Hoạt chất trừ sâu Chlorfenapyr

Chlorfenapyr là một hoạt chất trừ sâu duy nhất thuộc Nhóm 13 theo IRAC đang được sử dụng trong nông nghiệp. Chlorfenapyr được phát triển bởi công ty American Cyanamid, sau này được BASF mua lại. Nó có nguồn gốc từ một nhóm các hợp chất được sản xuất bởi vi sinh vật, được gọi là các pyrrole halogen hóa, cụ thể là từ sản phẩm tự nhiên dioxapyrrolomycin, được phân lập từ vi khuẩn Streptomyces fumanus. Hoạt chất này được phát hiện tại Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp của Cyanamid vào năm 1988.

Về mặt hóa học, tên gọi đầy đủ của Chlorfenapyr theo IUPAC là 4-bromo-2-(4-chlorophenyl)-1-(ethoxymethyl)-5-(trifluoromethyl)-1H-pyrrole-3-carbonitrile (C_15​H₁₁​BrClF₃​N_2​O) với khối lượng phân tử 407,6 g/mol.

Một đặc điểm quan trọng của Chlorfenapyr là nó thuộc dạng tiền thuốc trừ sâu (pro-insecticide), nghĩa là bản thân nó ít hoặc không có hoạt tính sinh học trực tiếp. Thay vào đó, sau khi xâm nhập vào cơ thể dịch hại, Chlorfenapyr sẽ được chuyển hóa thành một dạng có hoạt tính mạnh hơn, Tralopyril.

Tính chất vật lý và hóa học

Chlorfenapyr tồn tại ở điều kiện thường dưới dạng bột màu trắng nhạt đến nâu nhạt có mùi halide và ketone. Điểm nóng chảy 100-101°C. Độ tan trong nước khoảng 0,14 mg/L ở 25°C, gần như không tan trong nước, nhưng tan nhiều hơn trong các dung môi hữu cơ dichloromethane 1.410; acetone: 1.140; toluene 754; acetonitrile 684; methanol 70,9 (g/L ở 25°C). Áp suất hơi thấp, cho thấy tính bay hơi kém. Các giá trị được báo cáo là 9,81×10⁻⁶ Pa (ở 20°C), cho thấy nó là một chất không bay hơi ở điều kiện thường. Chlorfenapyr không có hằng số phân ly (pKa), không bị ảnh hưởng trong dải pH thông thường của môi trường, tính ổn định cao, bám dính tốt, dễ dàng thấm qua lớp biểu bì sáp của lá cây và vỏ ngoài côn trùng, từ đó phát huy tác dụng diệt trừ một cách hiệu quả.

Cơ chế tác động

Lõi pyrrole là khung sườn hay trái tim của toàn bộ phân tử. Vòng dị thể này là nền tảng để gắn kết tất cả các nhóm chức khác, tạo nên cấu trúc không gian đặc thù cần thiết cho hoạt động. Xung quanh lõi pyrrole được trang bị các nhóm chức có khả năng hút electron rất mạnh, giúp tăng cường độc tính của phân tử sau khi được hoạt hóa.

Nhóm n-ethoxymethyl là gốc chức đặc biệt và quan trọng nhất, quyết định bản chất "tiền thuốc" của Chlorfenapyr. Khi Chlorfenapyr xâm nhập vào cơ thể côn trùng, các enzyme chuyên biệt của chúng (MFOs) sẽ nhận diện và cắt bỏ gốc n-ethoxymethyl này ra khỏi phân tử. Việc loại bỏ nhóm này sẽ tạo ra một hợp chất mới có hoạt tính (Tralopyril), để lộ ra một nhóm -NH trên vòng pyrrole. Chính hợp chất mới này mới là "sát thủ" thực sự, có khả năng phá vỡ quá trình sản xuất năng lượng trong ty thể.

Nhóm 4-chlorophenyl được gắn vào vị trí số 2 của lõi pyrrole, hoạt động như một "cánh tay" kỵ nước lớn, giúp phân tử nhận diện và tương tác hiệu quả với màng ty thể, nơi diễn ra quá trình sản xuất năng lượng. Nguyên tử Cl trên vòng này giúp tăng cường ái lực liên kết và độ bền của phân tử.

Chlorfenapyr là một tiền thuốc trừ sâu (pro-insecticide), nghĩa là bản thân nó ít có hoạt tính sinh học cho đến khi được chuyển hóa bên trong cơ thể dịch hại. Quá trình hoạt hóa này diễn ra thông qua sự loại bỏ nhóm N-ethoxymethyl bằng các enzyme mixed-function oxidase (MFOs), tạo thành hợp chất có hoạt tính là Tralopyril. Các nghiên cứu cho thấy Chlorfenapyr gần như không có hoạt tính tách cặp, trong khi Tralopyril là một chất tách cặp rất mạnh và có độc tính cấp cao hơn Chlorfenapyr đối với cả động vật có xương sống và côn trùng.

