曲仁渝， 劉玉超， 陳 瓊， 楊光富

(華中師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院 農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079)

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具有除草活性的AHAS抑制劑小分子的研究進(jìn)展

曲仁渝， 劉玉超， 陳 瓊*， 楊光富

(華中師范大學(xué) 化學(xué)學(xué)院 農(nóng)藥與化學(xué)生物學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430079)

乙酰羥酸合成酶(AHAS)抑制劑是上世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)興起的一種新型除草劑，具有廣譜、高效、低毒等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于田間的雜草防治.近年來(lái)，基于乙酰羥酸合成酶為靶標(biāo)的抑制劑被大量開(kāi)發(fā).現(xiàn)將從抑制劑分子結(jié)構(gòu)與生物活性方面概述磺酰脲類(lèi)、三唑并嘧啶類(lèi)、嘧啶水楊酸類(lèi)以及三唑啉酮類(lèi)等AHAS抑制劑的發(fā)展過(guò)程與研究進(jìn)展.

AHAS抑制劑； 結(jié)構(gòu)類(lèi)型； 抑制活性； 除草活性

乙酰乳酸合成酶或乙酰羥酸合成酶(簡(jiǎn)稱(chēng)AHAS) 作為植物體的關(guān)鍵酶，在植物生長(zhǎng)過(guò)程中能以高度專(zhuān)一性和極高的催化效率催化丙酮酸為乙酰乳酸， 從而合成植物所必需的支鏈氨基酸(包括亮氨酸、異亮氨酸、纈氨酸)，若阻止該生理過(guò)程，將破壞蛋白質(zhì)的合成，干擾DNA合成以及細(xì)胞分裂與生長(zhǎng)[1]，最終導(dǎo)致植物的死亡，為AHAS抑制劑的設(shè)計(jì)合成打下了良好的生理基礎(chǔ).由此美國(guó)杜邦公司成功地研制出第一類(lèi)AHAS除草劑——磺酰脲類(lèi)除草劑，結(jié)束了低效農(nóng)藥例如有機(jī)磷農(nóng)藥的使用，標(biāo)志著除草劑進(jìn)入了超高效時(shí)代[2].同時(shí)由于AHAS在人或哺乳動(dòng)物中并不是生理必需的關(guān)鍵酶[3]，且廣泛存在于植物體中，這致使近年來(lái)開(kāi)發(fā)的以AHAS為靶標(biāo)酶的抑制劑同時(shí)具有了選擇性強(qiáng)、殺草譜廣的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于小麥、大麥、玉米、大豆、油菜、棉花、甜菜等田中的多種單子葉和雙子葉雜草的防除，并且在非靶標(biāo)生物體內(nèi)幾乎不積累.

目前， 全球除草劑市場(chǎng)上的AHAS抑制劑種類(lèi)按結(jié)構(gòu)劃分主要有以下5大類(lèi)：磺酰脲類(lèi)(sulfonylureas) 、咪唑啉酮類(lèi)(imidazolinones)、三唑并嘧啶類(lèi)(triazolopyrimidines)、嘧啶水楊酸類(lèi) (pyrimidylsalicylate)、以及三唑啉酮類(lèi)(triazolinones)[4].但也由于其長(zhǎng)期不合理的濫用，造成了種種田間問(wèn)題，包括作物藥害、土壤殘留等問(wèn)題，其中雜草抗藥性的問(wèn)題尤為嚴(yán)重.近些年結(jié)合這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)以AHAS為靶標(biāo)酶的抑制劑小分子的進(jìn)一步設(shè)計(jì)合成有了不錯(cuò)的進(jìn)展，現(xiàn)將其綜述.

1 最新AHAS抑制劑的開(kāi)發(fā)以及生物活性研究

1.1 磺酰脲類(lèi)抑制劑

從1979年氯磺隆問(wèn)世至目前為止，已商品化的磺酰脲類(lèi)除草劑已有30多個(gè)品種問(wèn)世，例如煙嘧磺隆、吡嘧磺隆、芐嘧磺隆等.分析商品化的磺酰脲類(lèi)除草劑化學(xué)結(jié)構(gòu)可以看出，該結(jié)構(gòu)的除草劑主要由3部分組成(圖1).每一部分在確定整個(gè)除草劑活性方面都發(fā)揮著重要作用.其中脲橋和苯環(huán)相連的鄰位有取代基是磺酰脲類(lèi)的必備結(jié)構(gòu).在鄰位取代基中， 吸電子基團(tuán)的存在可以增強(qiáng)活性， 相反的是該取代基帶有酸性質(zhì)子時(shí)， 除草活性就會(huì)成數(shù)量級(jí)的下降.芳基中包括苯、五元或六元雜環(huán)， 以及苯稠雜環(huán).磺酰脲橋結(jié)構(gòu)是除草劑具備較高活性的決定因素[5].

圖1 商品化磺酰脲類(lèi)除草劑的公共結(jié)構(gòu)Fig.1 Common structure of commercial sulfonylurea inhibitor

磺酰脲類(lèi)除草劑雖然具有高效、低毒、高選擇性等卓越特性廣泛應(yīng)用于農(nóng)田作物中， 但由于其活性極高(用量一般為2～75 g/hm2)、選擇性極強(qiáng)， 在使用不當(dāng)情況下， 某些農(nóng)藥分子在土壤中的少量殘留會(huì)對(duì)后茬敏感作物產(chǎn)生藥害[6]，通過(guò)研究磺酰脲類(lèi)除草劑的藥效和殘留藥害之間關(guān)系發(fā)現(xiàn)其不僅與土壤本身外部因素有關(guān)， 更主要的是與農(nóng)藥分子本身的結(jié)構(gòu)息息相關(guān)[7].因此，近年來(lái)針對(duì)磺酰脲類(lèi)除草劑的骨架結(jié)構(gòu)的改造引起了人們研究的興趣.

