1、第二章 新农药研究开发的基本思路、途径和方法一、新农药研究中先导化合物的概念及重要性二、先导化合物发现的一般途径三、随机合成筛选四、类同合成五、天然产物模型六、生物合理设计第一节 新农药研究中先导化合物的概念及重要性新农药的研制过程大体上可分为“研究”与“开发”两个阶段,如图2-1。研究阶段先导化合物大量化合物筛选生物活性先导优化开发阶段应用开发安全性评价选定新品种工业化开发市场开发最佳侯选化合物商品化淘汰淘汰淘汰登记注册专利申请一、先导化合物的概念图2-1 新农药研究开发过程示意图所谓先导化合物(Lead compound)，是指通过生物测定，从众多的化合物中发现和选定的具有某种农药活性的新
2、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，开发出新农药品种。申报注册申报注册先导化合物又称为母体化合物（mother compound）、原型化合物（prototype）、关键化合物（key compound）或线索化合物（clue compound）。1.正确选定先导化合物能够提高开发成功率；2.正确选定先导化合物能够节省研究开发的成本。二、先导化合物在新药研究开发中的重要性第二节 先导化合物发现的一般途径一、发现先导化合物的主要四种途径非定向途径随机筛选(合成)先导化合物定向途径天然活性物质模型农药品种代谢、作用机理研究类同合成生物
3、合理设计先导优化图2-2 先导化合物的发现途径Random synthesisNatural bioactive product modelanalogue synthesisBiorational design二、先导化合物的发现、选定和优化程序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）产生一次先导化合物先导优化最佳候选物 1先导展开二次先导化合物先导优化最佳候选物 2先导展开n次先导化合物先导优化最佳候选物 n应用开发 安全性评价商品化新农药品种Random synthesisAnalogue synthesisNatural bioactive product mode
4、lBiorational design图2-3先导化合物产生、展开、优化程序最初发现具有生物活性的母体化合物称为先导产生（lead discovery）,亦即第一次先导化合物。经过系统的结构修饰，衍生一系列类似化合物的过程称为先导优化（lead optimization），由此可选出侯选化合物，从而开发出新的品种。反复进行多次的结构改变，产生更高层次的先导化合物，这个过程称为先导展开（lead development）。第三节 随机合成筛选一、概述随机合成(random sythesis)是发现先导化合物经常采用的经典途径,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,又称随
5、机筛选(random screening)。如噻嗪酮(buprofezin)的开发COOCH（CH3）2COOCH（CH3）2（稻瘟灵）SSRNCOSSCOORCOOR（六环二噻嗪酮）RNCOSNR2NR1（六环噻二嗪酮）NCOSNR2NR1（二次先导化合物）NCOSNCH（CH3）2NC（CH3）3（噻嗪酮）图2-4 噻嗪酮的开发过程咪唑啉酮ALS抑制剂的研究开发CCOONCONH2X1 X=H2 X=ClCCOONClCONH23CCOOClO+CONH2H2NClCOOHCONHCONH2CCONNO+4CCONClClOCONH23图2-5 邻苯二甲酰亚胺类化合物的合成路线CCONOC
6、ONH2NaOH二甲苯CCONN15O图 2-65CH3ONaCH3OHCOOCH3HNNO6CCONNO图 2-7XA酸NNR1R2咪唑啉酮环W主链图2-8咪唑啉酮模式结构NCOOHNNHOCH3CH（CH3）2灭草喹（imazaquin）NCOOHNNHOCH3CH（CH3）2咪草烟（imazethapyr）NCOOHNNHOCH3CH（CH3）2CH3OCH2甲氧咪草烟（imazamox）图 2-9二、随机合成筛选的分子设计思路2.设计和合成各种新颖的杂环化学结构;3.立体化学结构思路。在随机合成中，分子设计思路的重点应当放在新颖化学结构即新的分子骨架方面。设计的思路应着重考虑以下几个领
7、域：1.在分子结构中引入过去农药分子中少见的元素，包括金属和非金属元素;三、随机合成筛选的特点1.总特征：非定向性和广泛性2.优点：思路广阔，发现新颖化学结构及生物活性的机会多，一旦成功则发挥潜力的余地大，有利于开辟新的品种领域。3.缺点：工作量大、投资多，相对成功率较低，尤其是进入20 世纪80 年代以来，靠随机合成筛选发现先导化合物越来越困难。四、组合化学(combinational chemistry)采用组合化学方法进行新药创制研究包括三个关键步骤：化合物库的合成；生物活性筛选；活性化合物结构鉴定。与传统的合成、筛选技术相比，组合化学技术具有下述特点：1.组合化学技术打破了传统的合成化
