Recent Progress on STructural Modification of Avermectins Li Youshun, Liang Xiaomei, Wang Daoquan** Abstract This paper reviews recent progress on structural modification of avermectins, including the modifications of hydroxy gruops, spiroketal region, aglycon and hexahydrobenzofuran unit. Key words avermectins, structureal modification 摘要 综述了近几年来阿维菌素结构改造的新进展，包括羟基的改造、螺缩酮的改造、配基（内酯环）的改造和六氢苯并呋喃环的改造。 关键词 阿维菌素 结构改造 阿维菌素结构改造的新进展 李友顺# 梁晓梅 王道全** （#中国农业大学应用化学系 农药化学及农药使用技术农业部重点开放实验室 北京 100094） 阿维菌素（avermectins）[1] 是一组由链霉菌Streptomyces avermitis 产生的十六员环内酯衍生物，对家畜，如羊、牛、狗、马、猪等的肠内寄生虫具有极其有效的驱虫活性，并具有作用机制独特、有效剂量低、安全性高等特点。阿维菌素还在农业上用作杀螨剂和杀虫剂。用作医药的研究正在进行中。 从结构上看，阿维菌素是一组由十六员环内酯与一个二糖（齐墩果糖）所生成的苷（图1），在十六员环内酯周围还有一个含两个六员环的螺缩酮系及六氢苯并呋喃环系。根据C5和C25上取代基的不同以及C22-C23结构上的差别区分为8个组分，分别用A，B；1，2；及其a，b的组合来命名。当描述a和b的混合物时，仅用前两个符号，如阿维菌素 B1意指B1a和B1b的混合物，而代号B1a和B1b指的是单一化合物。 生物活性评价表明，全部8个天然阿维菌素都是有效的驱除家畜肠内寄生虫药剂，但是药效有一定差异。作为农用药剂，杀螨效果高于杀虫效果。其中B1对农业害虫和螨类最为有效，已被商品化，名为abamectin。 由于阿维菌素显示出广谱、高效的活性以及在环境中易于降解的特性而吸引了许多化学公司投入力量进行研究；结构的复杂性又使众多合成工作者接受合成的挑战。为进一步提高活性、降低毒性和改变其活性谱，在阿维菌素的结构改造方面进行了广泛的研究，如碳-碳双键的改造（如依维菌素（ivermectin）的开发成功），羟基的改造（如甲氨基阿维菌素的合成开发），侧链的改造，糖基的水解与改造，手性碳构型的翻转等。本文重点综述近几年来阿维菌素结构改造的新进展，此前的结构改造工作参见文献[1]。 1 羟基的改造 阿维菌素分子中有2～4个羟基，因此在结构改造中占有重要的地位，反应的类型主要有烷基化、酰化、磷酰化和氧化[1]。 在对羟基的改造过程中，4″-氨基阿维菌素的发现带来了重大突破[2] 。两个差向异构的4″-脱氧-4″-氨基阿维菌素B1与4″-脱氧-4″-表氨基阿维菌素B1具有相似的生物活性。该系列中最具活性的衍生物是4″-脱氧-4″-表甲氨基阿维菌素B1（1a，R=-NHCH3），其一般合成步骤为：首先将阿维菌素B1的C5_OH保护起来，然后将C4〞OH氧化为羰基，再经还原甲氨化，在C4〞上引入甲氨基，最后除去C5上的保护基。由于在还原甲氨化的过程中，C4〞的构型大部分发生了翻转（C4〞由R-构型翻转为S-构型），因而称之为4″-脱氧-4″-表甲氨基阿维菌素B1。我们用类似的方法合成得到了甲氨基阿维菌素B1，田间试验表明，0.5％甲氨基阿维菌素B1乳油在0.1~0.2克（有效成分）/亩的剂量下对蔬菜地小菜蛾有优良的防效。而4″-表乙酰氨基阿维菌素B1（1b，R=-NHCOCH3）则是另一个发现具有潜在的、广泛杀寄生虫活性的化合物[3]。
| R1 |  | R2
阿维菌素 A1a | Me |  |
阿维菌素 A1b | Me |  |
阿维菌素 A2a | Me |  |
阿维菌素 A2b | Me |  |
阿维菌素 B1a | H |  |
阿维菌素 B1b | H |  |
阿维菌素 B2a | H |  |
阿维菌素 B2b | H |  |
图1 阿维菌素的结构
Fisher等[4]将甲氨基阿维菌素B1用MnO2氧化，然后用HONH2·HCl处理得到5-肟基甲氨基阿维菌素B1；Banks等[5]用类似的方法合成得到了5-肟基-22，23-二氢-23-甲氧基-25-环己基阿维菌素B1。Cvetovich等[6]将4″-表乙酰氨基阿维菌素B1a用DMSO/PhOPOCl2/ Et3N/ i-PrOAc氧化，然后用HONH2·HCl处理得到5-肟基4″-表乙酰氨基阿维菌素B1。它们都具有一定的驱虫活性。 Meinke等[7][8] 以阿维菌素B1a为原料，通过保护[叔丁基二甲基氯硅烷（TBDMSCl），保护C5-OH]，磺酰化（三氟甲磺酸酐），然后再用不同的含硫亲核试剂与之反应，得到了一系列4″-脱氧-4″-硫代阿维菌素衍生物（2），它们显示出一定的驱虫、杀螨活性。
