異 唑啉類商品化殺蟲劑的發(fā)展沿革與合成

冀經(jīng)倫，吳旭杰，陳士慧，張 靜，2，高一星，2*，張立新，2*

（1.沈陽化工大學(xué)功能分子研究所，遼寧省綠色功能分子設(shè)計與開發(fā)重點實驗室，沈陽市靶向農(nóng)藥重點實驗室，沈陽110142；2.廣西思鉞生物科技有限責(zé)任公司，南寧 530000）

目前，已超過300種殺蟲劑流向市場，每十年都會引入至少一個新的化學(xué)結(jié)構(gòu)類別，如有機磷、氨基甲酸酯、有機氯、擬除蟲菊酯和新煙堿等[1]。傳統(tǒng)化學(xué)農(nóng)藥因存在高殘留、高抗性、高毒性等問題被限制或者禁止使用。如何開發(fā)高活性、高選擇性、低風(fēng)險、無殘留的產(chǎn)品已成為綠色農(nóng)藥的發(fā)展方向[2]。隨著研究人員對化學(xué)功能分子、作用機理和抗性機制不斷深入研究，以氟雷拉納（fluralaner）為代表的異 唑啉（isoxazoline）類殺蟲劑被成功研制。

異 唑啉類殺蟲劑的化學(xué)結(jié)構(gòu)新穎、殺蟲譜廣、作用位點獨特，無交叉抗性等特點引起了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。此類殺蟲劑對鱗翅目、半翅目、纓翅目、蜱螨目等害蟲具有良好的殺蟲效果。其作為非競爭性拮抗劑（NCAs）作用于昆蟲γ-氨基丁酸（GABA）受體，抑制其氯離子內(nèi)流，干擾了GABA跨膜信號傳遞，最終使昆蟲神經(jīng)興奮不能控制而死亡[3-7]。異唑啉類殺蟲劑的作用靶點為NCA-II型，與傳統(tǒng)的GABA受體NCAs，如有機氯類（林丹、狄氏劑、硫丹）和苯基吡唑類（氟蟲腈）的靶點NCA-IA型相比，不存在交叉抗性，而且更加環(huán)保和安全[8-10]。國內(nèi)外制藥公司相繼對此類化合物開展研究，目前已有6個品種商品化或即將商品化，其中2種為農(nóng)藥殺蟲劑，4種為抗寄生蟲獸藥，成為了殺蟲劑研究熱點領(lǐng)域之一。筆者重點對異 唑啉殺蟲劑的發(fā)展沿革、品種介紹及合成路線進行了綜述，旨在為讀者對這類新穎的殺蟲劑提供全面的了解。

1 發(fā)展沿革

異 唑啉殺蟲劑的發(fā)現(xiàn)與雙酰胺類殺蟲劑密切相關(guān)，其起源可以追溯到化合物1鄰苯二甲酰胺和化合物2鄰甲酰氨基苯甲酰胺活性結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)[10]，許多農(nóng)化公司相繼對其結(jié)構(gòu)進行研發(fā)優(yōu)化。先導(dǎo)化合物1只表現(xiàn)出微弱的殺蟲活性[11]。由于其結(jié)構(gòu)新穎，日本農(nóng)藥株式會社（Nihon Nohyaku）仍對化合物1進行了設(shè)計開發(fā)，在1998年推出化合物3，即雙酰胺類殺蟲劑氟蟲酰胺（flubendiamide）。杜邦（Dupont）公司通過酰胺反向取代和基團修飾將先導(dǎo)化合物1優(yōu)化得到化合物2，經(jīng)活性測試也表現(xiàn)出不錯的殺蟲效果，隨后在2000年優(yōu)化研發(fā)出化合物4，即杜邦公司的明星產(chǎn)品氯蟲苯甲酰胺（chlorantraniliprole）。

與此同時，日產(chǎn)化學(xué)工業(yè)株式會社（Nissan Chemical Corporation）科研人員也在先導(dǎo)化合物1、2結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，如對獨特的七氟異丙基取代基進行研究，引入了三氟甲基、異 唑啉、肟基等基團，合成了一系列化合物，在2003—2005年公開了相關(guān)專利，如5～8等。專利5～8的化合物基團在結(jié)構(gòu)上存在反向?qū)?yīng)關(guān)系，但是都存在良好的殺蟲活性。這一系列發(fā)現(xiàn)為化合物9成功合成奠定了基礎(chǔ)，其專利內(nèi)化合物經(jīng)活性篩選開發(fā)出化合物10，即fluralaner。2007年，日產(chǎn)化學(xué)又在殺蟲劑fluralaner三氟甲基酰胺鏈上進行修飾優(yōu)化，將其替換為肟醚鏈，隨后經(jīng)活性篩選得到化合物11，即fluxametamide（圖1）。

