我国目前正在使用的农药中具有手性结构的农药(手性农药)约占40%。虽然手性化合物的对映异构体具有相同的理化性质，但其异构体间却可能具有不同的生物活性和降解速率；而生物体对化合物的吸收、生物转化和新陈代谢等也可能存在立体选择性。因此，选择性地生产更具活性与选择性的单一光学活性异构体将具有更强的竞
争力。
目前，除草剂的使用量已居各大农用化合物之首，其在农药中所占的比例已达47%左右，1996年在美国销售额最大的10个农药品种中，即有9个是除草剂。据2004年美国环保局(USEPA.)公布的数据，除草剂、杀虫剂和杀菌剂的市场比例大致维持在5:3:2。但是，相对于杀虫剂等其他手性农药，对除草剂手性问题的研究却相对较少。研究表明，具有手性结构的除草剂(手性除草剂)在药效、环境安全性等方面存在不可忽视的对映异构体差异性。实现除草剂手性研究和单一光学活性异构体生产上的较大突破，是减少生态环境污染和推行绿色农业的必然要求。为此，有必要在手性层面上深入研究除草剂的活性、作用机理、迁移转化和代谢等问题。笔者针对几大类已经商品化或具有较好市场前景的手性除草剂，对其单一光学活性异构体的手性制备技术、除草活性、对非靶标生物的毒性和环境归趋的对映异构体选择性差异等进行了综述。
1 手性除草剂的种类
随着农药品种的发展、化合物结构日趋复杂以及天然产物及其衍生物的增多，手性化合物数量显著增加。20世纪80年代所使用的农药中仅有19%具有手性结构，到90年代迅速增至25%，之后手性农药的市场年增长率保持在10%～15%之间。在已经商品化的手性农药中，以单一纯光学活性异构体或以含高纯度光学活性异构体为主的除草剂占总销售量的50%左右。目前市场上主要的19大类300多个品种的除草剂中，有14类含有手性结构，涉及苯氧羧酸、芳氧苯氧丙酸、环己烯酮、咪唑啉酮和酰胺等一系列化合物，其中主要有16个品种以单一光学活性异构体或含高纯度单一光学活性异构体为主进行生产和销售，并已大面积使用(见表1)（略）。这些具有更高活性与选择性的单一光学活性异构体产品的使用能以较低的剂量达到较高的药效，减少了药物向生态系统的投入量，对保障环境和粮食安全具有重要意义。
2 手性除草剂的分离与合成
目前，美国、日本及欧洲一些国家均要求在农药新品种登记或再登记中，凡涉及手性化合物时必须提供其对映异构体的生物试验报告及对映体分离技术资料，一些欧洲国家则已经禁用外消旋体，因此，外消旋体的使用将日益受到更加严格的限制。
近年来，手性农药单一光学活性异构体的制备技术取得了突飞猛进的发展。目前其制备途径主要分为外消旋体拆分和定向合成两种。其中外消旋体拆分又分为生物酶法、成盐结晶法、制备非手性衍生物分离法、优势结晶法和机械分离法等；定向合成法也可分为酶定向催化法、手性试剂定向催化法、差向异构法和手性原料引导定向合成法等。这些技术在手性农药单一光学活性异构体的研究及生产中已得到广泛应用，并获得了巨大成功。但是实现手性农药的工业化生产不仅要求技术路线合理可行，拆分收率高，产品光学纯度好，还要求经济成本相对低廉，即原料和拆分剂廉价易得，拆分工艺简单，无效异构体能被充分利用等，否则将难以实现工业化、规模化生产。传统的化学拆分技术流程长，产生的“三废”量大，原料利用率低，且需消耗大量手性拆分试剂，导致成本过高，已逐步被淘汰。而手性柱分离法用于制备少量试验样品是一种快速有效的方法，但进行规模化生产目前尚有困难。如表1中所列的除草剂，几乎都能够用手性柱分离方法获得高纯度的单一光学活性异构体，虽然制备的量很少，但可为开展基础研究提供可能。相比之下，定向合成法在手性制备工业化中的作用更为突出，也是比较经济可行的方法。例如，以手性化合物L-乳酸为起始原料，采用目标导向合成，通过酯化、磺酰化、醚化得到手性除草剂喹禾糖酯(quizalofop-p-tefuryl，商品名糖草酯)，总收率为67.2%，化学纯度为94.0%，光学纯度为89.4%。该合成路线成本低，易于实现工业化。
