螺環(huán)類農(nóng)藥研究進(jìn)展

袁 婷，伍思凱，吳志兵

（1.貴州中醫(yī)藥大學(xué)時(shí)珍學(xué)院，貴陽(yáng) 550200；2.貴州大學(xué)綠色農(nóng)藥與農(nóng)業(yè)生物工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，貴陽(yáng) 550025；3.貴州師范大學(xué)國(guó)際教育學(xué)院，貴陽(yáng) 550001）

螺環(huán)化合物以其獨(dú)特的三維結(jié)構(gòu)、廣泛的生物活性而著稱[1-3]。螺環(huán)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是在季碳上稠合各類芳香或非芳香環(huán)，如圖1所示，許多天然產(chǎn)物普遍存在該特征結(jié)構(gòu)[4-5]。在該類結(jié)構(gòu)中，螺環(huán)碳固定了化合物的構(gòu)象，使其具有較強(qiáng)的剛性，不僅可以穩(wěn)定配體與蛋白質(zhì)結(jié)合所需的構(gòu)象，還可以增加結(jié)構(gòu)的特異性及分子的復(fù)雜性，從而降低其耐藥性并增強(qiáng)代謝的穩(wěn)定性[6-7]。

圖1 帶有螺環(huán)骨架的天然產(chǎn)物

此外，制備該類結(jié)構(gòu)具有一定的合成難度，針對(duì)合成該骨架的研究可促進(jìn)合成方法學(xué)的發(fā)展，而這些發(fā)展為藥物分子的制備提供了新的合成策略。有關(guān)學(xué)者已研究了許多具有不同生物活性的螺環(huán)結(jié)構(gòu)，并確定了其中一些分子的特定靶標(biāo)和作用方式。

20世紀(jì)80年代，拜耳公司發(fā)現(xiàn)了一種對(duì)白粉病、銹病和條銹病等常見病害具有較好抑制作用的二氧螺[4.5]癸烷化合物，以“螺環(huán)菌胺”命名并登記上市，即農(nóng)藥領(lǐng)域的第一款螺環(huán)化合物[8]。而后拜耳公司相繼推出螺螨酯、螺甲螨酯和螺蟲乙酯等3款螺環(huán)類化合物[9-11]。它們至今仍為殺蟲（螨）劑市場(chǎng)的主力軍（圖2）。

圖2 已登記的螺環(huán)類化合物

大多數(shù)殺螨劑將螺螨酯作為復(fù)配成分加入，但害蟲對(duì)其抗性嚴(yán)重，且螺螨酯存在對(duì)成螨無(wú)效、起效慢等缺點(diǎn)；而螺蟲乙酯雖活性較好，但存在起效慢等問(wèn)題[12-13]。青島科技大學(xué)發(fā)現(xiàn)的螺螨雙酯已由浙江宇龍生物科技有限公司于2019年登記上市，為我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品[14]。螺螨雙酯主要通過(guò)觸殺和胃毒作用防治卵、若螨和雌成螨，其作用機(jī)理為抑制害螨體內(nèi)脂肪合成，阻斷能量代謝，殺卵效果突出[15]。相對(duì)于螺螨酯對(duì)成螨效果差的缺點(diǎn)，螺螨雙酯對(duì)不同發(fā)育階段的害螨均具有較好防效，可在柑橘各個(gè)生長(zhǎng)期使用。在推薦用藥劑量范圍內(nèi)對(duì)作物安全，未見藥害發(fā)生，且對(duì)捕食天敵、寄生天敵低毒或無(wú)影響。

目前，已有一些關(guān)于螺環(huán)化合物在藥物化學(xué)領(lǐng)域研究的綜述：魏榮寶等[16]綜述了螺環(huán)化合物在農(nóng)用殺菌、殺蟲、除草等方面的研究情況；丁研等[17]總結(jié)了近年來(lái)具有抗菌活性的螺環(huán)化合物的研究進(jìn)展；Ye等[18]綜述了螺環(huán)吲哚化合物作為抗病毒劑在醫(yī)用領(lǐng)域的研究進(jìn)展；Yang等[19]介紹了螺環(huán)化合物作為殺菌劑的應(yīng)用和研究進(jìn)展。由于螺環(huán)化合物研究進(jìn)展較快且其在農(nóng)藥領(lǐng)域中應(yīng)用綜述文章較少，本文針對(duì)螺環(huán)化合物在農(nóng)用活性方面的研究進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)，以期為新農(nóng)藥創(chuàng)制提供幫助。

