开发SDHI类杀菌剂的鼻祖是美国有利来路公司(历经科聚亚、爱利思达,现归UPL),1966年,该公司率先上市了该类杀菌剂中的首个产品萎锈灵；1974年,壳牌(现拜耳)上市了甲呋酰胺……目前,参与开发的公司有10余家,上市产品有20多个。

       迄今,国际杀菌剂抗性行动委员会(FRAC)共列出了24个SDHI类杀菌剂,其中包括先正达的5个产品(吡唑萘菌胺、氟唑环菌胺、苯并烯氟菌唑、氟唑菌酰羟胺、cyclobutrifluram)、拜耳的5个产品(甲呋酰胺、联苯吡菌胺、氟吡菌酰胺、氟唑菌苯胺、isoflucypram)、巴斯夫的3个产品(麦锈灵、啶酰菌胺、氟唑菌酰胺)、美国有利来路的2个产品(萎锈灵、氧化萎锈灵)、住友化学的2个产品(呋吡菌胺、inpyrfluxam)、日本农药的2个产品(氟酰胺、联苯吡嗪菌胺)、组合化学的1个产品(灭锈胺)、日产化学的1个产品(噻呋酰胺)、三井化学的1个产品(吡噻菌胺)、石原产业的1个产品(异丙噻菌胺)、意赛格的1个产品(氟茚唑菌胺,现被富美实收购)。

表1  FRAC列出的24个SDHI类杀菌剂(按上市时间排序)

       FRAC将SDHI类杀菌剂归类为C2组,并按化学结构将该类产品分成了12个小组,分别为：(1)苯基苯甲酰胺类化合物：麦锈灵、氟酰胺、灭锈胺；(2)噻吩酰胺类化合物：异丙噻菌胺；(3)吡啶乙基苯甲酰胺类化合物：氟吡菌酰胺；(4)苯基环丁基吡啶酰胺类：cyclobutrifluram；(5)呋喃酰胺类化合物：甲呋酰胺；(6)氧硫杂环己二烯酰胺类化合物：萎锈灵、氧化萎锈灵；(7)噻唑酰胺类化合物：噻呋酰胺；(8)吡唑-4-酰胺类化合物：苯并烯氟菌唑、联苯吡菌胺、氟茚唑菌胺、氟唑菌酰胺、呋吡菌胺、inpyrfluxam、吡唑萘菌胺、氟唑菌苯胺、吡噻菌胺、氟唑环菌胺；(9)N-环丙基-N-苄基-吡唑-4-酰胺类化合物：isoflucypram；(10)N-甲氧基-N-苯乙基-吡唑-4-酰胺类化合物：氟唑菌酰羟胺；(11)吡啶酰胺类化合物：啶酰菌胺；(12)吡嗪酰胺类化合物：pyraziflumid。

       不同的SDHI类杀菌剂,其杀菌谱存在差异,这与分子中杂环种类、杂环上取代基及取代位置存在关联。SDHI类杀菌剂的快速崛起,直接受益于新近研发和上市的一批性能优异的产品,这些产品大多诞生于对原有已商品化产品的结构改造和优化。

       酰胺类杀菌剂并非都是琥珀酸脱氢酶抑制剂,但目前上市的所有琥珀酸脱氢酶抑制剂都是酰胺类,″酰胺″成为琥珀酸脱氢酶抑制剂的重要特征之一。研究人员围绕官能团″酰胺″的羧酸部分、酰胺键部分、胺部分,通过变换取代基,开发了大量的化合物,从而推动SDHI类杀菌剂迭代升级,提高了生物活性,扩大了防治谱。其中,杂环和氟原子的引入贡献很大。

图1  SDHI类杀菌剂的结构通式

       从FRAC列出的SDHI类杀菌剂来看,其羧酸部分主要为氧硫杂环己二烯、吡啶、苯基、呋喃、噻吩、噻唑、吡唑、吡嗪等,它们大多为杂环,其中尤以吡唑环的引入,大大提升了产品活性。目前市场领先产品及增长较快的产品大多来自吡唑酰胺类化合物,如氟唑菌酰胺、苯并烯氟菌唑、氟唑菌酰羟胺等。最近,日本农药株式会社在羧酸部分通过引入吡嗪结构,推出性能优秀的联苯吡嗪菌胺,进一步丰富了羧酸部分的可优化内涵。

