回顧鄰甲酰氨基苯甲酰胺殺蟲劑：氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺的發(fā)現(xiàn)和先導物優(yōu)化

王昌釗，付騁宇 編譯

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回顧鄰甲酰氨基苯甲酰胺殺蟲劑：氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺的發(fā)現(xiàn)和先導物優(yōu)化

王昌釗，付騁宇 編譯

(陜西出入境檢驗檢疫局，西安 710068)

鈣離子通道在肌肉收縮時發(fā)揮著重要作用，是防治昆蟲的有吸引力的細胞靶標。魚尼汀受體是非電壓門控鈣離子通道，可以調節(jié)細胞內鈣離子庫釋放鈣，是肌肉細胞正常工作所必須的。此受體名字來源于植物代謝物魚尼汀(提取于南美殺蟲植物尼亞那)，魚尼汀控制部分開放狀態(tài)通道影響鈣離子的釋放。

筆者曾經報道了合成的鄰甲酰氨基苯甲酰胺類魚尼汀受體調節(jié)劑的發(fā)現(xiàn)，通過優(yōu)化先導物首先得到了商業(yè)化的氯蟲苯甲酰胺(1a, rynaxypyr?)，隨后引入第2個商業(yè)化的產品溴氰蟲酰胺(1b, cyazypyrTM) (圖1)。

圖1 天然產物魚尼汀和商業(yè)合成的雙酰胺殺蟲劑

氯蟲苯甲酰胺是優(yōu)秀的鱗翅目昆蟲防治劑，溴氰蟲酰胺由于具有內吸性、廣譜活性，對多種昆蟲有效。鄰甲酰氨基苯甲酰胺結合于不同于魚尼汀的受體位點，對昆蟲魚尼汀受體具有高度選擇性，對哺乳動物的毒性低。盡管和商業(yè)化的鄰苯二甲酰胺殺蟲劑氟蟲雙酰胺都作用于魚尼汀受體，但是鄰甲酰氨基苯甲酰胺類結構與其顯著不同。

本文回顧了鄰甲酰氨基苯甲酰胺類殺蟲劑的發(fā)現(xiàn)，并詳細介紹了先導物優(yōu)化發(fā)現(xiàn)氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺的過程。

1 先導物的發(fā)現(xiàn)

1999年日本Nihon Nohyaku公司專利申請公布了鄰苯二甲酰胺類，例如化合物2對鱗翅類昆蟲具有活性(圖2)。作為殺蟲劑其結構非常獨特，作用機制未知?；衔?的烷基酰胺的鄰位取代((R為鹵素、甲基、硝基等))，被認為是化合物具有殺蟲活性的關鍵因素。

圖2 以鄰苯二甲酰胺殺蟲劑為先導物合成鄰甲酰氨基苯甲酰胺

以鄰苯二甲酰胺2為起點，杜邦公司將芳基酰胺翻轉得到鄰甲酰氨基苯甲酰胺3(R為鹵素或甲基)，對鱗翅目昆蟲活性卻降低幾個數(shù)量級(圖2)。然而，鄰甲酰氨基苯甲酰胺3的烷基酰胺鄰位的R基團遷移至反向的芳酰胺鄰位的苯基(從化合物2的第2次結構變化)，生成異構體化合物4，該化合物在50~100 mg/L對小菜蛾有活性(圖2)。有趣的是，翻轉烷基酰胺(代替芳基酰胺)，得到烷基酰胺(5)或芳基酰胺(6)鄰位為R的鄰甲酰氨基苯甲酰胺沒有活性(圖3)。同樣，反轉鄰苯二甲酰胺的兩種酰胺得到烷基酰胺(7)或芳基酰胺(8)鄰位為R的phenylene diamides也沒有活性(圖3)。因此，化合物的活性結構更加明確了。在包括鄰苯二甲酰胺、鄰甲酰氨基苯甲酰胺和phenylene diamides(其中R基團與烷基或芳基酰胺相鄰)的8種可能的結構化合物中，只有2種有顯著藥效。Nihon Nohyaku公司對鄰苯二甲酰胺類化合物2的優(yōu)化開發(fā)了氟乙酰胺，杜邦公司對鄰甲酰氨基苯甲酰胺類化合物4進行優(yōu)化最終開發(fā)出氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺。

