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结构新颖、机理独特的新颖杀螨剂——β-酮腈及其衍生物

作者:苏州艾科尔化工科技有限公司 谭海军, 谢波 更新时间:2019-11-25 点击量:1247

植食性害螨具有体型小、隐蔽性强、孵化换代快、繁殖能力强和易于产生抗药性等特点,每年都给农林业造成了极大的损失。随着植食性害螨对常规药剂抗药性的不断产生和增加,以及农药“减量增效”行动的开展,迫切需要开发一些新型杀螨剂。其中,β-酮腈及其衍生物类杀螨剂以其新颖的化学结构、独特的作用机理脱颖而出,先后有多个品种开发上市。

 

日本大塚化学株式会社首先于2007年在日本市场推出了第一个β-酮腈及其衍生物类杀螨剂丁氟螨酯cyenopyrafen。随后,日本日产化学工业株式会社和沈阳科创化学品有限公司分别于2009年和2015年上市了同类杀螨剂腈吡螨酯cyflumetofen乙唑螨腈SYP-9625。此外,由日本日产化学工业株式会社和沈阳化工研究院研发的2个同类高活性杀螨剂NC-510SYP-10898也正在开发之中(图1

 

1  5个β-酮腈及其衍生物类杀螨剂的化学结构

 

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂对各个生长阶段叶螨科的靶标害螨表现出了很高的选择活性,其作用快速且持效期长,对非靶标生物安全,对环境友好,且与现有杀虫、杀螨剂多无交互抗性,适合用于害螨的综合治理。本文以上述5个具有商业开发价值的杀螨剂为例,从化学结构、理化性质、环境影响与残留、作用机理与活性、原药与制剂的开发和应用等方面对β-酮腈及其衍生物类杀螨剂进行了简要梳理。

 

1  化学结构

从化学结构上对活性基团进行分析,β-酮腈及其衍生物类杀螨剂都具有相同的结构通式(图2。其中,当R3α位时,βγ间为双键,即为β-酮腈类化合物,如丁氟螨酯和SYP-10898;当R3γ位时,αβ间为双键,即为β-酮腈衍生物类或丙烯腈类化合物,如腈吡螨酯、乙唑螨腈和NC-510(表1β-酮腈类化合物中都含有1个手性碳原子,丁氟螨酯和SYP-10898均为外消旋体;β-酮腈衍生物类化合物中含有双键,存在顺反异构体,腈吡螨酯和乙唑螨腈分别为E-构型和Z-构型,而NC-510正在开发中Z-构型的活性更高

 

2  β-酮腈及其衍生物类杀螨剂的结构通式

 

1  β-酮腈及其衍生物类杀螨剂按结构通式的基团分解

 

2  理化性质

杀螨剂β-酮腈及其衍生物多为白色固体,熔点80~110℃,易溶于有机溶剂而难溶于水,适合制成悬浮剂可溶液剂水乳剂等剂型(表2。需要注意的是,该类杀螨剂含有酯基,不能与碱性农药和铜制剂混用施用。

 

2  β-酮腈及其衍生物类杀螨剂的部分理化性质

 

3  环境影响与残留

3.1  环境影响

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂属于低毒农药,对鸟、鱼、蚕、藻低毒,在推荐使用剂量下对有益物种几乎无影响,在土壤和水里快速降解,不具有生物富集性,多对作物安全、环境友好。丁氟螨酯在水环境中主要代谢生成邻三氟甲基苯甲酸和邻三氟甲基苯甲酰胺。

 

3.2  残留限量与检测

日本、巴西、美国、加拿大、欧盟和澳大利亚等先后制订和修订了关于丁氟螨酯的残留限量,日本和韩国先后提交了关于腈吡螨酯的残留限量。

 

其中,日本官方对丁氟螨酯的残留限量如下:银杏、坚果类0.01 mg/kg,橘子、山芋、西瓜和果蔬0.2 mg/kg,枇杷0.3 mg/kg,西红柿0.4 mg/kg,部分葫芦科蔬菜0.5 mg/kg,茶叶10 mg/kg,其他1~25 mg/kg;对腈吡螨酯的限量建议如下:西瓜和柑橘0.05 mg/kg,茄子0.7 mg/kg,桃子0.1 mg/kg,茶叶60 mg/kg,其余为2 mg/kg或10 mg/kg。目前国内外还没有制订乙唑螨腈的残留限量,高燕根据试验调查建议乙唑螨腈在棉花上最大残留限量MRL0.05 mg/kg。

