3. Ингибиторы биосинтеза хитина
Новый механизм инсектицидной активности был выявлен при реализации биорацио-нального подхода к поиску новых биологически активных соединений. При попытке объединить в одной молекуле структурные элементы двух гербицидов с разными механизмами гербицидной активности – диурона (нарушает транспорт электронов в ФС II) и дихлорбенила (блокирует биосинтез целлюлозы) – была выбрана структура 2,6‑дихлорбензоилзамещенных мочевин:
Полученное соединение не показало гербицидной активности, однако в системе агро-химического скрининга любое новое соединение проходит все возможные испытания, включая и испытания на инсектицидную активность. При этом было установлено, что такая тетрахлорзамещенная бензоилфенилмочевина нарушает развитие насекомых на личиночной стадии, препятствуя образованию полноценного панциря за счет блокиров-ки биосинтеза хитина. Активность первого полученного соединения была недостаточна для практического использования, но ее усовершенствование привело к получению коммерчески успешных инсектицидов, которые по-прежнему входят в арсенал средств для борьбы с насекомыми вредителями. Резкое увеличение активности было получено при замене 2,6-дихорфенильного остатка на 2,6-дифторфенильный. В качестве примера можно привести формулы дифторбензурона (препаративная форма димилин) и пен-флурона:
Для синтеза дифторбензойной кислоты используют реакцию обменного фторирования. В диметилсульфоксиде при температуре около 180С взаимодействие 2,6-дихлорбен-зонитрила с безводным фторидом калия приводит к образованию 2,6-дифторбензо-нитрила:
Гидролиз нитрила в кислой среде приводит к образованию 2,6-дифторбензойной кис-лоты или ее амида.
При действии на амиды кислот фосгена они снова превращаются в нитрилы, тогда как взаимодействием амидов с оксалилхлоридом (дихлорангидрид щавелевой кислоты) можно получить соответствующие ацилизоцианаты:
Реакция 2,6-дифторбензоилизоцианата с 4-хлоранилином приводит к дифторбензурону:
Возможны, конечно, и другие способы получения ацилмочевин. Эти мало токсичные соединения применяют, например, при выращивании грибов, которые поражаются ли-чинками мух и комаров. Инсектициды этой группы могут быть использованы для борь-бы с саранчой и в других областях сельского хозяйства.
Агонисты ювенильного гормона
Членистоногие отличаются от других представителей животного мира тем, что их тело заключено в жесткую оболочку – кутикулу (панцирь). Она выполняет как защитные, так и опорные функции, из-за чего ее часто называют экзоскелетом. Рост насекомого, клеща или ракообразного возможен только со сменой старого панциря на новый, более просторный. Процесс линьки контролируется несколькими гормонами. Сама линька запускается экдизоном – гормоном насекомых стероидной природы
Насекомые проходят несколько фаз развития: из яйца появляется личинка, которая растет, претерпевая несколько линек и сохраняя личиночный облик, затем она через стадию куколки превращается во взрослое насекомое – имаго. Два последних превра-щения называют метаморфозом. Насекомые без ясно выраженного метаморфоза, например тараканы, выходят из яйца похожими на взрослое насекомое, приближаясь с каждой линькой к облику имаго. У них стадии развития от выхода из яйца до превра-щения в имаго называют нимфами.
На личиночной стадии развития специальная железа выделяет гормон, который не дает насекомому после линьки пройти метаморфоз. После определенного числа линек желе-за атрофируется и существование насекомого на личиночной стадии развития прекра-щается. В соответствии с его назначением этот гормон назвали ювенильным. Оказа-лось, что в роли ювенильного гормона выступают четыре вещества, представляющие собой метиловые эфиры эпоксидированных непредельных кислот с цепью из двенад-цати атомов углерода и с метильными или этильными заместителями. Они получили цифровые обозначения, которые соответствуют порядку их обнаружения. Например, строение ЮГ III соответствует формуле:
Наблюдения за развитием насекомых в природе показали, что питание некоторыми растениями приводит личинок к превращению в карликовые формы имаго. Действую-щие начала, вызывающие такое аномальное развитие, оказались достаточно простыми по строению замещенными хроменами В организме насекомого эти вещества эпокси-дируются по двойной связи пиранового цикла в железе, отвечающей за выработку юве-нильного гормона (приведено превращение одного из таких соединений прекоцена I под действием эпоксидазы):
,
а эпоксидная группа алкилирует клеточные структуры и приводит к преждевременной гибели клеток продуцирующей ювенильные гормоны железы.
