蘇彥豪, 許磊川, 趙 宇, 張 倩, 李益豪, 王明安

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)系，農(nóng)藥創(chuàng)新研究中心，北京 100193)

新煙堿類殺蟲(chóng)劑是以煙草中的生物堿尼古丁(nicotine)為先導(dǎo)化合物開(kāi)發(fā)而來(lái)，作用于昆蟲(chóng)乙酰膽堿受體，自1991 年第1 個(gè)品種——吡蟲(chóng)啉商品化至今，該類殺蟲(chóng)劑已發(fā)展至第4 代，有10 多個(gè)商品化品種。在高毒農(nóng)藥逐漸被禁用的趨勢(shì)下，新煙堿類殺蟲(chóng)劑在防治病蟲(chóng)害方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用[1]。然而近年來(lái)隨著該類殺蟲(chóng)劑的大量使用，其對(duì)桃蚜、稻褐飛虱、棉粉虱、溫室粉虱等產(chǎn)生的抗性問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重，部分新煙堿類殺蟲(chóng)劑還對(duì)蜜蜂高毒或劇毒，多國(guó)已逐步禁用部分高毒新煙堿類殺蟲(chóng)劑[2]。因此開(kāi)發(fā)高效、對(duì)蜜蜂低毒，且與現(xiàn)有品種無(wú)交互抗性的新型殺蟲(chóng)劑迫在眉睫。在21 世紀(jì)開(kāi)發(fā)的新農(nóng)藥品種中[3]，拜耳公司的新型丁烯內(nèi)酯類殺蟲(chóng)劑—氟吡呋喃酮(flupyradifurone，F(xiàn)PF，商品名Sivanto?)[4-6]較好地解決了這一問(wèn)題，其純品為白色至米黃色固體粉末，幾乎無(wú)味，對(duì)多種刺吸式口器害蟲(chóng)具有藥效快、持效期長(zhǎng)等特點(diǎn)，對(duì)包括幼蟲(chóng)和成蟲(chóng)在內(nèi)的所有生長(zhǎng)時(shí)期害蟲(chóng)皆有效，且與現(xiàn)有新煙堿類殺蟲(chóng)劑無(wú)交互抗性，對(duì)蜜蜂急性接觸LD50> 100 μg/頭，急性經(jīng)口LD50為1200 ng/頭，葉面殘留量200 g/hm2時(shí)對(duì)蜜蜂無(wú)影響。對(duì)蜜蜂的田間長(zhǎng)期研究表明，施藥量為有效成分205 g/hm2時(shí)，對(duì)覓食期的蜜蜂無(wú)副作用，對(duì)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(tǒng)新煙堿類殺蟲(chóng)劑具有較低毒性，可能是兩者與蜜蜂體內(nèi)乙酰膽堿受體具有相反的鍵合方式[7]，按標(biāo)簽規(guī)定劑量使用，對(duì)蜜蜂活動(dòng)區(qū)域也沒(méi)有不利的影響[8]。

在農(nóng)藥制劑研發(fā)過(guò)程中，將兩種或多種農(nóng)藥品種進(jìn)行復(fù)配可以提高藥效，有效減少使用量以及延緩抗性的產(chǎn)生，殺蟲(chóng)劑氟吡呋喃酮也是如此。如拜耳公司針對(duì)氟吡呋喃酮申請(qǐng)了多個(gè)與其他殺菌劑或殺蟲(chóng)劑的組合物專利[9-12]，中國(guó)也有多家單位先后開(kāi)展了該藥劑與不同殺蟲(chóng)劑、殺菌劑以及生物農(nóng)藥的復(fù)配制劑研究，不僅提高了藥效，而且拓展了活性譜，擴(kuò)大了應(yīng)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(duì)線蟲(chóng)的防治效果；氟吡呋喃酮與其他殺菌劑的復(fù)配制劑，可應(yīng)用于馬鈴薯上病蟲(chóng)害的防治[15-18]；將氟吡呋喃酮與咯菌腈和咪酰胺的三元復(fù)配制劑用于種子處理，可以顯著提高對(duì)蔬菜蚜蟲(chóng)、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(fù)配制劑還可以用來(lái)防治棉花上的病原真菌[20]。此外，氟吡呋喃酮還有與擬除蟲(chóng)菊酯類、雙酰胺類、螺環(huán)季酮酸類殺蟲(chóng)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(chóng)劑進(jìn)行復(fù)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(xié)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(zhǎng)和健康狀況等的研究報(bào)道[43-45]。

鑒于氟吡呋喃酮獲得的廣泛應(yīng)用以及針對(duì)其持續(xù)研究所獲得的新成果以及對(duì)新農(nóng)藥創(chuàng)制的啟示，本文擬從其創(chuàng)制過(guò)程、作用機(jī)制、生物活性及抗性、代謝殘留、對(duì)蜜蜂的影響以及結(jié)構(gòu)修飾等方面進(jìn)行綜述。

1 氟吡呋喃酮的創(chuàng)制過(guò)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(fù)雜骨架結(jié)構(gòu)的百部類生物堿(圖式1)[46]。研究表明，百部堿對(duì)小菜蛾幼蟲(chóng)和夜蛾科幼蟲(chóng)具有一定殺蟲(chóng)活性，同時(shí)對(duì)昆蟲(chóng)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(chóng)乙酰膽堿酯酶，而這可能是其具有殺蟲(chóng)活性的原因[48-49]。鑒于此，百部堿被作為先導(dǎo)化合物用來(lái)開(kāi)發(fā)新型殺蟲(chóng)劑。有關(guān)從百部堿的結(jié)構(gòu)修飾到氟吡呋喃酮的創(chuàng)制過(guò)程已有文獻(xiàn)提及[6,50]，本文作一簡(jiǎn)要介紹。

圖式1 百部堿的分子結(jié)構(gòu)Scheme 1 Molecular structure of stemofoline

對(duì)百部堿的結(jié)構(gòu)改造主要分為兩個(gè)方向：一是對(duì)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(duì)蚜蟲(chóng)、線蟲(chóng)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(nèi)可以被代謝為N上沒(méi)有取代基的活性化合物，從而起到殺蟲(chóng)作用。所合成的化合物在500 μg/mL 時(shí)對(duì)桃蚜具有較好的活性，但在低濃度時(shí)活性不好，因此并未開(kāi)展深入研究。