 

李敏敏建立了丁氟螨酯及其代谢物在农产品、土壤及水中的超高效液相色谱串联质谱UHPLC-MS/MS残留分析方法,采用乙腈提取,多壁碳纳米管净化。顾建明等使用拉曼光谱分析仪快速分析食品中的丁氟螨酯残留。崔淑华等建立了蔬菜和水果中腈吡螨酯残留量的超高效液相色谱-串联质谱UPLC-MS/MS分析方法,混合使用乙二胺-N-丙基硅烷PSAC18 2种基质分散净化剂净化。高燕建立了用高效液相色谱-串联质谱UPLC-MS/MS分析乙唑螨腈在棉花、土壤中的残留的方法,用二氯甲烷-甲醇溶剂对样品进行净化。

 

4  作用方式与活性

4.1  作用方式

与甲酰苯胺类杀螨剂pyflubumide作用靶标相同,β-酮腈及其衍生物类杀螨剂是线粒体电子传递复合物Ⅱ抑制剂,其本身为活性物前体,进入动物体内后,通过代谢去酯成羟基化合物而产生活性。以丁氟螨酯为例,去酯化后将产生活性代谢物AB-13。这种羟基化合物再作用于呼吸电子传递链作用方式可能与pyflubumide不同,以较低浓度就可以扰乱线粒体蛋白复合物即琥珀酸脱氢酶的功能,阻碍电子传递,破坏氧化磷酸化过程,阻止害螨细胞利用能量,从而使害螨麻痹、死亡。

 

3  丁氟螨酯在害螨体内的代谢活化

 

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂的作用机理独特,与现有的杀虫、杀螨剂不同,理论上不存在交互抗性。β-酮腈及其衍生物及其去酯化羟基化合物在叶螨科害螨体内的抑制作用很强,而在其他昆虫和节肢动物体内的抑制作用很弱,这说明该类药剂对叶螨科害螨具有较高的选择性,对害螨天敌和传粉昆虫等非靶标生物安全。需要注意的是,β-酮腈及其衍生物类杀螨剂作用位点单一,作用谱相对较窄,要避免长期单一使用而产生抗性。

 

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂的作用方式以触杀为主,兼具胃毒作用,大多数化合物在植物体内的内吸和渗透活性很弱。丁氟螨酯可让成螨在24 h内完全麻痹,同时具有部分杀卵作用,刚孵化的若螨能被全部杀死。

 

SYP-10898属于正温度系数类型杀螨剂,有较好的持效性,但不如丁氟螨酯。乙唑螨腈属于负温度系数类型化合物,对朱砂叶螨成螨的活性随着温度升高而降低,在15~35℃范围内对害螨具有优异防效。

 

4.2  生物活性

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂对叶螨属、小爪属和全爪属等叶螨科类害螨具较高的选择活性,对其他类螨虫和鳞翅目、同翅目和缨翅目昆虫的活性相对较差,可广泛用于果树、蔬菜、茶树、棉花、玉米和观赏植物等叶螨科害螨防治。β-酮腈及其衍生物类杀螨剂对各生长阶段的害螨均有优异的生物活性3。一般说来,该类药剂对幼、若螨的毒力要高于对螨卵和成螨的,腈吡螨酯和乙唑螨腈对若螨和成螨的毒力突出,而乙唑螨腈的毒力最高

 

3  β-酮腈衍生物对不同生长阶段叶螨的LC50/EC50单位mg/L

 

β-酮腈衍生物类杀螨剂与其异构体在高浓度时的生物活性大致相同,但低浓度时活性有差异:在高浓度降为1~1.25 mg/L后,腈吡螨酯的异构体Z-体对红蜘蛛的活性下降明显;在浓度为2.5 mg/L时,乙唑螨腈对朱砂叶螨的活性优于其异构体E-体。推测这可能与不同构型对与作用靶标结合时的空间位阻不同有关。

 

除了对靶标螨虫具有优异的生物活性,NC-510还对刺吸式口器和咀嚼式口器害虫,如小麦、大豆、棉花和蔬菜的蚜虫、雌性瓜蓟马成虫、西瓜蓟马、日本臂纹粉蚧等显示出了较高的生物活性,具有一定的应用扩展前景。

 