1（1a， 1b） | 2
Meinke等[9]对4'（阿维菌素水解脱去一个糖基后的单糖苷）、4＂、13（阿维菌素水解脱去二个糖基后余下的配基）和23位羟基的氟化进行了研究，合成得到了4'、4＂、13或23偕二氟阿维菌素衍生物。其一般合成步骤是首先将4'、4＂、13或23位羟基用二甲基亚砜（DMSO）氧化得到酮（若需选择性氧化，则需选择性保护其余二级羟基，保护剂一般有叔丁基二甲基氯硅烷、叔丁基二苯基氯硅烷等），然后用氟化剂（如二乙氨基三氟化硫、四氟化硫、六氟化钼等）直接氟化，最后去保护，得到相应的偕二氟阿维菌素衍生物。这些化合物具有一定的杀寄生虫活性。 2 螺缩酮的改造 Merck公司的Shih等[10]首先进行了改造螺缩酮的工作，认为对螺缩酮的改造能很好地保留其生物活性，从而促进了合成工作者对螺缩酮改造的兴趣和研究。 对螺缩酮的改造，一般程序是首先将螺缩酮环打开，合成中间体醛，然后利用Wittig反应形成顺式链烯，最后在碱催化条件下关环得到新的螺缩酮环（改变了环上取代基）衍生物[10] [11]（图2）。
图2 C24，C25取代衍生物的一般合成步骤
Shih等[11]用此种方法合成了一系列C24和C25取代的衍生物。采用不同的Wittig试剂，则能得到一系列C24和C25取代的衍生物（表1）。
表1 C24和C25取代衍生物
序号 | Wittig 试 剂 | 化 合 物
1 | Ph3P=CHCH2CH2OSi(Me2)(t-Bu) | R24=H， R25=H
2 | (R or S)-Ph3P=CHCH(Me)CH2OSiMe3 | R24=Me，R25=H
3 | (S)-Ph3P=CHCH2CHPh(OSiMe3) | R24=H， R25=Ph
4 | (R，S)-Ph3P= CHCH2CH(OSiMe3)C6H11 | R24=H， R25=cyclohexyl
5 | (R，S)-Ph3P= CHCH2CH(OSiMe3)C5H9 | R24=H， R25=cyclopentyl
6 | (R or S)-Ph3P= CHCH2CH(OSiMe3)Me | R24=H， R25=Me
7 | Ph3P=CHCH(Et)CH(OSiMe3)(sec-Bu) | R24=Et， R25=sec-Bu
8 | Ph3P=CHCH(Me)CH(OSiMe3)(sec-Bu) | R24=Me，R25=sec-Bu
Meinke [12]等用类似的合成方法，合成了一系列25-去甲-6,5-螺缩酮改造了的衍生物（12）。同样，在合成过程中，Wittig试剂不同，可得不同的C24取代化合物。据称，这些化合物保留或超过了母体的生物活性，但未给出具体数据。 Meinke等[13]在随后的研究工作中，又合成出了一系列23-去甲-23-硫代（13）和23-去甲-23-氧代衍生物（14）。他们也是从中间体醛（图2，9）开始，经过还原、磺酰化、硫醇（醇）亲核取代，碱性条件下关环，得到了这类衍生物。
25-去甲衍生物（12） | 23-去甲-23-硫代衍生物（13） | 23-去甲-23-氧代衍生物（14）
Shih和Newbold等[14] [15][16]还对22，23-二氢阿维菌素B2a的23，24-环氧化物的反应性进行了研究。他们对4″,5-保护了的阿维菌素B2a在20℃下的二氯甲烷溶液中用二乙氨基三氟化硫（diethylaminosulfur trifluofide，DAST）处理，得到23，24-链烯化合物，然后用间氯过苯甲酸（MCPBA）选择性氧化得到23，24-α-环氧化产物（主产物）。低温下，该环氧化产物与过量的二乙基氰基铝（Et2AlCN）反应，再去保护就得到23-羟基-24-氰基化合物（15）；用二烷基烷硫基铝（dialkylaluminum mercaptides）与该环氧化物反应再去保护则得到一系列23-取代硫衍生物（16）或24-取代硫衍生物（17），从对卤蚤（Brine Shrimp）的IC100来看（表2），氰基取代衍生物活性超过母体，而硫取代衍生物大部分都不如母体。
23-羟基-24-氰基化合物（15） | 23-取代硫衍生物（16） | 24-取代硫衍生物（17）
表2 阿维菌素B2a衍生物的生物活性
R | 卤蚤 IC100（ng/mL） | R | 卤蚤 IC100（ng/mL）
C24 | C23 | C24 | C23
NC- | 220 |  |  | 870 | 870
| 870 | 1300 |  | 10415 | 3470
| 6930 | 3470 |  | 870 | 1730
| 870 | 1730 |  | 430 | 1300
注：1. C23和C24表示取代基在C23位（参看结构式16）或C24位（参看结构式15或17）； 2. 阿维菌素B1a的IC100为430ng/mL。
