筱 禾 編譯

(上海市農(nóng)藥研究所，上海 200032)

20世紀(jì)中期，農(nóng)藥化學(xué)學(xué)科基本建成?？蒲腥藛T通過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)了可用于大豆和棉花田播前土壤處理，選擇性防除許多重要禾本科雜草和闊葉雜草的氟樂靈(trifluralin)(圖1)。這種新除草劑的結(jié)構(gòu)起源可追溯到1910年，比它的發(fā)現(xiàn)約早50年。自氟樂靈用作商業(yè)除草劑近50年后，趨于完善的農(nóng)藥化學(xué)學(xué)科的化學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了氟氯吡啶酯(halauxifenmethyl)(圖1)，其化學(xué)起源可追溯到1960年，比它的發(fā)現(xiàn)約早45年。氟氯吡啶酯可用于谷物和其他農(nóng)作物苗后施用，選擇性防除許多重要闊葉雜草。盡管氟樂靈和氟氯吡啶酯的活性和化學(xué)復(fù)雜性相差甚大，但這2種創(chuàng)時代的除草劑的發(fā)現(xiàn)過程驚人地相似。未來幾十年，農(nóng)業(yè)技術(shù)的進步必將面臨滿足增加糧食產(chǎn)量的挑戰(zhàn)。這些有潛力的技術(shù)進步包括通過現(xiàn)有作用機制的作物保護化學(xué)品發(fā)現(xiàn)具新穎作用機制或新結(jié)構(gòu)類別的高效作物保護化學(xué)品。然而，過去20年來，整個行業(yè)發(fā)現(xiàn)新作物保護化學(xué)品的數(shù)量持續(xù)下降。在尋找新型廣譜除草劑方面，此情況尤為明顯。20世紀(jì)90年代采用的除草劑抗性作物技術(shù)使這種趨勢繼續(xù)加重，導(dǎo)致在世紀(jì)之交后不久集中發(fā)現(xiàn)新除草劑的開發(fā)項目顯著減少。但惡性雜草對草甘膦抗性的進化最終使人們重新感受到了開發(fā)新的雜草防除工具的緊迫感。

圖1 氟樂靈(1)和氟氯吡啶酯(2)的結(jié)構(gòu)式

2010年以來與除草劑有關(guān)的專利數(shù)量的顯著增加體現(xiàn)了這種緊迫感：1990－1999年，有關(guān)“除草劑”的新專利族平均每年有471個；2000－2009年每年359個；2010－2017年每年603個。2001年提交的除草劑專利族之一公開了一個新的人工合成生長素類除草劑系列：6-芳基吡啶羧酸類(6-arylpicolinates)。2015年首次上市的6-芳基吡啶羧酸類除草劑氟氯吡啶酯(2)的推出為科研人員提供了一個比較和對比6-芳基吡啶羧酸類除草劑與以20世紀(jì)60年代中期首次上市的氟樂靈(1)為代表的二硝基苯胺類除草劑的發(fā)現(xiàn)方法和發(fā)展路徑的機會。氟氯吡啶酯最初開發(fā)用于谷物除草劑混劑，但其目前也以低用量(1～2 g/hm2)作為大豆田播前滅生除草劑混劑的關(guān)鍵組分應(yīng)用。使用劑量相對較高(1 000～2 000 g/hm2)的氟樂靈最初是開發(fā)用于大豆田播前土壤處理除草劑的單劑產(chǎn)品，因此氟氯吡啶酯和氟樂靈的對比基本上體現(xiàn)了現(xiàn)代除草劑使用劑量體系的巨大差異。歸根結(jié)底，科研人員對這些關(guān)于氟氯吡啶酯和氟樂靈的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展路徑的反思或可促進新的商業(yè)除草劑的發(fā)現(xiàn)，從而對科技戰(zhàn)略決策產(chǎn)生影響。

1 氟樂靈的發(fā)現(xiàn)

