異 唑啉類商品化殺蟲劑的發展沿革與合成

冀經倫，吳旭杰，陳士慧，張 靜，2，高一星，2*，張立新，2*

（1.沈陽化工大學功能分子研究所，遼寧省綠色功能分子設計與開發重點實驗室，沈陽市靶向農藥重點實驗室，沈陽110142；2.廣西思鉞生物科技有限責任公司，南寧 530000）

目前，已超過300種殺蟲劑流向市場，每十年都會引入至少一個新的化學結構類別，如有機磷、氨基甲酸酯、有機氯、擬除蟲菊酯和新煙堿等[1]。傳統化學農藥因存在高殘留、高抗性、高毒性等問題被限制或者禁止使用。如何開發高活性、高選擇性、低風險、無殘留的產品已成為綠色農藥的發展方向[2]。隨著研究人員對化學功能分子、作用機理和抗性機制不斷深入研究，以氟雷拉納（fluralaner）為代表的異 唑啉（isoxazoline）類殺蟲劑被成功研制。

異 唑啉類殺蟲劑的化學結構新穎、殺蟲譜廣、作用位點獨特，無交叉抗性等特點引起了業內廣泛的關注。此類殺蟲劑對鱗翅目、半翅目、纓翅目、蜱螨目等害蟲具有良好的殺蟲效果。其作為非競爭性拮抗劑（NCAs）作用于昆蟲γ-氨基丁酸（GABA）受體，抑制其氯離子內流，干擾了GABA跨膜信號傳遞，最終使昆蟲神經興奮不能控制而死亡[3-7]。異唑啉類殺蟲劑的作用靶點為NCA-II型，與傳統的GABA受體NCAs，如有機氯類（林丹、狄氏劑、硫丹）和苯基吡唑類（氟蟲腈）的靶點NCA-IA型相比，不存在交叉抗性，而且更加環保和安全[8-10]。國內外制藥公司相繼對此類化合物開展研究，目前已有6個品種商品化或即將商品化，其中2種為農藥殺蟲劑，4種為抗寄生蟲獸藥，成為了殺蟲劑研究熱點領域之一。筆者重點對異 唑啉殺蟲劑的發展沿革、品種介紹及合成路線進行了綜述，旨在為讀者對這類新穎的殺蟲劑提供全面的了解。

1 發展沿革

異 唑啉殺蟲劑的發現與雙酰胺類殺蟲劑密切相關，其起源可以追溯到化合物1鄰苯二甲酰胺和化合物2鄰甲酰氨基苯甲酰胺活性結構的發現[10]，許多農化公司相繼對其結構進行研發優化。先導化合物1只表現出微弱的殺蟲活性[11]。由于其結構新穎，日本農藥株式會社（Nihon Nohyaku）仍對化合物1進行了設計開發，在1998年推出化合物3，即雙酰胺類殺蟲劑氟蟲酰胺（flubendiamide）。杜邦（Dupont）公司通過酰胺反向取代和基團修飾將先導化合物1優化得到化合物2，經活性測試也表現出不錯的殺蟲效果，隨后在2000年優化研發出化合物4，即杜邦公司的明星產品氯蟲苯甲酰胺（chlorantraniliprole）。

與此同時，日產化學工業株式會社（Nissan Chemical Corporation）科研人員也在先導化合物1、2結構基礎上進行優化設計，如對獨特的七氟異丙基取代基進行研究，引入了三氟甲基、異 唑啉、肟基等基團，合成了一系列化合物，在2003—2005年公開了相關專利，如5～8等。專利5～8的化合物基團在結構上存在反向對應關系，但是都存在良好的殺蟲活性。這一系列發現為化合物9成功合成奠定了基礎，其專利內化合物經活性篩選開發出化合物10，即fluralaner。2007年，日產化學又在殺蟲劑fluralaner三氟甲基酰胺鏈上進行修飾優化，將其替換為肟醚鏈，隨后經活性篩選得到化合物11，即fluxametamide（圖1）。

杜邦公司也在開展相關異 唑啉類化合物的研究，公開了其研究成果，如化合物12、13，其化合物13（R=3,5-二氯或溴）對草地貪夜蛾、棉鈴蟲、小綠葉蟬、西花薊馬等表現出優異的殺蟲活性[12]。將苯環替換成萘環，隨后又合成一系列化合物14～16，而專利化合物16內經活性篩選開發得到化合物17，即殺蟲劑阿福拉納（afoxolaner）（圖2）。