杜邦公司也在開展相關(guān)異 唑啉類化合物的研究，公開了其研究成果，如化合物12、13，其化合物13（R=3,5-二氯或溴）對草地貪夜蛾、棉鈴蟲、小綠葉蟬、西花薊馬等表現(xiàn)出優(yōu)異的殺蟲活性[12]。將苯環(huán)替換成萘環(huán)，隨后又合成一系列化合物14～16，而專利化合物16內(nèi)經(jīng)活性篩選開發(fā)得到化合物17，即殺蟲劑阿福拉納（afoxolaner）（圖2）。

先正達（Syngenta）公司很早就投入異 唑啉的研發(fā)，最開始嘗試將異 唑啉環(huán)3和5位苯環(huán)取代鏈進行方向置換，制得化合物18；將苯甲酰胺基團換成苯脒基團，如化合物19；將酰胺鏈修飾替換為硫雜環(huán)得到化合物20，隨后在化合物20的基礎(chǔ)上，在4位異 唑啉環(huán)引入（R1=甲基、氟和溴等）取代基，合成一系列化合物21（G為苯環(huán)、萘環(huán)或其他雜環(huán)），之后研究人員又側(cè)重了對三氟甲基酰胺鏈的優(yōu)化替換，引入了五元雜環(huán)，如異噻唑和異 唑等，其中引入異 唑環(huán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)為化合物22，而化合物23（R1=3,5-二氯-4氟，R2=乙基），即isocycloseram位列其中（圖3）。

碩騰（Zoetis）公司也關(guān)注到了異 唑啉類化合物的殺蟲活性，尤其是對跳蚤和蜱蟲。作為一家動物保健公司，公司的科研人員借鑒了杜邦公司化合物13并進行了優(yōu)化衍生設(shè)計，嘗試合成化合物24。出乎意料的是，在合成的過程中卻收獲新的目的產(chǎn)物25，而且經(jīng)測試有良好的殺蟲效果和開發(fā)潛力，因此順勢對化合物25進行優(yōu)化，將頭部苯環(huán)4位氯替換成氟，連接氮雜環(huán)的內(nèi)酯還原成環(huán)醚，得到化合物26。為了進一步優(yōu)化26的PK值（藥物代謝動力學(xué)），在保持藥效的同時對其理化性質(zhì)進行了平衡，最終篩選出化合物27，即沙羅拉納（sarolaner），其獨特的螺氮雜苯并呋喃結(jié)構(gòu)提供了分子的剛性和效力，甲基磺酰甲酮增加了分子的極性表面積[13]（圖4）。

洛替拉納（lotilaner）的發(fā)現(xiàn)相比其他公司較為輕松，諾華（Novartis）公司參考杜邦和日產(chǎn)化學(xué)的專利，如EP1538138A1、WO2007075459A。通過研究，他們以修飾噻吩環(huán)為主進行了化合物的合成，并申請了相關(guān)專利WO2010070068A2，其專利內(nèi)化合物就包含lotilaner，并與fluralaner、afoxolaner結(jié)構(gòu)相似。諾華公司在2014年將動物保健業(yè)務(wù)出售給美國禮來動保（Elanco Animal Health）公司，隨后禮來動保對lotilaner進行了商品化開發(fā)（圖5）。

2 品種介紹及合成路線

異 唑啉骨架作為先導(dǎo)化合物在農(nóng)作物保護方面具有較高的價值，在動物保健中研發(fā)成果顯著，特別是在預(yù)防或治療體外寄生蟲感染的獸藥領(lǐng)域。現(xiàn)對這6個品種（氟雷拉納、fluxametamide、阿福拉納、isocycloseram、洛替拉納和沙羅拉納）的現(xiàn)狀和最新的合成路線進行簡述。