3 配基（内酯环）的改造 阿维菌素分子的结构是由一个二糖与大环内酯形成的苷，而与其结构相似但无糖基的天然产物是milbemycins，后者也同样具有驱虫活性。阿维菌素水解除去糖基后余下的配基（内酯环）在结构上与milbemycins的主要不同点是C13上有一羟基，这既可研究它的异同，又为结构改造提供了新天地。 Jones等[17][18]对配基C13位羟基构型的翻转作了研究。从5-O-（叔丁基二甲基硅基）-22，23-二氢阿维菌素B1配基开始，通过三步反应，即磺酰化（Ts2O/Et(i-Pr2)N/2，6-二甲基吡啶（DMAP）），酯化(n-Bu4NNO3)，水解（Zn/HOAc）得到13-表-22，23-二氢阿维菌素B1（总收率50％）。Senanayake等[19]对此作了改进。考虑到对甲苯磺酰基的稳定性及试剂的价格，Senanayake等用更稳定的甲磺酰氯（MsCl）代替对甲苯磺酸酐，也通过三步反应，即酰化（MsCl/DMAP/DIEA/CH2Cl2），酯化（CsCOOH·HOOCEt/18-C-6/PhCH3）和水解（（i-PrO）4Ti /HOAc），得到13-表-22，23-二氢阿维菌素 B1配基（总收率67％）。Cvetovich等 [20]在此基础上高收率地合成了13-O-[（2-甲氧乙氧）甲基]-22，23-二氢阿维菌素 B1配基和13-表-O-[（2-甲氧乙氧）甲基]-22，23-二氢阿维菌素 B1配基，这两种化合物都具有一定的杀虫活性，可用来控制狗身体上的蚤感染。类似的化合物还有：13-O-甲硫基甲基阿维菌素 B1配基[21]，13-表-O-甲氧甲基-22，23-二氢阿维菌素 B1配基[22]。它们也都显示了一定的活性。Sato [23] 和Yanai [24] 等合成了一系列13-酯基阿维菌素配基衍生物（18）。当R1＝Et，R2＝Ph，A＝Ph，W＝O时，1 ppm的浓度能使小菜蛾（Plutella xylostella konage）幼虫100％致死；当R1＝sec-Bu，R2＝Ph，A-W＝2-嘧啶硫基时，10 ppm的浓度能使小菜蛾幼虫100％致死。
13-酯基阿维菌素配基衍生物（18） | 19
Hanessian等[25]仔细研究了阿维菌素B1a 1H NMR及X-单晶衍射数据，发现内酯环实际上是被紧密地包裹起来，构象几乎没有可变性。研究也发现内酯环构象的破坏将导致驱虫活性的大幅降低。Hanessian等用半合成的方法合成了具有共轭三烯十八员内酯环衍生物（19），该化合物在构象上有很大的自由性，生物活性几乎完全丧失。 4 六氢苯并呋喃环的改造 六氢苯并呋喃环是整个分子中最为敏感的部位之一，由于△3，4双键的存在，C2很易发生差向异构化；在碱性条件下，△3，4双键能发生迁移生成△2，3双键，甚至导致内酯环的破坏。C2差向异构化产物及△2，3双键化合物均丧失了生物活性。Fraser-Reid [26]合成了具有下列结构的阿维菌素B1a衍生物（20），此类结构的化合物降低了C2差向异构化的可能性，从而避免了固有构象的破坏。生测结果表明，在0.1mg/kg剂量下，该化合物对某些寄生虫如捻转血矛线虫（Harmonchus contortus）活性与阿维菌素B1a相当；而对某些寄生虫如胃线虫（Ostertagia Circumcita）则活性明显降低。 Jones等[27]也对六氢苯并呋喃环C4位甲基进行了改造，合成了4a, 4″-二取代的阿维菌素衍生物（21）。生测结果表明，这类化合物对白鼠毒性降低，当R为-CH2OCH2CH2OCH3 时保留其对寄生虫的活性，且对家蝇（Stomoxys calcitrans）的活性增加。 一些链霉菌Streptomyces avermitilis的变异体可产生6，8a-开环-6，8a-脱氧阿维菌素衍生物[28][29]。Hafner等[30]用这类衍生物作为母体，合成得到了一系列新的6，8a-开环-6，8a-脱氧阿维菌素衍生物（22），它们也具有潜在的生物活性。
20 | 21 | 22
5 小结 农牧业不断增强的需求和日益加重的环境压力，要求化学工作者创制出活性更高，毒性更低，对环境更友好的兽药及农药，天然产物的结构改造是达到这一目的的重要手段。 研究表明，阿维菌素的结构改造不能破坏内酯环的构象，比如对螺缩酮、六氢苯并呋喃环的改造，因其均在内酯环外，对内酯环构象影响不大，所以这类衍生物基本能保持其生物活性。杂原子及杂环的引入也是对其结构改造的一个趋势。 阿维菌素的结构改造工作目前已经有了较为广泛及深入的研究，甲氨基阿维菌素B1（1a）是个很有开发前景的杀虫剂；乙酰氨基阿维菌素（1b）已被选作家畜局部杀寄生虫剂；化合物15、化合物18系列及化合物21系列的部分化合物活性高于母体，但其合成路线长，实际应用还很困难。我们认为，今后的研究重点应放在衍生物的构象与活性关系方面，以便更好地指导结构改造工作和合成结构相对简单而仍具活性的大环内酯化合物。 6 参考文献 [1] 王道全. avermectins的结构改造. 