磺酰脲类除草剂的研究进展

杨 森，吴 勇，刘洪明

（毕节职业技术学院，贵州毕节 551700）

磺酰脲类除草剂是一类作用独特的除草剂，该种除草剂的开发和使用量仅次于氨基酸类除草剂，第一个磺酰脲类除草剂氯磺隆是1978年由美国杜邦公司研制成功[1]，经过40年的发展，对其结构改造与修饰后开发出了一系列新品种。我国具有自主知识产权的高效磺酰脲类除草剂是南开大学研发的单嘧磺隆和湖南化工研究院开发的甲硫嘧磺隆[2]，可用于防治各种阔叶杂草和禾本科杂草，是一类高效低毒、高选择性和环境友好的除草剂[3]。近几年由于其他除草剂突出的环境问题，磺酰脲类除草剂迅速发展，每年以2%～3%的增长率在发展[4-5]，近20年来年销售额来达30.1亿美元，占全球除草剂销售额的5.9%。随后，磺酰脲类除草剂安全剂应运而生，为磺酰脲类除草剂的开发研究注入了新的活力，它是一类具有独特性质的化学物质，又被称为解毒剂或保护剂[6-7]。为此，笔者根据多年从事农药的研究工作经验，对磺酰脲类除草剂的应用状况、理化性质、合成方法、药剂特性、作用机理、降解方式、残留检测方法以及在实际运用中存在的问题等进行了阐述，秉承以“生态为根、农艺为本、生物农药和化学农药防控为辅”的植保新理念，为今后开发高效、低毒、低残留和对环境友好的磺酰脲类除草剂提供参考，最后对磺酰脲类除草剂的研发方向提出了指导性建议。

1 磺酰脲类除草剂应用状况

1.1 磺酰脲类除草剂的应用现状

当前，在所有类型的除草剂中，磺酰脲类除草剂是全世界使用量最大的一类除草剂，磺酰脲类除草剂发展迅猛，2010—2017年，年增长率为13.5%，市场销量仅次于氨基酸类除草剂，2007年酰胺类除草剂的销售金额高达20多亿美元，占全球市场的11%，每年以2%的增长速度在发展，在全世界农药市场上占有重要地位[8-9]。其中，美国是使用磺酰脲类除草剂数量和种类最多的国家，其次是中国、欧洲国家和日本[5]。

我国是磺酰脲类除草剂的使用大国，截至2017年，先后有53个磺酰脲类除草剂有效成分获得登记，登记单剂单位达620家，混剂登记单位达685家，登记产品最多的有效成分是苯磺隆。目前，主要有苯磺隆、氯磺隆等15个品种实现了国产化。这些除草剂被广泛用于水稻田、大豆田、玉米田、小麦田和棉花田和非耕地等，为我国农作物的增产、增收做出了巨大贡献。在地域划分上，该类除草剂在长江流域和黄淮流域的使用量较大，替代了传统高毒除草剂2,4-滴、2甲4氯等的使用，该类除草剂的出现，大大提高了粮食的增收途径，扩大了农药的研究领域。

1.2 磺酰脲类除草剂的研发概况

1966年，化学家从三氮苯类化合物扑灭津的衍生化合物1（图1）入手，从结构上推想出了应该具有生长调节活性的磺酰脲类化合物2。1975年，George制备出了化合物3，并利用大田试验证实了该化合物具有极强的除草活性。之后，杜邦公司运用磺酰脲类化合物4-氰基苯基苯磺酰脲对其作为先导化合物进行结构修饰和优化后，将4-氰基苯基改为4,6-二取代嘧啶基，合成了化合物4,6-二取代嘧啶苯磺酰脲，后来将前者的苯基用甲基取代后得到的产物2-甲基取代的化合物活性最强。于是在1982年第一个磺酰脲类除草剂绿磺隆（图2）商品化后，瑞士汽巴-嘉基、日本的石原产业、德国拜尔等对该类除草剂进行了研制并开发，至今已开发出近50种磺酰脲类除草剂。目前，世界范围内已有25个磺酰脲类除草剂登记用于农业中[10]。我国南开大学李正名院士经过十几年的研究，创制了单嘧磺隆、单嘧磺酯2个超高活性的单取代磺酰脲类除草剂。其中单嘧磺隆是稻谷田专用除草剂，单嘧磺酯多用于小麦田、玉米田防治阔叶杂草[11-12]。

