新型除草剂茚嗪氟草胺的研发历程

张侠

（安徽省化工研究院，安徽合肥230041）

2010 年，拜耳作物科学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™”为商标瞄准非农作物-草皮市场，随后规划进入观赏和工业植被管理领域。目前茚嗪氟草胺进一步被制成悬浮液浓缩物以Alion™为商标开发应用于农作物除草剂领域，如水果和葡萄、树坚果、柑橘、橄榄和甘蔗等。下面就茚嗪氟草胺的研发历程进行介绍。

1 发现历程

上个世纪90 年代末，Kosan, I. 推出了第一代烷基嗪类除草剂三嗪氟草胺（triaziflam）（图1），用于草坪除草，表现出较高的除草活性，其中对宽叶杂草的除草效果尤为显著[1]。

图1 三嗪氟草胺

为了控制和根除农业种植中的顽固杂草，越来越迫切需要引入一种新的除草模式。有趣的是，发现三嗪氟草胺不仅包括对光系统II的电子传递抑制，而且还包括对纤维素的生物合成抑制。三嗪氟草胺的这种基于抑制纤维素生物合成的作用模式就是这种新的除草模式。

为了尝试和优化三嗪氟草胺的除草剂活性，Ahrens, H.将三嗪氟草胺分子中的几个位点在结构上进行了修饰（图2）[2]：① 芳基和三嗪基间链的长度进行改变；②用杂原子取代碳链中的碳原子；③在芳环侧和/或脂肪族侧引入取代基。

图2 三嗪氟草胺结构修饰

遗憾的是，将上述变化的化合物进行温室试验，发现其大多数化合物的除草活性不高，常常低于三嗪氟草胺，个别化合物的除草剂活性水平最多与三嗪氟草胺相当。

然而，当将双环系统引入三嗪氟草胺，显著提高了除草剂的活性，并且随着茚环的引入，杂草控制达到了一个最高的除草活性水平（图3）。

图3 三嗪氟草胺双环结构修饰

2 构效关系

通过合成手段制备了大量的茚胺三嗪类化合物，并对其进行了除草活性测试，建立了详细的结构活性关系图（图4）。

（1）在三嗪环上，一个游离氨基和一个卤烷基（特别是氟烷基），被证明是最合适的取代基。

（2）最合适的双环取代基是茚环。

（3）将一个甲基引入到茚环2 位往往会进一步提高除草剂的效力。

（4）对芳基上的各种取代基进行研究，6-位甲基是最合适的取代基。

图4 茚胺三嗪类化合物结构活性关系图

根据上图，最终确定2,6-二甲基茚环，与含有1-氟乙基的氨三嗪结合使用，可以得到杂草控制水平最高的化合物（图5）。

图5 茚嗪氟草胺

然而，该化合物仍然表现出两种作用模式，即抑制纤维素生物合成和抑制光系统II 的电子传递。由于该化合物含有三个手性中心，因此由八个对映异构体的混合物组成，这就提出了哪一种对映体在上述两种作用模式起主要作用的问题。

为了阐明手性对活性的影响，将茚嗪氟草胺所有8个立体异构体进行分离（图6），并测试了它们的除草剂活性和作用方式。

结果表明，茚环骨架的构象对除草剂的活性和作用方式起决定性作用。（1R,2S）-茚环骨架被证明在生物学上是最有效的，即该骨架结构就是茚嗪氟草胺作用模式从抑制光系统II 的电子传递转移到抑制纤维素的生物合成的来源。相应的这两个立体异构体显示出最高的杂草控制水平，是纤维素生物合成的高效抑制剂——它们是茚嗪氟草胺的成分（图6，框）。

图6 茚嗪氟草胺的八个对映异构体

3 作用机理

与其他类纤维素的生物合成抑制剂除草剂相比，比如异噁酰草胺和敌草腈，茚嗪氟草胺抑制纤维素合成的作用位点不同。烷基嗪类除草剂茚嗪氟草胺的抑制活性比苯并腈类（敌草腈）或苯并酰胺类（异恶酰草胺）低三个数量级。异恶酰草胺导致质膜中CESA 蛋白耗竭并在胞质囊泡中积累，而敌草腈导致CESA 蛋白固定化并在质膜中过度积累[3]。然而研究表明，茚嗪氟草胺可增加CESA 粒子在质膜上的密度，但也可使CESA 粒子速度降低约65%，从而抑制聚合。这种密度的增加也被证明可以减少根尖钩附近区域微管和CESA 之间的共域化[4]。虽然这些研究证实茚嗪氟草胺与复杂的纤维素生物合成途径有独特的相互作用，但很难解释茚嗪氟草胺对单子叶植物和双子叶植物毒性不同的原因。

茚嗪氟草胺对于单子叶植物和双子叶植物除草活性的差别，在于2亿年前单子叶植物和双子叶植物的纤维素合成发生变化，从而使其细胞壁具有独特的不同结构。2017年，Sebastian, D. J.在研究茚嗪氟草胺对双子叶植物如拟南芥和地肤（1型细胞壁），以及单子叶植物如旱雀麦和野生黑麦（2 型细胞壁）时，发现与双子叶植物（平均GR50= 512pM和0.87 g AI ha-1）相比，茚嗪氟草胺在较低浓度下对单子叶植物（平均GR50= 231pM和0.38 g AI ha-1）的活性更强。对于更深层次茚嗪氟草胺作用的目标蛋白靶点目前尚不清楚，还需要进一步进行正向和反向基因筛选来确定。由于茚嗪氟草胺对单子叶植物活性的增加，因此该除草剂为美国高达2 300万公顷牧场的多种入侵性冬季一年生禾草提供了一种新的替代管理策略，可以用来控制野生黑麦、雀麦、联合山羊草等单子叶植物[5]。

4 土壤代谢

2017 年，Sebastian, D. J.将茚嗪氟草胺、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）进行土壤实验（见图7），发现母体化合物（茚嗪氟草胺）表现出比其代谢物FDAT 更高的吸附潜力。茚嗪氟草胺是不能用水提取的，也就是说，不容易从土壤中提取。相比之下，FDAT 在土壤中停留的整个时间内都是可溶的。尽管FDAT 的浸出风险较高，因为它的吸附量较少，但代表环境污染可能性的生态毒性指数比母体化合物低2～7 倍。ITI 对软土的吸附略高于茚嗪氟草胺，平均Kd 值分别为17.6 和16.1。在软土中，ITI 吸附量比 FDAT 高大约 28 倍，ICA 平均仅高大约2倍[6]。

图7 四种化合物的土壤实验

5 结论与展望

茚嗪氟草胺目前是最好的烷基嗪类除草剂，代表了广谱残留杂草控制的一个突破。本文介绍了茚嗪氟草胺的发现历程，从先导化合物的发现，到对先导化合物进行结构修饰，再到对其进行构效关系研究，最终确定2,6-二甲基基茚环，与含有1-氟乙基的氨三嗪结合使用，可以得到杂草控制水平最高的化合物。进一步对其八种对映异构体进行分别研究，确定（1R,2S）-茚环骨架是最适合的构象。此外本文还对茚嗪氟草胺的作用机理和土壤代谢进行介绍。总之茚嗪氟草胺是一种具有很好前景的除草剂。