新哌啶基噻唑異噁唑啉類殺菌劑fluoxapiprolin的合成及應用

黃 林，趙 品，譚海軍

(1.浙江禾田化工有限公司，浙江 杭州 310023；2.蘇州艾科爾化工科技有限公司，江蘇 昆山 215300)

以霜霉病和疫病為主的植物卵菌綱病原菌是一類重要的植物病害，其寄主作物范圍廣、潛育期短、再侵染次數多、流行性和破壞性強，易導致水果和蔬菜等多種作物的產量和品質受到較大影響，從而影響作物種植的經濟效益。目前，化學藥劑防治仍是控制植物卵菌綱病害的手段之一，防治藥劑主要有波爾多液、代森錳鋅等保護性的銅制劑和硫制劑，以及苯菌靈、霜霉威、烯酰嗎啉、三乙膦酸鋁和嘧菌酯等苯并咪唑類、氨基甲酸酯類、嗎啉類、有機磷類和甲氧基丙烯酸酯類等治療性殺菌劑。然而，植物卵菌綱病害逐漸對上述藥劑產生了抗藥性，研究開發具有全新化學結構和作用機理的殺菌劑對實現該類病害的有效控制顯得尤為重要。

作為一類全新的殺菌劑，哌啶基噻唑異噁唑啉類（piperidinyl thiazole isoxazoline）殺菌劑具有獨特的作用靶標和位點，對多種敏感和抗性植物卵菌綱病害具有卓越的防效。繼由Dupont 公司（現Corteva 公司）開發上市的首個哌啶基噻唑異噁唑啉類殺菌劑氟噻唑吡乙酮（oxathiapiprolin）[1]之后，Bayer 公司于2012 年開發出了該類別的第2 個殺菌劑fluoxapiprolin[2]，代號為BCS-CS55621。2018 年10 月，ISO 農用化學品通用名技術委員會臨時批準了fluoxapiprolin 的英文通用名[3]，為該品種的全球商業化開發奠定了基礎。

從化學結構上看，fluoxapiprolin 的主體骨架結構與氟噻唑吡乙酮相同，可以看作是用3,5-二(二氟甲基)-1H-吡唑基團對后者的5-甲基-3-三氟甲基-1H-吡唑部分進行替換，并引入不含氟的2-氯-6-甲氧磺酰基苯環得到的。Fluoxapiprolin與氟噻唑吡乙酮的化學結構見圖1。

圖1 Fluoxapiprolin 與氟噻唑吡乙酮的化學結構

1 理化性質

Fluoxapiprolin 的IUPAC 化學名為2-{(5RS)-3-[2-(1-{[3,5-二(二氟甲基)-1H-吡唑-1-基]乙酰基}-4-哌啶基) 噻唑-4-基]-4,5-二氫異噁唑-5-基}-3-氯苯基甲磺酸酯，CAS 號：1360819-11-9，分子式：C25H24ClF4N5O5S2，分子量：650.064。由于異噁唑環上存在1 個手性碳原子，fluoxapiprolin 為2個外消旋體的混合物。其中，(R)-對映體和(S)-對映體的CAS 號分別為1703753-81-4 和1703753-80-3。

Fluoxapiprolin 的LogP 為3.2（pH=2.7）或3.9（pH=7.8）[2]，熔點為153 ℃～154 ℃[4]。Fluoxapiprolin為淺棕色固體粉末，不易燃、不易爆，也無氧化特性，有微弱的氣味，密度為1.51 g/cm3（20 ℃），蒸氣壓為3×10-5Pa（純物質，20 ℃），亨氏常數為2.4×10-1Pa·m3·mol-1，pH 為6.4（純物質，24 ℃）或5.7（95%原藥，20 ℃），水溶解性為0.08 mg/L（蒸餾水，最終pH=5.9）。有機溶劑溶解性（20 ℃）：甲醇:1.3 g/L，庚烷：0.061 mg/L，甲苯：1.1 g/L，二氯甲烷：143 g/L，丙酮：84 g/L，乙酸乙酯：15 g/L，二甲基亞砜：大于270 g/L[5]。基于產品特性，fluoxapiprolin 可用于配制多種制劑類型，但用于懸浮劑、可濕性粉劑、水分散顆粒劑及其他活性成分以固體形式存在的制劑時，需使用熱力學上更穩定的晶態原藥[4]。