图2 绿磺隆结构式

1.3 磺酰脲类除草剂的品种简介

由图3可知，磺酰脲类除草剂由3个部分组成：芳基、脲桥和杂环部分[13]，每一部分对除草机理的贡献不可或缺。据研究表明，在芳基部分邻位如果是吸电子基团则活性增强，而如果是带有酸性质子则（—COOH、—OH）活性大大降低；杂环部分为嘧啶-2基或1,3,5-三嗪-2基时除草活性高，杂环上4和6位上有碳原子数上的烷基时表现出最大活性；脲桥部分经“结构修饰”后也可表现出活性，但活性的总体要综合芳基和杂环部分来考虑[14]。

图3 磺酰脲类除草剂结构通式

当前开发出的磺酰脲类除草剂有50余种，现以应用作物和防治对象为研究内容，总结出20种应用前景好的该类除草剂品种[15]，详见表1。

磺酰脲类除草剂除了表1所列以外，还有环丙嘧磺隆等品种，表格中的除草剂均具有环保、高效等特点，使用时能达到降本、省时、省工的作用。甲基二磺隆与其他药剂如氟唑磺隆同类型混配后能扩大杀草谱，烟嘧磺隆与莠去津混用后能用于防治玉米田杂草，且持效期长。据南开大学的研究发现，上述20种磺酰脲类除草剂在进行结构优化或修饰后具有不可估量的开发应用前景[15]。

表1 20种具有前瞻性的磺酰脲类除草剂

2 磺酰脲类除草剂理化性质、药剂特性以及合成方法

2.1 磺酰脲类除草剂理化性质

物理性质方面：磺酰脲类除草剂属于非挥发性弱酸，pKa值在3～5之间，酸性来源主要是磺酰基中氮上氢原子的电离导致，在水中溶解度随pH值增大而加大。

化学性质方面：据相关文献报道，磺酰脲类除草剂主要发生水解和离子化2类反应（图4），水解反应是桥断裂形成磺胺、杂环胺和二氧化碳，水解反应遵循一级动力学定律[17-18]。孙定光等[18]采用量子化学方法对3种磺酰脲类除草剂水解反应机理进行了理论研究，对3种条件讨论后选择酸性条件为最佳条件，水解反应按照Arrhelius公式进行[19-20]。在碱性条件下离子化反应形成稳定的盐。

图4 磺酰脲类除草剂的水解和离子化

2.2 磺酰脲类除草剂特点

磺酰脲类除草剂表现出的除草活性极高，选择性强，用量极低（一般用量仅为2～75 g/hm2），由表1可知，每个品种适用的作物有所不同，但都对作物表现出高度安全性，对杂草高效，在使用上方便，可用土壤处理，也可用于茎叶处理，容易在土壤中发生化学水解和微生物降解。由于该类除草剂主要作用于氨基酸的生物合成作用靶标，而动物体内刚好缺乏该类氨基酸（缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸），因而对人畜安全。烟嘧磺隆、砜嘧磺隆、噻吩磺隆等除草剂是细胞周期的特殊除草剂，不影响细胞生长，也不影响种子出土发芽。

2.3 磺酰脲类除草剂合成方法

由于磺酰脲类除草剂化学结构特点，在化学合成上，该类除草剂的合成一般以芳基磺酰胺为起始原料，再与杂环中含有嘧啶环的化合物进行缩合反应，先合成嘧啶磺酰脲类除草剂，再合成一系列磺酰脲类除草剂。当前该类除草剂的合成方法主要有以下4种。

