新型雙酰胺類殺蟲劑
——溴蟲氟苯雙酰胺

宋璐璐, 艾大朋, 巨修練, 劉根炎

(武漢工程大學 化工與制藥學院，新型反應器與綠色化學工藝湖北省重點實驗室，綠色化工過程教育部重點實驗室，武漢 430205)

0 引言

傳統的雙酰胺類殺蟲劑一般以昆蟲魚尼丁受體 (ryanodine receptor，RyR) 為主要靶標。殺蟲劑通過與昆蟲RyR 結合，激活害蟲鈣離子通道，引起細胞內鈣離子過度釋放，使肌肉細胞喪失收縮功能[1]，進而出現乏力、反胃和肌肉癱瘓等癥狀，直至死亡[2-3]。這類殺蟲劑作用機制獨特，對昆蟲RyR 選擇性高，表現出較高的殺蟲活性和長期的控制效果[4-6]，且與其他類型殺蟲劑無交互抗性，加之對哺乳動物低毒，因而被廣泛應用[7-9]。目前，已商品化的作用于RyR 的雙酰胺類殺蟲劑主要有氟苯蟲酰胺 (flubendiamide)、氯蟲苯甲酰胺(chlorantraniliprole)、溴氰蟲酰胺 (cyantraniliprole)、四氯蟲酰胺 (tetra-chlorantraniliprole)、環溴蟲酰胺(cyclaniliprole) 和四唑蟲酰胺 (tetraniliprole)(圖式1)[10-15]。

圖式1 作用于魚尼丁受體的雙酰胺類殺蟲劑Scheme 1 Diamide insecticides that acted on ryanodine receptors

從結構上看，這類殺蟲劑均含有鄰苯二甲酰胺或鄰酰胺基苯甲酰胺結構。氟苯蟲酰胺是首例被報道作用于RyR 的殺蟲劑，于1998 年由日本農藥株式會社發現，后于2001 年與德國拜耳公司聯合開發，隨后美國杜邦公司又相繼開發出氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺[16]。然而，隨著人們對環保的日益重視及害蟲出現抗藥性等問題，傳統的雙酰胺類殺蟲劑面臨的問題也接踵而至。氟苯蟲酰胺因對水生生物毒性高，中國已撤銷了其在水稻作物上的登記許可，目前已被禁止在水稻作物上使用；氯蟲苯甲酰胺和溴氰蟲酰胺也因害蟲對其產生抗性等問題而被限制使用[17-18]。因此，尋找高效、低毒、環境友好且作用機制新穎的新型殺蟲劑已成為迫切需求。

新型雙酰胺類殺蟲劑溴蟲氟苯雙酰胺 (broflanilide) 于2019 年上市[15](圖1)，由于其具有高效、廣譜、作用機制新穎等特點被廣泛關注，其合成方法及類似物的研究等已有相關文獻報道[19-21]。本文主要從結構類型、研發歷程及登記情況、殺蟲活性、作用機制、安全性與代謝殘留等方面對溴蟲氟苯雙酰胺的研究現狀進行綜述。

圖1 雙酰胺類殺蟲劑上市時間 [10-15]Fig. 1 Marketing times of diamide insecticides[10-15]

