（农药学专业论文）手性农药对映体在动物体内立体选择性行为的研究.pdf

中国农业大学博士学位论文 摘要 摘要 论文利用高效液相色谱手性刚定相【纤维素二( 3 ，5 - 二甲基苯基氨基甲酸酯) ( c d m p c ) 】 方法研究了手性农药反式氯氰菊酯( t c y m ) 、己唑醇及烯i 唑醇在家兔、大鼠体内的立体选择性 药代动力学和降解动力学。制各了反式氯氰菊酯的光学纯异构体，井考察了两对映体在大鼠血浆 中的转化行为。这是关于这三种手性化合物对映体在动物体内选择性行为的首次报道。 以家兔为试验动物，采用耳静脉注射反式氯氰菊酯外消旋体( 1 5m g k g ，r a c t c y m ) 的给 药方式，研究了两对映体的药代动力学及在各组织中的降解及残留。研究结果表明，给药后 ( + ) - t c y m 在血浆中的浓度显著低于其对映体，药代动力学参数的差异反映了t c y m 两对映体在 家兔体内的药代动力学是立体选择性的。t c y m 对映体在家兔心脏、肝脏、肾脏、脾脏、肌肉组 织中有选择性降解行为，( - ) - t c y m 的残留量大于( + ) - t c y m ；但在残留量最大的肺脏组织中降解 的立体选择性不明显：脑组织中，两对映体的浓度低于定量限。e f 值表明在血浆中对映体的立 体选择性行为最明显。 以人鼠为试验动物。采用尾静脉注射r a c t c y m 及光学纯单体的给药方式。研究了两对映体 的药代动力学、转化行为及在各组织中的残留及降解。结果表明两对映体在大鼠体内的立体选择 性行为与在家兔体内类似。另外发现t c y m 对映体在大鼠血浆中有转化行为，静脉注射( + ) - t c y m 后，此异构体迅速向其对映体( - ) - t c y m 转化，且转化为单向的，即未发现( ) - t c y m 向( + ) - t c y l v l 的转化。这种转化行为可能是导致t c y m 在动物体内立体选择性行为的根本原因。 以家兔为试验动物，采用耳静脉注射己唑醇外消旋体( 3 0 m g k g ，r a c - 己唑醇) 的给药方式， 研究了两对映体的药代动力学及在各组织中的降解及残留。研究结果表明，给药后初期两对映体 在血浆中的浓度差异不大，随时间增加( 卜已唑醇浓度明显大于其对映体浓度，药代动力学参数的 差异反映了两对映体在家兔体内的药代动力学是立体选择性的。己唑醇对映体在家兔心脏、肝脏、 肾脏、脾脏及脑组织中有选择性降解行为，( + ) 己唑醇比( ) 己唑醇消除得快。导致( 0 己唑醇在组 织中的残留量大于其对映体；在肺脏组织中降解得立体选择性不明显。两对映体在心脏中的残留 量最大。e f 值表明对映体在肝脏中的立体选择性行为最明显。 以家兔为试验动物，采用耳静脉注射烯唑醇外消旋体( 2 0m g k g r a c 烯唑醇) 的给药方式， 研究了两对映体的药代动力学及在各组织中的降解及其残留。研究结果表明，给药后3 0 m i n 内两 对映体在血浆中的浓度相似，随时间增加s 烯唑酵浓度小于其对映体浓度，药代动力学参数的差 异反映了两对映体在家兔体内的药代动力学是立体选择性的。烯唑醇对映体在家兔心脏、肝脏、 肾脏、脾脏、脑组织、肌肉及脂肪中有选择性降解行为且为s 对映体比r 对映体消除的快，导 致e - j 希唑醇在各组织中的残留量大，在肺脏组织中降解得立体选择性不明显；肺脏、肝脏及脂肪 中残留量较大。在肌肉组织中最少。e f 值表明对映体在血浆中的立体选择性行为较为明显。 关键词：手性农药，反式氯氟菊酯，己唑醇，烯唑醇，立体选择性行为 中国农业大学博士学位论文 a b s b m c t a b s t r a c t t h ee n a n t i o s e l e c t i v e p h m r n a e o k i n e t i c s a n dd e g r a d a t i o no ft h e t a - - c y p e r f n e t h r i n ( t c y m ) ， h e x a c o n a z o l ea n dd i n i c o n a z o l ei nr a b b i t sa n df a t sw e t es t u d i e db a s e do nt h eh p l cw i t hc h i r a l s t a t i o n a r yp h a s e t h ec h i r a lc o n v e r s i o no ft h e t a - c y p e r m e t h r i ni nr a tp l a s m ah a sb e e ns t u d i e dv i a i n t r a v e n o u s ( i v ) 蜘c c t i o no fs i n g l ee n a n t i o m e