從商品化的磺酰脲類(lèi)除草劑嘧啶環(huán)可以看出，4，6位幾乎都是雙取代，取代基多為甲基，甲氧基，三氟甲基，三氟甲氧基4類(lèi)，并且國(guó)際上對(duì)嘧啶環(huán)雙取代有助于活性提高的理論有一致的認(rèn)識(shí)[8].南開(kāi)大學(xué)從上世紀(jì)90年代開(kāi)始通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助以及分子模擬等手段研究了磺酰脲類(lèi)小分子的構(gòu)效關(guān)系，發(fā)現(xiàn)單取代的嘧啶磺酰脲類(lèi)抑制劑小分子與商品化的活性相當(dāng)[9]，并且成功地合成了單嘧磺隆[10]( NK 92825)和單嘧磺酯[11](NK 94827)兩個(gè)已經(jīng)進(jìn)入商品化階段的先導(dǎo)化合物(圖2).

圖2 單嘧磺隆(NK 92825)和單嘧磺酯(NK 92825)的結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of monosulfuron NK 92825 and monosulfuron-ester NK 92825

近些年，以單嘧磺隆和單嘧磺酯為先導(dǎo)結(jié)構(gòu)的抑制劑開(kāi)發(fā)相繼出現(xiàn).南開(kāi)大學(xué)李正名課題組在保留嘧啶環(huán)4號(hào)位單取代為甲基或甲氧基以及橋鏈和苯環(huán)相連的鄰位是吸電子基的基礎(chǔ)上，對(duì)芳環(huán)部分進(jìn)行改造，首先是對(duì)吸電子基的基團(tuán)進(jìn)行官能團(tuán)的變換，由于商品化的磺酰脲類(lèi)結(jié)構(gòu)中吸電子基多數(shù)是酯基，那么對(duì)于苯環(huán)2-酯基取代的磺酰脲類(lèi)化合物的合成就具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.因此，李正名課題組設(shè)計(jì)并合成了一系列2-酯基取代的目標(biāo)化合物.生測(cè)結(jié)果表明：酯基為芐基和環(huán)己基等體積較大取代基時(shí)，其在活體水平上幾乎不顯示活性， 而酯基為C4以下開(kāi)鏈取代基時(shí)表現(xiàn)出較高活性， 其中酯基為CH2CH2Cl、CH(CH3)2的活體活性尤其突出[12].其次是對(duì)于苯環(huán)連接不同的取代基進(jìn)行合成研究，在1995年的布萊頓植保會(huì)議中提出了5-取代的氟啶嘧磺隆(5-取代是指芳環(huán)的5位取代)具有快速降解等優(yōu)點(diǎn)[13].根據(jù)該特性，李正名課題組在其商品化抑制劑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將苯環(huán)的5位引入各種帶有單取代基的苯甲酰胺得到一系列衍生物 I(圖3)，以期望在維持原有活性的同時(shí)加快其化合物在土壤中的降解速率，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)苯甲酰胺的2，3，4位連有取代基時(shí)，無(wú)論是吸電子還是給電子基團(tuán)，在酶水平上都表現(xiàn)出了良好的活性，但在進(jìn)行盆栽測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)其活性較先導(dǎo)化合物均有不同程度的降低.通過(guò)構(gòu)效關(guān)系總結(jié)，分析可能原因是苯甲酰胺上連有取代基時(shí)，導(dǎo)致該磺酰脲分子的體積較大， 使得化合物在植物體內(nèi)不能有效地吸收和傳導(dǎo)，致使其在活體水平上活性出現(xiàn)下降[14].

圖3 商品化抑制劑的衍生物ⅠFig.3 The structure of commercial inhibitor derivatives Ⅰ

當(dāng)保留磺酰脲類(lèi)嘧啶環(huán)的4號(hào)位為三氟甲基時(shí)，在苯環(huán)的鄰位引入取代基，活性測(cè)試結(jié)果看出，當(dāng)嘧啶環(huán)4位是三氟甲基時(shí)，該類(lèi)抑制劑小分子仍具有明顯的活性，說(shuō)明三氟甲基代替甲基或者甲氧基時(shí)可以維持原有活性，與此同時(shí)橋鏈與苯環(huán)相連的鄰位引入吸電子取代基時(shí)表現(xiàn)出良好的抑制活性，這與嘧啶環(huán)雙取代的商品化磺酰脲類(lèi)抑制劑結(jié)構(gòu)與活性理論相同(苯環(huán)鄰位是強(qiáng)吸電子基團(tuán)時(shí)才會(huì)有除草活性)，但鄰位是給電子基團(tuán)時(shí)也表現(xiàn)出了一定的除草活性，說(shuō)明三氟甲基的引入為該類(lèi)除草劑的結(jié)構(gòu)多樣性改造創(chuàng)造了更多的選擇性和可能性[15].之后南開(kāi)大學(xué)對(duì)嘧啶環(huán)4號(hào)位進(jìn)行了其他取代基的替換，生測(cè)結(jié)果表明：4號(hào)位不同取代基活性順序?yàn)橥檠趸?烷硫基>烷胺基.由此得出結(jié)論，對(duì)嘧啶環(huán)為單取代的磺酰脲化合物， 嘧啶環(huán)4位取代基的變化對(duì)整個(gè)分子的除草活性影響很大[16].

在此基礎(chǔ)上該課題組保留單取代嘧啶片段，將芳環(huán)部分用其他活性片段來(lái)替代，得到一類(lèi)商品化抑制劑衍生物II(圖4)，嘧啶環(huán)上的給電子取代基(甲基，甲氧基)有利于除草活性的提高，并且大部分的化合物對(duì)雙子葉作物的除草活性明顯高于單子葉作物[17].

