三氟甲基吡啶在作物保護(hù)中的重要性

曹曉峰，張瑞峰 編譯

(華東理工大學(xué) 藥學(xué)院，上海200237)

為了初步了解三氟甲基吡啶在作物保護(hù)中的應(yīng)用，統(tǒng)計(jì)了1990年至2017年9月間公布的具有ISO通用名的農(nóng)用化學(xué)品。對(duì)含有三氟甲基吡啶的化合物進(jìn)行了分類(殺蟲劑與殺線蟲劑一起計(jì)數(shù))。此外，還統(tǒng)計(jì)了含有三氟甲基苯環(huán)的化合物的數(shù)目，結(jié)果如表1所示。

表1 含有芳基或吡啶基三氟甲基(CF3)取代基的具有ISO通用名的農(nóng)用化學(xué)品

表1數(shù)據(jù)表明，與1990-1999年相比，2000-2017年(9月)具有ISO通用名的化合物數(shù)量有所減少，這可能涉及許多與本綜述所述內(nèi)容無關(guān)的原因。其次，在1990-1999年，只有4個(gè)(2%)有ISO通用名的化合物含有三氟甲基吡啶，而含有三氟甲基苯基環(huán)的化合物為9個(gè)(4.5%)。在2000-2017年期間，共有166個(gè)有ISO通用名稱的化合物，其中10個(gè)(6%)含有三氟甲基吡啶，20個(gè)(12%)含有三氟甲基苯基環(huán)。顯然三氟甲基取代基在農(nóng)用化學(xué)品中起著重要作用。Adam Burriss等認(rèn)為含三氟甲基吡啶化合物的數(shù)量從2% (10年期間)上升到6% (18年期間)的一個(gè)重要原因是可以進(jìn)一步修飾的三氟甲基吡啶的合成方法的增加，導(dǎo)致潛在產(chǎn)品的化學(xué)多樣性增加。

已有人對(duì)氟在生命科學(xué)行業(yè)的重要性進(jìn)行了綜述，最近對(duì)包含吡啶環(huán)的作物保護(hù)產(chǎn)品的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了調(diào)研。此外，已報(bào)道了生物活性分子中所含的特定三氟甲基吡啶的合成方法。第一次報(bào)道三氟甲基吡啶合成方法是在1947年，通過用氟交換氯制備三氟甲基吡啶，如圖1所示。

圖1 第1個(gè)報(bào)道的三氟甲基吡啶環(huán)的合成路線

在該例子中，三氟甲基取代基連接到吡啶環(huán)的2-和 4-位。為了方便本綜述是基于這個(gè)編號(hào)順序命名化合物的；早期殺菌劑、除草劑和殺蟲劑的發(fā)現(xiàn)和之后殺菌劑、除草劑、殺蟲劑和殺線蟲劑的發(fā)現(xiàn)是以含3-和5-三氟甲基吡啶為特征。以下部分介紹了含有4-和6-三氟甲基吡啶的產(chǎn)品，以更好地反映所用的不同合成方法(圖2)。

圖2 命名法：箭頭表示三氟甲基吡啶環(huán)與分子的連接點(diǎn)

1 氯氟交換技術(shù)產(chǎn)物：3-和 5-三氟甲基吡啶衍生物

早期含有三氟甲基吡啶的植物保護(hù)產(chǎn)品包括殺菌劑、除草劑和殺蟲劑。在這些農(nóng)藥的發(fā)現(xiàn)中關(guān)鍵因素是基于首次報(bào)道的合成方法的化學(xué)工藝的發(fā)展提供了可以大規(guī)模生產(chǎn)的三氟甲基吡啶原料。3種關(guān)鍵的三氟甲基吡啶中間體如圖3所示。

