氟吡呋喃酮及其類似物研究進展

蘇彥豪, 許磊川, 趙 宇, 張 倩, 李益豪, 王明安

(中國農業大學 應用化學系，農藥創新研究中心，北京 100193)

新煙堿類殺蟲劑是以煙草中的生物堿尼古丁(nicotine)為先導化合物開發而來，作用于昆蟲乙酰膽堿受體，自1991 年第1 個品種——吡蟲啉商品化至今，該類殺蟲劑已發展至第4 代，有10 多個商品化品種。在高毒農藥逐漸被禁用的趨勢下，新煙堿類殺蟲劑在防治病蟲害方面發揮著越來越重要的作用[1]。然而近年來隨著該類殺蟲劑的大量使用，其對桃蚜、稻褐飛虱、棉粉虱、溫室粉虱等產生的抗性問題也越來越嚴重，部分新煙堿類殺蟲劑還對蜜蜂高毒或劇毒，多國已逐步禁用部分高毒新煙堿類殺蟲劑[2]。因此開發高效、對蜜蜂低毒，且與現有品種無交互抗性的新型殺蟲劑迫在眉睫。在21 世紀開發的新農藥品種中[3]，拜耳公司的新型丁烯內酯類殺蟲劑—氟吡呋喃酮(flupyradifurone，FPF，商品名Sivanto?)[4-6]較好地解決了這一問題，其純品為白色至米黃色固體粉末，幾乎無味，對多種刺吸式口器害蟲具有藥效快、持效期長等特點，對包括幼蟲和成蟲在內的所有生長時期害蟲皆有效，且與現有新煙堿類殺蟲劑無交互抗性，對蜜蜂急性接觸LD50> 100 μg/頭，急性經口LD50為1200 ng/頭，葉面殘留量200 g/hm2時對蜜蜂無影響。對蜜蜂的田間長期研究表明，施藥量為有效成分205 g/hm2時，對覓食期的蜜蜂無副作用，對大黃蜂的急性接觸 LD50> 100 μg/頭[6]，因此也可在花期使用。氟吡呋喃酮相比于傳統新煙堿類殺蟲劑具有較低毒性，可能是兩者與蜜蜂體內乙酰膽堿受體具有相反的鍵合方式[7]，按標簽規定劑量使用，對蜜蜂活動區域也沒有不利的影響[8]。

在農藥制劑研發過程中，將兩種或多種農藥品種進行復配可以提高藥效，有效減少使用量以及延緩抗性的產生，殺蟲劑氟吡呋喃酮也是如此。如拜耳公司針對氟吡呋喃酮申請了多個與其他殺菌劑或殺蟲劑的組合物專利[9-12]，中國也有多家單位先后開展了該藥劑與不同殺蟲劑、殺菌劑以及生物農藥的復配制劑研究，不僅提高了藥效，而且拓展了活性譜，擴大了應用范圍[13-21]，例如：將氟吡呋喃酮分別與殺菌劑異菌脲[13]、氟吡菌酰胺[14]混配，可提高其對線蟲的防治效果；氟吡呋喃酮與其他殺菌劑的復配制劑，可應用于馬鈴薯上病蟲害的防治[15-18]；將氟吡呋喃酮與咯菌腈和咪酰胺的三元復配制劑用于種子處理，可以顯著提高對蔬菜蚜蟲、薊馬、黃曲條跳甲和蔬菜白粉病的防治效果[19]；氟吡呋喃酮與苯基吡唑類殺菌劑(metyltetraprole)的復配制劑還可以用來防治棉花上的病原真菌[20]。此外，氟吡呋喃酮還有與擬除蟲菊酯類、雙酰胺類、螺環季酮酸類殺蟲劑[21-38]以及苦參堿、黎蘆堿、印楝素和伊維菌素等生物源類殺蟲劑進行復配的制劑[39-42]，也有將枯草芽孢桿菌菌株FB17 與氟吡呋喃酮形成協同增效組合物的專利，以及氟吡呋喃酮作為藥肥成分以改善植物生長和健康狀況等的研究報道[43-45]。

鑒于氟吡呋喃酮獲得的廣泛應用以及針對其持續研究所獲得的新成果以及對新農藥創制的啟示，本文擬從其創制過程、作用機制、生物活性及抗性、代謝殘留、對蜜蜂的影響以及結構修飾等方面進行綜述。

1 氟吡呋喃酮的創制過程

百部堿(stemofoline)是Irie 等于1970 年首次從蔓生百部Stemona japonicaMiq. 的根和葉中分離得到的一種具有復雜骨架結構的百部類生物堿(圖式1)[46]。研究表明，百部堿對小菜蛾幼蟲和夜蛾科幼蟲具有一定殺蟲活性，同時對昆蟲還具有擊倒、拒食和趨避活性[47]。百部類生物堿可以作用于昆蟲乙酰膽堿酯酶，而這可能是其具有殺蟲活性的原因[48-49]。鑒于此，百部堿被作為先導化合物用來開發新型殺蟲劑。有關從百部堿的結構修飾到氟吡呋喃酮的創制過程已有文獻提及[6,50]，本文作一簡要介紹。

圖式1 百部堿的分子結構Scheme 1 Molecular structure of stemofoline

對百部堿的結構改造主要分為兩個方向：一是對籠狀莨菪烷的修飾[51-52]。拜耳公司合成了大量的取代莨菪烷類化合物，其對蚜蟲、線蟲和粉虱具有較好的致死活性，其中代表性的化合物為N取代的3-(5-氯-3-吡啶基)-氰基莨菪烷，其在生物體內可以被代謝為N上沒有取代基的活性化合物，從而起到殺蟲作用。所合成的化合物在500 μg/mL 時對桃蚜具有較好的活性，但在低濃度時活性不好，因此并未開展深入研究。