Cơ chế chính của Tralopyril là tách cặp quá trình phosphoryl hóa oxy hóa diễn ra tại ty thể của tế bào. Quá trình này làm gián đoạn sự sản sinh Adenosine Triphosphate (ATP), phân tử năng lượng thiết yếu cho mọi hoạt động sống của tế bào. Việc thiếu hụt ATP dẫn đến rối loạn sản xuất năng lượng, gây chết tế bào và cuối cùng là tiêu diệt dịch hại.

Sự phá vỡ gradient proton là mấu chốt trong cơ chế tách cặp của Tralopyril. Là một axit yếu ái dầu, Tralopyril có khả năng làm tiêu tán gradient proton (chênh lệch nồng độ ion H⁺) qua màng trong của ty thể. Gradient proton này là động lực chính cho enzyme ATP synthase tổng hợp ATP. Bằng cách vận chuyển các proton năng lượng cao trở lại vào chất nền ty thể mà không đi qua ATP synthase, Tralopyril làm cho năng lượng từ chuỗi chuyền điện tử bị thất thoát dưới dạng nhiệt thay vì được sử dụng để tổng hợp ATP.

Quá trình chuyển hóa thành hợp chất Tralopyril có hoạt tính mạnh hơn là một bước quan trọng, không chỉ quyết định hiệu quả mà còn có thể ảnh hưởng đến tính chọn lọc và khả năng hình thành tính kháng của Chlorfenapyr. Bản thân Chlorfenapyr có hoạt tính thấp, và sự hoạt hóa phụ thuộc vào enzyme MFOs của dịch hại. Tốc độ và hiệu quả của quá trình chuyển hóa này có thể khác nhau giữa các loài, có khả năng ảnh hưởng đến tính chọn lọc. Nếu một sinh vật không phải mục tiêu chuyển hóa nó chậm hoặc khác đi, nó có thể ít bị ảnh hưởng hơn. Ngược lại, nếu một dịch hại mục tiêu chuyển hóa nó nhanh chóng thành dạng hoạt động, nó sẽ dễ bị tổn thương hơn. Tính kháng có thể phát triển thông qua việc giảm hoạt động của MFO hoặc thay đổi MFOs không chuyển hóa hiệu quả Chlorfenapyr, hoặc thông qua việc tăng cường giải độc Tralopyril.

Cơ chế tách cặp, bằng cách phá vỡ nguồn cung cấp năng lượng cơ bản của tế bào, vốn dĩ khó bị dịch hại vượt qua thông qua các đột biến đơn điểm tại một vị trí tác động, góp phần vào giá trị của nó trong việc quản lý tính kháng đối với các loại thuốc trừ sâu có mục tiêu cụ thể hơn (ví dụ, các chất độc thần kinh). Điều này giải thích tại sao Chlorfenapyr thường không cho thấy tính kháng chéo với các loại thuốc trừ sâu tác động thần kinh và có giá trị trong các chương trình luân phiên thuốc.

Hiện tượng sốt cao (hyperthermia) quan sát thấy trong các trường hợp ngộ độc ở người là một hậu quả trực tiếp của việc tách cặp quá trình phosphoryl hóa oxy hóa, nơi năng lượng từ quá trình chuyển hóa bị tiêu tán dưới dạng nhiệt thay vì được chuyển đổi thành ATP. Chất chuyển hóa có hoạt tính của Chlorfenapyr làm tách cặp quá trình phosphoryl hóa oxy hóa. Trong quá trình này, năng lượng được giải phóng từ quá trình oxy hóa cơ chất thông qua chuỗi vận chuyển điện tử, thường thúc đẩy việc bơm proton và tổng hợp ATP sau đó, thay vào đó bị mất dưới dạng nhiệt vì gradient proton bị đoản mạch.

Tác động đến môi trường

Thời gian bán phân hủy (DT₅₀) ngoài đồng khoảng 233-364 ngày. Đây là chỉ số cho thấy Chlorfenapyr có độ bền cao trong đất. Chlorfenapyr cũng bền vững với quá trình thủy phân ở pH từ 4 đến 9 (điều kiện nhiệt độ 20°C). DT₅₀​ do quang phân trong nước ở pH 7 là 6,2 ngày, cho thấy tốc độ phân hủy vừa phải dưới tác động của ánh sáng.

Hệ số Freundlich (Kf) thay đổi rất nhiều tùy thuộc vào loại đất. Hệ số hấp phụ carbon hữu cơ (Koc)​ khoảng 12 L/g (7-20 L/g). Giá trị Koc​ rất cao này cho thấy Chlorfenapyr có khả năng liên kết cực kỳ chặt chẽ với các hạt đất và chất hữu cơ, nguy cơ di chuyển và rửa trôi vào nguồn nước ngầm rất thấp.