先正達（Syngenta）公司很早就投入異 唑啉的研發，最開始嘗試將異 唑啉環3和5位苯環取代鏈進行方向置換，制得化合物18；將苯甲酰胺基團換成苯脒基團，如化合物19；將酰胺鏈修飾替換為硫雜環得到化合物20，隨后在化合物20的基礎上，在4位異 唑啉環引入（R1=甲基、氟和溴等）取代基，合成一系列化合物21（G為苯環、萘環或其他雜環），之后研究人員又側重了對三氟甲基酰胺鏈的優化替換，引入了五元雜環，如異噻唑和異 唑等，其中引入異 唑環的化學結構為化合物22，而化合物23（R1=3,5-二氯-4氟，R2=乙基），即isocycloseram位列其中（圖3）。

碩騰（Zoetis）公司也關注到了異 唑啉類化合物的殺蟲活性，尤其是對跳蚤和蜱蟲。作為一家動物保健公司，公司的科研人員借鑒了杜邦公司化合物13并進行了優化衍生設計，嘗試合成化合物24。出乎意料的是，在合成的過程中卻收獲新的目的產物25，而且經測試有良好的殺蟲效果和開發潛力，因此順勢對化合物25進行優化，將頭部苯環4位氯替換成氟，連接氮雜環的內酯還原成環醚，得到化合物26。為了進一步優化26的PK值（藥物代謝動力學），在保持藥效的同時對其理化性質進行了平衡，最終篩選出化合物27，即沙羅拉納（sarolaner），其獨特的螺氮雜苯并呋喃結構提供了分子的剛性和效力，甲基磺酰甲酮增加了分子的極性表面積[13]（圖4）。

洛替拉納（lotilaner）的發現相比其他公司較為輕松，諾華（Novartis）公司參考杜邦和日產化學的專利，如EP1538138A1、WO2007075459A。通過研究，他們以修飾噻吩環為主進行了化合物的合成，并申請了相關專利WO2010070068A2，其專利內化合物就包含lotilaner，并與fluralaner、afoxolaner結構相似。諾華公司在2014年將動物保健業務出售給美國禮來動保（Elanco Animal Health）公司，隨后禮來動保對lotilaner進行了商品化開發（圖5）。

2 品種介紹及合成路線

異 唑啉骨架作為先導化合物在農作物保護方面具有較高的價值，在動物保健中研發成果顯著，特別是在預防或治療體外寄生蟲感染的獸藥領域。現對這6個品種（氟雷拉納、fluxametamide、阿福拉納、isocycloseram、洛替拉納和沙羅拉納）的現狀和最新的合成路線進行簡述。

2.1 氟雷拉納

氟雷拉納（fluralaner），開發代號為A1443，是由日產化學在2004年研發合成，其于2005年獲批專利WO2005085216。CAS號：864731-61-3，CAS化學名稱為4-[5-(3,5-二氯苯基)-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 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，其化學結構具有R、S構型，結構式見圖6。相關研究表明，fluralaner主要的殺蟲活性組分為S構型[13]，其殺蟲譜包括蜱目、蚤目、真螨目、蜱螨目、雙翅目等種類，涉及的寄生和衛生害蟲多達24種，而且對鱗翅目，如二化螟、草地貪夜蛾、棉鈴蟲；半翅目，如灰飛虱、葉蟬；纓翅目，如西花薊馬；蜱螨目，如二斑葉螨等農業害蟲也具有良好的活性[14]。日產化學批準默沙東（MSD）公司對fluralaner進行商品化開發。2014年，美國食品與藥品監督管理局（FDA）首次批準其作為動物驅蟲藥，商品名為貝衛多（Bravecto），目前包括中國在內，該商品已在全球85個國家批準上市。其藥物成分為R和S2種異構體的混合物，主要用于治療犬體表的蜱蟲和跳蚤，可阻止成年跳蚤產卵，起效快，藥效期可持達3個月。

關于制備fluralaner中間體的合成路線大概如下[15]：中間體A是以3,5-二氯苯甲酸為原料，經酯化反應、親核取代、wittig反應制得；中間體B是以2-甲基-4-溴苯甲酸為原料，經酰酯化反應、氰基取代、羥胺肟化制得；中間體C則是以甘氨酸為起始原料制得（圖7）。

目標產物的合成方法如下：

方法1[15]：以中間體A、B為起始原料進行1,3-偶極加成環合反應，再與中間體C酰胺縮合得到目標產物。

方法2[16]：該方法合成路線為2條，均以4-溴-2-甲基苯甲酸為原料，先制得4-甲酰基-2-甲基苯甲酸，路線1先進行肟化，隨后與中間體C酰胺縮合；路線2則是先與中間體C酰胺縮合，然后肟化，2條路線均生成苯甲酰胺中間體，最后與中間體A在氯化試劑N-氯代丁二酰亞胺（NCS）作用下，1,3-偶極加成合環得到目標產物（圖8）。此合成方法反應條件溫和，生產成本較低，易適用于工業化。

