刘长令教授谈″中间体衍生化法″与新农药创制新进展

 

众所周知，以环境相容的天然产物为模版开展优化研究，是实现农药绿色化的重要途径。肉桂酸、尿嘧啶、香豆素等是广泛分布于植物界中的次生代谢物质，环境相容性好，具有一定的生物活性，且毒性低、分子量小、易于合成和结构多样化衍生。因此，以这些天然产物为模板、中间体，或者以合成这些天然产物的原料为中间体，进行化学反应与修饰，研制仿生新农药品种，不仅可以提高活性并解决天然产物来源不易和不稳定如见光分解等的难题，也有利于环境保护和持续发展。

 

 

针对绿色农药品种原始创新重大科技难题，经过20多年的探索、实践与研究，创建了绿色农药分子设计和品种创制的新方法“中间体衍生化法”，从市场和化学角度出发，把新农药创制的复杂过程简单化，大量实践结果表明，采用中间体衍生化法研制新农药品种，可大幅度提高新农药创制成功率、降低研发成本。

 

关于“中间体衍生化法”已经发表过多篇论文，也出版过专著《新农药创制与合成》，如发表在Chemical Review上的综述，目前对其本身研究又有进展，特此撰文，供参考！

 

农药创新与医药相似，如果能知道受体的三维结构，设计化合物就相对容易了，但由于病虫草害种类繁多，变异速度快，很难研究清楚受体的结构；即使搞清楚受体的结构，由于施药方式的不同，计算机预测在细胞或者分子水平有效的化合物，绝大多数在活体测试时却没有效果，所以，就如前文所述，目前新农药创制研究仍处于“试错”的时代，类似不知锁头结构配钥匙(Lock andKey)，只能多试，多总结，但如何做，才能使效率更高？也就是如何做才能提高满足市场需求新农药的创制成功率？如何使复杂问题简单化？

 

首先从市场角度分析，如果希望新农药的市场占有率高，就必须具有独占市场的专利权和高性价比(高安全性、高活性、低成本)优势。而专利授权必须具备的“三性”即新颖性(首创性)、创造性(先进性)和实用性由化学结构决定；性价比与性能和成本有关，其中性能如活性和安全性也由化学结构决定，成本则与化学结构及其制备所需要的原料(中间体)的价格、工艺或反应过程有关，即农药的专利、性能与成本都与化学结构有关。

 

其次从化学角度分析，农药多属于小分子，分子量大多在150~500之间，基于逆合成分析，农药品种的化学结构则是由一个或几个原料(中间体) 经化学反应得到，因此选择适宜的原料或中间体是关键。

 

综上，通过20多年的研究实践，创建了“中间体衍生化法”。

 

 

中间体衍生化法创制新农药品种与现有方法不同之处：在绿色农药分子设计之时，同步考虑开发，确保未来产品的专利权稳定、性能与成本优势显著。

 

在研究之初就考虑开发，首先选用便宜易得、安全环保的原料(中间体)(考虑成本与安全性)，设计现有专利保护范围之外的新农药分子或新化合物(确保化学结构新颖)，同时利用常规、易于工业化的化学反应合成新化合物(确保制造成本低廉)；其次对合成的新化合物按照农药研究程序进行测试(包括生物活性筛选、安全性评价等)，发现新的先导化合物；随后经多轮DSTA 即“设计-合成-测试-分析”优化研究，筛选出安全性好、活性高的化合物(确保先进性和实用性)。依照此方法筛选获得的化合物，具备了专利授权需要的“三性”和性价比优势。利用该创新方法，不仅可以进行“Me too”研究，也可以进行全新结构化合物的研究，大幅度提高了新农药创制的成功率。

 

以丁香菌酯为例，逆合成分析见图1。

 

 

