除草劑NWAFU-J10 創制經緯

魏少鵬，姬志勤

(1.西北農林科技大學植物保護學院，陜西 楊凌 712100；2.陜西省植物源農藥研究與開發重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

以現有除草劑為先導化合物，基于me too 思路設計化合物是除草劑創制的主要策略，實踐證明這種策略非常成功。回溯歷史，每個活性優異的新除草劑問世都會引起業內多個公司的跟蹤研究，并最終成功開發出衍生化產品。近10 年來，我國除草劑創制工作取得了長足進展，以清源農冠公司和先達股份/華中師大為代表的中國企業和高校陸續開發了環吡氟草酮、雙唑草酮、三唑氟草酮以及喹草酮等10 多個除草劑品種，數量上超過了同期全球其他國家，充分展現了我國除草劑創制的強大實力[1-2]。

盡管我國除草劑創制成果令人欣喜，但我國在除草劑原創分子骨架研究上尚未有突破，歐美日農藥巨頭在除草劑的原始創新領域仍然處于壟斷地位。正如劉長令所述，“中國創制的新農藥品種性價比有限，且多屬于me too 研究，與國外大公司的品種相比缺乏競爭力”[3]。2022 年1 月29 日，國家八部委聯合發布《“十四五”全國農藥產業發展規劃》中也指出，我國農藥工業“創新能力薄弱……，原始創新能力與農藥生產大國地位不匹配”[4]。2022 年8月，中國農業工業協會會長孫叔寶在第十一屆中國農藥知識產權與科技創新大會上提出，“高質量創新是實現中國農藥高質量發展的有力保障”。

新農藥創制是一項高投入、高風險，且難度極大的工作，歐美跨國公司在近10 年推出的全新結構除草劑較之以前也有明顯減少。雖然我國除草劑創制產品數量已居于全球首位，但大多僅是國外現有產品的衍生物，且與國外現有產品相比在性價比上是否具有優勢仍有待觀察。跨國公司推出原創除草劑速度明顯放緩，繼續采用跟隨策略進行創制也面臨更大局限性。展望未來，我國農藥創制要力爭在原始創新上有突破，創制出專利權穩定、性價比優勢明顯、具有市場競爭力的新產品。

1 NWAFU-J10 創制過程

1.1 化合物設計思路——基于非活性基團的多樣化衍生

根據先導來源，有2 種創制策略：⑴以現有農藥產品或現有活性化合物為先導；⑵以新活性化合物為先導。第一種創制策略優點是周期短、風險小、合成有限數量化合物就可以獲得候選化合物，且候選化合物作用機制明確，難點在于如何獲得候選化合物專利權、確保候選化合物較現有產品具有更高的性價比。第二種創制策略優點是可以獲得具有新穎分子骨架或新作用機制候選化合物及其專利權，不足之處是風險大、周期長、成本高。

本文基于“非活性基團多樣化衍生”思路創制出NWAFU-J10。所謂“非活性基團”并非隨意選取的化學結構，而是指現有農藥產品或已知活性化合物化學結構中對生物活性不起決定性作用的結構單元，案例如下：

苯并噻唑類衍生物是一類重要稠雜環化合物，具有抗癌、抗感染、抗痙攣、殺菌及除草等廣譜生物活性，在農藥和醫藥領域具有重要應用價值[5]。商品化除草劑苯噻酰草胺、草除靈、苯噻隆和噻唑禾草靈屬于苯并噻唑類化合物(圖1)[6]，但苯并噻唑并非該4 種除草劑活性基團。苯噻酰草胺屬于酰胺類除草劑，其作用機制是抑制細胞分裂；草除靈屬于激素類除草劑；苯噻隆屬于脲類除草劑，其作用機制是抑制光合作用PSII 的電子傳遞；噻唑禾草靈則屬于芳氧苯氧丙酸類除草劑，其作用靶標是乙酰輔酶A 羧化酶。德國赫斯特公司報道的除草化合物1和除草劑吡氟酰草胺作用機制相同，都作用于類胡蘿卜素生物合成途徑中的八氫番茄紅素脫氫酶(PDS)，但其對PDS 的抑制作用比吡氟酰草胺高186 倍[7]，且其結構中的苯并噻唑也不是活性基團。

基于“非活性基團多樣化衍生”融合了本文所述2 種創制策略。首先，它基于現有除草劑或已知活性化合物，這一點類同me too 策略，但me too 分子設計時保留的是現有產品的活性基團，而基于“非活性基團多樣化衍生”是選擇多個除草劑作為先導化合物，分子設計時保留的是多個除草劑化學結構中共有的非活性基團。其次，非活性基團多樣化衍生時采用隨機合成策略，以考察分子骨架不同位置引入不同類型化學基團對除草活性的影響。

