【doc】除草剂双环磺草酮的研究开发

【doc】除草剂双环磺草酮的研究开发 除草剂双环磺草酮的研究开发 第28卷第2期 213O6年4月 世界农药 WoridPesticides 除草剂双环磺草酮的研究开发 张一宾 (上海市农药研究所) 双环磺草酮系日本SDS生物公司研究,开发的 新颖的双环辛烷类的白化型水稻田用芽后除草剂 (图1),其代号为SB一500,英文通用名为 benzobicylon.该公司于1992年开始合成,1994年进 行田间试验,2001获得登记,并开发了多种混剂. 分子式:cH.~CIO,S 分子量:446.% 图l双环磺草酮的结构 为了开发对水稻安全,与环境相容性高,对鱼 类,哺乳动物低毒及减轻农民劳动力(赋予杀草谱 广,持效长等特性),该公司从事了本剂的开发. 此化合物具有双环及苯硫醚的独特结构,并由 于有对靶标酶能逐步释出的化学特性,较之作为旱 田用除草剂进行开发的苯甲酰环己二酮类化合物, 其在水稻与杂草问的选择性显着提高,水溶性大幅 下降,并由于强的土壤吸附性改观了向下移行,从而 有望防止药剂向水田外流失.(1)即为该药剂的 物化性质及对人畜及鱼类的毒性. 再则,该药剂的杀草谱广,并能防除水田重要杂 草,尤其对长期以来难以防除的具芒碎米莎草的萤 蔺类效果最为明显.此外,其还具有处理时期宽和 持效性长的特点. 同时,该药剂对磺酰脲类除草剂的抗性杂草也 十分有效.此外,该药剂的使用有利于水田畦边的 除草省力化,并且可有效地防除由畦边延向本田的 假稻,稻状枇壳草和难除杂草疣草等.由此认为双 环磺草酮的产业化将有很大的市场前景. 新药剂的开发,需经过最佳化合物的选择研究, 药剂的药效,药害试验,适用场合的选定,专利申请, 工业原药制备研究.剂型研究,环境行为,代谢,残 留的研究,与安全性有关的毒性试验,对有益生 物的影响试验,作用机理的研究,混剂研究,经济性 预测,田问试验,农药登记申请等各种研究场合.这 些研究试验需历时10年之多. 本文就该药剂的有关研究沿革及研究现况作一 阐述. 表l双环磺草酮的物化性质及安全性 通用名:benzobicyclo. 化学名:3一(2.氯.4一甲基磺酰基苯甲酰基).2一苯硫基双环[3,2,1]辛一 2.烯.4一酮. 代号:SAN一1315,SB.500. 物化性质: 性状:浅黄色结晶,无嗅. 熔点:187.3?. 水中溶解度:O.052mg/L(20~C). 相对密度:1.45(20oC). 蒸气压:<5.6×10一Pa(25~C). 安全性: 急性毒性:急性经口大鼠(雌,雄)LDso>5O00mr,/l~; 小鼠(雌,雄)?>5O00mr,/l~; 急性经皮大鼠(雌,雄)?>2OOOmr,/kg. 无致畸,致癌,致突变性. 鱼毒性:鲤鱼LCeo(48h)>10ms/L. 鸟毒性:山齿鹑和野鸭LDso>2250ms/ks. 每日允许摄人量:O.016ms/ks/d. ? 10世界农药第28卷 1.研究开发沿革 双环磺草酮最早在1992年合成,到1998年探 索研究结束.作为当时山道士公司的一员,SDS公 司在日/美/欧三极体制中注重水稻用除草剂的研究 开发.在这研究体系中,欧美部门则进行苯甲酰环 己二酮类化合物作为旱田用除草剂的筛选,SDS公 司无疑也得益于此. 根据专利介绍,此类化合物的构效关系多局限 于旱田使用,而变为水稻应用,则有许多不解之处, 如对于水稻的选择性,高水溶性及土壤移行等问. 