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除草剂安全剂研究与应用进展

来源: 聚展网 2024-05-08 18:35:49 49 分类: 农业资讯
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来源:《世界农药》

作者:东北农业大学文理学院  贾玲  付颖  叶非
除草剂的广泛使用从根本上改变了农田除草方法。但随着除草剂长期和大量使用,其对作物的药害问题给农业生产带来严峻挑战。为解决除草剂负面影响,人们采用了各种策略,如科学管理作物种植和轮作、减少长效除草剂使用、研发抗性作物、开发新型除草剂等。由于新型除草剂研发需要高额成本和较长周期,使用除草剂安全剂不失为一种有效解决办法。

除草剂安全剂又称除草剂解毒剂,它在不影响除草剂除草效果前提下提高作物对除草剂的耐受性。安全剂主要通过催化多种酶还原、氧化或水解来解毒。研究表明,安全剂通过提高细胞色素P450(CYP450)、谷胱甘肽(GSH)、谷胱甘肽 S -转移酶(GSTs)和ATP结合盒(ABC)-转运蛋白的综合表达来提高作物的代谢和解毒能力,从而中和除草剂的药害作用。目前,已有1,8-萘二酸酐、二氯丙烯胺(dichlormid)、吡唑解草酯(mefenpyr-diethyl)、双苯噁唑酸(isoxadifen-ethyl)、环丙磺酰胺(cyprosulfamide,CSA)等20余种商品化除草剂安全剂面市,它们已成为杂草控制系统不可缺少的重要组成部分。本文综述了商品化除草剂安全剂的种类、新型安全剂设计合成及其活性特点, 为安全剂的研究开发与应用提供指导。

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商品化除草剂安全剂

迄今已有20多个化合物作为除草剂安全剂成功商品化并广泛应用于农业生产,涉及萘二甲酸酐类、二氯乙酰胺类、肟醚类、酰胺类、磺酰胺类、芳杂环类等结构类型,主要应用于黑麦、大麦、小麦、水稻、玉米、大豆、高粱、棉花等作物保护。

1947年,Otto Hoffmann偶然发现,2,4,6-三氯苯氧乙酸(2,4,6-涕)处理的番茄植株可以免受2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-滴)的伤害。随后,Hoffmann对此进行了很长时间研究,建立了安全剂的筛选体制,并于1962年提出“除草剂安全剂”概念。20世纪70年代,海湾石油公司推出第一个商品化安全剂1,8-萘二甲酸酐(NA)。NA作为种子处理剂应用在玉米上,能有效缓解硫代氨基甲酸酯类除草剂对作物的药害。NA作为一种通用安全剂,可以提高大麦、小麦和燕麦的抗逆性,保护高粱、水稻和燕麦等免受某些苗后除草剂的伤害。

1972年,二氯丙烯胺(2,2-二氯- N , N -二烯丙基乙酰胺)问世,与硫代氨基甲酸酯类除草剂联用,可有效保护玉米等作物免受除草剂药害。炔草酯具有较好除草活性,但对谷类作物选择性较低,将它与高效安全剂解草酯(cloquintocet-mexyl)联用可有效保护谷类作物免受炔草酯药害。精噁唑禾草灵(fenoxaprop-P-ethyl)可选择性防除阔叶作物杂草,具有很强杀草活性,但谷物耐受性差,对小麦和大麦均可产生较严重药害。1992年,将解草唑(fenchlorazole-ethyl)与精噁唑禾草灵联用,防除黑麦和小麦田杂草。吡唑解草酯作为新一代安全剂于1999年英国Brighton植保会议推出,它能较好缓解精噁唑禾草灵对谷物的药害,且活性优于解草唑,使精噁唑禾草灵成功应用于大麦田。为了拓宽噁唑禾草灵的应用作物,将其与双苯噁唑酸联用成功应用于水稻田。此外,双苯噁唑酸也可与碘甲磺隆、甲磺隆联用,保护玉米免受除草剂药害。拜耳公司研发的安全剂环丙磺酰胺,可保护玉米免受磺酰脲类、HPPD抑制剂类等除草剂药害。部分添加有安全剂的商品化除草剂如表1所示。

