基于sanshools结构的新型除草剂安全剂设计合成及生物活性

Using herbicide safeners is the most direct and significant method to solve the pollution of herbicides. Sanshools which can protect rice seedlings from the injury of anilide herbicides were found from pepper fruits by the applicant at the support of National Natural Science Foundation of China (No31371954). Sanshools have a novel structure and good environmental compatibility but they are costly to extract and must be used in large dose in the field. Hence the structure of sanshools needs to be modified. In this project, highly active monomer obtained by our research group will be selected as a lead compound from sanshools. According to the structural characteristics of the lead compound, the optimal design of the target compound will be carried out by using such methods as active substructure splicing and biological electron. The designed target compounds will be synthesized by using the optimal synthetic route of green economy and their structure will be confirmed. The biological activity of the target compounds will be evaluated. The highly active compounds will be selected and optimized, while the structure-activity relationship will be discussed. The biological activity of high-activity compounds will be verified in laboratory and field experiments, so that some high-activity, environment-friendly candidates will be obtained. The purpose of this project is to provide experimental basis for the development of herbicide safeners with independent intellectual property rights.

使用除草剂安全剂是解决除草剂药害最为直接有效的方法。申请人在上一个国家自科基金（No31371954）资助下，从花椒果实中发现了一类具有保护水稻幼苗免受酰胺类除草剂药害的物质—山椒素（sanshools）类化合物，其具有环境相容性好、结构新颖等优点，但存在提取成本高、田间用量大等缺点，需要进行结构优化。本项目拟用本课题组得到的高活性山椒素单体作为先导化合物，根据先导的结构特点，采用活性亚结构拼接、生物电子等排等方法进行目标化合物的合理优化设计；然后对设计的目标化合物采用绿色经济的最优路线进行合成并鉴定结构；再通过生物测定对目标化合物进行活性评价，筛选出高活性化合物，阐明构效关系并进行结构再优化；最后采用室内和田间试验相结合的方法对高活性化合物进行活性验证，以期获得高活性且对环境友好的除草剂安全剂候选化合物,旨在为开发具有自主知识产权的除草剂安全剂奠定实验基础。

项目研究了酰胺类除草剂安全剂解草酮，解草胺，AD-67与解草啶对水生生物斑马鱼胚胎的毒性效应及毒理机制，发现了这四种安全剂对斑马鱼具有中高等毒性（半致死浓度在0.60~4.48 mg/L之间）。四种安全剂均可诱导斑马鱼胚胎产生发育毒性，引起斑马鱼胚胎发育畸形，具有环境风险。针对前期发明的酰胺类除草剂植物源安全剂山椒素类化合物结构复杂、难以合成、活性低等缺陷，进行结构优化，采用骨架跃迁的方法对山椒素类化合物进行结构改造，研制了活性与商品化安全剂二氯丙烯酰胺相似，但对斑马鱼胚胎毒性更低的N-取代酰胺类安全剂2k和4k；在解草啶苯环与嘧啶环间引入酰胺键结构，设计并合成了苯基酰胺嘧啶类除草剂安全剂，活性与解草啶相当，较解草啶更易合成；对解草啶嘧啶环2位进行结构修饰，采用活性亚结构拼接的方法引入苯氧基片段，通过一步合成获得高活性化合物5号化合物；与对照相比水稻幼苗株高、根长及鲜重的恢复率达92~95%，且室内田间生物活性均优于解草啶；就该活性位点继续修饰，采用中间体衍生化方法，引入山椒素类化合物含有的不饱和烷基等基团，设计获得含腙基的苯基嘧啶类化合物，其中化合物3i和3t变现出与解草啶相当的活性。3i和3t够通过促进水稻幼苗体内GSTs相关的基因表达，从到提升GSTs活力，提高水稻幼苗解毒能力。3i和3t还具有比解草啶远低的斑马鱼胚胎毒性，可作为酰胺类除草剂的高效低生态风险安全剂候选化合物。以上工作为开发具有自主知识产权的高效低生态风险除草剂安全剂奠定了实验基础。此外，发明了对环境相对友好，安全剂活性较高，获取较易的酰胺类除草剂的植物源激素类安全剂水杨酸、赤霉素和茉莉酸甲酯，其中赤霉素可以提高水稻体内GSTs活力起到安全剂作用。项目还进行了其他减缓除草剂药害技术方面的探索研究，首次发现利用有机共价材料可高效负载除草剂（负载率高达41%），可提高19.2%~27.1%的防控效果，为减少除草剂施药剂量，减轻除草剂药害奠定了技术基础。