具有除草活性的AHAS抑制剂小分子的研究进展

曲仁渝， 刘玉超， 陈 琼， 杨光富

(华中师范大学 化学学院 农药与化学生物学教育部重点实验室， 武汉 430079)



具有除草活性的AHAS抑制剂小分子的研究进展

曲仁渝， 刘玉超， 陈 琼*， 杨光富

(华中师范大学 化学学院 农药与化学生物学教育部重点实验室， 武汉 430079)

乙酰羟酸合成酶(AHAS)抑制剂是上世纪80年代开发兴起的一种新型除草剂，具有广谱、高效、低毒等特点，现已被广泛应用于田间的杂草防治.近年来，基于乙酰羟酸合成酶为靶标的抑制剂被大量开发.现将从抑制剂分子结构与生物活性方面概述磺酰脲类、三唑并嘧啶类、嘧啶水杨酸类以及三唑啉酮类等AHAS抑制剂的发展过程与研究进展.

AHAS抑制剂； 结构类型； 抑制活性； 除草活性

乙酰乳酸合成酶或乙酰羟酸合成酶(简称AHAS) 作为植物体的关键酶，在植物生长过程中能以高度专一性和极高的催化效率催化丙酮酸为乙酰乳酸， 从而合成植物所必需的支链氨基酸(包括亮氨酸、异亮氨酸、缬氨酸)，若阻止该生理过程，将破坏蛋白质的合成，干扰DNA合成以及细胞分裂与生长[1]，最终导致植物的死亡，为AHAS抑制剂的设计合成打下了良好的生理基础.由此美国杜邦公司成功地研制出第一类AHAS除草剂——磺酰脲类除草剂，结束了低效农药例如有机磷农药的使用，标志着除草剂进入了超高效时代[2].同时由于AHAS在人或哺乳动物中并不是生理必需的关键酶[3]，且广泛存在于植物体中，这致使近年来开发的以AHAS为靶标酶的抑制剂同时具有了选择性强、杀草谱广的特点，广泛应用于小麦、大麦、玉米、大豆、油菜、棉花、甜菜等田中的多种单子叶和双子叶杂草的防除，并且在非靶标生物体内几乎不积累.

目前， 全球除草剂市场上的AHAS抑制剂种类按结构划分主要有以下5大类：磺酰脲类(sulfonylureas) 、咪唑啉酮类(imidazolinones)、三唑并嘧啶类(triazolopyrimidines)、嘧啶水杨酸类 (pyrimidylsalicylate)、以及三唑啉酮类(triazolinones)[4].但也由于其长期不合理的滥用，造成了种种田间问题，包括作物药害、土壤残留等问题，其中杂草抗药性的问题尤为严重.近些年结合这些问题，国内外研究人员针对以AHAS为靶标酶的抑制剂小分子的进一步设计合成有了不错的进展，现将其综述.

1 最新AHAS抑制剂的开发以及生物活性研究

1.1 磺酰脲类抑制剂

从1979年氯磺隆问世至目前为止，已商品化的磺酰脲类除草剂已有30多个品种问世，例如烟嘧磺隆、吡嘧磺隆、苄嘧磺隆等.分析商品化的磺酰脲类除草剂化学结构可以看出，该结构的除草剂主要由3部分组成(图1).每一部分在确定整个除草剂活性方面都发挥着重要作用.其中脲桥和苯环相连的邻位有取代基是磺酰脲类的必备结构.在邻位取代基中， 吸电子基团的存在可以增强活性， 相反的是该取代基带有酸性质子时， 除草活性就会成数量级的下降.芳基中包括苯、五元或六元杂环， 以及苯稠杂环.磺酰脲桥结构是除草剂具备较高活性的决定因素[5].

图1 商品化磺酰脲类除草剂的公共结构Fig.1 Common structure of commercial sulfonylurea inhibitor

磺酰脲类除草剂虽然具有高效、低毒、高选择性等卓越特性广泛应用于农田作物中， 但由于其活性极高(用量一般为2～75 g/hm2)、选择性极强， 在使用不当情况下， 某些农药分子在土壤中的少量残留会对后茬敏感作物产生药害[6]，通过研究磺酰脲类除草剂的药效和残留药害之间关系发现其不仅与土壤本身外部因素有关， 更主要的是与农药分子本身的结构息息相关[7].因此，近年来针对磺酰脲类除草剂的骨架结构的改造引起了人们研究的兴趣.