北京农业大学学报, 1994, 20(4):431－437 [2] Fisher M H. Recent Advances in Avermectin Research. Pure & Appl. Chem, 1990, 62(7):1232-1240 [3] Shoop W L, Demontigny P, Fink D W et al. Efficacy in Sheep and Pharmacokinetics in Cattle that Led to the Selection of Eprinomectin as a Topical Endectocide for Cattle. Int. J. Parasitol, 1996, 26(11):1227-1235 [4] Fisher M H, Mrozik H. Preparation of Avermectin Oximes as Anthelmintics and Parasiticides. EP, 379,341. 1990 [5] Banks B J. Preparation of Avermectin B1 Derivatives as Antiparasitic Agents. WO, 93 15,099. 1993 [6] Cvetovich R, Leonard W. Avermectin B1 Derivative Production. GB, 2,282,374. 1994 [7] Meinke P T, Mrozik H. 4″-and 4’-Alkylthioavermectin Derivatives.EP, 506,331. 1992 [8] Meinke P T, O’Connor S P et al. New, Potent Anthelmintic and Acaricidal Agents: 4″-Deoxy-4″-Thio-Substituted Avermectin Derivatives. Bioorg. Med. Chem. Lett., 1993, 3(12):2675-2680 [9] Meinke P T, Mrozik H, Fisher H. Avermectin Difluoro Derivatives. US, 5,229,416. 1992 [10] Shih T L, Mrozik H, Holmes M A et al. Cleavage of the Spiroketal Portion Avermectin B2a. Tetrahedron Lett., 1990, 31(25):3525-3528 [11] Shih T L, Mrozik H, Holmes M A et al. A Wittig Approach to Novel C24 and C25-Substituted Avermectins. Tetrahedron Lett., 1990, 31(25):3529-3532 [12] Meinke P T, O’Connor S P, Mrozik H et al. Synthesis of Ring-Contracted, 25-Nor-6,5-Spiroketal-Modified Avermectin Derivatives. Tetrahedron Lett., 1992, 33(9):1203-1206 [13] Meinke P T, O’Connor S P, Fisher M H et al. Synthesis of Spiroketal-Modified Avermectin Analogs: 23-Nor-23-Oxa- and 23-Nor-23-Thia-Avermectins. Tetrahedron Lett., 1994, 35(30):5343-5346 [14] Shih T L, Mrozik H, Holmes M A et al. An Unusal Twist in the Synthesis and Hydrolysis of the 23,24-Epoxide of 22,23-Dihydroavermectin B1a. Tetrahedron Lett., 1992, 33(13):1709-1712 [15] Newbold R C, Shih T L, Mrozik H et al. Reactivity of an Epoxy-Spiroketal within Avermectin B2a. Tetrahedron Lett., 1993,34(24):3825-3828 [16] Newbold R C. Avermectin Derivatives. US, 5,411,946. 1993 [17] Jones T K, Mrozik H, Fisher M H. Synthesis of 13-epi-22,23-Dihydroavernectin B1 Aglycon. J. Org. Chem., 1992, 57:3248-3250 [18] Jones T K, Mrozik H. Procedure for the Inversion fo the Sterochemistry at C13 of Avermectin Aglycon Compounds. EP, 514,090. 