方法3：Lee等[17]選擇性合成了S構型fluralaner，以中間體3,5-二氯苯基-2,2,2-三氟甲基酮和2-丙烯基硼酸頻那醇酯為原料，在催化劑金剛烷基鄰氨基苯酚條件下，對映選擇性合成化合物3a，進一步轉化為醛化合物3b，隨后與中間體D反應生成β-羥基酮化合物3c，最后經成環、縮合生成所需產物fluralaner（圖9），總收率達到40%。

2.2 Fluxametamide

Fluxa metamide（氟 唑酰胺），開發代號為NC-515，是日產化學開發的首款廣譜異 唑啉農用殺蟲劑。CAS號：928783-29-3，CAS化學名稱為4-[5-(3,5-二氯苯基)-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]-N-[(甲氧基氨基)亞甲基]-2-甲基苯甲酰胺，結構式見圖10。國際殺蟲劑抗性行動委員會將fluxametamide劃分為IRAC Group 30，其類別為γ-氨基丁酸門控氯離子通道（GABACls）變構調節器[18]，對蜱螨目、鱗翅目、纓翅目、雙翅目等害蟲有突出的防效。注冊商品名稱為（GRACIA）。此產品能高效防治抗性害蟲，起效快，持效期長，可防治薊馬、粉虱、潛葉蟲、蜘蛛螨、銹螨和其他螨蟲，適用于蔬菜、大豆、棉花、茶樹和果樹等作物，而且對蜜蜂和其他訪花昆蟲無毒害作用[19-20]。該產品于2019年5月在日本上市，預計2021年在美國登記。

Fluxametamide的合成涉及中間體E、F，并由中間體F得到目標產物。其中間體E、F合成路線如下[16,21-22]（圖11）。

方法1：以4-溴-2-甲基苯甲酸和正丁基乙烯基醚為起始原料，經酰化、縮合、環化得到中間體F。

方法2：以4-溴-2-甲基苯甲酸或4-溴-3-甲基苯甲醛為原料，2條路線經肟化、成環等反應制得中間體E，再經過親核取代得到中間體F。

2.3 阿福拉納

阿福拉納（afoxolaner）是由杜邦公司在2007年研制，其化合物相關專利：WO2009002809A2。CAS號：1093861-60-9，CAS化學名稱為4-[5-[3-氯-5-(三氟甲基)苯基]-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]-N-[2-氧代-2-[(2,2,2-三氟乙基)氨基]乙基]-1-萘甲酰胺，結構式見圖12。

相關試驗表明afoxolaner通過一個不同于環戊二烯的位點阻斷了γ-氨基丁酸門控氯通道，不存在交叉抗性[7]。在生物活性測試中，50 mg/L或250 mg/L藥液濃度的afoxolaner對小菜蛾、草地貪夜蛾和桃蚜的致死率高于80%，具有良好的殺蟲活性，而且對貓櫛頭蚤有不錯的防治功效[23-24]。杜邦公司批準法國梅里亞（Merial）公司開發商品化，現合并到德國勃林格殷格翰（Boehringer-Ingelhei）公司。異 唑啉體外驅蟲藥尼可信（NexGard）于2013年通過美國FDA批準上市，2017年在中國登記上市，其可高效殺滅網紋革蜱（Dermacentor reticulatus）、篦子硬蜱（Ixodes ricinus）、犬櫛首蚤（Ctenocephalides canis）[25-26]，2018年又推出新一代驅蟲產品超可信（NexGard Spectra），有效成分為阿福拉納和米爾貝肟，其可以高效防治和驅殺蜱蟲、跳蚤、心絲蟲、蛔蟲、鉤蟲和鞭蟲等多種犬體內外寄生蟲[27]。

Afoxolaner的合成路線是以4-甲基-1-萘甲酸或4-溴-1-萘甲酸為起始原料，經酯化、肟化、1,3-偶極加成環合、酰胺縮合等反應得到目標產物[28]（圖13）。

2.4 Isocycloseram

Isocycloseram（開發代號：SYN547407），由先正達公司研發。2018年6月，國際標準化組織（ISO）農藥通用名技術委員會臨時批準其英文通用名，目前處于研發后期階段。CAS號：2061933-85-3，CAS化學名稱為4-[5-(3,5-二氯-4-氟苯基)-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]-N-(2-乙基-3-氧代-4-異 唑烷基)-2-甲基苯甲酰胺，結構式見圖14。該殺蟲劑包含4種活性異構體，其中(5S,4R)-異構體活性最高[29]。作為第二款農用異 唑啉殺蟲劑，據報道，isocycloseram殺蟲譜廣，包含了鞘翅目、鱗翅目、半翅目和螨類等，如玉米根蟲、海灰翅夜蛾、小菜蛾、二斑葉螨、煙薊馬等害蟲，在200 mg/L藥液濃度下致死率均達到80%[30-31]。該殺蟲劑有望于2021年上市，商品名為plinazolin，預計其年峰值銷售額約為0.75億美元。