r i t st h e f i r s tr e p o r ta b o u tt h ee n a n t i o s e l e c t i v e b e h a v i o ro f t h e s ec h i m lp e s t i c i d e si na n i m a l s t h ee n a n t i o s e l e c t i v ep h a r m a c o k i n e t i e sa n dd e g r a d a t i o no ft c y me n a n t i o m e r si nr a b b i t sw 帅 i n v e s t i g a t e db yas i n g l ee i n t r a v e n o u s ( i u ) a d m i n i s t r a t i o na td o s e so f1 5m g k go fr a c e m a t e ( r a c - t c y m ) t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ec o n c e n t r a t i o no f ( + ) - t c y mi np l a s m aw a sl o w e rt h a ni t s a n t i p i d ed i s t i n c t l y , a n dt h ed i f f e r e n c e o fp h a m m c o k i n e t i cp a r a m e t e r ss u g g e s t e dt h a tt h e p h a r r a a c o k i n e t i c so ft c y me m a n t i o m e r si n r a b b i t sw a ss t e r e u s e l e c t i v e t h ed e g r a d a t i o n so ft w o e n a n t i o m e r si nr a b b i th e a r t , l i v e r , k i d n e y , s p l e e na n dm - l s c ；l e 、me n a n t i o s e l e e t i v ew i t ht h er e s i d u eo f ( - ) - t c y mw a st h eh i g h e rt h a nt h a to ft h e ( + ) - t c y m t h es t e r e o s e l e c t i v i t yi nl u n gw a sn o ts i g n i f i c a n t ， b u tt h er e s i d u e so ft w oe n a n t i o m e r si ni tw a sh i g h e s t r e s i d u ec o n c e n t r a t i o n si nb r a i nw e r eg e n e r a l l y l e s st h a nt h el i m i to f q u a n t i f i c a t i o n t h ee fs u g g e s t e dt h a tt h es t e r e o * e l e c t i v i t yi np l a s m a t h em o s t o b v i o u si na l ls a m p l e s t h ee n e n t i o s e l e c t i v ep h a r m a c o k i n e t i c s ，d e g r a d a t i o na n dc h i r a lc o n v e r s i o no ft c y me n a n t i o m c 目r a i nr a t sw c i ei n v e s t i g a t e db yas i n g l et a i li v a d m i n i s t r a t i o na td o s e so f 2 0m g k go fr a c - t c y ma n d2 0 m # k go f ( + ) - t c y ma n d ( - ) - t c y m ，r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t e r e o s e l e e t i v eb e h a v i o r o ft w oe n a n t i o m e r si nr a t sw a ss i m i l a rw i t ht h