1992 [19] Senanayake C H, Singh S B, Bill T J et al. Inversion of the Sterically Constrained C13-Hydroxyl of 22,23-Dihydroavermectin B1 Aglycone. Tetrahedron Lett., 1993, 34(15):2425-2428 [20] Cvetovich R J, Senanayake C H, Amato J S et al. 13-O-[(2-Methoxyethoxy)methyl]-22,23- Dihydroavermectin B1 Aglycon [Dimedectin Isopropanol, MK-324] and 13-epi-O-(Methyloxymethyl)-22,23-Dihydroavermectin B1 Aglycon [L-694,554], Flea Active Ivermectin Analogues. J. Org. Chem., 1997, 62:3989-3993 [21] Linn B O, Mrozik H. Alkylthio Alkyl Avermectins are Active Antiparasitic Agents. US, 5,229,415. 1992 [22] Linn B O, Mrozik H. 13β-O-Methoxymethyl-22,23-Dihydro Avermectin B1a/B1b Aglycone. EP, 530,901. 1993 [23] Sato Kazuo, Yokoi Shinji. Preparation of Novel Milbemycin 13-Esters. JP, 06,345,770. 1994 [24] Yanai Toshiaki, Mizukai Muneharu, Takeshiba Hideo et al. Preparation of 13-Substituted Mibemycin Derivatives as Acaricides, Insecticides, and Anthelmintics. JP, 06,345,771. 1994 [25] Hanessian S, Chemla P, Tu Yongxue. Bis-homo Avermectin B1a ?/FONT> A Semi-synthetic Analog with a Trienic 18-Membered Macrocyclic Ring. Tetrahedron Lett., 1993, 34(9):1407-1410 [26] Fraser-Reid B, Lopez J C, Faghih R. The C4-Exo Methylene Isomer of Avermectin B1a:Synthesis via an Allylic Radical and Bioactivity. Tetrehedron, 1992, 48(33):6763-6768 [27] Jones T K, Chu Lin, Mrozik H et al. Synthesis and Biological Activity of 4a,4″-Disubstituted Avermectins. J. Agric. Food Chem., 1994, 42:1786-1790 [28] Pang Chang-Hong, Matsuzaki Keiichi, Ikeda Haruo et al. Production of 6,8a-Seco-6,8a-Deoxy Derivatives of Avermectins by a Mutant Strain of Streptomyces avermitilis. J. Antibiot, 1995, 48(1):59-66 [29] Pang Chang-Hong, Matsuzaki Keiichi, Ikeda Haruo et al. Production of a New Methylated 6,8a-Seco-6,8a-Deoxy Derivatives of Avermectins by a Transformant Strain of Streptomyces avermitilis J. Antibiot, 1995, 48(1):92-94 [30] Hafner E W, McArthur, Hamish A I et al. Preparation of 6,8a-Secoavermectin Derivatives as Antiparasitic Agents. WO, 94 14,830. 1994 李友顺 男，26岁，中国农业大学应用化学系98级博士生。 **通讯联系人