5  原药生产供应

5.1  合成路线

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂可通过R1,R2-取代的β-酮腈或β-羟基丙烯腈α-取代酰氯缩合得到(图4。当合成丙烯腈类杀螨剂时,反应中的溶剂和缚酸剂会对产物的构型有影响:使用极性非质子溶剂二氧六环和吡啶时得到E-型产物,使用低极性溶剂甲苯和无机盐碳酸钾则得到Z-型产物。生产合成腈吡螨酯和乙唑螨腈原药时可根据其构型选用不同的反应条件。腈吡螨酯的Z-型异构体在乙腈或甲醇等极性溶剂中,经有机碱吡啶或二甲氨基吡啶的催化可转换得到E-体,即腈吡螨酯。

 

4  β-酮腈及其衍生物类杀螨剂的合成路线

 

其中,R1,R2-取代的β-酮腈或β-羟基丙烯腈可通过相应的R1-取代乙腈R2-取代甲酸乙酯R2-取代吡唑酮反应得到。R1-取代乙腈则可由R1-取代氯苄氰化得到,R2-取代甲酸乙酯R2-取代吡唑酮可由R2-取代羧酸分别发生酯化和酰胺化反应得到。

 

5.2  原药分析

丁氟螨酯、腈吡螨酯和乙唑螨腈原药可用乙腈溶解,以含乙腈和水的溶液为流动相,采用高效液相色谱仪、外标法来测定其主含量。

 

5.3  原药供应

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂现均处于专利保护期,已上市的原药品种均为其创制公司或关联企业生产供应。其中,丁氟螨酯原药为日本大塚化学株式会社旗下公司日本欧爱特农业科技株式会社登记生产,腈吡螨酯原药为日产化学株式会社登记生产,乙唑螨腈原药为沈阳化工研究院关联公司沈阳科创化学品有限公司登记生产。此外,Dhanuka Agritech Ltd.也于2015年在印度获取了丁氟螨酯的原药9(3)登记,为该原药的生产供应做好了准备。

 

已商业化的β-酮腈及其衍生物类杀螨剂的原药规格为:丁氟螨酯97%,腈吡螨酯95%,乙唑螨腈98%。

 

6  制剂的开发与应用

6.1  制剂的登记

日本大塚化学株式会社最先于2007年在日本获得20%丁氟螨酯SC商品名Danisaraba的登记,用于果树、蔬菜、茶树和观赏植物等的叶螨科螨虫防治。接着,日本三井化学株式会社的欧洲销售公司Certis Europe在荷兰上市同样的制剂商品名SceltaBASF在美国与加拿大上市18.7%丁氟螨酯SC商品名Nealta Miticide。日本日产化学工业株式会社最先于2008年在日本和韩国获得30%腈吡螨酯SC商品名Starmite15%腈吡螨酯+7.5%唑螨酯SC商品名Starmite Plus10%腈吡螨酯+6.5%哒螨灵SC商品名Valuestar的登记,用于果树、蔬菜、茶树、菊花和药材等植物的全爪螨、锈螨和跗线螨等害螨防治;后来日本日产化学工业株式会社又在中国取得了30%腈吡螨酯SC的登记。30%乙唑螨腈SC商品名宝卓首次于2015年在中国获得登记。

 

其间还有多个β-酮腈及其衍生物类杀螨剂单剂和复配在韩国登记,包括10%丁氟螨酯DC、10%丁氟螨酯+0.8%阿维菌素DC、14%丁氟螨酯+2.5%唑螨酯SC、8%丁氟螨酯+3.5%溴虫腈DC、25%腈吡螨酯SC、20%腈吡螨酯+3%乙唑螨SC、20%腈吡螨酯+5%氟虫脲SC、20%腈吡螨酯+4%溴虫腈SC10%腈吡螨酯+6.5%哒螨灵SC等,防治对象为果树、蔬菜、茶树和花卉等植物的植食性螨虫,以及蓟马和木虱等害虫。

 

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂产品在中国已有登记4。还有一些处于田间药效试验阶段的登记产品,如用于防治豇豆和观赏玫瑰叶螨的30%腈吡螨酯SC,用于防治柑橘树红蜘蛛的复配制剂35%丁氟螨酯+联苯肼酯SC40%丁氟螨酯+螺螨酯SC。

 

4  β-酮腈及其衍生物类杀螨剂制剂在中国的登记情况

 

6.2  制剂的应用开发

除了上述的登记制剂产品外,β-酮腈及其衍生物类杀螨剂还有不少新单剂、新复配和新应用相继被开发报道。

 