圖3 鄰甲酰氨基苯甲酰胺先導結構的變型

2 合成方法

圖4為了發(fā)現(xiàn)苗頭化合物而開發(fā)的合成多種鄰甲酰氨基苯甲酰胺類化合物的2條早期路線。在堿性條件下，鄰氨基苯甲酰胺9和芳基酰氯或雜芳基酰氯反應易生成鄰甲酰氨基苯甲酰胺類化合物，但產率中等。有時會通過以下途徑提高目標化合物收率，在吡啶中靛紅酸酐11和芳基酰氯或雜芳基酰氯反應生成苯并噁嗪酮12，然后該化合物和胺發(fā)生開環(huán)反應從而得到雙酰胺10。

之后開發(fā)了合成取代鄰氨基苯甲酰胺的路線，即-芳基吡唑和-吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺等(圖5)。取代的吡唑酸13與鄰氨基苯甲酸14在甲磺酰氯介導下發(fā)生環(huán)化反應生成吡唑-苯并噁嗪酮15，它與胺發(fā)生開環(huán)反應生成鄰甲酰氨基苯甲酰胺16。用此方法可獲得各種取代類似物。

圖4 早期合成鄰甲酰氨基苯甲酰胺的2條路線

圖5 后一種合成N-芳基吡唑和N-吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺的路線

最初在鈀催化條件下4-碘鄰甲酰氨基苯甲酰胺17與氰化物發(fā)生交叉偶聯(lián)反應，在鄰氨基苯甲酰胺環(huán)上引入氰基，生成氰基鄰氨基苯甲酰胺18，但一般收率較低(圖6)。更可行的合成多種氰基類似物的路線為，碘代苯并噁嗪酮19與氰化物發(fā)生交叉偶聯(lián)反應生成氰基苯并噁嗪 20，化合物20再與胺發(fā)生開環(huán)反應生成雙酰胺18(圖7)。

為了滿足生物測定需要，需要合成更多的氰基鄰氨基苯甲酰胺。在羅森蒙德馮布勞恩條件下，4-碘-6-甲基鄰氨基苯甲酸(21)轉換為4-氰基-6-甲基鄰氨基苯甲酸(22)(圖8)。用雙光氣處理22得到靛紅酸酐23，化合物23再與-吡啶吡唑酰氯24發(fā)生環(huán)化反應生成目標物氰基苯并噁嗪酮 20(其中R4為甲基)，其是化合物18的前體。

3 結 果

3.1 優(yōu)化得到氯蟲苯甲酰胺

以先導化合物6a為起點，合成了許多含有芳基酰胺片段的雜環(huán)物。圖9－11為這些化合物對3種鱗翅目昆蟲[小菜蛾()、草地貪夜蛾()和煙芽夜蛾()]的活性?；衔?6和27分別含有吡啶和嘧啶基團，它們的活性高于6a。具有相似取代的-烷基吡唑雙酰胺類化合物28－30的活性有了進一步提高。-苯基吡唑酰胺31的活性略低于-烷基取代類似物，但仍保持較高的活性。氯取代這些類似物苯環(huán)上與芳基酰胺相鄰的甲基后，化合物的活性有較高的提高。

