本发明属于有机化合物合成及农药应用技术领域，具体涉及一类N-1,N-3双取代的2,4-咪唑啉二酮及其制备方法与应用。
背景技术：
许多2,4-咪唑啉二酮类化合物具有良好的除草活性，例如：Thibault[Thibault T D.2,4-Imidazolidinediones,compositions and herbicidal method.US 4345935,1982]以氨基酸为原料合成结构通式为1的系列目标产物，其结构式如下：
在8.9kg/ha剂量下，大部分化合物对狗尾草、猪尾草、马唐、牵牛花等具有很好的防治效果。
Theodoridis[Theodoridis G.Phosphorylaminophenylhydantoin herbicides.US 4902338,1990]合成出2,4-咪唑啉酮的磷酰胺类衍生物2，其结构式如下：
在1.0kg/ha的剂量下，一些化合物对牵牛花、荠菜、稗草、绒毛叶草等杂草的生长抑制率在90％以上。
Kenji,Tomoyuki,Hira等人[Tomoyuki Y,Kazuhisa I,Tomoko Y.Kenji H,Natsuki O,Takuya U.Preparation of bicyclic hydantoins as herbicides.JP 11171888,1999,Kenji H,Natsuko O,Ryuta O.Tomoyuki Y,Kazuhisa I,Tomoko Y,Sadayuki U,Osamu Y,Takuya U.Preparation of bicyclic hydantoin derivatives as herbicides.WO 9811107,1998,Kenji H,Tomoko Y,Natsuko O.Kazuhisa I,Tomoko Y,Sadayuki U,Takuya U Herbicidal bicyclic hydantoin derivatives,intermediates and process for their preparation.WO 9747626,1997]以芳基取代的异氰酸酯和哌啶酸的脱氢衍生物为原料合成出一系列咪唑啉酮类化合物，其中化合物3的结构式如下：
在5g/亩的浓度下对稗草的抑制率为100％，并且在500ppm以下对农作物安全。
Nakajima等[Nakajima M,Itoi K,Takamatsu Y,Kinoshita T,Okazaki T,Kawakubo K,Shindo M,Honma T,Tohjigamori M,Haneishi T.Hydantocidin:a new compound with herbicidal activity from Streptomyces hygroscopicus.J.Antibiot.,1991,44(3),293～300.]人从吸水链霉菌的培养液中分离得到一种化合物Hydantocidin(4)，其结构式如下：
经过生物活性测试证明它是一种选择性的植物毒素(IC50＝0.165μM)，对稗草、马唐、狗尾草、龙葵、豚草、荨麻、香附子和莎草等多种一年生和多年生杂草显示出非常好的除草活性，其活性与草甘膦相当，并且对哺乳动物低毒。
综上，以2,4-咪唑啉二酮为母体结构开发新型除草剂已经成为国外农药公司开发的热点，但至今尚未见2,4-咪唑啉二酮商业化的除草剂品种，上述化合物1、2和3的除草活性不高，通常在200-500ppm浓度下才表现出较好的除草效果；化合物4虽然具有很好的除草效果，但是其化学合成路线很长，使用的化学试剂昂贵，收率很低，不适合工业化生产。因此，开发新的能够商业化应用的2,4-咪唑啉二酮类除草剂是目前亟待解决的问题。
技术实现要素：
针对上述现有技术，本发明的目的是提供一类N-1,N-3双取代的2,4-咪唑啉二酮及其制备方法与应用，该化合物结构新颖，对稗草、油菜等具有明显的抑制作用，可作为除草剂，其应用前景广阔。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种N-1,N-3双取代的2,4-咪唑啉二酮化合物，其结构如式I所示：
其中，R1为苯基，取代苯基，苄基，取代乙基，环戊基或正己基；R2为氢或者短链脂肪烃；R3为取代苯氧乙酰基。
优选的，R1中，所述取代苯基为氯、氟、溴、甲基、硝基或甲氧基取代的苯基；所述取代乙基为2-氯乙基。
优选的，R2中，所述短链脂肪烃为甲基、乙基、2-巯甲基乙基、异丙基或异丁基。