另外一個方向是對百部堿“頭部基團(head group)”——丁烯內酯部分的改造 (圖式2)。早期拜耳公司通過對作用于乙酰膽堿受體的殺蟲劑進行分子結構模擬，設計了一類新的活性結構片段(I)，發現該片段中含有類似吡咯、五元雜環[53]和六元雜環內酯或者內酰胺等[54]化合物都具有較好的殺蟲活性(圖式2)。由于丁烯內酯結構可修飾位點多，他們將I 中的雜環基團替換為丁烯內酯，合成了大量烯胺羰基化合物(II)[55-56]，并發現當Z 為O、S 或CH2時具有良好的殺蟲活性，尤其為O 時殺蟲活性最好，最終確定以通式III (Z =O)為先導結構繼續進行結構優化(圖式2)。

圖式2 百部堿的優化和氟吡呋喃酮的發現[6,50]Scheme 2 The optimization of stemofoline and discovery of flupyradifurone[6,50]

對于丁烯內酯類化合物 (III ，Z = O)，通過構效關系分析，發現當取代基A 為六元雜環(尤其是取代吡啶)時對刺吸式口器昆蟲具有較好的殺蟲活性(IV)。對于取代基R2和R3，鹵素或烷基的引入并不能提高殺蟲活性，反而還有可能降低活性，從而確定R2和R3的最優基團均為H (V)。對吡啶環不同位置取代基進行修飾，發現取代基為6-F、6-Cl、6-Br 時均有較好的殺蟲活性，尤其是6-氯吡啶-3-基時活性最好(VI)。通過分析N 上不同取代基R1的生物活性發現，當R1為含氟烷基，如2-氟和2,2-二氟乙基時對桃蚜表現出優異活性，且2,2-二氟乙基時對小猿葉甲Phaedon cochleariae的活性更好，從而得到新的先導化合物VII，而將R 基團替換為其他鹵素、甲基或者三氟甲基后，化合物對桃蚜和小猿葉甲的活性均會顯著降低，至此確定化合物VII 中R 最優基團為氟，最后選擇化合物N-2,2-二氟乙基-N-(6-氯吡啶-3-基)-4-氨基丁烯內酯(即氟吡呋喃酮)進行了商業化開發(圖式2)[6]。

2 氟吡呋喃酮在植物體內的傳導機制

通過與氚代吡蟲啉([3H]-IMD)的放射性配體結合研究，發現氟吡呋喃酮能夠取代與家蠅頭部煙堿型乙酰膽堿受體(nAChRs)結合的氚代吡蟲啉，可逆地與昆蟲煙堿乙酰膽堿受體結合(IC50=2.38 ± 1.93 nmol/L)。以不同濃度的氟吡呋喃酮和乙酰膽堿處理從草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda細胞分離出的孤立神經元，并記錄細胞電生理反應。結果顯示，氟吡呋喃酮能作為部分激動劑，使昆蟲煙堿乙酰膽堿受體內源表達，證明氟吡呋喃酮能夠選擇性地作用于昆蟲中樞神經系統的乙酰膽堿受體，是煙堿乙酰膽堿受體激動劑[50]。分子對接結果顯示，與商業化煙堿乙酰膽堿受體激動劑相比，氟吡呋喃酮具有獨特的結合方式，國際殺蟲劑抗性行動委員會單獨將其歸為丁烯內酯類(4D)，以區別于新煙堿類(4A)、煙堿類(4B)、氟啶蟲胺腈(4C)和三氟苯嘧啶(4E)殺蟲劑[57]。

以14C 標記的氟吡呋喃酮可溶性液劑SL200 溶液施用于番茄植株根部，分別于施藥后1、3、7、14 和24 d 取近土壤端枝條進行熒光顯色處理，發現1 d 后氟吡呋喃酮即可在植株中均勻分布，表明其可通過木質部轉運，7～14 d 時濃度達到最高，24 d 后濃度有所下降，可見氟吡呋喃酮具有優異的轉運和內吸性，藥效快且持續時間長(圖1)[6]。此外，氟吡呋喃酮也表現出明顯的葉片遠端積累，如圖1a 所示，隨著施藥時間的延長，僅在葉片邊緣部分氟吡呋喃酮的濃度逐漸升高，隨后開始下降，表明其是通過木質部的質外體轉運并且缺乏明顯的韌皮部轉運。施用于番茄中脈和葉片上的氟吡呋喃酮也能通過蒸騰作用在植株體內達到很好的分布(圖1b)，表明其很適合植株噴淋。施藥2 h 內害蟲就會因為接觸或取食藥劑而迅速終止攝食。氟吡呋喃酮還具有跨層分布效應，即便是位于葉片背面或沒有直接暴露在噴霧液滴下的蚜蟲也會迅速停止攝食[6]。由于藥物從根部吸收轉運到作物葉片有一定的距離，因此相比于用作種子處理劑，噴淋法使用氟吡呋喃酮會更快地殺死害蟲。

圖1 番茄植株不同部位施藥后氟吡呋喃酮在植株體內的分布情況[6]Fig. 1 The distribution of flupyradifurone in different parts of the tomato plants after the application[6]

