回顧鄰甲酰氨基苯甲酰胺殺蟲劑：氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺的發現和先導物優化

王昌釗，付騁宇 編譯

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回顧鄰甲酰氨基苯甲酰胺殺蟲劑：氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺的發現和先導物優化

王昌釗，付騁宇 編譯

(陜西出入境檢驗檢疫局，西安 710068)

鈣離子通道在肌肉收縮時發揮著重要作用，是防治昆蟲的有吸引力的細胞靶標。魚尼汀受體是非電壓門控鈣離子通道，可以調節細胞內鈣離子庫釋放鈣，是肌肉細胞正常工作所必須的。此受體名字來源于植物代謝物魚尼汀(提取于南美殺蟲植物尼亞那)，魚尼汀控制部分開放狀態通道影響鈣離子的釋放。

筆者曾經報道了合成的鄰甲酰氨基苯甲酰胺類魚尼汀受體調節劑的發現，通過優化先導物首先得到了商業化的氯蟲苯甲酰胺(1a, rynaxypyr?)，隨后引入第2個商業化的產品溴氰蟲酰胺(1b, cyazypyrTM) (圖1)。

圖1 天然產物魚尼汀和商業合成的雙酰胺殺蟲劑

氯蟲苯甲酰胺是優秀的鱗翅目昆蟲防治劑，溴氰蟲酰胺由于具有內吸性、廣譜活性，對多種昆蟲有效。鄰甲酰氨基苯甲酰胺結合于不同于魚尼汀的受體位點，對昆蟲魚尼汀受體具有高度選擇性，對哺乳動物的毒性低。盡管和商業化的鄰苯二甲酰胺殺蟲劑氟蟲雙酰胺都作用于魚尼汀受體，但是鄰甲酰氨基苯甲酰胺類結構與其顯著不同。

本文回顧了鄰甲酰氨基苯甲酰胺類殺蟲劑的發現，并詳細介紹了先導物優化發現氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺的過程。

1 先導物的發現

1999年日本Nihon Nohyaku公司專利申請公布了鄰苯二甲酰胺類，例如化合物2對鱗翅類昆蟲具有活性(圖2)。作為殺蟲劑其結構非常獨特，作用機制未知。化合物2的烷基酰胺的鄰位取代((R為鹵素、甲基、硝基等))，被認為是化合物具有殺蟲活性的關鍵因素。

圖2 以鄰苯二甲酰胺殺蟲劑為先導物合成鄰甲酰氨基苯甲酰胺

以鄰苯二甲酰胺2為起點，杜邦公司將芳基酰胺翻轉得到鄰甲酰氨基苯甲酰胺3(R為鹵素或甲基)，對鱗翅目昆蟲活性卻降低幾個數量級(圖2)。然而，鄰甲酰氨基苯甲酰胺3的烷基酰胺鄰位的R基團遷移至反向的芳酰胺鄰位的苯基(從化合物2的第2次結構變化)，生成異構體化合物4，該化合物在50~100 mg/L對小菜蛾有活性(圖2)。有趣的是，翻轉烷基酰胺(代替芳基酰胺)，得到烷基酰胺(5)或芳基酰胺(6)鄰位為R的鄰甲酰氨基苯甲酰胺沒有活性(圖3)。同樣，反轉鄰苯二甲酰胺的兩種酰胺得到烷基酰胺(7)或芳基酰胺(8)鄰位為R的phenylene diamides也沒有活性(圖3)。因此，化合物的活性結構更加明確了。在包括鄰苯二甲酰胺、鄰甲酰氨基苯甲酰胺和phenylene diamides(其中R基團與烷基或芳基酰胺相鄰)的8種可能的結構化合物中，只有2種有顯著藥效。Nihon Nohyaku公司對鄰苯二甲酰胺類化合物2的優化開發了氟乙酰胺，杜邦公司對鄰甲酰氨基苯甲酰胺類化合物4進行優化最終開發出氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺。