a ti nr a b b i t s 1 1 ”r e s u l t ss h o w e dt h ec o n v e r s i o nw a sn o t r e v e r s i b l ew j t l l ( + ) - e n a n t i o m e rt o ( - ) - e n a n t i o m e ri np l a s m aa f t e ra d m i n i s t r a t i o n s t e r e o s e l e c t i v ep h a m m c o a n dd e g r a d a t i o nk i n e t i c so f h e x a c o n a z o l ew a si a v e s t i g a t e di nr a b b i t sb y i n t r a v e n o u si n j o o t i o n a f t e ri v a d m i n i s t r a t i o no fr a c o m i ch e x a e n n a z o l e ( r a c - h e x a c o e n z o l e ) a t3 0 m g k g , p l a s m a ，h e a r t , l i v e r , k i d n e y , s p l e e na n db r a i nl e v e l so ft h e ( + ) - e n e n t i o m e rd e c r e a s e dm o r e r a p i d l yt h a nt h o s eo f t h e ( - ) - e n a n t i o m e r , a n dt h e ( - ) - h e x a c o n a z o l er e s i d u ew a sm o r et h a ni t sa n t i p i d ei n t h e s et i s s u e s t h ed i f f e r e n tp h a r m a c o k i n e t i cp a r a m e t e r si n d i c a t e ds u b s t a n t i a ls t e r e n s e l e e t i v i t yi nt h e p h a r m a e n k i n e t i c so f h e x a c o n a z o l ee n a n d o m e r si nr a b b i t s t h e r ew a sa l m o s tn os t e r e o s e l e c t i v i t yi nl u n g ， a n dt h ee n a n t i o s c l e c t i v i t yi nl i v e rw a sm o s ts i g n i f i c a n t t h ee n a n t i o s e l e c t i v ep h a r m a c o k i n e t i c sa n dd e g r a d a t i o no fd i n i c o n a z o l ee n a n t i o m e r si nr a b b i t s w e l x ，s t u d i e db yas i n g l ee a ri v a d m i n i s t r a t i o na td o s e so f 2 0m g ，k go f m e e m a t e t h ec o n c e n t r a t i o n so f s - d i n i c o n a z o l ei np l a s m a ，h e a r t , l i v e r , k i d n e y , s p l e e n , b r a i n ，m u s o l ea n df a tw e l el o w e rt h a ni t sa n t i p i e f r o m6 0m i nt o4 8 0m i na f t e ri v i n j e c t i o n t h ed i f f e r e n tp h a r m a c o k i n e t i ca n dd e g r a d a t i o np a r a m e t e r s s u g g e s t e dt h a tt h e r ew e r es t e r e o s e l e c t i v eb e h a v i o r so fd i n i c o n a z o l ei nr a b b i t s t h e r ew a sa l m o