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农药快讯:2019年第18期
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环磺酮专利已经到期,国内除草剂市场可期

作者:华乃震 更新时间:2019-09-19 点击量:1739

导读:本文从环磺酮的市场、理化性质、作用机理、合成方式、应用特点及应用示例6方面对该除草剂进行介绍,旨在为农药研发、农药使用、农药销售提供参考!

 

环磺酮(tembotrione)(试验代号AE 0172747)是拜耳公司2007年开发的三酮类玉米田除草剂,是在磺草酮基础上加入三氟乙氧基合成的新化合物,属于4-羟苯基丙酮酸双氧化酶(4-hydroxyphenyl-pyruvate dioxygenase,简称HPPD)抑制剂,是目前最重要的除草剂作用靶标之一,环磺酮也成为最年轻的HPPD抑制剂除草剂的一员。环磺酮作为玉米田除草剂主要成分,活性要高于磺草酮硝磺草酮相较于其他品种环磺酮对多种杂草有很强的杀灭作用,无残留活性,有较强的抗雨水冲刷能力,且除草谱更广。环磺酮专利已经到期,该新型除草剂在国内即将登场。

 

玉米是我国三大主粮之一,但受杂草危害较重,对除草剂需求大。HPPD抑制类除草剂因具有活性高、残留低、对哺乳动物安全和对环境友好等特点成为玉米除草剂市场上炙手可热的产品。其中硝磺草酮是中国乃至全球耳熟能详的优秀玉米田除草剂。它在玉米田阔叶杂草、恶性杂草及抗性杂草防除方面发挥了重要作用为业界树立了新标杆。

 

目前开发的三酮结构HPPD抑制类除草剂,除了后起之秀环磺酮之外,还有硝磺草酮、磺草酮、双环磺草酮等,那么三酮类除草剂的后起之秀——环磺酮与硝磺草酮相比有哪些优势?一般而言,环磺酮的活性要高于硝磺草酮相较于其他品种,环磺酮对多种杂草有很强的杀灭作用,无残留活性,有较强的抗雨水冲刷能力,且除草谱更广。

 

1  环磺酮的市场

2007年环磺酮由拜耳公司首先在奥地利登记和上市,商品名Laudis®44 g/L环磺酮22 g/L双苯噁唑酸),奥地利是此活性成分参与欧盟登记过程中的项目调查成员国之一。产品中加入安全剂双苯噁唑酸(isoxadifen)后可以保护玉米免受紫外线伤害,它的单位用药量为2.25 L/hm2,用于防除玉米田禾本科杂草和阔叶杂草。2008年4月9日巴西制定有关环磺酮的决议草案,将环磺酮(叶用)用于玉米培植纳入该决议(最大残留限量0.01 mg/kg,安全期98 d),批准和生效期为2008年5月。同年环磺酮在美国和匈牙利获得登记,后在比利时、法国、德国、荷兰、塞尔维亚、墨西哥、巴西等国家获得登记或上市。2010年环磺酮与噻酮磺隆复配剂在美国以Capreno®商品名获得登记,至2013年环磺酮已在全球26个国家获得登记,2013年拜耳公司的环磺酮的销售额达到2.1亿美元。

 

欧盟食品安全局EFSA)专家组2013年3月15日曾对环磺酮tembotrione进行了毒理学评估、残留物评估、环境暴露评估、生态毒理学评估以及其代谢物所带来的地下水暴露风险评估,最终认为环磺酮作为除草剂用于玉米与甜玉米的相关数据完整,风险较低。因此,在2014年环磺酮作为新的农药有效成分获得欧盟委员会批准。

 

环磺酮对多种杂草有很强的杀灭作用、无残留活性、有较强的抗雨水冲刷能力,用于玉米田除草具有广泛的除草谱。它可以在作物的整个生长期内均保持良好的除草活性,对阔叶杂草也能进行较好的防控,而且不会对大豆等下一茬作物造成危害;通常可用于玉米田和大豆田,芽后处理防除禾本科杂草。

 