另外一個(gè)方向是對(duì)百部堿“頭部基團(tuán)(head group)”——丁烯內(nèi)酯部分的改造 (圖式2)。早期拜耳公司通過(guò)對(duì)作用于乙酰膽堿受體的殺蟲(chóng)劑進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)模擬，設(shè)計(jì)了一類新的活性結(jié)構(gòu)片段(I)，發(fā)現(xiàn)該片段中含有類似吡咯、五元雜環(huán)[53]和六元雜環(huán)內(nèi)酯或者內(nèi)酰胺等[54]化合物都具有較好的殺蟲(chóng)活性(圖式2)。由于丁烯內(nèi)酯結(jié)構(gòu)可修飾位點(diǎn)多，他們將I 中的雜環(huán)基團(tuán)替換為丁烯內(nèi)酯，合成了大量烯胺羰基化合物(II)[55-56]，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)Z 為O、S 或CH2時(shí)具有良好的殺蟲(chóng)活性，尤其為O 時(shí)殺蟲(chóng)活性最好，最終確定以通式III (Z =O)為先導(dǎo)結(jié)構(gòu)繼續(xù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化(圖式2)。

圖式2 百部堿的優(yōu)化和氟吡呋喃酮的發(fā)現(xiàn)[6,50]Scheme 2 The optimization of stemofoline and discovery of flupyradifurone[6,50]

對(duì)于丁烯內(nèi)酯類化合物 (III ，Z = O)，通過(guò)構(gòu)效關(guān)系分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)取代基A 為六元雜環(huán)(尤其是取代吡啶)時(shí)對(duì)刺吸式口器昆蟲(chóng)具有較好的殺蟲(chóng)活性(IV)。對(duì)于取代基R2和R3，鹵素或烷基的引入并不能提高殺蟲(chóng)活性，反而還有可能降低活性，從而確定R2和R3的最優(yōu)基團(tuán)均為H (V)。對(duì)吡啶環(huán)不同位置取代基進(jìn)行修飾，發(fā)現(xiàn)取代基為6-F、6-Cl、6-Br 時(shí)均有較好的殺蟲(chóng)活性，尤其是6-氯吡啶-3-基時(shí)活性最好(VI)。通過(guò)分析N 上不同取代基R1的生物活性發(fā)現(xiàn)，當(dāng)R1為含氟烷基，如2-氟和2,2-二氟乙基時(shí)對(duì)桃蚜表現(xiàn)出優(yōu)異活性，且2,2-二氟乙基時(shí)對(duì)小猿葉甲Phaedon cochleariae的活性更好，從而得到新的先導(dǎo)化合物VII，而將R 基團(tuán)替換為其他鹵素、甲基或者三氟甲基后，化合物對(duì)桃蚜和小猿葉甲的活性均會(huì)顯著降低，至此確定化合物VII 中R 最優(yōu)基團(tuán)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(nèi)酯(即氟吡呋喃酮)進(jìn)行了商業(yè)化開(kāi)發(fā)(圖式2)[6]。

2 氟吡呋喃酮在植物體內(nèi)的傳導(dǎo)機(jī)制

通過(guò)與氚代吡蟲(chóng)啉([3H]-IMD)的放射性配體結(jié)合研究，發(fā)現(xiàn)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(jié)合的氚代吡蟲(chóng)啉，可逆地與昆蟲(chóng)煙堿乙酰膽堿受體結(jié)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(xì)胞分離出的孤立神經(jīng)元，并記錄細(xì)胞電生理反應(yīng)。結(jié)果顯示，氟吡呋喃酮能作為部分激動(dòng)劑，使昆蟲(chóng)煙堿乙酰膽堿受體內(nèi)源表達(dá)，證明氟吡呋喃酮能夠選擇性地作用于昆蟲(chóng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)的乙酰膽堿受體，是煙堿乙酰膽堿受體激動(dòng)劑[50]。分子對(duì)接結(jié)果顯示，與商業(yè)化煙堿乙酰膽堿受體激動(dòng)劑相比，氟吡呋喃酮具有獨(dú)特的結(jié)合方式，國(guó)際殺蟲(chóng)劑抗性行動(dòng)委員會(huì)單獨(dú)將其歸為丁烯內(nèi)酯類(4D)，以區(qū)別于新煙堿類(4A)、煙堿類(4B)、氟啶蟲(chóng)胺腈(4C)和三氟苯嘧啶(4E)殺蟲(chóng)劑[57]。

以14C 標(biāo)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(jìn)行熒光顯色處理，發(fā)現(xiàn)1 d 后氟吡呋喃酮即可在植株中均勻分布，表明其可通過(guò)木質(zhì)部轉(zhuǎn)運(yùn)，7～14 d 時(shí)濃度達(dá)到最高，24 d 后濃度有所下降，可見(jiàn)氟吡呋喃酮具有優(yōu)異的轉(zhuǎn)運(yùn)和內(nèi)吸性，藥效快且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)(圖1)[6]。此外，氟吡呋喃酮也表現(xiàn)出明顯的葉片遠(yuǎn)端積累，如圖1a 所示，隨著施藥時(shí)間的延長(zhǎng)，僅在葉片邊緣部分氟吡呋喃酮的濃度逐漸升高，隨后開(kāi)始下降，表明其是通過(guò)木質(zhì)部的質(zhì)外體轉(zhuǎn)運(yùn)并且缺乏明顯的韌皮部轉(zhuǎn)運(yùn)。施用于番茄中脈和葉片上的氟吡呋喃酮也能通過(guò)蒸騰作用在植株體內(nèi)達(dá)到很好的分布(圖1b)，表明其很適合植株噴淋。施藥2 h 內(nèi)害蟲(chóng)就會(huì)因?yàn)榻佑|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(yīng)，即便是位于葉片背面或沒(méi)有直接暴露在噴霧液滴下的蚜蟲(chóng)也會(huì)迅速停止攝食[6]。由于藥物從根部吸收轉(zhuǎn)運(yùn)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(huì)更快地殺死害蟲(chóng)。