s tn o s t e r e o s e l e c t i v i t yi nl u n g ，a n dt h em o s td i s t i n c te n e n t i o s e l e c t i v i t yw a sf o u n di np l a s m a t h ed i n i c o n a z o l e r e s i d u ei nl u n g ，l i v e r , f a tw a sm o r et h a nt h a ti no t h e rt i s s u e s k e y w o r d s ：c h i r a lp e s t i c i d e ，t h e t a - c y p e r m e t h r i n ，h e x a c o n a z o l e ，d i n i c o n a z o l e ，s t e r e o s e l e c t i v i t eb e h a v i o r i i 中国农业大学博士学位论文 日录 插图和附表清单 1 插图清单 幽1 。l 手性化台物在不同环境介质中e f 值的模型1 3 图1 2 氯氰菊酯的在水、土壤等中的降解路径1 9 图1 3 氯氰菊酯在哺乳动物中的代谢途径2 l 图l - 4 己唑醇的结构式2 2 圈1 - 5 己l 唑醇工业化制备的台成路线2 2 圈1 - 6 己唑醇在植物体内的部分代谢产物2 3 图1 7 烯唑醇的结构式2 4 闰1 8 烯唑醇的台成路线圈2 5 图1 9 烯唑醇光降解2 6 图1 1 0 烯唑醇在动物体内的代谢2 7 幽2 1 典型反式氯氰菊酯c d 和u v 色谱图3 6 幽2 - 2 家兔样品中反式氯氰菊酯g c m s 图3 7 l 鳘i2 - 3 家兔样品中反式氯氰菊酯典型液相色谱图3 8 图2 4 家兔血浆添加提取液中左右旋对映体浓度与峰面积标准曲线3 8 圈2 5 ( a ) 家兔血浆中t c y m 对映体药时曲线； ( 一) - a h c h 6 h c h p - h c h ”“”。m i d d e l d o r p 等人报道了一种细菌群落在产烷条什f 能降解b ，a 一，y ，与8 h c h 。从被污染的土壤中 分离出髓个杆状菌株，b c i r c u l a n s 雨ib b r e v i s ，能高速率降解a ，b y ，与8 h c h t v o 。从 农用土壤中分离出两个假单胞茵能降解y h c h ( 7 “。f i n i z i o 等测定了英国f r a s e r 地区士壤中a h c h 的e r 值，在当地的腐殖型十壤中( ) - n - h c h 也被优先降解【6 ”。 m o n k i e d j e 等“调查研究了甲霜灵及其单一对映体在温和及热带士壤中的降解与持久性。所 有形式的甲霜灵( m x ) 在喀麦隆与德国土壤中都有较低的降解率。有意思的是在这两个区域 中，发现了相反的对映体选择性。在德国的土壤中r 对映体降解得比s 一对映体快，但在喀麦隆 土壤中s 一对映体降解得快一些。这个发现表明在降解过程中涉及到不同微生物群落。在另一个研 究中发现m x 对映体选择性与土壤的p h 值有关，在有氧，p h 5 的士壤中，r 对映体降解得比 s 对映体降解得快；在有氧，p h4 5 的土壤中两个对映体降解得很相似；然而在有氧，p h 4 ， 及在厌氧土壤中对映体选择性相反【7 ”。作者又重新评价了已经发表的2 甲4 氯丙酸，2 , 4 - d 丙 酸降解动力学数据，发现有着相似的关系。然而，对_ 丁i 手性中间产物甲霜灵羧基酸( m x a c i d ) 的立体选择性与土壤p h 值无关。b u s e r 羽im u l l e r 研究了四种酰胺类农药( 甲草胺、乙草胺、异 丙甲草胺和甲霜灵) 在土壤和淤泥中的对映体选择性降解得结果表明：甲霜灵表现出较高的立体 选择性同时主要依赖于环境体系：在士壤中，r - m x 的降解快于s 对映体，但是在污泥中结果 却是相反的【7 4 ”。在另一个研究中表明在土壤与植物中会有不同降解速率与对映体选择性。 在土壤中r - m x 对映体降解得快，在植物中s 对映体降解得快口6 i 。在最近的研究中”1 ，确定了 有杀菌活性的r - m x 对映体在十壤中降解得快。同时也发现只有4 0 5 0 的甲霜灵降解为手性 中间产物m x a c i d t 在这步中，结构中的手性碳构型是保持的在进一步的m x - a c i d 降解中也是 立体选择性的，s 对映体转化的更快一些。 1 2 3 手性农药在水体中立体选择性行为的研究进展 目前，在水体中手性农药立体选择性降解得研究中，报道最多的是有机氯农药。有研究表明， 在东北冰洋，微生物降解h c h 的速率是水解的3 1 0 倍p ”。