从商品化的磺酰脲类除草剂嘧啶环可以看出，4，6位几乎都是双取代，取代基多为甲基，甲氧基，三氟甲基，三氟甲氧基4类，并且国际上对嘧啶环双取代有助于活性提高的理论有一致的认识[8].南开大学从上世纪90年代开始通过计算机辅助以及分子模拟等手段研究了磺酰脲类小分子的构效关系，发现单取代的嘧啶磺酰脲类抑制剂小分子与商品化的活性相当[9]，并且成功地合成了单嘧磺隆[10]( NK 92825)和单嘧磺酯[11](NK 94827)两个已经进入商品化阶段的先导化合物(图2).

图2 单嘧磺隆(NK 92825)和单嘧磺酯(NK 92825)的结构Fig.2 The structure of monosulfuron NK 92825 and monosulfuron-ester NK 92825

近些年，以单嘧磺隆和单嘧磺酯为先导结构的抑制剂开发相继出现.南开大学李正名课题组在保留嘧啶环4号位单取代为甲基或甲氧基以及桥链和苯环相连的邻位是吸电子基的基础上，对芳环部分进行改造，首先是对吸电子基的基团进行官能团的变换，由于商品化的磺酰脲类结构中吸电子基多数是酯基，那么对于苯环2-酯基取代的磺酰脲类化合物的合成就具有较强的现实意义.因此，李正名课题组设计并合成了一系列2-酯基取代的目标化合物.生测结果表明：酯基为苄基和环己基等体积较大取代基时，其在活体水平上几乎不显示活性， 而酯基为C4以下开链取代基时表现出较高活性， 其中酯基为CH2CH2Cl、CH(CH3)2的活体活性尤其突出[12].其次是对于苯环连接不同的取代基进行合成研究，在1995年的布莱顿植保会议中提出了5-取代的氟啶嘧磺隆(5-取代是指芳环的5位取代)具有快速降解等优点[13].根据该特性，李正名课题组在其商品化抑制剂结构基础上，将苯环的5位引入各种带有单取代基的苯甲酰胺得到一系列衍生物 I(图3)，以期望在维持原有活性的同时加快其化合物在土壤中的降解速率，研究发现当苯甲酰胺的2，3，4位连有取代基时，无论是吸电子还是给电子基团，在酶水平上都表现出了良好的活性，但在进行盆栽测试时发现其活性较先导化合物均有不同程度的降低.通过构效关系总结，分析可能原因是苯甲酰胺上连有取代基时，导致该磺酰脲分子的体积较大， 使得化合物在植物体内不能有效地吸收和传导，致使其在活体水平上活性出现下降[14].

图3 商品化抑制剂的衍生物ⅠFig.3 The structure of commercial inhibitor derivatives Ⅰ

当保留磺酰脲类嘧啶环的4号位为三氟甲基时，在苯环的邻位引入取代基，活性测试结果看出，当嘧啶环4位是三氟甲基时，该类抑制剂小分子仍具有明显的活性，说明三氟甲基代替甲基或者甲氧基时可以维持原有活性，与此同时桥链与苯环相连的邻位引入吸电子取代基时表现出良好的抑制活性，这与嘧啶环双取代的商品化磺酰脲类抑制剂结构与活性理论相同(苯环邻位是强吸电子基团时才会有除草活性)，但邻位是给电子基团时也表现出了一定的除草活性，说明三氟甲基的引入为该类除草剂的结构多样性改造创造了更多的选择性和可能性[15].之后南开大学对嘧啶环4号位进行了其他取代基的替换，生测结果表明：4号位不同取代基活性顺序为烷氧基>烷硫基>烷胺基.由此得出结论，对嘧啶环为单取代的磺酰脲化合物， 嘧啶环4位取代基的变化对整个分子的除草活性影响很大[16].

在此基础上该课题组保留单取代嘧啶片段，将芳环部分用其他活性片段来替代，得到一类商品化抑制剂衍生物II(图4)，嘧啶环上的给电子取代基(甲基，甲氧基)有利于除草活性的提高，并且大部分的化合物对双子叶作物的除草活性明显高于单子叶作物[17].