表1  含有安全剂的商品化除草剂产品

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除草剂与安全剂联用成为保护作物免受除草剂药害的有效手段,安全剂也为提高除草剂选择性和拓宽除草剂使用范围提供了新的思路和方法。

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新型除草剂安全剂的设计合成与活性

基于随机筛选和定向合成等途径研究开发的传统除草剂安全剂与除草剂具有结构相似性。近年来,活性亚结构拼接、中间衍生化法、骨架跃迁、天然产物结构优化等已成为寻找新型除草剂安全剂的重要手段,新型除草剂安全剂主要包括磺酰胺、磺酰脲、羧酸酰胺和氮杂环等结构类型。

2.1  磺酰胺类除草剂安全剂

磺酰胺类除草剂安全剂具有广谱安全活性,广泛用于酰胺类、磺酰脲类、氯乙酰苯胺类和环己二酮类除草剂的解毒。环丙磺酰胺(CSA)和异噁唑草酮联用广泛用于玉米田杂草防除。

2015年,Zheng等以商品化安全剂CSA为先导,通过 N -环丙基酰胺迁移至另一苯环上以及甲氧基和环丙基的优化衍生,设计合成了具有安全活性的CSA类似物(图1),其中化合物1和化合物2可保护作物免受除草剂噻酮磺隆的药害,它们对植物鲜重、干重和株高具有高效保护作用,且优于CSA,可作为新型除草剂安全剂候选化合物。

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图1  新型环丙磺酰胺类似物的设计

Wang等以商品化安全剂环丙磺酰胺(CSA)为先导,基于骨架跃迁和活性结构拼接,结合商品化安全剂中的二氯乙酰基和杂环设计的系列新型二氯乙酰苯磺酰胺衍生物可通过提高类胡萝卜素含量有效地保护玉米免受异噁唑草酮的伤害(图2)。其中化合物3具有较高的谷胱GSTs活性和类胡萝卜素含量,其RC 50 值为1.00×10 -9 mol/L,优于先导CSA。酶活性测定结果表明,CSA和化合物3在一定浓度下通过增强GSTs活性,提高玉米抵抗除草剂药害能力。分子对接结果表明,化合物3和CSA与唑草酮水解产物在HPPD的活性位点竞争,从而导致除草剂失效。

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图2  新型取代二氯乙酰苯磺酰胺衍生物的设计

Hall等研究发现, N -酰基磺胺酰苯脲结构适合应用于甘蔗植物繁殖块,以保护甘蔗植株免受后施用的土壤、叶面、旱后和旱前除草剂的有害影响,结构通式如图3所示,该技术是一种降低除草剂对甘蔗植物毒性的新方法。

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图3 N -酰基磺胺酰苯脲类结构通式

2.2  磺酰脲类除草剂安全剂

2016年,Ye&Fu团队利用活性亚结构拼接原理,基于氯磺隆(chlorsulfuron)与R-28725设计了系列新型磺酰胺类化合物(图4)。其中化合物4和5对玉米受到除草剂氯磺隆损伤时的根长恢复率分别为89.95%和84.81%,高于R-28725的52.47%。分子对接结果表明,活性化合物可能是磺酰脲类除草剂靶标酶位点的拮抗剂。

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图4  新型 N -[(对甲基苯基)磺酰基]-1,3-唑烷-3-甲酰胺类似物的设计

Ye&Fu团队利用活性亚结构拼接和生物电子等排,基于安全剂解草酮(benoxacor)、R-28715和除草剂乙草胺(acetochlor)或氯磺隆,设计了系列噻嗪/噻唑类化合物对氯磺隆具有良好的安全活性(图5)。特别是化合物6和化合物7与商品化安全剂AD-67处于同一活性水平。