現(xiàn)代作物保護時代最明顯的早期需求之一是防除大豆和棉花田的禾本科及闊葉雜草的除草劑。莠去津和2,4-滴可用于防除其他作物田闊葉雜草，但沒有相應(yīng)的選擇性除草劑可用于大豆或棉花田。1960年，用化學(xué)除草劑處理的大豆和棉花田面積不足5%。有文獻(xiàn)記載了20世紀(jì)50年代早期首次在大豆和棉花田使用2,4-二硝基苯酚類作為選擇性芽前除草劑，但為了避免出現(xiàn)明顯的作物藥害，這些除草劑必須用嚴(yán)格校準(zhǔn)的器械謹(jǐn)慎施用，因而未被廣泛使用。即使在大豆和棉花田謹(jǐn)慎施用2,4-二硝基苯酚類也不是萬無一失的，因為極端溫度可能使這類除草劑造成顯著的作物藥害。在20世紀(jì)50年代后期，啟動了一個聚焦于上述需求的研究項目(與氟樂靈相關(guān)的研究在Lilly實驗室進行。DowElanco于1989年延續(xù)了陶氏化學(xué)與Eli Lilly植物科學(xué)業(yè)務(wù)合資的氟樂靈相關(guān)的研究。1997年，陶氏化學(xué)收購了Eli Lilly在DowElanco的股權(quán)，并將公司名稱改為陶氏益農(nóng))。幾乎沒有任何關(guān)于基本生化過程的基礎(chǔ)科學(xué)，發(fā)現(xiàn)過程主要包括對所需生物活性結(jié)果的廣泛篩選。以16.8 kg/hm2的初始施用劑量進行芽前和苗后的除草劑篩選。1959年，具有芽前和苗后除草活性的2,6-二硝基苯胺(圖2中3a)為早期選中的除草劑之一。3a作為一個潛在的先導(dǎo)物，是進行深入研究的一個極好的出發(fā)點。盡管在1959年公開了一些用于選擇性防除草坪中馬唐的相關(guān)的N-取代的硝基苯胺類，但是該專利申請中的示例化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)與3a大不相同，且沒有一個化合物被商品化。

圖2 首批具除草活性的2,6-二硝基苯胺類(3a、3b、3c)和已知具除草活性的2,4-二硝基苯酚類(4a、4b、4c)

當(dāng)時在農(nóng)藥科學(xué)家看來，3a (圖2)與現(xiàn)有的二硝基苯酚除草劑4a (圖2)的相似性是顯而易見的。但很快證明，3a及其他相關(guān)的二硝基苯胺類除草劑(圖2中3b和3c)與二硝基苯酚類除草劑(圖2中4a、4b和4c)的作用機制不同。當(dāng)時已知二硝基苯酚類除草劑會干擾植物細(xì)胞中氧化磷酸化產(chǎn)生ATP的細(xì)胞pH梯度。用甲氧基替換二硝基苯酚除草劑(即4a、4b和4c)的羥基會消除其大多數(shù)酸性質(zhì)子，并使其失去除草活性。二硝基苯胺類除草劑在生理pH下沒有明顯的電離，因此該類除草劑不應(yīng)像二硝基苯酚除草劑一樣干擾pH梯度。在合成和評價相應(yīng)的N-單烷基類似物(圖2中3b和3c)時，發(fā)現(xiàn)除草活性和選擇性均有了顯著又出乎意料的改善。更令人驚訝的是，事實證明二-N-甲基類似物(圖3中5a)比3a或3b更有效且選擇性更高，而二-N-丙基類似物(圖3中5b)甚至比5a更有效。與具除草活性二硝基苯酚類相比，這種構(gòu)效關(guān)系(SAR)進一步說明了具除草活性二硝基苯胺類的獨特性。后來證明二硝基苯胺類除草劑通過干擾幼苗新生根和芽的有絲分裂和細(xì)胞分裂而致效。