2.1 氟雷拉納

氟雷拉納（fluralaner），開發(fā)代號為A1443，是由日產(chǎn)化學(xué)在2004年研發(fā)合成，其于2005年獲批專利WO2005085216。CAS號：864731-61-3，CAS化學(xué)名稱為4-[5-(3,5-二氯苯基)-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]-2-甲基-N-[2-氧代-2-[(2,2,2-三氟乙基)氨基]乙基]苯甲酰胺，其化學(xué)結(jié)構(gòu)具有R、S構(gòu)型，結(jié)構(gòu)式見圖6。相關(guān)研究表明，fluralaner主要的殺蟲活性組分為S構(gòu)型[13]，其殺蟲譜包括蜱目、蚤目、真螨目、蜱螨目、雙翅目等種類，涉及的寄生和衛(wèi)生害蟲多達24種，而且對鱗翅目，如二化螟、草地貪夜蛾、棉鈴蟲；半翅目，如灰飛虱、葉蟬；纓翅目，如西花薊馬；蜱螨目，如二斑葉螨等農(nóng)業(yè)害蟲也具有良好的活性[14]。日產(chǎn)化學(xué)批準(zhǔn)默沙東（MSD）公司對fluralaner進行商品化開發(fā)。2014年，美國食品與藥品監(jiān)督管理局（FDA）首次批準(zhǔn)其作為動物驅(qū)蟲藥，商品名為貝衛(wèi)多（Bravecto），目前包括中國在內(nèi)，該商品已在全球85個國家批準(zhǔn)上市。其藥物成分為R和S2種異構(gòu)體的混合物，主要用于治療犬體表的蜱蟲和跳蚤，可阻止成年跳蚤產(chǎn)卵，起效快，藥效期可持達3個月。

關(guān)于制備fluralaner中間體的合成路線大概如下[15]：中間體A是以3,5-二氯苯甲酸為原料，經(jīng)酯化反應(yīng)、親核取代、wittig反應(yīng)制得；中間體B是以2-甲基-4-溴苯甲酸為原料，經(jīng)酰酯化反應(yīng)、氰基取代、羥胺肟化制得；中間體C則是以甘氨酸為起始原料制得（圖7）。

目標(biāo)產(chǎn)物的合成方法如下：

方法1[15]：以中間體A、B為起始原料進行1,3-偶極加成環(huán)合反應(yīng)，再與中間體C酰胺縮合得到目標(biāo)產(chǎn)物。

方法2[16]：該方法合成路線為2條，均以4-溴-2-甲基苯甲酸為原料，先制得4-甲?；?2-甲基苯甲酸，路線1先進行肟化，隨后與中間體C酰胺縮合；路線2則是先與中間體C酰胺縮合，然后肟化，2條路線均生成苯甲酰胺中間體，最后與中間體A在氯化試劑N-氯代丁二酰亞胺（NCS）作用下，1,3-偶極加成合環(huán)得到目標(biāo)產(chǎn)物（圖8）。此合成方法反應(yīng)條件溫和，生產(chǎn)成本較低，易適用于工業(yè)化。

方法3：Lee等[17]選擇性合成了S構(gòu)型fluralaner，以中間體3,5-二氯苯基-2,2,2-三氟甲基酮和2-丙烯基硼酸頻那醇酯為原料，在催化劑金剛烷基鄰氨基苯酚條件下，對映選擇性合成化合物3a，進一步轉(zhuǎn)化為醛化合物3b，隨后與中間體D反應(yīng)生成β-羥基酮化合物3c，最后經(jīng)成環(huán)、縮合生成所需產(chǎn)物fluralaner（圖9），總收率達到40%。

2.2 Fluxametamide

Fluxa metamide（氟 唑酰胺），開發(fā)代號為NC-515，是日產(chǎn)化學(xué)開發(fā)的首款廣譜異 唑啉農(nóng)用殺蟲劑。CAS號：928783-29-3，CAS化學(xué)名稱為4-[5-(3,5-二氯苯基)-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]-N-[(甲氧基氨基)亞甲基]-2-甲基苯甲酰胺，結(jié)構(gòu)式見圖10。國際殺蟲劑抗性行動委員會將fluxametamide劃分為IRAC Group 30，其類別為γ-氨基丁酸門控氯離子通道（GABACls）變構(gòu)調(diào)節(jié)器[18]，對蜱螨目、鱗翅目、纓翅目、雙翅目等害蟲有突出的防效。注冊商品名稱為（GRACIA）。此產(chǎn)品能高效防治抗性害蟲，起效快，持效期長，可防治薊馬、粉虱、潛葉蟲、蜘蛛螨、銹螨和其他螨蟲，適用于蔬菜、大豆、棉花、茶樹和果樹等作物，而且對蜜蜂和其他訪花昆蟲無毒害作用[19-20]。該產(chǎn)品于2019年5月在日本上市，預(yù)計2021年在美國登記。

