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化学除草剂的使用为农业生产中杂草防治提供了极大便利并提高了农业生产效益。然而杂草抗药性问题却导致长期使用的除草剂效果降低。为应对已经出现的抗性问题,开发新型除草剂就显得非常必要。目前针对靶标,设计高活性抑制剂无疑成为新农药创制中省时、高效的方法。原卟啉原氧化酶(PPO)是植物叶绿素生物合成中的一个关键酶,是除草剂的重要靶标。尽管PPO酶抑制剂类除草剂已经有四十年的发展历史,但该类除草剂一直受到广泛关注,新品种不断面世。PPO酶抑制剂类除草剂具有以下优点：高效低毒广谱、作用迅速、持效期长以及环境相容性好等特点。更重要的是,该类抑制剂的作用机制为模拟底物原卟啉原Ⅺ的部分结构,与底物竞争结合PPO酶,与其他除草剂相比,杂草不易对其产生抗性,截止到目前有452例杂草抗性报道,其中仅有6例是关于PPO酶抑制剂类除草剂。如今随着草甘膦抗性日益严重以及PPO酶转基因作物的问世,PPO酶抑制剂又重新成为新型除草剂的研发热点之一。通过总结PPO酶抑制剂的结构演变历史与当前的最新研究进展,针对部分该类除草活性分子通常存在作物安全性差、内吸活性低的缺点,本文选择商品化环状亚胺类除草剂为起始骨架,运用活性亚结构拼接以及生物电子等排原理,引入苯并哑唑、吡啶、苯氧羧酸酯等活性片段,设计合成了四氢异吲哚-1,3-二酮和六氢哒嗪两种结构类型6个系列的新型化合物(图1)。经化学合成、温室初筛发现了系列高活性化合物。通过复筛和田间小区试验发现了3个除草剂候选化合物,具体创新性研究成果如下：1、吡啶基异硫氰酸酯是目标产物合成的关键中间体,通过一系列研究和条件优化,本文建立了一种高效、绿色的一锅法来制备吡啶基异硫氰酸酯。新方法具有广泛的底物适应性,能有效地合成含强吸电子基的吡啶基异硫氰酸酯。2、设计合成了六个系列共119个新化合物,所有目标化合物均采用1H NMR、13C NMR和HRMS进行结构确认,同时对2个代表性化合物进行X-射线单晶衍射分析进一步确认结构。3、对所合成的六氢哒嗪类新化合物进行除草活性研究,发现含吡啶结构的六氢哒嗪衍生物(Ⅱ-10)对双子叶杂草苘麻表现出良好的除草活性。然后再以Ⅱ-10作为先导,通过分子内关环得到了活性大幅提高的Ⅱ-14f,其对苘麻的ED50为9.0g·ha-1,远高于对照药剂三氟羧草醚(ED5o=44.3g·ha-1)。田间试验表明Ⅱ-14f在300g·ha-1剂量对玉米安全,能有效防除大多数阔叶杂草,除草效果与甲磺草胺(150g·ha-1)基本相当。4、对所合成的四氢异吲哚-1,3-二酮类新化合物进行除草活性研究,发现部分化合物Ⅲ-1在375g·ha-1剂量下对苘麻、反枝苋、稗草表现出优异的除草活性,其中Ⅲ-1h、Ⅲ-1i、Ⅲ-1k、Ⅲ-11对苘麻的ED5o分别为3.0g·ha-1、1.8g·ha-1、5.3g·ha-1、1.4g·ha-1。化合物Ⅲ-1i和Ⅲ-lk杀草谱较广对24种阔叶杂草均有良好的除草效果。田间试验表明Ⅲ-li在200-300g·ha-1剂量下茎叶喷雾,对玉米田阔叶杂草具有较好的除草活性,与高剂量的对照药剂莠去津相当,并且比莠去津更加安全,持效期更长。以上高活性化合物均经过第三方进行活性验证。5、初步总结了新化合物的结构与活性关系,为进一步研究该类化合物,发现高活性的农药候选分子提供了重要的指导。