圖3 氟樂靈發(fā)現(xiàn)過程中的重要化合物

隨著3-二烷基氨基-2,6-二硝基苯基骨架被作為具有潛在價值的先導(dǎo)，就其他芳基取代對活性的影響進行了研究。雖然對當(dāng)時的農(nóng)藥化學(xué)領(lǐng)域來說，2,6-二硝基苯胺骨架是新穎的，但早在1910年就已有化學(xué)文獻(xiàn)記載了二硝基苯胺類。20世紀(jì)30年代初進行了二硝基苯胺有關(guān)芳香親核取代反應(yīng)的合成研究，到20世紀(jì)30年代后期，它們被用作生產(chǎn)新型化學(xué)染料的中間體。最初，合成了3種新的芳基取代類似物：4-甲基(6a)、4-氯(6b)和4-硝基(6c)(圖3)。篩選結(jié)果表明，4-甲基類似物(6a)明顯比4-位未取代的類似物(5b)、4-氯類似物(6b)和4-硝基類似物(6c)更有效。因此，選擇4-甲基類似物(6a)另外進行田間評價和初步生產(chǎn)成本分析。但隨后對4-三氟甲基類似物(氟樂靈，圖3中1)的合成和評估證明其明顯比6a有效，繼而迅速取代后者成為最重要的候選。

令人失望的是，在早期田間試驗中，當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)芽前應(yīng)用方案施用時氟樂靈的活性相對較低。試驗結(jié)束后，這些試驗田準(zhǔn)備挪為他用。幸運的是，幾個星期后科研人員觀察到試驗田內(nèi)依然基本沒有雜草。為此科研人員開始研究其他施用方法。研究發(fā)現(xiàn)，氟樂靈采用土壤處理時，藥效提高了8倍。除草劑的播前土壤處理在當(dāng)時是相對新穎的一種措施。在1950年發(fā)表的第一篇報道除草劑播前土壤處理的文章中，被稱為增加不溶性物質(zhì)暴露于植物根圍的方法。后來證明，氟樂靈播前土壤處理經(jīng)由揮發(fā)增加了種子吸收，降低了光降解率和大氣損失率。

在接下來的22年中，Eli Lilly公司合成和評估了近1 900種其他類似物，1965－1972年合成物最多(圖4)。隨之啟發(fā)了早期對可促進4-三氟甲基類似物合成的因素的研究，因為當(dāng)時還沒有其他農(nóng)化產(chǎn)品含有三氟甲基官能團。雖然三氟甲苯不易從商業(yè)渠道獲得，但其在20世紀(jì)50年代后期之前已眾所周知。此外，20多年前已有化學(xué)家報道了關(guān)鍵中間體2-氯-1,3-二硝基-5-(三氟甲基)苯(圖3中7)的合成，也闡述了低分子量胺對化合物7的氯基團的取代。尚不清楚發(fā)現(xiàn)氟樂靈的科研人員是否預(yù)見了三氟甲基對二硝基苯胺類除草劑藥效的影響。耐人尋味的是，在1960年模擬合成的過程中，雖然許多相應(yīng)的3-氯-2,6-二硝基苯基前體的合成也已經(jīng)公開，但相對異源的4-三氟甲基類似物的合成和試驗比具氟、溴、碘和氰基等更常見取代基的類似物至少早1年。

鑒于氟樂靈在田間條件下作為播前土壤處理除草劑的優(yōu)異性能，申請了N-二取代2,6-二硝基苯胺的使用專利，并促成了更多重要SAR研究的開展。無論是通過設(shè)計還是意外發(fā)現(xiàn)，在迭代(iterative)發(fā)現(xiàn)過程中如此早對4-三氟甲基類似物的測試無疑顯著加速了氟樂靈的商品化。氟樂靈于1964年10月首次登記用于大豆和棉花，距其發(fā)現(xiàn)不到4年(圖5)。在登記后的5年內(nèi)，其應(yīng)用面積約為美國大豆種植面積的10% (約450萬hm2)。雖然最終發(fā)現(xiàn)和開發(fā)了幾種其他二硝基苯胺類除草劑，但在20世紀(jì)80年代后期咪唑啉酮類除草劑商品化之前，沒有一個品種取得的商業(yè)成功超過氟樂靈。

圖4 Eli Lilly公司對二硝基苯胺類除草劑類似物的合成持續(xù)了20多年，1965－1968年達(dá)到了高峰

圖5 氟樂靈發(fā)現(xiàn)和商品化開發(fā)過程中的重要里程碑

2 氟氯吡啶酯的發(fā)現(xiàn)

