含1,2,4-噁二唑的邻氨基苯甲酰胺类化合物的设计、合成及生物活性研究开题报告

文 献 综 述

含1，2，4-噁二唑的邻氨基苯甲酰胺类似化合物的设计及研究

摘要：介绍鱼尼丁受体类杀虫剂的发现及发展现状；1,2,4-噁二唑及其衍生物的合成

关键词：鱼尼丁受体；1,2,4-噁二唑；邻氨基苯甲酰胺；杀虫剂；

1.前言

21 世纪人类面临的难题中，最主要的就是人口的不断增长与耕地面积的减少。由此日益凸显出粮食短缺的严重问题，为了提高粮食单位面积的产量，农药在其中发挥了举足轻重的作用。世界范围内的调查表明，每年因病虫草害，整个粮食减产约占总产量的三分之一。通过农药的使用，我国每年在作物生长上挽回巨大的损失，不但使得粮食增产解决了温饱问题，还产生出可观的经济效益^[1]。同时，化学农药在林业、家庭卫生、公共卫生等领域也有广泛的应用，在降低病虫害的同时，也推动了化学工业的发展并且提高了人们的生活水平^[2]。但由于高毒低效农药的长期过度使用且无有效管理，现代农业中病虫害的抗性问题日益突出，与此同时环境生态也遭受了严重破坏^[3]。因此，禁止使用并逐步淘汰高毒低效农药，推广合理使用低毒、高效、低残留的农药已迫在眉睫。

目前环境友好型绿色农药应具备药效高、单位面积使用量少、选择性高并对非靶标生物毒害少、对农作物药害少、使用后残留少等特点^[4]。因此，合理使用绿色农药以此控制病虫害并增加粮食的产量，是农药未来发展的必然趋势。开发具有高效低毒环境友好型的绿色农药，是化学工作者的重要任务。鉴于此，以期待开发出高效、低毒、广谱和环境友好的绿色农药；高效和高选择性的农药在农作物的保护和病虫害的防治上起了关键的作用，但害虫抗药性的解决为不同靶标的新型杀虫剂的创制提供了机会，同时也带来了挑战; 鱼尼丁受体抑制剂就是近年来开发成功的具有独特作用机理的新农药，由于其广谱、高效、低毒和安全的特点现已成为新农药创制的重要领域，美国Gutman 等^[5]人首次报道了将噁二唑和菊酸拼接，得到了具有噁二唑杂环的拟除虫菊酯衍生物。植食性螨虫具有体积小、繁殖快、适应性强和易产生抗药性等特点，被认为是公认难防治的有害生物，该类物质具有很好的杀虫杀满活性，是一种防治植物性螨虫的农药。

美国的King 等人^[6]报道了一种1,2,4-噁二唑的醚（硫醚）类物质可防治玉米根虫。该虫是北美洲玉米的主要虫害之一，能侵食玉米根部，导致之物大量减产，1,2,4-噁二唑作为结构中的主体部分，起到了关键的毒杀作用。

2.1 鱼尼丁受体类杀虫剂的研究进展与作用机制

2.1.1鱼尼丁受体类化合物的研究进展

经历了一个世纪的变迁，农药杀虫剂产生了革命性的变化。从40、50 年代的有机氯有机磷类、60 年代的氨基甲酸酯类，70 年代的拟除虫菊酯类到80 年代的昆虫生长调节剂类、90 年代的烟碱类^[7]。杀虫剂从以往的高毒低效演变成今日的低毒高效，不断的提升药剂的活性，同时结构新颖，作用靶标全新的杀虫剂不断涌现。近年发展起来的鱼尼丁受体杀虫剂是一类新型、广谱、低毒、高效的杀虫剂，由于其作用靶标是鱼尼丁受体，目前尚无其抗性研究的报道。

2.1.2鱼尼丁受体类化合物的发现

鱼尼丁受体类杀虫剂是从南美的一种大风子科豆科植物中提取的天然产物鱼尼丁。经科学家分离提纯和结构鉴定得到了三个高活性的物质：鱼尼丁碱 ^[8]、脱氢鱼尼丁碱^[9]和18-羟基鱼尼丁碱^[10]，它们在活性上有了很大的提升，但对哺乳动物的高毒性依然存在。由于是从天然产物中得到的一类具有生物活性的物质，因此通过从作用机理上对该类化合物进行研究，能更好的发现新型的具有生物活性的物质。