圖6 鈀介導的碘代鄰甲酰氨基苯甲酰胺和氰化物發(fā)生交叉偶聯(lián)反應

圖7 碘代苯并噁嗪酮與氰化物發(fā)生交叉偶聯(lián)反應生成氰基鄰氨基苯甲酰胺的路線

圖8 以4-碘-6-甲基鄰氨基苯甲酸合成氰基苯并噁嗪酮的路線

圖9 先導物6a的雜環(huán)酰胺物對鱗翅目昆蟲的活性

為了提高化合物31的活性，在-苯環(huán)上進行了各種取代以及對-苯基進行雜環(huán)取代研究。圖10為一系列-芳基吡唑和-吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺類對以上3種鱗翅目昆蟲的LC50活性指標。在吡唑--苯環(huán)的2位引入氯后，化合物32活性顯著增強，其LC50接近1 mg/L。另一方面，3位或4位被氯取代，分別生成了化合物33或34，它們的活性降低了。-苯基鄰位被其他鹵素取代的化合物活性和化合物32相近，但甲基取代物活性下降。化合物32的2-氯苯環(huán)基被電子等排的-氯吡啶基取代的化合物35的活性大幅增加，其LC50為0.2 mg/L。隨后又有重大發(fā)現(xiàn)，即在鄰氨基苯甲酰胺環(huán)的4-位引入溴，所得的化合物36活性顯著增強，其LC50為0.2 mg/L，比化合物32的活性提高2個數(shù)量級。另一方面，4-位被甲基取代的化合物37的活性稍低于35。4-位為吸電子基團時化合物的活性增加，但原因尚不明確。化合物35的吡啶基團被其他雜環(huán)取代，如嘧啶、吡唑、異噻唑和異噁唑，通常會使化合物活性降低。

化合物36高的活性，促使筆者對-吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺類骨架進行深入的取代研究，更好地理解優(yōu)先取代模式。許多其他烷基酰胺取代異丙基酰胺后，化合物仍具有高活性。鹵素取代酰胺吡唑環(huán)上的三氟甲基所產生的類似物也有高的活性，鄰氨基苯甲酰胺環(huán)的4位或6位被鹵素取代也可行。圖11為6個“完全優(yōu)化”的雙酰胺(38－42和1a)對鱗翅目昆蟲的LC50。多個溫室和田間評價結果顯示甲基取代異丙基，或鹵素(即溴或氯)取代吡唑環(huán)上的三氟甲基，取代前后化合物的防效相近。1a (氯蟲苯甲酰胺)在田間低劑量施用對鱗翅目和其他咀嚼類昆蟲均有穩(wěn)定的、很高的防效，且對環(huán)境友好和毒理低，因此被選中進行商業(yè)開發(fā)。

圖10 N-芳基吡唑和N-吡啶吡唑雙酰胺對鱗翅目昆蟲的活性

圖11 6個完全優(yōu)化的鄰甲酰氨基苯甲酰胺對鱗翅目昆蟲的活性

在充分優(yōu)化化合物對鱗翅目昆蟲的活性時，重點對化合物分子的雜環(huán)二芳基酰胺的環(huán)進行了修飾，發(fā)現(xiàn)了許多其他化學類型的雙酰胺。其中一些化學類型的化合物，具有一些讓人意想不到的構-效關系。例如，化合物43、44和45中分別含有苯基吡啶、吡啶基嘧啶和吡啶吡唑酰胺片段(圖12)，對鱗翅目昆蟲的生物活性水平接近于相對應的-芳基和-吡啶吡唑酰胺。與以前類似物的雜環(huán)二芳環(huán)通過C-N鍵相連不同，這些雙酰胺的雜環(huán)二芳環(huán)通過C-C鍵連接。無論以C-N連接、還是C-C連接的雜環(huán)二芳基，橋鍵鄰位氯取代使環(huán)扭曲對優(yōu)化活性重要。

圖12 其他化學類型的高活性的鄰甲酰氨基苯甲酰胺

3.2 氰蟲酰胺的優(yōu)化

雖然鄰甲酰氨基苯甲酰胺類對半翅目昆蟲魚尼汀受體有活性，但通常對刺吸式昆蟲不太有效。然而，在優(yōu)化過程中驚喜地發(fā)現(xiàn)二氯鄰甲酰氨基苯甲酰胺46(圖13)對桃蚜卻有很強的觸殺活性。其油水分配系數(shù)log高達2.9(HPLC，pH=7)，內吸活性有限，高的觸殺活性促使人們探尋具有較低log的衍生物，這些物質可能更易被植物吸收和運轉。

為了增加對半翅目昆蟲的活性，隨后研究了log略低的氟取代的鄰甲酰氨基苯甲酰胺，但發(fā)現(xiàn)此類物質對蚜蟲的活性并未明顯提高，其內吸性仍然有限。其后又探索研究了一組鄰甲酰氨基苯甲羧基環(huán)的極性基團取代，其中重點為氰基取代優(yōu)化。

圖13中列出了4-氰基鄰氨基苯甲酰胺系列對棉蚜的LC50，以及LC50分別為0.9和2.5 mg/L的二氯鄰氨基苯甲酰胺先導物46和6-氯-4-氟鄰氨基苯甲酰胺化合物47?；衔?6的苯基-4位氯(R3為Cl)被氰基取代得到化合物48(R3為CN)，導致活性略有降低(LC50=1.6 mg/L)，而化合物46的苯基6-位氯(R4為Cl)被氰基取代則得到化合物49(其中R4為CN)，活性大幅降低(LC50≥250 mg/L)。