20世紀(jì)50年代后期發(fā)現(xiàn)試驗中硝化抑制劑的某些土壤代謝物具有除草活性。這一發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了吡啶-2-羧酸(也稱為吡啶甲酸)類除草劑的確認(rèn)，包括人工合成生長素類除草劑毒莠定(picloram，圖6中8)和二氯吡啶酸(clopyralid，圖6中9)。毒莠定(8)于1960年首次合成，二氯吡啶酸(9)于1961年首次合成(圖7)。但在20世紀(jì)60年代圍繞吡啶-2-羧酸核進行的合成研究十分有限。靶標(biāo)類似物基本上限于吡啶-2-羧酸核的3-、4-、5-和6-位的氯組合，以及在吡啶環(huán)2-位上羧酸的酰胺、腈和酯化。

在發(fā)現(xiàn)毒莠定近40年之后的1998年，發(fā)現(xiàn)了一種與毒莠定和二氯吡啶酸關(guān)系密切的新的人工合成生長素類除草劑。令人驚奇的是，研究發(fā)現(xiàn)毒莠定可經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)選擇性還原生成新的吡啶-2-羧酸(圖6中10)。這種新的吡啶-2-羧酸的分離和生物活性評價表明，其對闊葉雜草具有較高的除草活性，并對許多禾本科作物表現(xiàn)出良好的選擇性。后續(xù)深入的研究工作終使這種新的吡啶-2-羧酸除草劑得到表征和開發(fā)，并于2005年以氯氨吡啶酸(aminopyralid，圖6中10)的名稱商品化(圖7)。

氯氨吡啶酸(10)的發(fā)現(xiàn)和一項對人工合成生長素類除草劑類似物的回顧性分析激發(fā)了重新探索吡啶-2-羧酸核化學(xué)多樣性的興趣。用于探索這種化學(xué)多樣性的最初合成策略之一是用芳基取代化合物8和化合物10的6-位的氯來確定其對除草活性的影響。根據(jù)原料可用性和合成難易度，選擇合成的初始目標(biāo)化合物。1999年3月，合成了最早的6-芳基吡啶-2-羧酸類(或6-芳基吡啶羧酸類)并進行了生物活性評價。其中活性最高的6-芳基吡啶羧酸類為4-氨基-6-(3,5-二氯苯基)吡啶-2-羧酸(圖8中11)。在溫室試驗中化合物11的苗后除草效果僅為中等且遠(yuǎn)低于毒莠定的除草活性，但在受影響的植物上觀察到的除草癥狀與人工合成生長素類除草劑作用機制一致。歷時7個月的后續(xù)合成研究發(fā)現(xiàn)了適于芽前和苗后應(yīng)用的高效除草劑4-氨基-3-氯-5-氟-6-(4-氯苯基)吡啶-2-羧酸(12，DAS-534)。值得注意的是，DAS-534(12)對闊葉和禾本科植物均具有活性，在施用于易感植物時可引起與人工合成生長素類除草劑作用機制一致的顯著除草癥狀。DAS-534的田間藥效評價證實了溫室試驗所觀察到的高活性及其潛在的商業(yè)效用。

遺憾的是，DAS-534在土壤或植物殘體中不易降解，極大地限制了其潛在的商業(yè)用途。因此中斷了對化合物12的后續(xù)研究，又由于草甘膦抗性作物的出現(xiàn)和極大的成功，有近4年時間減少了對新6-芳基吡啶羧酸類似物的合成研究。谷類作物對新型闊葉除草劑的需求最終促使陶氏益農(nóng)公司于2004年重啟了除草劑研發(fā)工作。當(dāng)時，一項對6-芳基吡啶羧酸類SAR的回顧性分析促使科研人員重新考慮開發(fā)可用于谷類和其他作物的選擇性、可生物降解的6-芳基吡啶羧酸類。對此SAR的分析表明，6-芳基吡啶羧酸苯環(huán)的3-位耐受多種取代，在最初合成工作中的研究尚不充分。因此，啟動了集中于6-芳基吡啶羧酸苯環(huán)的3-位具有各種取代基的類似物的新一輪合成工作。