1 具有農(nóng)藥活性的螺環(huán)化合物

1.1 具有殺蟲活性的螺環(huán)化合物

近年來(lái)，螺環(huán)季酮酸類殺蟲（螨）劑因其結(jié)構(gòu)新穎、高效低毒、無(wú)交互抗性等特點(diǎn)成為新農(nóng)藥創(chuàng)制研究的熱點(diǎn)之一[20]。拜耳公司先后開發(fā)了3個(gè)全新結(jié)構(gòu)的螺環(huán)季酮酸類殺蟲（螨）劑——螺螨酯、螺甲螨酯、螺蟲乙酯。這3款農(nóng)藥具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)和作用機(jī)理，均是乙酰輔酶A羧化酶（Acetyl CoA carboxylase，ACCase）抑制劑，能通過(guò)抑制ACCase活性，干擾生物的脂肪酸生物合成，達(dá)到殺滅害蟲的目的[21]。相比于螺螨酯、螺甲螨酯，螺蟲乙酯具有雙向內(nèi)吸性且持效長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，在殺蟲劑市場(chǎng)中占有很大份額。

目前螺環(huán)類殺蟲劑主要以季酮酸類化合物作為母體衍生。Zhao等[22]以3-(2，4-二氯苯基)-4-羥基-1-氧雜螺[4.5]癸-3-烯-2-酮為原料合成了21個(gè)螺環(huán)季酮酸衍生物（圖3），并對(duì)其進(jìn)行了初步殺蟲活性測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該類化合物對(duì)朱砂葉螨、蚜蟲和黏蟲均具有很好的生物活性，尤其是化合物10a和10b，對(duì)朱砂葉螨的LD50分別為35.12、10.39 μg/mL，優(yōu)于螺螨酯（LD50為45.20 μg/mL），化合物10c對(duì)蠶豆蚜的LD50為21.90 μg/mL，遠(yuǎn)優(yōu)于螺螨酯（LD50為174.13 μg/mL）。構(gòu)效關(guān)系分析表明：將甲氧肟基團(tuán)引入螺環(huán)季酮酸衍生物后，生物活性變化不明顯；酯鍵的長(zhǎng)短對(duì)殺蟲殺螨活性有明顯影響，對(duì)蠶豆蚜的抑制活性初篩結(jié)果顯示，其為3～4個(gè)碳時(shí)較適合，鏈長(zhǎng)過(guò)短活性較低，鏈長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)活性也不高；直鏈酯鍵引入雙鍵后，活性顯著增加。

Zhao等[23]繼續(xù)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行突破，合成一系列五元環(huán)的螺環(huán)衍生物11（圖4），在保留活性基團(tuán)的前提下豐富了化合物結(jié)構(gòu)。對(duì)該系列化合物進(jìn)行活性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其對(duì)朱砂葉螨、蚜蟲和黏蟲的活性都優(yōu)于先導(dǎo)化合物螺甲螨酯。化合物11a、11b和11c均表現(xiàn)出優(yōu)異的殺蚜蟲活性，尤其是11a，對(duì)蚜蟲的LC50為1.09 μg/mL，優(yōu)于螺甲螨酯（5.06 μg/mL）。構(gòu)效關(guān)系表明，當(dāng)取代基為直鏈烷烴所連接的酰基時(shí)活性增強(qiáng)，尤其是戊羰基時(shí)活性最高。對(duì)logP分析發(fā)現(xiàn)，在4.0～6.0區(qū)間內(nèi)目標(biāo)化合物的殺蟲活性表現(xiàn)最佳。