2.3.1 氨基甲酸酯法

该种合成法是先合成芳磺酰氨基甲酸酯后再与杂环胺类化合物进行磺酰化反应制备磺酰脲除草剂，如啶嘧磺隆[21-22]、烟嘧磺隆[23]、类单嘧磺隆[24]等均采用图5中a路线合成。也可以先合成杂环酰胺甲酸酯，如单嘧磺隆[25]、氯酮磺隆[26-27]等的合成，再制备磺酰脲除草剂（b路线）。该种合成方法合成路线较长，应用范围较为狭窄，但具有反应条件温和的特点。

图5 氨基甲酸酯法的合成路线

2.3.2 异氰酸酯法

该种合成法可以先合成芳磺酰基异氰酸酯，然后再合成目标产物，如甲硫嘧磺隆[28]、苯磺隆[29-30]等均采用图6中c路线，也可先合成芳基磺胺，再与杂环进行酰基化反应得目标物，如氟嘧磺隆[31]的合成采用d路线。该方法的应用范围较为广泛，但存在在生产过程中污染较大的缺点。

图6 异氰酸酯法的合成路线

2.3.3 光气法

该种合成法首先与光气或者草酰氯反应生成磺酰基异氰酸酯后再与嘧啶杂环胺进行反应生成目标物[32-33]（图7）。光气法是早期异氰酸酯的主要生产工艺，由于光气常温下为气态，挥发度高，剧毒，国家禁止运输，其定点生产也受到严格控制，因此其制备、储存、运输都比较困难，给磺酰脲类除草剂的开发与生产带来很大限制。

图7 光气法的合成路线

2.3.4 三光气法

赵邦斌等[34]采用三光气法（BTC法）合成噻磺隆和苯磺隆，该方法具有替代剧毒光气的优点；童国通等[35]发现，用图8中的合成路线，成功利用三光气实现了光气的替代，获得较好的试验结果。

图8 童国通等合成路线

3 磺酰脲类除草剂作用机理及降解方式

3.1 磺酰脲类除草剂作用机理

磺酰脲类除草剂属于内吸传导型选择性除草剂，作用靶标为植物体内的乙酰乳酸合成酶（ALS）/乙酸羧酸合成酶（AHAS），通过植物的根、叶吸收，在植物体内双向传导，抑制支链氨基酸缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸的生物合成，底物α-丁酮大量积累，细胞在分裂时DNA合成受阻，支链氨基酸的合成不能正常进行，细胞分裂不能正常进行[36]，抑制了ALS/AHAS的活性从而导致植物死亡。其中，氨基酸合成的3种必须酶的缺失或者表达受到抑制，破坏蛋白质的合成，使得植物细胞的有丝分裂停止运作而使得杂草死亡。Stoynova等[37]认为嘧啶磺酰脲类除草剂是在嘧啶环间隔的第2个键和第3个键与ALS产生的中间产物结合，导致ALS酶失去活性，从而使杂草死亡。

3.2 磺酰脲类除草剂降解方式

3.2.1 磺酰脲类除草剂的光解

磺酰脲类除草剂的光解主要是水溶性光分解，而光分解只作用于土壤表面，光解的产物主要是脲桥断裂后形成。Choudhury等[38]对氯嘧磺隆在土壤中的光解研究表明，氯嘧磺隆经过脱氯后水解，通过环化作用而使脲桥断裂发挥作用。司友斌等[39]用薄层色谱法研究了氯磺隆、氯嘧磺隆等4种磺酰脲类除草剂在氙灯下的光解动力学，结果这4种除草剂在硅胶G表面的降解呈一级动力学反应。