       由于氟原子具有模拟效应、电子效应、阻碍效应、渗透效应等特性,因此氟的引入,有时可使化合物的生物活性倍增。在SDHI类杀菌剂的羧酸部分大多会引入氟原子,以改善产品的稳定性、亲脂性、酸碱性、构型等。研究表明,二氟甲基取代的化合物的活性优于三氟甲基,这主要由于二氟甲基的引入,可与D_D90氨基酸残基形成氢键或形成分子内氢键,使得其与琥珀酸脱氢酶的结合自由能优于三氟甲基。

       一直以来,酰胺键部分较为保守,但近年来开发的2个产品(氟唑菌酰羟胺、isoflucypram)在其N原子上进行了取代,收到了不同凡响的效果。它们的杀菌谱更加广泛,生物活性显著提高。

       与羧酸部分类似,胺部分的结构改造也较为丰富。从已知的SDHI类杀菌剂来看,胺部分的取代包括：联苯(如啶酰菌胺、氟唑菌酰胺、联苯吡菌胺、pyraziflumid等)、稠环(吡唑萘菌胺、苯并烯氟菌唑、氟茚唑菌胺、inpyrfluxam等)、桥链(氟吡菌酰胺、异丙噻菌胺等)、苯基(氟唑环菌胺、氟唑菌苯胺、噻呋酰胺等)、其他杂环(吡噻菌胺、pyraziflumid等)。研究人员总结出胺部分结构优化主要采用的三大策略：并环策略、联苯策略、增长链长策略等。

       纵观现有的SDHI类杀菌剂,有些结构优化是具有里程碑意义的重大突破。

       (1)萎锈灵--SDHI类杀菌剂的开山之作

       最早发现具有杀菌活性的芳酰胺结构的化合物为水杨酸苯胺(salicylanilide)。此后,对担子菌及立枯丝核菌等病原菌引起的病害具有较高活性的萎锈灵诞生,由美国有利来路于1966年推向市场,它是首个靶标琥珀酸脱氢酶的杀菌剂。氧化萎锈灵则是在萎锈灵的基础上开发的,主要用于观赏植物。

       萎锈灵不仅是SDHI类杀菌剂的开山之作,而且具有良好的内吸性,它的上市开辟了杀菌剂从保护性向内吸性方向发展的新赛道。萎锈灵主要作为种子处理剂,应用于谷物、果蔬、大豆、花生、水稻等作物领域,至今已服务农业56年。2019年,萎锈灵的全球销售额为3,400万美元。

       萎锈灵是SDHI类杀菌剂可以追溯的源头,它将酰胺结构与琥珀酸脱氢酶抑制剂紧紧联系在一起。尽管萎锈灵在理化性质、生物活性等方面存在诸多局限,但它也为后续产品的研发留下了足够的提升空间。

       (2)啶酰菌胺--SDHI类杀菌剂的助推器

       SDHI类杀菌剂是典型的慢热型的产品,虽然萎锈灵1966年即已上市,但直到2009年,琥珀酸脱氢酶抑制剂才自成体系,并被FRAC单独归类。

       2003年上市的啶酰菌胺是SDHI类杀菌剂发展史上的重要里程碑,其2005年销售额即突破1.00亿美元,2014年达到峰值水平3.90亿美元,并多年蝉联SDHI类杀菌剂的榜首。2019年,啶酰菌胺的全球销售额为3.78亿美元,为SDHI类杀菌剂市场的第三大产品,在全球杀菌剂市场排名第14位。

       啶酰菌胺是第一个广谱性的SDHI类杀菌剂,几乎对所有类型的真菌病害都有效,具有优异的预防作用,并有一定的治疗效果。主要用于油菜、果蔬、谷物、葡萄、马铃薯、草坪、花生、咖啡、观赏植物等,防治由子囊菌和半知菌引起的病害,如灰霉病、白粉病、早疫病、菌核病、褐腐病、叶斑病以及由链格孢菌等引起的病害等。