Поиски эффективных ингибиторов образования ювенильных гормонов или их анта-гонистов оказались безуспешными. В качестве примера можно привести структуры двух совершенно разных по строению соединений, которые оказались агонистами ювенильных гормонов:
На ЮГ III был реализован биорациональный подход к модификации его структуры с целью повышения эффективности за счет увеличения стабильности соответствующих аналогов в реакциях их биотрансформации.
Слабыми местами в молекуле ЮГ III (метиловый эфир 10,11-эпоксифарнезиловой кис-лоты) являются эпоксидная группа, двойные связи и сложноэфирная группа, метиль-ный остаток которой легко гидролизуется неспецифическими эстеразами:
Переход от метилового эфира к этиловому и гидрирование одной из двойных связей привели к росту эффективности всего лишь на 20%. Этиловый эфир 6,7-дигидро-10,11-эпоксифарнезиловой кислоты все еще сохраняет достаточно лабильную эпоксидную группу; отказ от нее привел к этиловому эфиру 3,7,11-триметилдодец-2-еновой кисло-ты, активность которого в 4,5 превышала активность эпоксидного соединения и в 5,2 раза превышала активность ЮГ-III:
Однако и этиловые эфиры достаточно легко гидролизуются в биологических средах, поэтому на следующем этапе оптимизации структуры был испытан соответствующий изопропиловый эфир. Он в 14 раз превосходил по активности этиловый эфир и был в 74 раза более активен, чем ЮГ III:
На следующем этапе была увеличена цепь сопряжения. Соответствующий изопропи-ловый эфир 3,7,11-триметилдодека-2,4-диеновой кислоты, получивший название гидро-прен, уже можно было использовать в качестве синтетического агониста ювенильных гормонов:
Гидропрен в 3,8 раза активнее эфира с одной олефиновой связью и в 284 раза превос-ходит по гормональной активности ЮГ-III. Однако сравнение структуры гидропрена и естественного гормона показывает, что этот ювеноид отличается от ювенильного гормона отсутствием нуклеофильной группы у концевого третичного атома углерода. Наиболее удачной заменой эпоксидной группы оказалась метоксигруппа:
Изопропиловый эфир 3,7,11-триметил-11-метоксидодека-2,4-диеновой кислоты (мето-прен) по гормональной активности превосходит гидропрен в 8,6 раза и в 2430 раз активнее, чем ЮГ-III. Один из способов получения метопрена использует в качестве исходного соединения одну из составляющих эфирных масел цитрусовых цитронел-лаль – 3,7-диметилокта-6-еналь. По двойной связи этого вещества в присутствии кислот присоединяют метанол:
Полученный диметилметоксиоктаналь вводят в реакцию кротоновой конденсации с ацетоном в присутствии гидроксида бария:
Полученный непредельный кетон реагирует с изопропиловым эфиром диэтоксифосфо-рилуксусной кислоты в присутствии трет-бутилата калия по реакции Хорнера (Виттига-Хорнера) с образованием метопрена и калиевой соли диэтилфосфорной кислоты:
Обработанные метопреном личинки насекомых не превращаются в имаго. Некоторое время они продолжают активно питаться и расти, а затем, приняв вид «суперличинок», погибают, не дав потомства.
Метопрен не содержит атомов галогенов и ароматических структурных единиц, что делает его очень привлекательным с экологической точки зрения. Одна из препара-тивных форм этого регулятора роста насекомых (название инсектицид к нему даже не подходит) с токсичностью для теплокровных 34600 мг/кг используется для защиты складов с табачной продукцией от специфических вредителей, которые не поражаются содержащимся в табаке никотином.