异 唑啉类商品化杀虫剂的发展沿革与合成

冀经伦，吴旭杰，陈士慧，张 静，2，高一星，2*，张立新，2*

（1.沈阳化工大学功能分子研究所，辽宁省绿色功能分子设计与开发重点实验室，沈阳市靶向农药重点实验室，沈阳110142；2.广西思钺生物科技有限责任公司，南宁 530000）

目前，已超过300种杀虫剂流向市场，每十年都会引入至少一个新的化学结构类别，如有机磷、氨基甲酸酯、有机氯、拟除虫菊酯和新烟碱等[1]。传统化学农药因存在高残留、高抗性、高毒性等问题被限制或者禁止使用。如何开发高活性、高选择性、低风险、无残留的产品已成为绿色农药的发展方向[2]。随着研究人员对化学功能分子、作用机理和抗性机制不断深入研究，以氟雷拉纳（fluralaner）为代表的异 唑啉（isoxazoline）类杀虫剂被成功研制。

异 唑啉类杀虫剂的化学结构新颖、杀虫谱广、作用位点独特，无交叉抗性等特点引起了业内广泛的关注。此类杀虫剂对鳞翅目、半翅目、缨翅目、蜱螨目等害虫具有良好的杀虫效果。其作为非竞争性拮抗剂（NCAs）作用于昆虫γ-氨基丁酸（GABA）受体，抑制其氯离子内流，干扰了GABA跨膜信号传递，最终使昆虫神经兴奋不能控制而死亡[3-7]。异唑啉类杀虫剂的作用靶点为NCA-II型，与传统的GABA受体NCAs，如有机氯类（林丹、狄氏剂、硫丹）和苯基吡唑类（氟虫腈）的靶点NCA-IA型相比，不存在交叉抗性，而且更加环保和安全[8-10]。国内外制药公司相继对此类化合物开展研究，目前已有6个品种商品化或即将商品化，其中2种为农药杀虫剂，4种为抗寄生虫兽药，成为了杀虫剂研究热点领域之一。笔者重点对异 唑啉杀虫剂的发展沿革、品种介绍及合成路线进行了综述，旨在为读者对这类新颖的杀虫剂提供全面的了解。

1 发展沿革

异 唑啉杀虫剂的发现与双酰胺类杀虫剂密切相关，其起源可以追溯到化合物1邻苯二甲酰胺和化合物2邻甲酰氨基苯甲酰胺活性结构的发现[10]，许多农化公司相继对其结构进行研发优化。先导化合物1只表现出微弱的杀虫活性[11]。由于其结构新颖，日本农药株式会社（Nihon Nohyaku）仍对化合物1进行了设计开发，在1998年推出化合物3，即双酰胺类杀虫剂氟虫酰胺（flubendiamide）。杜邦（Dupont）公司通过酰胺反向取代和基团修饰将先导化合物1优化得到化合物2，经活性测试也表现出不错的杀虫效果，随后在2000年优化研发出化合物4，即杜邦公司的明星产品氯虫苯甲酰胺（chlorantraniliprole）。

与此同时，日产化学工业株式会社（Nissan Chemical Corporation）科研人员也在先导化合物1、2结构基础上进行优化设计，如对独特的七氟异丙基取代基进行研究，引入了三氟甲基、异 唑啉、肟基等基团，合成了一系列化合物，在2003—2005年公开了相关专利，如5～8等。专利5～8的化合物基团在结构上存在反向对应关系，但是都存在良好的杀虫活性。这一系列发现为化合物9成功合成奠定了基础，其专利内化合物经活性筛选开发出化合物10，即fluralaner。2007年，日产化学又在杀虫剂fluralaner三氟甲基酰胺链上进行修饰优化，将其替换为肟醚链，随后经活性筛选得到化合物11，即fluxametamide（图1）。

杜邦公司也在开展相关异 唑啉类化合物的研究，公开了其研究成果，如化合物12、13，其化合物13（R=3,5-二氯或溴）对草地贪夜蛾、棉铃虫、小绿叶蝉、西花蓟马等表现出优异的杀虫活性[12]。将苯环替换成萘环，随后又合成一系列化合物14～16，而专利化合物16内经活性筛选开发得到化合物17，即杀虫剂阿福拉纳（afoxolaner）（图2）。

先正达（Syngenta）公司很早就投入异 唑啉的研发，最开始尝试将异 唑啉环3和5位苯环取代链进行方向置换，制得化合物18；将苯甲酰胺基团换成苯脒基团，如化合物19；将酰胺链修饰替换为硫杂环得到化合物20，随后在化合物20的基础上，在4位异 唑啉环引入（R1=甲基、氟和溴等）取代基，合成一系列化合物21（G为苯环、萘环或其他杂环），之后研究人员又侧重了对三氟甲基酰胺链的优化替换，引入了五元杂环，如异噻唑和异 唑等，其中引入异 唑环的化学结构为化合物22，而化合物23（R1=3,5-二氯-4氟，R2=乙基），即isocycloseram位列其中（图3）。