丁香菌酯主要原料是二甲苯、乙酰乙酸乙酯、间苯二酚和氯丁烷。丁香菌酯结构新颖，与现有农药品种结构显著不同，且防病效果好，因此获得多国发明专利，专利授权范围较大，说明专利权稳定；其性能主要由化学结构决定，成本与结构及其相关主要原料二甲苯、乙酰乙酸乙酯、间苯二酚和氯丁烷的价格及相关反应有关(见图2)，相关原料便宜、易得、安全，且采用的反应适宜于工业化，因此成本低廉，加上防治苹果树腐烂病和水稻纹枯病等效果好，且安全环保，因此性价比优势显著，应用前景广阔。

 

图2 丁香菌酯的合成路线
 

 

中间体衍生化法是在市场分析和逆合成分析基础上创建的，关注的重点是中间体(原料)，所选中间体需具有结构简单、容易合成、安全性好、价格便宜等特点。主要来源：1)常用、易得的原料或其经化学反应获得的新中间体；2)有活性的天然产物或其片段，已知农药、医药品种或其片段或其合成原料。

 

在实际应用中，根据中间体(原料)的特点和来源不同，该创新方法又分为如下3种：

 

1)直接合成法：用结构简单的中间体，进行进一步化学反应得到新化合物，经生物活性和安全性测试，发现新先导化合物，经DSTA优化研究，发明结构全新、性能优异的候选农药品种(见图3)。

 

 

 

2)替换法：使用所选的中间体替换已知农药品种结构的一部分(通常为非等排替换，也可以等排替换，类似生物等排)，得到已有专利范围外的新化合物，经测试和优化研究，发明性能更优的候选农药品种(见图7、9、10)。

 

3)衍生法：利用已知具有生物活性的化合物作为中间体，进行衍生得到新化合物，经测试和优化研究，发明性能更优或性能完全不同的候选农药品种(见图4)。

 

以上3种方法可单独使用，也可以同时或交替使用（见图5、6、8)。

 

 

中间体衍生化法的实际应用
 

中间体衍生化法为新农药原始创新提供了一种新思路，使新农药创制的复杂过程简单化，并确保农药品种专利权稳定、性价比优势显著。据报道，国外一个农药品种的创制通常需要筛选16万个化合物，成功率低，其主要原因是大多候选化合物安全性差或性价比不高。1999—2013年，我们团队采用中间体衍生化法，选用便宜易得、安全环保的原料(中间体)并采用易于工业化的化学反应，大幅提高了“高效低毒、环境友好、性价比优势突出”候选化合物的发现几率，从3万个化合物中可选出3个农药品种和10多个候选农药品种，使新农药创制成功率提高了90%。

 

“中间体衍生化法”在实际应用中证实了其普适性。除了在我们团队中取得了好的成效外，其他单位如青岛清原抗性杂草防治有限公司(青岛清原)、山东省联合农药工业有限公司(山东联合)应用该创新方法也取得了满意的效果。青岛清原发明了4个除草剂，其中环吡氟草酮和双唑草酮已获准登记并实现了产业化；山东联合发明了多个杀菌剂和杀线虫剂，其中杀菌剂氟醚菌酰胺已获准登记并实现了产业化。通过实践，“中间体衍生化法”证明了其优势，不仅突破了已有专利保护，而且可发明性能更优的产品，大幅度提高新农药创制的效率与成功率、缩短研发周期、降低研发成本。

 

 

针对农业重大病虫草害防治药剂缺乏的难题，采用中间体衍生化法，以天然产物为模板，发明新型高效、环境友好的仿生农药品种，获准登记、实现产业化、获得大面积推广应用，产生很好的经济、社会和环境效益。

 

 

针对霜霉病、晚疫病等毁灭性气传病害，以对氟苯甲酸为中间体，对先导化合物天然产物肉桂酸衍生物进行结构改造，通过结构活性关系研究，发明了环境相容性好、兼具很好预防及治疗活性的氟吗啉(英文通用名称flumorph)，解决了该类杀菌剂治疗活性差的重大缺陷，极大提高了防效并实现产业化，为我国新农药创制起到示范带动作用。具体创制路线和合成见图5。