并且观察到了对映体选择性降解 ( + ) 吨一h c h 优先被降解，( + ) - c t - h c h ，( - ) - c t - h c h ，与y h c h 的半衰期分别是5 9 2 3 1 ，及1 8 8 ， 在海运环境中却发现了相反的对映体选择性。例如在白令海( b e r i n g ) 及楚克其族海( c h u k c h is e a ) 中，( ) 吨- h c h 被优先降解”w ：在其它水体系中也调查研究了对映体选择性降解，在一些小的北 极湖中立体选择性降解更为明显一些，对映体比率在0 3 到o 7 之间“】，l a w 等人认为这是由于 生物膜构成及环境条件造成的，例如在小溪中路径加长，在湖中居住的时间长，a - h c h 与微生物 群落的接触机会增大了。f a i l e r 等【“1 首先提出海生细菌对洳h c h 是否进行对映体选择性降解得问 题，并测定了北海海水中a - h c h 的e r 值，证实了手性农药在水体环境中存在对映体选择性降解。 他们后来的研究表明：在北海的东部包括德国湾和斯卡格拉克海峡优先降解( + ) m h c h 。但往东 至大不列颠海岸的地区则优先降解( = ) = c t - h c h 。随后h d m c r f u s s 等8 3 1 报道了在德国湾和波罗的海的 研究结果t 证实北海东部水域优先降解( - ) = h c h 。张智超等州测定了了中国海河河口和新港港 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 湾水域中* h c h 的对映体浓度比值，结果表明，初春和初夏季节新港港湾水体中a h c h 的微生物 降解具有对映体选择性，( + ) m h c h 被优先降解：海河河口水中h c h 基本以外消旋体存在。t m n s 氯丹在北极的表层水中，e f 接近0 5 ，在楚克其族海中的e f 值小于0 5 ，而在格陵兰海中，e f 却大 于0 5 。 在被2 , 4 d 丙酸污染的海运水系中，r 对映体体优先被微生物降解“”。z i p p e r t8 8 | 等发现在 垃圾场沥山液中r 体与s 体的浓度一样这表明在垃圾场中，2 甲4 氯丙酸是以外消旋体形式存 在的；但是在垃圾场f 游的地f 水中却发现2 甲4 氯丙酸e r 值增加了也就是说，r 对映体含 量较高。w i l l i a m 口b l 等在最近的研究中表明，在垃圾场f 游的石灰质水层中2 甲4 氯丙酸的降解 是依靠氧化还原作_ 【i j 。在去除硝酸盐的条件下，r 体被降解了。而s 一体很稳定：与此相比s 体在有氧条件一f 比r - 体降解得快。在瑞典，只有f + ) - r m c p p 可以登记为农h | 【”1 理论上e f 值应接近i 但是在瑞典的废水处理厂、河流、径流和湖泊中的e f 值都小于o 5 f 9 ”“。这是选择 性分解r 对映体的结果。 对丁异丙甲草胺来说，普遍存在着外消旋向s 对映体的手性转化，s 异丙甲草胺是具有较高 除草活性的对映体。在瑞+ 的地表水中，对映体成分发生了快速转变，外消旋异丙甲草胺很快被 优势对映体取代t ”】。 1 2 4 手性农药作为气一土、气一水交换示踪物的研究 b i d l e r n a n 0 4 1 等提出，“手性农药的对映体可以作为气土、气水交换示踪物”。手性农药在不 同环境载体中的e r 值可能偏离1 ，这些不荐是外消旋体的农药在向大气中挥发时不涉及生物反 应。且由于在大气中的迁移和消除等均为物理化学过程。因此其e l ( 值保持不变，所以环境中的 手性化合物就可以成为一种类似放射性元素一样的“示踪物”，帮助人们了解大气一土壤、大气 一水体之间的物质交换过程并可以区别大气中新施用的农药和通过挥发作用从土壤、水体进入 大气的“再循环”农药。 b u s e r 等f 9 5 j 检测了斯堪的纳维亚半岛环境样品中的手性氯丹化合物结果表明：环境大气中 的氯丹是以外消旋体的形式存在，这说明象氯丹这样的化合物在大气运输的过程中，其分解是非 生物过程。b u s e r 等通过比较不同年份瑞典西个农业产区内的湖泊中异丙甲革胺的对映体比例 发现，1 9 9 8 年以前的湖水中异丙甲草胺异构体比例与施用到农田中的外消旋体比例一致。而其后 湖水中的i s 一体的过量值由1 9 9 8 年的0 2 5 升至1 9 9 9 年的0 6 5 ，这是由于当地开始使用富含活性 l s 体的制剂，这一方面表明湖水中的异丙甲草胺主要来自当地农田，另一方面也表明农药制剂 形式的改变能够在环境中得到迅速的体现，因此对环境样本的监测可以有效地反映新措施的实施 情况。 手性农药在水气之间的交换受气相控制，通常用水气逸度系数之比来表示，它反映了不同 化合物在水中饱和程度与其在大气中分压之间的关系。因为两个对映体显示出相同的亨利系数 所以大气和水体中不同的e r 值可以用来估计不同海域中蒸发和分解的相对分配【。