圖3 早期的三氟甲基吡啶中間體

許多專利詳細(xì)描述了如何大規(guī)模制備這些中間體。例如，2-氯-5-三氟甲基吡啶2是由2-氯-5-三氯甲基吡啶在430 ℃氟化鉻III/氧化鋁混合催化劑下與氟化氫反應(yīng)制得。該專利申請(qǐng)的實(shí)施例 4報(bào)道了以86%的產(chǎn)率生產(chǎn)287 kg的2。進(jìn)一步的研究利用β-甲基吡啶作為起始材料，在各種金屬氟化物催化下與氯氣和氟氣的混合物發(fā)生反應(yīng)。溫度變化導(dǎo)致生成 2與 2-氯-3-三氟甲基-吡啶 1，2,6-二氯-3-三氟甲基吡啶和 3-三氟甲基吡啶的混合物。這種混合物可以通過蒸餾分離。據(jù)報(bào)道，2也可由2,6-二氯-3-三氟甲基吡啶發(fā)生電化學(xué)脫氯生成。此外還報(bào)道了 2發(fā)生氣相氯化反應(yīng)生成了2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶3。盡管這項(xiàng)技術(shù)是在20世紀(jì)70年代后期和80年代初開發(fā)的，但這些中間體仍在近期專利申請(qǐng)中頻繁出現(xiàn)。例如，1可以由3-三氟甲基吡啶N-氧化物制備。

圖4 含有3-或5-三氟甲基吡啶環(huán)的早期作物保護(hù)產(chǎn)品

三氟甲基與吡啶上氮共同的吸電子效應(yīng)使得中間體1、2和3中鄰近氮的氯易于被親核試劑取代，從而允許下一步化學(xué)反應(yīng)容易進(jìn)行。Haga等人對(duì)這些中間體的應(yīng)用以及除草劑精吡氟禾草靈和啶嘧磺隆，殺菌劑氟啶胺和殺蟲劑氟啶脲的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行了綜述，如圖4所示。

除上述產(chǎn)品外，另4個(gè)上市的植物保護(hù)產(chǎn)品的發(fā)現(xiàn)中也使用了中間體3，如圖5所示。

啶蜱脲是在 1983年專利申請(qǐng)中首次被報(bào)道的主要用于控制蜱和螨等動(dòng)物健康有害生物的幾丁質(zhì)合成抑制劑，其結(jié)構(gòu)與氟氯脲十分接近。

于2006年上市的氟吡菌胺由中間體3制備，用于防控卵菌病。

隨后又在2012年推出了第2種殺菌劑氟吡菌酰胺。氟吡菌酰胺是呼吸鏈的復(fù)合體II的抑制劑，用于防治葡萄和蔬菜的灰霉病和白粉病以及防治線蟲等。

另一個(gè)含有 5-三氟甲基吡啶的農(nóng)用化學(xué)品的例子是殺線蟲劑fluazaindolizine。

另一個(gè)含有 5-三氟甲基吡啶結(jié)構(gòu)的商品化殺蟲劑是三氟甲吡醚。該化合物具有新穎的作用機(jī)制，可能與代謝活化有關(guān)，被用于防控棉花和蔬菜的鱗翅目和纓翅目害蟲。它是由中間體 2合成，如圖 6所示。

三氟甲基吡啶中間體1、2和尤其是3的出現(xiàn)，已經(jīng)導(dǎo)致許多用于防治病害、雜草、害蟲和線蟲的作物保護(hù)產(chǎn)品的發(fā)現(xiàn)與上市。Adam Burriss等認(rèn)為以上發(fā)現(xiàn)中的一些關(guān)鍵因素是：⑴ 可大規(guī)模生產(chǎn)關(guān)鍵中間體的化學(xué)工藝；⑵ 這些中間體的生產(chǎn)材料成本低；⑶ 這些中間體易用于研究；⑷ 這些中間體易于轉(zhuǎn)化成最終的活性成分。

