含异噁唑烷环的新型丁香酚酰氧基/磺酰氧基衍生物的设计、合成及其抗卵菌、抗真菌和杀线虫活性

《Bioorganic Chemistry》：Design, synthesis, anti-oomycete, anti-fungal, and nematicidal activities of novel eugenol acyloxy/sulfonyloxy derivatives containing an isoxazoline ring

　　

• 设计并合成了24个新型丁香酚酰氧/磺酰氧杂化衍生物。• 通过单晶X射线衍射确定了目标化合物3k和4l的立体化学构象。• 发现了一种对植物寄生线虫具有良好的杀线虫活性的新型结构骨架，为丁香酚在杀线虫剂设计中的应用提供了新的研究方向。• 观察到这些丁香酚酰氧/磺酰氧化合物的一些有趣的构效关系。引言从全球范围来看，植物疫霉、真菌和线虫是导致严重作物损失的三大类病原体[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。(a) 虽然疫霉在系统学上不属于真菌，但其致病方式与真菌相似，常引起猝倒病、根腐病和疫病等毁灭性病害[6]。其中，马铃薯晚疫病曾导致爱尔兰大饥荒，至今仍在全球范围内频繁爆发。(b) 真菌是最具多样性且分布最广的植物病原体，已知可引起超过70%的植物疾病，如小麦赤霉病和稻瘟病，导致全球作物年产量损失约12-30%，经济损失达数百亿美元[7]。(c) 植物寄生线虫以其强隐蔽性和广泛的寄主范围为特征。全球每年约有12%的粮食和纤维作物因线虫危害而损失，蔬菜作物损失达20-30%。其中，胞囊线虫和根结线虫的威胁最为严重，不仅直接破坏根部结构、阻碍水分和营养吸收，还作为病毒载体或诱发真菌和细菌复合感染，进一步加剧病害的严重性[8]。三者共同构成了全球农业生产中持久而系统性的生物胁迫威胁[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。因此，有效防控疫霉、真菌和线虫这三大类病原体具有重要意义。天然产物在防控疫霉、真菌和线虫等植物病原体方面发挥着重要作用，已成为绿色植保和生物农药研发的重要资源[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。天然产物具有结构多样、靶标新颖、环境相容性好且易于降解等优点，能有效抑制各种植物病原体[10]。随着高毒化学农药的限制或禁用，天然产物不仅为新生物农药的开发提供了先导化合物，还显示出与生物防治微生物协同应用的潜力，有效支持了作物病害绿色防控体系的构建[11]、[12]、[13]。尽管许多天然产物表现出良好的生物活性，但其直接商业化应用常因稳定性差、速效性不足、水溶性差、光热不稳定或生物利用度低而受到限制，难以满足实际田间需求[13]。因此，以天然产物为先导化合物进行结构优化已成为创制新型绿色农药的关键途径[14]、[15]、[16]、[17]。通过保留其核心药效团、修饰不稳定的官能团或引入增效官能团，可在保持或增强生物活性的同时改善理化性质和环境适应性[15]、[16]、[17]。这种"类天然产物"策略不仅有助于突破天然产物自身的局限，还能加速开发具有新颖结构、独特作用机制和高效工业潜力的农药候选分子[11]、[12]、[13]、[18]。众所周知，异噁唑啉和酰氧/磺酰氧是现代农药分子设计中的重要结构单元。异噁唑啉作为一类五元含氮杂环，凭借其独特的作用机制、高选择性以及不显著与现有农药产生交互抗性，成为新型农药研发领域的研究热点[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。目前商业化的异噁唑啉类农药品种包括吡啉唑醚（I，图1）、奥昔噻吡罗（II，图1）、氟噻吡罗（III，图1）和异环氯脲（IV，图1）。磺酰氧基（-OSO?R）兼具电子效应和位阻特性，能增强分子与靶标蛋白的结合能力并提高代谢稳定性；含有磺酰氧结构的化合物已被证明具有显著的抗真菌活性（如市售农药氟噻吡罗（III，图1）、甲磺草乙基（V，图1）和甲磺草环（VI，图1）[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]）。酰氧基（-OCOR）常作为前药策略中的可裂解基团，可改善母体化合物的脂溶性、渗透性或靶向性。进入生物体后，经酯酶水解释放活性成分。它已被用于各种农药中以优化药代动力学性质（如农药嘧菌酯（VII，图1）和烯唑醇（VIII，图1）[37]、[38]、[39]、[40]、[41]）。三者可单独应用或组合嵌入同一分子中，为创制高效农药活性化合物提供了关键的结构基础。（参见方案1。）