圖1 番茄植株不同部位施藥后氟吡呋喃酮在植株體內(nèi)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(dú)特的作用機(jī)制，對(duì)大多數(shù)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(chóng)有較好的防治效果[58]，如蚜蟲(chóng)(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(chóng)、潛葉蟲(chóng)、軟蚧、象鼻蟲(chóng)、跳甲以及木虱類害蟲(chóng)[62]。研究發(fā)現(xiàn)，用亞致死劑量的氟吡呋喃酮處理棉蚜成蟲(chóng)后，其對(duì)母代棉蚜壽命和繁殖率沒(méi)有顯著不利影響，但是能夠顯著抑制其子代棉蚜的生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，從而抑制子代棉蚜的種群擴(kuò)增[60]。亞致死劑量的氟吡呋喃酮會(huì)對(duì)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(chǎn)生影響，致死和亞致死劑量的藥劑還會(huì)對(duì)亞洲柑橘木虱產(chǎn)生毒物興奮效應(yīng)[63]；采用滴灌技術(shù)，氟吡呋喃酮對(duì)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(zhǎng)防效期，還可以避免因噴霧法施藥而造成蜜蜂等非靶標(biāo)生物與藥劑的直接接觸[64]。另外，氟吡呋喃酮對(duì)狡詐花蝽Orius insidiosus也有較高的致死率[65]，在實(shí)驗(yàn)室條件下，對(duì)杜鵑花軍配蟲(chóng)Stephanitis pyrioidesScott 也具有一定的趨避作用[66]。

對(duì)于由煙粉虱傳播的南瓜黃色矮化失調(diào)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(shí)，氟吡呋喃酮對(duì)靶標(biāo)昆蟲(chóng)，如粉虱、木虱以及蚜蟲(chóng)，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(xì)菌的傳播風(fēng)險(xiǎn)。Tejedareyes 等[70]研究了番茄木虱Bactericera cockerelliSulc 對(duì)氟吡呋喃酮的敏感性。結(jié)果表明，當(dāng)番茄木虱暴露于噴灑了氟吡呋喃酮的空氣中時(shí)，其攝食量會(huì)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(wèi)生殺蟲(chóng)劑使用。

3 氟吡呋喃酮的抗性研究

農(nóng)藥的大量使用會(huì)加速靶標(biāo)抗藥性的產(chǎn)生，近年來(lái)已相繼報(bào)道了褐飛虱、煙粉虱、溫室白粉虱和桃蚜等對(duì)新煙堿類殺蟲(chóng)劑產(chǎn)生抗性的問(wèn)題[73]，使用推薦劑量已難以達(dá)到理想的防治效果。隨著氟吡呋喃酮的廣泛使用，其抗性問(wèn)題已有顯現(xiàn)。Smith 等[74]研究了MEAM1 型煙粉虱對(duì)吡蟲(chóng)啉、噻蟲(chóng)嗪、氟吡呋喃酮和呋蟲(chóng)胺的敏感性，發(fā)現(xiàn)其敏感率分別為21%、26%、47%和53%，與實(shí)際應(yīng)用敏感率基本一致，即使是沒(méi)有接觸過(guò)氟吡呋喃酮的田間煙粉虱對(duì)氟吡呋喃酮也有55～79 倍的抗性，且對(duì)氟吡呋喃酮具有高抗性的煙粉虱通常對(duì)其他殺蟲(chóng)劑也具有較高的抗性，表明氟吡呋喃酮與其他殺蟲(chóng)劑也存在交互抗性。Guo 等[75]研究了中國(guó)8 省份19 個(gè)不同地區(qū)煙粉虱對(duì)新煙堿類以及氟吡呋喃酮的抗性問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)只有兩個(gè)地區(qū)(湖北洪山和天津東麗)對(duì)氟吡呋喃酮表現(xiàn)出低抗性，與實(shí)驗(yàn)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(duì)氟吡呋喃酮抗性問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)多地褐飛虱田間種群已對(duì)氟吡呋喃酮產(chǎn)生中等水平抗性，即使未使用過(guò)氟吡呋喃酮的田間稻飛虱，也對(duì)其產(chǎn)生了一定的抗性，進(jìn)一步說(shuō)明的確與現(xiàn)有殺蟲(chóng)劑存在一定的交互抗性。Byrne 等[77]通過(guò)研究吡蟲(chóng)啉對(duì)翅葉蟬Homalodisca vitripennis抗性發(fā)現(xiàn)，對(duì)吡蟲(chóng)啉抗性較高的翅葉蟬也對(duì)其他種類殺蟲(chóng)劑具有抗性，其中對(duì)吡蟲(chóng)啉具有抗性的成蟲(chóng)也對(duì)氟吡呋喃酮產(chǎn)生了抗性，約是敏感品系的4 倍。

雖然已有對(duì)氟吡呋喃酮出現(xiàn)抗性的報(bào)道，但具體的抗性機(jī)制研究還不深入，目前的研究是基于與吡蟲(chóng)啉對(duì)比而開(kāi)始的。對(duì)吡蟲(chóng)啉和吡蚜酮表現(xiàn)高抗性的煙粉虱(Q 型和B 型)研究發(fā)現(xiàn)，表現(xiàn)抗性的原因可能與其體內(nèi)一種基因CYP6CM1的過(guò)度表達(dá)，誘導(dǎo)細(xì)胞色素 P450 單氧化酶增加有關(guān)[78-80]，研究發(fā)現(xiàn)，吡蟲(chóng)啉能夠與CYP6CM1vQ模型中的35 個(gè)空腔結(jié)合，約20%空腔表現(xiàn)出藥物分子朝向血紅素鐵-氧活性中心的結(jié)合模式(圖2a)，這會(huì)致使其N-硝基亞氨基咪唑烷基部分發(fā)生羥基化(圖2b)，進(jìn)而失活。