r i d a l 等p q 测定了1 9 9 3 年5 至l o 月间安大略湖水样、空气、雨水和尼亚加拉河水中o l h c h 的e r 值，结果 发现安大略湖的表层水与深层水的e r 值小于1 ( o 8 5 ) ：在湖上方1 0 米高处大气样品中c t - h c h 的e r 值不是一成不变的，而是随季节更替呈现规律性变化，春秋季接近1 0 ，夏季为0 9 ；雨水 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 中q h c h 基本以外消旋体形式存在：尼亚加拉河水样中的e r 值相对较高( o 9 1 ) 。他们据此建 立了一个简单的气一水物质交换模型，用来解释湖泊上方大气中c t h c h 的非外消旋现象，并推算 山其中约6 0 的q h c h 是从湖水中南接挥发来的。l e o n e 等1 9 7 l 测定了美国中西部种玉米地带的 3 7 个室内空气样品中的氯丹，结果表明氯丹是以外消旋体形式存在的，但是曾有报道在这个地区 的土壤和空气中检测到了氯丹的非外消旋体混合物，这主要是由于室内农药残留受环境降解过程 的影响较小。j a n t u n e n 等测定了北冰洋和北极附近海域水体中q h c h 的浓度和ie r 值，结果显示 o l - h c h 的净交换方式在八十年代为沉降，九十年代转为挥发为主；这些开放海域上空人气中 - h c h 的e r 值与相应水面中保持一致，表明大气与水体之间的交换是一个双向的动态平衡过程 ”。有报道研究了从哥伦比亚一农业土壤中释放到火气中的有机氯农药，结果表明大气中的农药 浓度随距离地面高度增加而减少但是e r 值并不随高度变化，而是与士壤中的e r 值保持一致， 这说明当地大气中的有机氯农药主要来自于十壤挥发；同时土壤中微生物作用下导致环氧七氯 ( + ) 一对映体的富集也通过无选择性的挥发作j ； j 反映在火气中。士壤上空手性化合物的e r 值可以成 为了解手性有机氯农药在环境中循环的一 具。 1 3 手性农药在生物体内的立体选择性行为研究进展 手性药物在生物体内立体选择性行为的研究是手性化合物选择性行为报道中数量最多、研究 最深入的部分r 一方面是因为生物体内涉及的复杂的生理生化反应使外源手性药物的变化过程本 身存在着许多未知领域，另一方面也源于人类对自身和生态环境安全与可持续发展的高度关注， 这两方面原因吸引着研究人员去探寻究竟为生物安全提供科学的理论与实践依据。 对手性药物在生物体内的立体选择性行为的研究主要集中在药代动力学的立体选择性，药代 动力学的的立体选择性导致了手性药物在生物体内立体选择性富集。 1 3 1 药代动力学立体选择性 药代动力学( p h a r m a c o k i n e t i c s ) ，也称药物动力学或药物代谢动力学，它研究药物在体内的 量变过程的规律。采用数学方法定量的研究药物在体内的吸收、分布、代谢和排泄消除的量变特 征，特别是研究药物在体内房室中的量变规律郴】。药代动力学一般用来研究医药在生物体内的量 变，本论文应用药代动力学的方法来研究手性农药在动物体内的选择性行为。 手性是生物系统的基本特征，构成生物系统的基本成分蛋白质、糖、脂肪均为手性成分。许 多内源物质如激素、酶、载体等都具有手性。药物在体内吸收、分布、排泄和代谢等过程涉及与 这些生物大分子间的相互作用，必然存在手性识别问题，导致药代动力学的立体选择性差异。手 性医药在动物体内的立体选择性行为已经研究得非常广泛，但有关手性农药的相关报道却很少。 1 3 1 1 药物吸收 药物由给药部位进入体内静脉血液循环的过程为药物吸收。当静脉给药时由于药物直接进 入血液循环，所以无需吸收过程。通过肌肉注射、皮下注射、腹腔注射等途径给药时，药物需经 中国农业大学博0 ：学位论文第一章绪论 历在给药部1 1 。= 扩散，进入周围毛细血管或淋巴管，再进入血液循环的吸收过程。而口服给药时， 药物的吸收要经历经过胃肠道吸收部位进入肝门静脉系统的吸收过程。处于吸收过程中的药物称 为处在“吸收”相，吸收过程完成后，进入“吸收后相”或“分布相”。大多数药物的吸收是被 动扩散过程，其吸收程度和速度取决于药物的脂溶性，没有立体选择性。然而，药物外消旋体的 水溶性和品型与其单个对映体有一定的著别，这就使得它们在给药部位的溶出速率有了相应的差 异。例如沙利度胺的单个对映体在一些溶剂中的溶解性比它们的消旋体火5 - 9 倍。由于外消旋体 这一特殊的化台物表现出作为一个复合物存在于溶液中时，它有着不同于单个异构体的生物学性 质1 9 ”。当药物是通过主动转运过程或借助载体转运而吸收时，在吸收方面就出现了立体选择性， 如氨基酸、糖和肽等以及结构类似的药物。左旋多巴( 1 e v o d o p a ) 在肠中通过氨基酸转运系统吸 收，其吸收速度比通过简单扩散的右旋体吸收快得多“o o 。 1 3