圖4 商品化抑制劑的衍生物ⅡFig.4 The structure of commercial inhibitor derivatives Ⅱ

在嘧啶環(huán)4號(hào)位單取代是甲基或甲氧基的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮到環(huán)境降解問(wèn)題，南開(kāi)大學(xué)研究人員結(jié)合碳鹵鍵和醚鍵在一定條件下可以有效降解的特點(diǎn)，在磺酰脲母體結(jié)構(gòu)的嘧啶環(huán)5號(hào)位引入溴原子取代基，并在環(huán)外引入醚鍵， 以期待在不降低其除草活性的前提下加快磺酰脲的降解.這一類(lèi)抑制劑小分子活體活性與商品化的苯磺隆相比有明顯差距，但是在對(duì)大腸桿菌AHAS進(jìn)行離體活性測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)有與苯磺隆相當(dāng)?shù)碾x體活性，初步分析該系列化合物活體活性喪失是由于嘧啶環(huán)上溴原子以及環(huán)外醚鍵的引入使得化合物在土壤中降解或在植物體內(nèi)發(fā)生失活代謝.此外，嘧啶環(huán)4位取代基對(duì)該類(lèi)抑制劑小分子的離體活性有顯著影響，為甲基時(shí)活性高于甲氧基[18].

近幾年，嘧啶環(huán)三取代的磺酰脲類(lèi)農(nóng)藥小分子也取得了一定的進(jìn)展，南開(kāi)大學(xué)李正名教授課題組在考慮到商品化的磺酰脲類(lèi)除草劑分子結(jié)構(gòu)中嘧啶環(huán)多數(shù)以4、6號(hào)位甲基或甲氧基雙取代的基礎(chǔ)上[19]，嘗試將嘧啶環(huán)4，5，6三個(gè)位點(diǎn)同時(shí)引入取代基.為了維持其活性，將商品化抑制劑的嘧啶環(huán)上的4、6位的取代基以及芳環(huán)上的強(qiáng)吸電子基團(tuán)(如硝基，酯基)保留，在嘧啶環(huán)的5位進(jìn)行取代基的變化以尋求較高活性的農(nóng)藥小分子.研究發(fā)現(xiàn)，在嘧啶環(huán)4、6位取代基不變的情況下， 當(dāng)5位引入芐基時(shí)其除草活性明顯高于5位引入其他長(zhǎng)鏈烷基時(shí)的活性.總體來(lái)看， 該系列中僅有部分化合物的除草活性略好于4、6位雙取代嘧啶磺酰脲類(lèi)抑制劑小分子[20-21].

1.2 三唑并嘧啶類(lèi)除草劑

1989年，美國(guó)陶氏公司申請(qǐng)了三唑并嘧啶磺酰胺類(lèi)化合物的合成和除草活性專(zhuān)利，它是以磺酰脲類(lèi)化合物作為先導(dǎo)化合物， 通過(guò)一系列的分子重排與結(jié)構(gòu)修飾得到的繼磺酰脲與咪唑啉酮開(kāi)發(fā)之后另一類(lèi)高活性新型除草劑[22].目前已進(jìn)入市場(chǎng)的三唑并嘧啶類(lèi)除草劑主要包括雙氟磺草胺、唑嘧磺草胺、雙氯磺草胺、磺草唑胺、五氟磺草胺、氯酯磺草胺等，并廣泛用于小麥、水稻和玉米田雜草的防除，尤其是闊葉雜草.

圖5 三唑并嘧啶類(lèi)除草劑Fig.5 Triazole and pyrimidine herbicides

三唑并嘧啶類(lèi)除草劑分子結(jié)構(gòu)(圖5)，主要包含高活性片段三唑并嘧啶環(huán).三唑并嘧啶活性片段由于其分子結(jié)構(gòu)中既包含了三唑活性結(jié)構(gòu)單元，也包括了嘧啶活性結(jié)構(gòu)單元，結(jié)合這兩類(lèi)重要的活性結(jié)構(gòu)單元，從而使含有三唑并嘧啶類(lèi)的化合物往往表現(xiàn)出廣泛的生物活性[23-26].三唑并嘧啶類(lèi)AHAS除草劑正是由于包含三唑并嘧啶環(huán)，因而表現(xiàn)出較高的生物活性，近幾年來(lái)也廣泛的被關(guān)注.與此同時(shí)，為更好地提高該類(lèi)抑制劑的活性，研究人員在已商品化的三唑并嘧啶類(lèi)除草劑結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了諸多官能團(tuán)的修飾以及結(jié)構(gòu)的改造，并尋找到了具有全新結(jié)構(gòu)且對(duì)環(huán)境更為友好的新型先導(dǎo)類(lèi)抑制劑分子.

本課題組首先針對(duì)三唑并嘧啶活性片段上的取代基進(jìn)行了改造，在商品化唑嘧磺草胺結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，考慮到其土壤殘留的問(wèn)題，結(jié)合甲氧基可以在土壤中快速降解為羥基這一特點(diǎn)，將甲氧基引入三唑并嘧啶環(huán)中，代替商品化唑嘧磺草胺結(jié)構(gòu)中的甲基得到化合物Y6610(圖6)，經(jīng)過(guò)活性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)化合物Y6610雖然相比于唑嘧磺草胺在活體活性上有1個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，但在離體活性測(cè)試結(jié)果中看出，其與商品化的唑嘧磺草胺活性相當(dāng)，并且表現(xiàn)出優(yōu)于唑嘧磺草胺的作物安全性，由此可以看出化合物Y6610具有進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)的價(jià)值[27].