圖2 IMD 和FPF 與CYP6CM1vQ 分子對(duì)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(gè)空腔結(jié)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(shù)結(jié)合模式是無(wú)反應(yīng)性的二氟乙基側(cè)鏈朝向血紅素鐵-氧活性中心(圖2c)，因此沒(méi)有表現(xiàn)出代謝丁烯內(nèi)酯的可能[58]，而將新煙堿類殺蟲(chóng)劑分子結(jié)構(gòu)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(jiàn)二氟乙基在丁烯內(nèi)酯類殺蟲(chóng)劑結(jié)構(gòu)中具有至關(guān)重要的作用。

Wang 等[81]在湖北武漢和襄陽(yáng)地區(qū)對(duì)氟吡呋喃酮具有抗性但對(duì)溴氰蟲(chóng)酰胺和吡蟲(chóng)啉無(wú)交叉抗性的煙粉虱研究發(fā)現(xiàn)，其細(xì)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(huì)抑制細(xì)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(xié)同作用(添加PBO 和TPP 的氟吡呋喃酮藥劑與原藥相比，對(duì)襄陽(yáng)煙粉虱的協(xié)同增效比分別為3.13 和4.46，PBO 對(duì)武漢煙粉虱的協(xié)同增效比為3.76)。隨后，該團(tuán)隊(duì)將分離出來(lái)的對(duì)氟吡呋喃酮表現(xiàn)抗性的煙粉虱進(jìn)行多代培養(yǎng)得到抗性株，研究表明其抗性原因可能與谷胱甘肽-S-轉(zhuǎn)移酶(GST)和P450 單氧化酶有關(guān)，與敏感株相比，抗性株中的CYP6CX4和GSTs2過(guò)表達(dá)，但其具體機(jī)制還未真正闡明[82]。

當(dāng)植物被害蟲(chóng)侵害時(shí)，能夠分泌一種次生代謝產(chǎn)物，而這種次生代謝產(chǎn)物可以影響昆蟲(chóng)代謝及其生理功能等，以避免有害昆蟲(chóng)再次侵害，Després 等[83]發(fā)現(xiàn)這種次生代謝物可能影響殺蟲(chóng)劑的敏感性?；诖?，Zhang 等[84]研究發(fā)現(xiàn)，植物的這種次生代謝物會(huì)增加有害昆蟲(chóng)的細(xì)胞色素P450 活性，以對(duì)抗這種植物的自身防御，經(jīng)次生代謝物處理的煙粉虱成蟲(chóng)會(huì)顯著增加其對(duì)噻蟲(chóng)嗪和氟吡呋喃酮的抗性，當(dāng)用細(xì)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(guò)基因水平的研究發(fā)現(xiàn)，次生代謝物會(huì)誘導(dǎo)細(xì)胞色素P450 基因CYP6CM1、CYP6CX4和CYP4C64的表達(dá)。此外，該團(tuán)隊(duì)也驗(yàn)證了PBO 能夠顯著增加被氟吡呋喃酮和噻蟲(chóng)嗪處理過(guò)的煙粉虱的死亡率這一結(jié)論。Hamada 等[85]通過(guò)肉毒桿菌表達(dá)系統(tǒng)表達(dá)的CYP6ER1-del3和CYP6ER1-T318Sdel3突變發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比其對(duì)吡蟲(chóng)啉的抗性比為288.7，而對(duì)呋蟲(chóng)胺的抗性比僅為3.6，且抗性增加緩慢，抗性比主要是通過(guò)代謝的方式增加的，他們也發(fā)現(xiàn)，氟啶蟲(chóng)胺腈不會(huì)被這兩種基因突變體代謝，但是對(duì)氟吡呋喃酮卻有一定的代謝作用，顯示出CYP6ER1突變體對(duì)底物的選擇性。

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)氟吡呋喃酮與部分傳統(tǒng)新煙堿類殺蟲(chóng)劑具有一定交互抗性。但是分子對(duì)接研究發(fā)現(xiàn)，由于二氟乙基的引入，其抗性機(jī)理與傳統(tǒng)新煙堿類殺蟲(chóng)劑并不相同，這也是其抗性不如傳統(tǒng)新煙堿類顯著的一個(gè)原因。目前氟吡呋喃酮的抗性機(jī)制尚未被闡明，但是針對(duì)細(xì)胞色素P450 的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)胞色素P450 基因的過(guò)度表達(dá)可能是抗性產(chǎn)生的一個(gè)重要原因。

4 氟吡呋喃酮在生物體內(nèi)的代謝產(chǎn)物及殘留分析

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織(FAO)、世界衛(wèi)生組織(WHO)和農(nóng)藥殘留專家聯(lián)席會(huì)議(JMPR) 于2015 年對(duì)氟吡呋喃酮及其代謝物毒性進(jìn)行了評(píng)估，認(rèn)為該化合物對(duì)小鼠或大鼠無(wú)致癌性，同時(shí)也沒(méi)有生殖毒性和遺傳毒性，對(duì)人類無(wú)致癌風(fēng)險(xiǎn)；同時(shí)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(duì)氟吡呋喃酮及其代謝物的殘留進(jìn)行了評(píng)估[87,88]。氟吡呋喃酮在植物、動(dòng)物以及環(huán)境中的代謝產(chǎn)物多達(dá)50 種，部分結(jié)構(gòu)如圖式3 所示，其中最主要的包括6-氯煙酸(6-CNA) (與吡蟲(chóng)啉具有相同的代謝產(chǎn)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(nèi)酯部分被氧化得到的fpd-OH 等。殘留物檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)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(chǎn)物為CHMP-di-glyc、6-CNA 和DFA，而含有呋喃酮結(jié)構(gòu)的代謝物并沒(méi)有檢測(cè)到；在動(dòng)物代謝研究中，氟吡呋喃酮仍然是大鼠及反芻動(dòng)物的主要?dú)埩粑?，?duì)于家禽類，例如在母雞體內(nèi)檢測(cè)到的氟吡呋喃酮?dú)埩袅亢苌?，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(jìn)一步被分解為CO2；此外，氟吡呋喃酮在水中會(huì)主要代謝為DFA、BYI 02960-succinamide 和BYI 02960-azabicyclosuccinamide。JMPR 在2017 年的評(píng)估中增加了對(duì)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(dòng)物中定義為氟吡呋喃酮和DFA 的總和；會(huì)議同時(shí)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(chǎn)物Scheme 3 The main metabolites of flupyradifurone