为此,在挑选化合物时,也必须从这方面进行考 虑,这就需要根据除草效果,杀草谱及对水稻的安全 性,进行综合考虑,并积累适合水稻田应用的构效关 系的信息. 当时,在水稻田间除草剂市场中,高性能的磺酰 脲类除草剂不断上市,并以其为母剂进行混配,开发 了水稻田一次使用药剂以取代以前的早期用药剂和 中,后期用药剂. 由于磺酰脲类除草剂占有压倒优势,开发新的 磺酰脲类除草剂及其一次使用的混剂成为了新颖的 水田用除草剂的主体. 故而,双环磺草酮的研究开发,除了在水稻田用 除草剂的市场,开发动向方面具有某些方向性不同 外,则必须具有新的骨架,新的作用特性.该药剂具 有对高叶龄杂草和越冬的萤蔺有枯杀作用,且持效 长的引人注目的生物活性,作为水稻应用中的替代, 赋予药剂对水稻的选择性,成为了对此药剂研究的 原动力. 从探索研究着手,在三年半后的1992年下半年 初步合成了双环磺草酮.期间经过对各种候补化合 物的田间水平评价,并通过包括毒性评价,生产成本 的综合性评定,最终挑选了双环磺草酮作为开发的 候补药剂(图2). '89(H1)'90(H2)'9l(n3)'92(H4)'93(H5)'94 结构最优化双环磺草酮的合成 I-'?? l??????? 日本,美国,欧盟三方体制制备 从旱田一水田应用的变换.rl 化合物的筛趔i(土壤渗透:,鱼毒性的搔讨)?I. ???????I一- 适用性研究(包括农场) 剂型研究 fr 选择双环磺草酮 为开发化合物 l 图2双环磺草酮的开发年表(1989,1993年) 另外,从1994起,委托日本植物调节剂研究协 会开始了田间药效试验,同时还进行原药制备工艺 研究,各种混剂的创制研究,剂型研究,以及实施了 农药登记所需的毒性,残留,代谢等的研究计划(图 3). 在这时期,日本的水稻田的除草剂市场由于耕 种面积的调整而出现下滑趋势,以磺酰脲类除草剂 为母体的一次性处理除草剂占有稳定的市场份额. 同时,由于高活性的防除稗草的药剂占有了除草剂 市场,给其他除草剂的开发带来相当的难度(图4). 第2期张一宾:除草剂双环磺草酮的研究开发 (亿【J 94'9596'97989900Ol0203 山道士ttfN:k一诺华昭和电工 一制备工艺I一?? 一公司内生物性剂型试验 -委托试验Il ......L.一}用蜘????????r 化譬霪??..ll 耋i8 砖囱枷 l8l 急性毒性? 岛舯喜』".??-O 慢硅霉茬_交癌性一? … 殖,致畸??? -J&lLTI?II. 代谢I 图3双环磺草酮的开发年表(1994,2003年) IIIlI 氰氟草酯I茚草酮l口恶嗪草酮 唑草胺嘧草膦四唑酰草胺 图4日本水稻用除草剂的销售额,估计使用面积及水稻耕 种面积(19942003年 然而,另一方面,在双环磺草酮尚未开发时,日 本等地不断出现杂草对磺酰脲类除草剂产生抗性的 报道.目前,已有l2种水田杂草已产生了抗性(Itoh andUchino2002).上市lO年的磺酰脲类除草剂的 抗性问题,已成为其致命伤.人们迫切希望尽早解 决此问题. 当时,开发中的双环磺草酮经试验确认为是具 有很广的杀草谱的新颖药剂,特别在1998年发现了 对磺酰脲类产生抗性的萤蔺的活性后,人们十分希 望其作为对付抗性杂草的替代药剂尽早上市.鉴 此,在2001年4月获得了登记(图3). 2.作用机理 双环磺草酮对杂草具有明显的白化症状,特别 是药剂处理后在新叶上也有此现象. 