高原子经济性的手性技术如不对称催化、生物酶催化与手性转化技术在手性农药单一光学活性异构体生产中的应用将越来越广泛，工业化水平将不断提高。以生物酶催化技术为例，与经典的有机合成方法相比：首先，酶催化的反应条件温和，无需强酸或强碱、极端温度和压力；其次，酶催化反应的立体选择性好，可避免因反应条件苛刻而导致消旋化、异构化及重排等副反应，也免除了传统有机合成中为了阻断不必要的副反应而通常需要采取的基团保护和去保护等措施；第三，酶是一种高效催化剂，能大幅度加快反应速率，最高可达非酶催化反应速率的1012倍；第四，生物酶催化几乎能应用于所有化学反应，目前已涉及羟基化、环氧化、脱氢、氢化以及水解、水合、酯化、酯转移、脱水、脱羧、酰化、胺化、异构化和芳构化等各类化学反应；同时酶催化反应一般不会产生毒副产物，对环境的污染程度比传统化学合成方法要小得多，因而被称为绿色合成化学。目前，工业用酶大部分来自微生物，少数来自植物和动物，也可通过基因工程和蛋白质工程等现代生物技术大规模生产，具有广阔的应用前景和商业价值。以最早推广的单一光学活性除草剂苯氧丙酸类除草剂的合成为例，其以2-溴丙酸和2-氯丙酸及其衍生物为原料，通过脂肪酶的立体选择性酯交换得到单一R-对映异构体(以下简称R-体)，并通过催化剂甲醇钠使不需要的S-对映异构体(以下简称S-体)外消旋化，可被重新利用，其酶法合成已形成工业化规模。
3 手性除草剂除草活性的对映体选择性差异自然界中的生命存在于由酶和受体系统等生物大分子组成的手性环境中，酶和受体系统总是显示出对映体选择性或立体选择性。当手性除草剂与植物相互作用时，由于植物体对手性除草剂各异构体识别能力的差异，以及酶与不同异构体间的匹配关系等原因，导致植物在吸收、与靶标酶的结合以及代谢等过程中均会显示出对映体的选择性，因而，手性除草剂的对映异构体间往往表现出不同的生物活性，这就是有些异构体表现出高的除草活性或药害作用，而其对映体则表现为低活性或不产生药害的根本原因。
3.1 苯氧羧酸类(Phenoxyalkanoic acids)除草剂
苯氧羧酸类(Scheme 1)除草剂是20世纪40-50年代开发的苗后除草剂，通过抑制乙酰辅酶A羧化酶(ACCase)的合成，致使脂肪酸的合成停止，细胞的生长、分裂不能正常进行，从而抑制杂草生长。该类除草剂中手性品种较多，相关研究也较为深入，商品化的单一光学活性异构体品种较多。早在1953年就有资料报道，该类除草剂的除草活性几乎全部集中在R-体上，S-体几乎没有除草活性。一些欧洲发达国家对这类除草剂的使用有着严格的规定，如瑞士、丹麦等国规定2，4-滴丙酸(dichlorprop，DCPP)和2-甲-4-氯丙酸(mccoprop,MCPP)这两种除草剂必须使用其单一光学活性异构体。
氟吡禾灵(haloxyfop)的R-(+)-体比S-(-)-体对一年生禾本科杂草的除草活性要高1000倍；同样，喹禾灵(quizalofop)的R-(+)-体可阻碍离体玉米茎基悬浮液的脂肪酸合成，而S-(-)-体则无抑制活性，通过测定
禾草灵(diclofop)的R-(+)-体活性较高，而S-(-)体则活性很低，因此对禾草灵敏感的植物可能对其S-(-)-体具有很好的耐性。但在禾草灵的水生毒性研究中发现，其除草活性低的S-(-)-体对3种单细胞藻类——蛋白核小球藻Chlorellapyrenoidasa、普通小球藻Chlorella vulgaris和斜生栅藻Scenedes obliquus的毒性却与R-(+)-体相当，甚至更高，说明手性除草剂对映异构体的活性差异还会因作用对象种类的不同而改变。