 

 

 

针对重大病害如苹果树腐烂病(类似癌症)以及水稻纹枯病等，以天然产物香豆素为模板和中间体，进行衍生，并引入甲氧基丙烯酸酯类杀菌剂的结构片段，经过多轮DSTA即“设计-合成-测试-分析”研究，3次先导化合物的优化升级，最终成功发明了由香豆素和甲氧基丙烯酸酯2个天然产物片段组成、仅含碳、氢、氧3种元素的新型仿生杀菌剂丁香菌酯(英文通用名称coumoxystrobin)，获中、美、欧、日多国发明专利。丁香菌酯对苹果树腐烂病和水稻纹枯病的防治效果显著优于多种常用药剂，于2010年获准新农药登记，并实现了产业化。具体创制路线见图6。

 

 

 

 

针对霜霉病、稻瘟病、白粉病、炭疽病等重大病害，以制备香豆素的中间体为原料，首先合成关键中间体取代吡唑，替代杀菌剂丁香菌酯结构中的香豆素部分。经过多轮DSTA即“设计-合成-测试-分析”研究，发明了获中、美、欧、日和巴西等多国专利、性能独特的唑菌酯(英文通用名称pyraoxystrobin)，在增强植物本身抗病能力、防治众多重要病害如霜霉病、稻瘟病、白粉病、炭疽病等的同时，还拥有其他产品不具备的杀虫、抗病毒和促进作物生长的性能，增产非常显著(仅作为植物生长调节剂可使马铃薯、苹果、水稻均增产超10%)。利用组合增效原理，发明目前我国唯一由2个具有自主知识产权的唑菌酯和氟吗啉组成的新产品“百达通”，扩大应用范围、进一步延缓抗性产生。制定唑菌酯及制剂2项国际标准，开创了我国制定创制农药FAO标准的先河。唑菌酯的创制路线见图7。

 

 

 

 

针对百草枯禁用及草甘膦抗性严重的问题，经过详尽研究，在“近20年效果最好除草剂”苯嘧磺草胺(saflufenacil)的逆合成分析基础上，利用取代苯甲醛为中间体，经衍生化，多轮DSTA研究，发明了新型除草剂SY-1604，对数十种重要的阔叶和禾本科杂草都有很好的防除效果，对草甘膦产生抗性的杂草同样有效，效果显著优于苯嘧磺草胺(仅对阔叶草有效)，解决了同类产品对禾本科杂草无效的难题，且与草甘膦混用可有效防除对草甘膦产生抗性的杂草，性价比优势明显，填补了草甘膦抗性杂草防除的空白，应用前景十分广阔，目前尚在产业化开发过程中。创制路线见图8。

 

 

 

国外各大公司研究半个多世纪毒性高的嘧啶胺类化合物，如flufenerim效果好，因毒性高不能产业化，所以针对毒性难题，历经3代结构的迭代升级，解析结构-活性-毒性-关系，成功破解了毒性难题，发明结构新颖、高效、急性经口毒性比食盐还低的嘧啶胺类杀菌剂SY-1602。田间试验结果表明：对霜霉病、白粉病、靶斑病等效果显著优于众多商品化产品，性价比优势显著：如防治霜霉病，性能好于氟吗啉3~5倍，而成本和氟吗啉相似，在产业化开发中。创制路线见图9。

 

 

 

针对抗性小菜蛾、甜菜夜蛾等害虫，利用丁香菌酯和唑菌酯研制过程中的中间体，替代已知杀虫剂结构中的吡啶基团，经优化研究，发明了新型杀虫剂SY-1606。田间试验结果表明：可有效防除抗性害虫等，性价比高。SY-1606性能与pyridalyl相似，但原材料成本仅是其一半,在产业化开发中。杀虫剂SY-1606的创制路线见图10。