通常的白化型除草剂能使敏感型杂草出现明显 的白化症状,具有枯死的特点.它们主要作用于光 合成色素中的类胡萝b素的生化合成,导致其含量 下降. 类胡萝b素作为光合成辅助色素不仅占有重要 地位,而且作为抗氧化剂对激发叶绿素及由于对光 氧化的阻碍而保护组织和细胞方面也起了十分重要 的作用(三j尺;1996;BSgen,1996).另外,其自身亦有 稳定叶绿体的类囊体膜的功能(Havaux,1998).还 得知它为植物激素的脱落酸生化合成的前体(濑尾, 1999;平井,2001). 对于象这种以在植物生命活动中起着重要作用 的类胡萝b素生化合成为靶标的除草剂,已知有直 接抑制类胡萝b素生化合成和间接抑制类胡萝b素 生化合成两种. 前者,系对在类胡萝b素生化合成体系中的八 氢番茄红素以后的不饱和反应直接作用的除草剂, 主要作为八氢番茄红素到类胡萝b素反应中的触媒 —— 八氢番茄红素脱氢酸(phytoenedesaturase,PDs) 的抑制剂,现已有7种除草剂作为旱田除草剂上市. 通过对双环磺草酮的作用机理研究试图从各个 角度探明其作用点外,由于白化作用是光合作用的 ? l2?世界农药第28卷 色素合成中必不可少的,故集中对该药剂在类胡萝 卜素生化合成体系中的作用进行探讨. 经双环磺草酮处理后的白化叶片,与八氢番茄 红素脱氢酸抑制剂处理时相同,由于其可使类胡萝 卜色素含量降低及生化合成的中间体八氢番茄红素 积累,首先就八氢番茄红素脱氢酶抑制剂对靶标的 抑制活性进行了探讨. 已知,八氢番茄红素脱氢酶的测定有各种各样 的方法,而关野等采用了放射性同位素及形质转换 体制备的简便测试方法.他们建立了以叶绿体类囊 体膜组份作为粗酶品,通过加入过量的八氢番 茄红素基质,得到产物phytofluene,进而用I-IPLC.光 电二极管组分离检出.胡萝卜素的方法. 上述的基质在市场难以购得,而对烟草培养细 胞采用八氢番茄红素脱氢酶抑制剂氟草敏 (nonqurazon)处理时,可使基质高浓度积累,随后进 一 步分离精制. 根据本法,当采用氟草敏这种已知的八氢番茄 红素脱氢酶抑制时,认为下游产物不会产生,这是对 八氢番茄红素脱氢酶活性的抑制所致;对于双环磺 草酮和后述的双环磺草酮水解物,认为控制了同样 产物的生成,由此得知双磺环草酮并无直接的八氢 番茄红素脱氢酶的抑制作用. 另一方面,已证实八氢番茄红素脱氢酶抑制在 不饱和反应时会释出电子和作为H受体相关的质 体醌(Norris等,1995;Pallett等,1998).也就是说,对 于缺乏质体醌时,所出现间接的八氢番茄红素脱氢 酶抑制作用,考虑是植物烯(phytoene)积累所致(图 5).有关质体醌对八氢番茄红素脱氢酶的作用,关 野(2002年)的综述中有详细的介绍. 再有,对于以前开发的欧美旱田用白化型除草 剂磺草酮(sulcotrione)和异嗯唑草酮(isoxaflutole),亦 已知系抑制了质体醌生化合成途径中的对羟苯基丙 酮酸双氧化酶(HPPD),随后,对质体醌的生化合成 途径有关的抑制活性也正进行探讨. 类胡萝卜素途径质体蠢途径 萜素酪氨酸 jJ 植物烯对羟基苯基丙酮酸酯 mnI ? '一胡萝卜素均化之胆酸 ? 番茄红素 ? 