新型除草劑茚嗪氟草胺的研發(fā)歷程

張俠

（安徽省化工研究院，安徽合肥230041）

2010 年，拜耳作物科學(xué)公司首次揭示了茚嗪氟草胺具有除草活性。最初茚嗪氟草胺以“Specticle?”為商標(biāo)瞄準(zhǔn)非農(nóng)作物-草皮市場(chǎng)，隨后規(guī)劃進(jìn)入觀賞和工業(yè)植被管理領(lǐng)域。目前茚嗪氟草胺進(jìn)一步被制成懸浮液濃縮物以Alion?為商標(biāo)開(kāi)發(fā)應(yīng)用于農(nóng)作物除草劑領(lǐng)域，如水果和葡萄、樹(shù)堅(jiān)果、柑橘、橄欖和甘蔗等。下面就茚嗪氟草胺的研發(fā)歷程進(jìn)行介紹。

1 發(fā)現(xiàn)歷程

上個(gè)世紀(jì)90 年代末，Kosan, I. 推出了第一代烷基嗪類(lèi)除草劑三嗪氟草胺（triaziflam）（圖1），用于草坪除草，表現(xiàn)出較高的除草活性，其中對(duì)寬葉雜草的除草效果尤為顯著[1]。

圖1 三嗪氟草胺

為了控制和根除農(nóng)業(yè)種植中的頑固雜草，越來(lái)越迫切需要引入一種新的除草模式。有趣的是，發(fā)現(xiàn)三嗪氟草胺不僅包括對(duì)光系統(tǒng)II的電子傳遞抑制，而且還包括對(duì)纖維素的生物合成抑制。三嗪氟草胺的這種基于抑制纖維素生物合成的作用模式就是這種新的除草模式。

為了嘗試和優(yōu)化三嗪氟草胺的除草劑活性，Ahrens, H.將三嗪氟草胺分子中的幾個(gè)位點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了修飾（圖2）[2]：① 芳基和三嗪基間鏈的長(zhǎng)度進(jìn)行改變；②用雜原子取代碳鏈中的碳原子；③在芳環(huán)側(cè)和/或脂肪族側(cè)引入取代基。

圖2 三嗪氟草胺結(jié)構(gòu)修飾

遺憾的是，將上述變化的化合物進(jìn)行溫室試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其大多數(shù)化合物的除草活性不高，常常低于三嗪氟草胺，個(gè)別化合物的除草劑活性水平最多與三嗪氟草胺相當(dāng)。

然而，當(dāng)將雙環(huán)系統(tǒng)引入三嗪氟草胺，顯著提高了除草劑的活性，并且隨著茚環(huán)的引入，雜草控制達(dá)到了一個(gè)最高的除草活性水平（圖3）。

圖3 三嗪氟草胺雙環(huán)結(jié)構(gòu)修飾

2 構(gòu)效關(guān)系

通過(guò)合成手段制備了大量的茚胺三嗪類(lèi)化合物，并對(duì)其進(jìn)行了除草活性測(cè)試，建立了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)活性關(guān)系圖（圖4）。

（1）在三嗪環(huán)上，一個(gè)游離氨基和一個(gè)鹵烷基（特別是氟烷基），被證明是最合適的取代基。

（2）最合適的雙環(huán)取代基是茚環(huán)。

（3）將一個(gè)甲基引入到茚環(huán)2 位往往會(huì)進(jìn)一步提高除草劑的效力。

（4）對(duì)芳基上的各種取代基進(jìn)行研究，6-位甲基是最合適的取代基。

圖4 茚胺三嗪類(lèi)化合物結(jié)構(gòu)活性關(guān)系圖

根據(jù)上圖，最終確定2,6-二甲基茚環(huán)，與含有1-氟乙基的氨三嗪結(jié)合使用，可以得到雜草控制水平最高的化合物（圖5）。

圖5 茚嗪氟草胺

然而，該化合物仍然表現(xiàn)出兩種作用模式，即抑制纖維素生物合成和抑制光系統(tǒng)II 的電子傳遞。由于該化合物含有三個(gè)手性中心，因此由八個(gè)對(duì)映異構(gòu)體的混合物組成，這就提出了哪一種對(duì)映體在上述兩種作用模式起主要作用的問(wèn)題。

為了闡明手性對(duì)活性的影響，將茚嗪氟草胺所有8個(gè)立體異構(gòu)體進(jìn)行分離（圖6），并測(cè)試了它們的除草劑活性和作用方式。

結(jié)果表明，茚環(huán)骨架的構(gòu)象對(duì)除草劑的活性和作用方式起決定性作用。（1R,2S）-茚環(huán)骨架被證明在生物學(xué)上是最有效的，即該骨架結(jié)構(gòu)就是茚嗪氟草胺作用模式從抑制光系統(tǒng)II 的電子傳遞轉(zhuǎn)移到抑制纖維素的生物合成的來(lái)源。相應(yīng)的這兩個(gè)立體異構(gòu)體顯示出最高的雜草控制水平，是纖維素生物合成的高效抑制劑——它們是茚嗪氟草胺的成分（圖6，框）。

