農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座

展望21世紀(jì)新農(nóng)藥，它將在保障人類環(huán)境、健康和自然生態(tài)前提下，充分利用靶酶差異性，有選擇性地使有益生物得到保護(hù)，有害生物得到有效調(diào)控，到達(dá)超低用量、易降解、不影響環(huán)境和生態(tài)平衡目標(biāo)。我國農(nóng)藥工業(yè)發(fā)展快速，對工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了巨大貢獻(xiàn)。當(dāng)前產(chǎn)量占世界第二位，能夠基本滿足國內(nèi)需要，但多為仿制國外以前開發(fā)老品種，其中高毒高污染品種占產(chǎn)量二分之一。為確保環(huán)境保護(hù)法規(guī)落實(shí)施行，我國農(nóng)藥產(chǎn)品面臨更新?lián)Q代挑戰(zhàn)，急需依據(jù)我國主要病蟲害開發(fā)出高效、低毒、低殘留對環(huán)境友好新農(nóng)藥品種。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第1頁

國際上公認(rèn)創(chuàng)制新農(nóng)藥是一門高新技術(shù)，也是一門專業(yè)跨度大，學(xué)科交叉性強(qiáng)系統(tǒng)工程。新農(nóng)藥候選品種研制過程如圖17-1所表示。最終還要經(jīng)過毒性及安全性評價，才有希望成為一個品種。圖17-1新農(nóng)藥候選品種研制過程農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第2頁17.2先導(dǎo)化合物產(chǎn)生創(chuàng)制新藥過程中怎樣取得先導(dǎo)化合物是極為關(guān)鍵一步。回顧過去所開發(fā)各種農(nóng)藥品種，盡管結(jié)構(gòu)各種多樣，但共同是它們都有一個原型(prototype)結(jié)構(gòu)存在，這種原型結(jié)構(gòu)，或者是原來就含有實(shí)際應(yīng)用價值(如天然除蟲菊和煙堿)化合物，或者是經(jīng)過結(jié)構(gòu)改造后顯示出優(yōu)異生理活性物質(zhì)作為最初出發(fā)物質(zhì)。從這些原型化合物出發(fā)，進(jìn)行形形色色結(jié)構(gòu)改造而設(shè)計(jì)出化合物，我們稱之為先導(dǎo)化合物(leadcompound)。當(dāng)然，很多時候，原型化合物與先導(dǎo)化合物是一致。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第3頁1、幾個基本概念（1）先導(dǎo)優(yōu)化

系統(tǒng)地對先導(dǎo)化合物進(jìn)行結(jié)構(gòu)修飾，從而得到高活性化合物過程，我們稱之為先導(dǎo)優(yōu)化（1eadoptimiza-tion）。（2）先導(dǎo)展開和先導(dǎo)識別

先導(dǎo)化合物不是一成不變，經(jīng)過研究，若將原型化合物或先導(dǎo)化合物做相當(dāng)大改動（如進(jìn)行骨架改變），多造成第二級先導(dǎo)化合物出現(xiàn)，派生出更高級先導(dǎo)化合物過程，我們稱之為先導(dǎo)化合物展開（leaddeveloPment）或先導(dǎo)化合物識別（leadidentifi-cation）。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第4頁17.3先導(dǎo)化合物發(fā)覺方法1、隨機(jī)合成篩選2、類同合成法3、天然生物活性物質(zhì)4、活性亞結(jié)構(gòu)拼接5、生物合理設(shè)計(jì)農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第5頁1、隨機(jī)篩選

隨機(jī)合成篩選是新農(nóng)藥研究開發(fā)中最慣用一個發(fā)覺先導(dǎo)化合物方法，當(dāng)前所使用農(nóng)藥品種絕大多數(shù)都是在隨機(jī)合成篩選過程中發(fā)覺，因?yàn)閷λ幮Ъ碍h(huán)境要求日益嚴(yán)格，成功率逐步下降，當(dāng)前平均需要數(shù)萬個化合物才能篩選出一個品種，耗時耗經(jīng)費(fèi)。不過因?yàn)樗蟹嵌ㄏ蚝蛷V泛性持征，自由度高，研究人員思緒靈感可不受限制，發(fā)覺新奇化學(xué)結(jié)構(gòu)及生物活性機(jī)會多，至今仍不失為一個可用設(shè)計(jì)合成方法。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第6頁

