2017, Vol. 19
生物活性化合物 (医药、农药、兽药等) 的开发基本都需要经历3个阶段——先导化合物 (lead compound) 的筛选、先导化合物的优化及成药性评价，其中先导化合物的筛选是新药创制的源头和关键。在新农药的创制历史中，先后发展出了随机合成法[1]、天然产物优化法[2]、类同合成法[3]、生物合理设计法[4]、活性亚结构拼接法[5]、组合化学法[6]及中间体衍生法[7]等多种分子设计理念和方法，为农药品种的创制做出了重要贡献。随着社会的发展和竞争激烈程度越来越高，如何实现化合物的快速合成和筛选成为广大新农药创制工作者孜孜追求的目标，发展新的分子设计理念也成为必然的趋势。本文在对传统分子设计方法进行简单归纳的基础上，提出了一种新的分子设计理念——分子插件法 (the plug-in molecules method)，以供读者参考。
1 传统的农药分子设计方法图式 1简单概括了新农药创制的过程。在先导化合物的获取中，根据分子设计思路和笔者的理解，可以将传统方法大致归为4类：随机筛选类、合理设计类、天然产物类和中间体衍生类，以下分别对其进行简要评述。
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图式 1 农药分子设计方法及新农药创制过程 Scheme1 The design method of agrochemical molecules and the process of new agrochemicals discovery |
1.1 随机筛选类
这类研究方法是指根据研究者的经验设计一定结构类型的化合物，对其进行广泛的生物活性筛选，从而获得先导化合物。根据设计思路，该类方法又可分为传统随机筛选法、活性亚结构拼接法和组合化学法。
1.1.1 传统随机筛选法传统随机筛选法是新农药创制过程中最早采用的、最基本的创制途径[1]。严格意义上说，它不算是一种分子设计方法，而是通过对大量化合物进行非针对性筛选后获得的。其特点是随机性强，能够发现结构新颖、作用机理独特的农药活性新分子或农药新品种；但其缺点是具有盲目性，工作量大，成功的概率主要取决于化合物数量的多少，即随机合成的化合物越多，则发现农药活性分子的概率也就越高。由于人们对药效、环境和安全的要求越来越严格，目前一般需要筛选14万个左右化合物才能开发出一个农药新品种[1]。
1.1.2 活性亚结构拼接法活性亚结构拼接是指将两个或多个具有生物活性的结构单元通过一定的方法拼接到同一个分子中，从而得到结构新颖的新化合物的研究方法。其优点是将作用方式相同或者不同的结构片段连接在一起，可以增强或产生新的药效，或者提高其选择性，有利于创制出具有新作用靶标或多作用位点的新型农药品种，对延缓有害生物抗性的产生，提高产品使用寿命具有重要意义[5]。这也是目前新农药创制中采用较多的一种方法。
1.1.3 组合化学法组合化学法是在短时间内利用一些可靠的化学反应，在相同的反应条件下，以有限的反应步骤以及简单的纯化技术，微量、系统地制备出大量不同组合的活性小分子，从而构建起化合物库，然后再通过快速灵敏的活性测定，结合结构表征筛选出高活性的农药先导物[6]。该方法的优点在于可以在短时间内得到大量不同结构的化合物小分子，打破了传统方法中逐一合成、逐一纯化的模式，能满足生物活性的高通量筛选对大量化合物的需求。缺点是该方法必须依赖于高效、灵敏、快捷、可靠的生物学检测技术，而且最好要达到微量测试水平；再就是组合化学中反应的不均匀性以及对化合物纯化、结构表征技术的要求较高，否则容易漏筛部分活性化合物[8]。
1.2 合理设计类相比于随机筛选类，合理设计类方法具有较强的针对性。根据不同的设计思路，该类方法又可分为类同合成法、生物电子等排法和生物合理设计法等。
1.2.1 类同合成法类同合成法是以已经商品化的农药品种、已有专利或文献报道的活性化合物为先导来进行新型类似物的设计与合成[3]。其优点是根据已有的化合物进行设计，主体结构明确，避免了冗长而复杂的探索过程，可以少走弯路且成功的概率较高，即投资少见效快；缺点是所获得的新化合物通常具有与先导化合物相同的作用机理，难以获得具有独特作用机理的新农药品种，同时还要注意避开原有农药品种或化合物的专利保护范围[9]。
1.2.2 生物电子等排法生物电子等排法的原理是利用生物电子等排体 (bioisosteres) 取代先导化合物中的某些结构单元，以提高其活性及选择性，并降低毒性等[10]。近年来，生物电子等排法在药物先导化合物的优化中得以广泛应用，在新药和新农药的研究与开发中起着十分重要的作用[11-13]。
1.2.3 生物合理设计法生物合理设计是根据靶标生物体的特定受体结构或者以其某个特定的生理生化作用机理为设计依据，利用计算机模拟设计出能影响该受体或者该生理生化过程的化合物分子，从中筛选出初级先导化合物，再通过结构优化来开发农药新品种[9]。该方法是计算化学和合成化学相结合采用最多的方法。其特点首先是具有逆向思维，先明确了靶标，再根据其在分子水平的作用机理，设计筛选作用于该靶标的化合物分子，这明显区别于其他方法先寻找活性化合物，再研究其作用机理的研究思路；再就是该方法需要将生物化学、合成化学、计算化学和分子生物学等学科进行交叉结合，因此研究起点高，且要求掌握最新的研究成果。但由于已知受体的结构有限，且药物分子到达靶标的过程极其复杂，以及存在主客体强的结合有可能带来抗性风险等不足，因此该方法虽然研究较多，但到目前为止还没有出现成功的商品化品种[4]。