圖6 Y6610的結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of Y6610

之后，本課題組針對(duì)化合物Y6610(圖6)進(jìn)行了進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)改造工作，主要集中于對(duì)芳環(huán)上取代基的替換.從活性結(jié)果看出，芳環(huán)上4號(hào)位有取代基的化合物活性較低，而芳環(huán)上2，6位有取代基的化合物在酶水平上具有較高的抑制活性[28].針對(duì)三唑并嘧啶環(huán)改造之后，針對(duì)橋鏈部分也進(jìn)行了一系列的改造，首先是將商品化的三唑并嘧啶類(lèi)AHAS除草劑中橋鏈的磺酰氨橋替換成硫橋，報(bào)道了一系列2-(取代)芳硫(氧)基-l， 2， 4-三唑并[1， 5-α]嘧啶類(lèi)衍生物具有優(yōu)良的除草活性[29-30]，并在此基礎(chǔ)上篩選合成了多個(gè)烷基鏈取代的硫醚三唑并嘧啶抑制劑小分子，發(fā)現(xiàn)該系列化合物具有較好除草活性的同時(shí)，對(duì)水稻紋枯病菌表現(xiàn)出很強(qiáng)的專(zhuān)一性殺菌活性[31].后期利用生物電子等排和活性亞結(jié)構(gòu)拼接等分子改造原理將磺酰氨橋進(jìn)一步替換成氧橋，并在三唑并嘧啶環(huán)上進(jìn)行取代基的變化，發(fā)現(xiàn)這一類(lèi)抑制劑小分子部分表現(xiàn)出良好的除草活性，其中三唑并嘧啶環(huán)上有給電子基團(tuán)存在時(shí)更加有利于除草活性的提高[32].為了尋找更具修飾潛力的先導(dǎo)化合物，將氧橋變化成芐氧基，發(fā)現(xiàn)其具有較廣殺菌范圍，例如對(duì)黃瓜霜霉病、白粉病、灰霉病、水稻紋枯病等菌種都有一定的滅殺活性[33].

酰腙類(lèi)化合物(CONHN=CH)是一類(lèi)優(yōu)秀的活性結(jié)構(gòu)，大多含有酰腙的化合物具有良好的生物活性[34-35]，三唑并嘧啶類(lèi)雜環(huán)化合物同時(shí)也具有較高的生物活性，為尋找更高活性且更具修飾潛力的先導(dǎo)農(nóng)藥分子，農(nóng)藥工作者結(jié)合這兩個(gè)高活性片段，將磺酰氨橋變換成酰腙橋，并且在芳環(huán)部分進(jìn)行不同取代基的變化(圖7)，生物活性測(cè)試結(jié)果表明該系列的抑制劑小分子都具有不錯(cuò)的生物活性，特別是對(duì)苯環(huán)3號(hào)位進(jìn)行硝基取代基修飾時(shí)抑制活性最好，與此同時(shí)在殺菌活性的測(cè)試中也表現(xiàn)出了良好的抑制活性，特別是對(duì)水稻紋枯病菌所有的化合物都有很好的抑制活性，更為顯著的是苯環(huán)鄰、對(duì)位引入氯原子后抑制率可以達(dá)到90%(A級(jí))以上[36].

圖7 5，7-二甲基-1，2，4-三唑并[1，5-a]嘧啶-2-甲酰腙類(lèi)化合物Fig.7 2-Benzylidenehydrazinocarbonyl-5-7-dimethyl-1,2,4-triazolo [5,1-a]pyrimidine derivatives

近些年，肟醚衍生物在農(nóng)藥領(lǐng)域逐漸成為一類(lèi)具有高生物活性的化合物，在殺蟲(chóng)劑[37]、除草劑[38]和殺菌劑[39]等多個(gè)方面都有著廣泛的應(yīng)用，本課題組借鑒肟醚衍生物具有良好的生物活性等優(yōu)點(diǎn)，利用電子等排原理將肟醚這個(gè)活性結(jié)構(gòu)引入三唑并嘧啶的母體結(jié)構(gòu)之中(圖8).研究發(fā)現(xiàn)，這一類(lèi)抑制劑小分子中大部分化合物選擇性地對(duì)闊葉雜草具有顯著的除草活性，更為欣喜的是其中一些化合物對(duì)禾本科雜草和闊葉雜草同時(shí)具有較高的抑制活性.從構(gòu)效關(guān)系分析，R2為CH3時(shí)較R2為H的化合物除草活性有顯著的提高， 在此基礎(chǔ)上，R1為烷基長(zhǎng)鏈取代時(shí)化合物具有更好的除草活性[40].

圖8 含肟醚的三唑并嘧啶衍生物Fig.8 1,2,4-Triazlol[1,5-a]-pyrimidine containing oxime ether moiety

隨著現(xiàn)代農(nóng)藥的廣泛推行使用，以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家的抗性雜草種類(lèi)卻在逐年上升.其中，AHAS抑制劑的抗性問(wèn)題位居首位.研究表明，氨基酸殘基的單點(diǎn)突變是引起AHAS抑制劑抗性問(wèn)題的最主要原因，以W574L氨基酸殘基的突變?cè)斐傻目剐宰顬閲?yán)重.迫切需要尋找到兼?zhèn)涓呋钚砸约胺纯剐缘男滦鸵种苿┮詰?yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的抗性問(wèn)題.為此，本課題組利用計(jì)算機(jī)分子模擬等手段，將商品化AHAS除草劑的結(jié)構(gòu)分別與野生型和W574L突變型的AHAS活性空腔進(jìn)行分子對(duì)接，分析歸納了抗性問(wèn)題與抑制劑分子結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系，設(shè)計(jì)了一類(lèi)具有潛在反抗性的先導(dǎo)化合物 (圖9)[41].基于該結(jié)構(gòu)，希望通過(guò)結(jié)構(gòu)的多樣性來(lái)尋找到具有高活性以及反抗性的抑制劑小分子，因此本課題組針對(duì)W574L突變型AHAS合成了一類(lèi)新型的具有高活性和一定反抗性的三唑并嘧啶類(lèi)化合物(圖10)，酶水平的活性測(cè)試結(jié)果表明：該系列化合物不僅對(duì)野生型AHAS具有較高的抑制活性，并且對(duì)W574L突變型AHAS同樣具有優(yōu)于對(duì)照藥劑闊草清的抑制活性，表現(xiàn)出較高的反抗性能力，該類(lèi)抑制劑的成功發(fā)現(xiàn)為以后解決抗性問(wèn)題打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[42].