硕腾（Zoetis）公司也关注到了异 唑啉类化合物的杀虫活性，尤其是对跳蚤和蜱虫。作为一家动物保健公司，公司的科研人员借鉴了杜邦公司化合物13并进行了优化衍生设计，尝试合成化合物24。出乎意料的是，在合成的过程中却收获新的目的产物25，而且经测试有良好的杀虫效果和开发潜力，因此顺势对化合物25进行优化，将头部苯环4位氯替换成氟，连接氮杂环的内酯还原成环醚，得到化合物26。为了进一步优化26的PK值（药物代谢动力学），在保持药效的同时对其理化性质进行了平衡，最终筛选出化合物27，即沙罗拉纳（sarolaner），其独特的螺氮杂苯并呋喃结构提供了分子的刚性和效力，甲基磺酰甲酮增加了分子的极性表面积[13]（图4）。

洛替拉纳（lotilaner）的发现相比其他公司较为轻松，诺华（Novartis）公司参考杜邦和日产化学的专利，如EP1538138A1、WO2007075459A。通过研究，他们以修饰噻吩环为主进行了化合物的合成，并申请了相关专利WO2010070068A2，其专利内化合物就包含lotilaner，并与fluralaner、afoxolaner结构相似。诺华公司在2014年将动物保健业务出售给美国礼来动保（Elanco Animal Health）公司，随后礼来动保对lotilaner进行了商品化开发（图5）。

2 品种介绍及合成路线

异 唑啉骨架作为先导化合物在农作物保护方面具有较高的价值，在动物保健中研发成果显著，特别是在预防或治疗体外寄生虫感染的兽药领域。现对这6个品种（氟雷拉纳、fluxametamide、阿福拉纳、isocycloseram、洛替拉纳和沙罗拉纳）的现状和最新的合成路线进行简述。

2.1 氟雷拉纳

氟雷拉纳（fluralaner），开发代号为A1443，是由日产化学在2004年研发合成，其于2005年获批专利WO2005085216。CAS号：864731-61-3，CAS化学名称为4-[5-(3,5-二氯苯基)-4,5-二氢-5-(三氟甲基)-3-异 唑基]-2-甲基-N-[2-氧代-2-[(2,2,2-三氟乙基)氨基]乙基]苯甲酰胺，其化学结构具有R、S构型，结构式见图6。相关研究表明，fluralaner主要的杀虫活性组分为S构型[13]，其杀虫谱包括蜱目、蚤目、真螨目、蜱螨目、双翅目等种类，涉及的寄生和卫生害虫多达24种，而且对鳞翅目，如二化螟、草地贪夜蛾、棉铃虫；半翅目，如灰飞虱、叶蝉；缨翅目，如西花蓟马；蜱螨目，如二斑叶螨等农业害虫也具有良好的活性[14]。日产化学批准默沙东（MSD）公司对fluralaner进行商品化开发。2014年，美国食品与药品监督管理局（FDA）首次批准其作为动物驱虫药，商品名为贝卫多（Bravecto），目前包括中国在内，该商品已在全球85个国家批准上市。其药物成分为R和S2种异构体的混合物，主要用于治疗犬体表的蜱虫和跳蚤，可阻止成年跳蚤产卵，起效快，药效期可持达3个月。

关于制备fluralaner中间体的合成路线大概如下[15]：中间体A是以3,5-二氯苯甲酸为原料，经酯化反应、亲核取代、wittig反应制得；中间体B是以2-甲基-4-溴苯甲酸为原料，经酰酯化反应、氰基取代、羟胺肟化制得；中间体C则是以甘氨酸为起始原料制得（图7）。

目标产物的合成方法如下：

方法1[15]：以中间体A、B为起始原料进行1,3-偶极加成环合反应，再与中间体C酰胺缩合得到目标产物。

方法2[16]：该方法合成路线为2条，均以4-溴-2-甲基苯甲酸为原料，先制得4-甲酰基-2-甲基苯甲酸，路线1先进行肟化，随后与中间体C酰胺缩合；路线2则是先与中间体C酰胺缩合，然后肟化，2条路线均生成苯甲酰胺中间体，最后与中间体A在氯化试剂N-氯代丁二酰亚胺（NCS）作用下，1,3-偶极加成合环得到目标产物（图8）。此合成方法反应条件温和，生产成本较低，易适用于工业化。