圖3 鄰甲酰氨基苯甲酰胺先導結構的變型

2 合成方法

圖4為了發現苗頭化合物而開發的合成多種鄰甲酰氨基苯甲酰胺類化合物的2條早期路線。在堿性條件下，鄰氨基苯甲酰胺9和芳基酰氯或雜芳基酰氯反應易生成鄰甲酰氨基苯甲酰胺類化合物，但產率中等。有時會通過以下途徑提高目標化合物收率，在吡啶中靛紅酸酐11和芳基酰氯或雜芳基酰氯反應生成苯并噁嗪酮12，然后該化合物和胺發生開環反應從而得到雙酰胺10。

之后開發了合成取代鄰氨基苯甲酰胺的路線，即-芳基吡唑和-吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺等(圖5)。取代的吡唑酸13與鄰氨基苯甲酸14在甲磺酰氯介導下發生環化反應生成吡唑-苯并噁嗪酮15，它與胺發生開環反應生成鄰甲酰氨基苯甲酰胺16。用此方法可獲得各種取代類似物。

圖4 早期合成鄰甲酰氨基苯甲酰胺的2條路線

圖5 后一種合成N-芳基吡唑和N-吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺的路線

最初在鈀催化條件下4-碘鄰甲酰氨基苯甲酰胺17與氰化物發生交叉偶聯反應，在鄰氨基苯甲酰胺環上引入氰基，生成氰基鄰氨基苯甲酰胺18，但一般收率較低(圖6)。更可行的合成多種氰基類似物的路線為，碘代苯并噁嗪酮19與氰化物發生交叉偶聯反應生成氰基苯并噁嗪 20，化合物20再與胺發生開環反應生成雙酰胺18(圖7)。

為了滿足生物測定需要，需要合成更多的氰基鄰氨基苯甲酰胺。在羅森蒙德馮布勞恩條件下，4-碘-6-甲基鄰氨基苯甲酸(21)轉換為4-氰基-6-甲基鄰氨基苯甲酸(22)(圖8)。用雙光氣處理22得到靛紅酸酐23，化合物23再與-吡啶吡唑酰氯24發生環化反應生成目標物氰基苯并噁嗪酮 20(其中R4為甲基)，其是化合物18的前體。

3 結 果

3.1 優化得到氯蟲苯甲酰胺

以先導化合物6a為起點，合成了許多含有芳基酰胺片段的雜環物。圖9－11為這些化合物對3種鱗翅目昆蟲[小菜蛾()、草地貪夜蛾()和煙芽夜蛾()]的活性。化合物26和27分別含有吡啶和嘧啶基團，它們的活性高于6a。具有相似取代的-烷基吡唑雙酰胺類化合物28－30的活性有了進一步提高。-苯基吡唑酰胺31的活性略低于-烷基取代類似物，但仍保持較高的活性。氯取代這些類似物苯環上與芳基酰胺相鄰的甲基后，化合物的活性有較高的提高。

圖6 鈀介導的碘代鄰甲酰氨基苯甲酰胺和氰化物發生交叉偶聯反應

圖7 碘代苯并噁嗪酮與氰化物發生交叉偶聯反應生成氰基鄰氨基苯甲酰胺的路線

圖8 以4-碘-6-甲基鄰氨基苯甲酸合成氰基苯并噁嗪酮的路線

圖9 先導物6a的雜環酰胺物對鱗翅目昆蟲的活性

為了提高化合物31的活性，在-苯環上進行了各種取代以及對-苯基進行雜環取代研究。圖10為一系列-芳基吡唑和-吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺類對以上3種鱗翅目昆蟲的LC50活性指標。在吡唑--苯環的2位引入氯后，化合物32活性顯著增強，其LC50接近1 mg/L。另一方面，3位或4位被氯取代，分別生成了化合物33或34，它們的活性降低了。-苯基鄰位被其他鹵素取代的化合物活性和化合物32相近，但甲基取代物活性下降。化合物32的2-氯苯環基被電子等排的-氯吡啶基取代的化合物35的活性大幅增加，其LC50為0.2 mg/L。隨后又有重大發現，即在鄰氨基苯甲酰胺環的4-位引入溴，所得的化合物36活性顯著增強，其LC50為0.2 mg/L，比化合物32的活性提高2個數量級。另一方面，4-位被甲基取代的化合物37的活性稍低于35。4-位為吸電子基團時化合物的活性增加，但原因尚不明確。化合物35的吡啶基團被其他雜環取代，如嘧啶、吡唑、異噻唑和異噁唑，通常會使化合物活性降低。