圖9 具有反抗性的AHAS先導(dǎo)化合物Fig.9 The lead structure of Anti-resistant AHAS inhibitor

圖10 三唑并嘧啶類(lèi)反抗性抑制劑的分子結(jié)構(gòu)Fig.10 The strcture of Anti-resistant AHAS inhibitor contained triazolopyrimidine

1.3 嘧啶水楊酸類(lèi)除草劑

嘧啶水楊酸類(lèi)除草劑是近幾年開(kāi)發(fā)的一類(lèi)新型AHAS抑制劑， 此類(lèi)除草劑以其超高效、廣譜、低毒、低殘留、高選擇性和良好的環(huán)境相容性等優(yōu)點(diǎn)在市場(chǎng)中占有一席之地.已商品化的嘧啶水楊酸類(lèi)除草劑主要有嘧草硫醚、環(huán)酯草醚、雙草醚、嘧草醚、嘧啶肟草醚.廣泛應(yīng)用于棉花田，水稻田的雜草的防除.嘧啶水楊酸類(lèi)除草劑的開(kāi)發(fā)是通過(guò)磺酰脲類(lèi)除草劑結(jié)構(gòu)改造得到的，從分子結(jié)構(gòu)(圖11)可以看出：包括取代水楊酸，橋鏈，取代嘧啶環(huán)3部分，大量的構(gòu)效關(guān)系研究證明: 具有二甲氧基嘧啶環(huán)結(jié)構(gòu)的嘧啶水楊酸類(lèi)抑制劑具有最高的除草活性[43].

圖11 嘧啶水楊酸類(lèi)除草劑Fig.11 Pyrimidylsalicylate herbicdde

早期開(kāi)發(fā)的嘧啶水楊酸類(lèi)除草劑由于其農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及環(huán)境保護(hù)方面等突出優(yōu)點(diǎn)，已被大量推廣使用.然而長(zhǎng)期使用單一的除草劑品種容易產(chǎn)生抗性以及交互抗性， 所以新型嘧啶水楊酸類(lèi)除草劑的創(chuàng)制一直被人們廣泛關(guān)注，并逐漸成為未來(lái)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)和研究的骨架結(jié)構(gòu).近幾年，針對(duì)嘧啶水楊酸類(lèi)抑制劑結(jié)構(gòu)的改造已有大量的工作.本課題組首先通過(guò)環(huán)合作用針對(duì)嘧啶水楊酸的母體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改造，將羧酸與其鄰位進(jìn)行關(guān)環(huán)處理得到一系列的抑制劑小分子(圖12)，結(jié)構(gòu)中R基團(tuán)的空間效應(yīng)對(duì)該系列抑制劑小分子的活性影響較大，其中空間效應(yīng)對(duì)酶水平活性影響更為顯著，當(dāng)R基團(tuán)包含苯環(huán)時(shí)在酶水平活性上普遍高于R基團(tuán)為烷基鏈時(shí)的活性，并且苯環(huán)上有取代基時(shí)對(duì)化合物的活性也會(huì)產(chǎn)生較大影響，例如苯環(huán)的3位有取代基時(shí)整體的活性較差，而苯環(huán)2、4位被取代時(shí)則有利于活性的提高(特別是氯原子取代時(shí)).但在除草活性方面，R基團(tuán)包含苯環(huán)時(shí)活性較差，相反R基團(tuán)為H時(shí)雖然在酶水平上的活性較差，但卻具有廣譜且高效的除草活性.總體來(lái)看，該系列化合物可能是潛在的AHAS抑制劑先導(dǎo)結(jié)構(gòu)，之后還需要針對(duì)具有抗性的雜草以及更高選擇性等問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的研究[44].

圖12 商品化抑制劑的環(huán)化策略Fig.12 Cyclization strategy of commercial inhibitor

之后的工作還將嘧啶水楊酸母體結(jié)構(gòu)中羧基利用2-(取代苯胺)乙氰基替換，此想法來(lái)源于上海有機(jī)所呂龍課題組前期合成得到的2-溴-N-[2-(4，6-二甲氧基嘧啶-2-氧基)芐基]胺、[4-(2-(4，6-二甲氧基嘧啶-2-氧基)芐胺)苯基](哌啶-1-基)甲酮及2-嘧啶氧基-N-芳基-7-氰基芐胺類(lèi)化合物對(duì)早熟禾、看麥娘、牛繁縷等油菜田雜草表現(xiàn)出良好的除草活性[45-47]，在此基礎(chǔ)上合成了一系列的抑制劑小分子，大部分化合物都表現(xiàn)出了對(duì)反枝莧和小藜良好的除草活性.其中苯氨的苯環(huán)上連有吸電子基團(tuán)有利于除草活性的提高，特別是苯環(huán)對(duì)位有吸電基時(shí)活性提高的程度更為明顯，而苯環(huán)上連有給電子基團(tuán)時(shí)對(duì)于除草活性的提高并沒(méi)有顯著的幫助[48].介于嘧啶水楊酸類(lèi)母體結(jié)構(gòu)中的2，6-二甲氧基嘧啶環(huán)在AHAS抑制劑的除草劑結(jié)構(gòu)是具有重要地位的藥效團(tuán)，本課題組利用活性亞結(jié)構(gòu)拼接的方法將具有廣泛生物活性的取代吡唑環(huán)與2，6-二甲氧基嘧啶環(huán)通過(guò)氮原子連接 (圖13)，這類(lèi)新穎結(jié)構(gòu)的化合物大部分對(duì)稗草、馬唐、狗尾草等雜草具有良好的除草活性，其中當(dāng)R基團(tuán)為芐基時(shí)，對(duì)闊葉雜草反枝莧的除草活性達(dá)到了100%，表明該類(lèi)結(jié)構(gòu)新穎的抑制劑小分子具有進(jìn)一步優(yōu)化的潛力[49].