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图5  取代噻嗪类/噻唑类化合物的设计

2.3  羧酸酰胺类除草剂安全剂

Deng等使用了链缩短的方法,通过将不饱和长烷基碳链替换为具有1到6个碳原子的饱和(不饱和)烷基碳链简化山椒素的结构;随后,胺和饱和(不饱和)脂肪酸通过骨架跃迁获得烷基酰胺衍生物(图6)。大多数目标化合物可以保护水稻幼苗免受除草剂异丙甲草胺的伤害。其中,化合物8和化合物10与异丙甲草胺复合处理的水稻幼苗GST活性高于异丙甲草胺单独处理的水稻幼苗,甚至高于对照组,化合物8处理的水稻GST活性是异丙甲草胺处理组的187%,是对照组的1.16倍。

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图6  烷基酰胺衍生物的设计

2.4  氮杂环类除草剂安全剂

2.4.1  嘧啶类除草剂安全剂

氮杂环类安全剂广泛用于保护玉米、水稻、大麦、小麦和高粱免受酰胺类、磺酰脲类、硫代氨基甲酸酯类、芳氧苯氧丙酸酯类和氯乙酰苯胺类除草剂的药害。广泛的生物活性使杂环类除草剂安全剂成为近年来的研究热点。

嘧啶类安全剂可以保护水稻免受酰胺类除草剂的药害。当水稻种子在播种前用嘧啶类安全剂浸泡或与酰胺类除草剂复配使用,可有效保护水稻幼苗免受酰胺类除草剂的药害。

Deng等利用中间体衍生化法,用腙部分取代解草啶(fenclorim)中的Cl原子,得到一系列苯基嘧啶衍生物(图7)。生物活性测定结果说明,化合物11和12对作物株高具有最佳的除草剂安全活性。作物经化合物11和12处理后,对植物鲜重、植物干重和株高具有显著的保护作用,且GST活性水平分别为异丙甲草胺处理的3.18倍和3.01倍,为空白对照的4.99倍和3.01倍。实时定量聚合酶链反应分析表明,化合物11和12增强了OsGSTU3、OsGsTU39和OsGSTF5的表达。

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图7  含腙片段的新型苯基嘧啶衍生物的设计

Deng等将嘧菌酯(azoxystrobin)中的苯氧基和解草啶中的苯基嘧啶部分进行拼接,设计了一系列4-氯-6-苯氧基-2-苯基嘧啶类似物(图8),合成了具有更高安全剂活性的新结构。其中,化合物14在株高方面表现出较好的安全剂活性,且明显优于对照解草啶。化合物15在根长方面表现出最高的除草剂安全剂活性。化合物13对鲜重表现出最好的安全活性,显著高于解草啶。

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图8  新型4-氯-6-苯氧基-2-苯基嘧啶类似物的设计

2.4.2  吡唑类除草剂安全剂

Jia等以安全剂吡唑解草酯为模板,利用活性亚结构拼接和结构活性相似原理,将具有生物活性的酯基结构通过酰胺键与吡唑类化合物进行拼接,设计了一系列新型酯取代吡唑衍生物(图9)。生物活性测定表明,大多数设计的酯取代吡唑衍生物都具有较好的安全活性,可在一定程度上防止小麦受精噁唑禾草灵的药害。化合物16对精噁唑禾草灵表现出最优的活性,其对小麦根长、株高、根鲜重和株鲜重的恢复率分别为86.80%、95.01%、124.47%和85.84%,显著优于商品化安全剂吡唑解草酯的79.15%、97.87%、116.15%和79.15%,并通过恢复作物ACCase含量和增强GSTs和CYP450活性来增强小麦的耐受性。分子结构比较和分子对接结果表明,化合物16更好的生物活性来自于对ACCase活性位点的占据。吸收、分布、代谢、排泄和毒性(ADMET)预测显示化合物16表现出优异的药代动力学特性。

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图9  新型酯取代吡唑衍生物的设计

2.4.3  异噁唑类除草剂安全剂

Ye&Fu的团队利用活性亚结构拼接原理将商业安全剂R-28725的氮氧杂环类结构与双苯噁唑酸的苯基异噁唑类活性亚结构进行拼接,设计了一系列新型取代异噁唑甲酰胺衍生物(图10)。生物活性测定结果表明,大部分化合物增加了玉米抵抗氯磺隆药害的能力。特别是化合物17对玉米根长、株高、根鲜重和植株鲜重的恢复率分别为81.50%、84.81%、87.93%和96.63%,展现出较高的安全活性,并通过提高玉米中的GSTs活性和GSH含量来增加抗逆性,对氯磺隆表现出最好的安全剂活性。