在水中，fluoxapiprolin 不易生物降解，受水解（有氧水表面DT50=7.5 d）和光解（DT50=38.5 d）作用的影響不大，具有一定的持久性，但生物富集潛在可能性較低[5]。值得注意的是，(R)-對映體的降解速度比(S)-對映體快，但是外消旋體在水/沉積物中的比例沒有變化。而在土壤中，fluoxapiprolin 具有一定的移動性和持久性，在有氧條件下DT50=13.0～81.4 d；厭氧條件下DT50=281 d，光解的DT50=50.8 d[5]。

2 毒性[5]

2.1 哺乳動物毒性

Fluoxapiprolin 對哺乳動物的毒性較低。其中，對大鼠急性經口毒性LD50>2 000 mg/kg 體重，大鼠急性經皮毒性LD50＞2000 mg/kg 體重，大鼠急性吸入毒性LC50＞2.11 mg/L，對兔眼睛無刺激性，對兔皮膚無刺激性，對小鼠無接觸致敏性（局部淋巴結），無致癌、致突變性和生殖發育毒性。

2.2 生態毒性

Fluoxapiprolin 的生態毒性較低，但對大型溞存在一定的生殖毒性。魚類：虹鱒（Oncorhynchus mykiss）LC50（96 h）＞1.05 mg/L，黑頭呆魚（Pimephales promelas）LC50（96 h）＞1.00 mg/L，黑頭呆魚NOEC（32 d，生命早期階段）≥0.91 mg/L。水生無脊椎動物：大型溞（Daphnia magna）EC50（48 h）＞1.00 mg/L，糠蝦（Americamysis bahia）EC50（96 h）＞0.84 mg/L；稀釋搖蚊（Chironomus dilutus）EC50（48 h）＞1.00 mg/L；大型溞NOEC（21 d，生殖）為0.032 mg/L，稀釋搖蚊NOEC（28 d，發育速度）≥1.0 mg/L。藻類和大型水生植物：月牙藻（Pseudokirchneriella subcapitata）ErC50（72 h）＞1.00 mg/L，水華魚腥藻（Anabaena flosaquae）ErC50（72 h）＞0.87 mg/L，小皮舟形藻（Navicula pelliculosa）ErC50（72 h）＞0.81 mg/L，中肋骨條藻（Skeletonema costatum）ErC50（72 h）＞0.72 mg/L，膨脹浮萍（Lemna gibba）ErC50（7 d）＞1.00 mg/L。陸生脊椎動物：山齒鶉（Colinus virginianus）急性經口LD50＞2000 mg/kg體重，LC50（8 d）＞1067 mg/kg 體重/d，NOEC（23 w，1 代生殖）為80 mg/kg 體重/d；綠頭鴨（Anas platyrhynchos）LC50（8 d）＞1374 mg/kg 體重/d，NOEC（23 w，1 代生殖）為148 mg/kg 體重/d；金絲雀（Serinus canaria）急性經口LD50＞2000 mg/kg 體重。陸生無脊椎動物：西方蜜蜂（Apis mellifera）急性經口LD50（48 h）＞217.6 μg/蜂，急性接觸LC50（48 h）＞200.0 μg/蜂，慢性經口LD50（10 d）＞42.8 μg/蜂，NOEC（8 d，幼蜂重復暴露）≥649.4 mg/kg飼料（100 μg/蜂）或≥468 mg/kg 飼料（73.8 μg/蜂），歐洲熊蜂（Bombus terrestris）急性經口LD50（48 h）＞231.6 μg/蜂，急性經皮LD50（48 h）＞200.0 μg/蜂。土壤生物：歐洲紅蚯蚓（Eisenia andrei）LC50（14 d）＞500 mg/kg 土壤干重。非靶標節肢動物：蚜繭蜂（Aphidius rhopalosiphi）LR50（48 h）＞60 g/hm2，梨盲走螨（Typhlodromus pyri）LR50（48 h）＞60 g/hm2。

