新烟碱类杀虫剂的研发历程
新烟碱类杀虫剂的研究历史最早可追溯到19世纪20年代,人们从烟草中提取出天然烟碱并确定其结构,将其应用于果树及蔬菜害虫防治,但因其选择性差和对水生、哺乳动物存在高毒性阻碍了其进一步发展。1974年,壳牌公司筛选出一系列硝基亚甲基杂环化合物,并挑选出其中活性最高的硝虫噻嗪(nithiazine,SKI-71),这也标志着烟碱类杀虫剂的诞生。1984年,拜耳公司以nithiazine为先导,衍生出氯吡啶硝基亚甲基化合物(NTN32692),虽然较大程度提高了杀虫活性,但光稳定性不好。在此基础上,通过碳氮双键(C=N)替代碳碳双键(C=C),研究开发出第1个新烟碱类杀虫剂产品吡虫啉(imidacloprid),兼顾活性同时改善稳定性,研发过程见图1。拜耳公司于1985年获得吡虫啉专利,并于1991年将其首次推出上市,标志第1个商品化新烟碱类杀虫剂问世。
图1 吡虫啉的研发过程
新烟碱类杀虫剂的结构与药效基团
继吡虫啉成功研发应用之后,国内外科研机构与农药公司对新烟碱类杀虫剂的合成、结构和生物活性等各方面进行了系统研究,新烟碱类杀虫剂的化学结构由4部分组成(图2)。
图2 新烟碱类杀虫剂化学结构特征
(1)杂环(Het)：多为五元及六元杂环,主要有吡啶、噻唑、四氢呋喃、苯环和嘧啶等。其中,氯吡啶、氯噻唑和四氢呋喃环活性最高。活性大小为：6-氯吡啶-3-基＞2-氯噻唑-5-基＞四氢呋喃-3-基。
(2)桥键：通常由烷基链组成。研究表明烷基链的长度影响活性大小,2个杂环之间只有1个亚甲基相连时活性最高；2个杂环直接相连或中间由2个亚甲基相连时活性较低。此外,将杂原子(N、O等原子)作为桥链的新烟碱化合物也具有较高活性。
(3)功能基团：也称药效基团,此处主要为吸电子基团。它作为药效基团［-N-C(E)=X-Y］的重要组成部分对化合物的杀虫活性有较大影响。一般来说,药效基团为硝基烯胺(硝基亚甲基)、硝基胍或硝基脒杀虫活性最高。此外,药效基团还会影响分子的光稳定性、土壤降解及生物代谢毒性等。传统新烟碱类杀虫剂中通常含有硝基(-C=CH-NO2、-C=N-NO2)或氰基(C=N-CN)结构,近年开发的新烟碱类杀虫剂具有不同药效基团,如亚砜亚胺结构杀虫剂-氟啶虫胺腈、丁烯酸内酯结构杀虫剂-氟吡呋喃酮以及介离子杀虫剂-三氟苯嘧啶等。
(4)氢化杂环/胍/脒部分：此部分为正电子中心,一般形成含N、含N和S的杂环结构以及含N的开环结构等。其中R1和R2多为1个或多个碳的脂肪链或环状链,以五元环或六元环活性最高。同时,开环结构的啶虫脒与烯啶虫胺具有较高的活性,可见化合物的活性往往受到其结构上取代基的影响。
随着对吡虫啉的深入研究,通过分子结构基团交换与生物活性的探索改进,近20年来研发出其他13种商品化的新烟碱杀虫剂(表1),极大丰富了农药市场的需求。新烟碱类杀虫剂也基于环境友好等需求得到进一步完善发展。
表1 商品化的新烟碱杀虫剂
新烟碱类杀虫剂的分类
基于不同分类标准,新烟碱类杀虫剂分类不同,如根据杂环(Het)可分为氯代吡啶、氯代噻唑及其他杂环衍生物三类。其中氯代吡啶类包括吡虫啉、烯啶虫胺、噻虫啉和啶虫脒。氯代噻唑类则用氯代噻唑基团取代了吡啶基团,包括噻虫嗪和噻虫胺等。其他杂环衍生物类的代表,如呋虫胺,其结构特征由四氢呋喃基团代替了吡啶基团。
随着新烟碱类杀虫剂的进一步研究与发展,也逐渐出现一些不同结构特征的种类。其中氟啶虫胺腈、氟吡呋喃酮和三氟苯嘧啶就因其结构特异性而与其他新烟碱杀虫剂不同而区分开来,也因此被杀虫剂抗性行动委员会(IRAC)分别归类于4C、4D和4E等3个不同类别组。氟啶虫胺腈属于亚砜亚胺类杀虫剂；氟吡呋喃酮属于丁烯酸内酯类杀虫剂；三氟苯嘧啶归属于介离子类杀虫剂等。
新烟碱类杀虫剂的作用机制
与脊椎动物一样,昆虫中的乙酰胆碱受体被分为2个不同的类别：烟碱型乙酰胆碱(nAchRs)和毒蕈碱型乙酰胆碱(mAchRs),两者作用于乙酰胆碱激活2种不同的细胞表面受体,描述乙酰胆碱的不同生理作用。nAchRs是配体门控离子通道超家族的成员,主要分布在神经节与神经骨骼肌连接处；而mAchRs则是G蛋白偶联受体,大多分布于哺乳动物中枢神经系统,是调节神经系统功能的重要靶器官。研究发现,新烟碱类杀虫剂对蚜虫、粉虱和飞虱以及一些鞘翅目害虫表现出很强的杀虫活性主要与nAchRs的激活有关。
大多数新烟碱类杀虫剂是昆虫nAchRs有效选择性的激动剂,与以往的杀虫剂作用机制不同,在昆虫中,nAChRs广泛且主要分布于中枢神经系统的神经膜区域。它不仅负责快速神经传递,而且也是杀虫剂作用的重要靶点。新烟碱杀虫剂作为受体激动剂通过与乙酰胆碱结合从而刺激神经递质。乙碱胆碱(ACh)突触的神经传递分2步进行：首先,ACh通过胞吐从突触前膜释放,与位于nAChR离子复合通道体胞外区的结合位点相互作用；其次,受体分子发生构象变化导致离子通道开放,促进细胞外钠离子(Na+)的内流和细胞内(K-)的外流,使细胞膜内外电位的平衡状态发生变化,从而导致害虫神经麻痹而死亡(图3)。吡虫啉是由烟碱与硝基亚甲基杂环结构组成,昆虫与哺乳动物的乙酰胆碱受体的亚基特性与结构差异是新烟碱杀虫剂拥有高选择性的重要原因。事实上,对于新烟碱类杀虫剂的不同品种,其作用机制不完全相同,如环氧虫啶。电生理和同位素标记物取代实验表明,环氧虫啶与烟碱乙酰胆碱受体具有高亲和力,同时能够抑制激动剂乙酰胆碱反应,表明环氧虫啶可能是nAChRs的拮抗剂。它与烟碱乙酰胆碱受体激动剂的作用机理不同,因而不容易与吡虫啉等其他新烟碱类杀虫剂产生交互抗性。除此以外,戊吡虫胍的作用机制也兼具新烟碱类与钠离子通道抑制剂2种杀虫活性特点。
图3 烟碱乙酰胆碱受体作用机理