环磺酮自2007年上市以来,受到用户的青睐,销售额一路攀升。2009年全球销售额小于0.3亿美元,但2010年销售额快速升到0.95亿美元,2011年上升到1.20亿美元,2012年又增至1.85亿美元,从2007年到2012年平均销售额增长率达184.1%。2013年环磺酮就进入2亿美元的行列,达到2.10亿美元;2014年销售额增至历史新高2.40亿美元2009—2014年的年复合增长率达51.6%,增幅是如此惊人,远远高于其他所有HPPD抑制剂类除草剂,也是拜耳公司最为畅销的产品之一。2015年受全球气候影响,其销售额略有下降,为2.30亿美元;2016年销售额继续下降至2.10亿美元。在环磺酮的市场销售中,以拉丁美洲市场最为重要,2016年销售额为0.97亿美元,其次为欧洲和北美自由贸易区,销售额分别为0.46亿美元和0.26亿美元;其中在巴西销售额最高为0.96亿美元,而美国销售额居第二为0.22亿美元。环磺酮除草剂目前仍是拜耳公司最为畅销的产品,未来几年环磺酮将继续成为全球市场上最值得关注的重要品种之一。

 

2  环磺酮理化性质和剂型

环磺酮结构式

 

环磺酮原药外观为米黄色粉末,无特殊气味,纯品为固体或粉末,熔点123℃,分解温度约为150℃,相对密度(d201.56 g/mL。水中溶解度(20℃):0.22 g/LpH 4)28.30 g/LpH 7)29.69 g/LpH 9)。有机溶剂中溶解度(20℃):乙醇8.2 mg/L、正己烷47.6 mg/L甲苯75.7 mg/L二氯甲烷>600 mg/L丙酮300600 mg/L乙酸乙酯180.2 mg/L二甲基亚砜>600 mg/L。

 

毒性:大鼠经口毒性LD502 000 mg/kg;大鼠经皮毒性LD502 000 mg/kg;大鼠急性吸入毒性LC505.03 mg/L;对家兔眼睛有中等刺激作用,对家兔皮肤无刺激性,对豚鼠皮肤有轻微过敏现象。

 

环境毒性:鸟类急性经口毒性:山齿鹑LD502 250 mg/kg;鸟类短期饲喂毒性:山齿鹑LC501 788 mg/kg bw/day;鱼类急性毒性:虹鳟鱼96 h LC50100 mg/L;藻类急性毒性:月羊藻EbC5096 h)0.75 mg/L;蜜蜂急性经口毒性:蜜蜂LD5072 h)>92.8 μg/只;蜜蜂急性接触毒性:蜜蜂>100 μg/只;蚯蚓急性毒性:LC5014 d)蚯蚓>1 000 mg/kg干土。

 

环磺酮是一种多晶型原药,据世界专利WO 08110621A报道,存在3种晶型,即晶型A、晶型B、晶型C,使用晶型原药加工环磺酮悬浮剂(SC)或OD剂型克服了用非晶型环磺酮的缺点。可是安徽久易农业股份有限公司和德国汉姆公司通过合适的方法获得了一种环磺酮以前未知的稳定的全新晶型D,并于2018年12月18日公开了发明环磺酮的新晶型专利(公开/公告号:CN 109020850A)。存在晶型D的环磺酮,相对于其他几种晶型的环磺酮,具有熔点更高、化学稳定性更好、溶出速度慢、溶解度小的优势,晶型D是适合环磺酮产品长期保存最好的晶型结构。

 

环磺酮主要加工剂型:乳油EC、可溶液剂(SL)、悬浮剂和可分散油悬浮剂;环磺酮登记的主要商品名Laudis®Soberan®Auxo®Hydri®

 

环磺酮不仅以单剂产品出售,还有许多复配产品也发挥了很大的作用,尤其是安全剂双苯噁唑酸的使用不仅提高了该产品对作物的安全性,同时也拓宽了用药适期;而其他农药有效成分的加入,既扩大了该产品的防治谱,也降低了环磺酮的用量。

 