图4 商品化抑制剂的衍生物ⅡFig.4 The structure of commercial inhibitor derivatives Ⅱ

在嘧啶环4号位单取代是甲基或甲氧基的基础上，同时考虑到环境降解问题，南开大学研究人员结合碳卤键和醚键在一定条件下可以有效降解的特点，在磺酰脲母体结构的嘧啶环5号位引入溴原子取代基，并在环外引入醚键， 以期待在不降低其除草活性的前提下加快磺酰脲的降解.这一类抑制剂小分子活体活性与商品化的苯磺隆相比有明显差距，但是在对大肠杆菌AHAS进行离体活性测试时，发现有与苯磺隆相当的离体活性，初步分析该系列化合物活体活性丧失是由于嘧啶环上溴原子以及环外醚键的引入使得化合物在土壤中降解或在植物体内发生失活代谢.此外，嘧啶环4位取代基对该类抑制剂小分子的离体活性有显著影响，为甲基时活性高于甲氧基[18].

近几年，嘧啶环三取代的磺酰脲类农药小分子也取得了一定的进展，南开大学李正名教授课题组在考虑到商品化的磺酰脲类除草剂分子结构中嘧啶环多数以4、6号位甲基或甲氧基双取代的基础上[19]，尝试将嘧啶环4，5，6三个位点同时引入取代基.为了维持其活性，将商品化抑制剂的嘧啶环上的4、6位的取代基以及芳环上的强吸电子基团(如硝基，酯基)保留，在嘧啶环的5位进行取代基的变化以寻求较高活性的农药小分子.研究发现，在嘧啶环4、6位取代基不变的情况下， 当5位引入苄基时其除草活性明显高于5位引入其他长链烷基时的活性.总体来看， 该系列中仅有部分化合物的除草活性略好于4、6位双取代嘧啶磺酰脲类抑制剂小分子[20-21].

1.2 三唑并嘧啶类除草剂

1989年，美国陶氏公司申请了三唑并嘧啶磺酰胺类化合物的合成和除草活性专利，它是以磺酰脲类化合物作为先导化合物， 通过一系列的分子重排与结构修饰得到的继磺酰脲与咪唑啉酮开发之后另一类高活性新型除草剂[22].目前已进入市场的三唑并嘧啶类除草剂主要包括双氟磺草胺、唑嘧磺草胺、双氯磺草胺、磺草唑胺、五氟磺草胺、氯酯磺草胺等，并广泛用于小麦、水稻和玉米田杂草的防除，尤其是阔叶杂草.

图5 三唑并嘧啶类除草剂Fig.5 Triazole and pyrimidine herbicides

三唑并嘧啶类除草剂分子结构(图5)，主要包含高活性片段三唑并嘧啶环.三唑并嘧啶活性片段由于其分子结构中既包含了三唑活性结构单元，也包括了嘧啶活性结构单元，结合这两类重要的活性结构单元，从而使含有三唑并嘧啶类的化合物往往表现出广泛的生物活性[23-26].三唑并嘧啶类AHAS除草剂正是由于包含三唑并嘧啶环，因而表现出较高的生物活性，近几年来也广泛的被关注.与此同时，为更好地提高该类抑制剂的活性，研究人员在已商品化的三唑并嘧啶类除草剂结构的基础上进行了诸多官能团的修饰以及结构的改造，并寻找到了具有全新结构且对环境更为友好的新型先导类抑制剂分子.

本课题组首先针对三唑并嘧啶活性片段上的取代基进行了改造，在商品化唑嘧磺草胺结构的基础上，考虑到其土壤残留的问题，结合甲氧基可以在土壤中快速降解为羟基这一特点，将甲氧基引入三唑并嘧啶环中，代替商品化唑嘧磺草胺结构中的甲基得到化合物Y6610(图6)，经过活性测试，发现化合物Y6610虽然相比于唑嘧磺草胺在活体活性上有1个数量级的差距，但在离体活性测试结果中看出，其与商品化的唑嘧磺草胺活性相当，并且表现出优于唑嘧磺草胺的作物安全性，由此可以看出化合物Y6610具有进一步研究和开发的价值[27].

