手性农药研究进展

周 佳，梁水连，相坛坛，戎 瑜，吕岱竹*

(1.中国热带农业科学院 分析测试中心，海南 海口 571101；2.华中农业大学 植物科学技术学院，湖北 武汉 430072)

手性是自然界的基本属性，类似于人的左右手，不能重叠但互为镜像，手性农药具有手性特征，包括外消旋体和非外消旋体[1]。根据以往的文献报道，手性农药的生物活性往往只存在于一个或少数几个对映体中，例如甲霜灵、多虫畏、敌草胺等手性农药只有1/2对映体生物活性高，速灭杀丁和氯菊酯只有1/4对映体生物活性高，而溴氰菊酯和氯氰菊酯甚至只有1/8对映体是高效体，其余7/8基本无效[2]。由于手性农药对映体的不同特性以及它们在农业上的使用量逐年增加，研究手性农药已成为新型“高效低风险”绿色农药发展道路[3]上的关键技术。现在获得正式登记并商品化的农药在全球大概有650多种，其中手性农药大概有200多种，而在我国目前大概有40%的农药生产销售市场属于手性农药，绝大部分属于是外消旋体，随着手性农药研究的深入，单一光学纯手性农药的比例不断增加[4-7]。手性农药对映异构体尽管物理性质和化学性质一样，但很多研究表明它们在环境和生物体中会有不同的活力与毒性，其消解、迁移和代谢等行为，以及对生物的毒性会发生对映体选择性的情况，忽视了这些差异，将会不同程度地影响手性农药对环境的安全性评价。之前手性农药的研究基本停留在外消旋体上，从对映体层面研究手性农药，不仅符合我国可持续发展农业的大方向，还能更全面地对手性农药进行安全性评价，减少无效体对环境的影响，同时能更好地为自主开发环境友好型农药和创新修复农药污染物对生态系统的危害提供科学依据[8]。

1 手性农药的合成技术

由于人们对立体化学领域的逐渐深入，手性农药的合成制备技术最近几年得到了很大的发展。手性农药的合成方法主要可以分成两大类：一类是直接合成法，另一类是外消旋体的拆分。

1.1 直接合成法

直接合成手性农药可以分为差向异构法、化学导向合成法、酶催化技术、不对称合成法等。差向异构技术常常应用在合成拟除虫菊酯类手性农药上，它能大大降低该类手性农药的合成成本，提高了其杀菌活性，现在主要应用在溴氰菊酯、S-氰戊菊酯、α-氯氰菊酯等品种上[9]。以光学活性化合物为原料，通过一系列立体化学反应制备手性农药的化学导向合成技术，原料来源简单易得，根据所需的手性中心、官能团等就可以选择相对便宜的手性化合物直接制得[10]，例如以S-α-氨基丁酸为原料合成S-(-)-稻瘟酯。化学导向法也可以用来合成芳氧苯氧丙酸类除草剂的单一异构体，这一类的除草剂外消旋体只有R体具有生物活性，以天然手性L-乳酸为起始原料，经过一系列化学通用路线定向合成R-丙酸衍生物，最后能得到R-喹禾灵、R-稳杀得等除草剂[11]。酶是天然的手性催化剂，还具有高效性和专一性等特性，利用酶催化技术制备手性农药有很大的应用前景，例如采用酶催化脱氯技术可以有效合成制备精吡氟氯禾灵的中间体S-α-氯代丙酸甲酯，此外合成R-甲霜灵、S-异丙甲草胺等常常采用酶催化加氢技术。浙江大学的杨凌荣等通过提高生物催化剂的稳定性和活力，采用化学-酶法在全有机溶剂中高效制备出了手性菊酯类农药[12]。

近年来，不对称合成技术已成功合成不少的手性化合物，不对称环丙烷化可以合成手性三元嘌呤碳环核苷和三元碳环嘧啶核苷[13-14]，不对称异构化在合成昆虫生长调节剂的原料烯胺上得到了充分应用，而陈瑞刚[15]设计合成亚磷酸酯配体，增强了应用于合成α-脱氢氨基酸甲酯和衣康酸甲酯上的不对称加氢技术。另外，超临界CO2中酶催化合成技术、微生物工程技术、基因工程技术等现代技术也不断应用在手性农药合成工艺上[16]。