类胡萝卜素,姒H日 图5类胡萝卜素/质体醌生化合成途径及其连接 最先开始用最简单的方法,即用紫萍进行白化 回归试验,当一起加入具有HPPD基质的对羟基苯 基丙酮酸盐的产物为均化龙胆酸(Homogentisicacid) 的药剂时,则发现八氢番茄红素脱氢酶抑制剂氟草 敏具有白化症状,而双环磺草酮及其水解物则无白 化症状.由此表明,双环磺草酮具有强的抑制 HPPD的作用(表2). 随后,在离体条件下进行了HPPD的抑制活性 研究.有关植物型HPPD,当时Garcia等就适时地公 开胡萝卜碱基配位(Garcia等,1997;accessionNo. U87257),且在以后对各种酶的抑制活性探讨中,鉴 于构筑稳定的测定体系极为有利,故由此制订能大 量发现HPPD的体系. 从测定液体培养细胞精制的全RNA分离HPPD 的cDNA,用大肠杆菌BL21株/PET媒介物体系可发 现大量的HPPD,经此对双环磺草酮的抑制活性探 讨结果,认为HPPD抑制剂的磺草酮有相当的抑制 活性,而双环磺草酮则无高的抑制活性(图6). 第2期张一宾:除草剂双环磺草酮的研究开发 表2用紫萍进行的白化回归试验 +:发现白化症状,一:无白化. 双环磺草酮及其水解物以及氟草敏(比较用药剂,八氢番茄红素脱氢 酶抑制剂)分别用DMSO溶解成为lOM溶液(DMSO最终浓度为 0.1%).HGA(高龙胆酸)用灭菌蒸馏水溶解使最终浓度为linn; HPP(对羟基苯基丙酮酸)用甲醇溶解,最终浓度为1mM(甲醇最终浓 度1%).1个钵中接种1株紫草,培养4d后,观察有无白化症状. 1o0 8O 幂6O 翼 藁4o 2O O 11O1001ooO 抑制剂(riM) 图6双环磺草酮的HPPD抑制活性 将双环磺草酮,磺草酮(HPPD抑制剂的比较药剂)以DMSO溶解,并 配制成设定的浓度(DMSO最终浓度为1%),由形质转换大肠菌调整 HPPD,与抗坏血酸一起加入到反应体系中,抑制剂经通常比色后,加 入基质HPP.计算高龙胆酸产生速度与无处理区的比例(%). 双环磺草酮 另外,同时进行了代谢研究,确认双环磺草酮在 植物中,水田水中及土壤中的代谢物具有抑制 HPPD的作用,并呈现白化现象.也就是说,在对酶 活性的抑制实质上为双环磺草酮的水解物,双环磺 草酮具有化学缓释性,从而适度控制水解物为除草 剂(图7). 作为水稻田用除草剂的性能 之所以选择双环磺草酮是该药剂在生物活性方 面杀草谱广,处理时间幅度大,持效长,并有可能降 低劳动强度. 毫无疑义,新农药化合物的选拔,先要进行温室 中的小规模盆栽试验,然后进行阶段选拔,确定药 剂,明确其特征,再进行各种环境下的田间试验.在 此期间,要通过合成——生物评价——合成……几 个往返的循环,再通过构效关系分析,才能最终挑选 理想的药剂,双环磺草酮的产生就是经历了这样的 过程.其也是发现它的化合物性能十分突出,选择 喷洒性能良好的剂型,并在实验室至田间进行试验 后最终确认. 作为水稻田除草剂,本剂在进行最适宜药量,处 理时期,适用杂草的评价试验中,明确了双环磺草酮 具有杀草谱广的特点,特别对具芒碎米莎草科等重 要杂草萤蔺具卓效. 在稻田水,土 壤和植物中 水解 双环磺草酮水解物 化学缓释性为前体除草剂 图7双环磺草酮的化学缓释性 该药剂单剂标准剂量为300g(a.i.)/}lrn,混剂 标准剂量为200g(a.i.)/}m2,其在水稻与杂草间的 选择性极高,对水田杂草(Echinochloac雕一galli),鸭 舌草(Monochoriavaginalis),陌上菜类(Lindemiasp.) 