圖4 具有殺蟲活性的螺環(huán)化合物11 的合成路線

Cheng等[24]根據(jù)以上研究，以螺蟲乙酯為先導(dǎo)進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，通過(guò)在C4和C8位引入各種取代基，設(shè)計(jì)合成了35個(gè)具有殺蟲活性的螺環(huán)衍生物12～17（圖5），用親本測(cè)定了新化合物對(duì)蠶豆蚜、胭脂紅蜘蛛和黏蟲的生物活性。初步分析表明，化合物13f、13h和13u對(duì)蠶豆蚜的抑制活性優(yōu)于螺蟲乙酯，而13f和13u是該系列中對(duì)這3種生物最有效的化合物。化合物13f、13h和13u對(duì)蠶豆蚜的LC50分別為0.42、0.28和2.53 μg/mL；對(duì)胭脂紅蜘蛛的LC50分別為8.12、50.93和11.03 μg/mL。13f、13h和13u可用作開發(fā)新型殺蟲劑的潛在先導(dǎo)化合物。初步構(gòu)效關(guān)系分析表明，螺環(huán)中柔性橋C4的位置在殺蟲活性中起著重要作用，C8位的官能團(tuán)大小對(duì)活性有很大影響。化合物14、15、16和17未表現(xiàn)出較好的殺蟲活性。

圖5 具有殺蟲活性的螺環(huán)季酮酸衍生物12～17 的結(jié)構(gòu)

Liu等[25]以螺甲螨酯為先導(dǎo)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，在酯基部分引入雙羰基結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并合成了一系列含有草酰部分的新型螺環(huán)四氫苯甲酸衍生物。生物活性測(cè)定結(jié)果表明，大多數(shù)目標(biāo)化合物對(duì)胭脂紅蜘蛛幼蟲和卵有出色的活性，特別是二異丙基氨基草酰化衍生物18a（圖6）和哌啶草酰化衍生物18b，對(duì)紅蜘蛛卵的抑制活性分別是市售藥劑螺甲螨酯的1.4倍和2.3倍。大多數(shù)目標(biāo)化合物對(duì)鱗翅目害蟲表現(xiàn)出殺蟲活性。從構(gòu)效關(guān)系可以看出，引入草酰基后活性大大增加，由此可見將草酰部分引入螺環(huán)四氫苯甲酸可能會(huì)產(chǎn)生新的生物活性。

圖6 具有殺蟲活性的螺環(huán)季酮酸衍生物18～19 的結(jié)構(gòu)

Ke等[26]同樣以季酮酸為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)酯化、一鍋雜環(huán)和醚化3步簡(jiǎn)便地合成一系列螺環(huán)季酮酸衍生物，并測(cè)試了其對(duì)棉鈴蟲和小菜蛾的殺蟲活性。生物活性測(cè)定結(jié)果表明，大部分化合物對(duì)小菜蛾的活性優(yōu)于螺螨酯的活性，其中化合物19a、19b和19c在125 μg/mL質(zhì)量濃度下仍能保證100%的致死率，高于對(duì)照藥劑螺螨酯（125 μg/mL質(zhì)量濃度下致死率為0～10%）。根據(jù)構(gòu)效關(guān)系分析，含有氫和4-氟取代基的化合物與帶有鄰甲基及2，4-二氯取代基的化合物表現(xiàn)出一定的反差。前者在相同濃度下表現(xiàn)出相對(duì)較低的活性，可能為芳環(huán)中取代基的位置變化顯著影響了活性，在芳環(huán)的鄰位引入基團(tuán)可能存在重要的空間和電子效應(yīng)，從而影響目標(biāo)化合物的生物活性。

1.2 具有殺菌活性的螺環(huán)化合物

植物病原菌對(duì)作物危害嚴(yán)重，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)了巨大的影響[26]。螺環(huán)菌胺屬于甾醇生物合成抑制劑，主要抑制C14脫甲基化酶的合成[27]。其具有內(nèi)吸性，持效期長(zhǎng)，作用迅速，兼具保護(hù)和治療作用，可用于麥類作物防治白粉病、銹病、云紋病、條銹病等，葡萄、香蕉等果樹防治白粉病、葉斑病等。目前應(yīng)用在殺菌領(lǐng)域的螺環(huán)骨架大多是在天然產(chǎn)物的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾而得到的全新骨架，該類骨架具有新穎的結(jié)構(gòu)，且與甲氧基丙烯酸酯類殺菌劑和琥珀酸脫氫酶抑制劑（SDHI）類殺菌劑等無(wú)交互抗性。