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图10  新型取代异噁唑甲酰胺的设计

苯基异噁唑衍生物存在于多种药物中,具有杀虫、除草、抗炎、抗菌甚至安全等活性。在含氮杂环农药的基础上,Guo等利用活性亚结构拼接,通过酰胺键将解草酮骨架结构与苯并噁唑环拼接,设计了一系列取代的苯基异噁唑衍生物(图11)。目标化合物能缓解乙草胺对玉米的药害。其中,化合物18表现出优异的活性,其对玉米根长、株高、根鲜重和植株鲜重的恢复率分别为92.8%、96.2%、102.4%和116.8%,优于目前氯乙酰胺类除草剂的安全剂解草酮。经解草酮处理后GSH含量为11.70μg/g,略低于化合物18处理后的12.66μg/g。取代的苯基异噁唑衍生物为未来除草剂安全剂结构的设计提供了参考。

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图11  取代的苯基异噁唑衍生物的设计

苏旺苍等探索了4,5-二氢-5,5-二苯基异噁唑-3-甲酰胺类化合物的安全活性。该类化合物具有优良的除草剂药害缓解作用,特别是与烟嘧磺隆混用时,可以有效缓解玉米烟嘧磺隆药害,缓解效果甚至优于一些市售的商用除草剂安全剂,特别是化合物20和21所示化合物对玉米的烟嘧磺隆药害表现出较强缓解效果(图12)。

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图12  4,5-二氢-5,5-二苯基异噁唑-3-甲酰胺类化合物结构

2.4.4  二氮杂二环类除草剂安全剂

Zhang等通过中间体衍生化法,获得取代的二氮杂二环作为关键中间体,将其与双苯噁唑酸的苯基异噁唑类结构进行活性亚结构拼接,设计了一系列新型取代的二氮杂二环衍生物(图13)。生物活性测定结果表明,大多数目标化合物对敏感玉米的烟嘧磺隆损伤表现出不同程度的安全活性。其中,化合物24对烟嘧磺隆表现出最佳活性,并通过增强GSTs活性提高玉米的耐受性。当浓度为10 mg/kg时,化合物24的GSTs恢复率为45.57%,优于商品化安全剂BAS-145138的26.70%。分子结构比较表明,化合物24在分子水平上与安全剂BAS-145138非常相似。分子对接证明,化合物24和烟嘧磺隆竞争乙酰乳酸合酶(ALS)的活性位点。

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图13  新型二氮杂二环衍生物的设计

Ye&Fu团队采用2,4-滴的苯氧基乙醛类结构与BAS-145138的二氮杂二环类结构进行活性亚结构拼接,报道了一系列取代的二氮杂二环衍生物(图14)。生物活性测定结果说明,该化合物有效地保护了大豆免受2,4-滴丁酯药害,甚至优于商业安全剂BAS-145138。

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图14  取代的二氮杂二环衍生物的设计

2.4.5  噻唑类除草剂安全剂

Zhao等首先将R-28725通过生物电子等排获得噻唑烷类结构基础上,与吡唑解草酯的酯基活性结构进行拼接,保留酯基噻唑烷作为母体骨架结构,进一步与环丙磺酰胺和二氯丙烯胺的活性亚结构进行拼接,设计并合成了一系列在 N -3位点由不同基团结合的噻唑烷-4-羧酸(图15)。目标化合物增强了ALS酶活性,在玉米中显示出一定的安全活性。

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图15  取代的噻唑烷-4-羧酸衍生物的设计

除草剂氟磺胺草醚(fomesafen)具有二苯醚结构,而安全剂解草噁唑(furilazole)结构中噁唑烷基团是可能的安全活性片段。Zhao等基于结构活性相似原理和活性亚结构拼接原理,将氟磺胺草醚中的二苯醚活性结构通过生物电子等排获得苯氧基吡啶类结构,与解草噁唑中的活性结构噁唑烷通过生物电子等排获得噻唑类结构进行拼接,设计了一系列噻唑苯氧基吡啶类化合物(图16)。