从全球范围来看,安全剂双苯噁唑酸(isoxadifen)主要由拜耳和杜邦两家公司推广使用。与环磺酮配伍产品的农药有效成分包括烟嘧磺隆、砜嘧磺隆、精噁唑禾草灵、硝磺草酮、甲酰氨基嘧磺隆等。其中拜耳公司开发的环磺酮与不同含量安全剂双苯噁唑酸组成的单剂和复配产品,Laudis®可分散油悬浮剂(44 g/L环磺酮22 g/L双苯噁唑酸)、Soberan®悬浮剂(420 g/L环磺酮210 g/L双苯恶唑酸)、Auxo®Hydris®50 g/L环磺酮262 g/L溴苯腈(bromoxynil25 g/L双苯噁唑酸)乳油等,推广作物为玉米。

 

此外,环磺酮还可与莠去津、特丁津、噻酮磺隆等产品混配,如环磺酮与特丁津混配的产品(1.7 L/hm2 环磺酮0.8 L/hm2特丁津)和在加拿大上市的环磺酮与噻酮磺隆复配剂型产品Vios G3®350 g/L环磺酮70 g/L噻酮磺隆)产品等。

 

拜耳公司在美国登记的环磺酮原药含量为96.2%。拜耳公司在美国登记的环磺酮的剂型产品有Laudis®34.5%环磺酮SL)用于玉米田防治马唐狗尾草等禾本科杂草,苋菜芥菜牵牛花等阔叶杂草;CAPRENO HERBICIDE®28.3%环磺酮5.6%噻酮磺隆EC)用于玉米田(7叶以下的饲料玉米青贮玉米和白玉米)防治马唐狗尾草等禾本科杂草,苋菜芥菜牵牛花等阔叶杂草;DIFLEXX DUO®2.83%环磺酮19.73%麦草畏钠盐)用于玉米田防治稗草牛舌草苜蓿龙葵加拿大蓟加拿大一枝花等杂草。

 

拜耳公司在加拿大登记的环磺酮原药含量为97.8%,登记的剂型产品有VIOS G3®SC547 HERBICIDE®345 g/L环磺酮68 g/L噻酮磺隆SC)用于玉米田(1~6叶期)防治一年生禾本科杂草及阔叶杂草,用药量110 mL/hm2Laudis® 42 g/L环磺酮SC用于玉米(大田玉米2~5叶期)防治一年生禾本科杂草及阔叶杂草,用药量220 mL/hm2

 

拜耳公司在法国登记的环磺酮的剂型产品有Laudis®44 g/L环磺酮+22 g/L双苯噁唑酸OD)用于防治玉米田杂草,用药量2.25 L/hm2Laudis®水分散粒剂(WG)(20%环磺酮)用于防治玉米田杂草,用药量0.5 kg/hm2AUXO®262 g/L溴苯腈(辛酸酯)50 g/L环磺酮EC)用于防治玉米田杂草,用药量1.5 L/hm2

 

目前国内尚无环磺酮原药和剂型产品登记,但环磺酮的欧洲专利EP 1117639、世界专利WO 0021924、中国专利CN 1269800C都已于2019年9月9日到期,美国专利US 6376429到期日为2019年10月7日。目前国内企业仍处于环磺酮登记过程中,有一些企业正开展环磺酮原药合成和剂型产品研制,如5%环磺酮可分散油悬浮剂和29%环磺酮·烟嘧磺隆·莠去津可分散油悬浮剂等产品。

 

3  环磺酮的作用机理

环磺酮的除草活性是通过4-羟苯基丙酮酸双氧化酶(HPPD)抑制剂表现出来的。4-羟苯基丙酮酸双氧化酶(HPPD)广泛存在于各种有机体内,它在许多化合物的生物合成中起着非常重要的作用,并参与植物中质体醌和生育酚的生物合成,同时也参与了大多数生物体中苯丙氨酸的分解代谢。在有氧条件下,HPPD催化对-羟苯基丙酮酸(HPPA)转化为尿黑酸(HGA),这个过程包括氧化脱羧芳环羟基化以及羧甲基的1,2位迁移。尿黑酸的生物合成过程被抑制,导致质体醌和生育酚的生物合成受阻。在高等植物中,生育酚可能是细胞膜的抗氧化剂,是细胞膜的结构组成成分之一;质体醌是光合作用中电子传递的载体,同时质体醌还是八氢番茄红素去饱和酶的关键辅助因子,质体醌的减少使八氢番茄红素去饱和酶的摧毁作用受阻,从而影响类胡萝卜素生物合成,使植物最终出现白化症状而逐渐死亡。HPPD可将氨基酸酪氨酸转化为质体醌,当HPPD受到抑制时,会造成植物分生组织中酪氨酸积累和质体醌的衰竭,3~5 d内植物分生组织会出现黄化症状,随之引起枯班;1~2周后遍及整株,植物白化而逐渐死亡。