氟吡呋喃酮因其獨特的作用機制，對大多數水果、蔬菜、種植園以及特定的大田作物上的刺吸式口器害蟲有較好的防治效果[58]，如蚜蟲(如萵苣膨管蚜、蘋果蚜、棉蚜[59]、桃蚜[60])、飛虱(如稻褐飛虱)、粉虱(如溫室白粉虱、煙粉虱)、葉蟬[61](如葡萄小綠葉蟬、葡萄帶葉蟬)等，也可作用于水蠟蟲、潛葉蟲、軟蚧、象鼻蟲、跳甲以及木虱類害蟲[62]。研究發現，用亞致死劑量的氟吡呋喃酮處理棉蚜成蟲后，其對母代棉蚜壽命和繁殖率沒有顯著不利影響，但是能夠顯著抑制其子代棉蚜的生長發育和繁殖，從而抑制子代棉蚜的種群擴增[60]。亞致死劑量的氟吡呋喃酮會對亞洲柑橘木虱(Asian citrus psyllid,Diaphorina citri)的取食、定居、遷飛行為和雌虱的生育力產生影響，致死和亞致死劑量的藥劑還會對亞洲柑橘木虱產生毒物興奮效應[63]；采用滴灌技術，氟吡呋喃酮對亞洲柑橘木虱也有較好的防治效果，這種施藥方式不僅可以延長防效期，還可以避免因噴霧法施藥而造成蜜蜂等非靶標生物與藥劑的直接接觸[64]。另外，氟吡呋喃酮對狡詐花蝽Orius insidiosus也有較高的致死率[65]，在實驗室條件下，對杜鵑花軍配蟲Stephanitis pyrioidesScott 也具有一定的趨避作用[66]。

對于由煙粉虱傳播的南瓜黃色矮化失調病毒(cucurbit yellow stunting disorder virus)[67]、由棉粉虱傳播的番茄黃化曲葉病毒(tomato yellow leaf curl virus)[68]以及由桃蚜傳播的蕪菁花葉病毒(turnip mosaic virus)[69]，氟吡呋喃酮也能起到較好的控制作用。同時，氟吡呋喃酮對靶標昆蟲，如粉虱、木虱以及蚜蟲，有較好的攝食中止作用，這也從一定程度上降低了病毒和細菌的傳播風險。Tejedareyes 等[70]研究了番茄木虱Bactericera cockerelliSulc 對氟吡呋喃酮的敏感性。結果表明，當番茄木虱暴露于噴灑了氟吡呋喃酮的空氣中時，其攝食量會大大降低。也有研究表明[71-72]，氟吡呋喃酮具有一定的殺蚊活性，還可以作為衛生殺蟲劑使用。

3 氟吡呋喃酮的抗性研究

農藥的大量使用會加速靶標抗藥性的產生，近年來已相繼報道了褐飛虱、煙粉虱、溫室白粉虱和桃蚜等對新煙堿類殺蟲劑產生抗性的問題[73]，使用推薦劑量已難以達到理想的防治效果。隨著氟吡呋喃酮的廣泛使用，其抗性問題已有顯現。Smith 等[74]研究了MEAM1 型煙粉虱對吡蟲啉、噻蟲嗪、氟吡呋喃酮和呋蟲胺的敏感性，發現其敏感率分別為21%、26%、47%和53%，與實際應用敏感率基本一致，即使是沒有接觸過氟吡呋喃酮的田間煙粉虱對氟吡呋喃酮也有55～79 倍的抗性，且對氟吡呋喃酮具有高抗性的煙粉虱通常對其他殺蟲劑也具有較高的抗性，表明氟吡呋喃酮與其他殺蟲劑也存在交互抗性。Guo 等[75]研究了中國8 省份19 個不同地區煙粉虱對新煙堿類以及氟吡呋喃酮的抗性問題，發現只有兩個地區(湖北洪山和天津東麗)對氟吡呋喃酮表現出低抗性，與實驗室敏感型相比，抗性比分別為6.2 和7.0。任志杰等[76]研究了褐飛虱Nilaparvata lugens和白背飛虱Sogatella furcifera對氟吡呋喃酮抗性問題，發現多地褐飛虱田間種群已對氟吡呋喃酮產生中等水平抗性，即使未使用過氟吡呋喃酮的田間稻飛虱，也對其產生了一定的抗性，進一步說明的確與現有殺蟲劑存在一定的交互抗性。Byrne 等[77]通過研究吡蟲啉對翅葉蟬Homalodisca vitripennis抗性發現，對吡蟲啉抗性較高的翅葉蟬也對其他種類殺蟲劑具有抗性，其中對吡蟲啉具有抗性的成蟲也對氟吡呋喃酮產生了抗性，約是敏感品系的4 倍。

雖然已有對氟吡呋喃酮出現抗性的報道，但具體的抗性機制研究還不深入，目前的研究是基于與吡蟲啉對比而開始的。對吡蟲啉和吡蚜酮表現高抗性的煙粉虱(Q 型和B 型)研究發現，表現抗性的原因可能與其體內一種基因CYP6CM1的過度表達，誘導細胞色素 P450 單氧化酶增加有關[78-80]，研究發現，吡蟲啉能夠與CYP6CM1vQ模型中的35 個空腔結合，約20%空腔表現出藥物分子朝向血紅素鐵-氧活性中心的結合模式(圖2a)，這會致使其N-硝基亞氨基咪唑烷基部分發生羥基化(圖2b)，進而失活。

