除草劑NWAFU-J10 創(chuàng)制經(jīng)緯

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)重點實驗室，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)計化合物是除草劑創(chuàng)制的主要策略，實踐證明這種策略非常成功。回溯歷史，每個活性優(yōu)異的新除草劑問世都會引起業(yè)內(nèi)多個公司的跟蹤研究，并最終成功開發(fā)出衍生化產(chǎn)品。近10 年來，我國除草劑創(chuàng)制工作取得了長足進(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 多個除草劑品種，數(shù)量上超過了同期全球其他國家，充分展現(xiàn)了我國除草劑創(chuàng)制的強大實力[1-2]。

盡管我國除草劑創(chuàng)制成果令人欣喜，但我國在除草劑原創(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。正如劉長令所述，“中國創(chuàng)制的新農(nóng)藥品種性價比有限，且多屬于me too 研究，與國外大公司的品種相比缺乏競爭力”[3]。2022 年1 月29 日，國家八部委聯(lián)合發(fā)布《“十四五”全國農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中也指出，我國農(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)大國地位不匹配”[4]。2022 年8月，中國農(nóng)業(yè)工業(yè)協(xié)會會長孫叔寶在第十一屆中國農(nóng)藥知識產(chǎn)權(quán)與科技創(chuàng)新大會上提出，“高質(zhì)量創(chuàng)新是實現(xiàn)中國農(nóng)藥高質(zhì)量發(fā)展的有力保障”。

新農(nóng)藥創(chuàng)制是一項高投入、高風(fēng)險，且難度極大的工作，歐美跨國公司在近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，但大多僅是國外現(xiàn)有產(chǎn)品的衍生物，且與國外現(xiàn)有產(chǎn)品相比在性價比上是否具有優(yōu)勢仍有待觀察。跨國公司推出原創(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，我國農(nóng)藥創(chuàng)制要力爭在原始創(chuàng)新上有突破，創(chuàng)制出專利權(quán)穩(wěn)定、性價比優(yōu)勢明顯、具有市場競爭力的新產(chǎn)品。

1 NWAFU-J10 創(chuàng)制過程

1.1 化合物設(shè)計思路——基于非活性基團的多樣化衍生

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)點是周期短、風(fēng)險小、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制明確，難點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)品具有更高的性價比。第二種創(chuàng)制策略優(yōu)點是可以獲得具有新穎分子骨架或新作用機制候選化合物及其專利權(quán)，不足之處是風(fēng)險大、周期長、成本高。

本文基于“非活性基團多樣化衍生”思路創(chuàng)制出NWAFU-J10。所謂“非活性基團”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。苯噻酰草胺屬于酰胺類除草劑，其作用機制是抑制細(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。德國赫斯特公司報道的除草化合物1和除草劑吡氟酰草胺作用機制相同，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。

基于“非活性基團多樣化衍生”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，這一點類同me too 策略，但me too 分子設(shè)計時保留的是現(xiàn)有產(chǎn)品的活性基團，而基于“非活性基團多樣化衍生”是選擇多個除草劑作為先導(dǎo)化合物，分子設(shè)計時保留的是多個除草劑化學(xué)結(jié)構(gòu)中共有的非活性基團。其次，非活性基團多樣化衍生時采用隨機合成策略，以考察分子骨架不同位置引入不同類型化學(xué)基團對除草活性的影響。

1.2 化合物庫構(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 個不同位點。基于原料可得、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 個苯并噻唑化合物庫(圖2)。采用小杯法測試了化合物100 mg/L劑量對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。采用盆栽法測試了化合物99 對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高劑量時對苘麻和反枝莧表現(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，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)的烷基和烷氧基對除草活性較為有利，其中化合物I-56 的活性最佳，對除草活性最為有利。盆栽試驗結(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。考察了在吡啶環(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-位引入吸電基團的鹵素，在苯環(huán)的6-羥基上引入適當(dāng)?shù)聂人狨τ诔莼钚宰钣欣纱藦暮铣傻谋姸嗷衔镏写_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，對后茬作物安全。NWAFU-J10殺草譜廣，對反枝莧、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 莖葉噴霧處理對雜草的鮮重抑制率 (%)

NWAFU-J10 具有作用速度快、耐低溫的特點。施藥數(shù)小時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)的后處理簡單，且所需的各種原料均有工業(yè)級產(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“基于非活性基團的多樣化衍生”設(shè)計策略，該名詞只是化合物設(shè)計思路的形象描述，并非具有推廣價值的分子設(shè)計理論，其本質(zhì)上仍屬于隨機合成的范疇。隨機合成在現(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，隨機合成在新農(nóng)藥創(chuàng)制中的重要性已顯著下降。雖然隨機合成具有耗時長、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特的優(yōu)勢。在歷時數(shù)年的實踐過程中，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，大多數(shù)化合物庫中均未篩選到有價值的先導(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)計時刻意回避了當(dāng)前流行的me too 策略，采用逆向思維選取了幾個除草劑中共有的非活性基團作為分子骨架，而不是在原有分子的活性基團上進(jìn)行分子設(shè)計，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。