新型苯并呋喃–吡唑-丙烯酰胺杂合物的设计、表征、DFT研究及分子对接作为防治秋黏虫和红面粉甲虫的杀虫剂

保护粮食作物的新武器

全球农民与在田间啃食叶片与在仓储中损毁粮食的昆虫长期对抗。两个尤为严重的害虫是埃及棉铃夜蛾（Egyptian cotton leafworm）和红面粉甲虫，它们能共同摧毁大量收成并污染储存的面粉。本文描述了一系列实验室合成分子的设计与测试，旨在更精准地通过靶向害虫的神经系统来杀灭害虫，同时有望降低对人类和环境的风险。

为何这些害虫问题严重

埃及棉铃夜蛾取食几十种作物，从棉花、番茄到小麦和草莓，产量可被削减多达一半。红面粉甲虫则在温暖的粮仓和面粉厂中繁盛，将宝贵食物变成污染的粉尘，且伴有异味并可能带来健康风险。现有杀虫剂通常作用谱广，可能伤害非靶生物，且随着害虫产生抗性其效果正在下降。因而亟需发现作用更为特异的新化学物质，以便使用更小剂量并减少不良副作用。

构建一种新型杀虫分子

研究团队合成了八种相关化合物，结合了三种常见于药物的有效构件：苯并呋喃环、吡唑环和丙烯酰胺基团。通过把这些片段整合到同一骨架并仅改变连接的芳环的不同取代，他们生成了一组“小家族”候选物。随后使用红外、核磁共振和质谱等常规化学表征方法确认每个产物具有预期结构。同时，借助先进计算研究了当分子中关键部分在被称为E和Z的两种镜像状构型之间翻转时，其三维形状与电子分布如何变化。

对新化合物的生物活性测试

接着，科学家测量了这些化合物对棉铃夜蛾第四龄幼虫和成年的红面粉甲虫的毒性。将昆虫暴露在不同剂量的处理表面上，在三天内记录死亡情况。其中三种分子——标记为3a、3b和3c——表现突出，对两种昆虫均造成高致死率，而其余化合物弱或无活性。在这些活性化合物中，3a对棉铃夜蛾最为有效，3b对甲虫的杀伤力最强，在最高测试剂量下72小时内实现完全致死。通过比较活性与惰性家族成员之间的化学差别，研究发现，在特定位置引入供电子基团（如甲基或甲氧基）可增强杀虫活性，而强吸电子基团（如硝基或羧基）则在很大程度上抑制活性。

透视昆虫神经系统内部作用

为了解这些化合物的作用机制，作者使用了乙酰胆碱酯酶的计算模型，该酶通过分解神经递质乙酰胆碱来终止神经信号传递。许多经典杀虫剂即通过抑制该酶发挥作用。通过分子对接，团队模拟了3a、3b和3c如何嵌入两种目标昆虫的乙酰胆碱酯酶中。三者均被预测能通过一系列疏水相互作用和氢键紧密结合于活性口袋，结合强度与一种广泛使用的参照杀虫剂相当或更优。进一步的分子动力学模拟（跟踪原子随时间的运动）显示3b与酶的复合体保持稳定且构象紧凑，提示能产生持久的阻断作用。同时，基于计算的ADMET筛选（吸收、分布、代谢、排泄与毒性）表明这些分子符合常见的“类药性”规则，且不太可能具有强致突变性或致癌性，尽管其疏油性可能限制简单水相配方的应用。

电子学计算揭示的内容

使用密度泛函理论（DFT）这一量子水平建模方法，探究了为何细微结构变化会带来显著差异。计算结果显示，对于系列中的某些成员，尤其是3c，E构型在关键电子轨道之间具有很小的能隙，使其高度活泼并成为良好的受电子体。其他成员，如3b，则被预测更倾向于Z构型，该构型提供了更有利的电子排列和更大的偶极矩。这些微妙的电子特征会影响分子与酶靶点或表面的相互作用能力，并有助于解释为何某些变体即便在单从反应性上看并非最强，仍能表现出更紧密的结合。由此，研究将分子的构型与电荷分布直接联结到其生物学效应上。

这项工作可能的后续方向

总体而言，该研究鉴定出一小类苯并呋喃–吡唑–丙烯酰胺杂化物，尤其是3a、3b和3c，作为针对两种具有重要经济意义害虫的新型杀虫剂的有前景先导化合物。实验室测定表明它们可在相对低浓度下杀死毛虫和甲虫，计算模型则表明其作用机制可能是牢固地阻断关键神经酶且具备可接受的安全特征。尽管还需在真实环境条件和非靶生物上进行更多测试，这些结果为设计下一代既强效又更精准靶向的害虫防治剂提供了一条合理路径。

引用: El-Bana, G.G., Fouad, M.R., Deeb, A.D.H. et al. Design, characterization, DFT studies, and molecular docking of new benzofuran–pyrazol-acrylamide hybrids as insecticidal agents against Spodoptera littoralis and Tribolium castaneum. Sci Rep 16, 10344 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39839-z

关键词: 杀虫剂设计, 乙酰胆碱酯酶抑制剂, 农作物害虫防治, 苯并呋喃-吡唑杂合物, 计算毒理学