 

环磺酮除草剂是在磺草酮结构上加入三氟乙氧基的新品种,由于多个氟原子的介入,增加了该化合物的疏水性(或亲脂性)、膜的渗透性、抗代谢稳定性、挥发性、热稳定性和化学稳定性,从而导致其活性高于磺草酮和硝磺草酮,对作物安全。此外,环磺酮的除草活性不仅表现在有机体内部,还表现在其外部性质上,即环磺酮在杂草防除中还具有良好的吸收输送和代谢稳定性(特别是杂草)。

 

 

4  环磺酮的合成

目前合成环磺酮和中间体的文献和专利并不多,为了满足工业化的需求,一般选用较为廉价易得的工业原料。以下举出2例,采用3-氯-2-二甲基苯胺为起始原料,来合成目标产物环磺酮

 

1)余玉等探索出一条适合工业化生产环磺酮的工艺路线:以3-氯-2-二甲基苯胺和甲硫醇为起始原料,在亚硝酸钠的作用下,得到2-氯-6-甲基甲苯(小试产物为淡黄色固体,收率79%,文献值收率85%),然后与乙酰氯发生酰化反应,再经过氧化氢氧化反应后,与次氯酸钠发生卤仿反应,得到2-氯-3-甲基-4-甲磺酰基苯甲酸(小试产物为白色固体,收率93%,文献值收率88%);最后经过酯化和溴化反应得到2-氯-3-溴甲基-4-甲磺酰基苯甲酸甲酯(小试产物为白色固体,收率81.3%,文献值收率84%),再与三氟乙醇发生取代反应,水解得到最终产物2-氯-3-(2,2,2-三氟乙氧基)甲基4-甲磺酰基苯甲酸(小试产物为黄色固体,收率83.2%),在丙酮氰醇的催化下,2-氯-3-(2,2,2-三氟乙氧基)甲基4-甲磺酰基苯甲酸与1,3-环己二酮反应得到目的产物环磺酮(小试产物为黄色固体,收率80%)。经过H NMR光谱鉴定,产物结构与环磺酮结构一致。该工艺路线简单,反应条件温和,总收率相对较高,三废少,较经济,适合工业化生产。

 

2)左静等也以3-氯-2-二甲基苯胺为起始原料,首先与亚硝酸钠反应,制得重氮盐产物与二甲基二硫醚反应得到3-氯-2-甲基甲硫醚(中间体Ⅰ)(小试产物质量分数99.4%,收率92.3%)。中间体Ⅰ与乙酰氯经傅克反应,制得2-氯-3-甲基-4-甲硫基苯乙酮(小试产物收率87.6%),再与双氧水及次氯酸钠溶液反应,得到2-氯-3-甲基-4-甲磺酰基苯甲酸(小试产物收率96%),再经酯化反应制得2-氯-3-甲基-4-甲磺酰基苯甲酸甲酯(中间体Ⅱ)(小试产物质量分数97.8%,收率94%)。中间体Ⅱ进行侧链溴化转化为溴甲基衍生物后,再与三氟乙醇钠进行取代反应,制得[2-氯-4-甲磺酰基-3-(2,2,2-三氟乙氧基)甲基]苯甲酸甲酯(中间体Ⅲ)(小试产物质量分数96.4%,收率95.6%)。之后,中间体Ⅲ经水解酰氯化转化为相应的苯甲酰氯,再与1,3-缓急二酮反应制得烯醇酯,最后在丙酮氰醇存在的条件下进行重排反应制得目标产物环磺酮(小试产物质量分数95.3%,收率96.1%)。通过此路线制备环磺酮,原料易得,操作简便,反应成本低,反应收率高,工业三废少,适合工业化生产。