圖2 IMD 和FPF 與CYP6CM1vQ 分子對接模型[58]Fig. 2 Molecular docking mode of IMD and FPF within the CYP6CM1vQ[58]

而氟吡呋喃酮與CYP6CM1vQ只有23 個空腔結合，由于N-二氟乙基的存在，改變了氟吡呋喃酮分子的鍵合方式，大多數結合模式是無反應性的二氟乙基側鏈朝向血紅素鐵-氧活性中心(圖2c)，因此沒有表現出代謝丁烯內酯的可能[58]，而將新煙堿類殺蟲劑分子結構中N 上的烷基替換為二氟乙基后，活性卻是下降的，由此可見二氟乙基在丁烯內酯類殺蟲劑結構中具有至關重要的作用。

Wang 等[81]在湖北武漢和襄陽地區對氟吡呋喃酮具有抗性但對溴氰蟲酰胺和吡蟲啉無交叉抗性的煙粉虱研究發現，其細胞色素P450 和酯酶的活性明顯增加，增效醚(PBO)和磷酸三苯酯(TPP)會抑制細胞色素P450 和酯酶的活性，并且PBO和TPP 分別與氟吡呋喃酮混用有較好的協同作用(添加PBO 和TPP 的氟吡呋喃酮藥劑與原藥相比，對襄陽煙粉虱的協同增效比分別為3.13 和4.46，PBO 對武漢煙粉虱的協同增效比為3.76)。隨后，該團隊將分離出來的對氟吡呋喃酮表現抗性的煙粉虱進行多代培養得到抗性株，研究表明其抗性原因可能與谷胱甘肽-S-轉移酶(GST)和P450 單氧化酶有關，與敏感株相比，抗性株中的CYP6CX4和GSTs2過表達，但其具體機制還未真正闡明[82]。

當植物被害蟲侵害時，能夠分泌一種次生代謝產物，而這種次生代謝產物可以影響昆蟲代謝及其生理功能等，以避免有害昆蟲再次侵害，Després 等[83]發現這種次生代謝物可能影響殺蟲劑的敏感性。基于此，Zhang 等[84]研究發現，植物的這種次生代謝物會增加有害昆蟲的細胞色素P450 活性，以對抗這種植物的自身防御，經次生代謝物處理的煙粉虱成蟲會顯著增加其對噻蟲嗪和氟吡呋喃酮的抗性，當用細胞色素P450 抑制劑處理具有抗性的煙粉虱后，其死亡率明顯增加。通過基因水平的研究發現，次生代謝物會誘導細胞色素P450 基因CYP6CM1、CYP6CX4和CYP4C64的表達。此外，該團隊也驗證了PBO 能夠顯著增加被氟吡呋喃酮和噻蟲嗪處理過的煙粉虱的死亡率這一結論。Hamada 等[85]通過肉毒桿菌表達系統表達的CYP6ER1-del3和CYP6ER1-T318Sdel3突變發現，與對照組相比其對吡蟲啉的抗性比為288.7，而對呋蟲胺的抗性比僅為3.6，且抗性增加緩慢，抗性比主要是通過代謝的方式增加的，他們也發現，氟啶蟲胺腈不會被這兩種基因突變體代謝，但是對氟吡呋喃酮卻有一定的代謝作用，顯示出CYP6ER1突變體對底物的選擇性。

目前已經發現氟吡呋喃酮與部分傳統新煙堿類殺蟲劑具有一定交互抗性。但是分子對接研究發現，由于二氟乙基的引入，其抗性機理與傳統新煙堿類殺蟲劑并不相同，這也是其抗性不如傳統新煙堿類顯著的一個原因。目前氟吡呋喃酮的抗性機制尚未被闡明，但是針對細胞色素P450 的研究發現，細胞色素P450 基因的過度表達可能是抗性產生的一個重要原因。

4 氟吡呋喃酮在生物體內的代謝產物及殘留分析

聯合國糧農組織(FAO)、世界衛生組織(WHO)和農藥殘留專家聯席會議(JMPR) 于2015 年對氟吡呋喃酮及其代謝物毒性進行了評估，認為該化合物對小鼠或大鼠無致癌性，同時也沒有生殖毒性和遺傳毒性，對人類無致癌風險；同時確定了氟吡呋喃酮的每日允許攝入量ADI (acceptable daily intake)為0～0.08 mg/kg bw，急性參考劑量ARfD (acute reference dose)為0.2 mg/kg bw[86]。2016年，JMPR 又對氟吡呋喃酮及其代謝物的殘留進行了評估[87,88]。氟吡呋喃酮在植物、動物以及環境中的代謝產物多達50 種，部分結構如圖式3 所示，其中最主要的包括6-氯煙酸(6-CNA) (與吡蟲啉具有相同的代謝產物)[89]、二氟乙氨基呋喃酮(DFEAF)、二氟乙酸(DFA)以及氟吡呋喃酮丁烯內酯部分被氧化得到的fpd-OH 等。殘留物檢測發現，植物體內母體化合物氟吡呋喃酮依然是殘留量最高的，其主要代謝產物為CHMP-di-glyc、6-CNA 和DFA，而含有呋喃酮結構的代謝物并沒有檢測到；在動物代謝研究中，氟吡呋喃酮仍然是大鼠及反芻動物的主要殘留物，對于家禽類，例如在母雞體內檢測到的氟吡呋喃酮殘留量很少，在雞蛋、肌肉和脂肪中的主要代謝物為acetyl-AMCP，在肝臟中的主要代謝物為fpd-OH-SA；在有氧條件下，氟吡呋喃酮在土壤中主要被分解為DFA 和6-CNA，并進一步被分解為CO2；此外，氟吡呋喃酮在水中會主要代謝為DFA、BYI 02960-succinamide 和BYI 02960-azabicyclosuccinamide。JMPR 在2017 年的評估中增加了對氟吡呋喃酮最大殘留限量(MRL)的定義[90]：在植物中其殘留量定義為氟吡呋喃酮、DFA 和6-CNA 的總和；在動物中定義為氟吡呋喃酮和DFA 的總和；會議同時還建議櫻桃、桃、李子和西梅中的MRL 值分別為2、1.5、0.4 和3 mg/kg。