1)单剂的开发

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂具有独特的作用机理和对各个生长阶段叶螨的优异防效,可用于不同的作物的敏感及抗性害螨防治。最近的研究表明:5% SYP-10898可溶液剂对柑橘树和苹果树各生长阶段的叶螨均有较好防效,速效性也较好;20%丁氟螨酯SC还对苹果树山楂叶螨、梨二斑叶螨、大棚黄瓜红蜘蛛、甜瓜瓜叶螨、月季红蜘蛛、铁皮石斛红蜘蛛、蝴蝶兰红蜘蛛等具有良好的速效性及持效性;30%腈吡螨酯SC还对柑橘全爪螨具有较好的控制作用,速效性好且持效期长;30%乙唑螨腈SC可有效防治柑橘全爪螨、始叶螨、锈壁虱,蔬菜朱砂叶螨,以及花卉、豇豆、草莓的二斑叶螨,速效性好、持效期长,且对作物安全。

 

2)复配的开发

为了减少农药使用量,扩展杀虫谱,降低使用成本,延缓害虫抗性,延长产品的生命周期,需要不断开发新的β-酮腈及其衍生物类杀螨剂复配制剂、桶混组合以及综合防治方案。

 

目前对β-酮腈及其衍生物类杀螨剂产品复配的开发主要集中在以下几个方面

 

1与某些杀螨特性表现不理想的杀螨剂复配,这些杀螨剂或速效性不太好,持效性较差,或对螨卵或成螨的防效不理想,如乙螨唑、螺螨双酯等

 

2与内吸和/或渗透活性好的杀虫杀螨剂混用,以弥补β-酮腈及其衍生物类杀螨剂在这些方面的缺陷,如与溴虫腈、螺虫乙酯、双甲脒、阿维菌素和伊维菌素等复配

 

3与不同作用机理的杀虫、杀螨剂复配,以实现协同增效并延缓害虫抗性,如与硝虫硫磷、联苯肼酯、嘧螨酯、苦皮藤素、三唑锡和氟虫脲等复配

 

4与其他能扩谱增效的杀虫、杀螨剂复配,由此实现对害虫、叶螨科以外害螨的一次性防治,如哒螨灵、甲氰菊酯、唑螨酯和N-多取代-1,2,3-噻二唑-5-甲脒类化合物等

 

5与杀菌剂、或兼具杀螨作用的杀菌剂等其他类型农药复配,如嘧菌酯等。

 

由此开发的各种复配制剂及桶混组合被广泛应用于果树、蔬菜、茶叶、棉花、花生、玉米、中草药、橡胶和观赏植物等植物的各种螨、虫及病害的防治。但需要注意各组分在复配或混用时可能存在交互抗性,如哒螨灵可与腈吡螨酯混用,而与丁氟螨酯混用或轮用则会产生交互抗性。

 

此外,基于β-酮腈及其衍生物类杀螨剂对叶螨科害螨的高选择性,对天敌等非靶标生物的安全性和对环境友好等特点,可以将该类杀螨剂与害螨天敌用于综合防治,如乔岩等使用智利小植绥螨与丁氟螨酯防治草莓二斑叶螨,具有增效作用。

 

7  结语

作为一类全新的前体杀螨剂,β-酮腈及其衍生物类杀螨剂具有新颖的化学结构和独特的作用机理通过在动物体内快速水解后,选择性地抑制靶标线粒体电子传递复合物Ⅱ,对各个生长阶段叶螨科害螨具有高活性,对害螨天敌等非靶标生物安全、对环境友好,与现有杀虫、杀螨剂多无交互抗性,适合用于害螨的综合治理。先后已有丁氟螨酯、腈吡螨酯和乙唑螨腈等品种的多个单剂和复配产品上市,对减轻抗性螨虫危害,确保农林园艺植物的产量和品质发挥了重要作用。

 

β-酮腈及其衍生物类杀螨剂的作用位点单一,长期使用容易产生抗性。因此,积极研究开发新的复配制剂和桶混组合,同时结合天敌对害螨进行综合治理,对减少农药用量降低使用成本克服和延缓害螨抗性具有重要意义。


来源:谭海军, 谢波新型杀螨剂β-酮腈衍生物及其开发. 世界农药, 2019, 41(3): 15-21

tag: β-酮腈衍生物  丁氟螨酯  NC-510  腈吡螨酯  乙唑螨腈  柑橘树杀螨剂  

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