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图16  噻唑苯氧基吡啶类化合物的设计

2.4.6  其他氮杂环类除草剂安全剂

Ye&Fu团队以解草酮为模板,采用生物电子等排,将解草酮中的苯并吗啉结构的O原子替换为N原子,得到具有潜在安全剂活性的新型化合物 N , N ' -二取代-1,2,3,4-四氢喹喔啉(图17)。初步生物活性测定结果表明,目标化合物对保护玉米免受乙草胺药害的作用具有良好的安全活性,其中,化合物26效果最好,其对玉米株高、株重、根长、根重的恢复率分别为135%、127%、68%、51%,可有效保护玉米免受乙草胺的药害。

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图17  新型 N , N '-二取代-1,2,3,4-四氢喹喔啉的设计

Ye&Fu团队基于活性亚结构拼接,将6个商品化安全剂的活性结构进行拼接,设计了一系列新型取代噁唑和噁唑烷衍生物(图18)。活性测定结果表明,目标化合物对氯磺隆均具有一定的安全活性。其中,化合物27处理后玉米GSH含量为13.595μg/g,优于商品化安全剂双苯噁唑酸的9.667μg/g。分子对接结果表明,化合物27发挥的安全活性的机理可能是由于化合物27与氯磺隆的竞争靶标位点。

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图18  新型取代苯基唑衍生物的设计

2019年,Guo等研究含氮杂环安全剂的设计,以解草唑的三氯甲基二氯苯基三唑为母体骨架结构,与R-28725或解草酮的含氮杂环活性片段进行剪接,设计了一系列新型三氯甲基二氯苯基三唑类化合物(图19)。大多数目标化合物可缓解精噁唑禾草灵对小麦的药害。化合物28对小麦叶绿素、株高和根长恢复率分别为99.77%、143.51%和70.76%,优于商品化安全剂解草唑。

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图19  新型三氯甲基二氯苯基三唑衍生物的设计

Ye&Fu团队利用结构活性相似原理,将苯氧羧酸类除草剂的主要药效团苯氧基酮类结构与商品化安全剂结构(如R-28725、MON-13900、AD-67、R-29148)的噁唑烷类活性片段进行拼接,设计合成一系列苯氧乙酰唑烷衍生物(图20)。大多数化合物在玉米中表现出良好的安全活性,并在不同程度上保护玉米免受烟嘧磺隆药害。其中,化合物29对烟嘧磺隆表现出最佳活性,并通过增加GSH含量和GSTs活性提高了玉米的耐受性。

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图20  新型苯氧基乙酰噁唑烷衍生物的设计

2021年,Kang等以商品化安全剂R-28725为先导化合物,基于它们分子结构的相似性,采用生物电子等排获得母体骨架1,3-二氮杂环结构。通过活性亚结构拼接原理,将其与商品化安全剂部分活性结构进行拼接,并合成了几种1,3-二取代咪唑烷和六氢嘧啶衍生物,并通过母体骨架与双苯噁唑酸乙酯和解草酯的活性部分组合来修饰目标化合物(图21)。大多数目标化合物在敏感玉米中显示出对烟嘧磺隆的安全活性。特别是化合物30对烟嘧磺隆表现出最佳的安全剂活性,根长、株高、根鲜重、株鲜重和叶绿素含量的RC 30 值分别为9.10、9.93、10.07、9.72、11.60μM,与商品化安全剂双苯噁唑酸乙酯的10.08、12.50、7.14、10.14、14.72μM相当,并通过增强GSTs活性提高了玉米对除草剂的耐受性。分子对接模拟发现,化合物30与烟嘧磺隆竞争乙酰乳酸合酶活性位点,进一步证明了化合物发挥安全活性的机理。

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图21  新型1,3-二取代咪唑烷和六氢嘧啶衍生物的设计

