那么生育酚的含量便会随之减少，生育酚是植物细胞膜的一种主要的抗氧化剂，对于植物的新陈代谢具有很重要的作用；质体醌是植物光合作用的重要电子的传递载体，在生物合成类胡萝卜素时，还是八氢番茄红素去饱和酶的关键辅因子（Norris S R et al.，1995）。类胡萝卜素既是光吸收体，又能减弱单线态氧或三线态叶绿体的激发，使叶绿体不受光氧化的损害。HPPD 的抑制会减少植物类胡萝卜素，出现白化症状。硝磺草酮在植物体的不同发育阶段作用机理，如图1-4所示（Kim J S et al.，2002）。Kim J S et al.（2002）等研究表明硝磺草酮除草的效应可能是由于其间接阻碍光合作用过程中电子传递的结果。硝磺草酮可以迅速降低光系统Ⅱ（PSⅡ）量子，从而类囊体中的2，6-二氯酚靛酚下降，表明硝磺草酮是Hill反应过程的有效抑制剂。硝磺草酮化学结构中，在C2和C4位上的苯甲酰是影响除草剂除草活性的重要物质，环己二酮的存在可以强烈吸收电子，能减慢植物解毒的速率（Mitchell G et al.，2001）。
 
图1-4 质体醌、α 生育酚生物合成与硝磺草酮作用靶标
玉米之所以对其具有抗性是因为：（1）玉米叶片对硝磺草酮的吸收速度比杂草对其的吸收速度慢，吸收与传导的剂量也比杂草少得多，在对黎施药后其吸收量的48%会从施药叶片传导至其它部位，而玉米只有吸收量的14%会传导至其它部位。（2）不同植物HPPD对硝磺草酮的敏感性不同，如单子叶植物小麦HPPD对硝磺草酮的敏感性要比阔叶杂草低数百倍。（3）玉米在吸收硝磺草酮后能迅速通过代谢作用使其失去生物活性，尤其是通过细胞色素P450催化的4-经基化作用。

1.2.4硝磺草酮的应用

硝磺草酮能够抑制羟基苯基丙酮酸酯双氧化酶（HPPD）的活性，可以作为芽前和苗后广谱选择性除草剂。硝磺草酮是玉米、甘蔗及冬小麦田杂草的广谱除草剂，芽前土壤处理每公顷用量100～225g，苗后茎叶喷雾用量为70～150g（Rouchaud J.，et al，1998）。硝磺草酮对人类属于低毒的一类除草剂，而且对玉米的安全性指数也很高。据报道，在夏玉米田中硝磺草酮有效用量为97.5~150ga.i./hm²时能够有效的提高玉米的产量，幅度能达到8%～13%（杨剑波，2006）。40%硝磺草酮在国外也可以用来防除草坪中的狗牙根、早熟禾、黑麦草和高羊茅等杂草（Mitchell G，et al，2001）。
硝磺草酮土壤处理或茎叶处理对玉米的选择数大于4，说明其对玉米的安全性好。高剂量下处理，对玉米的药害症状表现为叶部白化现象，因不同类型玉米的敏感性不同，叶片白化的程度也有所不同，以甜玉米和爆裂玉米较敏感。硝磺草酮在正常使用剂量下，对玉米安全。国外研究结果表明，玉米对硝磺草酮的抗性是因为玉米对药剂的吸收速度缓慢；单子叶植物如小麦体内HPPD酶对硝磺草酮的敏感性比阔叶杂草低数百倍；玉米能快速的将硝磺草酮降解为无活性的化合物，特别是通过P450（细胞色素）催化的4-羟化基化作用。硝磺草酮是商业化开发的第二个三酮类除草剂，与磺草酮相比，其除草活性明显提高，与环境相容性好，因此，硝磺草酮的开发与商业化具有重要的意义。
硝磺草酮杀草速度快，2-3天即可见效，对磺酞脉类除草剂产生抗性的杂草有特效，在土壤湿润、气温相对较高时，有利于杂草对药剂的吸收。其使用方法主要分三种：（l）硝磺草酮土壤处理：在1-9月，对大部分供试阔叶杂草防效达90%，对禾本科杂草防效80%以上。硝磺草酮的生物活性约为同类药剂磺草酮的2倍。（2）硝磺草酮茎叶处理：在100g/hm2时，对阔叶杂草的防效可达90%，对禾本科杂草的防效达70%。硝磺草酮茎叶处理的生物活性约为同类药剂磺草酮的3倍。（3）硝磺草酮混配莠去津，弥补增效硝磺草酮对禾本科杂草的药效，加入莠去津后能明显提高对禾本科杂草的防效，降低硝磺草酮用量。

1.3研究目的与意义

杂草是导致农作物减产、品质下降最主要的生物因素，严重威胁农作物生产，每年导致大量的经济损失，对国民经济的诸多领域也造成严重的影响和损失。目前杂草防治以化学除草剂防治为主，但大量、不科学的使用除草剂，导致抗性杂草的产生，世界上使用的主流除草剂皆有抗性杂草出现的报道。当前商品化的转基因抗除草作物都只是抗一种除草剂，这会造成长期大面积使用单一除草剂，加大抗性杂草产生的风险。
随着人类社会的发展、科学技术水平的不断提高，农药对人类生活的影响越来越大。合理的使用农药可以提高粮食产量，但过量的使用会造成严重的环境污染，并导致许多遗传疾病。硝磺草酮具有稳定、优秀的产品性能，是中国乃至全球杰出的玉米田除草剂，在玉米田阔叶杂草、恶性杂草及抗性杂草防除方面发挥了重要作用，开启了玉米田苗后安全、快速除草的新时代，在我国具有较大的开发价值及较好的推广使用前景。但是现有硝磺草酮的生产工艺还存在较大的环境污染和安全风险，有必要进行改进。因此，本文对硝磺草酮在化学除草剂中的合成进行研究，主要探索硝磺草酮的合成工艺，旨在为硝磺草酮的广泛应用提供参考。