圖5 含有5-三氟甲基吡啶環(huán)的作物保護(hù)產(chǎn)品的其他例子

圖6 三氟甲吡醚——含有5-三氟甲基吡啶環(huán)的殺蟲劑的另一個(gè)例子

2 含三氟甲基吡啶環(huán)的產(chǎn)品：4-和 6-三氟甲基吡啶衍生物

含有4-三氟甲基吡啶或6-三氟甲基吡啶環(huán)的幾種農(nóng)作物保護(hù)產(chǎn)品已被發(fā)現(xiàn)并上市。使用不同于以上的化學(xué)方法來制備這些化合物；三氟甲基吡啶環(huán)由三氟甲基酮4而來。

使用這種小的，高度反應(yīng)性的三碳三氟甲基結(jié)構(gòu)單元，制備4-或6-三氟甲基吡啶環(huán)。然后將這些化合物進(jìn)一步加工成最終產(chǎn)品。例如，氟啶蟲酰胺，最終吡啶上的氮是以1,4方式引入酮4；然后形成的烯胺與乙烯基醚丙烯酸酯(acrylate vinyl ether)反應(yīng)，然后進(jìn)行分子內(nèi)環(huán)化和水解產(chǎn)生4-三氟甲基吡啶中間體。啶氧菌酯的合成中，酮4首先與丙二酰胺反應(yīng)，然后產(chǎn)物經(jīng)歷分子內(nèi)閉環(huán)，最后脫羧生成 6-三氟甲基吡啶中間體(圖7)。

使用這種化學(xué)方法發(fā)現(xiàn)并上市的產(chǎn)品見圖8和表2。

除草劑氟硫草定和噻草定也含有 6-三氟甲基吡啶環(huán)?，F(xiàn)在吡啶環(huán)是用三氟甲基酮酸酯構(gòu)建(圖9)。

2017年公布了2個(gè)含有三氟甲基吡啶的最新農(nóng)藥的通用名稱；acynonapyr (或 pyrinonafen)是殺螨劑，fluopimomide是殺細(xì)菌和真菌劑(圖 10)。中間體2和3再次在這些產(chǎn)品的合成中起到了重要作用，這說明化學(xué)家們?nèi)允褂么朔椒ㄩ_發(fā)新作物保護(hù)劑。

從上面的許多例子可以看出，三氟甲基吡啶結(jié)構(gòu)片段在作物保護(hù)中發(fā)揮了重要作用。很有意思的是，只有2個(gè)帶有 4-三氟甲基吡啶環(huán)的產(chǎn)品上市，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了6個(gè)帶有6-三氟甲基吡啶環(huán)的產(chǎn)品。促成這一成功的關(guān)鍵因素之一是化學(xué)，使得任一位置含有三氟甲基的吡啶環(huán)可以容易被制備，并且易于被進(jìn)一步的修飾，并通過化學(xué)轉(zhuǎn)化合成最終活性分子

圖7 制備4-或6-三氟甲基吡啶環(huán)的化學(xué)方法

圖8 衍生自化合物4的含有4-或6-三氟甲基吡啶環(huán)的產(chǎn)品

表2 衍生自化合物4的含有4-或6-三氟甲基吡啶環(huán)的產(chǎn)品

3 物理化學(xué)性質(zhì)的影響

除草劑精吡氟禾草靈比將其吡啶N改為CH的苯基類似物有更好的生物利用度(圖11)。

有文獻(xiàn)對(duì)藥物化學(xué)中在芳香環(huán)中引入氮原子的影響進(jìn)行了綜述。列舉了許多不同的例子，介紹了N引入前后化合物的活體活性、生物利用度、功能活性或安全性等特性的差異。正如該綜述所述，將芳香環(huán)上的1個(gè)C-H用N取代，可以導(dǎo)致化合物物理化學(xué)性質(zhì)發(fā)生重大改變，例如親脂性的改變。氮原子的引入會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)苯環(huán)所沒有的偶極矩和堿性中心。