Fluxametamide的合成涉及中間體E、F，并由中間體F得到目標(biāo)產(chǎn)物。其中間體E、F合成路線如下[16,21-22]（圖11）。

方法1：以4-溴-2-甲基苯甲酸和正丁基乙烯基醚為起始原料，經(jīng)?；?、縮合、環(huán)化得到中間體F。

方法2：以4-溴-2-甲基苯甲酸或4-溴-3-甲基苯甲醛為原料，2條路線經(jīng)肟化、成環(huán)等反應(yīng)制得中間體E，再經(jīng)過親核取代得到中間體F。

2.3 阿福拉納

阿福拉納（afoxolaner）是由杜邦公司在2007年研制，其化合物相關(guān)專利：WO2009002809A2。CAS號：1093861-60-9，CAS化學(xué)名稱為4-[5-[3-氯-5-(三氟甲基)苯基]-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]-N-[2-氧代-2-[(2,2,2-三氟乙基)氨基]乙基]-1-萘甲酰胺，結(jié)構(gòu)式見圖12。

相關(guān)試驗表明afoxolaner通過一個不同于環(huán)戊二烯的位點阻斷了γ-氨基丁酸門控氯通道，不存在交叉抗性[7]。在生物活性測試中，50 mg/L或250 mg/L藥液濃度的afoxolaner對小菜蛾、草地貪夜蛾和桃蚜的致死率高于80%，具有良好的殺蟲活性，而且對貓櫛頭蚤有不錯的防治功效[23-24]。杜邦公司批準(zhǔn)法國梅里亞（Merial）公司開發(fā)商品化，現(xiàn)合并到德國勃林格殷格翰（Boehringer-Ingelhei）公司。異 唑啉體外驅(qū)蟲藥尼可信（NexGard）于2013年通過美國FDA批準(zhǔn)上市，2017年在中國登記上市，其可高效殺滅網(wǎng)紋革蜱（Dermacentor reticulatus）、篦子硬蜱（Ixodes ricinus）、犬櫛首蚤（Ctenocephalides canis）[25-26]，2018年又推出新一代驅(qū)蟲產(chǎn)品超可信（NexGard Spectra），有效成分為阿福拉納和米爾貝肟，其可以高效防治和驅(qū)殺蜱蟲、跳蚤、心絲蟲、蛔蟲、鉤蟲和鞭蟲等多種犬體內(nèi)外寄生蟲[27]。

Afoxolaner的合成路線是以4-甲基-1-萘甲酸或4-溴-1-萘甲酸為起始原料，經(jīng)酯化、肟化、1,3-偶極加成環(huán)合、酰胺縮合等反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物[28]（圖13）。

2.4 Isocycloseram

Isocycloseram（開發(fā)代號：SYN547407），由先正達公司研發(fā)。2018年6月，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）農(nóng)藥通用名技術(shù)委員會臨時批準(zhǔn)其英文通用名，目前處于研發(fā)后期階段。CAS號：2061933-85-3，CAS化學(xué)名稱為4-[5-(3,5-二氯-4-氟苯基)-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]-N-(2-乙基-3-氧代-4-異 唑烷基)-2-甲基苯甲酰胺，結(jié)構(gòu)式見圖14。該殺蟲劑包含4種活性異構(gòu)體，其中(5S,4R)-異構(gòu)體活性最高[29]。作為第二款農(nóng)用異 唑啉殺蟲劑，據(jù)報道，isocycloseram殺蟲譜廣，包含了鞘翅目、鱗翅目、半翅目和螨類等，如玉米根蟲、?；页嵋苟辍⑿〔硕辍⒍呷~螨、煙薊馬等害蟲，在200 mg/L藥液濃度下致死率均達到80%[30-31]。該殺蟲劑有望于2021年上市，商品名為plinazolin，預(yù)計其年峰值銷售額約為0.75億美元。

Isocycloseram的合成路線：以4-溴-2-甲基苯甲酸為原料經(jīng)多步反應(yīng)制得異 唑啉中間體G；以D-環(huán)絲氨酸為原料經(jīng)3步反應(yīng)制得異 唑啉酮中間體H，最后中間體G和H縮合?；磻?yīng)制得終產(chǎn)物[30]。