圖6 茚嗪氟草胺的八個(gè)對(duì)映異構(gòu)體

3 作用機(jī)理

與其他類(lèi)纖維素的生物合成抑制劑除草劑相比，比如異噁酰草胺和敵草腈，茚嗪氟草胺抑制纖維素合成的作用位點(diǎn)不同。烷基嗪類(lèi)除草劑茚嗪氟草胺的抑制活性比苯并腈類(lèi)（敵草腈）或苯并酰胺類(lèi)（異惡酰草胺）低三個(gè)數(shù)量級(jí)。異惡酰草胺導(dǎo)致質(zhì)膜中CESA 蛋白耗竭并在胞質(zhì)囊泡中積累，而敵草腈導(dǎo)致CESA 蛋白固定化并在質(zhì)膜中過(guò)度積累[3]。然而研究表明，茚嗪氟草胺可增加CESA 粒子在質(zhì)膜上的密度，但也可使CESA 粒子速度降低約65%，從而抑制聚合。這種密度的增加也被證明可以減少根尖鉤附近區(qū)域微管和CESA 之間的共域化[4]。雖然這些研究證實(shí)茚嗪氟草胺與復(fù)雜的纖維素生物合成途徑有獨(dú)特的相互作用，但很難解釋茚嗪氟草胺對(duì)單子葉植物和雙子葉植物毒性不同的原因。

茚嗪氟草胺對(duì)于單子葉植物和雙子葉植物除草活性的差別，在于2億年前單子葉植物和雙子葉植物的纖維素合成發(fā)生變化，從而使其細(xì)胞壁具有獨(dú)特的不同結(jié)構(gòu)。2017年，Sebastian, D. J.在研究茚嗪氟草胺對(duì)雙子葉植物如擬南芥和地膚（1型細(xì)胞壁），以及單子葉植物如旱雀麥和野生黑麥（2 型細(xì)胞壁）時(shí)，發(fā)現(xiàn)與雙子葉植物（平均GR50= 512pM和0.87 g AI ha-1）相比，茚嗪氟草胺在較低濃度下對(duì)單子葉植物（平均GR50= 231pM和0.38 g AI ha-1）的活性更強(qiáng)。對(duì)于更深層次茚嗪氟草胺作用的目標(biāo)蛋白靶點(diǎn)目前尚不清楚，還需要進(jìn)一步進(jìn)行正向和反向基因篩選來(lái)確定。由于茚嗪氟草胺對(duì)單子葉植物活性的增加，因此該除草劑為美國(guó)高達(dá)2 300萬(wàn)公頃牧場(chǎng)的多種入侵性冬季一年生禾草提供了一種新的替代管理策略，可以用來(lái)控制野生黑麥、雀麥、聯(lián)合山羊草等單子葉植物[5]。

4 土壤代謝

2017 年，Sebastian, D. J.將茚嗪氟草胺、茚嗪氟草胺-三嗪茚酮（ITI）、茚嗪氟草胺酸（ICA）和茚嗪氟草胺-三嗪二胺（FDAT）進(jìn)行土壤實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)圖7），發(fā)現(xiàn)母體化合物（茚嗪氟草胺）表現(xiàn)出比其代謝物FDAT 更高的吸附潛力。茚嗪氟草胺是不能用水提取的，也就是說(shuō)，不容易從土壤中提取。相比之下，F(xiàn)DAT 在土壤中停留的整個(gè)時(shí)間內(nèi)都是可溶的。盡管FDAT 的浸出風(fēng)險(xiǎn)較高，因?yàn)樗奈搅枯^少，但代表環(huán)境污染可能性的生態(tài)毒性指數(shù)比母體化合物低2～7 倍。ITI 對(duì)軟土的吸附略高于茚嗪氟草胺，平均Kd 值分別為17.6 和16.1。在軟土中，ITI 吸附量比 FDAT 高大約 28 倍，ICA 平均僅高大約2倍[6]。

圖7 四種化合物的土壤實(shí)驗(yàn)

5 結(jié)論與展望

茚嗪氟草胺目前是最好的烷基嗪類(lèi)除草劑，代表了廣譜殘留雜草控制的一個(gè)突破。本文介紹了茚嗪氟草胺的發(fā)現(xiàn)歷程，從先導(dǎo)化合物的發(fā)現(xiàn)，到對(duì)先導(dǎo)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，再到對(duì)其進(jìn)行構(gòu)效關(guān)系研究，最終確定2,6-二甲基基茚環(huán)，與含有1-氟乙基的氨三嗪結(jié)合使用，可以得到雜草控制水平最高的化合物。進(jìn)一步對(duì)其八種對(duì)映異構(gòu)體進(jìn)行分別研究，確定（1R,2S）-茚環(huán)骨架是最適合的構(gòu)象。此外本文還對(duì)茚嗪氟草胺的作用機(jī)理和土壤代謝進(jìn)行介紹。總之茚嗪氟草胺是一種具有很好前景的除草劑。