Evidente等[27]從殼二孢屬真菌Ascochyta agropyrina var.nana的代謝物中分離出papyracillic acid，并通過(guò)化學(xué)轉(zhuǎn)化合成一系列papyracillic acid衍生物，初步測(cè)試其對(duì)柑橘潰瘍病菌的活性（圖7）。測(cè)定結(jié)果表明，papyracillic acid及其甲基化衍生物21顯示出一定的殺菌效果，2個(gè)化合物對(duì)野油菜黃單胞菌的MIC值分別為7.5和5.2 μg/mL。

圖7 Papyracillic acid 的轉(zhuǎn)化路線

螺環(huán)天然產(chǎn)物灰黃霉素（Griseofulvin）（圖8）已被開發(fā)用作醫(yī)用殺菌劑，它能抑制真菌有絲分裂，使有絲分裂的紡錘結(jié)構(gòu)斷裂，終止中期細(xì)胞分裂[28]。Bai等[29]將灰黃霉素進(jìn)行化學(xué)轉(zhuǎn)化后作為農(nóng)用殺菌劑，測(cè)試其對(duì)馬鈴薯干腐病菌（Fusarium solani）、蘋果炭疽病菌（Colletotrichum gloeosporioides）、蘋果腐爛病菌（Cytospora sp.）、番茄早疫病菌（Alternaria solani）及番茄灰霉病菌（Botrytis cinerea）等5種常見植物病原真菌的抑制活性。結(jié)果表明，22a、22b和22c對(duì)蘋果炭疽病菌的IC50分別為（47.25±1.46）、（49.44±1.50）和（53.63±1.74）μg/mL，低于甲基硫菌靈的IC50（69.66±6.07）μg/mL。對(duì)其進(jìn)行的活體試驗(yàn)結(jié)果與離體測(cè)試結(jié)果相符。構(gòu)效關(guān)系分析顯示，合適的大體積和負(fù)電酰基取代基更有利于增加灰黃霉素的4'位置的活性。

圖8 灰黃霉素的轉(zhuǎn)化路線

靛紅廣泛存在于自然界中，可利用靛紅通過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)化制備螺環(huán)化合物，且靛紅大多具有廣泛的生物活性[30]。Wu等[31]以羥吲哚衍生物為原料，在溫和條件下與β-芳基丙烯腈衍生物發(fā)生堿介導(dǎo)的偶聯(lián)［3＋2］雙邁克爾反應(yīng)，以良好的收率得到了一系列螺吲哚四氫呋喃衍生物（圖9）。測(cè)試其對(duì)水稻紋枯病菌（Rhizoctonia solani）、半裸鐮刀菌（Fusarium semitectum）、馬鈴薯早疫病菌（Alternaria solani）、蘋果樹腐爛病菌（Valsa mali）和小麥赤霉病菌（Fusarium graminearum）的生物活性。結(jié)果表明：大多數(shù)化合物顯示出良好的殺菌活性，其中在苯環(huán)的間位具有溴原子的螺氧雜吲哚衍生物23對(duì)小麥赤霉病菌的IC50為3.31 μg/ mL，與陽(yáng)性對(duì)照環(huán)己酰亞胺（IC50為3.30 μg/mL）活性相當(dāng)。構(gòu)效關(guān)系分析可知，在靛紅N-位取代基R1相同的情況下，R2為吸電子取代基間溴苯基的化合物23顯示出活性增加的作用，對(duì)小麥赤霉病菌抑制活性顯著高于R2處為對(duì)甲苯基的化合物。