1 溴蟲氟苯雙酰胺研發歷程及登記情況

1998 年，日本農藥株式會社發現了氟苯蟲酰胺(flubendiamide，研發代號：NNI-0001，圖式1)[10]，其結構不同于之前所有的農化產品，包含一個鄰苯二甲酰胺結構，對不同鱗翅目害蟲具有較高的殺蟲活性。從2002 年起，三井化學公司Katsuta等[22-23]以氟苯蟲酰胺為先導，發現了一系列對鱗翅目害蟲具有高殺蟲活性的化合物，與氟苯蟲酰胺中含有的鄰苯二甲酰胺結構不同，這些化合物均含有間苯二酰胺結構。研究表明，這些化合物使害蟲產生的中毒癥狀也完全不同于氟苯蟲酰胺，由此推測其作用機制可能發生了改變。隨后通過進一步結構優化，于2010 年發現了一種高效廣譜的新型雙酰胺類殺蟲劑：溴蟲氟苯雙酰胺(broflanilide，圖式2)[23]。溴蟲氟苯雙酰胺的化學名稱為2′-溴-2-氟-3-(N-甲基苯甲酰氨基)-4′-[1,2,2,2-四氟-1-(三氟甲基)乙基]-6′-(三氟甲基)苯甲酰苯胺，試驗代號MCI-8007，CAS 登錄號1207727-04-5。其在昆蟲體內代謝為去甲基-溴蟲氟苯雙酰胺 (DMBF，圖式2)，作用于抗狄氏劑(resistant to dieldrin，RDL)γ-氨基丁酸 (GABA) 受體后表現出殺蟲活性[24-26]。此外，它能有效解決害蟲對氯蟲苯甲酰胺、氟蟲腈等其他殺蟲劑的抗性問題[27-28]。

圖式2 溴蟲氟苯雙酰胺和去甲基-溴蟲氟苯雙酰胺的結構Scheme 2 Chemical structures of broflanilide and desmethyl-broflanilide (DMBF)

2018 年3 月，三井化學公司的溴蟲氟苯雙酰胺在日本獲得登記，用于白蟻防治的土壤處理劑，并于2019 年11 月在日本上市[29]。2019 年12 月19 日，巴斯夫公司的溴蟲氟苯雙酰胺原藥在澳大利亞農藥獸藥管理局獲得登記，這是巴斯夫公司的溴蟲氟苯雙酰胺在全球的首個登記[29]。隨后溴蟲氟苯雙酰胺陸續在日本、加拿大、中國和美國獲得登記，具體如表1 所示。

表1 溴蟲氟苯雙酰胺在全球的登記情況[29-33]Table 1 Registration statuses of broflanilide worldwide[29-33]

續表1Table 1 (Continued)

2 殺蟲活性

溴蟲氟苯雙酰胺對鱗翅目和鞘翅目昆蟲，如斜紋夜蛾Spodoptera litura、茶小卷葉蛾Adoxophyes honmai、黃曲條跳甲Phyllotreta striolata[23]、小菜蛾Plutella xylostella[34-35]、二化螟Chilo suppressalis和稻縱卷葉螟Cnaphalocrocis medinalis[36]等都具有較好的殺蟲活性，尤其對鱗翅目害蟲表現出較高的殺幼蟲活性，可使害蟲出現嘔吐及強烈興奮等癥狀[23,37]。由于其對葉類蔬菜和谷物上常見的鱗翅目、鞘翅目害蟲和白蟻等表現出較高的殺蟲活性[36]，可廣泛用于相關農作物。此外，溴蟲氟苯雙酰胺還可用作種子處理劑，并對螞蟻、蟑螂和蒼蠅等有很好的殺滅活性[34]，同時對西花薊馬Frankliniella occidentalis[23]、菜青蟲Pieris rapae[38]、黑刺粉虱Aleurocanthus spiniferus和小貫小綠葉蟬Empoasca onukii[39]等昆蟲均具有殺蟲活性。

研究表明，溴蟲氟苯雙酰胺對小菜蛾的殺蟲活性與氯蟲苯甲酰胺相當，兩者的LC50值分別為0.042 和0.056 mg/L。此外，亞致死劑量的溴蟲氟苯雙酰胺能誘導小菜蛾體內羧酸酯酶活性升高，但對多功能氧化酶和谷胱甘肽S-轉移酶的活性沒有顯著影響[34]。該研究結果對于合理使用溴蟲氟苯雙酰胺和減緩害蟲對其產生抗性具有積極意義。Sun 等[35]經過10 代篩選，發現小菜蛾對溴蟲氟苯雙酰胺無明顯抗性，實現遺傳力h2= 0.033，且CYP450 單加氧酶、酯酶和谷胱甘肽S-轉移酶等重要解毒酶的比活性無明顯變化，表明小菜蛾對其產生抗性的風險較低。