今后在隨機(jī)合成篩選中應(yīng)著重考慮：①引入雜原子，如氟引入往往可提升活性；②雜環(huán)化合物，它改變范圍大；②利用大噸位有機(jī)化工產(chǎn)品或副產(chǎn)物；④注意立體化學(xué)研究，立體結(jié)構(gòu)與光學(xué)異構(gòu)體活性往往不一樣，從中可篩選高活性異構(gòu)體。篩選方法是成功關(guān)鍵所在。多一個模型多一次機(jī)會，經(jīng)過篩選各種起源化合物或“一藥多篩”方法發(fā)覺新先導(dǎo)化合物是一個最普遍又極主要路徑。比如，從大量合成有機(jī)化合物及其中間體進(jìn)行普篩，或者從稀有植物、海洋生物、微生物代謝產(chǎn)物及低等動植物體內(nèi)分離出天然生物活性成份，即使有相當(dāng)大盲目性，但卻能夠得到全新結(jié)構(gòu)類型或新作用持點(diǎn)先導(dǎo)化合物。模型選擇適當(dāng)既能夠防止漏篩，也不致出現(xiàn)假陽性結(jié)果。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第7頁

即使是隨機(jī)合成，也需要在一定思想指導(dǎo)下，進(jìn)行細(xì)致而系統(tǒng)工作后，才能得到一個理想農(nóng)藥先導(dǎo)化合物，下面我們能夠用一個成功例子來說明。超高效除草劑咪唑啉酮類除草劑，它是繼磺酰脲類超高效除草劑之后經(jīng)過隨機(jī)篩選開發(fā)出另一類乙酰乳酸合成酶（ALS）抑制劑。開始，美國氰胺企業(yè)在研究抗痙攣藥劑時，合成了一系列鄰苯二甲酰亞胺類化合物，偶然發(fā)覺其中化合物1含有一定除草活性，而化合物2卻基本無除草活性，但卻含有特殊植物生長調(diào)整活性。這一偶然發(fā)覺造成繼續(xù)合成了一些鄰苯二甲酰亞胺類化合物。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第8頁在所合成化合物中，發(fā)覺化合物3植物生長調(diào)整活性最好，其活性約為赤霉素1／10，有希望發(fā)展成為一個新植物生長調(diào)整劑。在對其合成路線進(jìn)行研究過程中，其中有一條路線如圖17-2所表示。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第9頁除生成化合物3之外，還生成了另一副產(chǎn)物4，它也含有相同植物生長調(diào)整活性，但作用較為遲緩。這可能是它經(jīng)水解、碳氮雙鏈斷裂后生成3才發(fā)揮藥效。然而，因?yàn)榛衔?是一類新型咪唑并異吲哚環(huán)化合物，其物理性質(zhì)與酰亞胺類化合物3大不相同，因而引發(fā)了研究者興趣。首先面臨是改進(jìn)這類化合物合成方法，發(fā)覺在堿性條件下，尤其是用NaOH在苯或二甲苯中加熱可使收率提升，見圖17-3。圖17-2鄰苯二甲酰亞胺類化合物合成路線農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第10頁圖17-3