歐盟也對(duì)氟吡呋喃酮進(jìn)行了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并確定其在歐盟地區(qū)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(píng)估為低風(fēng)險(xiǎn)，且在地下水變成地表水的情況下，這3 個(gè)化合物對(duì)水生生物的風(fēng)險(xiǎn)較低。由此可見(jiàn)，氟吡呋喃酮及其代謝產(chǎn)物對(duì)環(huán)境無(wú)風(fēng)險(xiǎn)或風(fēng)險(xiǎn)較低[91]。對(duì)于氟吡呋喃酮及其主要代謝產(chǎn)物DFA，歐盟也重新設(shè)定了二者在草莓、黑莓和山莓中的MRL 值[92]，同時(shí)也對(duì)二者在油菜籽、芥菜籽[93]和秋葵[94]上的MRL 值進(jìn)行了修訂。

含有氯代吡啶結(jié)構(gòu)的氟吡呋喃酮在生物體內(nèi)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(chǎn)物會(huì)對(duì)人類淋巴細(xì)胞產(chǎn)生細(xì)胞毒性和遺傳影響[95]，因此其殘留量的測(cè)定及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要。美國(guó)在對(duì)藥劑的評(píng)估中，重點(diǎn)對(duì)拜耳公司針對(duì)氟吡呋喃酮及DFA 和6-CNA 的分析方法進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果確認(rèn)該方法對(duì)土壤及水中的殘留物檢測(cè)完全適用[96-98]。Li 等[99]首先利用超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜 (UPLC-MS/MS) 法，開(kāi)發(fā)了一種可以快速測(cè)定水果、蔬菜和谷物上氟吡呋喃酮及其代謝產(chǎn)物(6-CAN 和DFEAF)殘留量的方法，并將這一方法應(yīng)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?dú)埩袅康臏y(cè)定，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，其殘留量逐漸下降，并未檢測(cè)到DFEAF和6-CAN，推測(cè)可能是這兩個(gè)代謝產(chǎn)物在馬鈴薯里的含量較低，或被進(jìn)一步代謝為其他產(chǎn)物所致。李雙雙等[100]采用UPLC-MS/MS 技術(shù)建立了同時(shí)檢測(cè)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(jīng)過(guò)實(shí)際樣品分析發(fā)現(xiàn)，氟吡呋喃酮相較于其代謝產(chǎn)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(yīng)用UPLC-MS/MS 法，開(kāi)發(fā)了一種可以快速檢測(cè)中國(guó)傳統(tǒng)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(bào)道測(cè)定了16 種殺蟲(chóng)劑及其代謝產(chǎn)物在商業(yè)紅葡萄酒和白葡萄酒中的殘留量，但并未檢測(cè)到氟吡呋喃酮的殘留，可見(jiàn)使用氟吡呋喃酮可以有效地防治葡萄蟲(chóng)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(dòng)物、植物、昆蟲(chóng)體內(nèi)會(huì)發(fā)生代謝外，在光照下也會(huì)發(fā)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(shí)氟吡呋喃酮在土壤-水體系中的光解速率及可能的產(chǎn)物。結(jié)果表明，光照條件下氟吡呋喃酮會(huì)分解為DFA 及呋喃酮開(kāi)環(huán)的產(chǎn)物，并且由于HA 的存在，會(huì)與氟吡呋喃酮通過(guò)共價(jià)鍵相結(jié)合，從而放慢氟吡呋喃酮的降解進(jìn)程，因此氟吡呋喃酮在土壤中具有更長(zhǎng)的持效期。在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，農(nóng)藥原藥及其代謝產(chǎn)物的檢測(cè)至關(guān)重要，因此開(kāi)發(fā)快速、簡(jiǎn)便、有效且安全的檢測(cè)方法對(duì)氟吡呋喃酮風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及最大殘留量的制定具有重要意義。