圖9 螺吲哚四氫呋喃衍生物的合成路線

辣椒是重要的蔬菜作物，我國(guó)辣椒產(chǎn)量十分可觀，但是病害發(fā)生也較嚴(yán)重，特別是病毒病等惡性病害發(fā)生普遍，危害極大[32]。Marinov等[33]發(fā)現(xiàn)一種環(huán)烷螺衍生物24（圖10）可以和棘孢木霉（Trichoderma asperellum T6）搭配使用，用于防治由辣椒斑點(diǎn)病菌（Xanthomonas vesicatoria）和半裸鐮刀菌引起的植物病害。化合物24對(duì)辣椒斑點(diǎn)病菌和半裸鐮刀菌具有較強(qiáng)抑制作用，同時(shí)對(duì)生防菌棘孢木霉的生長(zhǎng)無(wú)影響，可將化合物24與生防菌棘孢木霉聯(lián)用。

圖10 具有殺菌活性的化合物24～29 的結(jié)構(gòu)

Tang等[34]設(shè)計(jì)并合成了一類新型的氧雜螺環(huán)咪唑衍生物，通過(guò)活性測(cè)試發(fā)現(xiàn)該系列化合物對(duì)辣椒疫霉病菌（Phytophthora capsici）具有較強(qiáng)的抑制作用，其中化合物25a和25b在50 μg/mL質(zhì)量濃度下的抑制率分別為96.4%和92.5%，EC50分別為2.45和7.42 μg/mL，優(yōu)于多菌靈（EC50為77.80 μg/mL）。構(gòu)效關(guān)系顯示，烯內(nèi)酯支架中螺環(huán)部分的引入使其抑菌活性提高，且芳香胺衍生物的殺真菌活性較芐胺衍生物好。在該系列化合物研究的基礎(chǔ)上，Yu等[35]固定左側(cè)螺環(huán)的大小，選擇活性最優(yōu)的環(huán)己烷，替換與呋喃相連的甲基為苯基，設(shè)計(jì)了化合物26，發(fā)現(xiàn)其活性明顯降低。將化合物26的苯環(huán)部分進(jìn)一步用鹵素修飾后，Li等[36]發(fā)現(xiàn)苯環(huán)上3位為F取代的化合物27顯示出更高的殺菌活性，能顯著抑制菌絲生長(zhǎng)、孢子囊生成、游動(dòng)孢子釋放和囊孢子萌發(fā)。

大環(huán)化合物大多應(yīng)用于超分子和材料等領(lǐng)域，在農(nóng)藥領(lǐng)域的應(yīng)用不多，但其具有的特殊性質(zhì)對(duì)改善藥物活性具有一定幫助。Li等[37]合成了一系列新穎的大環(huán)螺噻二唑啉化合物28，并發(fā)現(xiàn)其對(duì)水稻紋枯病菌具有一定的殺菌活性，但是活性不佳。對(duì)其進(jìn)行改造，將大環(huán)烷烴部分改為含雜原子的內(nèi)酯和內(nèi)酰胺后，活性明顯提升，得到一系列結(jié)構(gòu)新穎的化合物29。采用菌絲生長(zhǎng)速率法測(cè)定該類化合物對(duì)番茄灰霉病菌、核盤菌、大豆紋枯病菌、蘆筍莖枯病菌和稻瘟病菌等5種植物病原菌的活性。結(jié)果表明，大多數(shù)化合物顯示出一定的殺菌活性，其中化合物29a和29b對(duì)稻瘟病菌具有非常好的抑制作用，其EC50分別為0.054和0.72 μg/mL，均優(yōu)于對(duì)照藥劑稻瘟靈（EC50為7.19 μg/mL）。

1.3 具有抗病毒活性的螺環(huán)化合物

煙草花葉病毒（tobacco mosaic virus，TMV）是一種單鏈RNA病毒，專門感染植物，尤其是煙草及其他茄科植物，受感染的葉片斑駁污損，出現(xiàn)花葉癥狀，生長(zhǎng)陷于不良狀態(tài)，葉呈畸形[38]。目前防治煙草花葉病毒主要有寧南霉素等抗病毒劑，尚無(wú)螺環(huán)類抗病毒劑的登記信息，但已有以螺環(huán)化合物作為植物抗病毒劑的研究。