Mueller等发现了[(1,5-二苯基-1氢-1,2,4-三唑-3-基)]氧乙酸衍生物及其盐类可作为安全剂,结构通式如图22所示。该类化合物与除草剂组合使用,可减少除草剂的植物毒性作用,减轻对作物的药害。

图22  [(1,5-二苯基-1氢-1,2,4-三唑-3-基)]氧乙酸衍生物化合物通式

Kher等报道的2-[(5-氯喹啉-8-基)氧]乙酸庚-2-酯的合成工艺简单、经济、环保,产品纯度高达98.0%~99.9%(图23)。该结构可提高作物对除草剂影响的耐受性,选择性控制作物的一年生杂草。且其降解迅速,与土壤结合强烈,因此,具有较低的浸出电位,也可促进除草剂在土壤中的降解。

图23  2-[(5-氯喹啉-8-基)氧]乙酸庚-2-酯结构式

图24  4-氨基-3-氯-5-氟-6-(4-氯-氟-3-甲氧基苯基)吡啶-羧酸及其衍生物结构式

Joerg等探索了一种安全的除草剂组合物,包括4-氨基-3-氯-5-氟-6-(4-氯-2-氟-3-甲氧基苯基)吡啶-羧酸及其衍生物的安全除草剂组合物及其使用方法,结构式如图24所示,其可用于小麦或大麦中,有效保护作物免受除草剂的药害。

2.5  其他类除草剂安全剂

Ye&Fu团队基于活性亚结构拼接和结构相似性原理,将商品化安全剂吡唑解草酯的酯基吡唑类结构、双苯噁唑酸的酯基噁唑类结构、解草唑的苯基二氮杂戊二烯类结构和解草噁唑的二氯乙酰基结构与除草剂烯草酮的环己烯酮类活性片段进行拼接,获得取代的2-苯基-2-环己二酮烯醇酯类化合物(图25)。大多数目标化合物都表现出良好的安全剂活性。其中,高活性化合物31在保护玉米免受烯草酮药害方面展现出优异的安全活性,经化合物31处理后的玉米植株中叶绿素含量为20.5 mg/g,高于商业安全剂解毒喹处理的17.6 mg/g,展现出较好的安全活性。

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图25  取代2-苯基-2-环己二酮烯醇酯衍生物的设计

2021年,吴仁海等发明了一种用于保护谷物免受除草剂危害的安全剂,该安全剂具有异戊二烯,该安全剂具有较为良好的除草剂安全剂活性,能够与多种除草剂联合使用,在保障除草剂除草效果的同时保护禾谷类作物免受除草剂的危害。结构通式如图26。

图26  异戊二烯类化合物结构通式

邓希乐等设计了一类二氢茉莉酮酸及其衍生物作为除草剂安全剂(图27),它们能够在减轻除草剂对农作物的药害的同时,对环境的影响低,对人畜无害,且来源广泛,使用成本不高。以二氢茉莉酮酸及其衍生物为除草剂安全剂的除草剂组合物,在去除杂草的同时,还能够保护农作物减轻除草剂所引起的药害。

图27  二氢茉莉酮酸及其衍生物化合物通式

Seitz等研究发现了一种除草剂组合物,其中,至少包括结构32中的一种苯并噁嗪酮和结构33中的一种安全剂,且结构32的苯并噁嗪酮被至少一个卤素原子取代(图28)。这是具有高度活性的除草剂组合物,同时,组合物应与相应植物具有良好的配伍性。

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图28  苯并噁嗪类化合物结构(32)和安全剂结构(33)

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结 语

在过去的10年中,基于结构相似性原理涌现出大量新型安全剂结构,安全剂与除草剂联用也已得到广泛推广。骨架跃迁、生物电子等排、活性亚结构拼接和中间体衍生化法等广泛地应用到安全剂结构设计之中;同时,分子对接技术、化合物的理化性质和ADMET预测也成为活性分子设计的重要辅助手段。目前,新的技术和方法不断应用到活性分子的设计之中,一些新颖的化合物显示出比商品化安全剂具有更好的活性,在分子的水平上进一步推动安全剂的创制,揭示其生理生化机制,为开发新型高活性安全剂及拓宽除草剂的使用提供理论基础。

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