图6 Y6610的结构Fig.6 The structure of Y6610

之后，本课题组针对化合物Y6610(图6)进行了进一步的结构改造工作，主要集中于对芳环上取代基的替换.从活性结果看出，芳环上4号位有取代基的化合物活性较低，而芳环上2，6位有取代基的化合物在酶水平上具有较高的抑制活性[28].针对三唑并嘧啶环改造之后，针对桥链部分也进行了一系列的改造，首先是将商品化的三唑并嘧啶类AHAS除草剂中桥链的磺酰氨桥替换成硫桥，报道了一系列2-(取代)芳硫(氧)基-l， 2， 4-三唑并[1， 5-α]嘧啶类衍生物具有优良的除草活性[29-30]，并在此基础上筛选合成了多个烷基链取代的硫醚三唑并嘧啶抑制剂小分子，发现该系列化合物具有较好除草活性的同时，对水稻纹枯病菌表现出很强的专一性杀菌活性[31].后期利用生物电子等排和活性亚结构拼接等分子改造原理将磺酰氨桥进一步替换成氧桥，并在三唑并嘧啶环上进行取代基的变化，发现这一类抑制剂小分子部分表现出良好的除草活性，其中三唑并嘧啶环上有给电子基团存在时更加有利于除草活性的提高[32].为了寻找更具修饰潜力的先导化合物，将氧桥变化成苄氧基，发现其具有较广杀菌范围，例如对黄瓜霜霉病、白粉病、灰霉病、水稻纹枯病等菌种都有一定的灭杀活性[33].

酰腙类化合物(CONHN=CH)是一类优秀的活性结构，大多含有酰腙的化合物具有良好的生物活性[34-35]，三唑并嘧啶类杂环化合物同时也具有较高的生物活性，为寻找更高活性且更具修饰潜力的先导农药分子，农药工作者结合这两个高活性片段，将磺酰氨桥变换成酰腙桥，并且在芳环部分进行不同取代基的变化(图7)，生物活性测试结果表明该系列的抑制剂小分子都具有不错的生物活性，特别是对苯环3号位进行硝基取代基修饰时抑制活性最好，与此同时在杀菌活性的测试中也表现出了良好的抑制活性，特别是对水稻纹枯病菌所有的化合物都有很好的抑制活性，更为显著的是苯环邻、对位引入氯原子后抑制率可以达到90%(A级)以上[36].

图7 5，7-二甲基-1，2，4-三唑并[1，5-a]嘧啶-2-甲酰腙类化合物Fig.7 2-Benzylidenehydrazinocarbonyl-5-7-dimethyl-1,2,4-triazolo [5,1-a]pyrimidine derivatives

近些年，肟醚衍生物在农药领域逐渐成为一类具有高生物活性的化合物，在杀虫剂[37]、除草剂[38]和杀菌剂[39]等多个方面都有着广泛的应用，本课题组借鉴肟醚衍生物具有良好的生物活性等优点，利用电子等排原理将肟醚这个活性结构引入三唑并嘧啶的母体结构之中(图8).研究发现，这一类抑制剂小分子中大部分化合物选择性地对阔叶杂草具有显著的除草活性，更为欣喜的是其中一些化合物对禾本科杂草和阔叶杂草同时具有较高的抑制活性.从构效关系分析，R2为CH3时较R2为H的化合物除草活性有显著的提高， 在此基础上，R1为烷基长链取代时化合物具有更好的除草活性[40].

图8 含肟醚的三唑并嘧啶衍生物Fig.8 1,2,4-Triazlol[1,5-a]-pyrimidine containing oxime ether moiety

随着现代农药的广泛推行使用，以美国为首的西方发达国家的抗性杂草种类却在逐年上升.其中，AHAS抑制剂的抗性问题位居首位.研究表明，氨基酸残基的单点突变是引起AHAS抑制剂抗性问题的最主要原因，以W574L氨基酸残基的突变造成的抗性最为严重.迫切需要寻找到兼备高活性以及反抗性的新型抑制剂以应对日益严重的抗性问题.为此，本课题组利用计算机分子模拟等手段，将商品化AHAS除草剂的结构分别与野生型和W574L突变型的AHAS活性空腔进行分子对接，分析归纳了抗性问题与抑制剂分子结构的相互关系，设计了一类具有潜在反抗性的先导化合物 (图9)[41].基于该结构，希望通过结构的多样性来寻找到具有高活性以及反抗性的抑制剂小分子，因此本课题组针对W574L突变型AHAS合成了一类新型的具有高活性和一定反抗性的三唑并嘧啶类化合物(图10)，酶水平的活性测试结果表明：该系列化合物不仅对野生型AHAS具有较高的抑制活性，并且对W574L突变型AHAS同样具有优于对照药剂阔草清的抑制活性，表现出较高的反抗性能力，该类抑制剂的成功发现为以后解决抗性问题打下了坚实的基础[42].