3.2 咪唑啉酮类(Imidazolinones)除草剂
咪唑啉酮类(Scheme 2)除草剂是20世纪80年代由美国氰胺公司(现被巴斯夫公司收购)开发成功的一类高效、广谱、对动物无毒害作用的除草剂，其通过植物的叶与根而被迅速吸收，在木质部与韧皮部传导，积累于分生组织中，通过抑制靶标酶乙酰乳酸合成酶(ALS)的活性，破坏支链氨基酸的正常合成，从而导致植物死亡。目前共有6个品种，分别是咪唑乙烟酸(imazethapyr)、灭草烟(imazapyr)、甲氧咪草烟(imazamox)、咪唑喹啉酸(imazaquin)、眯草酯(imazamethabenz)和甲基咪草烟(imazapic)，都具有手性结构，存在一对对映异构体。但有关其手性问题的研究却相对较少，市场销售的仍然都是其外消旋体。目前该类除草剂不仅广泛应用于农田，也被用于森林、铁路和高速公路的杂草防治，是我国高效除草剂领域的重要支柱产品，但也存在着高残留、对后茬作物及环境安全有较大风险的缺点。同时，咪唑啉酮类除草剂的一对对映异构体也具有不同的除草活性，R-体对乙酰乳酸合成酶离体活性的抑制能力比S-体高8～10倍。
本研究组通过手性拆分的方法，曾成功分离得到所有眯唑啉酮类除草剂的单一光学活性异构体，并观察到眯唑乙烟酸对映异构体对玉米根的生长和根系形态结构例如根毛的发育有着显著的选择性抑制作用，其R-(-)-体的抑制作用比S-(+)-体强。同时Qian等研究发现，咪唑乙烟酸对映异构体对水稻的生长也具有选择性抑制作用，R-(-)-体比S-(+)-体更能显著增加超氧化物歧化酶(SOD)、氧化物酶(POD)以及丙二醛(MDA)的含量，表明R-(-)-体对水稻的胁迫作用比S-(+)-
体强。
在酶的水平上(离体)，咪唑啉酮类除草剂与ALS结合后存在着部分重叠的亲和位点，它们通过与通道内部的氨基酸残基连接，阻塞底物进入活性位点而起到抑制酶活性的作用。另外有研究表明，只有除草剂的结构因素会影响其对酶的抑制作用，传导、新陈代谢和吸收都不会影响除草剂对酶活性的作用。CoMFA计算结果表明，相对于静电场的影响而言，立体场的影响较大。咪唑啉酮类除草剂咪唑环上的碳原子为手性碳原子，从而可形成一对互为镜像关系的对映异构体，立体结构的差异是左右旋体的本质差异，因此，研究化合物结构与其对酶活性抑制作用的关系显得尤其重要。在关于咪唑啉酮类除草剂对靶标酶ALS的抑制能力存在对映体差异性机理的探索中，Zhou等运用分子对接的方法，研究了ALS和咪唑乙烟酸对映异构体结合的差异，结果发现，R-(-)-体比S-(+)-体与ALS具有更强的结合能力，从而具有较高的抑制活性，这与生理实验的结果完全一致。从分子立体构型的层面上研究除草剂对映异构体与靶标酶的作用机理，对理解手性除草剂的对映体差异性及开发具有高靶标活性的单一对映异构体均具有重要意义。
3.3 酰胺类(Acetanilides)除草剂
酰胺类(Scheme 3)除草剂中含有两个手性中心(手性碳原子和手性轴)，具有两对对映异构体，即：αS1′S、αS1′S和αS1′R、αS1′R。而除草活性主要集中在烷基部分的手性碳为S-构型的异构体即αS1′S和αS1′S 上。1976年，异丙甲草胺(metolachlor)以外消旋体的形式投入市场，1年后即逐步被具有较高除草活性的左旋体(S-体)所取代，左旋体的除草活性比其右旋体要高出10倍左右。研究表明，诺华公司开发的96%的高效异丙甲草胺(S-体)比其72%的外消旋体的除草活性高1.67倍。