优选的，R3中，所述取代苯氧乙酰基为2,4-二氯苯氧乙酰基、4-氯苯氧乙酰基或4-氟苯氧乙酰基。
上述化合物的实例如下：
1-(2,4-二氯苯氧乙酰基)-3-苯基-5-异丁基-2，4-咪唑啉二酮(H1)；
1-(2,4-二氯苯氧乙酰基)-3-苯基-5-异丙基-2，4-咪唑啉二酮(H2)；
1-(2,4-二氯苯氧乙酰基)-3-苯基-5-(2-巯甲基乙基)-2，4-咪唑啉二酮(H3)；
1-(2,4-二氯苯氧乙酰基)-3-(4-氯苯基)-5-异丁基-2，4-咪唑啉二酮(H4)；
1-(2,4-二氯苯氧乙酰基)-3-(4-氯苯基)-5-异丙基-2，4-咪唑啉二酮(H5)；
1-(2,4-二氯苯氧乙酰基)-3-(4-氯苯基)-5-(2-巯甲基乙基)-2，4-咪唑啉二酮(H6)；
1-(4-氯苯氧乙酰基)-3-苯基-5-异丁基-2，4-咪唑啉二酮(H7)；
1-(4-氯苯氧乙酰基)-3-苯基-5-异丙基-2，4-咪唑啉二酮(H8)；
1-(4-氯苯氧乙酰基)-3-苯基-5-(2-巯甲基乙基)-2，4-咪唑啉二酮(H9)；
1-(4-氯苯氧乙酰基)-3-(4-氯苯基)-5-异丁基-2，4-咪唑啉二酮(H10)；
1-(4-氯苯氧乙酰基)-3-(4-氯苯基)-5-异丙基-2，4-咪唑啉二酮(H11)；
1-(4-氯苯氧乙酰基)-3-(4-氯苯基)-5-(2-巯甲基乙基)-2，4-咪唑啉二酮(H12)；
1-(4-氟苯氧乙酰基)-3-(4-氯苯基)-5-异丙基-2，4-咪唑啉二酮(H13)；
1-(4-氟苯氧乙酰基)-3-(4-氯苯基)-5-(2-巯甲基乙基)-2，4-咪唑啉二酮(H14)；
1-(4-氟苯氧乙酰基)-3-苯基-5-(2-巯甲基乙基)-2，4-咪唑啉二酮(H15)；
1-(4-氟苯氧乙酰基)-3-苯基-5-异丙基-2，4-咪唑啉二酮(H16)。
上述优选的16个化合物名称后的括号中为其相应的代号，为叙述方便和表达简洁，上述括号中的代号在本说明书以下内容中将被直接应用。
本发明另外提供了制备式I化合物的方法，它们可以如下面详述地得到。
式I所示的化合物的制备方法包括：在溶剂中，使N-3位，C-5位取代的2,4-咪唑啉二酮与酰氯反应，生成式I所述的化合物；
所述溶剂为三乙胺和二氯甲烷的混合溶液。
优选的，N-3位，C-5位取代的2,4-咪唑啉二酮为3-取代芳基-5-烷基-2,4-咪唑啉二酮。
优选的，所述酰氯选自2,4-二氯苯氧乙酰氯、4-氯苯氧乙酰氯或4-氟苯氧乙酰氯。
上述制备方法中，N-3位，C-5位取代的2,4-咪唑啉二酮与酰氯加入的质量比为(1-1.5):1。
上述制备方法中，所述N-3位，C-5位取代的2,4-咪唑啉二酮可以参照现有方法制备，例如参照US4076941,Process for the preparation of 1-carbamoyl-3-(3,5-dichlorophen yl)-hydantoins所提供的方法制备。
本发明还提供上述N-1,N-3双取代的2,4-咪唑啉二酮在制备除草剂中的用途。
本发明还提供一种除草剂，其含有有效量的N-1,N-3双取代的2,4-咪唑啉二酮。
本发明化合物是以2,4-咪唑啉二酮作为先导化合物，对其进行结构改造，通过在2,4-咪唑啉二酮的N-1位和N-3位分别引入苯基、取代苯基、苄基、取代乙基、环戊基或正己基和取代苯氧乙酰基基团，得到系列化合物，上述取代基团的引入综合考虑了引入基团后的空间位阻效应、不同活性的取代基团之间的相互作用，经除草活性验证，本发明的经结构改造后化合物与原化合物相比，其除草活性明显提高。
本发明的有益效果：
(1)本发明的N-1,N-3双取代的新型2,4-咪唑啉二酮对稗草、油菜等具有显著的抑制作用，可作为除草剂，其应用前景广阔。
(2)本发明化合物的合成工艺简单，反应条件温和，产品收率高，有利于实现工业化生产。
具体实施方式
结合实施例对本发明作进一步的说明，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
实施例中未详细描述的方法、试剂等，均为所属领域常规方法、试剂。
实施例1：N-1,N-3双取代的2,4-咪唑啉二酮的合成(H系列化合物的合成)
(1)3-取代芳基-5-烷基-2,4-咪唑啉二酮的合成
以3-(4-氯苯基)-5-异丙基-2,4-咪唑啉二酮的合成为例：
