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BSM CHEMICAL IMPORT & EXPORT CO.,LTD.

一文了解三氟草嗪--20年来首个具有新颖作用机理的新型PPO抑制剂类除草剂

2022-07-28
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三氟草嗪是一种高效安全、低毒低残留的PPO抑制剂类除草剂,以原卟啉原氧化酶为作用靶标,通过干扰植物细胞内叶绿素的合成,阻断植物光合作用和引发细胞内一系列破坏性氧化反应,最终导致植物细胞死亡。


三氟草嗪化学结构独特、作用机理新颖,主要用于甘蔗田、玉米田和小麦田中的一年生禾本科杂草及阔叶杂草的防除,尤其适用于防除PPO抗性杂草。简要介绍了三氟草嗪的理化性质、作用机理、专利概况、毒理学、环境生态安全性、合成方法、含量分析、产品的复配、除草效果、产品的登记情况等信息,并对三氟草嗪的开发前景进行了展望。


三氟草嗪(trifludimoxazin,开发代号为BAS850H)是由巴斯夫公司开发的原卟啉原氧化酶(PPO)抑制剂类除草剂,属于三嗪酮类除草剂。该除草剂对阔叶类杂草反枝苋、荠菜、播娘篙具有很好的防除效果,对禾本科杂草看麦娘、狗尾草、稗草也具有一定的防除作用,尤其适用于防治PPO抗性杂草。巴斯夫也特别强调,三氟草嗪速效快,1天之内便可以产生叶部效果,其是20年来首个具有新颖作用机理且通过叶面触杀防除禾本科杂草的除草剂,同时它的问世也为黑麦草的防除提供了一种新工具。抗除草剂行动委员会(HRAC)已将三氟草嗪归为E组除草剂。


化学名称


三氟草嗪中文化学名称:1,5-二甲基-6-硫代-3 -(2,2,7-三氟-3,4-二氢-3-氧代-4-丙-2-炔基-2H-1,4-苯并噁嗪-6-基)-1,3,5-三嗪烷-2,4-二酮;


中文通用名称:三氟草嗪;


英文化学名称:dihydro-1,5-dimethyl-6-thioxo-3-[2,2,7-trifluoro-3,4-dihydro-3-oxo-4-(2-propyn-1-yl)-2H-1,4-benzoxazin-6-yl]-1,3,5-triazine -2,4(1H,3H)-dione;


IUPAC名称:1,5-dimethyl-6-thioxo-3-[2.2.7-trifluoro-3-oxo-4-(prop-2-yn-1-yl)-3,4-dihydro-2H-1.4-benzoxazin-6-yl]-1,3,5-triazinane-2,4-dione;


商品名称:Tirexor;


ISO通用名称:trifludimoxazin; 


CAS登录号:1258836-72-4;


分子式:C16H11F3N404S;


相对分子质量:412.05;


三氟草嗪的结构式见下图。


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理化性质


三氟草嗪纯品是一种米白色至米黄色的无气味结晶粉末,熔点206℃,相对密度(20℃): 1.58g/mL;


在正常大气压下无沸点(225℃以上会发生分解);


蒸气压(20℃)1.1x10-10Pa,(25℃)3.2x10-10Pa;


油水分配系数LogPow.(30℃)3.33;Henry定律常数小于2.5x10-8Pa.m3/mo1;


水中溶解度(纯水,pH=7.88, 20.1℃)1.78mg/L,其他溶剂中溶解度(g/L,20℃):甲醇10.8,甲苯36.0,乙酸乙酯155.2,二氯甲烷238.4,丙酮423.8,正庚烷0.0265。离解常数pKa=7.59(20℃);


三氟草嗪无爆炸性,无自燃性,不易燃。三氟草嗪原药除了在水中会光降解之外,其与氧化剂和还原剂均没有任何化学不相容性,基本上是无害的。在室温条件下三氟草嗪至少可以稳定储存4年。


作用机理


三氟草嗪以植物细胞的叶绿素为作用点,确保了动植物之间选择毒性。原卟啉原氧化酶是植物叶绿素和哺乳动物亚铁血红素生物合成链上共同途径中的最后一种普通的酶,其在植物体内是一种膜上的固定酶,位于叶绿体包膜中,叶绿素的生化合成正是在这个膜中进行的。