圖式3 氟吡呋喃酮主要的代謝產物Scheme 3 The main metabolites of flupyradifurone

歐盟也對氟吡呋喃酮進行了相應的風險評估，并確定其在歐盟地區的ADI 和ARfD 值分別為0.064 和0.15 mg/kg bw。在土壤中，氟吡呋喃酮、6-CNA 和DFA 被評估為低風險，且在地下水變成地表水的情況下，這3 個化合物對水生生物的風險較低。由此可見，氟吡呋喃酮及其代謝產物對環境無風險或風險較低[91]。對于氟吡呋喃酮及其主要代謝產物DFA，歐盟也重新設定了二者在草莓、黑莓和山莓中的MRL 值[92]，同時也對二者在油菜籽、芥菜籽[93]和秋葵[94]上的MRL 值進行了修訂。

含有氯代吡啶結構的氟吡呋喃酮在生物體內被代謝為6-CNA、DFEAF 和DFA 等多種代謝物(圖式3)。研究表明，氟吡呋喃酮及其代謝產物會對人類淋巴細胞產生細胞毒性和遺傳影響[95]，因此其殘留量的測定及風險評估至關重要。美國在對藥劑的評估中，重點對拜耳公司針對氟吡呋喃酮及DFA 和6-CNA 的分析方法進行了驗證，結果確認該方法對土壤及水中的殘留物檢測完全適用[96-98]。Li 等[99]首先利用超高效液相色譜-串聯質譜 (UPLC-MS/MS) 法，開發了一種可以快速測定水果、蔬菜和谷物上氟吡呋喃酮及其代謝產物(6-CAN 和DFEAF)殘留量的方法，并將這一方法應用于馬鈴薯(大田中的樣品首先施加劑量為有效成分200 g/hm2的氟吡呋喃酮可溶性粉劑，并分別于0、1、2、5、7、14、21 和28 d 采樣，?20 ℃保存)上氟吡呋喃酮殘留量的測定，發現隨著時間的延長，其殘留量逐漸下降，并未檢測到DFEAF和6-CAN，推測可能是這兩個代謝產物在馬鈴薯里的含量較低，或被進一步代謝為其他產物所致。李雙雙等[100]采用UPLC-MS/MS 技術建立了同時檢測柑橘全果、橘肉及橘皮中氟吡呋喃酮及其代謝物二氟乙酸、6-CNA 和DFEAF 殘留量的分析方法，經過實際樣品分析發現，氟吡呋喃酮相較于其代謝產物的檢出率更高，且以在柑橘果皮中的檢出濃度較高。Fang 等[101]應用UPLC-MS/MS 法，開發了一種可以快速檢測中國傳統中草藥中氟吡呋喃酮及其6-CAN 和DFA 殘留量的方法。另外也有報道測定了16 種殺蟲劑及其代謝產物在商業紅葡萄酒和白葡萄酒中的殘留量，但并未檢測到氟吡呋喃酮的殘留，可見使用氟吡呋喃酮可以有效地防治葡萄蟲害，按推薦劑量使用，其在葡萄上的最大殘留量也符合要求[102]。

氟吡呋喃酮除了在哺乳動物、植物、昆蟲體內會發生代謝外，在光照下也會發生分解。Chaubey等[103]采用核磁共振(NMR)方法，研究了在天然腐殖酸(humic acid, HA)存在時氟吡呋喃酮在土壤-水體系中的光解速率及可能的產物。結果表明，光照條件下氟吡呋喃酮會分解為DFA 及呋喃酮開環的產物，并且由于HA 的存在，會與氟吡呋喃酮通過共價鍵相結合，從而放慢氟吡呋喃酮的降解進程，因此氟吡呋喃酮在土壤中具有更長的持效期。在風險評估時，農藥原藥及其代謝產物的檢測至關重要，因此開發快速、簡便、有效且安全的檢測方法對氟吡呋喃酮風險評估及最大殘留量的制定具有重要意義。