徐賽等[36]采用室內點滴法測定了溴蟲氟苯雙酰胺對水稻上主要害蟲的活性，發現其對二化螟和稻縱卷葉螟均具有良好的殺蟲活性，分別比氟苯蟲酰胺的活性高1.49 和1.61 倍，而對褐飛虱Nilaparvata lugens的殺蟲活性較低 (表2)。

表2 溴蟲氟苯雙酰胺對水稻主要害蟲的室內殺蟲活性[36]Table 2 Insecticidal activities of broflanilide against major rice pests by in-house experiments[36]

此外，采用葉面噴霧法施藥發現，溴蟲氟苯雙酰胺對二化螟和稻縱卷葉螟具有較好的田間防治效果，其保苗效果、保葉效果和殺蟲活性均高于對照組 (表3)，而對稻田天敵蜘蛛和黑肩綠盲蝽Cyrtorhinus lividipennis均無顯著殺傷作用[36]。由于氟苯蟲酰胺已被禁止在稻田使用，而溴蟲氟苯雙酰胺對水稻害蟲二化螟和稻縱卷葉螟表現出更好的殺蟲活性，因而有望替代氟苯蟲酰胺用于水稻作物上害蟲的防治。

表3 溴蟲氟苯雙酰胺對二化螟和稻縱卷葉螟的田間防效[36]Table 3 Field control efficacy of broflanilide to Chilo suppressalis and Cnaphalocrocis medinalis[36]

Tang 等[40]采用噴霧法證實了100 g/L 溴蟲氟苯雙酰胺懸浮劑對棉鈴蟲Helicoverpa armigera幼蟲和甜菜夜蛾Spodoptera exigua幼蟲均具有很好的防治效果。室內殺蟲活性測試結果表明，在1.25 mg/L 的低濃度下，溴蟲氟苯雙酰胺對小菜蛾、黏蟲Mythimna separata的致死率仍可達到100%[37]。此外，室內測定表明，溴蟲氟苯雙酰胺對蠶豆蚜蟲Aphis fabae和黏蟲均具有較高活性[15]，優于溴氰蟲酰胺 (表4)。

表4 溴蟲氟苯雙酰胺與溴氰蟲酰胺對蠶豆蚜蟲與黏蟲的殺蟲活性[15]Table 4 Insecticidal activities of broflanilide and cyantraniliprole against Aphis fabae and Mythimna separata[15]

研究表明，使用亞致死濃度的殺螨劑可能導致害蟲增加而非減少[41-43]。Shen 等[44]研究發現，溴蟲氟苯雙酰胺對二斑葉螨Tetranychus urticae卵和成年雌蟲的LC50值 (24 h) 分別為1.105 和2.062 mg/L，表明其對二斑葉螨具有較好的殺螨活性。此外，他們首次評估了溴蟲氟苯雙酰胺對螨類的亞致死效應 (表5)，發現在亞致死濃度下其對二斑葉螨的繁殖能力具有明顯的抑制作用[44]。以上研究證明溴蟲氟苯雙酰胺具有作為農用殺螨劑的潛力。

表5 二斑葉螨卵和成年雌蟲暴露在亞致死濃度溴蟲氟苯雙酰胺下對其壽命和繁殖能力的影響[44]Table 5 Effects of broflanilide on longevity and fecundity of Tetranychus urticae after sublethal exposure of eggs and adult females[44]

溴蟲氟苯雙酰胺對蚊蟲的殺滅活性引起了研發人員的興趣。2020 年，Lees 等[45]通過實驗室試驗首次證明了溴蟲氟苯雙酰胺對病媒蚊子的效力，其可殺滅成年伊蚊Aedes、按蚊Anopheles及已經對目前用于病媒控制的殺蟲劑產生抗性的蟲種。Snetselaar 等[46]證實了溴蟲氟苯雙酰胺的改良產品50%溴蟲氟苯雙酰胺可濕性粉劑 (broflanilide 50% WP，商品名VECTRONTMT500) 對敏感蚊和耐擬除蟲菊酯蚊均有效，并與擬除蟲菊酯之間不存在交互抗藥性，且可延長藥效持續時間。Ngufor等[47]通過田間試驗證實，在有效成分100 mg/m2和150 mg/m2的施藥劑量下，溴蟲氟苯雙酰胺對耐擬除蟲菊酯野生按蚊的致死率均很高。溴蟲氟苯雙酰胺對病媒蚊子及抗藥性蚊子均具有高的殺滅活性，這使其在公共衛生防治方面具有潛在的應用價值，為預防蚊蟲提供了新的可能。以上研究表明，溴蟲氟苯雙酰胺是一種廣譜殺蟲劑，可用于多種害蟲的防治 (表6)。