原卟啉原IX在原卟啉原氧化酶的催化氧化作用下转化为原卟啉IX,PPO抑制剂通过与底物原卟啉原IX竞争PPO酶的催化位点,即占据PPO的催化活性空腔,有效地阻断了这一催化氧化反应的发生,从而造成了植物体内原卟啉原IX的大量累积。过量的原卟啉原IX从叶绿体渗透进入细胞质中,被一种酶或者非酶迅速地氧化为原卟啉IX,由于原卟啉IX不能与叶绿体和线粒体中的Mg和Fe的螯合物相互作用,所以它不能在叶绿素和血红素合成途径中得到有效利用,致使原卟啉IX大量累积。


由于原卟啉IX具有光敏性,在光照条件下,且有氧分子存在时,会形成激发态,可将氧分子变为活淡的单线态氧分子和有毒的氧自由基,细胞膜的不饱和脂肪酸在受到单线态氧的进攻时会产生过氧化作用,脂肪酸的过氧化引起细胞膜的漏出、色素降解,最终导致致命的细胞损伤而杀死植物。简言之,该除草抑制剂是通过阻止叶绿素的合成进而造成原卟啉IX累积,使得植物因光合作用受阻而引起植物细胞饥饿和细胞膜的损伤,最终导致植物细胞死亡。


专利概况


三氟草嗪化合物于专利W02010/145992A1中首次报道,测试了该化合物对反枝苋、豚草、狗尾草等的活性。巴斯夫公司于2010年6月11日在W02010/145992A1中请求保护通式化合物(见图2),该专利共有40余件同族专利申请,在美国、中国、日本、韩国等国家局已获得授权。

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该化合物专利为三氟草嗪的核心专利,由于化合物核心专利都具有技术含量高,对真正目标化合物隐蔽性强的特点,所以该专利在申请时请求保护的权利要求涵盖了非常大的结构通式,而且在说明书中并没有记载化合物三氟草嗪的详尽的试验数据,仅给出了一个防效范围。


截至2021年底,巴斯夫公司为三氟草嗪共申请了30余件PCT专利申请,涉及化合物专利、组合物专利、制备专利(主要有W02010/145992,W02012/080239、W02013/92858、W02014/026845、W02014t026893、W02014/023928)等各领域。国内学者对三氟草嗪复配组合物的研究取得了丰硕的成果,公开发表了10余篇三氟草嗪组合物专利,分别为CN109497075A、CN107980783A、CN107897191A、CN107836452A、CN107455381A、CN106172440A、CN105410003A、CN105284830A、CN105284845A、CN05265459A、CN105248431A、CN105230637A、CN102530636A。


毒理学及环境评估


毒理学


三氟草嗪原药具有较低的急性经口、经皮和吸入毒性;对于眼睛和皮肤都不具有刺激性,对皮肤无致敏性;在大鼠的体内代谢试验表明,大鼠经口给药后,三氟草嗪会被迅速地广泛吸收,随后其主要在大鼠的肝脏代谢,全身接触的大部分是代谢产物;在为期12个月狗的慢性毒性试验研究中,以最高剂量15mg/kg b.w./d给药,未观察到与内分泌相关的不良反应;在一项为期28天的大鼠皮肤毒性研究中以1000mg/kg b.w./d高剂量对大鼠重复给药,没有任何相关的不良反应和生理效应;在大鼠和小鼠的中长期研究中,未发现三氟草嗪具有致癌性;在大鼠2代繁殖研究中,其对生殖无影响。


3项细菌反向突变试验研究表明,三氟草嗪没有遗传毒性;大鼠的发育毒性试验研究表明,三氟草嗪不具有致畸性,也没有毒性;在2000mg/kg b.w./d的剂量下对大鼠没有急性神经毒性,但在小鼠、大鼠和狗的重复剂量研究中发现了明显的神经毒性;对三氟草嗪的2种植物代谢物M850H03(也是动物研究中发现的主要代谢物)和M850H012进行了毒性研究,M850H03在细菌反向突变试验、L5178Y小鼠淋巴瘤细胞基因突变试验或小鼠体内骨髓微核试验中均未发现遗传毒性,代谢物M850H012在细菌反向突变试验中也未发现有遗传毒性。