图9 具有反抗性的AHAS先导化合物Fig.9 The lead structure of Anti-resistant AHAS inhibitor

图10 三唑并嘧啶类反抗性抑制剂的分子结构Fig.10 The strcture of Anti-resistant AHAS inhibitor contained triazolopyrimidine

1.3 嘧啶水杨酸类除草剂

嘧啶水杨酸类除草剂是近几年开发的一类新型AHAS抑制剂， 此类除草剂以其超高效、广谱、低毒、低残留、高选择性和良好的环境相容性等优点在市场中占有一席之地.已商品化的嘧啶水杨酸类除草剂主要有嘧草硫醚、环酯草醚、双草醚、嘧草醚、嘧啶肟草醚.广泛应用于棉花田，水稻田的杂草的防除.嘧啶水杨酸类除草剂的开发是通过磺酰脲类除草剂结构改造得到的，从分子结构(图11)可以看出：包括取代水杨酸，桥链，取代嘧啶环3部分，大量的构效关系研究证明: 具有二甲氧基嘧啶环结构的嘧啶水杨酸类抑制剂具有最高的除草活性[43].

图11 嘧啶水杨酸类除草剂Fig.11 Pyrimidylsalicylate herbicdde

早期开发的嘧啶水杨酸类除草剂由于其农业生产以及环境保护方面等突出优点，已被大量推广使用.然而长期使用单一的除草剂品种容易产生抗性以及交互抗性， 所以新型嘧啶水杨酸类除草剂的创制一直被人们广泛关注，并逐渐成为未来重点开发和研究的骨架结构.近几年，针对嘧啶水杨酸类抑制剂结构的改造已有大量的工作.本课题组首先通过环合作用针对嘧啶水杨酸的母体结构进行了改造，将羧酸与其邻位进行关环处理得到一系列的抑制剂小分子(图12)，结构中R基团的空间效应对该系列抑制剂小分子的活性影响较大，其中空间效应对酶水平活性影响更为显著，当R基团包含苯环时在酶水平活性上普遍高于R基团为烷基链时的活性，并且苯环上有取代基时对化合物的活性也会产生较大影响，例如苯环的3位有取代基时整体的活性较差，而苯环2、4位被取代时则有利于活性的提高(特别是氯原子取代时).但在除草活性方面，R基团包含苯环时活性较差，相反R基团为H时虽然在酶水平上的活性较差，但却具有广谱且高效的除草活性.总体来看，该系列化合物可能是潜在的AHAS抑制剂先导结构，之后还需要针对具有抗性的杂草以及更高选择性等问题进行进一步的研究[44].

图12 商品化抑制剂的环化策略Fig.12 Cyclization strategy of commercial inhibitor

之后的工作还将嘧啶水杨酸母体结构中羧基利用2-(取代苯胺)乙氰基替换，此想法来源于上海有机所吕龙课题组前期合成得到的2-溴-N-[2-(4，6-二甲氧基嘧啶-2-氧基)苄基]胺、[4-(2-(4，6-二甲氧基嘧啶-2-氧基)苄胺)苯基](哌啶-1-基)甲酮及2-嘧啶氧基-N-芳基-7-氰基苄胺类化合物对早熟禾、看麦娘、牛繁缕等油菜田杂草表现出良好的除草活性[45-47]，在此基础上合成了一系列的抑制剂小分子，大部分化合物都表现出了对反枝苋和小藜良好的除草活性.其中苯氨的苯环上连有吸电子基团有利于除草活性的提高，特别是苯环对位有吸电基时活性提高的程度更为明显，而苯环上连有给电子基团时对于除草活性的提高并没有显著的帮助[48].介于嘧啶水杨酸类母体结构中的2，6-二甲氧基嘧啶环在AHAS抑制剂的除草剂结构是具有重要地位的药效团，本课题组利用活性亚结构拼接的方法将具有广泛生物活性的取代吡唑环与2，6-二甲氧基嘧啶环通过氮原子连接 (图13)，这类新颖结构的化合物大部分对稗草、马唐、狗尾草等杂草具有良好的除草活性，其中当R基团为苄基时，对阔叶杂草反枝苋的除草活性达到了100%，表明该类结构新颖的抑制剂小分子具有进一步优化的潜力[49].