8、学观念，不再以单个化合物为目标逐个地进行合成，而是采用相似的条件，一次性同步合成千万个化合物，即合成一个化合物库(图2-10);2.与组合化学合成相配合的是高度集合、高效率的库群方式生物活性筛选，而不是对每一个化合物进行生物测定(图2-11);3.组合化学在分析鉴定产物分子结构方面也与传统入法不同，其特点是：a.后分析 b.少分析 c.无分析(图2-11)。图2-10 经典合成与组合化学比较经典合成A+BABA-BC组合化学A1A2Am+BA1mBA1A2Am+B1B2BnA1mB1n图2-11 组合库的合成、筛选和结构识别A 库合成A1B120（A1亚库）A2B120（A2亚库）A10B12
9、0（A10亚库）（每个亚库 20个产物，共计 200个产物）B库合成A110B1（B1亚库）A110B2（B2亚库）A120B20（B20亚库）（每个亚库 10个产物，共计 200个产物）生测10份样品（每个亚库为 1份）生测20份样品（每个亚库为 1份）A8亚库活性最强A8B120B14亚库活性最强A120B14A8B14新的活性结构第四节 类同合成一、概述类同合成亦称衍生物合成，可分为两个层次。其中低层次的类同合成就是“模仿分子”（me too），高层次的类同合成在分子设计上有两条主要途径，一是亚结构连接法(Substructure link way)，二是利用生物等排原理(Bioisos
10、terism)来改变结构。ClSO2NHCONHNNNCH3OCH3绿磺隆（chlorsulfuron）SO2NHCONHNNNCH3OCH3OCH2CH2Cl醚苯磺隆（triasulfuron）SO2NHCONHNNNCH3OCH3COOCH3甲磺隆（metsulfuronmethyl）SO2NHCONHNNNCH3OCH3COOCH3S噻磺隆（trifensulfuronmethyl）SO2NHCONHCOOCH3NNOCH3OCH3苄嘧磺隆（bensulfuronmethyl）SO2NHCONHNNOCH3OCH3NNCH3COOC2H5吡嘧磺隆（pyrazosulfuronethyl）
11、CH2SO2NHCONNNNCH3OCH3COOCH3CH3苯磺隆（tribenuronmethyl）SO2NHCONNNOCHF2COOCH3HOCHF2氟嘧磺隆（primsulfuronmethyl）SO2NHCONHNNOCH3OCH3NCON（CH3）2烟嘧磺隆（nicosulfuron）图2-12 磺酰脲类除草剂的类同合成ClClCOOC3H7CH2NNN丙环唑（propiconazole）CCH2NNNFOH粉唑醇（Flutriafol）CH2NNNFSiCH3F氟硅唑（Flusilazole）图2-13 三唑类杀菌剂的类同合成CH3NHCO西维因CH3NHCOCH3速灭威CH3N
12、HCOOCH3CH3克百威CH3NHCOCH（CH3）2异丙威OOOO图2-14 氨基甲酸酯类杀虫剂二、亚结构拼接法（Substructure link way）图2-15 苯甲酰基脲类杀虫剂CNClCl敌草氰（CH3）2NCONHClCl敌草隆CONHClClClClCNHO除虫脲 DU-19111ClCONHCNHOCl灭幼脲（chlorbenzuron）FFCNHCNHOOClClOCF2CHF2氟铃脲（hexafluron）FFCNHCNHOOCl除虫脲（diflubenzuron）FFCNHCNHOOFOClCF3氟虫脲（flufenoxuron）FFCNHCNHOOOClCF3Cl
13、Cl氟啶脲（chlorfluazuron）(diuron）（dichoobenil）亚结构拼接法是将两种或更多的已知活性结构片断进行多种方法的连接，以产生新的先导化合物，目的是将作用方式相同或不同的两种分子的活性部分连接在一起，以增强或产生新的药效，或者提高其选择性作用。拼接合成的新的生物活性分子也称为挛药（twin pesticide）。OCH2CO2RClCl2，4-D苯氧羧酸类除草剂O二苯醚类除草剂基本结构ArOOCHCOORCH3（Ar=取代苯基或杂环基）芳氧苯氧丙酸酯类除草剂图2-16 芳氧苯氧丙酸类除草剂ClClOCH2CO2H2，4-D（1942年）NOCH2CO2HClClCl
14、Dowco233（1973）ClClOOCHCO2CH3CH3禾草灵（diclofop-methyl）（1974）NClOOCHCO2CH3CH3F3C盖草能（haloxyfop-methyl）（1981）NClOOCH2CO2CH3ClSL-501NOOCHCO2C4H9CF3CH3吡氟禾草灵（fluazifop-butyl）NOOOCHCO2C2H5CH3噁唑禾草灵（fenoxiaprop-ethyl）（1982）NOOCHCO2C2H5CH3N喹禾灵（quinofop-ethyl）（1983）三、生物（电子）等排体1.概念的提出（演化发展过程）：“生物电子等排”（Bioisosteris