圖9 除草劑氟硫草定和噻草定由三氟甲基酮酸酯制備

圖10 最近提出的2個(gè)具有三氟甲基吡啶的分子

引入三氟甲基可以使化合物的 logP增大約1.1。除了對(duì)親脂性的影響外，三氟甲基對(duì)化合物的堿性也有顯著的影響，這是由于該取代基具有吸電子的特性。因此在化合物中引入吡啶氮和三氟甲基時(shí)應(yīng)該共同考慮2種基團(tuán)對(duì)化合物性質(zhì)的影響。

接著筆者研究了這種疊加作用是否與三氟甲基在吡啶環(huán)上的取代位置有關(guān)。使用軟件(ACD/Percepta,Build 2726, Advanced Chemistry Development, Inc.,Toronto, ON, Canada, www.acdlabs.com; Schr?dinger Release 2017-1:Jaguar, Schr?dinger, New York,USA)，計(jì)算表明與3(或5)和4位相比，三氟甲基取代基位于2(或6)位時(shí)，對(duì)吡啶氮堿性的影響顯著增大(圖 12)。

圖11 精吡氟禾草靈和分子匹配的苯基類似物的結(jié)構(gòu)

圖12 用2個(gè)獨(dú)立的軟件程序計(jì)算不同位置的三氟甲基取代基對(duì)吡啶上氮的pKa值的影響

4 分子匹配分析

分子匹配分析經(jīng)常被用來比較僅一處不同的一對(duì)分子的一組測(cè)量值，研究分子中一個(gè)基團(tuán)或原子變化的影響。氟吡草酮是抑制對(duì)羥苯基丙酮酸雙氧化酶(HPPD)的除草劑。通過與苯基類似物5的分子匹配分析，可以發(fā)現(xiàn)二者在物理化學(xué)性質(zhì)和離體活性方面存在一些差異(圖13)。

苯基類似物5還沒有被報(bào)道過，但是可以通過文獻(xiàn)中描述的方法來合成。氟吡草酮和它的苯基類似物5的物理性質(zhì)很相近。2種化合物都具有適宜除草劑吸收和遷移的 logP和酸性 pKa。從測(cè)定的logP和pKa的差異中可以看出氟吡草酮中的吡啶氮具有降低其疏水性和增加酸度的作用。然而與苯基類似物5相比，氟吡草酮的水溶性要高。這些差異單獨(dú)影響可能非常?。蝗欢@些因素與離體結(jié)合的增加共同有助于解釋2種化合物活體除草活性的差異性。

圖13 選擇性測(cè)量除草劑氟吡草酮與分子匹配的苯基類似物5的物理化學(xué)性質(zhì)和與HPPD結(jié)合后的解離速率

用之前所描述的方法，用從擬南芥中獲得的HPPD酶測(cè)定離體解離率。就HPPD而言，氟吡草酮以31.4 h的解離率與之結(jié)合，大約是用苯基類似物5所測(cè)得的3倍。這意味著，與化合物5相比氟吡草酮與目標(biāo)酶的結(jié)合時(shí)間更長(zhǎng)，因此在噴灑后可以更好地抑制雜草的生長(zhǎng)。雖然氟吡草酮的物理化學(xué)性質(zhì)更有利于生物利用度，但筆者認(rèn)為氟吡草酮使離體酶的失活作用是苯基類似物5的3倍，這是因?yàn)槿彪娮拥倪拎きh(huán)與活性位點(diǎn)中芳族殘基的 π-π相互作用更強(qiáng)導(dǎo)致。有文獻(xiàn)已經(jīng)報(bào)道了通過引入氮等雜原子提高與芳香殘基的π-π相互作用。

與苯基類似物5相比，氟吡草酮的離體活性增加也體現(xiàn)在活體活性上。圖14為氟吡草酮與苯基類似物在芽前和芽后對(duì)一系列單子葉和雙子葉雜草的活性。

圖 14 氟吡草酮和苯基類似物5芽前和芽后除草活性(劑量為125 g/hm2)