图13 2-[3-(2-取代苯基)-1H-吡唑-1-基]-4，9-二甲氧基嘧啶类化合物Fig.13 2-[3-(2-Substitutedphenyl)-1H-pyrazol-1-yl]-4,9-dimethoxypyrimidine dervatives

柳爱萍等研究人员尝试将嘧啶水杨酸母体结构中羧基变为苯基取代的酯基结构，并且改变酯基在苯环上的取代位置，合成了一系列具有全新结构的2-[2-(烷氧羰基苯氧羰基)苯氧基]-4，6-二甲氧基嘧啶类化合物， 这一全新系列的抑制剂小分子在除草活性测试中表现出较高的活性，其中当苯酯基的取代基位置为间位时除草活性优于邻、对位[50].

目前，AHAS抑制剂中磺酰脲类除草剂与杂草抗性之间的关系问题已经有了大量的实验基础，但对于其他类型的AHAS抑制剂与杂草抗性的关系还不是很清晰，所以对于母体结构的取代基筛选就有了重要的意义，本课题组就嘧啶水杨酸的母体结构中苯环部分进行了多种取代基的变化，以求设计合成具有反抗性特征的抑制剂结构，对活性片段水杨酸苯环结构上的5、6号位利用3D-QSAR和分子对接模型进行了取代基的虚拟筛选，为研究嘧啶水杨酸类的除草剂与杂草抗性问题之间的关系奠定了坚实的基础[51].在前期工作的基础上，利用活性亚结构拼接的方法，将嘧啶环引入前面提及的具有高活性及反抗性的三唑并嘧啶抑制剂小分子(图14)中.从生物活性测试结果不难看出，这一大胆改造策略不仅在酶水平上维持了先导化合物的高活性以及反抗性能力，并且在盆栽活体实验中对播娘蒿(敏感)、播娘蒿抗性1(K)、播娘蒿抗性2(GK)、耳叶水苋(抗性)等多种抗性杂草表现很高的抑制活性，部分化合物显示出优于对照药剂双草醚和阔草清的除草活性.该系列化合物在活体水平中所体现出的高活性和反抗性为以后进一步结构优化提供了借鉴，也为今后成功开发反抗性除草剂提供实例基础[52].

图14 嘧啶水杨酸类反抗性抑制剂的分子改造Fig.14 The structural modification of anti-resistant AHAS inhibitor contained pyrimidylsalicylate

1.4 三唑啉酮类除草剂

三唑啉酮类化合物是一类重要的除草剂，自杜邦公司发现了第一个三唑啉酮类除草剂唑啶草酮之后，该类除草剂的多种商品化药剂也相继问世.以1， 2， 4-三唑啉酮为母体的衍生物作为除草剂已有大量专利报道，其中胺唑草酮(Amicarbazone)、丙苯磺隆(Propoxycarbazone)、甲磺草胺(Sulfentrazone)及唑酮草酯(Carfentrazoneethyl)等均已商品化.由于三唑类含氮杂环其多变的结构和广泛的生物活性已成为农药开发的新热点，并且具有环境友好、用量少、除草快、杀草谱广且不易产生抗性等特点，因此对这类除草剂进行结构改造和优化具有重要的意义.针对以AHAS为靶标酶的商品化三唑啉酮类除草剂的母体结构是由磺酰脲类除草剂通过活性亚结构拼接衍生而来.目前为止，以AHAS为靶标的三唑啉酮类除草剂包括：氟唑磺隆(Flucarbazone-sodium)、丙苯磺隆(Propoxycarbazone-sodium)、噻酮磺隆(Thiencarbazone-methyl)(图15).

图15 商品化AHAS三唑啉酮类抑制剂分子结构Fig.15 The structure of commercial AHAS triazoliones inhibitor

南开大学李正名教授课题组利用生物等排的方法对先导化合物进行优化，将商品化结构中的苯环利用它的非经典等排体嘧啶环进行替代，合成了一系列的2-嘧啶基-5-甲基-2H-1， 2， 4-三唑-3(4H)-酮类化合物，另外根据丙苯磺隆结构， 设计并合成了一系列的1-(3-氧-2H-1， 2， 4-三唑-3(4H)-基)-3-(2-取代苯磺酰基)脲类化合物，这两个系列的化合物均表现出一定的除草活性，化合物A(图16)在1.5 kg /hm2剂量下对稗草和马唐茎叶的抑制率分别为100%和75.3%[53].由于唑啶草酮和唑酮草酯这两种除草剂具有突出反抗性能力，即对磺酰脲类除草剂产生抗性的杂草具有很好的抑制作用，因此对这两类化合物进行结构的优化具有重要的意义.李正名教授课题组在此基础上，设计了两个含有1， 2， 4-三唑啉酮结构系列的抑制剂小分子(图17)，其中系列一的1， 2， 4-三唑啉酮类化合物除草活性明显高于系列二的1， 2， 4-三唑啉酮类化合物，系列一中R为2位取代的苯环时的抑制剂小分子在1.5 kg / hm2剂量下对马唐和反枝苋的抑制率达到100%，系列二中的化合物几乎没有除草活性，但值得一提的是R为4位氟取代苯环，2位氯或甲基取代的苯环时，表现出对黄瓜子叶生根有很强的促进作用[54].在上述系列一基础之上，该课题组设计合成了系列三(图17)，该系列抑制剂小分子都显示出了良好的除草活性，R取代基为苯环时除草活性高于烷基取代的化合物活性，其中R为3-氟-4-乙基苯环时在1.5 kg / hm2剂量下对升马唐，反枝苋，欧洲油菜和稗草苗前处理的抑制活性达到了100%[55].