1.3 天然产物优化法天然产物优化法是根据从动、植物中提取出来的天然产物，以及微生物次级代谢产物的化学结构进行结构改造、分子修饰和优化而建立起来的方法[2]。自然界本身是潜力巨大的天然化合物宝库，能为研究者提供非常好的研究思路，而且从中发现具有新作用机制活性分子的概率要比随机合成法大得多。有些天然产物本身可以作为农药品种使用，如印楝素、阿维菌素、赤霉素等，但大多数天然产物往往存在较多的缺陷，如结构复杂、活性不够高、稳定性不好、含量太低等，因此它们往往更多地是被作为先导化合物，通过对其进行结构优化来获得新的农药品种。事实上，目前的主流农药品种几乎都是从天然产物的结构优化而来，如新烟碱类、甲氧丙烯酸酯类、氨基甲酸酯类、沙蚕毒素类及除虫菊酯类等等。表1列出了部分天然先导化合物与现有农药品种的关系。
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表 1 从天然产物到合成农药品种 Table 1 Agrochemicals synthesized by optimizing natural products |
1.4 中间体衍生化法
该方法是刘长令等从有机合成角度出发，在随机合成、生物等排与活性基团拼接的基础上提炼出来的[7]。其独特之处是从基本原料或者中间体出发进行化学反应，然后利用化学反应生成的新的中间体继续进行衍生化或者用其替换已有农药结构中的一部分，得到新的先导化合物，再经优化研究得到新产品。由于大家选择的中间体或者原料不可能一样，反应因此具有多样性，从而得到不同的产品。中间体衍生化方法可分为直接合成法、替换法和衍生法，其可以把新药先导结构发现的复杂过程简单化。刘长令等通过这种方法开发了唑菌酯 (pyraoxystrobin)、丁香菌酯 (coumoxystrobin)、唑胺菌酯 (pyrametostrobin)、双苯菌胺及嘧螨胺等多个新的农药品种，十分高效[7]。
2 分子插件法“插件”是一个计算机用语，是指一种遵循一定规范的应用程序接口编写的程序。其只能运行在程序规定的系统平台下 (可能同时支持多个平台)，而不能脱离指定的平台单独运行。
“分子插件 (the plug-in molecules) 法”是笔者在多年新农药创制工作经验积累基础上提出的新农药分子设计方法，并初步建立了几个结构新颖、功能强大、易于衍生的分子插件数据库，可以作为一种新的药物分子设计方法，以帮助研究者大大提高新农药产品的创制效率。
2.1 分子插件的概念和内涵分子插件是指含具有结构多样性衍生化功能官能团的分子，分子插件法就是利用这些分子通过简单的化学反应而衍生出各种高活性化合物的方法。其特点是：
1) 分子插件基团或其类似基团应是在生物活性分子中出现频率很高的基团，它可以是活性组件或辅助组件。
2) 具有容易衍生化的官能团，通过它可以非常方便地将插件基团转化为具有各种结构特征的新化合物，从而提高创制和筛选的效率。
利用分子插件的目的是将功能基团模块化，便于快速衍生和筛选，大大缩短农药的创制周期，从而满足日益激烈的竞争要求。
2.2 分子插件的设计根据分子插件的定义，分子插件设计的关键是对已有产品中具有共同结构特征的核心结构单元的选取，这需要大量的筛选工作及经验。例如1,1-二芳基化合物无论在医药[14]还是在农药中出现的概率都很高，因此它是一个很好的活性组件。其部分在医药和农药上应用的例子见图式 2和图式 3。
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图式 2 1,1-二芳基化合物在医药上的应用 Scheme2 The application of 1,1-diaryl compounds in medicines |
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图式 3 1,1-二芳基化合物在农药上的应用 Scheme3 The application of 1,1-diaryl compounds in agrochemicals |
可见，含有1,1-二芳基结构单元的化合物生物活性很广谱，而且它们都可以由同一类原料二芳酮通过简单的化学反应比较方便地转化而来，因此，二芳酮就具备了分子插件的特征，并且是一类理想的分子插件，只需构建二芳酮分子插件数据库，就可以很方便地合成各种各样的生物活性分子。
其他分子插件的设计参考同样的思路。
2.3 分子插件法的应用本课题组长期致力于吡啶类新农药的创制研究工作，在前期工作中，已先后初步建立了吡啶二芳酮、芳氧吡啶乙酮、吡啶甲酰基乙酸乙酯、芳基吡啶羧酸、芳基吡啶胺和吡啶基烃氧胺等多个分子插件数据库。本文以吡啶二芳酮和芳氧吡啶乙酮为例说明分子插件法在新农药创制中的应用。
1) 吡啶二芳酮类分子插件
首先，以烯酰吗啉为先导，将吡啶二芳酮与膦乙酰吗啉通过Wittig-Horner反应缩合得到一类含吡啶环的肉桂酰胺化合物[15]，并成功从中开发出了新型杀菌剂丁吡吗啉 (pyrimorph)(图式 4)。