化合物36高的活性，促使筆者對-吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺類骨架進行深入的取代研究，更好地理解優先取代模式。許多其他烷基酰胺取代異丙基酰胺后，化合物仍具有高活性。鹵素取代酰胺吡唑環上的三氟甲基所產生的類似物也有高的活性，鄰氨基苯甲酰胺環的4位或6位被鹵素取代也可行。圖11為6個“完全優化”的雙酰胺(38－42和1a)對鱗翅目昆蟲的LC50。多個溫室和田間評價結果顯示甲基取代異丙基，或鹵素(即溴或氯)取代吡唑環上的三氟甲基，取代前后化合物的防效相近。1a (氯蟲苯甲酰胺)在田間低劑量施用對鱗翅目和其他咀嚼類昆蟲均有穩定的、很高的防效，且對環境友好和毒理低，因此被選中進行商業開發。

圖10 N-芳基吡唑和N-吡啶吡唑雙酰胺對鱗翅目昆蟲的活性

圖11 6個完全優化的鄰甲酰氨基苯甲酰胺對鱗翅目昆蟲的活性

在充分優化化合物對鱗翅目昆蟲的活性時，重點對化合物分子的雜環二芳基酰胺的環進行了修飾，發現了許多其他化學類型的雙酰胺。其中一些化學類型的化合物，具有一些讓人意想不到的構-效關系。例如，化合物43、44和45中分別含有苯基吡啶、吡啶基嘧啶和吡啶吡唑酰胺片段(圖12)，對鱗翅目昆蟲的生物活性水平接近于相對應的-芳基和-吡啶吡唑酰胺。與以前類似物的雜環二芳環通過C-N鍵相連不同，這些雙酰胺的雜環二芳環通過C-C鍵連接。無論以C-N連接、還是C-C連接的雜環二芳基，橋鍵鄰位氯取代使環扭曲對優化活性重要。

圖12 其他化學類型的高活性的鄰甲酰氨基苯甲酰胺

3.2 氰蟲酰胺的優化

雖然鄰甲酰氨基苯甲酰胺類對半翅目昆蟲魚尼汀受體有活性，但通常對刺吸式昆蟲不太有效。然而，在優化過程中驚喜地發現二氯鄰甲酰氨基苯甲酰胺46(圖13)對桃蚜卻有很強的觸殺活性。其油水分配系數log高達2.9(HPLC，pH=7)，內吸活性有限，高的觸殺活性促使人們探尋具有較低log的衍生物，這些物質可能更易被植物吸收和運轉。

為了增加對半翅目昆蟲的活性，隨后研究了log略低的氟取代的鄰甲酰氨基苯甲酰胺，但發現此類物質對蚜蟲的活性并未明顯提高，其內吸性仍然有限。其后又探索研究了一組鄰甲酰氨基苯甲羧基環的極性基團取代，其中重點為氰基取代優化。

圖13中列出了4-氰基鄰氨基苯甲酰胺系列對棉蚜的LC50，以及LC50分別為0.9和2.5 mg/L的二氯鄰氨基苯甲酰胺先導物46和6-氯-4-氟鄰氨基苯甲酰胺化合物47。化合物46的苯基-4位氯(R3為Cl)被氰基取代得到化合物48(R3為CN)，導致活性略有降低(LC50=1.6 mg/L)，而化合物46的苯基6-位氯(R4為Cl)被氰基取代則得到化合物49(其中R4為CN)，活性大幅降低(LC50≥250 mg/L)。