图16 化合物AFig.16 The structure of compound A

图17 系列一、系列二和系列三Fig.17 The stucture of series 1,2 and 3

本课题组针对图16中结构也进行了一系列的优化和改造，集中在对苯环上各位置的取代基进行变换，以及将活性片段甲氧基丙酸酯与三唑啉酮通过氮原子进行连接，设计合成了一系列的抑制剂小分子，大部分的化合物具有良好的除草活性，其中苯环的2位连有氟原子，4位连有氯原子，5位连有C2H5SO2NH时，该化合物对多种阔叶杂草均表现出较高的除草活性，与商品化药剂磺酰三唑酮的除草活性相当.甲氧基丙酸酯为杀菌剂以及杀虫剂中高活性片段，但是关于该结构的除草活性还未见报道，将三唑啉酮与甲氧基丙酸酯亚结构拼接设计出的具有新颖结构的抑制剂小分子为今后寻找更高活性的结构创造了条件[56].

商品化的AHAS三唑啉酮除草剂，是在磺酰脲类除草剂结构上获得，借此思路李正名教授课题组通过活性亚结构拼接的方法将三唑啉酮引入其他已商品化的除草剂结构之中(如醚磺隆等)，设计合成出结构较为新颖的含三唑啉酮活性片段的磺酰脲类抑制剂小分子(图18)，部分化合物表现出了良好的除草活性以及作物选择性，当R3为2-氯乙氧基苯基，R2为甲基时其除草活性在3.75 g/hm2剂量下抑制率高于商品化的醚磺隆，与醚苯磺隆和单嘧磺酯相当.由此看出该结构可以作为先导化合物进行进一步的结构优化[57].

图18 商品化三唑啉酮类抑制剂的衍生物Fig.18 Commercial triazolinones inhibitor derivatives

1.5 其他结构类除草剂

近年来具有新颖结构的AHAS抑制剂广泛的被开发研究，但往往拘泥于已经商品化除草剂的结构改造，除草活性没有数量级的提升，并且没有根本解决其严重的抗性问题[58].传统寻找先导化合物是通过一些人为的设想，不能有效的对所有结构一一合成进行生物检测，局限性较强，那么通过计算机辅助的虚拟筛选可以将所有的结构利用分子对接模型进行筛选，通过计算机模拟酶与化合物构效关系得到活性可能较高的化合物结构[59-60]，再对其进行合成，这样可以避免遗漏，为寻找更高活性的抑制剂提供了理论基础.

南开大学研究团队利用生物合理分子设计方法， 结合AHAS靶标酶的晶体结构， 通过计算机辅助的虚拟筛选， 发现了一些具有新颖结构的AHAS抑制剂小分子[61]. 在虚拟筛选的基础之上，吲哚二酮类等新颖结构的AHAS抑制剂相继被设计合成.

李正名教授课题组合成了一系列吲哚二酮类的抑制剂小分子，这类化合物在离体和活体中都表现出了一定活性，特别是如图19所示的化合物，在100 μg /mL浓度下对油菜胚根生长抑制率为84.7%，离体活性也达到了60%，这一类化合物中部分化合物也出现了离体和活体抑制率相背离的情况，所以进一步的分子设计之中要考虑疏水性等生物体生理过程因素，从而设计出活性更高的抑制剂[62].之后合成了另一类通过虚拟筛选得到的苯甲酰胺骨架结构化合物，这一系列中单苯磺酰胺苯甲酰胺化合物对拟南芥AHAS酶具有良好的抑制活性，与单嘧磺隆相比较， 部分化合物在100 μg/mL浓度时与其相当，但浓度降低为10 μg/mL时活性明显下降[63].