表6 溴蟲氟苯雙酰胺的殺蟲譜及活性Table 6 Insecticidal spectrums and activities of broflanilide

3 作用機制

作用于昆蟲RyR 的氟苯蟲酰胺包含一個鄰二酰胺結構，而對其結構進行優化后發現的溴蟲氟苯雙酰胺則包含一個間二酰胺結構[48]，酰胺位置的改變導致了該類化合物的構象發生較大變化，導致其作用靶標發生了改變 (圖2)。研究表明，溴蟲氟苯雙酰胺是GABA 門控氯離子通道 (又稱為離子型GABA 受體) 變構調節劑，主要作用于該離子通道上一個獨特的結合位點，抑制氯離子向細胞內傳遞，導致昆蟲過度興奮或痙攣，從而顯示出快速的殺蟲活性[49]。2017 年，溴蟲氟苯雙酰胺被國際殺蟲劑抗性行動委員會 (Insecticide Resistance Action Committee，IRAC) 指定為新類別：Group 30 (作用機制：離子型GABA 受體變構調節劑；化學類別：間二酰胺&異噁唑啉)[23,50]。

圖2 溴蟲氟苯雙酰胺的發現過程及作用模式轉變Fig. 2 The discovery of broflanilide and the change in its mode of action

研究表明，溴蟲氟苯雙酰胺的體內代謝產物DMBF 的作用位點位于黑腹果蠅Drosophila melanogasterRDL GABA 受體 (RDLR) M3 區的G336 處或其附近[51]，抑制氯離子的滲透和GABA誘導的神經活動，導致昆蟲過度興奮和死亡。DMBF 與谷氨酸門控氯離子通道變構調節劑 (大環內酯類殺蟲劑) 作用位點有所重疊[24,28,52]，但作用模式有很大差別。此外，DMBF 的作用模式也不同于其他離子型GABA 受體的非競爭性拮抗劑，如狄氏劑、氟蟲腈、林丹和α-硫丹等[50]。作用模式的差異可能是導致溴蟲氟苯雙酰胺對抗性害蟲仍然具有高活性的重要原因，從作用模式的研究入手可為后續新型殺蟲劑的研發提供一定的理論基礎。

RDL 亞基TM2 結構域中的A2’N、A2’S、R0’Q 突變是害蟲抗氟蟲腈的主要原因[53-57]。DMBF的結合位點與第1 代和第2 代非競爭性拮抗劑 (結合在RDLR 中5 個TM2s 形成的離子通道孔內) 不同，被認為是結合在相鄰亞基的TM1-TM3 口袋中[58]，其結合位點的明顯差異使得溴蟲氟苯雙酰胺對攜帶A2’突變的抗環戊二烯和抗氟蟲腈害蟲有效[23,25,59]。此外，溴蟲氟苯雙酰胺對離子型GABA受體中攜帶A2’S、A2’G、A2’N 突變的敏感型和耐藥型生物的殺蟲活性無明顯差異[60]。溴蟲氟苯雙酰胺的作用位點為已知靶標的新位點，使其對抗藥性害蟲具有較好的殺滅活性，有望在害蟲抗藥性管理中發揮重要作用。研究表明，DMBF 對斜紋夜蛾RDLR 的IC50值為1.3 nmol/L[25]，與人GABA-A 型受體 (GABAAR) α1β2γ2、大鼠GABAAR α1β3γ2 和人甘氨酸受體 (GlyR) α1β 相比 (表7)，DMBF 對昆蟲RDLR 表現出更高的選擇性[59-62]。因此，溴蟲氟苯雙酰胺對人類和其他哺乳動物相對安全無毒，這種特性使其在使用上具有更高的安全性。