1.2 外消旋体拆分技术

外消旋体的拆分一直是手性农药研究的热点，与直接合成法相比，光学拆分外消旋体获得单一光学异构体手性农药的成本更低、操作更简单。拆分手性农药外消旋体的方法目前有优先结晶法、化学拆分法、酶和微生物拆分法、色谱拆分法等，其中色谱法拆分简单快速、分离效果好、应用最广泛。色谱拆分法具体包括纸色谱法、气相色谱法、液相色谱法、毛细管电泳法、超临界色谱法、薄层色谱法、逆流色谱法等[17]。色谱拆分需要寻找合适的手性固定相进行拆分，曹志刚等[18]最新制备出一种单脲基衍生化β-环糊精键合有序介孔SBA-15手性固定相(UCDP)，对梨中的烯唑醇建立了一种迅速拆分测定的高效液相色谱法。在手性固定相中，多糖衍生物手性固定相以其强大的分离能力和通用的溶剂通用性而备受青睐。赵鹏飞等[19]选用了2种直链淀粉型手性固定相(Chiralpak-IA和IG)和2种纤维素型手性固定相(Chiralpak-IB和IC)拆分了手性拟除虫菊酯杀虫剂胺菊酯和α-氯氰菊酯，最后发现由于π-π、疏水效应、氢键等原因，只有在纤维素类Chiralpak-IG上，胺菊酯和α-氯氰菊酯是基线分离的。黄玉芬等[20]采用高效液相色谱串联质谱仪(LC-MS/MS)，选用纤维素类手性固定相Chiralcel OD-RH，优化分离条件，成功拆分了多效唑、甲霜灵和三唑酮3种典型的手性农药。手性固定相对手性农药的拆分很重要，通过改变拆分的条件，例如手性柱的温度、流动相的流速、组成、比例和醇改良剂等，对映体的分离度能得到很大的提升[21]。冯硕立等[22]在超临界色谱上，分析并讨论了醇类流动相对三唑类手性杀菌剂基线分离的影响，印证了流动相的选择对拆分手性农药有很大的影响。张利强等[23]考察了正己烷和乙醇的体积之比、流动相的流速、进样量，最后确定火龙果中苯醚甲环唑最佳的分离条件。尽管色谱法在手性拆分上优点明显，但色谱考虑的影响因素多，前期需要投入大量的人力、物力和财力，不能实现工业上大量生产的要求，因此这些年利用手性抗体识别的免疫分析法[24]逐渐得到重视，李艳娇[25]就成功制备出6种毒氟磷的多克隆抗体，并使8种毒氟磷类似物的抗原与抗体交互反应研究它的手性识别特性，为商品化毒氟磷奠定了基础。利用农药与光探针试剂相互作用影响的分子光谱法也逐渐应用到手性农药对映体分离测定上，吴环分别建立了手性农药马拉硫磷和精喹禾灵的共振瑞利散射技术和荧光光谱法，这2种方法在实际样品操作中的结果也比较好[26-27]。

2 手性农药对映体选择性环境行为

手性农药在进入生态系统后，它的对映体可能会在不同环境介质中发生选择性富集吸收、降解代谢、迁移扩散等行为。现如今手性农药对映体选择性环境行为的研究主要集中在水体、土壤和生物上。