Hệ số phân bố octanol/nước (LogKow) trung bình khoảng 4,8 cho thấy Chlorfenapyr là chất ưa béo (lipophilic), có xu hướng tích lũy trong các mô mỡ của sinh vật. Hệ số tích lũy sinh học (BCF) đối với cá là 119, cho thấy Chlorfenapyr có khả năng tích lũy sinh học ở mức trung bình đến cao trong cơ thể sinh vật thủy sinh.

Chlorfenapyr được xếp vào nhóm có độc tính cao đối với ong. Giá trị LD₅₀​ cấp tính qua tiếp xúc hoặc đường miệng đối với ong mật Apis mellifera được báo cáo là 0,2 µg/con ong. Đối với ong thợ Osmia excavata, LD₅₀​ cấp tính qua đường miệng là >1,75 µg/con ong, được đánh giá là độc tính trung bình. Chlorfenapyr có độc tính cao đối với chim. LD₅₀​​ cấp tính qua đường miệng đối với vịt trời là 10 mg/kg và đối với chim cút Colinus virginianus là 34 mg/kg.

Chlorfenapyr rất độc đối với cá. LC₅₀​​ cấp tính 96 giờ đối với cá Oncorhynchus mykiss là 7 µg/L. Đối với cá Lepomis macrochirus, LC₅₀​ 96 giờ là 11,6 µg/L, và đối với cá chép là 500 µg/L cho thấy sự khác biệt về độ nhạy cảm giữa các loài). Nồng độ NOEC mãn tính 21 ngày đối với cá Cyprinodon variegatus là >8,71 µg/L, cũng cho thấy nguy cơ độc tính mãn tính cao. Chlorfenapyr cũng rất độc đối với động vật không xương sống thủy sinh. EC₅₀​ cấp tính 48 giờ đối với rận nước Daphnia magna là 6,1 µg/L. NOEC mãn tính 21 ngày đối với Daphnia magna là 3,57 µg/L, cho thấy nguy cơ độc tính mãn tính cao.

Độc tính với sức khỏe con người

Chlorfenapyr kỹ thuật có độc tính đường miệng từ trung bình đến cao, độc tính qua da thấp và độc tính qua đường hô hấp thấp. LD₅₀ ở chuột khoảng 500-1.000 mg/kg bw. LD₅₀ qua da trên thỏ và chuột > 2.000 mg/kg bw. LC₅₀ qua đường hô hấp 4 giờ trên chuột 1,9 mg/L không khí.

Các nghiên cứu cho thấy cơ quan đích chính của Chlorfenapyr là hệ thần kinh trung ương và gan. Diễn biến lâm sàng thường có một giai đoạn tiềm ẩn (có thể kéo dài đến 14 ngày), sau đó là các triệu chứng như vã mồ hôi, buồn nôn/nôn, thay đổi trạng thái tâm thần, sốt cao (≥38°C), tiêu cơ vân và các triệu chứng thần kinh tiến triển xấu dần cho đến tử vong.

Chlorfenapyr không gây đột biến, ít có khả năng gây ung thư.

ADI ở người là 0,03 mg/kg trọng lượng cơ thể/ngày. Đây là lượng Chlorfenapyr mà một người có thể tiêu thụ mỗi ngày trong suốt cuộc đời mà không gây ra rủi ro đáng kể cho sức khỏe.

Ứng dụng

Chlorfenapyr có thể gia công cùng các hoạt chất khác như Bifenthrin, Chlorantraniliprole, Cyhalodiamide, Emamectin benzoate, Indoxacarb, Lufenuron, Metaflumizone, Tebufenozide, Thiamethoxam, Tolfenpyrad... thành các dạng thuốc khác nhau:

• EC (Timdiet 250EC)
• SC (Chlorferan 240SC; Masterpyr 240SC; Omega-Secbi 10SC; Tesla 25SC; Super Ken 170SC; New Fuze 200SC; Fan-Pro 250SC; NBC-Taboo 280SC; Tifena 300SC; Tolena 200SC; Lorcy 265SC)
• ME (Lufen plus 25ME)

Kết luận

Chlorfenapyr là một hoạt chất trừ sâu và trừ nhện thuộc nhóm pyrrole, được phân loại vào Nhóm 13 theo IRAC, với cơ chế tác động độc đáo là tách cặp quá trình phosphoryl hóa oxy hóa tại ty thể sau khi được chuyển hóa thành dạng có hoạt tính (Tralopyril) trong cơ thể dịch hại. Đặc điểm này mang lại hiệu quả cao đối với nhiều loại dịch hại, kể cả những loài đã kháng các nhóm thuốc trừ sâu truyền thống, và làm cho Chlorfenapyr trở thành một công cụ quan trọng trong các chương trình quản lý tính kháng. Việc sử dụng chúng đòi hỏi phải cân nhắc cẩn thận về các rủi ro tiềm ẩn đối với môi trường và sức khỏe con người, đồng thời tuân thủ các thực hành quản lý tốt nhất để giảm thiểu các tác động bất lợi và duy trì hiệu quả của chúng.