更有趣是，在合成一系列化合物中，發(fā)覺化合物5具有廣譜非選擇性除草活性，尤其是對一些多年生雜草。這就深入提升了研究者對這類新型咪唑并異吲哚環(huán)化合物重視。該類化合物中含有比較活潑碳氮雙鍵，可與氫、醇、胺、硫醇等發(fā)生加成反應(yīng)，所得化合物均顯示一定除草活性。當(dāng)化合物5在甲醇鈉-甲醇溶液中反應(yīng)時，則反應(yīng)不發(fā)生在C＝N雙鍵上，而是發(fā)生了異吲哚環(huán)上酰胺鍵斷裂，形成了咪唑啉酮類衍生物6（圖17-4）。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第11頁圖17-4其分子中酯基水解后形成對應(yīng)酸再一次顯示出很好除草活性，從而引發(fā)了以化合物6為先導(dǎo)化合物研究，最終開發(fā)出了新型咪唑啉酮類超高效ALS抑制劑。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第12頁農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第13頁2、類同合成法

類同合成也稱為衍生合成，這種方法是從某個已經(jīng)開發(fā)新藥分子結(jié)構(gòu)出發(fā)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改變和修飾，尋求開發(fā)出同一系列衍生物，或以該化合物為先導(dǎo)，衍生出二級先導(dǎo)化合物，從而開發(fā)出結(jié)構(gòu)不一樣新品種。有跟著走意思，也稱為metoo。相關(guān)應(yīng)用這一方法開發(fā)新藥例子很多，幾乎每出現(xiàn)一類新型結(jié)構(gòu)光導(dǎo)化合物，世界各地都有很多藥品研究者采取類同合成法來發(fā)覺新藥品，而且基本都能找到不一樣特點(diǎn)藥品。比如，超高效磺酰脲類除草劑開發(fā)研究過程就充分表達(dá)了這一方法特點(diǎn)。自從杜邦企業(yè)報(bào)道了第一個超高效磺酰脲類除草劑氯磺隆以來，經(jīng)過近20年發(fā)展，世界各國農(nóng)藥研究部門已經(jīng)合成了數(shù)十萬個磺酰脲類化合物，并開發(fā)出數(shù)十個各具特點(diǎn)新型除草劑品種。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第14頁

總之，該方法最大優(yōu)點(diǎn)是方向明確，有一個樣板，能夠少走彎路，省力省錢，缺點(diǎn)是難以脫開他人專利保護(hù)范圍。這一方法也是我國發(fā)覺新藥用得最多、最快、最省錢路徑。當(dāng)然，該法也是世界各國采取較多開發(fā)新藥方法。較高層次地進(jìn)行類同合成則是對巳開發(fā)分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行較大改變，包含骨架改變，以尋求二次先導(dǎo)化合物，進(jìn)而開發(fā)出新型化學(xué)結(jié)構(gòu)品種，如采取生物等排原理。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第15頁3、天然生物活性物質(zhì)

從天然物質(zhì)中開發(fā)藥品和農(nóng)藥已經(jīng)有著十分悠久歷史。比如，三大植物性殺蟲劑(除蟲菊、魚藤和煙草)已經(jīng)被使用了數(shù)百年，但因?yàn)樵缙谔烊划a(chǎn)物相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展相對較為遲緩，天然產(chǎn)物開發(fā)利用一時較顯寂靜。進(jìn)入20世紀(jì)以來，伴隨提取及分離分析科學(xué)不停發(fā)展和一系列先進(jìn)結(jié)構(gòu)判定伎倆廣泛采取，天然產(chǎn)物研究開發(fā)邁上了一個新臺階。時至今日，從動植物和微生物體內(nèi)分離、判定含有生物活性物質(zhì)，依然是取得先導(dǎo)化合物主要伎倆。各種分離伎倆如層析法（薄層層析、氣相層析和高效液相層析等），電泳、凝膠過濾等方法采取和包含X射線晶體學(xué)在內(nèi)儀器分析方法用于確定天然產(chǎn)物化學(xué)結(jié)構(gòu)、絕對構(gòu)型和構(gòu)象，使分離判定天然產(chǎn)物研究工作能夠快速、準(zhǔn)確地完成。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第16頁