 

5  环磺酮的特点

环磺酮除草剂是在磺草酮上加入三氟乙氧基研发的三酮类新品种,从而导致其活性高于硝磺草酮,对作物安全。其特点为:

 

1)防治杂草谱广和活性高。环磺酮用于玉米田和稻谷田中禾本科杂草、阔叶杂草、恶性杂草及抗性杂草的防除,环磺酮与硝磺草酮相比有更广的防治杂草范围,且有非常高的除草活性。在欧洲用Laudis®44 g/L环磺酮22 g/L双苯噁唑酸)可分散油悬浮剂(OD的使用剂量为100 g/hm2的田间试验确定杀草谱。

 

从田间试验确定的杀草谱和除草效果中(表1)可见,对18种防除杂草有100%的防效、对41种防除杂草有95%的防效、对56种防除杂草有90%的防效、对94种防除杂草有75%的防效。

 

1  Laudis® OD的使用剂量为100 g/hm2的田间试验确定的杀草谱和除草效果

 

环磺酮对交叉谱杂草进行防除,主要是一年生狗尾草属(能提高其防效)和野藜属杂草;对蓟属、旋花属、婆婆纳属、辣子草属、尊麻属、春黄菊和猪殃殃等多种杂草均有很强的杀灭作用,还能杀灭对草甘膦、麦草畏及ALS抑制剂类除草剂产生抗性的杂草。

 

2)环磺酮的复配产品可以增加防治效果。如环磺酮主要靶标为芽后中期和晚期杂草,而噻酮磺隆主要靶标为芽后早期禾本科杂草,两者复配产品对玉米田各生育期杂草防治均有效。

 

3)用药量低,除草适期长。环磺酮使用有效用药量低,通常6~8克/亩,除草适期也长,在玉米出苗后至8叶之前时间内施药便可取得较好效果。与硝磺草酮(虽然在杂草防治效果方面表现好,但用药时间必须早)相比,环磺酮在用药时间上的限制大为降低,在必要情况下,也可在14 d后可用同样药量进行第二次施药。

 

4)性能优越。环磺酮产品在助剂作用下,迅速渗透,并在木质部和韧皮部快速分布。有较强的耐雨水冲刷能力,该能力要显著优于硝磺草酮和苯唑草酮药剂,这可能与环磺酮结构中含有多个氟原子有关;且可以在作物整个生长期均保持良好的除草活性,而不会对下茬作物造成伤害。

 

5)对后茬作物种植的安全性也很好。使用环磺酮后,对于下茬种植普通玉米、甜玉米和爆裂玉米时,可以立即种植。对于秋季下茬种植谷物(除玉米和高粱外)、甘蔗需要超过4个月是安全的;对春季种植大豆需要超过4个月是安全的;而对于播种葫芦、向日葵等所有其他作物,如播种豌豆、棉花、土豆、油菜、苜蓿、番茄、甜菜需要超过10个月是安全的。如短于上述所有作物安全间隔期,则有可能对下茬作物会出现伤害。

 

6  环磺酮应用示例

1)用5%环磺酮可分散油悬浮剂(江苏某厂提供)开展防治春玉米田杂草试验,目的是确认其除草效果。供试作物为春玉米,品种为东农250,试验地点为哈尔滨市东北农业大学实验实习基地。试验地上年种植大豆,上茬使用除草剂为乙草胺、烯草酮,未使用残留除草剂。试验结果表明,5%环磺酮可分散油悬浮剂施药量分别为60 g a.i./hm275 g a.i./hm290 g a.i./hm2150 g a.i./hm2,对一年生杂草均有较好的防治效果。综合药效、安全性和成本,推荐使用剂型施药量为75~90 g a.i./hm25%环磺酮可分散油悬浮剂施药量为75~90 g a.i./hm2。施药后30 d对一年生杂草的株防效为88.25%~91.80%,对杂草的鲜重防效为88.49%~92.42%。在施药后15 d,调查5%环磺酮可分散油悬浮剂药剂对玉米的安全性,在低、中、高及安全剂量处理的处理小区内无药害产生,测产结果表明对产量无影响。

 