3 生物活性

與氟噻唑吡乙酮相同，fluoxapiprolin 對多種農作物的卵菌綱病原菌如霜霉病和疫病有較好的防治效果。室內生測結果[2]表明，fluoxapiprolin在質量濃度為10 mg/L 處理6 d，對葡萄霜霉病的控制率達到100%；在質量濃度為100 mg/L 處理7 d，對馬鈴薯疫病的控制率達到75%。Fluoxapiprolin 還可用于玉米等單子葉植物及其轉基因作物的霜霉病防治，使用方法和用量[6]見表1。

表1 Fluoxapiprolin 在單子葉植物及其轉基因作物上的使用方法和用量

Fluoxapiprolin 的生物活性或藥效與其立體構型和晶型有關[3,6]：fluoxapiprolin 中的(R)-對映體和(S)-對映體的生物活性幾乎相同，但晶態的藥效要好于同等條件下非晶態的藥效（表2）。因而沒有必要對fluoxapiprolin 進行手性選擇或拆分，但控制選擇合適的晶態原藥卻十分重要。

表2 由晶態和非晶態fluoxapiprolin 制成的50 g/L SC 的藥效[3]比較

4 作用機理

Fluoxapiprolin 的化學結構與氟噻唑吡乙酮基本相同，防治作物和對象與后者相似，作用機理也相同。根據國際殺菌劑抗性行動委員會最近的殺菌劑作用機理分類[7]，fluoxapiprolin 的作用機理也涉及脂質的代謝平衡與轉移/貯存，通過抑制氧化固醇結合蛋白（OSBP）而發揮作用，對由卵菌綱病原菌引起的植物病害如疫病和霜霉病具有較高生物活性。然而，由于作用位點單一，fluoxapiprolin 也面臨著與氟噻唑吡乙酮相同的問題，即存在較高的抗性風險。研究表明[8]，辣椒疫霉菌(Phytophthora capsici)對fluoxapiprolin 具有中等抗藥風險，而PcORP1 的多個點突變可賦予該病原菌對fluoxapiprolin 不同的耐藥水平。

另一方面，氟噻唑吡乙酮對病原菌生命周期中的多個階段皆有效，且具有預防和治療作用、良好的移動性（可從老葉向新葉轉移并且長距離輸導）和內吸向頂傳導作用[9]。Fluoxapiprolin 是否也存在類似的作用方式特點還值得進一步研究。

5 原藥合成

如圖2 所示，fluoxapiprolin 原藥的合成以3-氯-2-(3-氯乙酰基-4,5-二氫-l,2-噁唑-5-基)苯基甲磺酸酯（I）為原料，經與哌啶-4-硫代甲酰胺環合后、再與氯代乙酰氯發生取代反應，最后與3,5-二氟甲基-1H-吡唑（II）縮合得到[2,10]。上述反應的收率依次為90%、85%和84%，三步反應總收率達到64.3%，得到fluoxapiprolin 的初級產品含量為94%。Fluoxapiprolin 工業化合成路線和工藝（含精制）還有待進一步優化開發，可參考氟噻唑吡乙酮以及其他同類化合物合成時的不同環合次序策略[1-2,9]。

圖2 Fluoxapiprolin 合成路線

關鍵中間體3-氯-2-(3-氯乙酰基-4,5-二氫-l,2-噁唑-5-基)苯基甲磺酸酯（I）以2-甲基-3-氯苯酚為起始原料，經酯化、氯化、氧化、加成和脫水酯化后，與1,3-二氯-N-羥基-2-氧代丙亞胺環合得到產品[1-2,9,11]。其中，1,3-二氯-N-羥基-2-氧代丙亞胺可由1,3-二氯丙酮與亞硝基叔丁酯（t-BuONO）縮合得到。關鍵中間體（I）的合成路線見圖4。

圖3 關鍵中間體（I）的合成路線（其中R 為相應的烷基）

另一關鍵中間體3,5-二氟甲基-1H-吡唑（II）以N,N-二甲基四氟乙基胺（TFEDMA）為原料，與三氯化鋁或三氟化硼絡合成鹽后，經與1,1-二氟-N-異丙基-2-丙亞胺或N-(1,1-二氟-2-丙基)苯胺或1-(1,1-二氟-2-亞丙基)-2-(二苯基亞甲基)肼縮合、與水合肼環合得到產物[12-13]，或者直接與1,1-二氟-N-芐基-2-丙亞胺和水合肼一鍋合成[14]。關鍵中間體（II）的合成路線見圖4。