Chen等[39]以色氨酸為原料合成了一系列新穎的螺環(huán)吲哚衍生物，并測(cè)試了該類化合物的抗病毒、殺菌、殺蟲活性。測(cè)試結(jié)果表明：在質(zhì)量濃度為500 μg/mL時(shí)，化合物30（圖11）表現(xiàn)出較好的抗TMV活性，治療、保護(hù)、鈍化活性分別為58.0%、49.7%和55.2%，優(yōu)于對(duì)照藥劑病毒唑（治療、保護(hù)、鈍化活性分別為36.4%、36.4%和37.5%）。構(gòu)效分析表明，苯環(huán)處給電子取代基的殺菌活性大于吸電子取代基。通過(guò)對(duì)螺吲哚骨架的修飾，酰基部分的引入有利于提高抗病毒活性。因此，可以認(rèn)為，酰基的氫鍵供體和受體可以明顯增強(qiáng)目標(biāo)分子與TMV受體之間的相互作用，從而提高活性。之后，Chen等[40]在此基礎(chǔ)上采用一鍋法制備螺環(huán)吲哚的合成策略，制得一系列化合物31，并評(píng)估其對(duì)TMV的抗病毒活性。結(jié)果表明，這些化合物表現(xiàn)出良好的抗TMV活性，尤其是31a、31b和31c，比抗病毒劑病毒唑更有效。構(gòu)效關(guān)系表明，沒(méi)有修飾基存在時(shí)，螺環(huán)的大小和排列以及構(gòu)型對(duì)活性的影響不大，而骨架中存在修飾基時(shí)可以改善它們的抗TMV活性，以達(dá)到最佳抗病毒效果。

圖11 帶有螺環(huán)骨架的抗病毒劑30～31 的結(jié)構(gòu)

Zhu等[41]合成了一系列5A5B6c三環(huán)螺內(nèi)酯衍生物，在初步合成27個(gè)化合物后通過(guò)QSAR進(jìn)行合理藥物設(shè)計(jì)，最終得到33個(gè)目標(biāo)化合物。對(duì)其進(jìn)行抗TMV病毒活性和蜜蜂毒性測(cè)試。結(jié)果表明：在質(zhì)量濃度為100 μg/mL時(shí)，大多數(shù)目標(biāo)化合物對(duì)TMV病毒有較強(qiáng)的鈍化活性，其中有4個(gè)化合物鈍化活性大于90%，特別是化合物32a和32b（圖12），鈍化活性分別為93%和98%，遠(yuǎn)高于對(duì)照藥劑病毒唑（50%）和寧南霉素（64%）。通過(guò)初步作用機(jī)制分析發(fā)現(xiàn)，化合物32b與TMV CP交聯(lián)并阻止其脫殼，使其在侵染植物過(guò)程中失活，這是一種全新的作用機(jī)制。同時(shí)，對(duì)蜜蜂毒性試驗(yàn)結(jié)果表明，全部化合物在2.73 μg/蜂時(shí)，對(duì)意大利蜜蜂無(wú)明顯毒性，化合物32b有開發(fā)為新型抗病毒劑的潛力。

圖12 三環(huán)螺內(nèi)酯衍生物32 的結(jié)構(gòu)

Zhang等[42]通過(guò)在靛紅、氨基酸和橙酮之間進(jìn)行一鍋［3＋2］環(huán)加成反應(yīng)，開發(fā)了新型雙螺雜環(huán)的簡(jiǎn)便合成方法（圖13），并合成了一系列化合物。以寧南霉素為對(duì)照，采用半葉枯斑法，初步測(cè)定新化合物在質(zhì)量濃度為500 μg/mL時(shí)的抗TMV活性。測(cè)定結(jié)果表明：在該質(zhì)量濃度下，大多數(shù)化合物都表現(xiàn)出一定的抗病毒活性，其中，化合物33a和33b表現(xiàn)出良好的抗TMV病毒活性；33a治療、保護(hù)、鈍化活性分別為44.6%、45.5%和52.1%；33b分別為52.3%、50.9%和57.1%，雖略低于對(duì)照藥劑寧南霉素（55.9%、57.1%和58.8%），但一鍋環(huán)化法的提出簡(jiǎn)化了化合物的制備流程，為螺環(huán)化合物的制備合成提供了新的思路。