方法3：Lee等[17]选择性合成了S构型fluralaner，以中间体3,5-二氯苯基-2,2,2-三氟甲基酮和2-丙烯基硼酸频那醇酯为原料，在催化剂金刚烷基邻氨基苯酚条件下，对映选择性合成化合物3a，进一步转化为醛化合物3b，随后与中间体D反应生成β-羟基酮化合物3c，最后经成环、缩合生成所需产物fluralaner（图9），总收率达到40%。

2.2 Fluxametamide

Fluxa metamide（氟 唑酰胺），开发代号为NC-515，是日产化学开发的首款广谱异 唑啉农用杀虫剂。CAS号：928783-29-3，CAS化学名称为4-[5-(3,5-二氯苯基)-4,5-二氢-5-(三氟甲基)-3-异 唑基]-N-[(甲氧基氨基)亚甲基]-2-甲基苯甲酰胺，结构式见图10。国际杀虫剂抗性行动委员会将fluxametamide划分为IRAC Group 30，其类别为γ-氨基丁酸门控氯离子通道（GABACls）变构调节器[18]，对蜱螨目、鳞翅目、缨翅目、双翅目等害虫有突出的防效。注册商品名称为（GRACIA）。此产品能高效防治抗性害虫，起效快，持效期长，可防治蓟马、粉虱、潜叶虫、蜘蛛螨、锈螨和其他螨虫，适用于蔬菜、大豆、棉花、茶树和果树等作物，而且对蜜蜂和其他访花昆虫无毒害作用[19-20]。该产品于2019年5月在日本上市，预计2021年在美国登记。

Fluxametamide的合成涉及中间体E、F，并由中间体F得到目标产物。其中间体E、F合成路线如下[16,21-22]（图11）。

方法1：以4-溴-2-甲基苯甲酸和正丁基乙烯基醚为起始原料，经酰化、缩合、环化得到中间体F。

方法2：以4-溴-2-甲基苯甲酸或4-溴-3-甲基苯甲醛为原料，2条路线经肟化、成环等反应制得中间体E，再经过亲核取代得到中间体F。

2.3 阿福拉纳

阿福拉纳（afoxolaner）是由杜邦公司在2007年研制，其化合物相关专利：WO2009002809A2。CAS号：1093861-60-9，CAS化学名称为4-[5-[3-氯-5-(三氟甲基)苯基]-4,5-二氢-5-(三氟甲基)-3-异 唑基]-N-[2-氧代-2-[(2,2,2-三氟乙基)氨基]乙基]-1-萘甲酰胺，结构式见图12。

相关试验表明afoxolaner通过一个不同于环戊二烯的位点阻断了γ-氨基丁酸门控氯通道，不存在交叉抗性[7]。在生物活性测试中，50 mg/L或250 mg/L药液浓度的afoxolaner对小菜蛾、草地贪夜蛾和桃蚜的致死率高于80%，具有良好的杀虫活性，而且对猫栉头蚤有不错的防治功效[23-24]。杜邦公司批准法国梅里亚（Merial）公司开发商品化，现合并到德国勃林格殷格翰（Boehringer-Ingelhei）公司。异 唑啉体外驱虫药尼可信（NexGard）于2013年通过美国FDA批准上市，2017年在中国登记上市，其可高效杀灭网纹革蜱（Dermacentor reticulatus）、篦子硬蜱（Ixodes ricinus）、犬栉首蚤（Ctenocephalides canis）[25-26]，2018年又推出新一代驱虫产品超可信（NexGard Spectra），有效成分为阿福拉纳和米尔贝肟，其可以高效防治和驱杀蜱虫、跳蚤、心丝虫、蛔虫、钩虫和鞭虫等多种犬体内外寄生虫[27]。

Afoxolaner的合成路线是以4-甲基-1-萘甲酸或4-溴-1-萘甲酸为起始原料，经酯化、肟化、1,3-偶极加成环合、酰胺缩合等反应得到目标产物[28]（图13）。

2.4 Isocycloseram

Isocycloseram（开发代号：SYN547407），由先正达公司研发。2018年6月，国际标准化组织（ISO）农药通用名技术委员会临时批准其英文通用名，目前处于研发后期阶段。CAS号：2061933-85-3，CAS化学名称为4-[5-(3,5-二氯-4-氟苯基)-4,5-二氢-5-(三氟甲基)-3-异 唑基]-N-(2-乙基-3-氧代-4-异 唑烷基)-2-甲基苯甲酰胺，结构式见图14。该杀虫剂包含4种活性异构体，其中(5S,4R)-异构体活性最高[29]。作为第二款农用异 唑啉杀虫剂，据报道，isocycloseram杀虫谱广，包含了鞘翅目、鳞翅目、半翅目和螨类等，如玉米根虫、海灰翅夜蛾、小菜蛾、二斑叶螨、烟蓟马等害虫，在200 mg/L药液浓度下致死率均达到80%[30-31]。该杀虫剂有望于2021年上市，商品名为plinazolin，预计其年峰值销售额约为0.75亿美元。