5 對(duì)蜜蜂等非靶標(biāo)生物的影響

由于部分新煙堿類殺蟲(chóng)劑對(duì)蜜蜂高毒[104]，因此很多國(guó)家開(kāi)始逐步對(duì)其禁用。雖然按標(biāo)簽推薦劑量使用，氟吡呋喃酮對(duì)蜜蜂無(wú)不利影響，可以在花期前和花期使用[8]，但也有相關(guān)研究表明，高劑量以及長(zhǎng)期應(yīng)用氟吡呋喃酮也會(huì)對(duì)蜜蜂有一定的影響。例如，Tosi 等[105]總結(jié)了氟吡呋喃酮與其他農(nóng)藥對(duì)蜜蜂的協(xié)同效應(yīng)：與丙環(huán)唑共同使用會(huì)增加蜜蜂的死亡率和非正常的行為；與樂(lè)果共同使用時(shí)，其對(duì)采食蜜蜂的毒性比蜂巢中的更高；夏季時(shí)氟吡呋喃酮的毒性會(huì)更高。Siviter 等[106]總結(jié)了氟吡呋喃酮對(duì)益蟲(chóng)的影響，雖然正常劑量條件下無(wú)法檢測(cè)亞致死效應(yīng)，但其對(duì)益蟲(chóng)確實(shí)具有明顯的消極影響，例如無(wú)論是低劑量還是高劑量，均會(huì)降低中華蜜蜂幼蜂及成蜂的嗅覺(jué)學(xué)習(xí)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(huì)影響蜜蜂對(duì)花粉和花蜜的味覺(jué)和認(rèn)知能力[108]，但由于正常使用劑量并沒(méi)有這么高，因此認(rèn)為氟吡呋喃酮對(duì)蜜蜂無(wú)害。Al Naggar等[109]研究了氟吡呋喃酮對(duì)意大利蜜蜂的長(zhǎng)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(zhuǎn)移至自然環(huán)境條件下研究后期的生長(zhǎng)情況。結(jié)果顯示，其存活率顯著降低，還會(huì)改變幾個(gè)免疫和解毒基因的表達(dá)，最終導(dǎo)致蜜蜂健康狀況下降。對(duì)于意大利蜜蜂，氟吡呋喃酮有更強(qiáng)的影響幼蜂基因表達(dá)的作用[110]。Tan 等[111]證明，按田間使用劑量，長(zhǎng)期暴露于氟吡呋喃酮中會(huì)削弱亞洲蜜蜂幼蜂和成蜂的嗅覺(jué)學(xué)習(xí)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(jié)果均可引起運(yùn)動(dòng)障礙并干擾正常的運(yùn)動(dòng)行為，且這種影響在越冬蜜蜂上更加強(qiáng)烈，但連續(xù)投服24 h 以上這種影響會(huì)減弱。此外，氟吡呋喃酮還會(huì)影響蜜蜂的體溫調(diào)節(jié)能力[113]和飛行能力，使覓食提前[114]，增加蜜蜂的氧化應(yīng)激并誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡[115]，在400 μg/kg 的田間劑量下，氟吡呋喃酮會(huì)減少蜜蜂的生存機(jī)會(huì)并損傷其行為[116]。雖然大量的研究表明氟吡呋喃酮對(duì)蜜蜂有一定的影響，但其在急性或短期慢性田間實(shí)際劑量下都不會(huì)改變蜜蜂對(duì)蔗糖的反應(yīng)性[117]，也不會(huì)影響蜜蜂的覓食行為[118]。Haas 等[119]研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂表達(dá)的3 種P450 細(xì)胞色素CYP6AQ1、CYP9Q2和CYP9Q3可以有效代謝氟吡呋喃酮，且代謝產(chǎn)物對(duì)蜜蜂幾乎無(wú)毒。定量PCR 分析證實(shí)，蜜蜂在所有生命周期中均表達(dá)此3 種細(xì)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(fā)現(xiàn)解釋了氟吡呋喃酮對(duì)蜜蜂低毒的機(jī)理。

由于新煙堿類殺蟲(chóng)劑具有環(huán)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(duì)非靶標(biāo)水生昆蟲(chóng)產(chǎn)生的負(fù)面影響也很重要。有研究表明，氟吡呋喃酮對(duì)蝸牛和淡水貝殼幾乎無(wú)害，但是會(huì)影響淡水浮游生物的生存和生長(zhǎng)[120-121]。相較于其他新煙堿類殺蟲(chóng)劑，氟吡呋喃酮對(duì)浮游生物表現(xiàn)出中等程度的毒性[122]。

由此可見(jiàn)，雖然在規(guī)定劑量下使用，氟吡呋喃酮對(duì)蜜蜂和大黃蜂幾乎無(wú)害，但在高劑量以及長(zhǎng)期使用時(shí)，其對(duì)蜜蜂具有一定的亞致死效應(yīng)，例如影響蜜蜂的運(yùn)動(dòng)能力、嗅覺(jué)、學(xué)習(xí)能力、體溫調(diào)節(jié)能力等，因此在氟吡呋喃酮的研究和使用過(guò)程中應(yīng)予以重視。

6 氟吡呋喃酮的結(jié)構(gòu)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(nèi)酯3 個(gè)片段的不同組合[123-125]，對(duì)此相關(guān)文獻(xiàn)已經(jīng)有了詳細(xì)的總結(jié)[126-128]，在此不再贅述。

由于氟吡呋喃酮結(jié)構(gòu)的新穎性，自上市以來(lái)就成為了研究的熱點(diǎn)。2014 年杜邦公司Zhang 等[129]以早期專利[54]中的化合物1 為先導(dǎo)，合成了2-唑酮化合物2 (圖式4)，該化合物對(duì)桃蚜和玉米飛虱具有良好的殺蟲(chóng)活性。2015 年Urch 等[130]在申請(qǐng)的農(nóng)業(yè)領(lǐng)域作為殺蟲(chóng)劑和殺螨劑的化合物專利中，包含了6 個(gè)針對(duì)氟吡呋喃酮結(jié)構(gòu)改造的化合物 (圖式4)，其中化合物3 和5 去掉了丁烯內(nèi)酯結(jié)構(gòu)，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(chǔ)上，關(guān)環(huán)得到了一個(gè)含有吡咯并呋喃酮結(jié)構(gòu)的化合物；化合物4、6 和8 與氟吡呋喃酮結(jié)構(gòu)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(duì)蚜蟲(chóng)和蛛螨的活性均較差，還需要進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和活性評(píng)價(jià)。

2015 年范志金課題組[131]用酰氧基或氰基甲基替換丁烯內(nèi)酯結(jié)構(gòu)，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(duì)蚜蟲(chóng)的致死率分別為85.3%和75.6%。2016 年，該課題組[132]又公開(kāi)了一類含二氟乙基的雜環(huán)化合物，該發(fā)明以氟吡呋喃酮為先導(dǎo)化合物，保留二氟乙胺部分，對(duì)其余兩部分進(jìn)行修飾，例如將丁烯內(nèi)酯替換為吡啶或異噻唑甲基，噻二唑甲基或甲?；约磅セ接懚∠﹥?nèi)酯部分被含硫雜環(huán)取代后，或者丁烯內(nèi)酯環(huán)被打開(kāi)后對(duì)活性的影響；另一個(gè)修飾方向是將吡啶基替換為異噻唑，看活性是否會(huì)有顯著變化，結(jié)構(gòu)式見(jiàn)圖式5 所示。生物活性測(cè)定結(jié)果表明，這類化合物均表現(xiàn)出一定的抑菌活性，同時(shí)在100 μg/mL 下，用藥72 h 后部分化合物對(duì)蚜蟲(chóng)表現(xiàn)出較好的毒殺作用，其中化合物15 在該質(zhì)量濃度下對(duì)蚜蟲(chóng)有100%的致死率，與現(xiàn)有新煙堿類殺蟲(chóng)劑(如噻蟲(chóng)胺、吡蟲(chóng)啉)相比，活性更好；另外部分化合物對(duì)煙草花葉病毒也表現(xiàn)出一定的抑制作用?？梢?jiàn)，丁烯內(nèi)酯作為關(guān)鍵藥效基團(tuán)，在結(jié)構(gòu)修飾時(shí)將其保留更容易發(fā)現(xiàn)高活性的化合物。