圖6 鹵代吡啶類(halopyridines)毒莠定(8)、二氯吡啶酸(9)和氯氨吡啶酸(10)是新穎6-芳基吡啶羧酸生長素類除草劑的關(guān)鍵前體

圖7 吡啶甲酸類除草劑毒莠定(8)、二氯吡啶酸(9)、氯氨吡啶酸(10)和氟氯吡啶酯(2)發(fā)現(xiàn)和商品化開發(fā)歷程中的重要里程碑

這個深受重視的項目實施后，于2005年初發(fā)現(xiàn)了第一個具有較高除草活性且在土壤中可快速降解的6-芳基吡啶羧酸類。此后不久，合成了4-氨基-3-氯-6-(4-氯-2-氟-3-甲氧基苯基)吡啶-2-羧酸(halauxifen，圖10中13)，并測定了它的除草活性。溫室試驗表明，halauxifen (13)的除草活性較高且對禾本科作物具有選擇性。土壤降解研究表明，根據(jù)土壤類型不同，halauxifen在土壤中的半衰期為10～25 d。后續(xù)的溫室和田間試驗表明，halauxifen可用于防除谷類作物及其他作物田雜草。2007年首次提交登記。為便于制備混劑，開發(fā)了halauxifen的甲基酯(2)(圖10)。2012年11月化合物2的英文通用名halauxifen- methyl(氟氯吡啶酯)被批準(zhǔn)。2014－2016年該劑已在全球大部分地區(qū)得以應(yīng)用(圖9)。

氟氯吡啶酯等6-芳基吡啶羧酸類合成的主要挑戰(zhàn)是圖11所示的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)。該反應(yīng)以因發(fā)現(xiàn)此類反應(yīng)等研究成果而獲得2010年諾貝爾化學(xué)獎的Akira Suzuki的名字命名。雖然1981年首次報道了鹵代苯的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)，1991年首次報道了2-氯吡啶偶聯(lián)反應(yīng)實例，但這2個報道中描述的條件用于生產(chǎn)6-芳基吡啶羧酸類似物時效率較低。在評估了各種已知的反應(yīng)條件后，最終發(fā)現(xiàn)氟化堿(即氟化銫或氟化鉀)可大大加快Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的速度，且化合物2等6-芳基吡啶羧酸類似物的收率適中(圖11)。氟化堿作用于各種鈀催化劑和溶劑體系，從根本上消除了研究工作的瓶頸。最后，利用Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)進行氟氯吡啶酯工業(yè)化生產(chǎn)的成本效益得以實現(xiàn)。

6-芳基吡啶羧酸類似物合成的時間表見圖12，其合成研究分為3個不同階段。在合成研究的第1個階段(1999－2004年)，制備了大約100種不同的6-芳基吡啶羧酸類似物。盡管這些類似物中有許多顯示了強烈的除草活性，但由于土壤半衰期和選擇性問題，合成被中斷。這種停頓一直持續(xù)到2005年特別針對這些問題發(fā)展了一個很有前景的假設(shè)。那年設(shè)計并生產(chǎn)了62種類似物，對6-芳基吡啶羧酸苯基尾部3-位引入代謝活性官能團進行評價。這個深受重視的研究項目很快導(dǎo)致氟氯吡啶酯的發(fā)現(xiàn)。在合成研究的第2個階段(2005－2007年)，還發(fā)現(xiàn)了一些有發(fā)展前景的其他類似物。第3個階段，也是耗時最長的合成研究期(2008－2016年)，旨在確定最適合開發(fā)的類似物，確定具有獨特的除草效果的其他類似物，并為專利申請?zhí)峤惶峁嵗??？傊?999－2016年陶氏益農(nóng)公司制備了1 800種6-芳基吡啶羧酸類似物并評估了它們的除草活性。