圖13 鄰甲酰氨基苯甲酰胺對棉蚜的活性

上述結果打消了人們進一步研究氰基取代的興趣，但也對氯蟲苯甲酰胺化合物(1a)的苯基4-位氯進行氰基取代，得到了化合物1b，對棉蚜的LC50由氯蟲苯甲酰胺(1a)的12.4 mg/L變?yōu)榛衔?b的0.4 mg/L (圖13)。此結果讓人非常意外但欣喜。分別以三氟甲基、氯和甲氧基取代化合物1b吡唑環(huán)上的溴基得到類似物50、51和52，它們也有活性但LC50稍有提高，分別為1.3，1.9和>2 mg/L?；衔?b的LC log(pH 7)為2.6，而化合物50和51的LC log分別為2.7和2.2，利用MEDCHEM計算的化合物52的log為1.8。雖然較低的油水分配系數(shù)有利于改善化合物在植物體內的運轉水平，但這并沒有使化合物51或52對蚜蟲的防效高于化合物1b。

圖14中列出了其他一些氰基類似物的抗棉蚜活性。Log為 3.6的異丙基酰胺53和LC Log為2.3的伯酰胺54，其活性都低于甲基酰胺化合物1b。吡唑上溴(化合物55)被氰基取代或吡啶上氯(化合物56)被氰基取代均導致生物活性大幅降低?；衔?b吡啶上的氯被氟取代，得到親脂性略低的化合物57，其LC50為3.7 mg/L，略高于化合物1b的0.4 mg/L。

圖14 其他氰基鄰甲酰氨基苯甲酰胺對棉蚜的活性

此外，筆者還積極探索了化合物1b苯環(huán)的雜環(huán)替代，以試圖進一步降低化合物的油水分配系數(shù)來提高內吸性。以圖15中的二氯吡啶58(先導物46的吡啶基電子等排體，對蚜蟲有活性；LC log為2.5)、氰基吡啶雙酰胺59(化合物1b吡啶基電子等排體，LC log為2.2)和二甲基嘧啶雙酰胺60(無腈基；LC log P為2.4)為例，它們對蚜蟲均有活性，對棉蚜的LC50較低，分別為50、30、7mg/L。

圖15 吡啶和嘧啶雙酰胺對棉蚜的活性

還進行了用其他各種極性基團(包括硝基、CONH2,CO2CH3, OCH3, N3, CHO, CH2OH, SCN, NH2, NHAc, NHCHO, SO2CH3,SO2N(CH3)2, CH = NOH, CO2H和CSNH)取代1b 4-位氰基的研究。除硫代酰胺(CSNH2)外，其他基團都會導致殺蟲活性降低。硫代酰胺基團可能為氰基的存在形式，其活性與化合物1b相近。

在搖瓶測試中，測得化合物1b的logow為1.9 (pH 7, 22℃)，顯著低于高效液相色譜測得的log(2.6)，并比氯蟲苯甲酰胺(1a)(油水分配系數(shù)2.9)低一個對數(shù)單位。化合物1b較低的油水分配系數(shù)使其在水中的溶解度較大，為15 mg/L，而化合物1a為2 mg/L (20 ℃)，與化合物1a相比化合物1b在植物體內的遷移性能提升了。在室內和溫室試驗中，化合物1b與油水分配系數(shù)大和小的類似物相比，對刺吸式口器和咀嚼式口器昆蟲的活性高。已證實化合物1b對蚜蟲、葉蟬、粉虱、食葉甲蟲、潛葉蠅、實蠅、木虱、象鼻蟲和毛毛蟲等多種害蟲具有廣譜的田間活性，用量依害蟲種類不同而不同，為10~200 g/hm2。化合物1b葉面施用后在葉中具有優(yōu)異的遷移性能，土壤應用后被根部吸收向上轉移，迅速地使昆蟲停止取食，從而保護植物。

對葉背被粉虱若蟲侵染的番茄葉正面進行噴施1b，劑量為50 mg/L時具有優(yōu)異的跨層防效，化合物也可從葉基部移動到葉尖。把碳14標記的化合物1b用于番茄植株的莖，可被植物莖組織吸收，并向上和向下遷移到相鄰的葉片。