图19 吲哚二酮类衍生物Fig.19 2-Oxindole derivatives

南开大学王建国教授课题组通过对ACD-3D库进行计算机虚拟筛选，通过打分得到一系列含有不对称二硫键的小分子具有较高的结合能.以前的报道中已经知晓不对称二硫键广泛存在于各种具有生物活性的抑制剂分子中，该课题组由此合成了一些含有1，2，4三氮唑的不对称二硫键衍生物(图20)，大部分的化合物都在酶水平表现出了较高的抑制活性，同时除草活性测试结果看出，在100 μg/mL低剂量下有显著的活性，部分化合物与单嘧磺隆的除草活性相当[64].该课题组在此基础之上，将三唑中1号位的氮原子替换为硫原子和氧原子，设计合成了一系列与图20结构相类似的含二硫键化合物，同样发现在酶水平和活体水平中表现出较好的抑制活性，特别是苯环中没有取代基或4号位甲基取代时，在10 μg/mL剂量下离体试验结果都表现出90%以上的抑制率，并且表现出良好的反抗性[65].由此看出，含有三唑的不对称二硫键的抑制剂小分子表现出了与分子对接结果相一致的除草活性，这也为寻找包含二硫键结构新颖的除草剂提供了重要的基础.

图20 不对称二硫键类衍生物Fig.20 Asymmetric aryl disulfides derivatives

结合上述几类基于计算机虚拟筛选得到具有新型结构的AHAS抑制剂小分子可以看出，相当多的新型结构化合物在虚拟筛选的结合能计算和实际合成之后的生物活性测定结果表现出一致性，表明虚拟筛选对于AHAS抑制剂的分子设计的贡献是具有一定的可靠性，但通过对一些抑制剂小分子与靶酶活性腔进行计算机对接研究之后，发现打分靠前的化合物的生物检测数据与理论存在一定的偏差，说明虽然基于受体结构设计并发现新结构抑制剂小分子的方法是可行的， 但是需要考虑多方面的因素，才有可能提高命中率，以此合成真正意义上的高效、低毒、低残留、对人畜友好、结构新颖的先导化合物.

2 总结与展望

以AHAS为靶标酶的除草剂活性高、杀草谱广、 选择性强、 使用方便，更重要的是具有对人畜无害的特点，这是其他靶标酶抑制剂难以比拟的.它目前也是商品化除草剂种类和品种最多的之一，但由于其长期，大量地使用，面临着所有除草剂都不可避免的问题——易产生抗药性，这也使国内外的研究人员对于新型AHAS抑制剂开发的愿望更加的迫切.研究人员在商品化的抑制剂分子结构的基础上，利用活性亚结构拼接、生物电子等排以及取代基的变化等方法，通过高通量的人为筛选来寻找活性与商品化药剂相当，且具有更好的反抗性的抑制剂小分子；与此同时，近年来通过计算机辅助来寻找具有反抗性的抑制剂小分子也得到迅猛发展，利用靶标酶AHAS的晶体结构，通过计算机的分子对接和虚拟筛选等方法得到结合能较低的小分子，对其合成并进行生物检测，来寻找新颖结构的先导类化合物.在这两方面都已取得了一定的进展，但要寻找到更优秀的结构骨架，还需要研究人员更深层次，更广范围，利用更新颖方法的去探索.

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Progress of the research on the herbicidal activity of AHAS inhibitors

QU Renyu， LIU Yuchao， CHEN Qiong， YANG Guangfu

(Key Laboratory of Pesticide & Chemical Biology of Ministry of Education， College of Chemistry，Central China Normal University， Wuhan 430079)

Acetohydroxyacid synthase(AHAS)inhibitors, which were developed in the 1980s, have been widely used as new herbicide for preventing and eliminating weeds in the fields. Since the past few years， abundant AHAS inhibitors have been developed. This paper provided a overview of the structure and bioactiyity of AHAS inhibitors including sulfonylureas, triazolopyrimidines, pyrimidylsalicylate and triazolinones derivatives，which are classed according to the different types of pharmacophores．

AHAS inhibitor; structure type; inhibitory activity; herbicidal activity

2015-01-29.

国家自然科学基金项目(1172091，21372093)．

1000-1190(2015)05-0735-11

Q626.4

A

*通讯联系人. E-mail: qchen@mail.ccnu.edu.cn.