环境评估


三氟草嗪原药对哺乳动物(LD50值>2000 mg ac/kg b.w.,褐家鼠)和鸟类(LD50值>2000 mg ac/kg b.w.,测试了3种鸟类)均具有较低的毒性;在水溶性极限下对鱼类无毒(LC50值>1.7 mg ac lL,测试了4种鱼类);对大型蚤(EC51)值>1.9 mg ac /L)、东部牡蛎(EC50值>2.9 mg ac/IJ,美洲牡蛎)、底栖生物(LC50>71mg ac/kg千燥沉积物,测试了3种底栖生物)低毒;对糠虾类(LC50值0.37 mg ac/L,美洲贻贝)有毒,对藻类(最低ErC100.00022 mg ac/L,ErC50 0.00046mg ac/L,舟形藻)和水生植物(ErC10 0.000042 mg ac/L,ErC50>0.38 mg ac/L,ErC50 0.00017 mg ac/L,浮萍)有毒;通过暴露接触(LD50值>100 μg ac/蜂,欧洲蜜蜂)或经口(LD50值46 μg ac/蜂,欧洲蜜蜂)对成年蜜蜂没有急性毒性,在最高试验浓度下(NOEL 10 μg ac/bee/d,欧洲蜜蜂)成年蜜蜂未观察到任何不良反应;对蚯蚓等土壤微生物无毒害作用(LC50 corr>500 mg ac/kg干燥土壤,胎儿艾森氏菌);主要代谢物M850H001、M850H002和M850H004的毒性明显低于母体内化合物三氟草嗪;代谢产物对鱼类和藻类的毒性比母体内化合物低15倍,对水生植物的毒性比母体内化合物低234倍。


合成方法


关于三氟草嗪的合成方法国内鲜有相关的文献报道,国外巴斯夫公司团队对其合成路线的研究比较深入。在2010-2014年间,巴斯夫团队对三氟草嗪的合成路线进行了不断地研究与优化,并陆续公开了多项与之合成相关的发明专利。笔者对这些专利中所涉及的关于三氟草嗪的合成方法进行了详细的梳理,并简要罗列了以下几种关于三氟草嗪的合成路线。


合成路线1:


专利W02010145992中Witschel等以5-氟-2-硝基苯酚(A)为起始原料,在钯碳催化剂作用下与氢气进行硝基还原反应生成2-氨基-5-氟苯酚(B),B上的氨基氢经氢化钠活化后与2-溴-2,2-二氟乙酸乙酯(C)经酰胺化反应后,生成2-溴-2,2-二氟-N-(4-氟-2-羟基苯基)乙酰胺(D),产物D在有机碱脱酸剂DBU作用下进行Williamson醚化反应生成2,2,7-三氟-2H-苯并【b】【1,4】噁嗪-3(4H)-酮(E),E在硫酸和硝酸的作用下进行硝化反应生成产物2,2,7-三氟-6-硝基-2H-苯并[b]【1,4】噁嗪-3 (4H)-酮(F),F与3-溴丙炔(G)再经酰胺的N-烷基化反应得到产物2,2,7-三氟-6-硝基-4-(丙-2-炔-1-基)-2H-苯并【b】【1,4】噁嗪-3(4H)-酮(H),H在Fe还原剂下将硝基还原成氨基得到关键中间体6-氨基-2,2,7-三氟-4-(丙-2-炔-1-基)-2H-苯并【b】【1,4】噁嗪-3(4H)-酮(I),I再与双光气(J)在干燥的甲苯溶剂中反应生成异氰酸酯类化合物2,2,7-三氟-6-异氰酸基-4-(丙-2-炔-1-基)-2H-苯并【b】【1,4】噁嗪-3(4H)-酮(K),最后K与N.N-二甲基硫脲(L)、N,N-羰基二咪唑(M)在干燥甲苯溶剂中环合得到目标产物1,5-二甲基-6-硫代-3-(2,2,7-三氟-3-氧代-4-(丙-2-炔基)-3,4-二氢-2H-苯并【b】【1,4】噁嗪-6-基)-1,3,5-三嗪-2,4-二酮(N),具体合成路线见图3。


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合成路线2:


Wolf等在专利W0201392858中对专利W02010145992公开的三氟草嗪的合成路线进行了优化与改进。W02010145992公开了一种由关键中间体6-氨基-2,2,7-三氟-4-(丙-2-炔-1-基)-2H苯并【b】【1,4】噁嗪-3(4H)-酮(I)经生成异氰酸酯类化合物后,合成除草剂三氟草嗪(N)的方法,但是这个过程不仅需要2步反应且需要用到双光气(窒息性毒剂)。Wolf等从经济和生态等方面考虑,发明了一种替代双光气的方法。经研究发现中间体I在N,N-二甲基硫脲(L)、N,N-羰基二咪唑(M)作用下可直接转化为三氟草嗪(N),具体合成路线见图4。