Isocycloseram的合成路线：以4-溴-2-甲基苯甲酸为原料经多步反应制得异 唑啉中间体G；以D-环丝氨酸为原料经3步反应制得异 唑啉酮中间体H，最后中间体G和H缩合酰化反应制得终产物[30]。

2.5 洛替拉纳

洛替拉纳（lotilaner）是由美国礼来动保公司开发的最新一代异 唑啉杀虫剂。CAS号：1369852-71-0，CAS化学名称为5-[(5S)-4,5-二氢-5-(3,4,5-三氯苯基)-5-(三氟甲基)-3-异 唑基]-3-甲基-N-[2-氧代-2-[(2,2,2-三氟乙基)氨基]乙基]-2-噻吩甲酰胺，结构式见图16。Lotilaner是非竞争性拮抗剂作用于无脊椎动物GABA受体氯离子通道，其S构型杀虫活性是R构型的100倍，与狄氏剂和氟虫腈无交叉耐药[6]。Lotilaner对北美常见的肩突硬蜱（Ixodes scapularis）、变异革蜱、美洲花蜱（Amblyomma americanum）和欧洲的血红扇头蜱（Rhipicephalus sanguineus）、篦子硬蜱、网纹革蜱具有高效的杀虫活性及防效[32]。目前上市的商品为S构型活性成分，于2017年作为兽药登记上市，商品名为（Credelio），用于防控狗和猫身上的跳蚤、扁虱、疥螨等寄生虫[33]。

Lotilaner的合成路线[34]：路线1以2-溴-3-甲基-5-乙酰基噻吩和中间体2,2,2-三氟-1-(3,4,5-三氯苯)乙酮为原料，经过几步反应制得异 唑啉中间体I，之后加入手性(R)-1-(4-甲基苯基)乙胺试剂混合，再与中间体2-氨基-N-(2,2,2-三氟乙基)乙酰胺进行酰胺缩合得到S构型手性目的产物（图17）。

路线2与fluralaner的合成方法2相同，起始原料为5-溴-4-甲基噻吩-2-甲酸。

2.6 沙罗拉纳

沙罗拉纳（sarolaner），开发代号为PF-06450567，是由美国硕腾制药公司研发的新型广谱寄生虫兽药。CAS号：1398609-39-6，CAS化学名称为1-[5'-[(5S)-5-(3,5-二氯-4-氟苯基)-4,5-二氢-5-(三氟甲基)-3-异 唑基]螺[氮杂环丁烷-3,1′(3′H)-异苯并呋喃]-1-基]-2-(甲基磺酰基)乙酮，结构式见图18。Sarolaner具有一对对映异构体，S构型为主要的杀虫活性组分，其对栉头蚤（Ctenocephalides felis）的LC80值为0.3μg/mL，对钝缘蜱（Ornithodoros turicata）的LC100值为0.003μg/mL[4]，于2015年经美国FDA批准上市，商品名为（Simparica），用于预防和治疗犬的跳蚤和蜱虫感染。

Sarolaner以异 唑啉骨架作为先导化合物，通过对其苯环取代基、内酯环及尾链修饰，从大约3 000个化合物中被筛选出[13]。

Sarolaner的合成路线[35]：起始原料为4-溴-2-(氯甲基)-1-碘苯，经一系列缩合反应得到查尔酮中间体J，再与羟胺加成经催化剂合环得到化合物6a，在酸条件下，Boc保护基团离去得到化合物6b，最后与中间体K硝基苯磺酰基乙酸酯进行偶合反应得到目标产物（图19）。

3 结果与展望

异 唑啉类杀虫剂作用于GABA受体氯离子通道这一突出靶标，对农业害虫和卫生害虫表现出显著的生物活性，而且无抗性问题出现。因此，为了保护农作物和动物健康，此类药效基团在农药和兽药领域具有不错的开发价值，应加强对相关衍生物的优化设计。为了获得高对映选择性产物，伴随着手性药物不对称合成的发展，除了传统的外消旋体拆分法，如何高效构建含C-CF3键的立体中心也是我们面临的新挑战[36-37]。值得注意的一点，异 唑啉类杀虫剂可以预防和治疗由寄生虫引起的人畜共患传染病如莱姆病（Lyme disease）、森林脑炎（Tickborne encephalitis）和利什曼病（Zoonotic visceral leishmaniasis）等[38-39]，这一发现或许对该类化合物的应用提供新的研究方向。同时，异 唑啉类杀虫剂的机制和靶标位点也需进一步研究，这将对该类化合物的构建及发展提供重要参考依据。