魏少鵬，姬志勤

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省植物源農(nóng)藥研究與開發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 楊凌 712100)

以現(xiàn)有除草劑為先導(dǎo)化合物，基于me too 思路設(shè)計(jì)化合物是除草劑創(chuàng)制的主要策略，實(shí)踐證明這種策略非常成功?；厮輾v史，每個(gè)活性優(yōu)異的新除草劑問世都會(huì)引起業(yè)內(nèi)多個(gè)公司的跟蹤研究，并最終成功開發(fā)出衍生化產(chǎn)品。近10 年來，我國(guó)除草劑創(chuàng)制工作取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，以清源農(nóng)冠公司和先達(dá)股份/華中師大為代表的中國(guó)企業(yè)和高校陸續(xù)開發(fā)了環(huán)吡氟草酮、雙唑草酮、三唑氟草酮以及喹草酮等10 多個(gè)除草劑品種，數(shù)量上超過了同期全球其他國(guó)家，充分展現(xiàn)了我國(guó)除草劑創(chuàng)制的強(qiáng)大實(shí)力[1-2]。

盡管我國(guó)除草劑創(chuàng)制成果令人欣喜，但我國(guó)在除草劑原創(chuàng)分子骨架研究上尚未有突破，歐美日農(nóng)藥巨頭在除草劑的原始創(chuàng)新領(lǐng)域仍然處于壟斷地位。正如劉長(zhǎng)令所述，“中國(guó)創(chuàng)制的新農(nóng)藥品種性價(jià)比有限，且多屬于me too 研究，與國(guó)外大公司的品種相比缺乏競(jìng)爭(zhēng)力”[3]。2022 年1 月29 日，國(guó)家八部委聯(lián)合發(fā)布《“十四五”全國(guó)農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中也指出，我國(guó)農(nóng)藥工業(yè)“創(chuàng)新能力薄弱……，原始創(chuàng)新能力與農(nóng)藥生產(chǎn)大國(guó)地位不匹配”[4]。2022 年8月，中國(guó)農(nóng)業(yè)工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)孫叔寶在第十一屆中國(guó)農(nóng)藥知識(shí)產(chǎn)權(quán)與科技創(chuàng)新大會(huì)上提出，“高質(zhì)量創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)中國(guó)農(nóng)藥高質(zhì)量發(fā)展的有力保障”。

新農(nóng)藥創(chuàng)制是一項(xiàng)高投入、高風(fēng)險(xiǎn)，且難度極大的工作，歐美跨國(guó)公司在近10 年推出的全新結(jié)構(gòu)除草劑較之以前也有明顯減少。雖然我國(guó)除草劑創(chuàng)制產(chǎn)品數(shù)量已居于全球首位，但大多僅是國(guó)外現(xiàn)有產(chǎn)品的衍生物，且與國(guó)外現(xiàn)有產(chǎn)品相比在性價(jià)比上是否具有優(yōu)勢(shì)仍有待觀察?？鐕?guó)公司推出原創(chuàng)除草劑速度明顯放緩，繼續(xù)采用跟隨策略進(jìn)行創(chuàng)制也面臨更大局限性。展望未來，我國(guó)農(nóng)藥創(chuàng)制要力爭(zhēng)在原始創(chuàng)新上有突破，創(chuàng)制出專利權(quán)穩(wěn)定、性價(jià)比優(yōu)勢(shì)明顯、具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的新產(chǎn)品。

1 NWAFU-J10 創(chuàng)制過程

1.1 化合物設(shè)計(jì)思路——基于非活性基團(tuán)的多樣化衍生

根據(jù)先導(dǎo)來源，有2 種創(chuàng)制策略：⑴以現(xiàn)有農(nóng)藥產(chǎn)品或現(xiàn)有活性化合物為先導(dǎo)；⑵以新活性化合物為先導(dǎo)。第一種創(chuàng)制策略優(yōu)點(diǎn)是周期短、風(fēng)險(xiǎn)小、合成有限數(shù)量化合物就可以獲得候選化合物，且候選化合物作用機(jī)制明確，難點(diǎn)在于如何獲得候選化合物專利權(quán)、確保候選化合物較現(xiàn)有產(chǎn)品具有更高的性價(jià)比。第二種創(chuàng)制策略優(yōu)點(diǎn)是可以獲得具有新穎分子骨架或新作用機(jī)制候選化合物及其專利權(quán)，不足之處是風(fēng)險(xiǎn)大、周期長(zhǎng)、成本高。