5 對蜜蜂等非靶標生物的影響

由于部分新煙堿類殺蟲劑對蜜蜂高毒[104]，因此很多國家開始逐步對其禁用。雖然按標簽推薦劑量使用，氟吡呋喃酮對蜜蜂無不利影響，可以在花期前和花期使用[8]，但也有相關研究表明，高劑量以及長期應用氟吡呋喃酮也會對蜜蜂有一定的影響。例如，Tosi 等[105]總結了氟吡呋喃酮與其他農藥對蜜蜂的協同效應：與丙環唑共同使用會增加蜜蜂的死亡率和非正常的行為；與樂果共同使用時，其對采食蜜蜂的毒性比蜂巢中的更高；夏季時氟吡呋喃酮的毒性會更高。Siviter 等[106]總結了氟吡呋喃酮對益蟲的影響，雖然正常劑量條件下無法檢測亞致死效應，但其對益蟲確實具有明顯的消極影響，例如無論是低劑量還是高劑量，均會降低中華蜜蜂幼蜂及成蜂的嗅覺學習能力和記憶力[107]。此外，在較高劑量(8.3 × 10?4mol/L)下，氟吡呋喃酮會影響蜜蜂對花粉和花蜜的味覺和認知能力[108]，但由于正常使用劑量并沒有這么高，因此認為氟吡呋喃酮對蜜蜂無害。Al Naggar等[109]研究了氟吡呋喃酮對意大利蜜蜂的長期影響，將幼蜂短期暴露于亞致死劑量的氟吡呋喃酮中，然后轉移至自然環境條件下研究后期的生長情況。結果顯示，其存活率顯著降低，還會改變幾個免疫和解毒基因的表達，最終導致蜜蜂健康狀況下降。對于意大利蜜蜂，氟吡呋喃酮有更強的影響幼蜂基因表達的作用[110]。Tan 等[111]證明，按田間使用劑量，長期暴露于氟吡呋喃酮中會削弱亞洲蜜蜂幼蜂和成蜂的嗅覺學習能力。Hesselbach等[112]將亞致死劑量(830 μmol/L)的氟吡呋喃酮作用于夏季蜜蜂以及越冬蜜蜂，結果均可引起運動障礙并干擾正常的運動行為，且這種影響在越冬蜜蜂上更加強烈，但連續投服24 h 以上這種影響會減弱。此外，氟吡呋喃酮還會影響蜜蜂的體溫調節能力[113]和飛行能力，使覓食提前[114]，增加蜜蜂的氧化應激并誘導細胞凋亡[115]，在400 μg/kg 的田間劑量下，氟吡呋喃酮會減少蜜蜂的生存機會并損傷其行為[116]。雖然大量的研究表明氟吡呋喃酮對蜜蜂有一定的影響，但其在急性或短期慢性田間實際劑量下都不會改變蜜蜂對蔗糖的反應性[117]，也不會影響蜜蜂的覓食行為[118]。Haas 等[119]研究發現，蜜蜂表達的3 種P450 細胞色素CYP6AQ1、CYP9Q2和CYP9Q3可以有效代謝氟吡呋喃酮，且代謝產物對蜜蜂幾乎無毒。定量PCR 分析證實，蜜蜂在所有生命周期中均表達此3 種細胞色素，這表明蜜蜂在所有生命階段都具有代謝氟吡呋喃酮的能力，這一發現解釋了氟吡呋喃酮對蜜蜂低毒的機理。

由于新煙堿類殺蟲劑具有環境持久性和高水溶性，容易滲入地表水，因此研究氟吡呋喃酮對非靶標水生昆蟲產生的負面影響也很重要。有研究表明，氟吡呋喃酮對蝸牛和淡水貝殼幾乎無害，但是會影響淡水浮游生物的生存和生長[120-121]。相較于其他新煙堿類殺蟲劑，氟吡呋喃酮對浮游生物表現出中等程度的毒性[122]。

由此可見，雖然在規定劑量下使用，氟吡呋喃酮對蜜蜂和大黃蜂幾乎無害，但在高劑量以及長期使用時，其對蜜蜂具有一定的亞致死效應，例如影響蜜蜂的運動能力、嗅覺、學習能力、體溫調節能力等，因此在氟吡呋喃酮的研究和使用過程中應予以重視。

6 氟吡呋喃酮的結構修飾

目前氟吡呋喃酮的合成路線主要有3 條，即吡啶部分、二氟乙胺部分和丁烯內酯3 個片段的不同組合[123-125]，對此相關文獻已經有了詳細的總結[126-128]，在此不再贅述。

由于氟吡呋喃酮結構的新穎性，自上市以來就成為了研究的熱點。2014 年杜邦公司Zhang 等[129]以早期專利[54]中的化合物1 為先導，合成了2-唑酮化合物2 (圖式4)，該化合物對桃蚜和玉米飛虱具有良好的殺蟲活性。2015 年Urch 等[130]在申請的農業領域作為殺蟲劑和殺螨劑的化合物專利中，包含了6 個針對氟吡呋喃酮結構改造的化合物 (圖式4)，其中化合物3 和5 去掉了丁烯內酯結構，且二氟乙基分別替換為酯基鏈和1,1-二甲氧基乙基；化合物7 是在氟吡呋喃酮的基礎上，關環得到了一個含有吡咯并呋喃酮結構的化合物；化合物4、6 和8 與氟吡呋喃酮結構類似，只是其中二氟乙基分別被替換為酯基鏈、1,1-二甲氧基乙基和氰基甲基，但這些化合物對蚜蟲和蛛螨的活性均較差，還需要進一步的結構優化和活性評價。

2015 年范志金課題組[131]用酰氧基或氰基甲基替換丁烯內酯結構，合成了一系列噻唑取代化合物(圖式4)，其中化合物9 和10 在100 μg/mL 下對蚜蟲的致死率分別為85.3%和75.6%。2016 年，該課題組[132]又公開了一類含二氟乙基的雜環化合物，該發明以氟吡呋喃酮為先導化合物，保留二氟乙胺部分，對其余兩部分進行修飾，例如將丁烯內酯替換為吡啶或異噻唑甲基，噻二唑甲基或甲?；约磅セ?，探討丁烯內酯部分被含硫雜環取代后，或者丁烯內酯環被打開后對活性的影響；另一個修飾方向是將吡啶基替換為異噻唑，看活性是否會有顯著變化，結構式見圖式5 所示。生物活性測定結果表明，這類化合物均表現出一定的抑菌活性，同時在100 μg/mL 下，用藥72 h 后部分化合物對蚜蟲表現出較好的毒殺作用，其中化合物15 在該質量濃度下對蚜蟲有100%的致死率，與現有新煙堿類殺蟲劑(如噻蟲胺、吡蟲啉)相比，活性更好；另外部分化合物對煙草花葉病毒也表現出一定的抑制作用。可見，丁烯內酯作為關鍵藥效基團，在結構修飾時將其保留更容易發現高活性的化合物。