圖8 編號系統(tǒng)用于鑒別6-芳基吡啶羧酸類(6-APs)的取代

圖9 氟氯吡啶酯發(fā)現(xiàn)和商品化開發(fā)歷程中的重要里程碑

3 討 論

由于氟樂靈和氟氯吡啶酯的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展路徑相差近50年，因此從它們的開發(fā)到商品化有極大的反差并不奇怪。除了除草劑的除草效果、使用方法和使用劑量之外，開發(fā)和登記的復(fù)雜性，工業(yè)化生產(chǎn)所需的化學(xué)可實施性程度以及知識產(chǎn)權(quán)管理方式也存在較大差異。

由于氟樂靈是同作用機制類別中第一個商品化的二硝基苯胺類除草劑，故在其開發(fā)時沒有關(guān)注靶標(biāo)位點的雜草抗性。與大多數(shù)其他主要作用機制類別相比，對二硝基苯胺類除草劑的靶標(biāo)位點抗性進化緩慢。但自從氟樂靈商業(yè)化以來，對這種作用機制產(chǎn)生了抗性的雜草種類，對其他二硝基苯胺類除草劑具有高度的交互抗性。氟樂靈最初是作為用于大豆和棉花田的獨立除草劑產(chǎn)品而開發(fā)。該劑通常作為播前土壤處理除草劑應(yīng)用，其使用劑量相對較高(850～ 2 240 g/hm2)，土壤半衰期較長(161～201 d)。氟樂靈低廉的生產(chǎn)成本(目前低于5美元/kg)能夠滿足如此高使用量(按照當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn))的需求。另外，只因為氟樂靈的土壤遷移性低，揮發(fā)性高，故其在土壤中的半衰期相對較長是可以接受的。如果氟樂靈在土壤中的遷移性較高或揮發(fā)性較低，那么該產(chǎn)品可能必須以較低的劑量使用，或限于有助于土壤降解或揮發(fā)的田間和環(huán)境條件下使用。

與氟樂靈相比，氟氯吡啶酯不是同作用機制類別中第一個商品化的除草劑。實際上，在氟氯吡啶酯之前，有不少人工合成生長素類除草劑[即2,4-滴、2甲4氯、2,4-滴丙酸、2甲氯4丙酸(mecoprop)、麥草畏、毒莠定、二氯吡啶酸、氯氨吡啶酸、綠草定、氟草煙和氯丙嘧啶酸(aminocyclopyrachlor)]商品化。而雜草對生長素類除草劑的抗性進化緩慢。另外，雜草對人工合成生長素類除草劑的交互抗性等級差別很大，難以預(yù)測。因此，在發(fā)現(xiàn)和開發(fā)氟氯吡啶酯的時候，幾乎沒有料到抗人工合成生長素類除草劑的雜草會對其具有交互抗性。這是決定商品化氟氯吡啶酯時的一個特別重要的因素，因為它最初是以較低使用劑量(5～7.5 g/hm2)作為除草劑混劑組分用于苗后防除谷類作物田的重要雜草。另外，由于氟氯吡啶酯的土壤半衰期短(10～25 d)，持效性非常有限，甚至可以極低劑量(1～2 g/hm2)配制除草劑混劑用于大豆種植前的殺滅(burndown)處理。盡管氟氯吡啶酯的生產(chǎn)成本高于氟樂靈，但由于其的使用劑量低(1～7.5 g/hm2)，市場價值依然可觀。最后，氟氯吡啶酯在土壤中遷移性低，再加上使用劑量低和土壤半衰期短，最大限度地減少了與其除草用途相關(guān)的應(yīng)用限制。

圖10 具有適宜土壤降解率的4-氨基-3-氯-6-(4-氯-2-氟-3-甲氧基苯基)吡啶(halauxifen)對單子葉作物田雜草具有除草活性，2005年選擇halauxifen的甲基酯(氟氯吡啶酯)進行田間試驗

圖11 生成6-芳基吡啶羧酸類化合物的Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)