本文基于“非活性基團(tuán)多樣化衍生”思路創(chuàng)制出NWAFU-J10。所謂“非活性基團(tuán)”并非隨意選取的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而是指現(xiàn)有農(nóng)藥產(chǎn)品或已知活性化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)中對(duì)生物活性不起決定性作用的結(jié)構(gòu)單元，案例如下：

苯并噻唑類衍生物是一類重要稠雜環(huán)化合物，具有抗癌、抗感染、抗痙攣、殺菌及除草等廣譜生物活性，在農(nóng)藥和醫(yī)藥領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值[5]。商品化除草劑苯噻酰草胺、草除靈、苯噻隆和噻唑禾草靈屬于苯并噻唑類化合物(圖1)[6]，但苯并噻唑并非該4 種除草劑活性基團(tuán)。苯噻酰草胺屬于酰胺類除草劑，其作用機(jī)制是抑制細(xì)胞分裂；草除靈屬于激素類除草劑；苯噻隆屬于脲類除草劑，其作用機(jī)制是抑制光合作用PSII 的電子傳遞；噻唑禾草靈則屬于芳氧苯氧丙酸類除草劑，其作用靶標(biāo)是乙酰輔酶A 羧化酶。德國(guó)赫斯特公司報(bào)道的除草化合物1和除草劑吡氟酰草胺作用機(jī)制相同，都作用于類胡蘿卜素生物合成途徑中的八氫番茄紅素脫氫酶(PDS)，但其對(duì)PDS 的抑制作用比吡氟酰草胺高186 倍[7]，且其結(jié)構(gòu)中的苯并噻唑也不是活性基團(tuán)。

基于“非活性基團(tuán)多樣化衍生”融合了本文所述2 種創(chuàng)制策略。首先，它基于現(xiàn)有除草劑或已知活性化合物，這一點(diǎn)類同me too 策略，但me too 分子設(shè)計(jì)時(shí)保留的是現(xiàn)有產(chǎn)品的活性基團(tuán)，而基于“非活性基團(tuán)多樣化衍生”是選擇多個(gè)除草劑作為先導(dǎo)化合物，分子設(shè)計(jì)時(shí)保留的是多個(gè)除草劑化學(xué)結(jié)構(gòu)中共有的非活性基團(tuán)。其次，非活性基團(tuán)多樣化衍生時(shí)采用隨機(jī)合成策略，以考察分子骨架不同位置引入不同類型化學(xué)基團(tuán)對(duì)除草活性的影響。

1.2 化合物庫(kù)構(gòu)建和先導(dǎo)化合物發(fā)現(xiàn)

苯并噻唑骨架有噻唑環(huán)2-、3-和苯環(huán)4-、5-、6-、7-共6 個(gè)不同位點(diǎn)?；谠峡傻?、制備便捷，首先衍生噻唑環(huán)3-位，以2-羥基苯并噻唑與芳烴偶聯(lián)制備3-芳基苯并噻唑，構(gòu)建了208 個(gè)苯并噻唑化合物庫(kù)(圖2)。采用小杯法測(cè)試了化合物100 mg/L劑量對(duì)稗草和馬齒莧的除草活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)部分衍生物除草活性明顯，其中化合物99 最為突出。采用盆栽法測(cè)試了化合物99 對(duì)苘麻和反枝莧的苗前和苗后除草活性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其僅在2.0 kg/hm2高劑量時(shí)對(duì)苘麻和反枝莧表現(xiàn)出一定苗后除草活性，但基于其結(jié)構(gòu)新穎且衍生性強(qiáng)，確定其為先導(dǎo)化合物。

1.3 先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

第一輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化。保持化合物99 的結(jié)構(gòu)不變，僅在苯環(huán)的4-、5-、6-和7-位引入不同取代基(圖3)，考察取代基類型和取代位置對(duì)除草活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在苯環(huán)的6-位引入供電子效應(yīng)的烷基和烷氧基對(duì)除草活性較為有利，其中化合物I-56 的活性最佳，對(duì)除草活性最為有利。盆栽試驗(yàn)結(jié)果表明：與化合物99 相比，I-56 的除草活性提高了大約4 倍，用藥量降至500 g/hm2。

圖3 先導(dǎo)化合物的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

第二輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化。為了在6-位引入更多類型的取代基，固定I-56 的吡啶基苯并噻唑的環(huán)體系不變，僅脫去苯環(huán)6-位側(cè)鏈的甲基，考察在6-羥基上引入不同取代基對(duì)除草活性的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)引入乙酸甲酯后(II-127)可以顯著提高除草活性，化合物II-127 的用量可降至200 g/hm2。