圖式4 化合物1～10 的化學結構式 [129-131]Scheme 4 Chemical structures of compounds 1-10[129-131]

圖式5 化合物11～23 的化學結構式[132-133]Scheme 5 Chemical structures of compounds 11-23[132-133]

2019 年宋寶安課題組[133]在對氟吡呋喃酮結構修飾過程中，發現對二氟乙基部分的微小改變以及將6-氯吡啶替換為其他雜環均會導致殺蟲活性明顯降低，因此他們認為對氟吡呋喃酮的修飾應該保留吡啶以及丁烯內酯兩個部分，而對二氟乙基部分進行結構改造。在眾多農藥分子結構中，大都含有鹵素取代的苯基，因此設想將含鹵素的苯基引入氟吡呋喃酮分子結構中，替換其中二氟乙基部分可能會得到活性更好的化合物?；谶@一設計思路，他們合成了N,N-二芳甲基呋喃酮衍生物，部分化合物對苜蓿蚜Aphis craccivora表現出較好的殺蟲活性，且當苯環4 位含有氟原子時活性更好，其中代表化合物23 對苜蓿蚜的半致死濃度 (LC50) 為1.72 μg/mL，優于對照藥劑吡蚜酮(LC50= 6.86 μg/mL)。通過分子對接發現，化合物23 缺少CYP6CM1的氧化代謝基團，沒有對吡蟲啉類似的代謝抗性。研究表明，該化合物對苜蓿蚜的神經系統、代謝、免疫功能和骨架蛋白也有較大的影響，另外它也可能是一種潛在的作用于乙酰膽堿受體的殺蟲劑，因此可以作為高活性先導化合物進行進一步結構優化。

2019 年王先浩等[134]以氟吡呋喃酮為先導化合物，與具有丁烯內酯的天然產物相結合，設計合成了一系列含烷氧基取代的丁烯內酯衍生物(圖式6)。生物活性測定結果顯示，大多數化合物在100 μg/mL 時對苜蓿蚜和稻褐飛虱Nilaparvata lugens有中等強度的致死活性；構效關系分析發現，當X = Br 時，R1烷基鏈越長，活性越弱，甲基活性最高，R2基團含氟時活性更好；另外，X =Cl 或H 時，相較于Br，化合物對苜蓿蚜的活性有明顯的提高，且對稻褐飛虱的活性高于苜蓿蚜；當用藥濃度降低到4 μg/mL 時，化合物24 (X =Br, R1= CH3, R2= CH2CH2F)對兩種害蟲依然有60%和75%的致死率，其可以作為新的先導化合物進行結構優化。

圖式6 烷氧基丁烯內酯類化合物的設計思路[134]Scheme 6 Design strategy of the alkyloxy butenolide compounds[134]

2020 年田忠貞等[135]在王先浩[134]的研究基礎上，采用骨架躍遷以及生物電子等排策略，用高效殺微生物劑4,5-二氯-1,2-二硫環戊烯酮結構替換氟吡呋喃酮結構中的丁烯內酯藥效團，期望能夠發現活性更好且含二硫環戊烯酮結構的先導化合物，在此基礎上將吡啶環替換為噻蟲嗪中間體2-氯-5-氯甲基噻唑，考察不同雜環對活性的影響。合成路線如圖式7 所示，以四氯乙烯為起始原料，首先合成4,5-二氯-1,2-二硫環戊烯酮，再與中間體經過邁克爾加成-消除反應得到一系列全新結構的化合物。殺蟲活性測試表明，在100 μg/mL時，所有化合物均對苜蓿蚜和稻飛虱有一定的殺蟲活性，但整體活性均低于對照藥劑氟吡呋喃酮。通過構效關系分析，只有當結構中含有吡啶環以及R 為含氟基團，尤其是二氟乙基時活性最好。

圖式7 目標化合物的合成路線[135]Scheme 7 Synthetic route of the target compounds[135]

2020 年，在東陽光農藥研發有限公司申請的專利中，將2,2-二氟乙基替換為五元雜環、六元雜環、二苯醚等結構，合成了一系列氟吡呋喃酮衍生物[136-138](圖式8)，其中部分化合物具有較好的殺蟲活性，如化合物25 對蚜蟲、黏蟲、粉虱和小菜蛾等具有良好的殺蟲活性；化合物26 在200 mg/L 下對黏蟲的致死率超過80%；化合物27 在100 mg/L 下對粉虱的致死率為100%，優于氟吡呋喃酮。