氯乙酰胺类除草剂是酰胺类除草剂的主要品种之一，其除草作用机理主要是抑制脂类的生物合成。Couderchet等对N-噻吩氯乙酰胺类除草剂二甲吩草胺(dimethenamid)对映异构体间除草活性的差异进行了较为深入的研究。结果表明，在浓度达到5μmol/L时，其S-体可严重抑制绿藻的生长及脂肪酸的脱饱和作用，使不饱和脂肪酸的含量骤减，但是该浓度下其R-体对绿藻的生长则几乎不产生影响。同样，分别以二甲吩草胺左右旋体处理绿藻后，发现二者对细胞吸收醋酸盐及对醋酸盐、油酸结合到非油脂片断上的抑制程度都有明显的差异。德国巴斯夫公司进一步开发了具有单一光学活性的除草剂精二甲吩草胺(dimethenamid-P)，并于2000年商品化，其用量只需外消旋体的50%。
3.4 环己烯酮类(Cyclonenes)除草剂
环己烯酮类(Scheme 4)除草剂的作用特性与苯氧丙酸类相似，能被植物叶片吸收，并在韧皮部传导，作用于乙酰辅酶A羧化酶，从而抑制脂肪酸的合成，主要用于阔叶作物农田防除禾本科杂草。Whittington等分离得到了烯草酮(clethodim)的单一光学活性异构体，并进行了药效试验：分别将左、右旋体和外消旋体作用于玉米、大豆、谷莠子Setaria viridis (L.) Beauv.、稗草Echinochloa crusgalli(L.)Besuv.等8种植物，发现左旋体比右旋体和外消旋体的除草活性要高得多，使用量可降低50%，市场前景可观。
3.5 脲类(Ureas)除草剂
取代脲类除草剂化学结构的核心是脲(Scheme 5)，由于其氮取代基变化而形成不同品种。Ryoo等合成了一系列杀草隆(daimuron)的衍生物1-α-甲基苄基-3-(取代苯基)脲对映异构体，并研究了其对稻田杂草及水稻生长抑制作用的手性差异性，发现1-α-甲基苄基-3-(取代苯基)脲的对映异构体的除草效果与杂草种类及苯环上的取代基有关，取代基改变，或者作用对象改变，都会引起左、右旋体除草活性的差异。如R-2-异丙基和R-2-叔丁基衍生物能够有效抑制稗草、一年生和多年生的莎草Cyperus glomeratus L.；R-2-乙基和R-2-三氟甲基衍生物对多年生莎草属杂草有较强的除草活性；除杀草隆及其氟取代物的S-体对稗属植物有强效作用外，其他S-体均没有除草活性。而且，1-α-甲基苄基-3-(甲苯基)脲(R/S-MBTU)对映异构体对不同作物的选择性抑制作用也不同：R-MBTU可有效抑制水稻生长而对小麦无明显毒害作用，S-MBTU则正好相反。根尖游离氨基酸含量减少是R-和S-MBTU使水稻和小麦发生药害的重要原因：S-MBTU会降低小麦根尖中的谷氨酸、缬氨酸、亮氨酸、异亮氨酸和丙氨酸水平，从而使其根系生长受阻；而R-MBTU使水稻根尖谷氨酸、天冬氨酸、亮氨酸和丙氨酸含量降低，氮代谢和纤维素合成受阻，多种基因转录受到抑制，从而使水稻根系生长受到抑制。对水稻不产生毒害作用的S-体可有效抑制稻田杂草的生长。手性除草剂对植物的选择性作用会因植物种类不同而不同，这一特性为有目的地开发新的单一光学活性除草剂提供了依据。
3.6 二苯醚类(Diphenyl ethers)除草剂
二苯醚类(Scheme 6)除草剂是一种原卟啉原氧化酶(Pmtox)抑制剂，其作用机理是抑制植物的光合作用，使叶绿素合成受阻，从而导致杂草叶片枯萎死亡。目前已有近20个品种商品化，其中的硝基联苯醚具有手性结构。Camilleri等的研究发现，其S-(-)体比R-(+)体具有更高的脂质过氧化活性。而产生脂质过氧化对映异构体活性差异的原因是由于硝基联苯醚与酶的结合作用方式具有空间立体选择性，S-(-)体与靶标酶的结合更紧密，在硝基联苯醚的活性部位形成一个域，抑制了酶在原卟啉Ⅸ与原叶绿素羧酯之间的生物合成途径，导致原卟啉Ⅸ水平的提高。另一种二苯醚类除草剂5-[2-chloro-4-(trifluoromethyl)phenoxy]-2-nitroacetophenone oxime-O-(acetic acid，memylester)(DPEI)的S-(-)体也比R-(+)体具有更高的除草活性，用量仅为R-(+)体的l/4，其原因也是由于S-(-)体与原卟啉Ⅸ氧化酶活性位点的结合能力更强，能够更有效地抑制原卟啉Ⅸ氧化酶的活性。