圖4 關鍵中間體（II）的合成路線（其中L 為三氯化鋁或者三氟化硼）

6 制劑與應用

作為一種全新的殺菌劑，fluoxapiprolin 有多種單一和復合制劑產品得到了研究開發和應用。Bayer 公司即將上市的單劑產品為20 g/L fluoxapiprolin SC（懸浮劑），正在商業化開發中的復配制劑產品有：11.25 g/L fluoxapiprolin+225 g/L氟吡菌胺OD（油懸劑）、30 g/L fluoxapiprolin +200 g/L 氟吡菌胺SC、9.38 g/L fluoxapiprolin +188 g/L 丙森鋅OD 和0.5 g/kg fluoxapiprolin+丙森鋅70 g/kg WG（水分散顆粒劑）等。其中，單劑20 g/L fluoxapiprolin SC（商品名：XivanaTM）于2022 年1 月最先在新西蘭獲得農藥登記批準，用于洋蔥霜霉病、番茄和馬鈴薯的晚疫病防治，相關登記的使用方法見表3。與現有用于馬鈴薯和洋蔥病害防治的含氟噻唑吡乙酮、雙炔酰菌胺、噁唑菌酮、烯酰嗎啉或代森錳鋅等的制劑產品相比，fluoxapiprolin 的活性成分的用量更低、危害更小，對環境的影響也更小[15]。此外，fluoxapiprolin相關產品在澳大利亞、印度尼西亞、印度和歐盟等國家和地區的農藥登記也正在開展之中。

表3 XivanaTM 在新西蘭登記的使用方法

Bayer 公司還對fluoxapiprolin 的混合制劑及應用進行了大量的研究開發工作，通過與多種不同作用機理的殺菌劑桶混或復配以增強殺菌效果并擴展殺菌譜[16]。特別地，Bayer 公司在多個新創制農藥品種的應用開發中引入fluoxapiprolin，如與二氟甲基-煙堿-茚滿基甲酰胺類化合物復配防治多種病害[17]；與吡唑酰胺類及其他雜環殺菌劑復配防治作物及其轉基因植株或種子的多種真菌性病害[18]；與N-環丙基-N-取代苯基-3-二氟甲基-5-氟-1-甲基-1H-吡唑-4-甲酰胺或硫代甲酰胺衍生物和/或其鹽復配用于防治咖啡銹病、柑橘黑斑病和瘡痂病，以及香蕉黑葉斑病等[19]。

與此同時，還有不少農用化學品跨國公司進行了fluoxapiprolin 混用制劑產品的研究和應用開發。其中，Sumitomo 公司用fluoxapiprolin 與嘧啶等雜環類殺菌劑復配防治多種病害[20-22]，BASF 公司用fluoxapiprolin 與tioxazafen 復配防治多種病害和線蟲[23]，Dupont 公司用fluoxapiprolin 與4-(2-氯-4-氟苯基)-N-(2,6-二氟苯基)-l,3-二甲基-l H-吡唑-5-胺復配防治作物植株或種子的真菌性病害[24]。

7 總結與展望

作為第2 個商業化開發的哌啶基噻唑異噁唑啉類殺菌劑，fluoxapiprolin 對馬鈴薯、葡萄、西紅柿和玉米等農作物的卵菌綱病原菌如霜霉病和疫病具有卓越防效。Fluoxapiprolin 的化學結構和作用機理與氟噻唑吡乙酮相似或相同，但其用量更低、安全性更高、對環境生態的壓力更小。隨著農藥登記在全球的陸續獲批和上市應用，fluoxapiprolin 必將為種植者提供有效的綜合防治的輪換藥劑。然而，fluoxapiprolin 存在作用位點單一，存在較高的抗性發展風險，應積極開展桶混和復配制劑的開發和應用工作，減少施用劑量、延長產品生命周期。此外，fluoxapiprolin 適合工業化生產的晶態原藥合成工藝值得優化開發。