3.2.2 磺酰脲类除草剂的化学水解

磺酰脲类除草剂的化学水解主要是图9所示的酰脲键断裂，生成磺胺和杂环胺类化合物[40-41]。例如，苯磺隆由于桥键上有N-甲基取代，在pH值为5～7的范围发生酸催化裂解，于5℃下，N-脱甲基化产物速度比甲磺隆快15～110倍，使得取代反应速度更加明显，产物更易得到[42-43]。大量试验证实，所有的磺酰脲类除草剂在弱碱性溶液中均为脲桥键裂解[44]。欧晓明等[45]对三大类磺酰脲类除草剂的化学水解机理进行了研究，并对该类除草剂在水体中的环境行为及归趋进行了探讨，这对指导科学合理使用、保护作物和生态具有重要意义。

图9 磺酰脲类除草剂的化学水解

3.2.3 磺酰脲类除草剂的微生物降解

降解磺酰脲类除草剂的土壤微生物主要是细菌、放线菌和真菌，参与磺酰脲类除草剂降解的微生物主要有放线菌、细菌、真菌（表2）[46]。2015年,田爽、肖艳松等[47-48]对氟磺胺草醚降解菌降解特性做了深入研究，并鉴定了降解菌的特性，微生物的降解途径主要有非酶促方式与酶促方式，王茜等[49]对磺酰脲类除草剂的生物降解通路进行了综述，提出了该类除草剂中有10个品种对其结构修饰后会是占领市场的重要品种。相关研究还对磺酰脲类除草剂影响的降解因素（pH值[50-54]、微生物的数量[45,55]、化合物结构[56-59]、温度[60-61]、湿度[62]等）进行了全面的考虑，对研究降解途径和方式起到了重要的指导作用。

表2 可降解磺酰脲类除草剂的微生物种类

4 磺酰脲类除草剂残留检测方法

4.1 高效液相色谱法

HPLC法是测定磺酰脲类除草剂最为常用的分析方法，具有重现性好的优点。夏虹等[63]采用反相高效液相色谱法（RP-HPLC-DAD）测定了水和土壤中3种磺酰脲类除草剂，在0.1～10.0 mg/L范围内线性关系良好。该方法可用于稻田土和水的磺酰脲类除草剂的含量测定。祁彦等[64]通过对色谱条件的优化，分析了大豆中10种磺酰脲类除草剂多残留的RP-HPLC方法，检出限为20μg/kg，但由于该类除草剂在土壤中的残留量极低，因此运用该方法存在灵敏度相对较低的缺陷。

4.2 高效液相色谱-质谱联用法

陈国峰等[65]运用HPLC-MS/MS测定了环境中烟嘧磺隆的残留量，在0.01～1 mg/L浓度范围内线性良好，相关系数为0.999 9，最低检出浓度为0.01 mg/kg。刘慧慧等[66]运用超高效液相色谱-串联质谱法（SPE-UPLC-MS/MS）测定了水产品中13种磺酰脲类除草剂残留量，在5.0～100.0μg/L浓度范围内线性良好，相关系数均大于0.995，检出限为1.0 μg/kg，定量限为2.0μg/kg。该方法具有高效、经济、准确、灵敏等优点，可适用于水产品中多种磺酰脲类除草剂的定量分析。

4.3 荧光分析法

荧光分析法（PCF）具有高灵敏度、高选择性、信息丰富等优点，但由于磺酰脲类除草剂自身所含基团对荧光光谱有吸收，导致荧光减弱甚至熄灭。黄小青等[67]运用荧光分析法测定了水样中磺酰脲类除草剂苄嘧磺隆的含量，在0～151μg/L范围内与其荧光强度呈良好的线性关系，检测限为0.8μg/L。

除了上述分析方法以外，对于磺酰脲类除草剂的残留检测还有气相色谱法（GC）、毛细管电泳法（CE）等，各种方法的适用类型不一，各有特点。各类仪器分析方法的检测方法、可测样品、检出限、相对标准偏差（RSD）等总结如表3。

