《新农药的研究与开发》讲义.doc

新农药的研究与开发正如绪论中所述:我们强调有害生物综合治理(PM),提倡尽量采用非化学防治的办法,但就当今社会的需求和科学的发展而言,在目前及今后一个相当长的历史时期,化学防治在IPM中仍然占主导地位。因此,近年来国内外农药的产量和产值都呈上升趋势农药是动态发展的特殊商品,新品种总要不断地取代老品种,以适应农业生产的发展和社会的需求。特别是八十年代以来,全社会对农药的属性提出了更为苛刻的要求,简单说来就是:生物活性高,对非靶标生物安全,和环境相容性好因此,新农药的研究与开发始终是农药科学和农药企业发展的原动力。对我国来说,新农药的研究与开发还有更重要的意义:建国以来,我国已经研制、投产了 200多个农药品种,但仿制多于创制。在国际上不断加强知识产权保护和我国即将加入世界贸易组织的新形势下,也根据修改后的中国专利法规定保护农药化合物专利的要求,我国农药发展的战略必须由仿制转向创制,进行新药的研究与开发新农药的研究与开发是一项复杂的系统工程,涉及化学、化工、生物、农学医学和环境科学等众多需要多学科的专家分工协作,按照严密组织的工作程序,进行系统的研究和试验。新农药的研制过程大体上可分为“研究”与“开发”两个阶段。在研究阶段,主要目的是从大量的化合物中筛选出新的农药活性化合物,发现先导化合物,经结构优化,筛选开发的候选化合物。在开发阶段则主要是对候选化合物进行开发试验和安全性评价,最后选定农药新品种,进行工业化开发并商品化。有关新农药研究与开发的具体内容分述如下第一节化学合成与工艺研究先导化合物的发现和优化选定正确的先导化合物,是新农药研究与开发的核心环节。创制一个新的农药品种要耗费几千万至一亿美元的巨额资金,但这些经费大部分花在后期的开发阶段。如果在前期硏究阶段能正确选定先导化合物,则有可能用相对少的人力和资金投入,就能使新农药开发成功相反,如果选错了先导化合物,则会导致后期开发失败而造成人力和资金的巨大浪费。因此,发现和选定先导化合物对于提高开发成功率和节约开发成本有重大意义。所谓先导化合物( ead com pound 是指通过生物测定,从众多的候选化合物中发现和选定的具有某种农药活性的新化合物,一般具有新颖的化学结构,并有衍生化和改变结构的发展潜力,可以用作起始研究模型,经过结构优化,开发出受专利保护的新农药品种。发现先导化合物的主要途径有 (一)经验筛选这种途径的基础是直接针对作物的害虫、病原物和杂草活体筛选供试化合物的可能活性。用这种方法发现的活性化合物完全是依靠机遇, 化合物活性和生化机制是不可预测的,因此称随机筛选( random screem ing)。例如

1 新农药的研究与开发正如绪论中所述：我们强调有害生物综合治理(IPM)，提倡尽量采用非化学防治的办法，但就当今社会的需求和科学的发展而言，在目前及今后一个相当长的历史时期，化学防治在 IPM 中仍然占主导地位。因此，近年来国内外农药的产量和产值都呈上升趋势。农药是动态发展的特殊商品，新品种总要不断地取代老品种，以适应农业生产的发展和社会的需求。特别是八十年代以来，全社会对农药的属性提出了更为苛刻的要求，简单说来就是：生物活性高，对非靶标生物安全，和环境相容性好。因此，新农药的研究与开发始终是农药科学和农药企业发展的原动力。对我国来说，新农药的研究与开发还有更重要的意义：建国以来，我国已经研制、投产了 200 多个农药品种，但仿制多于创制。在国际上不断加强知识产权保护和我国即将加入世界贸易组织的新形势下，也根据修改后的中国专利法规定保护农药化合物专利的要求，我国农药发展的战略必须由仿制转向创制，进行新药的研究与开发。新农药的研究与开发是一项复杂的系统工程，涉及化学、化工、生物、农学、医学和环境科学等众多学科，需要多学科的专家分工协作，按照严密组织的工作程序，进行系统的研究和试验。新农药的研制过程大体上可分为“研究”与“开发”两个阶段。在研究阶段，主要目的是从大量的化合物中筛选出新的农药活性化合物，发现先导化合物，经结构优化，筛选开发的候选化合物。在开发阶段，则主要是对候选化合物进行开发试验和安全性评价，最后选定农药新品种，进行工业化开发并商品化。有关新农药研究与开发的具体内容分述如下。第一节化学合成与工艺研究一、先导化合物的发现和优化选定正确的先导化合物，是新农药研究与开发的核心环节。创制一个新的农药品种要耗费几千万至一亿美元的巨额资金，但这些经费大部分花在后期的开发阶段。如果在前期研究阶段能正确选定先导化合物，则有可能用相对少的人力和资金投入，就能使新农药开发成功；相反，如果选错了先导化合物，则会导致后期开发失败而造成人力和资金的巨大浪费。因此，发现和选定先导化合物对于提高开发成功率和节约开发成本有重大意义。所谓先导化合物(lead compound)，是指通过生物测定，从众多的候选化合物中发现和选定的具有某种农药活性的新化合物，一般具有新颖的化学结构，并有衍生化和改变结构的发展潜力，可以用作起始研究模型，经过结构优化，开发出受专利保护的新农药品种。发现先导化合物的主要途径有： (一)经验筛选这种途径的基础是直接针对作物的害虫、病原物和杂草，活体筛选供试化合物的可能活性。用这种方法发现的活性化合物完全是依靠机遇，化合物活性和生化机制是不可预测的，因此称随机筛选(random screeming)。例如