圖13 雙螺雜環(huán)化合物33 的合成路線

1.4 具有殺線蟲活性的螺環(huán)化合物

植物寄生線蟲給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成了巨大的損失，目前市場(chǎng)中并未出現(xiàn)含有螺環(huán)結(jié)構(gòu)的商品化殺線蟲劑，但螺環(huán)結(jié)構(gòu)在防治植物寄生線蟲的研究領(lǐng)域已經(jīng)取得了部分進(jìn)展。

Wang等[43]合成了一系列新的螺環(huán)1,2,3-苯并三嗪-4-酮衍生物34（圖14），并對(duì)其進(jìn)行生物評(píng)價(jià)。活性測(cè)定結(jié)果表明，合成的大多數(shù)化合物在質(zhì)量濃度為10.0 μg/mL時(shí)，對(duì)南方根結(jié)線蟲具有中等至良好的防治效果。其中，化合物34a和34b在該濃度下表現(xiàn)出100%的抑制活性，這意味著它們可用作潛在的殺線蟲劑的先導(dǎo)化合物。

圖14 螺環(huán)1,2,3-苯并三嗪-4-酮衍生物34的合成路線

Zou等[44]將螺環(huán)結(jié)構(gòu)引入新煙堿類殺蟲劑結(jié)構(gòu)中，制備了一系列螺（橋）雜環(huán)新煙堿類衍生物（圖15），并評(píng)價(jià)其殺線蟲活性。大多數(shù)化合物都表現(xiàn)出中等至良好的殺線蟲活性，構(gòu)效關(guān)系表明，螺環(huán)化合物35a在質(zhì)量濃度為20 μg/mL和5 μg/mL時(shí)分別具有66.4%和21.7%的抑制作用。當(dāng)咪唑啉環(huán)替換為六元環(huán)時(shí)得到化合物35b，其活性大大提高。連接雜環(huán)藥效基團(tuán)的氯吡啶基亞基化合物35c提高了質(zhì)量濃度為20 μg/mL時(shí)的活性，但降低了5 μg/mL時(shí)的活性。在新煙堿部分的構(gòu)效關(guān)系研究中，引入氯吡啶基亞基可導(dǎo)致活性急劇增加；吸電子基團(tuán)硝基或給電子基團(tuán)甲基的引入均導(dǎo)致活性增加。六元化合物35e和35g的效力低于五元化合物35d和35f，該發(fā)現(xiàn)與35a和35b之間的構(gòu)效關(guān)系不一致。

Banothu等[45]開發(fā)了一種簡(jiǎn)單有效的方法，以三乙胺作為催化劑，在乙腈中通過(guò)1，3-茚滿二酮、芳族醛、α-溴代-4-氯苯乙酮和吡啶的多組分2步串聯(lián)反應(yīng)合成反式螺環(huán)丙烷衍生物36（圖16），并測(cè)定其殺菌和殺線蟲活性。化合物36a和36b對(duì)所有測(cè)試的細(xì)菌和真菌菌株均具有活性。化合物36a在質(zhì)量濃度為250 μg/mL時(shí)對(duì)南方根結(jié)線蟲表現(xiàn)出了良好的活性。

圖16 螺環(huán)丙烷衍生物36 的合成路線

Avula等[46]通過(guò)微波輻射反應(yīng)制備了一系列含膦酰基的噻唑螺吡唑衍生物，該系列化合物對(duì)蘑菇莖線蟲和秀麗隱桿線蟲表現(xiàn)出一定的活性。化合物37（圖17）對(duì)2種線蟲的LD50分別為219和220 μg/mL，稍弱于對(duì)照藥劑左旋咪唑（LD50分別為160和180 μg/mL）。

圖17 具有殺線蟲活性的化合物（37～39）

Chepkirui等[47]從肯尼亞的桑黃菌代謝物中提取的化合物38對(duì)秀麗隱桿線蟲表現(xiàn)出良好的活性，其LD50為12.5 μg/mL。

Hao等[48]發(fā)現(xiàn)冰城鏈霉菌（Streptomyces bingchenggensis）代謝物中分離出的Milbemycin R（化合物39）對(duì)朱砂葉螨（Tetranychus cinnabarinus）和松材線蟲（Bursaphelenchus xylophilus）具有良好的生物活性。