圖式4 化合物1～10 的化學(xué)結(jié)構(gòu)式 [129-131]Scheme 4 Chemical structures of compounds 1-10[129-131]

圖式5 化合物11～23 的化學(xué)結(jié)構(gòu)式[132-133]Scheme 5 Chemical structures of compounds 11-23[132-133]

2019 年宋寶安課題組[133]在對(duì)氟吡呋喃酮結(jié)構(gòu)修飾過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)對(duì)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(huán)均會(huì)導(dǎo)致殺蟲(chóng)活性明顯降低，因此他們認(rèn)為對(duì)氟吡呋喃酮的修飾應(yīng)該保留吡啶以及丁烯內(nèi)酯兩個(gè)部分，而對(duì)二氟乙基部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造。在眾多農(nóng)藥分子結(jié)構(gòu)中，大都含有鹵素取代的苯基，因此設(shè)想將含鹵素的苯基引入氟吡呋喃酮分子結(jié)構(gòu)中，替換其中二氟乙基部分可能會(huì)得到活性更好的化合物?；谶@一設(shè)計(jì)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(duì)苜蓿蚜Aphis craccivora表現(xiàn)出較好的殺蟲(chóng)活性，且當(dāng)苯環(huán)4 位含有氟原子時(shí)活性更好，其中代表化合物23 對(duì)苜蓿蚜的半致死濃度 (LC50) 為1.72 μg/mL，優(yōu)于對(duì)照藥劑吡蚜酮(LC50= 6.86 μg/mL)。通過(guò)分子對(duì)接發(fā)現(xiàn)，化合物23 缺少CYP6CM1的氧化代謝基團(tuán)，沒(méi)有對(duì)吡蟲(chóng)啉類似的代謝抗性。研究表明，該化合物對(duì)苜蓿蚜的神經(jīng)系統(tǒng)、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(chóng)劑，因此可以作為高活性先導(dǎo)化合物進(jìn)行進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2019 年王先浩等[134]以氟吡呋喃酮為先導(dǎo)化合物，與具有丁烯內(nèi)酯的天然產(chǎn)物相結(jié)合，設(shè)計(jì)合成了一系列含烷氧基取代的丁烯內(nèi)酯衍生物(圖式6)。生物活性測(cè)定結(jié)果顯示，大多數(shù)化合物在100 μg/mL 時(shí)對(duì)苜蓿蚜和稻褐飛虱Nilaparvata lugens有中等強(qiáng)度的致死活性；構(gòu)效關(guān)系分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)X = Br 時(shí)，R1烷基鏈越長(zhǎng)，活性越弱，甲基活性最高，R2基團(tuán)含氟時(shí)活性更好；另外，X =Cl 或H 時(shí)，相較于Br，化合物對(duì)苜蓿蚜的活性有明顯的提高，且對(duì)稻褐飛虱的活性高于苜蓿蚜；當(dāng)用藥濃度降低到4 μg/mL 時(shí)，化合物24 (X =Br, R1= CH3, R2= CH2CH2F)對(duì)兩種害蟲(chóng)依然有60%和75%的致死率，其可以作為新的先導(dǎo)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖式6 烷氧基丁烯內(nèi)酯類化合物的設(shè)計(jì)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(chǔ)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(huán)戊烯酮結(jié)構(gòu)替換氟吡呋喃酮結(jié)構(gòu)中的丁烯內(nèi)酯藥效團(tuán)，期望能夠發(fā)現(xiàn)活性更好且含二硫環(huán)戊烯酮結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)化合物，在此基礎(chǔ)上將吡啶環(huán)替換為噻蟲(chóng)嗪中間體2-氯-5-氯甲基噻唑，考察不同雜環(huán)對(duì)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(huán)戊烯酮，再與中間體經(jīng)過(guò)邁克爾加成-消除反應(yīng)得到一系列全新結(jié)構(gòu)的化合物。殺蟲(chóng)活性測(cè)試表明，在100 μg/mL時(shí)，所有化合物均對(duì)苜蓿蚜和稻飛虱有一定的殺蟲(chóng)活性，但整體活性均低于對(duì)照藥劑氟吡呋喃酮。通過(guò)構(gòu)效關(guān)系分析，只有當(dāng)結(jié)構(gòu)中含有吡啶環(huán)以及R 為含氟基團(tuán)，尤其是二氟乙基時(shí)活性最好。

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

2020 年，在東陽(yáng)光農(nóng)藥研發(fā)有限公司申請(qǐng)的專利中，將2,2-二氟乙基替換為五元雜環(huán)、六元雜環(huán)、二苯醚等結(jié)構(gòu)，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(chóng)活性，如化合物25 對(duì)蚜蟲(chóng)、黏蟲(chóng)、粉虱和小菜蛾等具有良好的殺蟲(chóng)活性；化合物26 在200 mg/L 下對(duì)黏蟲(chóng)的致死率超過(guò)80%；化合物27 在100 mg/L 下對(duì)粉虱的致死率為100%，優(yōu)于氟吡呋喃酮。

2020 年，Mesquita 等[139]報(bào)道了4 個(gè)氟吡呋喃酮類似物28-31 (圖式8)，與氟吡呋喃酮結(jié)構(gòu)相比分子中缺少了二氟乙基，且丁烯內(nèi)酯部分被替換為含氟取代的苯基。生物活性測(cè)定結(jié)果顯示，在48 h 內(nèi)化合物28, 29, 30 在低濃度下顯示出較高的殺幼蟲(chóng)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(guò)分子對(duì)接，發(fā)現(xiàn)新化合物活性更好的原因可能是其與昆蟲(chóng)乙酰膽堿受體有著獨(dú)特的結(jié)合方式以及含氟苯基的引入有關(guān)，但化合物31 的殺蟲(chóng)活性不高。通過(guò)光分解試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，雖然在水體系中化合物29 在陽(yáng)光直射下會(huì)很快降解，但活性并不會(huì)因此而降低。