在這2種商業(yè)除草劑發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的幾十年間，食品安全法規(guī)的重大變化增加了農(nóng)藥登記所需檢測的數(shù)量，即增加了除草劑商品化所需的時間和成本。從氟樂靈和氟氯吡啶酯的時間表中很容易地看出管制嚴(yán)格性變化的影響：氟樂靈從發(fā)現(xiàn)到商品化花費了3.5年，而氟氯吡啶酯是9.4年(圖5和圖9)?，F(xiàn)代殺蟲劑全球商品化的需求表明，開發(fā)和登記的巨額費用也是氟氯吡啶酯的商品化開發(fā)時間延長的原因。氟樂靈最初是為美國大豆和棉花田防除雜草而開發(fā)和登記的，而氟氯吡啶酯是為許多國家的谷類、大豆、油菜、牧場以及各種其他作物田除草而開發(fā)和登記。

圖12 陶氏益農(nóng)公司對6-芳基吡啶羧酸類似物的合成研究至少持續(xù)了17年，2008－2010年達(dá)到高峰

氟樂靈的化學(xué)結(jié)構(gòu)比氟氯吡啶酯相對簡單，這一顯著差異體現(xiàn)在它們的發(fā)現(xiàn)和后續(xù)的工業(yè)化生產(chǎn)的歷程中。值得注意的是，在氟樂靈發(fā)現(xiàn)前，在文獻(xiàn)中提及類似物已有50多年，但顯然從未對其除草潛力進行過評估。而當(dāng)今新的化學(xué)成分在其合成報道后不久，就會在各種農(nóng)藥和醫(yī)藥篩選中進行商業(yè)潛力的例行評估。雖然氟樂靈是在1960年首次合成的，但合成氟樂靈所需的化學(xué)反應(yīng)早在20多年前就已在專利申請中報道了。氟樂靈最終是利用這些過期專利中披露的工藝生產(chǎn)出來的，它的工業(yè)化生產(chǎn)路線也迅速發(fā)展起來。

與氟樂靈的開發(fā)歷程相比，氟氯吡啶酯的發(fā)現(xiàn)較為困難，事前難以想象其工業(yè)化生產(chǎn)只有二三十年。Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)促進了氟氯吡啶酯的發(fā)現(xiàn)，使其最終實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)的多功能性和方便性在有機合成化學(xué)史上是極其罕見的。在Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)條件下，有機硼試劑的優(yōu)化反應(yīng)能夠合成多種高度官能化的化合物，通常不需要化學(xué)保護基團。另外，與其他有機金屬試劑相比，大多數(shù)所需的有機硼試劑易于制備，在空氣和水中穩(wěn)定，且相對無毒。值得注意的是，Suzuki偶聯(lián)反應(yīng)已成為醫(yī)藥和農(nóng)藥行業(yè)中發(fā)現(xiàn)和工業(yè)化合成研究收集二芳基化合物的最常用方法。1995年的一篇報道有機硼化合物鈀催化交叉偶聯(lián)的綜述迄今為止已被引用了10 000多次，就更加突出了這一點。

氟氯吡啶酯和氟樂靈的商品化歷程中的另一個關(guān)鍵區(qū)別是這2種除草劑知識產(chǎn)權(quán)的管理模式。在大多數(shù)種植作物的國家均有氟氯吡啶酯相關(guān)的專利申請。與之形成鮮明對比的是，涉及氟樂靈的專利申請在美國有而歐洲僅少數(shù)幾個國家有。雖然這種差異可能是受氟氯吡啶酯業(yè)務(wù)全球化與最初氟樂靈業(yè)務(wù)專注美國本土的影響，但也清楚地表明了知識產(chǎn)權(quán)管理的巨大差異。還值得注意的是涉及氟樂靈的專利申請范圍相對狹窄且數(shù)量有限。二硝基苯胺類除草劑業(yè)務(wù)的歷史表明，氟樂靈所獲得的專利保護不足以阻止競爭對手占據(jù)市場份額。它的成功使另外11個二硝基苯胺類除草劑最終得以商品化，包括4個其他公司開發(fā)的二硝基苯胺類除草劑：甲磺樂靈(1966年首次登記)、二甲戊靈(1974年)、氯乙氟靈(1976年)和氨基丙氟靈(1992年)。目前農(nóng)化行業(yè)的普遍做法是，進行大范圍的氟氯吡啶酯專利申請來防止競爭對手開發(fā)與氟氯吡啶酯密切相關(guān)的類似物。