2 結(jié)論與展望

2.1 結(jié)論

目前，殺蟲劑的研究仍以拜耳公司的3款螺環(huán)季酮酸類殺蟲（螨）劑為主，對(duì)其進(jìn)行一系列的結(jié)構(gòu)衍生和優(yōu)化，如最新登記上市的螺螨雙酯，結(jié)合了螺螨酯和螺蟲乙酯的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其能在螨蟲各個(gè)生長(zhǎng)周期都有較好的殺滅作用。從各研究機(jī)構(gòu)的側(cè)重點(diǎn)可以看出，季酮酸結(jié)構(gòu)在發(fā)揮螺環(huán)類的殺蟲活性上起著重要作用，保留該藥效團(tuán)是螺環(huán)殺蟲劑發(fā)揮藥效的關(guān)鍵。螺環(huán)殺菌劑和抗病毒劑的研究百家爭(zhēng)鳴，無(wú)論是以天然產(chǎn)物灰黃霉素為先導(dǎo)優(yōu)化，或從真菌代謝物中提取分離，亦或是根據(jù)構(gòu)效團(tuán)模型的合理藥物設(shè)計(jì)等，不同的團(tuán)隊(duì)取得不同的階段性成果。螺環(huán)菌胺上市后市面上尚無(wú)第二款螺環(huán)殺菌劑，也未出現(xiàn)螺環(huán)抗病毒劑，螺環(huán)殺菌劑和抗病毒劑的研發(fā)仍然是填補(bǔ)市場(chǎng)空缺的研究熱點(diǎn)。目前，含有螺環(huán)結(jié)構(gòu)的農(nóng)藥數(shù)量不多，從綜述中的化合物結(jié)構(gòu)可以看出，大多是含有氧、硫、氮原子的內(nèi)酰胺類、內(nèi)酯類、縮醛酮類和烯酮類化合物[49-50]，基本沒(méi)有單純的烷烴螺環(huán)結(jié)構(gòu)。從其他非螺環(huán)結(jié)構(gòu)可以看出，這些元素本就是產(chǎn)生生物活性不可或缺的重要部位，但在螺環(huán)結(jié)構(gòu)中，剛性較大的碳原子固定住了螺環(huán)整體結(jié)構(gòu)，使具有生物活性的雜原子進(jìn)入受體時(shí)仍能保持緊密的構(gòu)型，與靶標(biāo)位點(diǎn)牢固地結(jié)合。

2.2 展望

關(guān)于螺環(huán)作為潛在農(nóng)藥分子構(gòu)型的研究已取得一定的進(jìn)展。在未來(lái)的研究中，必須在確保目標(biāo)化合物具有綠色、高效、高選擇性、環(huán)境友好等特點(diǎn)前提下，構(gòu)建一個(gè)以螺環(huán)化合物為基礎(chǔ)的先導(dǎo)化合物進(jìn)行活性測(cè)試和結(jié)構(gòu)優(yōu)化；開發(fā)新方法、分子和生物標(biāo)記物，以闡明相關(guān)的分子靶標(biāo)與活性化合物的作用機(jī)理；迫切需要鑒定出靶標(biāo)-配體復(fù)合物的X射線晶體結(jié)構(gòu)，以使用現(xiàn)代藥物發(fā)現(xiàn)技術(shù)，如基于結(jié)構(gòu)的藥物設(shè)計(jì)[51-54]、基于片段的藥物設(shè)計(jì)[55-58]等計(jì)算機(jī)輔助藥物設(shè)計(jì)手段，加速合理的農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)[59-61]；研究出單一手性螺環(huán)終產(chǎn)物的綠色合成方法，將目前已看好的非手性軸類轉(zhuǎn)換成螺環(huán)結(jié)構(gòu)的化合物，這不僅可以提高藥效，減緩抗藥性發(fā)展，降低對(duì)環(huán)境的影響，還可能因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的改變帶來(lái)意想不到的收獲。