第三輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化?？疾炝嗽谶拎きh(huán)上引入不同取代基，以及在6-位側(cè)鏈引入各種羧酸酯和酰胺對(duì)除草活性的影響，最終發(fā)現(xiàn)在吡啶環(huán)3-位和5-位引入吸電基團(tuán)的鹵素，在苯環(huán)的6-羥基上引入適當(dāng)?shù)聂人狨?duì)于除草活性最有利，由此從合成的眾多化合物中確定了除草劑候選化合物NWAFU-J10。

2 NWAFU-J10 的除草活性

NWAFU-J10 為觸殺型莖葉處理除草劑，土壤處理不表現(xiàn)除草活性，對(duì)后茬作物安全。NWAFU-J10殺草譜廣，對(duì)反枝莧、藜、馬齒莧、田旋花、麥家公、麥瓶草、婆婆納及豬殃殃等大多數(shù)闊葉雜草具有極高的除草活性，對(duì)稗草和狗尾草等禾本科雜草也有明顯的抑制作用，在15～30 g/hm2劑量下可防除大多數(shù)闊葉雜草和部分禾本科雜草。NWAFU-J10 的除草活性與FMC 公司開發(fā)的唑草酮相當(dāng)(表1)。

表1 NWAFU-J10 莖葉噴霧處理對(duì)雜草的鮮重抑制率 (%)

NWAFU-J10 具有作用速度快、耐低溫的特點(diǎn)。施藥數(shù)小時(shí)后敏感雜草即可出現(xiàn)明顯癥狀，2～3 d 雜草死亡，光照條件好時(shí)當(dāng)天即可死草。與大多數(shù)除草劑低溫下除草活性下降不同，NWAFU-J10 的除草活性受溫度影響很小，在低溫下對(duì)雜草仍具有很好的防除效果。NWAFU-J10 可用于小麥冬前化除，或玉米和甘蔗等作物的行間定向噴霧除草。

NWAFU-J10 生產(chǎn)成本低，合成工藝成熟，各步反應(yīng)的后處理簡(jiǎn)單，且所需的各種原料均有工業(yè)級(jí)產(chǎn)品提供。

3 展望與總結(jié)

在除草劑NWAFU-J10 的創(chuàng)制過程中，筆者采用了“基于非活性基團(tuán)的多樣化衍生”設(shè)計(jì)策略，該名詞只是化合物設(shè)計(jì)思路的形象描述，并非具有推廣價(jià)值的分子設(shè)計(jì)理論，其本質(zhì)上仍屬于隨機(jī)合成的范疇。隨機(jī)合成在現(xiàn)代農(nóng)藥發(fā)展史上曾經(jīng)發(fā)揮了重要的作用，隨著化學(xué)信息學(xué)及結(jié)構(gòu)生物學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，隨機(jī)合成在新農(nóng)藥創(chuàng)制中的重要性已顯著下降。雖然隨機(jī)合成具有耗時(shí)長(zhǎng)、人力成本高以及資金投入大等缺陷，但它仍然是迄今為止成功率較高的農(nóng)藥創(chuàng)制策略之一，特別是在發(fā)現(xiàn)新穎分子骨架上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在歷時(shí)數(shù)年的實(shí)踐過程中，筆者合成了數(shù)量龐大的苯并噻唑類化合物，構(gòu)建了不同類型的化合物庫(kù)，大多數(shù)化合物庫(kù)中均未篩選到有價(jià)值的先導(dǎo)化合物，文中僅列出了其中較為成功的一種。

為了獲得結(jié)構(gòu)新穎的原創(chuàng)活性分子骨架，筆者進(jìn)行化合物設(shè)計(jì)時(shí)刻意回避了當(dāng)前流行的me too 策略，采用逆向思維選取了幾個(gè)除草劑中共有的非活性基團(tuán)作為分子骨架，而不是在原有分子的活性基團(tuán)上進(jìn)行分子設(shè)計(jì)，最終發(fā)現(xiàn)了不同于任何一類除草劑的3-吡啶基苯并噻唑-2-酮分子骨架，屬于先導(dǎo)化合物的原始創(chuàng)新。NWAFU-J10 具有廣譜、快速、高效的除草活性，成熟的合成工藝和較低的生產(chǎn)成本，具有良好的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)前景。