茚虫威衍生物的设计合成、生物活性及分子对接研究

摘要

茚虫威（Indoxacarb）是由美国杜邦公司开发的一类对鳞翅目以及部分同翅目和鞘翅目害虫具有优良杀虫活性的噁二嗪类杀虫剂。商品化产品中包含 75%S-构型和25%R-构型的外消旋体。在生物体内，S构型迅速被酰胺酶水解成具有生物活性的N-去甲氧羰基化合物——DCJW（Decarbonmethoxyllated JW062），其作用于打开的昆虫钠离子通道的慢失活阶段，阻断中枢神经系统动作电位，使昆虫麻痹，停止进食，最终导致昆虫死亡。而同样作用于昆虫钠离子通道的拟除虫菊酯类杀虫剂则是迅速打开昆虫钠离子通道，并抑制昆虫钠离子通道的快失活阶段，表现出迅速的击倒活性；许多研究表明，来源于植物的肉桂酸衍生物对昆虫表现出多样的生物活性，根据片段药物设计方法，偶联它们的药效团，可能会发现一些高活性的杀虫剂药物分子。此外，设计合成的新型药物分子可能对昆虫钠离子通道的快、慢失活阶段产生多种或多效性作用，表现出优异的杀虫活性。　　基于药效团分子设计理论和生物电子等排原理，设计了在茚虫威噁二嗪基团的4a位引入拟除虫菊酸和肉桂酸等活性基团，合成了一系列噁二嗪类似物，并研究此类化合物对斜纹夜蛾（Spodoptera litura）和甜菜夜蛾（Spodoptera exigua）的生物活性，此外，还讨论了立体结构与活性之间的关系。　　根据实验室前期研究结果，当茚酮环上5位取代基为吸电子基团时，对昆虫钠离子通道抑制率和杀虫活性均良好。基于此，本研究选取5-氟-1-茚酮，5-氯-1-茚酮，5-溴-1-茚酮作为起始原料，合成出具有优良杀虫活性的DCJW类似物G1-G4，再将茚酮侧链甲氧甲酰基经LiAlH4还原成羟甲基，得到的醇类化合物H1-H4与拟除虫菊酰氯、肉桂酰氯、噻吩乙酰氯和氯乙酰氯等酰氯在氩气保护，无水THF中经DMAP催化得到44个化合物。　　为研究手性与生物活性之间的关系，分离目标化合物得到高纯度的光学异构体是有必要的，我们选择含有多个手性碳原子的拟除虫菊酸与茚虫威类似物偶合得到J1–J12（J1-J4为三个手性碳，J5-J8为三个和一个顺反异构，J9-J12为两个），C1代表醇部基团的手性碳原子和C2和C3代表酸部基团的手性碳原子。因此这些化合物是由多个不同的异构体所组成的，采用硅胶柱层析分离（石油醚/乙酸乙酯=8∶1，v/v），得到极性较小的异构体（ J1-H-Rf 到 J12-H-Rf ）和极性较大的异构体（ J1-L-Rf 到J12-L-Rf），这表明不同异构体之间具有不同 Rf值。并进一步采用饲料拌毒法测定目标化合物对斜纹夜蛾和甜菜夜蛾3龄幼虫的生物活性。所得结果如下：　　1) 对斜纹夜蛾具有明显杀虫活性的化合物共有6个。其中以茚虫威-肉桂酸偶合物J18和J20的活性最好，48h的LC50分别为3.43 μg/mL和2.68 μg/ mL，均优于茚虫威的6.08 μg/mL，茚虫威-功夫菊酸偶合物J5-L-Rf和J6-L-Rf的LC50分别为11.10 μg/mL和24.38 μg/mL。茚虫威-肉桂酸偶合物J17和与茚虫威-氯乙酸偶合物J31和对斜纹夜蛾也有一定的致死作用，LC50分别为28.54 μg/mL和27.45 μg/mL；　　2) 对甜菜夜蛾具有明显的杀虫活性的化合物共有4个，J18和J20的48 h LC50分别为1.48 μg/ mL和2.00 μg/ mL，与茚虫威的1.96 μg/mL活性相当，而J5-L-Rf和J6-L-Rf的LC50分别为9.48 μg/mL和11.81 μg/mL。其余化合物对甜菜夜蛾杀虫活性均不明显甚至没有活性。　　3）构效关系分析表明，噁二嗪类化合物与功夫菊酸和肉桂酸偶合物的活性最优。在本文所合成具有活性的化合物中，引入的基团能使分子整体稳定性更高，电荷分布稳定，提高药效活性。在噁二嗪基团的 4a 位取代衍生物的活性大小为肉桂酸＞功夫菊酸＞氯乙酸＞2-噻吩乙酸＞其他酸。此外，茚虫威类似物的手性对活性同样重要，高极性非对映异构体J5-L-Rf和 J6-L-Rf的活性优于低极性非对映异构体J5-H-Rf 和J6-H-Rf，结构与活性之间的关系进一步揭示了茚虫威噁二嗪基团的绝对构型和酸部是杀虫活性的关键药效团。　　4）选取本文中具有代表性的化合物 J5和 J18作为分子对接的配体进行研究。分子对接研究结果显示：化合物J5和J18的噁二嗪环在结构域的孔内和末端部分结合，酰胺基和三氟甲基取代苯环中的羰基被钠离子通道的 NaⅢ离子所吸引，产生类似于茚虫威的钠离子通道阻断作用。而大末端基团延伸至与拟除虫菊酯作用位点所在的结构域中形成相互作用，产生类似于拟除虫菊酯的作用。化合物J5功夫菊酸部位与N2i15结合形成H键，和溴氰菊酯（L1i18，I1i22和N2i15）、DDT（V2i12和I1i22）在结构域Ⅰ/Ⅱ 的PyR2位点上具有相同作用残基。 J5的氯取代苯环稠合5元环在结构域Ⅱ/Ⅲ界面的PyR2作用位点上与溴氰菊酯（V2i18和I3i12）、氟胺氰菊酯（L2p47、 L2o13、 I3i12 和V2i18）具有相同的作用残基。化合物J18的结合方式与J5相似。一个共同的特点是两个化合物均靠近孔轴的噁二嗪环的位置，酰胺羰基与NaⅢ的相互作用，两个大末端部分在结构域的Ⅰ/Ⅱ和Ⅱ/Ⅲ部位结合。其中它们的三氟甲基和苯环稠合5元环在PyR1和PyR2受体位点的残基相互作用。然而，β-苯丙烯基的芳香环不与NaⅢ结构域相互作用。肉桂酸基团与功夫菊酸基团具有部分重叠的作用残基（L1i18、L1i21、I1i22、L2i19、F1p44、 L2i19 、V2i11），但是并不完全一致。　　本文研究发现，化合物 J5-L-Rf、J6-L-Rf、J18和 J20对斜纹夜蛾和甜菜夜蛾的 3龄幼虫均具有优良的杀虫活性，这也揭示了化合物的立体结构和生物活性之间的关系，这些发现开辟了发现新型环境友好的昆虫钠离子通道阻断剂或抑制剂的新思路。