2.1 在水体中的选择性行为

施用农药时，随着土壤地表径流、地表淋溶、降雨沉降、渗透蒸发等途径，农药会不可避免地进入到水体环境中，对水生生态系统造成污染[28-29]。目前评价手性农药对映体选择性的常用指标之一是对映体分数(EF，EF值介于0～1)，当EF值偏离0.5时，代表着一对或多对对映体发生选择性变化[30]。Huang等[31]研究了在城市污水处理厂处理废水过程中4种手性唑类抗真菌农药益康唑、咪康唑、酮康唑和戊唑醇的对映体选择性，4种农药在经过污水处理厂处理前后，EF值没有显著变化，说明对映体之间未发生明显的选择性，它们在溶解相和颗粒相中的EF值有所不同，例如吸附的咪康唑的EF通常低于溶解的咪康唑，这表明在废水的溶解相和颗粒相中对映体发生了选择性行为，结果还阐明了4种手性农药在珠江及其支流和河床沉积物中会有季节性差异，例如酮康唑的EF值夏季明显高于冬季。瞿涵[32]研究了氟虫腈和丁虫腈在水环境中的立体选择性，在不灭菌沉积物-水的模拟系统下暴露16 d后，系统中氟虫腈的浓度达到最高且EF值下降，说明R-丁虫腈被优先降解，而S-氟虫腈被优先代谢释放到水中，不过在灭菌沉积物-水系统中，氟虫腈和丁虫腈没有发生明显的选择性环境行为。

2.2 在土壤中的选择性行为

手性农药对映体在土壤中可能会有不同的降解代谢行为，它们在土壤中的降解代谢速度也不一样。呋虫胺在土壤中的降解存在显著对映体选择性，S-(-)-呋虫胺在土壤中半衰期短，而R-(+)-呋虫胺则持留期较长[33]。苯醚甲环唑对映体在含氧量不同的土壤中表现出明显的选择性，(2s,4s)-苯醚甲环唑在好氧土壤中更容易富集，而在厌氧土壤中(2s,4r)-苯醚甲环唑更容易被积累，不过其对映体选择性降解相对不明显[34]。在实验室厌氧水稻土和好氧菜园土中2种手性有机氯农药o,p′-DDT和o,o′-DDD均没有发生选择性降解，但在自然环境下2种农药的对映体含量不同，这说明环境的差异会影响手性农药的对映体选择性[35]。高效氯氰菊酯(beta-CP)包含8种氯氰菊酯异构体中的4种，主要成分为高效顺式氯氰菊酯(ACP，包含cis-α S,1R,3R和cis-α R,1S,3S这一对对映体)和高效反式氯氰菊酯(TCP，包含trans-α S,1R,3S和trans-α R,1S,3R这一对对映体)[36]。Jiang等[37]主要研究了高效氯氰菊酯在普通土壤和鸡粪改性土壤中的选择性降解，以及土霉素对高效氯氰菊酯对映体选择性的影响，在普通土壤中TCP的降解速度略快于ACP，土壤中添加鸡粪后对beta-CP的降解速度没有明显的影响，但对ACP和TCP的降解有一定的影响，cis-α S,1R,3R和trans-α R,1S,3R这2个对映体在土壤中优先降解；无论是否添加土霉素，鸡粪改性土壤跟普通土壤相比都降低了ACP的降解率，提高了TCP的降解率，而且土壤消毒后，EF值在0.5左右，说明土壤微生物影响对映体的选择性，鸡粪对土壤微生物组成的改变可能是其降解异构体间对映体选择性的主要原因。

2.3 在生物中的选择性行为

手性农药在生物体内的对映体选择性相对于水体和土壤而言，其差异会更加显著，而且越处于食物链顶端的生物，选择性差异会越显著[38]。研究发现，RS-环氧虫啶在浸根处理的油菜上吸收快于SR-环氧虫啶，但迁移却弱于SR-环氧虫啶，表明在生物体内会发生不同的环境行为[39]；不同的地区，对映体的选择性会有不同，例如对于北京的白菜，(-)-茚虫威的降解速率大于(+)-茚虫威；而对于安徽的白菜来说，(+)-茚虫威被优先降解，(-)-茚虫威更容易积累[40]。同一种手性农药在不同植物体内会发生不同的对映体选择性，R-(-)-戊唑醇在黄瓜体内容易降解，而S-(+)-戊唑醇在甘蓝中降解得更快[41]；敌草胺在小白菜、黄瓜、油菜、西红柿4种不同蔬菜上选择性降解行为的研究显示，敌草胺只在小白菜上发生了对映体选择性，在其他3种蔬菜上没有发生[42]。不同的手性农药对生物的选择性活性不同，哌虫啶对苜宿芽的活性表现为(1S,2R)-哌虫啶>(1S,2S)-哌虫啶>(1R,2S)-哌虫啶>(1R,2R)-哌虫啶，而环氧虫啶的2个对映体活性差异不大，(1R,2S)-环氧虫啶稍高于(1S,2R)-环氧虫啶[43]。在光照条件下，甲霜灵在斜生栅藻和盘星藻中都发生了对映体选择性降解，R-甲霜灵更容易被降解，而在避光条件下，甲霜灵在2种藻类都没有对映体选择性发生[44]。