3.3 活性

測定了鄰甲酰氨基苯甲酰胺類化合物對昆蟲魚尼汀受體重組型[包括Sf9細胞中鱗翅目(煙芽夜蛾)與半翅目(桃蚜-玉米飛虱嵌合體)型]的活性。在這些重組細胞系中，雙酰胺通過電壓門控通道刺激鈣離子響應。植物生物堿魚尼汀只在激活通道后使魚尼汀受體通道保持開放，與此不同的是，雙酰胺既可在關閉狀態(tài)又可在開放狀態(tài)激活魚尼丁受體通道，導致鈣離子庫耗竭。

氯蟲苯甲酰胺(1a)刺激鱗翅目和半翅目昆蟲受體類型魚尼汀受體介導的鈣離子釋放，EC50為0.04~0.05 μM。二氯鄰甲酰氨基苯甲酰胺類先導化合物31對半翅目昆蟲也有相似的活性，EC50為0.06~0.10 μM，而1b (溴氰蟲酰胺)對半翅目的活性稍低，EC50為0.09~0.25 μM。相對于哺乳動物的魚尼汀受體而言，化合物1a和1b的活性很低，表明它們對昆蟲和哺乳動物靶標點選擇性不同。

4 結 論

通過回顧鄰甲酰氨基苯甲酰胺類殺蟲劑，介紹了此類殺蟲劑的發(fā)現(xiàn)和優(yōu)化開發(fā)2個產品的經驗。在合成鄰苯二甲酰胺殺蟲劑的競爭性專利申請中，成功地應用了酰胺翻轉策略。化學優(yōu)化得到了與鄰苯二甲酰胺的構效關系具有顯著差異的更好的先導物。經過一系列合成突破，最終合成了吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺，與已有殺蟲劑類相比，對鱗翅類昆蟲具有前所未有的活性。

表1 氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺對不同目害蟲的活性

注：LC50代表死亡率，置信區(qū)間小于或等于計算值的50%。

商業(yè)開發(fā)的第1個候選產品氯蟲苯甲酰胺(1a)，商品名Rynaxypyr?，用于防治多種鱗翅目和其他咀嚼式口器昆蟲。其對許多鱗翅目害蟲幼蟲的活性高于現(xiàn)有的商業(yè)產品茚蟲威和氯氰菊酯。田間用量為10~100 g/hm2，具體依昆蟲種類不同而不同。雖然氯蟲苯甲酰胺對半翅目昆蟲有活性，但對刺吸式口器昆蟲不太有效。因此，對對蚜蟲有觸殺活性的二氯鄰甲酰氨基苯甲酰先導化合物進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)了內吸活性增加的氰基取代酰胺。由此確定和開發(fā)了第2個候選產品溴氰蟲酰胺(1b)，其商品名Cyazypyr?。溴氰蟲酰胺對咀嚼式口器(即鱗翅目)和刺吸式口器(即半翅目)等多個目的昆蟲有優(yōu)異活性。其葉面噴霧逐漸進入葉組織，隨后跨層轉移能防治未處理的葉背害蟲。表1列出了氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺對不同害蟲的活性。

氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺葉面噴施對昆蟲有優(yōu)異的防治，而這兩個產品的物理特性也使其可通過植物木質部向上遷移，故可施用于根區(qū)土壤或處理種子。一般，葉面應用時，不能通過韌皮部遷移。

1a和1b都是IRAC(殺蟲劑抗性行動委員會)第28組作用機制(阿諾定受體調節(jié)劑)的成員，作為一種害蟲管理工具，為全球的種植者帶來了巨大的收益。迄今為止，鄰甲酰氨基苯甲酰胺類殺蟲劑的年銷售額超過了10億美元，用于防治鱗翅目、雙翅目潛葉蠅、果蠅、甲蟲、粉虱、薊馬、蚜蟲、葉蟬，木虱和象鼻蟲等多種害蟲。

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.05.04

TQ450

A

1009-6485(2017)05-0022-06

王昌釗(1979—)，男，山東棗莊人，高級工程師，碩士，從事進出口商品檢驗和檢測工作。E-mail: wangcz@snciq.gov.cn。

2017-10-10。