表7 DMBF 和氟蟲腈對哺乳動物GABAAR 和GlyR 的拮抗活性[60-61]Table 7 Antagonistic activities of DMBF and fipronil on mammalian GABAAR and GlyR [60-61]

溴蟲氟苯雙酰胺殺蟲活性高，選擇性良好，對抗性害蟲有效，可廣泛用于對現有殺蟲劑具有抗性的害蟲，是一種極具市場前景的殺蟲劑。Nakao等[28]曾報道，黑腹果蠅RDLR 中G227M 的突變使DMBF 的抑制活性消失，I218F 和L222C 突變也將DMBF 的抑制活性減弱了6 倍[25]，表明這些突變附近可能是DMBF 的結合位點。為了探究DMBF 對昆蟲RDLR 更詳細的作用模式，Gao 等[63]通過分子模擬研究預測了RDLR 的G277 與DMBF 之間形成的氫鍵可能是維持DMBF 拮抗活性的關鍵相互作用之一。在作用于G277 突變體時，結合位點的改變和親和力的降低均可能導致DMBF 活性降低。DMBF 對昆蟲RDLR 的相互作用模式尚不十分明確，這一發現可為繼續研究DMBF 的詳細作用模式提供新的參考。

4 安全性與代謝殘留研究

溴蟲氟苯雙酰胺結構中含有12 個鹵素原子，具有較高的油水分配系數[64]，容易在動植物體內的脂質中積累[65]，而其代謝物與其具有相似的化學結構，因此溴蟲氟苯雙酰胺對各種生物的毒性研究也不容忽視。研究表明，99.68%溴蟲氟苯雙酰胺原藥對大鼠急性經口毒性 (LD50＞2 000 mg/kg)、急性經皮 (LD50＞5 000 mg/kg) 毒性均較低，對兔皮膚、眼睛無刺激性，未觀察到其對哺乳動物免疫毒性、遺傳毒性和神經毒性，無致畸性，對繁殖無影響[66]。此外，溴蟲氟苯雙酰胺對某些水生生物的毒性較低 (表8)。但已有研究表明，溴蟲氟苯雙酰胺對斑馬魚Danio rerio具有一定的威脅。Jia 等[67]研究發現，溴蟲氟苯雙酰胺對斑馬魚的急性毒性較低 (LC50(96 h)＞10 mg/L)，但表現出中等生物富集能力，即使在環境濃度較低的情況下，長期接觸溴蟲氟苯雙酰胺也可能影響斑馬魚代謝從而引起慢性毒性。此外，Duan 等[68]研究發現，溴蟲氟苯雙酰胺對斑馬魚胚胎的生長發育尤其是心臟發育有著不利影響，且能誘導胚胎凋亡。目前，關于溴蟲氟苯雙酰胺對魚類的毒性以及作用機制的研究相對較少，其對魚類等水生生物的毒性研究應該引起足夠的重視，進一步研究溴蟲氟苯雙酰胺對水生生物的毒理學作用，有助于為其合理使用、減少不良毒理作用等方面提供一定的參考。

表8 溴蟲氟苯雙酰胺對水生生物的毒性Table 8 Toxicities of broflanilide to aquatic organisms

作為農藥，溴蟲氟苯雙酰胺在土壤、水和作物中的代謝殘留分析也尤為重要。近年來，研究人員對溴蟲氟苯雙酰胺及其兩種代謝物 (S(PFHOH)-8007 和DM-8007，圖式3) 的代謝殘留進行了研究。

圖式3 S(PFH-OH)-8007 和DM-8007 結構Scheme 3 Structural formula of S(PFH-OH)-8007 and DM-8007