3 手性农药的选择性毒性效应

酶、糖类、蛋白质等生物大分子本身就具有手性特征，手性农药在进入生物体后，其对映体差异也会体现在这些生物大分子上。例如，在Ye等[45]的试验研究中，禾草灵R体会诱导铜绿微囊藻细胞体内生成更多的活性氧，增加丙二醛的含量，从而增强超氧化物歧化酶的活性，提高毒素的释放，抑制藻细胞的生长，但S体却不会氧化破坏细胞膜。毒氟磷是由我国贵州大学自主创制的一种α-氨基磷酸酯类手性杀菌农药，颤蚓在染毒水中暴露3 d后，S体引起颤蚓体内可溶性蛋白显著增加，R体对应的颤蚓蛋白含量却与之相反，然而暴露14 d后，R体处理组中的颤蚓蛋白含量最高[46]。

许多手性农药对生物的选择性毒性主要表现在各种潜在毒性上，包括内分泌系统、神经系统、生殖系统、发育系统等，其差异机制的研究还在不断探索当中，这是一个相对全新的研究领域，很多效应还需要全面深入的研究[47-48]。Wang等[49]的试验显示1S-cis-联苯菊酯比1R-cis-联苯菊酯具有更强的细胞增殖能力，并且其对映体能诱导产生选择性雌激素效应，因此认为原位代谢产物对青鳉鱼产生了内分泌干扰作用或者是雌激素受体通路作用，从而引起了不同的细胞增殖。Li等利用小鼠PC20细胞研究三氯杀虫酯对小鼠神经系统的毒性，最后的结果显示S-(+)-三氯杀虫酯的细胞毒性更高，并且氧化应激反应更活跃，氯菊酯同样也引起了相似的选择性，1R-trans-氯菊酯对于抑制过氧化氢酶的活性和诱导活性氧产生等方面具有更高的活性[50-51]。对于生殖系统来说，网纹水溞需要承担(-)-锐劲特带来的更高生殖毒性的风险[52]，联苯菊酯对映体会选择性损伤人羊膜上皮细胞的核糖核酸机制[53]。Zhang等黑斑蛙蝌蚪的试验中，结果显示：三唑酮及其代谢物三唑醇破坏了参与变态反应的激素通路，从而影响了蝌蚪的发育系统[54]。总体来说，手性农药对映体对生物产生的潜在毒性存在差异，主要还是因为生物大分子具有高度的专一性，不同的对映体与各种生物大分子的亲和力不同，亲和力越强的对映体，其生物活性越强。

4 展望

从对映体层面研究手性农药是立体化学发展到今天的必然趋势，大量的试验结果表明，手性农药在进入环境后，会表现出不同的环境行为和活性，深入研究手性农药的环境行为和生物学效应，将大大增加高效体的利用率，减少无效体的使用。手性农药的高效体有着高效低毒、生物活性好、节省原料成本、利用率高等优点，这意味着它将在新型农药的开发研究方面有着非常广阔的前景，越来越多可大量投入工业生产的合成与拆分方法将会应用到手性农药高效体的制备当中，这有助于保护自然环境，符合当代绿色农业的发展要求。

目前研究者的目光主要还是放在手性农药的合成、拆分和选择性环境行为上，关于从细胞和分子水平分析手性农药的环境差异机制和毒理机制还有待深入。随着科学技术的发展和研究设备的不断革新，更应该将目光从单一或多种手性农药在同一环境介质中的行为转移到追踪其在多介质环境中的变化过程，例如土壤-大气、水体-沉积物-大气等多环境界面。并且农民在施用农药时不止使用单一的农药，更多是农药的混合使用，所以未来更应该在多种手性农药混用、手性农药和非手性农药混用的相互作用及其生理机制上投入大量精力。