除虫脲和其它苯甲酰苯基脲类化合物是以敌草腈和敌草隆化学结构为基础设计的除草剂结构而合成的,然而在活性筛选中却意想不到地发现了它独特的杀虫活性近年来,经验筛选的重点放在具有新颖化学结构的化合物方面,特别是(1)在分子中引入过去农药分子中少见的元素,如氟、硅、锡等原子或基因,特别是含氟基团的引入,往往可明显提高活性,近年来获得很大成功。(2)新型杂环化合物由于杂环化合物结构多种多样,潜力很大,有些杂环可能有独特的作用机制和意想不到的生物活性,近年来同样获得很大成功。经验筛选的优点是思路广阔,发现新颖化学结构及新型生物活性的机会较多。缺点是工作量大,相对成功率很低,特别是进入80年代以来,靠经验筛选发现新的先导化合物是越来越因难了。尽管如此,这种方法仍是目前采用的创制新农药的基本方法 (二)类推合成类推合成即对已经开发的活性先导化合物进行衍生合成, 开发新的农药品种或发现新的二次先导化合物,这样合成出来的化合物就是“模仿分子”(me- too molecules)这种途径在磺酰脲类除草剂、三唑类杀菌剂、有机磷类杀虫剂、拟除虫菊酯类杀虫剂的开发中获得普遍成功。这种办法最省时省力投资小、收益大,但很难发现有新的作用机制的新型先导化合物 (三)天然产物模型然产物作为一种途径即从天然存在的化学品中获得具有生物活性的先导化合物。如从沙蚕中获得杀虫先导化合物沙蚕毒素,然后进行类推合成开发出杀螟丹、杀虫双、杀虫单、杀虫磺、杀虫环等。最有名的当然是从天然除虫菊中发现除虫菊素这样的杀虫先导化合物,然后类推合成, 开发出当今几十个高效拟除虫菊酯类杀虫剂。天然产物毒扁豆碱通常认为是合成稳定的氨基甲酸酯类杀虫剂的先导化合物,从而经设计改造合成了西维因、速灭威、异丙威、害扑威、克百威和涕灭威等从天然产物模型发现先导化合物有利的一面是天然产物可提供多种新颖独特的分子结构,筛选的范围较广,成功率较高;可提供多种新型的作用方式,以杀虫活性物质为例,除对昆虫的毒杀作用外,还可能有忌避作用,抗产卵作用,拒食作用,干扰生长发育,影响行为控制等作用;天然产物本身有较好的环境相容性。但也有不利的一面,许多天然产物的化学结构过于复杂,用作先导化合物进行模拟合成或结构优化时难度较大:许多天然产物在生物体内含量甚微,显示的生物活性不高,增加生物筛选的困难,容易漏筛;许多天然产物多以多组分混合物形式存在,相当一部分对光和热不稳定,给有效成分的分离和结构鉴定带来因难。但总体来说,天然产物模型是发现先导化合物的重要途径,近20年来一直是农药化学研究的热门课题 (四)生物合理设计这是诱人的一个领域,其理论基础是生物化学,就杀虫剂而言,即昆虫生物化学。生物合理设计就是以靶标生物体生命过程中某个关键的生理生化作用机制作为研究模型,人为地设计合成干扰此作用机制的化合物, 从中筛选出先导化合物,然后进行结构优化开发。生物合理设计的主体思维可分为三步:

2 除虫脲和其它苯甲酰苯基脲类化合物是以敌草腈和敌草隆化学结构为基础设计的除草剂结构而合成的，然而在活性筛选中却意想不到地发现了它独特的杀虫活性。近年来，经验筛选的重点放在具有新颖化学结构的化合物方面，特别是(1)在分子中引入过去农药分子中少见的元素，如氟、硅、锡等原子或基因，特别是含氟基团的引入，往往可明显提高活性，近年来获得很大成功。(2)新型杂环化合物。由于杂环化合物结构多种多样，潜力很大，有些杂环可能有独特的作用机制和意想不到的生物活性，近年来同样获得很大成功。经验筛选的优点是思路广阔，发现新颖化学结构及新型生物活性的机会较多。缺点是工作量大，相对成功率很低，特别是进入 80 年代以来，靠经验筛选发现新的先导化合物是越来越因难了。尽管如此,这种方法仍是目前采用的创制新农药的基本方法。 (二)类推合成类推合成即对已经开发的活性先导化合物进行衍生合成，开发新的农药品种或发现新的二次先导化合物，这样合成出来的化合物就是“模仿分子”(me-too molecules)这种途径在磺酰脲类除草剂、三唑类杀菌剂、有机磷类杀虫剂、拟除虫菊酯类杀虫剂的开发中获得普遍成功。这种办法最省时省力、投资小、收益大，但很难发现有新的作用机制的新型先导化合物。 (三)天然产物模型天然产物作为一种途径即从天然存在的化学品中获得具有生物活性的先导化合物。如从沙蚕中获得杀虫先导化合物沙蚕毒素，然后进行类推合成开发出杀螟丹、杀虫双、杀虫单、杀虫磺、杀虫环等。最有名的当然是从天然除虫菊中发现除虫菊素这样的杀虫先导化合物，然后类推合成，开发出当今几十个高效拟除虫菊酯类杀虫剂。天然产物毒扁豆碱通常认为是合成稳定的氨基甲酸酯类杀虫剂的先导化合物，从而经设计改造合成了西维因、速灭威、异丙威、害扑威、克百威和涕灭威等。从天然产物模型发现先导化合物有利的一面是天然产物可提供多种新颖独特的分子结构，筛选的范围较广，成功率较高；可提供多种新型的作用方式，以杀虫活性物质为例，除对昆虫的毒杀作用外，还可能有忌避作用，抗产卵作用，拒食作用，干扰生长发育，影响行为控制等作用；天然产物本身有较好的环境相容性。但也有不利的一面，许多天然产物的化学结构过于复杂，用作先导化合物进行模拟合成或结构优化时难度较大；许多天然产物在生物体内含量甚微，显示的生物活性不高，增加生物筛选的困难，容易漏筛；许多天然产物多以多组分混合物形式存在，相当一部分对光和热不稳定，给有效成分的分离和结构鉴定带来因难。但总体来说，天然产物模型是发现先导化合物的重要途径，近 20 年来一直是农药化学研究的热门课题。 (四)生物合理设计这是诱人的一个领域，其理论基础是生物化学，就杀虫剂而言，即昆虫生物化学。生物合理设计就是以靶标生物体生命过程中某个关键的生理生化作用机制作为研究模型，人为地设计合成干扰此作用机制的化合物，从中筛选出先导化合物，然后进行结构优化开发。生物合理设计的主体思维可分为三步：

第一步:以杀虫剂为例,研究目标昆虫的某一生化途径( biochenical pathway), 该途径的末端产物对昆虫来说是生命攸关的,如果干扰这一途径中的某一个环节昆虫将死亡第二步:研究如何干扰上述的那个环节,即研究干扰的机制。昆虫的生化途径几乎都和许多酶系有关,如果抑制了某种酶,则这一生化途径就会中断,昆虫将死亡。第三步:根据研究清楚的靶标,人为地设计这种酶的抑制剂,合成筛选出的杀虫剂就是生物合理设计的杀虫剂由于人们对昆虫许多重要的生化过程尚不完全清楚,因此迄今为止,这一领域尚没有重大突破,但可以预料,今后农药研究的重点将转向这一领域,特别是采用“计算机辅助分子设计”(CAMD)技术,将有长足的进步。下面是一些例子乙酰胆碱是昆虫重要的神经递质,是由乙酸和胆碱在昆虫体内合成的,这一生化过程涉及一种重要酶系,即胆碱乙酰化酶,如果抑制了该酶的活性就可能造成乙酰胆碱耗尽,神经传导中断,昆虫就会死亡。因此,胆碱乙酰化酶的抑制剂就可能成为杀虫剂,经过大量合成筛选,也找到了一些抑制剂,但迄今尚末开发出实用化品种昆虫形成的新表皮需迅速鞣化(硬化),否则昆虫必将死亡。昆虫正常的表皮鞣化过程需要有一系列的酶系,特别是多巴脱羧酶的参与,如果抑制了这种酶, 则昆虫不能鞣化新表皮,昆虫必将死亡。目前人们正在筛选多巴脱羧酶的抑制剂, 至今也没有商品化产品问世。昆虫羽化激素是一种昆虫神经肽,对昆虫整个生活史中的蜕皮、变态起重要作用。在昆虫体内生物合成羽化激素需要有多种酶系的参与,如果能筛选出适合的酶抑制剂,则从这些酶抑制剂可能开发出新的杀虫剂随机合成布([类同合成生物合理设物质模型先导(母体产生次先导化合先导优化最佳候选物1 先导展开