       啶酰菌胺的化学结构实现了两大突破,不仅在羧酸部分引入吡啶基,同时在胺部分引入空间位阻较大的联苯基,化合物性能得以显著提升。

       巴斯夫这一开创性的研究,使SDHI类杀菌剂得到了空前的发展,高效广谱的新产品如雨后春笋般涌现,成为该类杀菌剂实现快速增长的助推器。

       在SDHI类杀菌剂中,另一吡啶酰胺结构的化合物为先正达即将上市的cyclobutrifluram。

       (3)吡唑酰胺类化合物--SDHI类杀菌剂中的最强阵容

       吡唑酰胺类化合物的功能不囿于杀菌剂,有的具有杀虫和除草活性。尤其是吡唑-5-酰胺类化合物成为目前市场开发的热门,如氯虫苯甲酰胺、溴氰虫酰胺、四氯虫酰胺等。而SDHI类杀菌剂中的吡唑酰胺则是吡唑-4-酰胺,这类化合物占据了半壁江山,成为该类杀菌剂中的最强阵容。

       1997年,住友化学率先上市了吡唑-4-酰胺结构的SDHI类杀菌剂呋吡菌胺；2009-2020年间,共有11个吡唑-4-酰胺类化合物上市,分别为：吡噻菌胺(2009)、联苯吡菌胺(2010)、吡唑萘菌胺(2010)、氟唑环菌胺(2011)、氟唑菌酰胺(2012)、氟唑菌苯胺(2012)、苯并烯氟菌唑(2013)、氟唑菌酰羟胺(2017)、氟茚唑菌胺(2020)、inpyrfluxam(2020)、isoflucypram(2020)。其中,氟唑菌酰胺、苯并烯氟菌唑现已领军市场。

       由于二氟甲基的极性和体积与羟基类似,可模仿蛋白质、酶和某些物质中的羟基而产生代谢阻碍效应,从而使化合物拥有优良的生物活性。在FRAC列出的12个吡唑-4-酰胺结构的SDHI类杀菌剂中,除呋吡菌胺、氟唑菌苯胺、吡噻菌胺外,其他9个化合物均在吡唑环的3-位上引入了二氟甲基基团。因此,吡唑-4-酰胺与3-二氟甲基的结合几乎成为这类化合物的标配,也是科研人员在长期的结构优化中达成的共识。

       (4)氟吡菌酰胺--新型桥链结构的SDHI类杀菌剂

       SDHI类杀菌剂的作用机理与抗性机理相似,FRAC将该类产品归为同一交互抗性组。但研究发现,在灰霉病菌、多主棒孢、瓜类白粉病菌等病原菌中,氟吡菌酰胺与啶酰菌胺之间并无交互抗性。更多的研究也发现,氟吡菌酰胺的抗性机理与众不同。

       氟吡菌酰胺为首个新型桥链杂环酰胺结构的SDHI类杀菌剂(stretch heterocycle amide SDHIs, SHA-SDHI),与大多数SDHI类杀菌剂不同,其胺部分的N原子不是直接与芳基相连,而是首先与含2个C原子的烃基相连,形成了一个延长的桥链。正是这一新型桥链结构的存在,使得氟吡菌酰胺突破了与琥珀酸脱氢酶固有的结合模式,导致其与萎锈灵、啶酰菌胺等普通SDHI类杀菌剂不存在交互抗性。

       这些研究结果表明,病原菌对SHA-SDHIs与普通SDHIs的抗性机理存在差异。一系列的研究证实,SDHC3为SHA-SDHIs的药剂靶标,进而从分子角度揭示了″药-靶″互作机理。

       类似氟吡菌酰胺抗性机理的还有异丙噻菌胺等,这一新的抗性机理的发现将为科研人员打开新的的创制思路。

       (5)氟唑菌酰羟胺--首次在酰胺键上实现突破

       早期的研究表明,SDHI类杀菌剂中的酰胺键较为保守。直到2017年先正达上市了氟唑菌酰羟胺,才颠覆了人们的认知。

       氟唑菌酰羟胺的酰胺键中N原子上进行了甲氧基取代后,产品性能更加优秀。先正达指出,在所有化学类型的产品中,氟唑菌酰羟胺对叶斑病、白粉病的活性最高；其对难以防治的病害,如葡萄孢菌、核盘菌、棒孢菌等病原菌引起的病害也有较好的防效；还突破性地防治谷物上由镰刀菌引起的病害,如赤霉病等。

       2020年,拜耳上市了isoflucypram,其酰胺键中N原子上进行了环丙基取代,从而赋予产品优秀的性能,为谷物病害(如叶枯病等)防治树立了新标杆。

       随着研究的深入,保守的酰胺键不再保守,羧酸部分、胺部分的结构优化将持续活跃,SDHI类杀菌剂″酰胺″基团三大部分的结构优化仍大有文章可做,甚至会再放″卫星″。