钙离子在体内的浓度平衡与机体生理活动息息相关^[11]。细胞内钙离子的释放主要由三磷酸肌醇受体(InsP3Rs)^[12]和鱼尼丁受体(RyR)两类通道蛋白所调节 ^[13]。鱼尼丁受体(RyR)是一类最主要的钙离子释放通道(CRC)，因能与植物碱鱼尼丁(ryanodine)发生高亲和性结合，故得名鱼尼丁受体(RyR)。通过机理研究表明：该类物质是通过与在骨骼肌细胞内肌浆网膜（SR）上的鱼尼丁受体（RyR）作用，使钙离子通道处于持续打开状态，致使细胞内的钙离子不断向肌肉组织中释放，引起肌肉收缩而导致一系列症状，从而表现出杀虫活性^[14]（其作用机理如图1-1所示），该作用机理被杀虫剂抗性对策委员会（IRAC）划为第28 类。具有杀虫活性的邻二酰胺类化合物的发现具有一定的巧合性，其研发最早始于1989 年日本大阪府立大学Tsuda 博士的一篇文章，文中报道了一系列吡嗪二酰胺类化合物，其中有一部分具有较好的杀菌和除草活性^[15]。该系列化合物结构新颖，引起了日本农药公司的兴趣^[16]。

图1-1鱼尼丁受体杀虫剂的作用机理

1993年，日本农药株式会社Tohnishi等人^[17]以该类化合物为先导物合成了大量的类似物，以期获得活性更好的除草剂。在化合物普筛期间，他们意外的发现在较低的浓度下，此类化合物表现出较好的杀虫活性，并发现这类化合物具有全新的作用机理。当公开此结果以后，拜耳、杜邦等农药研发生产的大公司投入了大量的人力物力对其结构进行改进。1998年，日本农药株式会社和拜耳公司在大量筛选二甲酰胺类化合物之后，发现了氟虫酰胺(flubendiamide)（图1-2），该化合物对几乎所有的鳞翅目害虫尤其是二化螟和卷叶螟具有很好的活性，并且具有速效、持效等特点^[18]。

图1-2鱼尼丁受体杀虫剂氟虫酰胺和氯虫酰胺

2.1.3含邻甲氨基苯甲酰胺结构的鱼尼丁受体杀虫剂的研究进展

由于氯虫酰胺是第二代鱼尼丁受体类杀虫剂的优秀代表，与氟虫酰胺具有共同的作用机制且LC50 值更低，因此本节对邻甲酰胺基苯甲酰胺结构的研究进展做介绍如下：

通过对已报道邻甲酰胺基苯甲酰胺类结构的总结，该类物质的通式可表示如下：

（图1-4）即（A）桥基部分、（B）酰胺部分和（C）酰胺部

图1-4邻甲酰胺基苯甲酰胺类化合物的结构通式

目前，现有该类化合物即可通过对通式进行相应的片段变换得到。对其结构改造可分以下两类：

（1）分别对（A）、（B）、（C）三部分单独修饰；

（2）将（A）（B）、（A）（C）和（B）（C）部分连接成环。

2.1.3.1（A）部分单独进行结构修饰

（A）部分的修饰，通常以苯环、取代苯环、萘环、杂环、稠杂环等结构变换，其中以苯环和3,5-位取代的苯环研究较多，并且杀虫活性优于其他芳香环^[19]。

2.1.3.2（B）部分单独进行结构修饰

目前对（B）部分的修饰主要有两个方面：（1）酰胺结构的衍生；（2）R2 基团的变化。

（1）酰胺结构的衍生

酰胺结构的修饰包括：在酰胺N 上引入小基团（如烷基链）；将羰基氧用硫原子替换；或与（C）部分成环（单独介绍）。

（2）R2 结构的变化

美国杜邦公司^[20]在2001 年首先报道了R2 取代基对该类化合物活性的影响，专利中指出R2 基团以含N、S 杂环（如吡啶、吡唑、噁唑、三唑，噻唑）为取代基时活性有明显提高，以杂环-苯环或杂环-杂环为取代基时，活性也明显提高，其中，R2 取代基活性最高的为吡啶连吡唑基团。

Lahm 等人^[19]于2007 年对R2 为吡啶连吡唑取代基时的化合物进行了构效关系研究，结果表明吡唑3 位为不同取代基时，其活性大小关系为：OCH3 OCHF2 OCH2CF3，Cl Br ≈ CF3。与此同时，对于吡唑3 位取代基团Rx 的研究报道剧增。对于Rx 基团的改进，某些新化合物对于小菜蛾、斜纹夜蛾等杀虫活性有较好的提升，但是活性相对较高的化合物还是保留了Lahm 等人总结的吡唑3 位以Br 或CF3 取代较好。