如圖 14所示，氟吡草酮對(duì)多種重要單子葉(SETFA, PANDI, DIGSA, ECHCG)和雙子葉雜草(ABUTH, XANST, IPOSS, CHEAL)有很好的芽后防除作用，氟吡草酮的用量為125 g/hm2。和對(duì)苯環(huán)上進(jìn)行取代的預(yù)期一樣，化合物5具有類似的芽后活性，但對(duì)SETFA活性較低。在施用量為125 g/hm2時(shí)，氟吡草酮顯然比化合物5對(duì)相同的一組雜草的芽前施用活性更好，特別是對(duì)SETFA和IPOSS。這些結(jié)果支持這樣的假設(shè)：與苯基類似物5相比，氟吡草酮中的吡啶環(huán)提高了對(duì)雜草的芽前應(yīng)用生物利用度。

很明顯，氮原子在氟吡草酮的吡啶環(huán)中的不同位置，也可能影響化合物的性質(zhì)和除草活性。已有文獻(xiàn)報(bào)道了這種三氟甲基吡啶HPPD除草劑中氮原子位置對(duì)與氟吡草酮很相關(guān)的類似物化合物6的(圖15)重要性?；衔?和氟吡草酮一樣，濃度為125 g/hm2時(shí)對(duì)相同的單子葉和雙子葉雜草有優(yōu)異的芽前和芽后除草活性。相比之下，位置異構(gòu)體7和8的芽前除草活性顯著降低(圖15a)。與化合物6相比，化合物7，8芽后應(yīng)用(圖15b)的除草活性相似。

尚未完全了解氮原子在三氟甲基吡啶環(huán)中不同位置對(duì)活體活性影響的原因。只能說當(dāng)考慮在活性成分研究中使用三氟甲基吡啶時(shí)，應(yīng)該注意研究三氟甲基吡啶環(huán)所有可能的位置異構(gòu)體。

另一個(gè)實(shí)例為一類具有殺蟲活性的氧化磷酸化解偶聯(lián)劑，來進(jìn)一步對(duì)含有三氟甲基吡啶化合物和與其分子匹配的苯基類似物進(jìn)行比較。這些亞肼基-苯基-乙腈衍生物(圖16)是報(bào)道過的最有效的氧化磷酸化解偶聯(lián)劑。據(jù)報(bào)道，分子的logP和pKa這2個(gè)參數(shù)對(duì)于這種作用機(jī)制很重要，因?yàn)檫@種分子需要穿過線粒體膜來接受和給出質(zhì)子。據(jù)報(bào)道，大多數(shù)有效的解偶聯(lián)劑具有親脂性，其logP為6～6.5，pKa約為7.5。圖16列出了分子匹配分析預(yù)測(cè)的logP、計(jì)算出的pKa以及測(cè)量的氧化磷酸化的解偶聯(lián)活性(uncoupling of oxidative phosphorylation activity) (EC50)。

圖 15 3個(gè)三氟甲基吡啶HPPD除草劑的芽前和芽后除草活性(劑量為125 g/hm2)

圖16 用分子匹配分析得到的試驗(yàn)殺蟲解偶聯(lián)劑的logP、pKa以及在新陸原伏蠅成蟲線粒體上的解偶聯(lián)活性(EC50)

已經(jīng)使用內(nèi)部軟件預(yù)測(cè)logP，該軟件是基于23 000多個(gè)內(nèi)部和公共數(shù)據(jù)開發(fā)的非線性模型。在95%的置信區(qū)間內(nèi)預(yù)測(cè)誤差為0.9個(gè)log。使用Epik程序3.4版本計(jì)算了pKa。