3 第一步：以杀虫剂为例，研究目标昆虫的某一生化途径(biochenical pathway)，该途径的末端产物对昆虫来说是生命攸关的，如果干扰这一途径中的某一个环节，昆虫将死亡。第二步：研究如何干扰上述的那个环节，即研究干扰的机制。昆虫的生化途径几乎都和许多酶系有关，如果抑制了某种酶，则这一生化途径就会中断，昆虫将死亡。第三步：根据研究清楚的靶标，人为地设计这种酶的抑制剂，合成筛选出的杀虫剂就是生物合理设计的杀虫剂。由于人们对昆虫许多重要的生化过程尚不完全清楚，因此迄今为止，这一领域尚没有重大突破，但可以预料，今后农药研究的重点将转向这一领域，特别是采用“计算机辅助分子设计”（CAMD）技术，将有长足的进步。下面是一些例子：乙酰胆碱是昆虫重要的神经递质，是由乙酸和胆碱在昆虫体内合成的，这一生化过程涉及一种重要酶系，即胆碱乙酰化酶，如果抑制了该酶的活性就可能造成乙酰胆碱耗尽，神经传导中断，昆虫就会死亡。因此，胆碱乙酰化酶的抑制剂就可能成为杀虫剂，经过大量合成筛选，也找到了一些抑制剂，但迄今尚末开发出实用化品种。昆虫形成的新表皮需迅速鞣化（硬化），否则昆虫必将死亡。昆虫正常的表皮鞣化过程需要有一系列的酶系，特别是多巴脱羧酶的参与，如果抑制了这种酶，则昆虫不能鞣化新表皮，昆虫必将死亡。目前人们正在筛选多巴脱羧酶的抑制剂，至今也没有商品化产品问世。昆虫羽化激素是一种昆虫神经肽，对昆虫整个生活史中的蜕皮、变态起重要作用。在昆虫体内生物合成羽化激素需要有多种酶系的参与，如果能筛选出适合的酶抑制剂，则从这些酶抑制剂可能开发出新的杀虫剂。随机合成筛选类同合成天然活性物质模型生物合理设计先导(母体)产生一次先导化合先导优化最佳候选物1 物先导展开

5 件和设备，尽可能提高质量和收率，并提出分析方法，三废治理措施等，结合药效，急性和亚急性毒性试验结果，为中试研究提出依据。小试中的化学合成及工艺研究包括下列内容：（１）选择合成路线。对某一选定化合物的主要合成路线进行分析和试验，通过原料来源，设备条件，能量消耗，反应收率，成本等综合比较，选出工业上合理的工艺路线和合成方法，并完成探索性合成试验。（２）合成条件优化。对影响质量和收率的各主要因素，原料配比，加料顺序，催化剂种类和用量，反应物料的浓度，反应温度和压力，反应时间及必要的宏观动力学研究等进行优选确定优化反应条件，并多次实验证实。（３）测定和合成反应有关的理化数据，如热量，粘度等，为设备选型及进一步的工业性试验提供依据。（４）制定原料、中间体、产品的分析方法。（５）进行物料能量衡算，初步评价其经济效益。（6 ）提供适量合格产品进行田间药效试验评价和安全性评价。中试研究是在小试研究的基础上进行的，包括下列内容：（1）验证小试结果。（2）根据工程放大的需要，建立一定规模的中间试验装置(全流程或单元操作)，考验工艺流程的合理性和操作条件的可靠性，测定物料平衡、热量平衡及制定过程控制方案。（3）主要设备材质选择和设备选型。（4）较长周期稳定和连续运转。（5）三废治理方案。（6）原材料、中间体及产品的分析方法和建立产品质量标准。（7）产品应用研究。（8）中试技术及中间评价。（9）基础设计与最终评价。新农药研究开发程序可简单归结为：小试研究（基础研究）→ 概念设计 →中间试验（过程研究）→ 基础设计（工业规模）。第二节生物筛选与作用机理一、生物筛选在新农药研究与开发中的意义