2.1.3.3（C）部分单独进行结构修饰

（C）部分的修饰主要包括（1）酰胺结构的衍生；（2）R3 基团的改变；（3）内部环合。

（1）酰胺结构的衍生

对于酰胺结构的改变，类似于(B)部分酰胺键的改造，主要是改变酰胺为磺酰胺[34]，硫酰胺^[22]或者插入一个羰基得到类似于羰基酰胺基^[21]的结构。

（2）R3 基团的变化

对于R3 基团的变化多种多样，其主要为烷基、环烷基、亚氨基、烷氧基、酰基、取代苯基、取代杂环等，其中以小基团取代化合物的活性较高。

2007 年，日本住友公司^[22]报道了双酰肼结构的化合物，该类物质对多种害虫均有抑制效果，同年，德国巴斯夫公司报道了以N=S 双键结构的化合物，该类化合物对小菜蛾具有较高的杀死率。2008 年，江苏省农药研究所^[23]也报道了不同取代基的双酰肼结构的化合物，该类部分化合物在10 μg mL-1 时，对小菜蛾有较好的杀死率。同年，沈阳化工研究院[24]报道了酰肼取代基的化合物，该类物质中部分化合物在5 μg mL-1 时，表现出对小菜蛾100%的杀死率。2009 年，湖南化工研究院^[25]报道的N-含氧取代的酰胺类化合物，对蚜虫和鳞翅目害虫表现出较好的杀虫活性。

（3）R3 基团环合

该类型结构改造中，将杂环引入（C）部分。

2002 年，美国杜邦公司^[26]报道了一系列将酰胺键暗含在杂环中得到一系列邻杂环的苯胺甲酰类化合物（图1-12），该类化合物对先导物氯虫酰胺有较大的改变。研究发现该类化合物对小菜蛾、烟夜蛾和粘虫等具有很好的生物活性。

2.3课题研究目的和意义

总的来说，针对上述两种杀虫剂的结构改造可分为两大类型：(1)运用经典的生物电子等排变换方法对局部基团进行修饰性的变换。这类型的结构改造保留了先导物中大部分活性结构，仅对一些取代基或侧链基团进行变化，生物活性被保持的可能性也较大，但往往不能跳出已有专利的结构框架，生物活性上取得突破的可能性也较小。(2)杂环化改造。这种改造策略往往结构变化较大，先导物的结构保留少于前者，得到的化合物结构却更具新颖性，生物活性变化较大的风险性也增加，而获得突破的可能性却较前者高。

所以本课题将用运用（1）经典的生物电子等排变换方法对局部基团进行修饰性的变换和（2）活性亚结构拼接的方法引入活性结构两种方法创制新型农药在邻氨基苯甲酰胺类似化合物中引入1,2,4-噁二唑活性亚结构以增强农药的生物活性。

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２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：

1解决的问题

（1）分子设计：利用成熟的活性子理论，类同合成理论，活性基团拼接理论、生物电子等排理论等技术指导设计目标化合物，使化合物能尽可能地保留活性基团与靶标结合的化学位点，从而能得到类似的杀虫活性和作用方式。同时分析设计化合物的电子性、亲水亲油平衡性等参数，使其处在农药活性化合物的合理范围。在杀虫活性测定的基础上，进行化合物结构的二次优化设计和多次优化设计。

（2）化合物的合成：所设计的杂环类衍生物具有多种功能基，合成工作量大，因此需要针对不同结构的杂环化合物建立灵活、高效的合成路线和方案，以保证较高的合成效率有一定难度。

（3）生物活性评价：生物活性数据的获得是建立定量构效关系模型的重要基础。鱼尼丁受体类杀虫活性有其自身的特点和规律，可靠的筛选模型是生物活性数据可靠性的关键保证。

（4）高活性化合物的二次优化工作：着重解决局部修饰的取代集团的位置、类型跟活性的关联性、构效模型的评价及优化等问题。

2 研究手段

本课题将在前期工作的基础上，运用独特的杂环化设计策略对氯虫酰胺进行结构改造，寻找具有高活性的杀虫先导物，并对前期工作中已发现的先导物进行二次优化，为研制具有自主知识产权的新杀虫剂奠定基础。其设计策略主要有以下两类：

（1）将氯虫酰胺中的一个酰胺基团以1，2，4-噁二唑五元含氮杂环的方式潜伏化。1，2，4-噁二唑杂环是酰胺键潜伏化常用的非经典等排体。

（2）噻吩、吡唑、吡啶、吡嗪、吡啶连吡唑杂环等活性亚结构与氯虫酰胺的拼接，这些杂环是一些商品化杀虫剂中的活性亚结构。

3课题目标分子

图1课题目标分子

合成部分：

中间体及终产物的合成路线如下图所示。

图2 目标分子的合成路线

生测部分：

采用浸液碟法或浸虫法等标准方法对新化合物进行生物活性研究，包括以小菜蛾、甜菜夜蛾等鳞翅目昆虫作为靶标的初筛，对高活性化合物的生物活性复筛，高活性新化合物的优化环节的生物活性筛选以及毒力基线的计算。

根据确定好的合成路线，购买所需试剂，合成相应的目标化合物。能根据具体情况更改合成方法和路线，摸索、确定反应的具体条件。用核磁、质谱等手段表征所合成的目标化合物，能够解释相应的谱图。