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1 前言

1.1 钠离子通道的介绍及作用于昆虫钠离子通道杀虫剂

1.2 茚虫威

1.2.1 概述

1.2.2 作用机制

1.2.3 茚虫威的创制经纬

1.2.4 噁二嗪类杀虫剂的研究进展

1.2.5 茚虫威合成路线的比较

1.3 拟除虫菊酯

1.3.1 概述

1.3.2 拟除虫菊酯的作用机制

1.4 肉桂酸类化合物

1.4.1 概述

1.4.2 肉桂酸类化合物的作用机制

1.4.3 β-苯丙烯类化合物的研究进展

1.5 分子对接的介绍及作用原理

1.6 立题依据及研究目的

2.1 实验材料

2.1.1 供试昆虫

2.2 实验药品与仪器

2.2.1 供试药品与试剂

2.2.2 实验仪器

2.3 昆虫饲养

2.3.1 斜纹夜蛾与甜菜夜蛾的饲养

2.4 目标化合物的合成方法

2.5 化合物的杀虫活性测定

2.5.1 化合物对斜纹夜蛾以及甜菜夜蛾的初筛活性

2.5.2 计算公式及统计分析方法

2.6 分子对接模型的构建

3 结果与分析

3.1 化合物的结构表征

3.2 化合物活性测定

3.2.1 茚虫威衍生物对斜纹夜蛾幼虫的毒杀活性测定结果

3.2.2 茚虫威衍生物对斜纹夜蛾幼虫的毒力

3.2.3 茚虫威衍生物对甜菜夜蛾幼虫的毒力

3.3 分子对接研究

4.1 讨论

4.1.1 化合物J1-J32 的合成方法讨论

4.1.2 具有非对映异构体化合物的分离讨论

4.1.3 化合物J1-J32的构效关系讨论

4.1.4 分子对接结果分析讨论

4.1.5 有待深入研究的问题

4.2 结论

致 谢

参 考 文 献

附录A 在读期间发表的论文及获奖情况

附录B 化合物的核磁共振谱图及高分辨质谱图