2.5 洛替拉納

洛替拉納（lotilaner）是由美國禮來動保公司開發(fā)的最新一代異 唑啉殺蟲劑。CAS號：1369852-71-0，CAS化學(xué)名稱為5-[(5S)-4,5-二氫-5-(3,4,5-三氯苯基)-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]-3-甲基-N-[2-氧代-2-[(2,2,2-三氟乙基)氨基]乙基]-2-噻吩甲酰胺，結(jié)構(gòu)式見圖16。Lotilaner是非競爭性拮抗劑作用于無脊椎動物GABA受體氯離子通道，其S構(gòu)型殺蟲活性是R構(gòu)型的100倍，與狄氏劑和氟蟲腈無交叉耐藥[6]。Lotilaner對北美常見的肩突硬蜱（Ixodes scapularis）、變異革蜱、美洲花蜱（Amblyomma americanum）和歐洲的血紅扇頭蜱（Rhipicephalus sanguineus）、篦子硬蜱、網(wǎng)紋革蜱具有高效的殺蟲活性及防效[32]。目前上市的商品為S構(gòu)型活性成分，于2017年作為獸藥登記上市，商品名為（Credelio），用于防控狗和貓身上的跳蚤、扁虱、疥螨等寄生蟲[33]。

Lotilaner的合成路線[34]：路線1以2-溴-3-甲基-5-乙酰基噻吩和中間體2,2,2-三氟-1-(3,4,5-三氯苯)乙酮為原料，經(jīng)過幾步反應(yīng)制得異 唑啉中間體I，之后加入手性(R)-1-(4-甲基苯基)乙胺試劑混合，再與中間體2-氨基-N-(2,2,2-三氟乙基)乙酰胺進行酰胺縮合得到S構(gòu)型手性目的產(chǎn)物（圖17）。

路線2與fluralaner的合成方法2相同，起始原料為5-溴-4-甲基噻吩-2-甲酸。

2.6 沙羅拉納

沙羅拉納（sarolaner），開發(fā)代號為PF-06450567，是由美國碩騰制藥公司研發(fā)的新型廣譜寄生蟲獸藥。CAS號：1398609-39-6，CAS化學(xué)名稱為1-[5'-[(5S)-5-(3,5-二氯-4-氟苯基)-4,5-二氫-5-(三氟甲基)-3-異 唑基]螺[氮雜環(huán)丁烷-3,1′(3′H)-異苯并呋喃]-1-基]-2-(甲基磺?；?乙酮，結(jié)構(gòu)式見圖18。Sarolaner具有一對對映異構(gòu)體，S構(gòu)型為主要的殺蟲活性組分，其對櫛頭蚤（Ctenocephalides felis）的LC80值為0.3μg/mL，對鈍緣蜱（Ornithodoros turicata）的LC100值為0.003μg/mL[4]，于2015年經(jīng)美國FDA批準(zhǔn)上市，商品名為（Simparica），用于預(yù)防和治療犬的跳蚤和蜱蟲感染。

Sarolaner以異 唑啉骨架作為先導(dǎo)化合物，通過對其苯環(huán)取代基、內(nèi)酯環(huán)及尾鏈修飾，從大約3 000個化合物中被篩選出[13]。

Sarolaner的合成路線[35]：起始原料為4-溴-2-(氯甲基)-1-碘苯，經(jīng)一系列縮合反應(yīng)得到查爾酮中間體J，再與羥胺加成經(jīng)催化劑合環(huán)得到化合物6a，在酸條件下，Boc保護基團離去得到化合物6b，最后與中間體K硝基苯磺酰基乙酸酯進行偶合反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物（圖19）。

3 結(jié)果與展望

異 唑啉類殺蟲劑作用于GABA受體氯離子通道這一突出靶標(biāo)，對農(nóng)業(yè)害蟲和衛(wèi)生害蟲表現(xiàn)出顯著的生物活性，而且無抗性問題出現(xiàn)。因此，為了保護農(nóng)作物和動物健康，此類藥效基團在農(nóng)藥和獸藥領(lǐng)域具有不錯的開發(fā)價值，應(yīng)加強對相關(guān)衍生物的優(yōu)化設(shè)計。為了獲得高對映選擇性產(chǎn)物，伴隨著手性藥物不對稱合成的發(fā)展，除了傳統(tǒng)的外消旋體拆分法，如何高效構(gòu)建含C-CF3鍵的立體中心也是我們面臨的新挑戰(zhàn)[36-37]。值得注意的一點，異 唑啉類殺蟲劑可以預(yù)防和治療由寄生蟲引起的人畜共患傳染病如萊姆?。↙yme disease）、森林腦炎（Tickborne encephalitis）和利什曼?。╖oonotic visceral leishmaniasis）等[38-39]，這一發(fā)現(xiàn)或許對該類化合物的應(yīng)用提供新的研究方向。同時，異 唑啉類殺蟲劑的機制和靶標(biāo)位點也需進一步研究，這將對該類化合物的構(gòu)建及發(fā)展提供重要參考依據(jù)。