近期开发的二苯醚类化合物只有氯氟草醚(ethoxyfen-ethl)，是由匈牙利布达佩斯化学公司(Budapest Chemical Works)开发成功的具有单一光学活性异构体的高效旱田苗后除草剂。
3.7 三嗪类(Triazines)除草剂
对于一些多位点抑制型除草剂，其对映异构体对不同位点的抑制强度也有所差异，两个对映异构体可能均能表现出很高的活性，但作用机理却完全不同。
三嗪类除草剂(Scheme 7)的R-体能在黑暗条件下抑制根系生长，诱导细胞分裂素类似物的生成，其S-体则能够抑制光系统II的电子传递过程。三嗪氟草胺(triaziflam)和与其结构相似的diaminotriazines能够选择性地抑制光合作用、微管形成及纤维素合成。两种化合物的S-体均优先抑制光系统II的电子传递(PET)，然而在黑暗条件下R-体对Cleaver悬浮细胞和水芹幼苗生长的抑制活性比S-体强100倍；它们又都是细胞有丝分裂和纤维素合成抑制剂，三嗪氟草胺的R-体能够更有效地阻碍细胞分裂和微管形成，从而抑制植物生长。
手性除草剂与植物作用的关系十分复杂。理论上讲，植物体中参与代谢的酶是手性的，因此，当酶与具有手性特征的底物发生作用时，其活性应表现出对映异构体选择性差异，但是这种差异却因植物种类和环境因素的改变而改变。更多机理方面的深入研究还有待更系统地开展。
4 除草剂环境归趋的手性差异
手性除草剂通过点源污染和面源污染进入环境，广泛分布于水体、沉积物、土壤和生物体中，在环境中易被生物选择性降解。例如，通过对瑞士河流和湖泊的采样调查分析发现，残留于水体中的苯氧丙酸类除草荆对映异构体存在数量上的差异，其中左旋的2-甲-4-氯丙酸(MCPP)和2，4-滴丙酸(DCPP)的量占优势；精吡氟禾草灵(fluaZifop-P-butyl)在土壤中的降解也存在明显的对映体差异，其S-体的降解速率明显快于R-体；海洋微生物对DCPP的降解也具有对映体选择性，使得其尺一体的降解速率明显快于S-体。
4.1 环境因素对除草剂对映异构体选择性降解的影响
手性除草剂在环境中的选择性降解具有一定的普遍性，但不是一成不变的，其情况十分复杂，不仅与该除草剂自身的理化性质有关，同时还与其存在的环境因素相关，诸如土壤类型、植物种类、微生物群落结构、温度、pH值等均会改变手性除草剂对映异构体的环境归趋。
酰胺类除草剂甲霜灵的降解具有较高的对映异构体选择性，但其降解速率主要依赖于环境因素。Marucchini等的研究表明，其R-体在土壤中降解较快，而S-体在植物中降解较快；Buerge等的研究则发现，在不同pH值的土壤中，甲霜灵左、右旋对映异构体的降解速率相差极大：在pH>5的土壤中，R-体比S-体降解快，而在pH为4～5的土壤中，两者降解速率相近，在pH<4的土壤中，则S-体比R-体降解快。
在反硝化条件下，草甘膦的R-体可快速降解，而S-体含量则保持不变，只有当S-体彻底降解后，S-体才开始降解；而在有氧条件下，S-和S-体的降解速率分别为1.90和1.32 mg/(L·d)。