圖13 鄰甲酰氨基苯甲酰胺對棉蚜的活性

上述結果打消了人們進一步研究氰基取代的興趣，但也對氯蟲苯甲酰胺化合物(1a)的苯基4-位氯進行氰基取代，得到了化合物1b，對棉蚜的LC50由氯蟲苯甲酰胺(1a)的12.4 mg/L變為化合物1b的0.4 mg/L (圖13)。此結果讓人非常意外但欣喜。分別以三氟甲基、氯和甲氧基取代化合物1b吡唑環上的溴基得到類似物50、51和52，它們也有活性但LC50稍有提高，分別為1.3，1.9和>2 mg/L。化合物1b的LC log(pH 7)為2.6，而化合物50和51的LC log分別為2.7和2.2，利用MEDCHEM計算的化合物52的log為1.8。雖然較低的油水分配系數有利于改善化合物在植物體內的運轉水平，但這并沒有使化合物51或52對蚜蟲的防效高于化合物1b。

圖14中列出了其他一些氰基類似物的抗棉蚜活性。Log為 3.6的異丙基酰胺53和LC Log為2.3的伯酰胺54，其活性都低于甲基酰胺化合物1b。吡唑上溴(化合物55)被氰基取代或吡啶上氯(化合物56)被氰基取代均導致生物活性大幅降低。化合物1b吡啶上的氯被氟取代，得到親脂性略低的化合物57，其LC50為3.7 mg/L，略高于化合物1b的0.4 mg/L。

圖14 其他氰基鄰甲酰氨基苯甲酰胺對棉蚜的活性

此外，筆者還積極探索了化合物1b苯環的雜環替代，以試圖進一步降低化合物的油水分配系數來提高內吸性。以圖15中的二氯吡啶58(先導物46的吡啶基電子等排體，對蚜蟲有活性；LC log為2.5)、氰基吡啶雙酰胺59(化合物1b吡啶基電子等排體，LC log為2.2)和二甲基嘧啶雙酰胺60(無腈基；LC log P為2.4)為例，它們對蚜蟲均有活性，對棉蚜的LC50較低，分別為50、30、7mg/L。

圖15 吡啶和嘧啶雙酰胺對棉蚜的活性

還進行了用其他各種極性基團(包括硝基、CONH2,CO2CH3, OCH3, N3, CHO, CH2OH, SCN, NH2, NHAc, NHCHO, SO2CH3,SO2N(CH3)2, CH = NOH, CO2H和CSNH)取代1b 4-位氰基的研究。除硫代酰胺(CSNH2)外，其他基團都會導致殺蟲活性降低。硫代酰胺基團可能為氰基的存在形式，其活性與化合物1b相近。

在搖瓶測試中，測得化合物1b的logow為1.9 (pH 7, 22℃)，顯著低于高效液相色譜測得的log(2.6)，并比氯蟲苯甲酰胺(1a)(油水分配系數2.9)低一個對數單位。化合物1b較低的油水分配系數使其在水中的溶解度較大，為15 mg/L，而化合物1a為2 mg/L (20 ℃)，與化合物1a相比化合物1b在植物體內的遷移性能提升了。在室內和溫室試驗中，化合物1b與油水分配系數大和小的類似物相比，對刺吸式口器和咀嚼式口器昆蟲的活性高。已證實化合物1b對蚜蟲、葉蟬、粉虱、食葉甲蟲、潛葉蠅、實蠅、木虱、象鼻蟲和毛毛蟲等多種害蟲具有廣譜的田間活性，用量依害蟲種類不同而不同，為10~200 g/hm2。化合物1b葉面施用后在葉中具有優異的遷移性能，土壤應用后被根部吸收向上轉移，迅速地使昆蟲停止取食，從而保護植物。

對葉背被粉虱若蟲侵染的番茄葉正面進行噴施1b，劑量為50 mg/L時具有優異的跨層防效，化合物也可從葉基部移動到葉尖。把碳14標記的化合物1b用于番茄植株的莖，可被植物莖組織吸收，并向上和向下遷移到相鄰的葉片。