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合成路线3:


Dochnahl等在W02014026845中给出了一种反应步骤简洁,条件温和,产率较高的三氟草嗪合成方法。以异硫氰酸甲酯(X)和一甲胺(Y)为初始原料生成N,N-二甲基硫脲(L),L与氯甲酸苯酯(O)酰胺化得到N-甲基-N-(甲基氨甲酰)氨基甲酸甲酯(P),最后P加入到苯基(2,2,7-三氟-3-氧代-4-(丙-2-炔-1-基)-3,4-二氢-2H-苯并【b】【1,4】嗯嗪-6-基】氨基甲酸酯(W)反应完全后即可制得目标化合物三氟草嗪(N),具体合成路线见图5。


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合成路线4:


Dochnahl等在专利W02014026893中提出了一种全新的合成三氟草嗪的方法。以2-溴-2.2-二氟乙酸乙酯(C)和二甲胺(Z)为起始原料经酰化反应生成2-溴-2,2-二氟-N,N一二甲基乙酰胺(R),产物R与3-氟苯酚(S)经醚化反应生成2,2-二氟-2-(3-氟苯氧基)-N,N-二甲基乙酰胺(T),T再进一步硝化得到产物2,2-二氟-2-(5-氟-2,4-二硝基苯氧基)-N,N-二甲基乙酰胺(U),U在Pb/C催化剂下与氢气还原且还原产物进一步醚化成环得到6-氨基-2,2,7-三氟-2H-苯并【b】【1,4】噁嗪-3(4H)-酮(V),V与3-溴丙炔(G)缩合生成关键中间体6-氨基一2,2,7-三氟-4-(丙-2-炔-1-基)-2H-苯并[b]【1,4】噁嗪-3(4H)-酮(I),I再与氯甲酸苯酯(0)酰胺化反应得到产物苯基(2,2,7-三氟-3-氧代-4-(丙-2-炔-1-基)-3,4-二氢一2H-苯并【b】【1,4】嗯嗪-6-基氨基甲酸酯(W),最后产物W与氯甲酸苯酯(0)和N,N-二甲基硫脲(L)的反应产物N-甲基-N-(甲基氨甲酰)氨基甲酸甲酯(P)进行环合得到最终产物三氟草嗪(N),具体合成路线见图6。


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含量分析


黄伟等采用高效液相色谱法,以乙腈+0.1%甲酸溶液作为流动相,使用以ZORBAX SB-C18、5 μm为填料的不锈钢柱和二极管阵列检测器,在266nm紫外波长下对500g/L三氟草嗪悬浮剂进行了分离和含量分析。


结果表明:该分析方法的线性关系良好,准确度和精密度都较高,而且容易操作,是一种较为理想的含量分析方法。


其线性相关系数为1.0000,标准偏差为0.17,变异系数为0.42%,平均回收率为101.95%。


Tian等采用超高效液相色谱与质谱联用的方法,开发了一种灵敏度高的含量分析方法,用于测定谷物、蔬菜和水果中的新型农药三氟草嗪的含量。该方法将含1%甲酸的乙腈萃取物使用伯仲胺和十八烷基硅烷进行纯化,然后使用正离子模式的电喷雾电离源在<3.5 min内进行洗脱。


结果表明:该分析方法的线性关系良好(R2>0.9916),被检测的化合物三氟草嗪的检测限和定量限为0.05~5μg/kg和10μg/kg,回收率为74.4%~105.1%,符合相对标准,在3个加标水平(10、100、500μg/kg)下,偏差值均低于12.4%。该方法对谷物、蔬菜和水果中的农药残留成分兰氟草嗪进行检测具有较高的可靠性。


产品复配及除草效果研究


产品复配研究


农药产品的复配不仅可以在很大程度上降低农资成本,也是延缓和解决杂草抗药性问题的一种重要手段,为了有效清除杂草,大多会采用农药复配的方案。除草剂的合理复配具有扩大杂草谱、提高防除效果、延缓杂草耐药性和抗药性等作用,能够有效地解决由长期连续高剂量地使用单一除草剂品种或单一作用方式所引起的杂草抗药性强和抗性演化等一系列问题。对于三氟草嗪与其他除草剂的复配方法,国内学者有以下研究。