2)李琦等用29%环磺酮·烟嘧磺隆·莠去津可分散油悬浮剂(河南锦绣之星作物保护公司提供)对玉米田一年生杂草进行了防效试验及对玉米的安全性试验。试验在2017年天津市农业科学院现代农业科技创新示范基地进行,玉米田一年生杂草主要为马唐、牛筋草、马齿苋、反枝苋。试验结果表明,施药后30 d 29%环磺酮·烟嘧磺隆·莠去津OD,施药用量为261 g a.i./hm2304.5 g a.i./hm2348 g a.i./hm2609 g a.i./hm2下对玉米田一年生杂草的株防效分别为88.0%、90.8%、94.4%、97.2%;优于对照药剂40%烟嘧磺隆OD(用药量60 g a.i./hm2)、38%莠去津SC(用药量1 140 g a.i./hm2)、5%环磺酮OD(用药量90 g a.i./hm2)的防效86.0%、84.8%、81.3%。

 

施药后30 d 29%环磺酮·烟嘧磺隆·莠去津OD,施药用量为261 g a.i./hm2304.5 g a.i./hm2348 g a.i./hm2609 g a.i./hm2下对玉米田一年生杂草的鲜重防效分别为88.64%、91.60%、95.26%、97.95%;优于对照药剂40%烟嘧磺隆OD(用药量60 g a.i./hm2)、38%莠去津SC(用药量1 140 g a.i./hm2)、5%环磺酮OD(用药量90 g a.i./hm2)的防效89.67%、85.90%、85.36%。药剂施药后30 d,各处理对杂草鲜重影响的结果显示:鲜重防效要高于同期株防效,表明药剂对新增杂草也具有很好的防效,有良好的持效性。该药剂的防效随其施药量的增加而提高,其最低使用剂量对杂草鲜重防效都达到88.64%,而最高使用剂量对杂草鲜重防效达到97.95%。该药剂在4个不同施药量下对玉米的增产率分别为9.37%、10.17%、11.12%、12.09%;除药剂最低施药量外,都优于对照药剂40%烟嘧磺隆OD(用药量60 g a.i./hm2)、38%莠去津SC(用药量1 140 g a.i./hm2)、5%环磺酮OD(用药量90 g a.i./hm2)对玉米的增产率分别为9.66%、8.46%、7.49%。

 

29%环磺酮·烟嘧磺隆·莠去津可分散油悬浮剂于玉米田苗后、杂草2~4叶期进行茎叶喷雾处理,施药后7 d、14 d观察各处理的玉米叶色、株高与空白对照一样,未发现畸形、黄花、死苗等药害症状。

 

7  结语

环磺酮属于三酮类除草剂,也是最年轻的HPPD抑制剂除草剂的成员之一,通常可用于玉米田和大豆田,芽后处理防除禾本科杂草。环磺酮用于玉米田除草具有广泛的除草谱,它可以在作物的整个生长期内均保持良好的除草活性,对阔叶杂草也能进行较好的防控。

 

环磺酮作为防治玉米田除草剂的主要品种之一,其活性要高于磺草酮硝磺草酮相较于其他除草剂品种环磺酮对多种杂草有很强的杀灭作用,无残留活性,有较强的抗雨水冲刷能力,对后茬作物种植的安全性也很好。拜耳公司为了延缓其抗性产生,将其与多个品种复配,这些复配产品已在欧洲拉丁美洲美国等多个国家和地区上市,大获成功。

 

环磺酮自上市以来,一直受到用户的青睐,销售额一路攀升。2014年全球销售额增至历史新高2.40亿美元2009—2014年的年复合增长率达51.6%,增幅是如此惊人,远远高于其他所有HPPD抑制剂类除草剂,也是拜耳公司的最为畅销的产品之一。目前其全球销售额虽有所下降,但仍是超过2亿美元的产品。环磺酮的中国专利已于2019年9月9日到期,也为国内企业打开环磺酮农药和剂型产品登记的大门,期待已久的环磺酮即将登场。环磺酮性能优异,市场容量巨大,未来将成为硝磺草酮除草剂有利竞争者,并将大展宏图。


来源:华乃震. 农药快讯, 2019, (19)


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