15、m）是由Langmuir 提出的“电子等排性”（Isosterism）发展和延伸而来。1919年，Langmuir提出“电子等排体”（Isostere）的概念，即凡是具有相同数目的原子和相同数目电子，并且电子排列状况也相同的分子、原子或基团（离子）称为电子等排体。如：O2-、F-和Ne，N2和CO，N2O和CO2，N3-和NCO-等。Hinsberg 于1916年提出“环等价部分”（Ring equivalents）概念，即当芳香环的等价部分相互替代，不会显著地改变理化性质，如-S-与-CH=CH-，-N=与-CH=为两对环等价部分。此后，Hckel将Hinsberg 的等价概念推广到其他有机
16、和无机物，认为CH3-、CH2=和CH分别与F、O、N相当而可以相互替代。表2-1Grimm的氢化物取代规律（Hydride displacement law）CNOFNeNaCHNHOHFH-CH2NH2OH2FH2+CH3NH3OH3+CH4NH4+氢化物取代规律（Hydride displacement law）具有相同价电子数但不同原子数的基团的理化相似性。1932年Erlenmeyer 将电子等排体的概念进一步扩大：凡原子、离子和分子的外围电子数目相等者均为电子等排体（表2-2）；并首次将电子等排概念与生物活性联系起来，用其解释电子等排体生物活性的相似性。表2-2 基于外围电子数目的
17、电子等排体外围电子数目45678N+P+S+As+Sb+PAsSbSSeTePHClBrISHPH2ClHBrHIHSH2PH31951年 Friedman将“生物等排体”定义为：符合最广大的电子等排定义，并具有相似生物活性的化合物。1974年Hansch 提出了新的生物等排定义：在同一标准的实验系统中能引起相似的生化或药理作用的基团（立体性、电性、疏水性等一些重要性质也相似）均是生物等排体。CHOHCH2NHMeHOCHOHCH2NHMeCH3SO2NH12化合物 1和 2的结构1979年Thornber将“生物电子等排体”(bioisostere)定义为：具有相似理化性质且由其产生广泛的相
18、似生物活性的分子或基团。2.生物电子等排体的分类生物电子等排体可分为经典等排体和非经典等排体。Grimm 的氢化物取代规律和Erlenmeyer 所定义的电子等排体被认为是经典的电子等排体，分为一价、二价、三价、四价和环内等价五大类（表2-3）。表2-3 经典的电子等排体类型等排体一价二价三价四价环内等价物-X（X为卤素），-OH，-NH2，-CH3，-SH，-PH2-O-，-S-，-Se-，-CH2-，-NH-，-CO2R，-COSR，-CONHR，-COCH2R-CH=，-N=，-P=，-As=C，Si，N+，P+-CH=CH-，-S-，-O-，-NH-，-CH-，-N=非经典等排体主要为
19、Hansch 所定义的等疏水性、等电性或等立体性并具有相似生物活性的生物等排体，因此，非经典的电子等排体包括的范围非常广泛（表2-4）。表2-4非经典的电子等排体卤素F Cl Br I CF3CN SCN N（CN）2C（CN）3羟基OH NHCOR NHSO2R CH2OH NHCONH2NHCN CH（CN）2醚-O-S（O）n-=N-CN =N-COR =N（CN）2硫脲亚胺-N=-C（CN）=共轭双键-（CH=CH）n-羧酸基团CO2H SO2NHR SO3H PO（OH）OEt PO（OH）NH2CONHCNNH NHSNHNHCHNO2NH NHNCNNH NHNNO2NH NHC
20、HCOCF33.经典的生物电子等排体在农药设计中的应用一价电子等排体由氯苯嘧啶醇研制的氟苯嘧啶醇（Cl F）；杀虫杀螨剂如由四螨嗪开发的SZI121（Cl F）；除草剂2，4-滴（Cl）和2 甲4 氯（CH3）等。OHClClNN氯苯嘧啶醇OHClNNF氟苯嘧啶醇ClNNNNClH四螨嗪ClNNNNFFSZI 121ClClOCHCH3COOH2，4滴ClOCHCH3COOHCH32甲 4氯二价电子等排体以杀菌剂丁苯吗啉开发的苯锈啶（-O-CH2-）以杀虫剂醚菊酯开发的烃菊酯（-O-=CH2），以除草剂苄嘧磺隆开发的环丙磺隆（AC322140）（-CH2-NH-）等。CH3H3CH3CCH3O
21、NCH3CH3丁苯吗啉CH3H3CH3CCH3N苯锈啶C2H5OCH3CH3CH2OCH2O醚菊酯C2H5OCH3CH3CH2CH2CH2O烃菊酯CO2CH3CH2SO2NHCONHNNOCH3OCH3苄嘧磺隆CONHSO2NHCONHNNOCH3OCH3环丙磺隆（AC322140）三价电子等排体NClCH2NNHCHNO2NClCH2NNHNNO2吡虫啉RSO2NHCONHNNZR1R2RSO2NHCNNZR1R2NNRCNNZR1R2NNNHSO2三唑并磺酰胺类除草剂四价电子等排体FCOHCH2NNN粉唑醇FCH2NNNSiCH3F氟硅唑CF3OOCCH3COOC4H9NCF3OOCCH3COOC4H9吡氟禾草灵环等价电子等排体非经典的生物电子等排体的应用OOOStrobilurinCNONNOOOO嘧菌酯作业：非经典电子等排体在新药设计中的其他应用。