比較9和10兩個(gè)分子，發(fā)現(xiàn)三氟甲基吡啶和三氟甲基苯基類似物在預(yù)測(cè)的物理化學(xué)性質(zhì)和測(cè)量的解偶聯(lián)效力方面存在差異。作為氧化磷酸化的解偶聯(lián)劑三氟甲基吡啶9的潛在活性是苯基類似物的5倍(5 nM vs 25 nM)，這可以由其較低的pKa來解釋(8.78 vs 9.2)，雖然化合物9的logP也較低(4.68 vs 6.04)。在這種情況下，似乎pKa具有更重要的影響，且4.68的logP高到足以使化合物滲入線粒體和運(yùn)輸。雖然腙氮原子的去質(zhì)子化位點(diǎn)與吡啶氮的距離較遠(yuǎn)，但通過計(jì)算仍然觀察到pKa降低大約0.5個(gè)單位。其結(jié)果與氟吡草酮的相似。

通過比較2種化合物11和12的活體殺蟲活性，可以進(jìn)一步進(jìn)行分子匹配分析(圖 17)。以有效成分mg/L進(jìn)行試驗(yàn)，幼蟲死亡率為80%或更高。

圖17 化合物11和12對(duì)棉貪夜蛾和玉米根蟲的殺蟲活性的分子匹配分析

三氟甲基吡啶化合物11比苯基類似物12活性高，濃度為 12.5 mg/L (有效成分)對(duì)?；页嵋苟?Spodoptera litloralis)和Diabrotica baltealta幼蟲致死率100%，而化合物12在100 mg/L (有效成分)沒有殺蟲活性。

通過比較氟啶胺和其苯基類似物化合物13來說明殺真菌劑的分子匹配分析。已有文章報(bào)道了一系列二芳基胺的解耦聯(lián)活性以及物理化學(xué)性質(zhì)。本文獻(xiàn)中包含殺真菌劑氟啶胺，以及分子匹配的苯基類似物13。圖18為它們的物理化學(xué)參數(shù)以及解偶聯(lián)活性。

圖18 氟啶胺和苯基類似物13的分子匹配分析

與化合物13 (8.40)相比，氟啶胺中的吡啶氮導(dǎo)致pKa降低(6.20)；這是由于吡啶環(huán)有更強(qiáng)的吸電子性，并且推測(cè)失質(zhì)子物質(zhì)的負(fù)電荷更容易去離子化(穩(wěn)定) ，即吡啶環(huán)比苯環(huán)更穩(wěn)定。正如預(yù)期的那樣，氟啶胺的親脂性稍低于化合物13，如計(jì)算值所示(氟啶胺為4.40，13為4.60)。這些計(jì)算值與報(bào)道的數(shù)據(jù)非常接近。這些差異沒有體現(xiàn)在它們作為解偶聯(lián)劑上，如圖18所示具有相似的離體解偶聯(lián)活性。

5 總 結(jié)

三氟甲基取代的吡啶環(huán)在作物保護(hù)研究中發(fā)揮了重要作用，越來越多的帶有這種結(jié)構(gòu)片段的殺菌劑、除草劑、殺蟲劑和殺線蟲劑被發(fā)現(xiàn)并上市。在一些例子中，具有三氟甲基吡啶環(huán)的化合物比三氟甲基苯基類似物具有更好的生物利用度或離體活性。如果先前發(fā)現(xiàn)含有三氟甲基吡啶和5-三氟甲基吡啶的產(chǎn)品具有偶然性，受到原料的影響，那該如何看待含有4-或6-三氟甲基吡啶的新產(chǎn)品？顯然，這些早期的成功鼓勵(lì)研究人員繼續(xù)以三氟甲基吡啶為植物保護(hù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)片段進(jìn)行研究，并利用三氟甲基吡啶環(huán)的有用特性。三氟甲基吡啶合成方法的發(fā)展和應(yīng)用的拓展已經(jīng)證明了這點(diǎn)，并由此法開發(fā)的產(chǎn)品目前正在上市。基于以上幾點(diǎn)，預(yù)計(jì)含有三氟甲基吡啶環(huán)的其他作物保護(hù)產(chǎn)品將會(huì)被設(shè)計(jì)與發(fā)現(xiàn)。問題是，“三氟甲基的取代基將會(huì)在吡啶環(huán)上的什么位置出現(xiàn)。”