在150m L三颈瓶中，加入0.1mol的缬氨酸11.7g，0.11mol的固体NaOH 4.4g，蒸馏水100mL，搅拌溶解均匀，滴加0.1mol(15.4g)的4-氯苯基异氰酸酯的丙酮溶液(30mL)，30min滴加完毕，室温下搅拌20min后升温到40℃继续搅拌2h，过滤除去不溶物。滤液用浓盐酸调至pH接近为1时有大量白色固体析出，析出的固体转移至三口烧瓶中，加入160mL 20％的盐酸，加热至106-110℃回流1-2h。用蒸馏装置浓缩反应液，放置冷却过夜，析出固体，过滤后，用蒸馏水洗至中性，真空千燥后称重得白色粉末状固体20.4g，收率：80.5％。
m.p.1H NMR(DMSO,300MHz):δ:10.42(s,1H)；7.82-7.43(m,4H)；4.19(s,1H),2.55-2.29(m,1H),1.12(d,3H),1.99(d,3H)。
上述结果表明白色粉末固体的结构为：
(2)N-1,N-3双取代的新型2,4-咪唑啉二酮的合成
以1-(2,4-二氯苯氧乙酰基)-3-(4-氯苯基)-5-异丙基-2，4-咪唑啉二酮的合成为例：
在装有磁力搅拌、低温温度计、氯化钙干燥管及恒压滴液漏斗的150mL的三颈瓶中，加入3mmol的中间体3-(4-氯苯基)-5-异丙基-2,4-咪唑啉二酮0.76g，6mmol的三乙胺0.6g和20ml的二氯甲烷,冰盐浴冷却至零摄氏度左右。搅拌下滴加3mmol的2,4-二氯苯氧乙酰氯0.73g和15mL二氯甲烷的混合液，30min.滴毕。撤除冰盐浴，使反应液慢慢回升到室温，继续搅拌反应2-3h,TLC跟踪反应过程至原料反应完毕。先用饱和NaHCO3溶液洗涤两次至碱性，然后用10mL二氯甲烷萃取两次，再用饱和食盐水和蒸馏水各淋洗一次，所得有机相用无水NaSO4干燥过夜。过滤、减压脱干溶剂，残余物用干燥的二氯甲烷和无水乙醚(2:1，体积比)重结晶，真空干燥后得到白色固体1.13g，收率82.5％。
m.p.1H NMR(CDCl3,300MHz):7.48(dt,J 1＝8.7Hz,J 2＝2.7Hz,2H),7.41(d,J＝2.7Hz,1H),7.30(dt,J 1＝8.7Hz,J 2＝3.0Hz,2H),6.81(d,J＝8.7Hz,1H),7.16(dd,J 1＝8.7Hz,J 2＝2.7Hz,1H),4.68(d,J＝3.3Hz,1H),5.31(s,2H),2.63～2.78(m,1H),1.23～1.28(m,3H),0.97(d,J＝6.9Hz,3H)。
上述结果表明白色固体的结构为：
3-取代芳基-5-烷基-2,4-咪唑啉二酮与不同的酰氯按照上述方法合成了H系列化合物，该系列化合物的理化性质见表1，红外(IR)、核磁(1H NMR)数据见表2。
表1系列化合物的理化性质
注：表中的收率是指以N-3位，C-5位取代的2,4-咪唑啉二酮作为起始物合成目标产物的收率。
表2红外(IR)、核磁(1H NMR)数据
实施例2：H系列化合物的生物活性测定
测定步骤如下：
(1)对株高的活性测试采用小杯法：用电子天平称量5-10mg待测样品，加1ml丙酮溶解，加蒸馏水配制100ppm的药剂溶液。50mL的小烧杯中铺好玻璃珠和滤纸后，加入100ppm的供试化合物溶液各5mL，播种刚刚露白的稗草、油菜种子10粒。28±1℃下，光照培养72小时后测定小苗的高度。通过光照条件下化合物对幼苗株高的生长抑制来检测化合物的除草活性。用上述方法，不用药样溶液，直接用蒸馏水作培养液，作为空白对照；用相同的方法配制2,4-二氯苯氧乙酸作为对照药剂。每个处理设10个重复，实验重复3次，结果以平均值计。
(2)对根的活性测试采用平皿法：用电子天平称量5-10mg待测样品，加1ml丙酮溶解，加蒸馏水配制100ppm的药剂溶液。直径6cm的培养皿中铺好一张直径6cm的滤纸，加入2毫升100ppm的供试化合物溶液，播种浸种4小时的稗草、油菜种子10粒。28±1℃下，黑暗培养72小时后测定胚根长度。通过黑暗条件下化合物对胚根的生长抑制来检测化合物的除草活性。用上述方法，不用药样溶液，直接用蒸馏水作培养液，作为空白对照；用相同的方法配制2,4-二氯苯氧乙酸作为对照药剂。每个处理设10个重复，实验重复3次，结果以平均值计。
H系列化合物对油菜和稗草的抑制作用见表3。
表3 H系列化合物对油菜和稗草的抑制作用
表3的结果表明，化合物H3、H4、H6、H8、H9、H11、H13、H14、H15、H16对稗草的生长具有显著的抑制作用，抑制效果优于对照药剂2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明批露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。