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图式 4 丁吡吗啉的设计思路 Scheme4 Design strategy of pyrimorph |
丁吡吗啉对各类疫病、霜霉病及立枯病等有很好的防效，但在作用机理上其与烯酰吗啉有重大差别，即它既能影响病原菌细胞壁合成物质的极性分布[16]，又能通过抑制病原菌细胞呼吸链复合物III的活性而抑制其能量合成[17]。
将吡啶二芳酮与乙酰吗啉进行Claisen-Schmidt缩合则得到叔醇类化合物 (水合丁吡吗啉，图式 5)，其具有和丁吡吗啉相当的杀菌活性[18]。该类化合物通过脱水也可得到丁吡吗啉及其类似物[19]。
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图式 5 水合丁吡吗啉的设计思路 Scheme5 Design strategy of hydrated pyrimorph |
将吡啶二芳酮先制成肟，再与双草醚缩合就得到嘧啶肟草醚的吡啶类似物 (图式 6)，初步除草活性测定结果表明，该类化合物抑制稗草生长的活性远高于其先导化合物嘧啶肟草醚[20]，进一步评价工作正在进行中。而由该肟衍生出来的甲氧丙烯酸酯类化合物 (图式 6) 也表现出优异的杀菌活性[21]。
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图式 6 嘧啶肟草醚吡啶类似物的设计思路 Scheme6 Design strategy of pyribenzoxim pyridine analogues |
从以上介绍可得知，该类插件还有很大的衍生利用空间，相关研究正在进行中。
2) 芳氧吡啶乙酮类分子插件
二芳醚也是农药中常见的活性基团，本研究组据此也设计了一类芳氧吡啶乙酮类分子插件。
首先利用此类插件成功合成了鰁唑菌酮的类似物吡鰁唑菌酮 (图式 7)，该化合物对水稻纹枯病菌Thanatephorus cucumeris、稻瘟病菌Pyricularia oryae Cav. 等菌丝生长的抑制活性远高于鰁唑菌酮，但对辣椒疫霉孢子囊释放的抑制活性较差[22]。
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图式 7 鰁唑菌酮类似物的设计思路 Scheme7 Design strategy of famoxadone analogues |
继而又以氟啶虫胺腈为先导，合成了一系列含芳氧基的氟啶虫胺腈类似物 (图式 8)，该类化合物对蚜虫表现出了较高的活性，但活性不及氟啶虫胺腈。
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图式 8 氟啶虫胺腈类似物的设计思路 Scheme8 Design strategy of sulfoxaflor analogues |
本课题组开发的甲氧基丙烯酸酯类似物 (图式 9)，对黄瓜灰霉病菌Botrytis cinerea、番茄晩疫病菌Phytophthora infestans、瓜果腐霉病菌Pythium aphanidermatum(Edson) Fitzpatrick和稻瘟病菌P. oryae等均具有很好的抑制效果，优于嘧菌酯和肟菌酯[23]。
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图式 9 甲氧基丙烯酸酯类似物的设计思路 Scheme9 Design strategy of methoxyacrylate analogues |
杨岩[24]以吡蚜酮为先导，设计合成了一系列新型三嗪酮类化合物 (吡蚜酮类似物，图式 10)，具有非常好的杀虫活性，在600 mg/L下对棉铃虫Helicoverpa armigera、玉米螟Pyrausta nubilalis和粘虫Mythimna separata的致死率均达100%，在0.5 mg/L下对蚊幼虫的致死率仍达100%，远高于对照药剂吡蚜酮。
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图式 10 吡蚜酮类似物的设计思路 Scheme10 Design strategy of pymetrozine analogues |
同样，该类分子插件的衍生化空间也非常广阔，部分衍生化研究工作正在进行中。
3 总结综上所述，在总结传统分子设计方法的基础上，笔者提出了一种新的设计农药先导化合物的方法——分子插件法，本质上，其集合了活性亚结构拼接、类同合成和生物电子等排等分子设计理念的特点，具有衍生快捷、成功率高等优点；同时，充分利用插件上官能团的化学性质，也有可能发现一些具有原创性的、新的活性结构类型，因此是一种比较理想的创制新农药、新医药等生物活性化合物的新方法。我们相信，随着大量分子插件数据库的建立，将大大提高新药的创制速度，有力促进新药创制研究工作。
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