2018 年，An 等[24]首次報道了中國5 種不同類型典型土壤 (紅壤、黑土、潮土、褐土和水稻土) 中溴蟲氟苯雙酰胺及其兩種代謝物的農藥殘留分析方法。結果表明，在5 種土壤中3 種化合物的平均回收率為85.3%～111.8%，相對標準偏差小于13.6%，3 種化合物的定量限均為0.1 μg/kg，該方法的建立為后續溴蟲氟苯雙酰胺及其代謝物的殘留研究奠定了基礎。Xie 等[69]驗證了一種可對土壤樣品中溴蟲氟苯雙酰胺進行檢測的方法，通過該方法對4 個土壤樣品 (采集于中國不同區域農田表層) 進行了檢測。結果表明，除富含有機質的黑土外，溴蟲氟苯雙酰胺在農業系統土壤中均具有中等或高的流動性，對地下水和地表水構成一定威脅。因此，進一步研究溴蟲氟苯雙酰胺在水稻環境中的毒理學效應是非常必要的。Xie 等[70]開發了一種有效檢測溴蟲氟苯雙酰胺殘留量的方法，并對稻田水、水稻土和水稻秸稈中的溴蟲氟苯雙酰胺殘留消解動態進行了研究。結果表明，收獲時稻田土壤、稻稈及稻殼樣品中均未檢測到溴蟲氟苯雙酰胺殘留量或檢測結果低于定量限。此外，對于溴蟲氟苯雙酰胺在農作物和食品中的殘留分析方法的研究也不容忽視。Noh 等[71]以QuEChERS 方法為基礎，采用檸檬酸緩沖液提取樣品，改變分散固相萃取 (d-SPE) 技術中吸附劑的組成，使用25 mg 伯仲胺 (PSA) 與其他吸附劑(C18、石墨化碳黑) 混合，建立了一種能快速高效地測定不同作物 (糙米、大豆、蘋果、青椒、橘子等) 中溴蟲氟苯雙酰胺及其兩種代謝物殘留量的方法。結果表明，該方法基質效應低 (-18.3%～18.8%)，農藥回收率均在70%～120%之間，可用于不同作物中溴蟲氟苯雙酰胺及其代謝物殘留的檢測。目前，對于溴蟲氟苯雙酰胺及其代謝物在農作物食品中的殘留還處于研究階段，不同的農作物和食品可能需要不同的殘留分析方法，有必要繼續開發多種分析方法。已有的研究結果表明，溴蟲氟苯雙酰胺在水稻環境以及部分農作物食品中殘留量較低，有望在農業中廣泛使用。

5 總結與展望

殺蟲劑在我國農業、林業和公共衛生害蟲防治方面均發揮著重要作用。有機磷類、氨基甲酸酯類、擬除蟲菊酯類、煙堿類和大環內酯類等殺蟲劑曾被廣泛使用，但由于其本身的毒性、害蟲產生抗藥性或其對環境的生態毒性等原因，這些殺蟲劑相繼被限用或淘汰[37]，雙酰胺類殺蟲劑的發現是殺蟲劑研究領域的重要里程碑。自首個作用于RyR 雙酰胺類殺蟲劑被發現以來，國內外學者對其開展了廣泛的研究，并取得了很好的進展，發現了很多高活性先導化合物。

新型雙酰胺類殺蟲劑溴蟲氟苯雙酰胺是以氟苯蟲酰胺為先導，通過結構優化而成功研發的，兩者在結構上具有一定相似性，但雙酰胺結構從鄰位到間位的改變以及對部分結構進行修飾后導致作用靶標發生了改變，這為未來新型殺蟲劑的研發提供了很好的思路。此外，溴蟲氟苯雙酰胺的作用位點獨特，進一步明確其作用模式可為開發新型、高選擇性殺蟲劑提供更多的理論依據。因其獨特的作用機制，溴蟲氟苯雙酰胺與現有殺蟲劑無交互抗性，可被用于抗藥性害蟲的防治，這為解決害蟲對傳統殺蟲劑的抗性問題提供了新的選擇。此外，溴蟲氟苯雙酰胺對哺乳動物和水生生物低毒，作為新型農用殺蟲劑使用具有較廣闊的應用前景。