Buser等对瑞士湖泊及北海水域中MCPP的含量进行了测定，发现其对映异构体的选择性降解因地域的不同而不同。在北海，其对映体比率(ER，ER=(+)-体/(-)-体或R-体/S-体)值约为0.9，而在瑞士湖泊中的ER值则达到了2.5。Zipper等在对瑞士地下水的测定中同样检测到了MCPP对映异构体的降解差异，虽然其R-体浓度明显高于S-体，但不同地区各异构体的降解速率均不同。多数研究表明，土壤中施用DCPP和MCPP后会优先选择性地降解其R-体，但不同的土壤理化性质也会使这种手性选择性产生一定的差异。如Romero等研究了DCPP和MCPP在3种不同土壤中的降解，结果表明，在粉土和沙壤土中，S-体降解速率比R-体慢，而在粘壤土中情况则正好相反；Garrison等研究DCPP和MCPP在土壤中降解的结果也是S-体的降解速率快于R-体。其原因可能是由于不同环境介质中生长的微生物种类不同所致。
4.2 作用对象对除草剂对映异构体选择性降解的影响 、
一定环境条件下，除草剂作用的对象不同，其对映异构体降解的选择性可能也不同。Schneiderheinze等将DCPP和MCPP的外消旋体施用于3种草坪草、4种阔叶杂草和土壤中，结果发现，在大多数阔叶杂草和土壤中，每种除草剂的S-体都优先得到了降解，而在草坪草中却未表现出对映异构体降解的选择性。Wang等为了研究除草剂乙氧呋草黄(ethofumesate)对映异构体在草坪草及土壤中的选择性降解情况，选用2种草坪草分别种植在4种不同的耕作土壤上，结果表明：仅有1种土壤表现出存在选择性降解现象，其ER值为1.65，即表现为(+)-体在这种土壤中的相对积累；另外3种土壤中除草剂的对映异构体含量均接近其外消旋体；与此同时，植物体内测得的ER值均达到3。
可见，手性除草剂对映异构体在环境中的去向没有一定的模式，情况是十分复杂的，针对不同的作用对象，在除草剂降解过程中由于参与代谢的酶不尽相同，其与各对映异构体的匹配程度也有差异，因此，降解速率也会不同。更多系统的、机理性的研究也有待进一步更深入地开展。
由于手性除草剂施用后其对映异构体在环境中的归趋不尽相同，导致各异构体数量上的差异也可能是除草剂除草作用表现出对映异构体差异的原因之一，而可能并不完全是对映异构体本身对植物活性的差异。例如，氟吡乙禾灵(haloxyfop-ethyl)的R-(+)体比S-(-)体对一年生禾本科杂草的活性要高1000倍，但芽前土壤处理时两者的活性却相近，分析表明，在7d内其S-(-)体转变为了R-(+)体，说明在土壤中S-(-)体有可能会转变为R-(+)体；有机膦类除草剂双丙氨酰膦(bilanafos)和草胺膦(glufosinate)的外消旋体在土壤中也可被微生物迅速转化为L-体，因而表现为更高的除草活性。
5 展望
长期以来，无论是在研究除草剂的作用机理还是环境行为及生态效应方面，人们都把外消旋体视为单一化合物。然而，实践证明，当外消旋体进人生态环境后，其对靶标生物或非靶标生物的毒性及其在生物体内的代谢都可能存在明显的对映异构体差异，低效、无效甚至有毒副作用的对映异构体的存在，不仅会降低药效，污染环境，而且还可能产生毒副作用，导致药害或抗药性的产生。
随着手性技术的发展和人们认识的逐步加深，除草剂的手性研究已逐步得到重视，但是还有待于对手性除草剂的选择性进行更深入的机理上的研究；对映异构体随着环境条件、作用对象等因素的改变而呈现出多变的特质，因而也有待于建立更加系统的研究体系。
只有在对映异构体水平上研究手性除草剂的除草活性、对非靶标生物的毒性及其环境归趋问题，才能弄清其真正的行为和效应，就手性除草剂对人类健康和生态系统的风险性作出准确的评价，为开发高效、经济、低毒副作用的环境友好型单一光学活性农药提供实验和理论依据。
作者单位：(1.浙江大学环境与资源学院，教育部环境修复与生态健康重点实验室/浙江省亚热带土壤与植物营养重点实验室，杭州 310029；2.浙江工业大学绿色手性研究中心，杭州 310032)
注明：国家重点基础研究发展规划（“973”计划）项目（2009CB421603）；国家自然科学基金项目（30771255）。