3.3 活性

測定了鄰甲酰氨基苯甲酰胺類化合物對昆蟲魚尼汀受體重組型[包括Sf9細胞中鱗翅目(煙芽夜蛾)與半翅目(桃蚜-玉米飛虱嵌合體)型]的活性。在這些重組細胞系中，雙酰胺通過電壓門控通道刺激鈣離子響應。植物生物堿魚尼汀只在激活通道后使魚尼汀受體通道保持開放，與此不同的是，雙酰胺既可在關閉狀態又可在開放狀態激活魚尼丁受體通道，導致鈣離子庫耗竭。

氯蟲苯甲酰胺(1a)刺激鱗翅目和半翅目昆蟲受體類型魚尼汀受體介導的鈣離子釋放，EC50為0.04~0.05 μM。二氯鄰甲酰氨基苯甲酰胺類先導化合物31對半翅目昆蟲也有相似的活性，EC50為0.06~0.10 μM，而1b (溴氰蟲酰胺)對半翅目的活性稍低，EC50為0.09~0.25 μM。相對于哺乳動物的魚尼汀受體而言，化合物1a和1b的活性很低，表明它們對昆蟲和哺乳動物靶標點選擇性不同。

4 結 論

通過回顧鄰甲酰氨基苯甲酰胺類殺蟲劑，介紹了此類殺蟲劑的發現和優化開發2個產品的經驗。在合成鄰苯二甲酰胺殺蟲劑的競爭性專利申請中，成功地應用了酰胺翻轉策略。化學優化得到了與鄰苯二甲酰胺的構效關系具有顯著差異的更好的先導物。經過一系列合成突破，最終合成了吡啶吡唑鄰甲酰氨基苯甲酰胺，與已有殺蟲劑類相比，對鱗翅類昆蟲具有前所未有的活性。

表1 氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺對不同目害蟲的活性

注：LC50代表死亡率，置信區間小于或等于計算值的50%。

商業開發的第1個候選產品氯蟲苯甲酰胺(1a)，商品名Rynaxypyr?，用于防治多種鱗翅目和其他咀嚼式口器昆蟲。其對許多鱗翅目害蟲幼蟲的活性高于現有的商業產品茚蟲威和氯氰菊酯。田間用量為10~100 g/hm2，具體依昆蟲種類不同而不同。雖然氯蟲苯甲酰胺對半翅目昆蟲有活性，但對刺吸式口器昆蟲不太有效。因此，對對蚜蟲有觸殺活性的二氯鄰甲酰氨基苯甲酰先導化合物進行了優化，發現了內吸活性增加的氰基取代酰胺。由此確定和開發了第2個候選產品溴氰蟲酰胺(1b)，其商品名Cyazypyr?。溴氰蟲酰胺對咀嚼式口器(即鱗翅目)和刺吸式口器(即半翅目)等多個目的昆蟲有優異活性。其葉面噴霧逐漸進入葉組織，隨后跨層轉移能防治未處理的葉背害蟲。表1列出了氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺對不同害蟲的活性。

氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺葉面噴施對昆蟲有優異的防治，而這兩個產品的物理特性也使其可通過植物木質部向上遷移，故可施用于根區土壤或處理種子。一般，葉面應用時，不能通過韌皮部遷移。

1a和1b都是IRAC(殺蟲劑抗性行動委員會)第28組作用機制(阿諾定受體調節劑)的成員，作為一種害蟲管理工具，為全球的種植者帶來了巨大的收益。迄今為止，鄰甲酰氨基苯甲酰胺類殺蟲劑的年銷售額超過了10億美元，用于防治鱗翅目、雙翅目潛葉蠅、果蠅、甲蟲、粉虱、薊馬、蚜蟲、葉蟬，木虱和象鼻蟲等多種害蟲。

10.16201/j.cnki.cn31-1827/tq.2017.05.04

TQ450

A

1009-6485(2017)05-0022-06

王昌釗(1979—)，男，山東棗莊人，高級工程師，碩士，從事進出口商品檢驗和檢測工作。E-mail: wangcz@snciq.gov.cn。

2017-10-10。