彭学岗等发明公开了一种含三氟草嗪的三元除草剂组合物,其能够有效防除作物田中常见的杂草,具有扩大杀草谱、减少施药量、对作物安全性较高等优点。


该组合物包括有效除草成分A、B和C.其中A为三氟草嗪,B为HPPD抑制剂类除草剂家族的一种或几种,C为丙草胺、丁草胺、二氯喹啉酸等中的一种或几种。有效成分A、B、C的质量百分含量占总量的1%~95%,优选为10%~80%。该复配除草组合物在低剂量施药下对防除稗草、陌上菜、绿色狗尾草等作用效果突出。


北京科发伟业农药技术中心发明公开了一种含噻酮磺隆和三氟草嗪的复配除草剂,其包含活性成分A和B,A力噻酮磺隆和三氟草嗪,B为辛酰溴苯腈、氟氯吡啶酯、F4050、SL-1201、F9600、F9960等中的一种或几种,组分A和组分B的优选混合比为100:1~1:100或50:1~1.50:室温条件下,选取禾本科杂草、阔叶杂草及莎草科杂草为其活性测验对象,结果发现活性成分A(噻酮磺隆和三氟草嗪)与活性成分B(F9600)以(500+100+1mg/L)复配时,其除草效果最佳,实际防效可达96.16%。


除草效果实例分析


周超等为了筛选出对花生田杂草防除效果好且安全性高的除草剂,其采用田间小区试验法测定了三氟草嗪悬浮剂对花生田中反枝苋等6种杂草的防除效果(见表1),结果表明:在施药20天后,500g/L-氟草嗪悬浮剂100g.a.i./hm2处理花生田杂草土壤,防除效果良好,株数总体仿效在95%以上;500g/L三氟草嗪悬浮剂50g.a.i./hm2处理防效仅为37.05%,除草效果较差。


施药后40天,三氟草嗪处理的总体株数防效与药后20天相比有所下降,但总体杂草防除效果仍然较好,500 g/L三氟草嗪悬浮剂100g.a.i./hm2总体仿效可达91.08%~96.46%,但500g/L三氛草嗪悬浮剂50g.a.i./hm2防效较药后20天有所上升,为63.04%。


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产品登记情况


2020年5月28日,三氟草嗪原药在澳大利亚获得全球首个登记,三氟草嗪的全球商业化进程由此快速推进,同年7月1日,巴斯夫的复配产品(125.0 g/L毛氟草嗪+250.0 g/L苯嘧磺草胺悬浮剂)也在澳大利亚获准登记,其主要用于工业、商业、农业建筑、公共服务领域和庭院周罚的杂草控制以及大麦播种前、休耕和非作物区域、休稠设施、建林前的牧场、小麦播种前的杂草防治。


2021年1月21日,加拿大批准了三氟草嗪99.2%原药、500g/L悬浮剂和375g/L三氟草嗪苯嘧磺草胺悬浮剂的登记,其主要用于大麦、大田玉米、豌豆(旱地)、大豆、小麦(含硬质小蔓、春小麦、冬小麦)以及化学休耕地的杂草防治。


2021年5月28日,美国批准了三氟草嗪99.2%原药、41.53%悬浮剂的登记,用于防治玉米、豆类蔬菜、小粒谷物、花生、高梁、大豆、柑橘、棉花、向日葵等多种作物中的阔叶杂草和禾本科杂草。


小结与展望


三氟草嗪具有宽广的杀草谱和高效的靶标杂草防治效果,其不仅可以有效地防除豚草、野生萝卜、黑麦草等禾本科杂草和阔叶杂草,对防除PPO抗性杂草效果更佳。其主要以植物的叶绿素为作用点,以原卟啉原氧化酶(PPO)为作用靶标,通过阻断高等植物所特有的、重要的光合作用过程和引发细胞内一系列破坏性的氧化反应来损伤植物细胞,从而达到除草目的。此类作用机制新颖的除草剂一直是新农药创制领域研究的热点课题,在经40多年的开发中,不断有新的产品成功上市。


但随着近年来各类除草剂的普遍使用,杂草抗性问题日益突出这也对PPO抑制剂类除草剂的研发提出了新挑战。但PPO抑制剂类除草剂开发的潜力和优势依旧巨大,三氟草嗪的上市和推广使得PPO抑制剂类除草剂家族新添一名重磅成员。相信在科研工作者不断地创新研发下,将来会有越来越多符合当今″高效、低毒、安全″新农药创制主题的绿色农药产品被成功研发并登记上市,人类在与杂草的博弈中也一定金取得斐然的成绩,给农业增产带来新的变革力量。


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