圖式8 化合物25～32 的化學(xué)結(jié)構(gòu)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(dǎo)結(jié)構(gòu)，用酰胺結(jié)構(gòu)替換6-氯吡啶，設(shè)計(jì)合成了一系列新型丁烯內(nèi)酯衍生物。生物活性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該系列化合物未表現(xiàn)出殺蟲(chóng)活性，但表現(xiàn)出了良好的抗菌活性?；衔?2 (圖式8)對(duì)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(duì)其引起的水稻白葉枯病的防治效果為49%。作用機(jī)制研究表明，該化合物可以激活植物中特定的細(xì)胞防御相關(guān)酶以及上調(diào)參與氧化磷酸化的蛋白水平。

本課題組趙宇等[141]在新農(nóng)藥創(chuàng)制過(guò)程中，希望在氟吡呋喃酮的丁烯內(nèi)酯5 位引入螺環(huán)或偕二甲基骨架，得到新的具有殺蟲(chóng)活性的先導(dǎo)化合物，但在實(shí)際合成過(guò)程中(圖式9)，發(fā)現(xiàn)中間體與2-氯-5-氯甲基吡啶反應(yīng)時(shí)，并沒(méi)有發(fā)生N-烷基化反應(yīng)，而是在羰基的α-位發(fā)生了區(qū)域選擇性C3-烷基化反應(yīng)，意外得到一類全新結(jié)構(gòu)的位置異構(gòu)體類化合物，遺憾的是該類化合物沒(méi)有明顯的殺蟲(chóng)活性。

圖式9 區(qū)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(chǔ)上，為了得到預(yù)先設(shè)計(jì)的目標(biāo)化合物，趙宇等[142]開(kāi)發(fā)了一種在無(wú)催化劑條件下4-羥基烷基-2-炔酸乙酯與N-雜環(huán)芳基甲基-N-2,2-二氟乙基-1-胺的串聯(lián)反應(yīng)(圖式10)，成功實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)化合物的合成，即以氟吡呋喃酮為先導(dǎo)化合物，在丁烯內(nèi)酯5 位成功引入了偕二甲基或取代環(huán)己基。殺蟲(chóng)活性測(cè)試結(jié)果表明：在供試藥劑質(zhì)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(shí)，化合物對(duì)桃蚜的致死率為60%～100%，對(duì)黏蟲(chóng)的致死率為50%～85%；當(dāng)R1，R2為甲基，R3分別為F、Cl、Br 取代吡啶時(shí)，化合物對(duì)桃蚜的致死率大于90%。初步構(gòu)效關(guān)系表明，當(dāng)取代基R1及R2組成螺環(huán)己基以及雜環(huán)為(取代)嘧啶時(shí)化合物均失去殺蟲(chóng)活性，表明5 位碳的空間位阻和雜環(huán)類型對(duì)殺蟲(chóng)活性具有至關(guān)重要的影響。

圖式10 無(wú)催化劑的串聯(lián)反應(yīng)合成路線[142]Scheme 10 Synthetic route of catalyst-free tandem reactions[142]

最近段紅霞等[143]設(shè)計(jì)合成了兩類含有取代苯乙烯基和丁烯內(nèi)酯為特征的新型氟吡呋喃酮結(jié)構(gòu)類似物(圖式11)，生物活性測(cè)試結(jié)果顯示，該類化合物對(duì)大豆蚜具有一定的殺蟲(chóng)活性，但活性不及對(duì)照藥劑吡蚜酮、吡蟲(chóng)啉和氟吡呋喃酮。此外，該類化合物對(duì)植物病原菌表現(xiàn)出一定的殺菌活性。

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

以上結(jié)果顯示，人們對(duì)氟吡呋喃酮的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多角度的修飾和優(yōu)化，大多數(shù)化合物的殺蟲(chóng)活性不如對(duì)照藥劑，即使少數(shù)化合物的活性略好于氟吡呋喃酮，也還缺少大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，可見(jiàn)通過(guò)對(duì)氟吡呋喃酮的結(jié)構(gòu)修飾來(lái)發(fā)現(xiàn)高活性殺蟲(chóng)劑仍需要通過(guò)科學(xué)家的大量研究工作來(lái)實(shí)現(xiàn)。

7 展望

氟吡呋喃酮以其結(jié)構(gòu)新穎、對(duì)蜜蜂低毒、與現(xiàn)有新煙堿類殺蟲(chóng)劑無(wú)交互抗性等特點(diǎn)，自上市以來(lái)便成為新農(nóng)藥創(chuàng)制研究的熱點(diǎn)。本文綜述了氟吡呋喃酮的創(chuàng)制過(guò)程、生物活性、作用機(jī)理、殘留代謝、對(duì)蜜蜂等非靶標(biāo)生物的影響以及結(jié)構(gòu)修飾及目前存在的抗性問(wèn)題，重點(diǎn)對(duì)以氟吡呋喃酮為先導(dǎo)化合物進(jìn)行的結(jié)構(gòu)修飾進(jìn)行了闡述。就目前文獻(xiàn)中報(bào)道的結(jié)構(gòu)修飾結(jié)果來(lái)看，主要是對(duì)丁烯內(nèi)酯和二氟乙基進(jìn)行的結(jié)構(gòu)改造，例如在丁烯內(nèi)酯上再引入其他取代基或把丁烯內(nèi)酯替換為其他含氮、含硫的雜環(huán)，或者將二氟乙基替換為其他取代基等，雖然結(jié)構(gòu)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(yōu)的殺幼蟲(chóng)活性，但是這些結(jié)果仍缺少大田試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。由此可見(jiàn)，氟吡呋喃酮的結(jié)構(gòu)改造對(duì)發(fā)現(xiàn)新的先導(dǎo)化合物具有重要意義，但仍需要通過(guò)科學(xué)家的大量研究工作來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。本文對(duì)氟吡呋喃酮的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，希望可以為相關(guān)的研究者提供新的思路和參考，以期發(fā)現(xiàn)活性更好的新化合物，創(chuàng)制出具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新農(nóng)藥。