Isocycloseram的合成路線：以4-溴-2-甲基苯甲酸為原料經多步反應制得異 唑啉中間體G；以D-環絲氨酸為原料經3步反應制得異 唑啉酮中間體H，最后中間體G和H縮合酰化反應制得終產物[30]。

2.5 洛替拉納

洛替拉納（lotilaner）是由美國禮來動保公司開發的最新一代異 唑啉殺蟲劑。CAS號：1369852-71-0，CAS化學名稱為5-[(5S)-4,5-二氫-5-(3,4,5-三氯苯基)-5-(三氟甲基)-3-異 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，結構式見圖16。Lotilaner是非競爭性拮抗劑作用于無脊椎動物GABA受體氯離子通道，其S構型殺蟲活性是R構型的100倍，與狄氏劑和氟蟲腈無交叉耐藥[6]。Lotilaner對北美常見的肩突硬蜱（Ixodes scapularis）、變異革蜱、美洲花蜱（Amblyomma americanum）和歐洲的血紅扇頭蜱（Rhipicephalus sanguineus）、篦子硬蜱、網紋革蜱具有高效的殺蟲活性及防效[32]。目前上市的商品為S構型活性成分，于2017年作為獸藥登記上市，商品名為（Credelio），用于防控狗和貓身上的跳蚤、扁虱、疥螨等寄生蟲[33]。

Lotilaner的合成路線[34]：路線1以2-溴-3-甲基-5-乙酰基噻吩和中間體2,2,2-三氟-1-(3,4,5-三氯苯)乙酮為原料，經過幾步反應制得異 唑啉中間體I，之后加入手性(R)-1-(4-甲基苯基)乙胺試劑混合，再與中間體2-氨基-N-(2,2,2-三氟乙基)乙酰胺進行酰胺縮合得到S構型手性目的產物（圖17）。

路線2與fluralaner的合成方法2相同，起始原料為5-溴-4-甲基噻吩-2-甲酸。

2.6 沙羅拉納

沙羅拉納（sarolaner），開發代號為PF-06450567，是由美國碩騰制藥公司研發的新型廣譜寄生蟲獸藥。CAS號：1398609-39-6，CAS化學名稱為1-[5'-[(5S)-5-(3,5-二氯-4-氟苯基)-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]螺[氮雜環丁烷-3,1′(3′H)-異苯并呋喃]-1-基]-2-(甲基磺酰基)乙酮，結構式見圖18。Sarolaner具有一對對映異構體，S構型為主要的殺蟲活性組分，其對櫛頭蚤（Ctenocephalides felis）的LC80值為0.3μg/mL，對鈍緣蜱（Ornithodoros turicata）的LC100值為0.003μg/mL[4]，于2015年經美國FDA批準上市，商品名為（Simparica），用于預防和治療犬的跳蚤和蜱蟲感染。

Sarolaner以異 唑啉骨架作為先導化合物，通過對其苯環取代基、內酯環及尾鏈修飾，從大約3 000個化合物中被篩選出[13]。

Sarolaner的合成路線[35]：起始原料為4-溴-2-(氯甲基)-1-碘苯，經一系列縮合反應得到查爾酮中間體J，再與羥胺加成經催化劑合環得到化合物6a，在酸條件下，Boc保護基團離去得到化合物6b，最后與中間體K硝基苯磺酰基乙酸酯進行偶合反應得到目標產物（圖19）。

3 結果與展望

異 唑啉類殺蟲劑作用于GABA受體氯離子通道這一突出靶標，對農業害蟲和衛生害蟲表現出顯著的生物活性，而且無抗性問題出現。因此，為了保護農作物和動物健康，此類藥效基團在農藥和獸藥領域具有不錯的開發價值，應加強對相關衍生物的優化設計。為了獲得高對映選擇性產物，伴隨著手性藥物不對稱合成的發展，除了傳統的外消旋體拆分法，如何高效構建含C-CF3鍵的立體中心也是我們面臨的新挑戰[36-37]。值得注意的一點，異 唑啉類殺蟲劑可以預防和治療由寄生蟲引起的人畜共患傳染病如萊姆病（Lyme disease）、森林腦炎（Tickborne encephalitis）和利什曼病（Zoonotic visceral leishmaniasis）等[38-39]，這一發現或許對該類化合物的應用提供新的研究方向。同時，異 唑啉類殺蟲劑的機制和靶標位點也需進一步研究，這將對該類化合物的構建及發展提供重要參考依據。