丁香酚（1，图2）作为一种广泛存在于丁香和肉桂等植物中的天然酚类化合物，在农药开发中展现出显著的潜力[40]、[41]、[42]、[43]、[44]。尽管它具有广谱生物活性，但天然丁香酚存在挥发性高、光热稳定性差以及低浓度下活性不足等局限性，难以直接满足商业农药的要求[43]、[44]。因此，目前的研究集中在以其为先导化合物进行结构修饰（A1-A6，图2）[40]、[41]、[42]。研究发现，将异噁唑啉和酰氧/磺酰氧基团引入丁香酚骨架中是增强其农药生物活性的有效分子设计策略[40]、[41]、[42]、[43]。例如，将异噁唑啉杂环与丁香酚片段拼接，不仅引入了具有独立抗真菌/杀虫活性的药效团，还扩展了作用谱。以往研究表明，此类杂化分子对多种植物病原真菌的抑制活性显著优于母体丁香酚化合物[43]、[44]、[45]、[46]。此外，异噁唑啉结构已被证明对腐皮疫霉等疫霉菌具有抑制作用，含氮杂环与脂溶性取代基的协同效应可能还能增强对植物寄生线虫的毒力或驱避效果[43]。因此，此类结构融合策略有望开发出兼具抗疫霉、抗真菌及潜在杀线虫活性的多效植物源农药候选分子。鉴于此，本研究旨在持续发现具有新型结构的高农药生物活性化合物，真正实现新型植物源农药的源头创新，即具有新型结构的高农药生物活性化合物[16]、[17]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[47]、[48]、[49]、[50]、[51]、[52]、[53]。近年来，本研究团队对丁香酚的结构优化与生物活性开展了一系列研究，并发现了一些重要结论[40]、[41]、[42]。丁香酚的羟基修饰能有效增强其对植物病原体的抑制活性，特别是引入磺酰氧和酰氧基团后，其衍生物表现出显著提高的抗疫霉和抗真菌活性[41]。此外，含异噁唑啉环的化合物在农药领域表现出广谱生物活性，包括对各类暴发性害虫的高效杀虫活性，以及对植物病原真菌和细菌的良好抑制作用，具有开发为新型高效农药的潜力[19]、[20]、[21]、[43]、[54]。基于以往研究，本团队同时将异噁唑啉和酰氧/磺酰氧药效团引入丁香酚的结构骨架中，设计并合成了24个丁香酚衍生物（3a-q和4d,f,j-n，图2），并以腐皮疫霉（*P. capsici*）、禾谷镰刀菌（*F. graminearum*）和胞囊线虫（*Heterodera glycines*）为测试对象，研究了其抑制植物病原体和杀灭植物寄生线虫的活性，旨在发现具有高农药生物活性的丁香酚化合物。章节摘要化学部分如图1所示，首先，以水（H?O）为溶剂，将苯甲醛（5a）与碳酸钠（Na?CO?）和盐酸羟胺（NH?OH·HCl）按1.0:1.5:1.5的当量比反应制备苯甲醛肟（6a）。在DMF中，以吡啶（Py）为碱，将6a进一步与N-氯代丁二酰亚胺（NCS）按1.0:1.2的当量比反应制备中间体苯氯肟（7a）[43]。其次，在室温（r.t.）下，在催化作用下结论24个含异噁唑啉环的丁香酚酰氧/磺酰氧衍生物（3a-q和4d,f,j-n）通过对天然丰富且可持续的生物资源丁香酚（1）进行结构修饰而设计合成。本研究系统评价了它们对三种严重农业病害——腐皮疫霉（*P. capsici*）、禾谷镰刀菌（*F. graminearum*）和胞囊线虫（*H. glycines*）的抗疫霉、抗真菌和杀线虫活性。在所评价的化合物中，（1）目标化合物4f表现出强效的……化学部分一般程序见支持信息。苯氯肟（7a）的合成首先将苯甲醛（5a）与盐酸羟胺（NH?OH·HCl）反应制备中间体苯甲醛肟（6a），再进一步与NCS反应合成苯氯肟（7a）[43]。具体合成方法可参见支持信息。含异噁唑啉环的丁香酚衍生物（2）的合成含异噁唑啉环的丁香酚衍生物（2）通过丁香酚（1）与苯氯肟（7a）之间的1,3-偶极环加成反应制备[43]、[44]。具体合成方法可……CRediT作者贡献声明魏小昂：方法论。魏汝雪：方法论。黄晓波：调查。田月娥：撰写——初稿，经费获取。周琳：撰写——审阅与编辑，调查。车志平：撰写——审阅与编辑，经费获取。利益冲突声明作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的利益冲突：车志平报告了河南科技大学提供的财务支持。车志平报告了与河南省科技规划项目（项目编号：262300421441）的关系，包括：资助金。田月娥报告了与河南高校青年教师基金计划的关系，包括：资助。致谢本工作得到河南省科技规划项目（项目编号：262300421441）和河南高校青年教师基金计划（项目编号：2023GGJS050）的资助。作者贡献设计实验：车志平、周琳、田月娥和黄晓波；合成化合物并分析数据：魏汝雪和魏小昂；撰写论文：田月娥和车志平；所有作者均批准了最终稿件。魏小昂 | 魏汝雪 | 黄晓波 | 田月娥 | 周琳 | 车志平