2020 年，Mesquita 等[139]報道了4 個氟吡呋喃酮類似物28-31 (圖式8)，與氟吡呋喃酮結構相比分子中缺少了二氟乙基，且丁烯內酯部分被替換為含氟取代的苯基。生物活性測定結果顯示，在48 h 內化合物28, 29, 30 在低濃度下顯示出較高的殺幼蟲活性，LC50值分別為0.57、 0.97 和 0.90 μg/mL，與氟吡呋喃酮(LC50= 1.18 μg/mL) 相比活性更好。通過分子對接，發現新化合物活性更好的原因可能是其與昆蟲乙酰膽堿受體有著獨特的結合方式以及含氟苯基的引入有關，但化合物31 的殺蟲活性不高。通過光分解試驗發現，雖然在水體系中化合物29 在陽光直射下會很快降解，但活性并不會因此而降低。

圖式8 化合物25～32 的化學結構式[136-140]Scheme 8 Chemical structures of compounds 25-32[136-140]

2021 年胡德禹課題組[140]以氟吡呋喃酮為先導結構，用酰胺結構替換6-氯吡啶，設計合成了一系列新型丁烯內酯衍生物。生物活性試驗發現，該系列化合物未表現出殺蟲活性，但表現出了良好的抗菌活性。化合物32 (圖式8)對米黃單胞菌Xanthomonas oryzae pv. oryzae的離體EC50值為35.8 mg/L，在100 mg/L 下，對其引起的水稻白葉枯病的防治效果為49%。作用機制研究表明，該化合物可以激活植物中特定的細胞防御相關酶以及上調參與氧化磷酸化的蛋白水平。

本課題組趙宇等[141]在新農藥創制過程中，希望在氟吡呋喃酮的丁烯內酯5 位引入螺環或偕二甲基骨架，得到新的具有殺蟲活性的先導化合物，但在實際合成過程中(圖式9)，發現中間體與2-氯-5-氯甲基吡啶反應時，并沒有發生N-烷基化反應，而是在羰基的α-位發生了區域選擇性C3-烷基化反應，意外得到一類全新結構的位置異構體類化合物，遺憾的是該類化合物沒有明顯的殺蟲活性。

圖式9 區域選擇性C3-烷基化合成路線[141]Scheme 9 Synthetic route of the regioselective C3-alkylation[141]

在此基礎上，為了得到預先設計的目標化合物，趙宇等[142]開發了一種在無催化劑條件下4-羥基烷基-2-炔酸乙酯與N-雜環芳基甲基-N-2,2-二氟乙基-1-胺的串聯反應(圖式10)，成功實現了目標化合物的合成，即以氟吡呋喃酮為先導化合物，在丁烯內酯5 位成功引入了偕二甲基或取代環己基。殺蟲活性測試結果表明：在供試藥劑質量濃度為600 μg/mL 下，取代基R1及R2均為甲基，R3為鹵素或甲氧基時，化合物對桃蚜的致死率為60%～100%，對黏蟲的致死率為50%～85%；當R1，R2為甲基，R3分別為F、Cl、Br 取代吡啶時，化合物對桃蚜的致死率大于90%。初步構效關系表明，當取代基R1及R2組成螺環己基以及雜環為(取代)嘧啶時化合物均失去殺蟲活性，表明5 位碳的空間位阻和雜環類型對殺蟲活性具有至關重要的影響。

圖式10 無催化劑的串聯反應合成路線[142]Scheme 10 Synthetic route of catalyst-free tandem reactions[142]

最近段紅霞等[143]設計合成了兩類含有取代苯乙烯基和丁烯內酯為特征的新型氟吡呋喃酮結構類似物(圖式11)，生物活性測試結果顯示，該類化合物對大豆蚜具有一定的殺蟲活性，但活性不及對照藥劑吡蚜酮、吡蟲啉和氟吡呋喃酮。此外，該類化合物對植物病原菌表現出一定的殺菌活性。

圖式11 兩類含取代苯乙烯基和丁烯內酯的氟吡呋喃酮結構類似物[143]Scheme 11 The two types of flupyradifurone analogues containing substituted styryl and butenolide[143]

以上結果顯示，人們對氟吡呋喃酮的化學結構進行了多角度的修飾和優化，大多數化合物的殺蟲活性不如對照藥劑，即使少數化合物的活性略好于氟吡呋喃酮，也還缺少大田試驗數據的支持，可見通過對氟吡呋喃酮的結構修飾來發現高活性殺蟲劑仍需要通過科學家的大量研究工作來實現。

7 展望

氟吡呋喃酮以其結構新穎、對蜜蜂低毒、與現有新煙堿類殺蟲劑無交互抗性等特點，自上市以來便成為新農藥創制研究的熱點。本文綜述了氟吡呋喃酮的創制過程、生物活性、作用機理、殘留代謝、對蜜蜂等非靶標生物的影響以及結構修飾及目前存在的抗性問題，重點對以氟吡呋喃酮為先導化合物進行的結構修飾進行了闡述。就目前文獻中報道的結構修飾結果來看，主要是對丁烯內酯和二氟乙基進行的結構改造，例如在丁烯內酯上再引入其他取代基或把丁烯內酯替換為其他含氮、含硫的雜環，或者將二氟乙基替換為其他取代基等，雖然結構與氟吡呋喃酮差別較大，但低濃度下與氟吡呋喃酮相比，一些化合物具有更優的殺幼蟲活性，但是這些結果仍缺少大田試驗數據的支持。由此可見，氟吡呋喃酮的結構改造對發現新的先導化合物具有重要意義，但仍需要通過科學家的大量研究工作來實現這一目標。本文對氟吡呋喃酮的研究進展進行系統總結，希望可以為相關的研究者提供新的思路和參考，以期發現活性更好的新化合物，創制出具有中國自主知識產權的新農藥。