汤文军研究员联合创制双烯双胺：一种有望替代百草枯的安全除草剂

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百草枯由于其除草迅速、高效、广谱、成本低廉、对植物根系无毒性等优点，自1962年上市以来迅速成为广泛应用于全球的除草剂。然而百草枯的另一个名字为“杀人农药”。这不仅是因为百草枯对动物和人有剧毒，大鼠口服LD50剂量为100 mg/kg，而且因为没有有效的解毒剂，中毒死亡率为50～90％。迄今，全球至少数万人因自杀或误食百草枯而死亡。因此，发展一种和百草枯除草效果相比拟的安全除草剂，是学术界和工业界共同追求的目标。
　　近期，中国科学院上海有机化学研究所汤文军研究员和同济大学附属第十人民医院彭艾教授团队合作创制了新型除草剂双烯双胺。研究发现，双烯双胺表现出和百草枯相当的除草效果，并通过一系列小鼠和细胞实验表明较好的安全性，有望成为一种替代百草枯、安全无毒的新型绿色除草剂。该工作近日以“Dienediamine: A Safe Herbicide as Paraquat Surrogate”为题目发表在植物科学领域顶级期刊《分子植物（Molecular Plant）》上。
　　由于百草枯的除草功能以及其致命的毒性均源于其本身化学结构的电子传导功能。其联吡啶盐结构不仅能够通过拦截电子阻断植物体内光合系统I的正常功能从而达到除草效果，也可以在人体内发生氧化还原反应导致NADPH的耗竭和超氧自由基的形成，产生细胞毒性。因此，如何实现“保持分子的除草性能，但消除其毒性”成为了科学难题。研究团队设想是否可以通过“采用一个本身没有电子传导功能、没有毒性的非联吡啶盐结构前体，但在除草环境中能转化为联吡啶盐结构产生除草效果”的策略，创制一种安全无毒的除草剂（图1）。基于此设想，一个容易制备、稳定的“还原态”百草枯前体-双烯双胺成为了研究目标。

图1. 双烯双胺的创制原理

　　研究团队实现了双烯双胺的简洁合成，并通过X射线单晶衍射确定其结构，再利用硼氢化钾和水作为反应条件实现了双烯双胺的百克级规模化制备。在研究双烯双胺转化为百草枯的过程中，研究团队起初高收率地实现铜催化双烯双胺氧化合成百草枯；进一步惊奇地发现，双烯双胺可在空气、自然光和水存在下转化为百草枯，实现了最初的设想，即在除草环境中双烯双胺原位转化为百草枯；而在室内（无需暗室保存）无论以固态或水溶液形态，均表现出相当的稳定性。研究团队进一步开展了南芥、菖蒲以及狗牙根三种不同常见杂草的除草试验，研究证明：双烯双胺表现出与百草枯相当的除草能力，而且双烯双胺在阳光和空气条件下转化为百草枯从而具备了除草的性能。上海市第十人民医院团队继续展开深入、系统性的安全评价表明：双烯双胺的毒性与实验对照组类似，安全性极高。
　　本研究发现的安全无毒的双烯双胺有望开发成为替代百草枯的广谱除草剂，不仅可能有助于保障我国乃至全球的粮食安全，而且有望防止因百草枯中毒导致的死亡，具有重要的研究意义和社会价值。
      文章来源：上海有机所
      汤文军,上海有机所研究员。1974年10月出生于浙江余姚；1995年毕业于华东理工大学精细化工系；1998年于中国科学院上海有机化学研究所获硕士学位；2003年于美国宾夕法尼亚州立大学获博士学位；2003-2005 年在美国Scripps 研究所从事博士后研究；2005-2009年在美国Boehringer Ingelheim 药业公司药物工艺部门(Chemical Development) 任高级科学家(Senior Scientist), 在2009-2011年间任首席科学家 (Principal Scientist)；2011年7月起任中科院上海有机化学研究所研究员、课题组长.