圖13 2-[3-(2-取代苯基)-1H-吡唑-1-基]-4，9-二甲氧基嘧啶類(lèi)化合物Fig.13 2-[3-(2-Substitutedphenyl)-1H-pyrazol-1-yl]-4,9-dimethoxypyrimidine dervatives

柳愛(ài)萍等研究人員嘗試將嘧啶水楊酸母體結(jié)構(gòu)中羧基變?yōu)楸交〈孽セY(jié)構(gòu)，并且改變酯基在苯環(huán)上的取代位置，合成了一系列具有全新結(jié)構(gòu)的2-[2-(烷氧羰基苯氧羰基)苯氧基]-4，6-二甲氧基嘧啶類(lèi)化合物， 這一全新系列的抑制劑小分子在除草活性測(cè)試中表現(xiàn)出較高的活性，其中當(dāng)苯酯基的取代基位置為間位時(shí)除草活性?xún)?yōu)于鄰、對(duì)位[50].

目前，AHAS抑制劑中磺酰脲類(lèi)除草劑與雜草抗性之間的關(guān)系問(wèn)題已經(jīng)有了大量的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，但對(duì)于其他類(lèi)型的AHAS抑制劑與雜草抗性的關(guān)系還不是很清晰，所以對(duì)于母體結(jié)構(gòu)的取代基篩選就有了重要的意義，本課題組就嘧啶水楊酸的母體結(jié)構(gòu)中苯環(huán)部分進(jìn)行了多種取代基的變化，以求設(shè)計(jì)合成具有反抗性特征的抑制劑結(jié)構(gòu)，對(duì)活性片段水楊酸苯環(huán)結(jié)構(gòu)上的5、6號(hào)位利用3D-QSAR和分子對(duì)接模型進(jìn)行了取代基的虛擬篩選，為研究嘧啶水楊酸類(lèi)的除草劑與雜草抗性問(wèn)題之間的關(guān)系奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[51].在前期工作的基礎(chǔ)上，利用活性亞結(jié)構(gòu)拼接的方法，將嘧啶環(huán)引入前面提及的具有高活性及反抗性的三唑并嘧啶抑制劑小分子(圖14)中.從生物活性測(cè)試結(jié)果不難看出，這一大膽改造策略不僅在酶水平上維持了先導(dǎo)化合物的高活性以及反抗性能力，并且在盆栽活體實(shí)驗(yàn)中對(duì)播娘蒿(敏感)、播娘蒿抗性1(K)、播娘蒿抗性2(GK)、耳葉水莧(抗性)等多種抗性雜草表現(xiàn)很高的抑制活性，部分化合物顯示出優(yōu)于對(duì)照藥劑雙草醚和闊草清的除草活性.該系列化合物在活體水平中所體現(xiàn)出的高活性和反抗性為以后進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了借鑒，也為今后成功開(kāi)發(fā)反抗性除草劑提供實(shí)例基礎(chǔ)[52].

圖14 嘧啶水楊酸類(lèi)反抗性抑制劑的分子改造Fig.14 The structural modification of anti-resistant AHAS inhibitor contained pyrimidylsalicylate

1.4 三唑啉酮類(lèi)除草劑

三唑啉酮類(lèi)化合物是一類(lèi)重要的除草劑，自杜邦公司發(fā)現(xiàn)了第一個(gè)三唑啉酮類(lèi)除草劑唑啶草酮之后，該類(lèi)除草劑的多種商品化藥劑也相繼問(wèn)世.以1， 2， 4-三唑啉酮為母體的衍生物作為除草劑已有大量專(zhuān)利報(bào)道，其中胺唑草酮(Amicarbazone)、丙苯磺隆(Propoxycarbazone)、甲磺草胺(Sulfentrazone)及唑酮草酯(Carfentrazoneethyl)等均已商品化.由于三唑類(lèi)含氮雜環(huán)其多變的結(jié)構(gòu)和廣泛的生物活性已成為農(nóng)藥開(kāi)發(fā)的新熱點(diǎn)，并且具有環(huán)境友好、用量少、除草快、殺草譜廣且不易產(chǎn)生抗性等特點(diǎn)，因此對(duì)這類(lèi)除草劑進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造和優(yōu)化具有重要的意義.針對(duì)以AHAS為靶標(biāo)酶的商品化三唑啉酮類(lèi)除草劑的母體結(jié)構(gòu)是由磺酰脲類(lèi)除草劑通過(guò)活性亞結(jié)構(gòu)拼接衍生而來(lái).目前為止，以AHAS為靶標(biāo)的三唑啉酮類(lèi)除草劑包括：氟唑磺隆(Flucarbazone-sodium)、丙苯磺隆(Propoxycarbazone-sodium)、噻酮磺隆(Thiencarbazone-methyl)(圖15).

圖15 商品化AHAS三唑啉酮類(lèi)抑制劑分子結(jié)構(gòu)Fig.15 The structure of commercial AHAS triazoliones inhibitor

南開(kāi)大學(xué)李正名教授課題組利用生物等排的方法對(duì)先導(dǎo)化合物進(jìn)行優(yōu)化，將商品化結(jié)構(gòu)中的苯環(huán)利用它的非經(jīng)典等排體嘧啶環(huán)進(jìn)行替代，合成了一系列的2-嘧啶基-5-甲基-2H-1， 2， 4-三唑-3(4H)-酮類(lèi)化合物，另外根據(jù)丙苯磺隆結(jié)構(gòu)， 設(shè)計(jì)并合成了一系列的1-(3-氧-2H-1， 2， 4-三唑-3(4H)-基)-3-(2-取代苯磺?；?脲類(lèi)化合物，這兩個(gè)系列的化合物均表現(xiàn)出一定的除草活性，化合物A(圖16)在1.5 kg /hm2劑量下對(duì)稗草和馬唐莖葉的抑制率分別為100%和75.3%[53].由于唑啶草酮和唑酮草酯這兩種除草劑具有突出反抗性能力，即對(duì)磺酰脲類(lèi)除草劑產(chǎn)生抗性的雜草具有很好的抑制作用，因此對(duì)這兩類(lèi)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有重要的意義.李正名教授課題組在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了兩個(gè)含有1， 2， 4-三唑啉酮結(jié)構(gòu)系列的抑制劑小分子(圖17)，其中系列一的1， 2， 4-三唑啉酮類(lèi)化合物除草活性明顯高于系列二的1， 2， 4-三唑啉酮類(lèi)化合物，系列一中R為2位取代的苯環(huán)時(shí)的抑制劑小分子在1.5 kg / hm2劑量下對(duì)馬唐和反枝莧的抑制率達(dá)到100%，系列二中的化合物幾乎沒(méi)有除草活性，但值得一提的是R為4位氟取代苯環(huán)，2位氯或甲基取代的苯環(huán)時(shí)，表現(xiàn)出對(duì)黃瓜子葉生根有很強(qiáng)的促進(jìn)作用[54].在上述系列一基礎(chǔ)之上，該課題組設(shè)計(jì)合成了系列三(圖17)，該系列抑制劑小分子都顯示出了良好的除草活性，R取代基為苯環(huán)時(shí)除草活性高于烷基取代的化合物活性，其中R為3-氟-4-乙基苯環(huán)時(shí)在1.5 kg / hm2劑量下對(duì)升馬唐，反枝莧，歐洲油菜和稗草苗前處理的抑制活性達(dá)到了100%[55].