天然毒素、動物生長調(diào)整物質(zhì)、植物生長調(diào)整物質(zhì)、害蟲行為控制物質(zhì)、其它天然活性物質(zhì)，如植物防衛(wèi)素、異株克生物質(zhì)都是找尋先導(dǎo)化合物主要起源。最經(jīng)典和最有意義從植物資源中開發(fā)殺蟲劑成功實(shí)例是擬除蟲菊酯類殺蟲劑開發(fā)。

沙蠶毒素類殺蟲劑開發(fā)是另一成功例子。很早以前人們發(fā)覺，蒼蠅因食用生活在淺海泥沙中環(huán)形動物沙蠶尸體而中毒死亡，這一現(xiàn)象說明沙蠶體中存在一個能殺死蒼蠅毒物。1934年日本人從沙蠶中分離出這種毒物，稱為沙蠶毒素，1962年確定了其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖17-5所表示。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第17頁人們對這一先導(dǎo)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)與活性關(guān)系研究，并相繼開發(fā)出系列沙蠶毒素類殺蟲劑，如殺蟲雙、殺蟲環(huán)都是很好水稻田殺蟲劑，它們化學(xué)結(jié)構(gòu)見圖17-6。圖17-5圖17-6農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第18頁4、活性亞結(jié)構(gòu)拼接活性亞結(jié)構(gòu)拼接是將兩種或更多已知活性結(jié)構(gòu)片斷進(jìn)行各種方法連接，以產(chǎn)生新先導(dǎo)化合物，目標(biāo)是將作用方式相同或不一樣兩種分子連接一起，以增強(qiáng)或產(chǎn)生新藥效，或者提升其選擇性作用。這種方法在農(nóng)藥研究中被廣泛采取，而且有不少成功實(shí)例，如苯甲酰基脲類昆蟲幾丁質(zhì)生物合成抑制劑就是采取這種方法開發(fā)出來。荷蘭Duphar企業(yè)研究人員待敵草隆和敵草氰活性特征結(jié)構(gòu)組合在一個分子(除蟲脲Du-19111)中，希望得到含有除草活性新化合物，不過出乎意料地發(fā)覺該化合物沒有除草活性，卻含有特殊昆蟲生長調(diào)整活性，大萊粉蝶幼蟲食用后，能夠破壞昆蟲蛻皮過程，使昆蟲變態(tài)受阻，出現(xiàn)畸形終至死亡。于是他們決定改變研究方向，以化合物Du-19111為二次先導(dǎo)，經(jīng)過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，最終開發(fā)出了苯甲酰基脲類昆蟲幾丁質(zhì)生物合成抑制劑除蟲脲等一系列品種。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第19頁農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第20頁另外，芳氧苯氧丙酸類除草劑也是采取活性亞結(jié)構(gòu)拼接方法開發(fā)成功。20世紀(jì)60年代開發(fā)二苯醚類除草劑含有廣譜除草活性，被人們廣泛使用，不過這類除草劑在植物體內(nèi)傳導(dǎo)性能很差，所以改進(jìn)這類除草劑傳導(dǎo)性能成為農(nóng)藥工作者一個主要目標(biāo)。德Hochest企業(yè)及日本相關(guān)企業(yè)分別結(jié)合2，4-D類苯氧羧酸類除草劑及二苯醚類除草劑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而設(shè)計(jì)開發(fā)成功新除草劑，它們結(jié)構(gòu)通式見圖17-7。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第21頁二者相結(jié)合，合成開發(fā)出一系列芳氧苯氧羧酸類化合物，它們產(chǎn)生了很高內(nèi)吸傳導(dǎo)性與除草活性，但與2，4-D不一樣是它們對禾本科雜草有特效。與拼合方法相反是剖裂法。即從結(jié)構(gòu)復(fù)雜原型物中抽提可能對活性有貢獻(xiàn)片斷，保留部分結(jié)構(gòu)持征，以簡化分子到達(dá)易于合成與開發(fā)目標(biāo)。此法征復(fù)雜天然活性物質(zhì)改造中慣用。農(nóng)藥分子設(shè)計(jì)專家講座第22頁5、生物合理設(shè)計(jì)

將一些已經(jīng)有生