表3 磺酰脲类除草剂残留的检测方法、回收率、检出限及相对标准偏差

5 磺酰脲类除草剂应用中存在的问题

在磺酰脲类除草剂刚开发出来的5年内，美国爱达荷州的冬小麦田中就出现了使用氯磺隆和甲磺隆混剂时杂草刺莴苣产生抗药性的现象[80]。虽然磺酰脲类除草剂是开发前景比较乐观的除草剂品种，但在当前，由于磺酰脲类除草剂的作用方式多样化，施用后在土壤、环境行为方面和应用过程中仍然存在一定的问题，主要表现在以下几个方面。

5.1 产生抗药性

磺酰脲类除草剂产生抗性可大致分为由于靶标ALS基因突变和非靶标抗性2种情况[3]，通过诱导基因突变或者杂草吸收除草剂后在体内解毒导致除草活性丧失，限制除草剂达到作用点。通常认为，磺酰脲类除草剂的交互抗性类型不可预测[81]。叶照春等[82]研究了贵州省4个市州，9个乡镇的磺酰脲类除草剂苄嘧磺隆、吡嘧磺隆对稻田杂草眼子菜的防效。结果表明，苄嘧磺隆、吡嘧磺隆之间存在交互抗性。因此，抗性问题已成为发展磺酰脲类除草剂的一大障碍。

5.2 磺酰脲类除草剂的长残留危害

磺酰脲类除草剂中的某些品种对后茬作物存在长残留危害，究其原因是该类除草剂不易挥发，且不易光解，施用于土壤后期时，其消解半衰期随土壤中pH值的增加而残效延长，而在土壤中的降解是通过水解和微生物共同作用的结果[52,83]。研究证实，在碱性土壤中发生化学水解作用最慢，这将会导致1%～20%的除草剂长时间残留在土壤中，残留影响可持续2～3年[84]。

5.3 磺酰脲类除草剂合成研究出现瓶颈

由于该类除草剂的开发研究近40年，根据磺酰脲类除草剂的结构进行推断后，大量研究者对其脲桥进行修饰开发出的品种相对较少，而对于芳环的研究存在空间位阻的现象，在杂环中引入基团存在困难，因而，近几年来，要开发出一种高效、低毒、低残留的环境友好型品种的进度较慢。

6 磺酰脲类除草剂发展前景

针对磺酰脲类除草剂的应用问题，经过大量文献参考总结出在开发新产品时，要注重产品的安全性和实用技术，主要做法：一是遏制部分品种的盲目重复建设，加快新品研究与开发；二是强化科学应用技术；三是加快主要中间体的合成技术进展；四是加强磺酰脲类除草剂的特性，如在土壤中的吸附、解吸、降解行为，加强在作物、动物体内的迁移转化等方面进行研究。在合成新药剂方面，可注重新剂型的研究与开发，如将粉剂开发成颗粒剂、干悬浮剂以及无芳烃类溶剂的微乳剂等，这不仅可以降低毒性，还可以减少除草剂施用过程中的飘移问题。此外，混配使用还可以延缓抗性。

尽管磺酰脲类除草剂存在产生药害、长残效期，发展滞后等问题，但在今后，磺酰脲类除草剂发展趋势将朝高效、低毒、环境特性友好、高层次和多元化的方向发展，当前该类除草剂的作用机理是对作用靶标或解毒酶促基因的引入，因此，在种植抗除草剂转基因作物是一条解决除草剂残留药害的较好途径。另外，加强植物油型喷雾助剂的开发也是提高磺酰脲类除草剂药效的有效措施[85]。随着科学技术的不断发展，农药管理制度的加强，磺酰脲类“超高效”除草剂将会是该类除草剂发展的一个里程碑。通过对磺酰脲类除草剂作用机制的研究，以乙酰乳酸合成酶为靶标，追求“低污染、低成本、低毒、低残留”四低目标，设计开发新型超高效磺酰脲类除草剂将会有十分广阔的发展前景。