圖16 化合物AFig.16 The structure of compound A

圖17 系列一、系列二和系列三Fig.17 The stucture of series 1,2 and 3

本課題組針對(duì)圖16中結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了一系列的優(yōu)化和改造，集中在對(duì)苯環(huán)上各位置的取代基進(jìn)行變換，以及將活性片段甲氧基丙酸酯與三唑啉酮通過(guò)氮原子進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)合成了一系列的抑制劑小分子，大部分的化合物具有良好的除草活性，其中苯環(huán)的2位連有氟原子，4位連有氯原子，5位連有C2H5SO2NH時(shí)，該化合物對(duì)多種闊葉雜草均表現(xiàn)出較高的除草活性，與商品化藥劑磺酰三唑酮的除草活性相當(dāng).甲氧基丙酸酯為殺菌劑以及殺蟲(chóng)劑中高活性片段，但是關(guān)于該結(jié)構(gòu)的除草活性還未見(jiàn)報(bào)道，將三唑啉酮與甲氧基丙酸酯亞結(jié)構(gòu)拼接設(shè)計(jì)出的具有新穎結(jié)構(gòu)的抑制劑小分子為今后尋找更高活性的結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件[56].

商品化的AHAS三唑啉酮除草劑，是在磺酰脲類(lèi)除草劑結(jié)構(gòu)上獲得，借此思路李正名教授課題組通過(guò)活性亞結(jié)構(gòu)拼接的方法將三唑啉酮引入其他已商品化的除草劑結(jié)構(gòu)之中(如醚磺隆等)，設(shè)計(jì)合成出結(jié)構(gòu)較為新穎的含三唑啉酮活性片段的磺酰脲類(lèi)抑制劑小分子(圖18)，部分化合物表現(xiàn)出了良好的除草活性以及作物選擇性，當(dāng)R3為2-氯乙氧基苯基，R2為甲基時(shí)其除草活性在3.75 g/hm2劑量下抑制率高于商品化的醚磺隆，與醚苯磺隆和單嘧磺酯相當(dāng).由此看出該結(jié)構(gòu)可以作為先導(dǎo)化合物進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化[57].

圖18 商品化三唑啉酮類(lèi)抑制劑的衍生物Fig.18 Commercial triazolinones inhibitor derivatives

1.5 其他結(jié)構(gòu)類(lèi)除草劑

近年來(lái)具有新穎結(jié)構(gòu)的AHAS抑制劑廣泛的被開(kāi)發(fā)研究，但往往拘泥于已經(jīng)商品化除草劑的結(jié)構(gòu)改造，除草活性沒(méi)有數(shù)量級(jí)的提升，并且沒(méi)有根本解決其嚴(yán)重的抗性問(wèn)題[58].傳統(tǒng)尋找先導(dǎo)化合物是通過(guò)一些人為的設(shè)想，不能有效的對(duì)所有結(jié)構(gòu)一一合成進(jìn)行生物檢測(cè)，局限性較強(qiáng)，那么通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助的虛擬篩選可以將所有的結(jié)構(gòu)利用分子對(duì)接模型進(jìn)行篩選，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬酶與化合物構(gòu)效關(guān)系得到活性可能較高的化合物結(jié)構(gòu)[59-60]，再對(duì)其進(jìn)行合成，這樣可以避免遺漏，為尋找更高活性的抑制劑提供了理論基礎(chǔ).

南開(kāi)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用生物合理分子設(shè)計(jì)方法， 結(jié)合AHAS靶標(biāo)酶的晶體結(jié)構(gòu)， 通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助的虛擬篩選， 發(fā)現(xiàn)了一些具有新穎結(jié)構(gòu)的AHAS抑制劑小分子[61]. 在虛擬篩選的基礎(chǔ)之上，吲哚二酮類(lèi)等新穎結(jié)構(gòu)的AHAS抑制劑相繼被設(shè)計(jì)合成.

李正名教授課題組合成了一系列吲哚二酮類(lèi)的抑制劑小分子，這類(lèi)化合物在離體和活體中都表現(xiàn)出了一定活性，特別是如圖19所示的化合物，在100 μg /mL濃度下對(duì)油菜胚根生長(zhǎng)抑制率為84.7%，離體活性也達(dá)到了60%，這一類(lèi)化合物中部分化合物也出現(xiàn)了離體和活體抑制率相背離的情況，所以進(jìn)一步的分子設(shè)計(jì)之中要考慮疏水性等生物體生理過(guò)程因素，從而設(shè)計(jì)出活性更高的抑制劑[62].之后合成了另一類(lèi)通過(guò)虛擬篩選得到的苯甲酰胺骨架結(jié)構(gòu)化合物，這一系列中單苯磺酰胺苯甲酰胺化合物對(duì)擬南芥AHAS酶具有良好的抑制活性，與單嘧磺隆相比較， 部分化合物在100 μg/mL濃度時(shí)與其相當(dāng)，但濃度降低為10 μg/mL時(shí)活性明顯下降[63].