等一年生阔叶杂草;萤蔺(Scirpusjuncoides),水莎草 强HPPD抑制剂 (Cyperusserotintts),牛毛毡(Eleocharisacicularis)等具 芒碎米莎草科杂草;水竹草(Murdanniakeisak),稻状 秕壳草(Leersiaorgzoides),假稻(Leersiajaponica),匍 茎剪股颖(Agrostisstolonifera),眼子草(Potamogeton distinctu~)等难除杂草等广泛杂草均有效.(表3)即 ? l4?世界农药第28卷 为该药剂的试验结果. 该药剂特别对水田重要杂草,长期以来难以防 除的萤蔺有卓效.其杀草速度较缓,但从发生前至 5叶期的很长的时间内均十分有效,且对高叶龄的 花茎伸长期杂草,能完全抑制花芽的形成,从而破坏 次年种子的更新.再则,其持效期为6周以上,甚至 达到8周. 此外,对于萤蔺发生的土壤深度(表层,3cm 深)及土壤种别(腐殖土,砂壤土,轻殖土,培植土)等 均不影响本剂的除草活性. 同时,该药剂亦为防除从水田沟畔侵入本田的 多年生杂草假稻的唯一有效药剂.而对于磺酰脲类 除草剂的抗性杂草,双环磺草酮由于作用机理不同, 也呈现了很高的活性. 目前,该药剂已开发了l4种混剂及各种剂型, 并尚有l6种混剂正在申请之中,以适应不同时期, 场所的杂草防除. 表3双环磺草酮的杀草谱 除草效果(比较无处理区残存草量):?%,萎缩,@,10%,O,20%,口,40%,?, 60%,×61%以上 4.结语 双环磺草酮的开发,最早以苯甲酰环己二酮为 先导物,但此类化合物以前从未作为水稻除草剂. 故而,此作为水稻除草剂是一个全新的结构,其变化 也是一项新颖的课题. 在筛选过程中,关野等巧妙地赋予双环的结构, 并与苯基硫醚结构相结合,形成与酶结合的阻隔结 构,使化合物具有了化学缓释特性.这些可能成为 水稻一杂草间选择的有效结构. 这些结构不仅赋予了选择性,且在确定的物理 性质方面(水溶解度,土壤吸附性),药剂动态方面 (向下移行性),活性方面(持效性)得以改善.例如 水溶解度约为磺草酮的1/3000,向下移行性降低至 l/7以下,这样就不会向水田外渗出,减轻了对环境 影响. 在性能方面,由于作为水稻除草剂具有全新结 构,在应用中呈现了极具魅力的生物活性.特别对 萤蔺等重要杂草具有卓效. 再则,该药剂由于作用机理不同,对于对磺酰脲 类除草剂具抗性的杂草呈现了良好的效果.鉴此, 对于该药剂的市场拓展带来了很好的前景. 目前,双环磺草酮已有数十个不同混剂及配方, 使它不断扩大其应用范围,在日本已成为水稻田中 主要应用的除草剂,并不断扩大,到2003年短短2 年,已达到70万hm2,约占水稻用除草剂使用面积 的24%. 可以深信,双环磺草酮的成功开发,不仅为水稻 田的除草提供了新药,同时,其开发的思路及形成, 也为我们的新农药创制提供了新思路. 参考文献 【1jRobBryanteta1.,AS.Chem.NewCp(HmdReview,2002,20 105. [2]内野彰eta1.,杂草研究(日),2000,45:13,20. [3]阴野景介eta1.,植物生畏弱筋,2004,39(1):23,32. [4]CDSTomlin.ThepesticideManua1.13th,2003:80. [5]小松原意一eta1.,77,4二,力,.2005,34(7):39,48.