盡管氟氯吡啶酯和氟樂靈各自的商品化道路存在上述差異，但它們的發(fā)現(xiàn)歷程中也有許多驚人的相似之處(表1)。首先，這2種除草劑的先導(dǎo)分子在化學(xué)文獻(xiàn)中已有存在。其次，這2種除草劑均為各自類別SAR建模過程中早期鑒定：氟樂靈來自Eli Lilly公司1958－1980年合成的約1 900種二硝基苯胺類似物中的類似物31，氟氯吡啶酯則來自陶氏益農(nóng)公司1999－2016年合成的約1 800種6-芳基吡啶羧酸類似物中的類似物101。第三，這2種除草劑均是在沒有使用離體測試和蛋白配體晶體結(jié)構(gòu)等先進技術(shù)的情況下被發(fā)現(xiàn)的。最后，對這2種除草劑的關(guān)鍵科學(xué)觀察帶來了特定假設(shè)，加速了研究工作，最終導(dǎo)致了商業(yè)除草劑的開發(fā)。對氟樂靈而言，田間小區(qū)意外的雜草防除觀察結(jié)果表明了用于播前土壤處理的必然性；而對氟氯吡啶酯來說，對6-芳基吡啶羧酸SAR與其他商業(yè)和試驗除草劑的土壤降解模式的評價啟發(fā)了在6-芳基吡啶羧酸苯環(huán)的3-位上引入代謝敏感的甲氧基取代基的設(shè)想。

考慮到氟氯吡啶酯的發(fā)現(xiàn)僅有12年，能有和氟樂靈相媲美的發(fā)現(xiàn)歷程細(xì)節(jié)數(shù)量和類型令人驚訝。但在發(fā)現(xiàn)氟氯吡啶酯之前的幾年間，對人工合成生長素類除草劑的作用機制還沒有詳細(xì)的了解。因此，不可能利用離體測試和計算機輔助分子設(shè)計等現(xiàn)代研究工具研究設(shè)計人工合成生長素類除草劑。實際上，盡管在過去10年里對人工合成生長素類除草劑的作用機制的細(xì)節(jié)了解急劇增加，但由于其極為復(fù)雜，即使離體測試和計算機輔助分子設(shè)計工具在其研究中的作用仍有限。最終，氟氯吡啶酯和氟樂靈的發(fā)現(xiàn)凸顯了基于科學(xué)觀察和對特定假設(shè)檢驗的傳統(tǒng)的、信息不足的農(nóng)藥發(fā)現(xiàn)方法的作用。

表1 氟樂靈和氟氯吡啶酯的發(fā)現(xiàn)和除草特性比較

對發(fā)現(xiàn)氟樂靈和氟氯吡啶酯的反思體現(xiàn)了過去50年來除草劑行業(yè)的巨大變化。此外，這些反思表明下述關(guān)鍵信息未來可能促進新除草劑的成功發(fā)現(xiàn)：⑴ 已存在于開放式化學(xué)文獻(xiàn)或?qū)＠緮?shù)據(jù)庫中的先導(dǎo)化合物結(jié)構(gòu)或可用于新除草劑開發(fā)。釋放其潛力的關(guān)鍵是直接模擬合成的新假設(shè)。⑵ 較低使用劑量的新除草劑的發(fā)現(xiàn)和開發(fā)需求的除草劑產(chǎn)品概念包括與現(xiàn)有商業(yè)除草劑的混劑。⑶ 當(dāng)前和未來的化學(xué)技術(shù)可使具有相對復(fù)雜結(jié)構(gòu)的新除草劑實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。⑷ 新除草劑的開發(fā)和登記成本太高，或不利于小宗作物用新除草劑的商品化。

最后，對業(yè)內(nèi)科研人員來說，重要的是要認(rèn)識到成功發(fā)現(xiàn)農(nóng)藥的主要推動力仍然與50年前一樣：活體測試、科學(xué)觀察和基于假設(shè)的研究。