1.2 化合物庫構建和先導化合物發現

苯并噻唑骨架有噻唑環2-、3-和苯環4-、5-、6-、7-共6 個不同位點。基于原料可得、制備便捷，首先衍生噻唑環3-位，以2-羥基苯并噻唑與芳烴偶聯制備3-芳基苯并噻唑，構建了208 個苯并噻唑化合物庫(圖2)。采用小杯法測試了化合物100 mg/L劑量對稗草和馬齒莧的除草活性，結果發現部分衍生物除草活性明顯，其中化合物99 最為突出。采用盆栽法測試了化合物99 對苘麻和反枝莧的苗前和苗后除草活性，結果發現其僅在2.0 kg/hm2高劑量時對苘麻和反枝莧表現出一定苗后除草活性，但基于其結構新穎且衍生性強，確定其為先導化合物。

1.3 先導化合物的結構優化

第一輪結構優化。保持化合物99 的結構不變，僅在苯環的4-、5-、6-和7-位引入不同取代基(圖3)，考察取代基類型和取代位置對除草活性的影響，結果發現在苯環的6-位引入供電子效應的烷基和烷氧基對除草活性較為有利，其中化合物I-56 的活性最佳，對除草活性最為有利。盆栽試驗結果表明：與化合物99 相比，I-56 的除草活性提高了大約4 倍，用藥量降至500 g/hm2。

圖3 先導化合物的結構優化

第二輪結構優化。為了在6-位引入更多類型的取代基，固定I-56 的吡啶基苯并噻唑的環體系不變，僅脫去苯環6-位側鏈的甲基，考察在6-羥基上引入不同取代基對除草活性的影響，結果發現引入乙酸甲酯后(II-127)可以顯著提高除草活性，化合物II-127 的用量可降至200 g/hm2。

第三輪結構優化。考察了在吡啶環上引入不同取代基，以及在6-位側鏈引入各種羧酸酯和酰胺對除草活性的影響，最終發現在吡啶環3-位和5-位引入吸電基團的鹵素，在苯環的6-羥基上引入適當的羧酸酯對于除草活性最有利，由此從合成的眾多化合物中確定了除草劑候選化合物NWAFU-J10。

2 NWAFU-J10 的除草活性

NWAFU-J10 為觸殺型莖葉處理除草劑，土壤處理不表現除草活性，對后茬作物安全。NWAFU-J10殺草譜廣，對反枝莧、藜、馬齒莧、田旋花、麥家公、麥瓶草、婆婆納及豬殃殃等大多數闊葉雜草具有極高的除草活性，對稗草和狗尾草等禾本科雜草也有明顯的抑制作用，在15～30 g/hm2劑量下可防除大多數闊葉雜草和部分禾本科雜草。NWAFU-J10 的除草活性與FMC 公司開發的唑草酮相當(表1)。

表1 NWAFU-J10 莖葉噴霧處理對雜草的鮮重抑制率 (%)

NWAFU-J10 具有作用速度快、耐低溫的特點。施藥數小時后敏感雜草即可出現明顯癥狀，2～3 d 雜草死亡，光照條件好時當天即可死草。與大多數除草劑低溫下除草活性下降不同，NWAFU-J10 的除草活性受溫度影響很小，在低溫下對雜草仍具有很好的防除效果。NWAFU-J10 可用于小麥冬前化除，或玉米和甘蔗等作物的行間定向噴霧除草。

NWAFU-J10 生產成本低，合成工藝成熟，各步反應的后處理簡單，且所需的各種原料均有工業級產品提供。

3 展望與總結

在除草劑NWAFU-J10 的創制過程中，筆者采用了“基于非活性基團的多樣化衍生”設計策略，該名詞只是化合物設計思路的形象描述，并非具有推廣價值的分子設計理論，其本質上仍屬于隨機合成的范疇。隨機合成在現代農藥發展史上曾經發揮了重要的作用，隨著化學信息學及結構生物學等學科的快速發展，隨機合成在新農藥創制中的重要性已顯著下降。雖然隨機合成具有耗時長、人力成本高以及資金投入大等缺陷，但它仍然是迄今為止成功率較高的農藥創制策略之一，特別是在發現新穎分子骨架上具有獨特的優勢。在歷時數年的實踐過程中，筆者合成了數量龐大的苯并噻唑類化合物，構建了不同類型的化合物庫，大多數化合物庫中均未篩選到有價值的先導化合物，文中僅列出了其中較為成功的一種。

為了獲得結構新穎的原創活性分子骨架，筆者進行化合物設計時刻意回避了當前流行的me too 策略，采用逆向思維選取了幾個除草劑中共有的非活性基團作為分子骨架，而不是在原有分子的活性基團上進行分子設計，最終發現了不同于任何一類除草劑的3-吡啶基苯并噻唑-2-酮分子骨架，屬于先導化合物的原始創新。NWAFU-J10 具有廣譜、快速、高效的除草活性，成熟的合成工藝和較低的生產成本，具有良好的產業化開發前景。