圖19 吲哚二酮類(lèi)衍生物Fig.19 2-Oxindole derivatives

南開(kāi)大學(xué)王建國(guó)教授課題組通過(guò)對(duì)ACD-3D庫(kù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)虛擬篩選，通過(guò)打分得到一系列含有不對(duì)稱(chēng)二硫鍵的小分子具有較高的結(jié)合能.以前的報(bào)道中已經(jīng)知曉不對(duì)稱(chēng)二硫鍵廣泛存在于各種具有生物活性的抑制劑分子中，該課題組由此合成了一些含有1，2，4三氮唑的不對(duì)稱(chēng)二硫鍵衍生物(圖20)，大部分的化合物都在酶水平表現(xiàn)出了較高的抑制活性，同時(shí)除草活性測(cè)試結(jié)果看出，在100 μg/mL低劑量下有顯著的活性，部分化合物與單嘧磺隆的除草活性相當(dāng)[64].該課題組在此基礎(chǔ)之上，將三唑中1號(hào)位的氮原子替換為硫原子和氧原子，設(shè)計(jì)合成了一系列與圖20結(jié)構(gòu)相類(lèi)似的含二硫鍵化合物，同樣發(fā)現(xiàn)在酶水平和活體水平中表現(xiàn)出較好的抑制活性，特別是苯環(huán)中沒(méi)有取代基或4號(hào)位甲基取代時(shí)，在10 μg/mL劑量下離體試驗(yàn)結(jié)果都表現(xiàn)出90%以上的抑制率，并且表現(xiàn)出良好的反抗性[65].由此看出，含有三唑的不對(duì)稱(chēng)二硫鍵的抑制劑小分子表現(xiàn)出了與分子對(duì)接結(jié)果相一致的除草活性，這也為尋找包含二硫鍵結(jié)構(gòu)新穎的除草劑提供了重要的基礎(chǔ).

圖20 不對(duì)稱(chēng)二硫鍵類(lèi)衍生物Fig.20 Asymmetric aryl disulfides derivatives

結(jié)合上述幾類(lèi)基于計(jì)算機(jī)虛擬篩選得到具有新型結(jié)構(gòu)的AHAS抑制劑小分子可以看出，相當(dāng)多的新型結(jié)構(gòu)化合物在虛擬篩選的結(jié)合能計(jì)算和實(shí)際合成之后的生物活性測(cè)定結(jié)果表現(xiàn)出一致性，表明虛擬篩選對(duì)于AHAS抑制劑的分子設(shè)計(jì)的貢獻(xiàn)是具有一定的可靠性，但通過(guò)對(duì)一些抑制劑小分子與靶酶活性腔進(jìn)行計(jì)算機(jī)對(duì)接研究之后，發(fā)現(xiàn)打分靠前的化合物的生物檢測(cè)數(shù)據(jù)與理論存在一定的偏差，說(shuō)明雖然基于受體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)抑制劑小分子的方法是可行的， 但是需要考慮多方面的因素，才有可能提高命中率，以此合成真正意義上的高效、低毒、低殘留、對(duì)人畜友好、結(jié)構(gòu)新穎的先導(dǎo)化合物.

2 總結(jié)與展望

以AHAS為靶標(biāo)酶的除草劑活性高、殺草譜廣、 選擇性強(qiáng)、 使用方便，更重要的是具有對(duì)人畜無(wú)害的特點(diǎn)，這是其他靶標(biāo)酶抑制劑難以比擬的.它目前也是商品化除草劑種類(lèi)和品種最多的之一，但由于其長(zhǎng)期，大量地使用，面臨著所有除草劑都不可避免的問(wèn)題——易產(chǎn)生抗藥性，這也使國(guó)內(nèi)外的研究人員對(duì)于新型AHAS抑制劑開(kāi)發(fā)的愿望更加的迫切.研究人員在商品化的抑制劑分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，利用活性亞結(jié)構(gòu)拼接、生物電子等排以及取代基的變化等方法，通過(guò)高通量的人為篩選來(lái)尋找活性與商品化藥劑相當(dāng)，且具有更好的反抗性的抑制劑小分子；與此同時(shí)，近年來(lái)通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助來(lái)尋找具有反抗性的抑制劑小分子也得到迅猛發(fā)展，利用靶標(biāo)酶AHAS的晶體結(jié)構(gòu)，通過(guò)計(jì)算機(jī)的分子對(duì)接和虛擬篩選等方法得到結(jié)合能較低的小分子，對(duì)其合成并進(jìn)行生物檢測(cè)，來(lái)尋找新穎結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)類(lèi)化合物.在這兩方面都已取得了一定的進(jìn)展，但要尋找到更優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)骨架，還需要研究人員更深層次，更廣范圍，利用更新穎方法的去探索.

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Progress of the research on the herbicidal activity of AHAS inhibitors

QU Renyu， LIU Yuchao， CHEN Qiong， YANG Guangfu

(Key Laboratory of Pesticide & Chemical Biology of Ministry of Education， College of Chemistry，Central China Normal University， Wuhan 430079)

Acetohydroxyacid synthase(AHAS)inhibitors, which were developed in the 1980s, have been widely used as new herbicide for preventing and eliminating weeds in the fields. Since the past few years， abundant AHAS inhibitors have been developed. This paper provided a overview of the structure and bioactiyity of AHAS inhibitors including sulfonylureas, triazolopyrimidines, pyrimidylsalicylate and triazolinones derivatives，which are classed according to the different types of pharmacophores．

AHAS inhibitor; structure type; inhibitory activity; herbicidal activity

2015-01-29.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1172091，21372093)．

1000-1190(2015)05-0735-11

Q626.4

A

*通訊聯(lián)系人. E-mail: qchen@mail.ccnu.edu.cn.