亞洲玉米螟性信息素合成方法和應(yīng)用進展

李金濤，王瀅秀，張作山，劉欽勝，李旭坤，王 霞，江忠萍

(山東省農(nóng)藥科學研究院 山東省化學農(nóng)藥重點實驗室，濟南 250033)

玉米是我國主要的糧食作物，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上占有舉足輕重的地位，對保障糧食安全具有重要意義。亞洲玉米螟(Ostrinia furnacalis)屬鱗翅目，螟蛾科，稈野螟屬，是為害玉米的第一大害蟲，一般年份可造成玉米減產(chǎn) 10%～30%，大發(fā)生年份減產(chǎn)50%以上，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成巨大經(jīng)濟損失。亞洲玉米螟在我國分布廣泛，主要玉米產(chǎn)區(qū)均有分布，其中吉林、黑龍江、河南、四川等地玉米螟危害嚴重[1]，近年來山東、河北等地危害也逐漸加重。

目前防治亞洲玉米螟的主要措施有以下4種：農(nóng)業(yè)防治、物理防治、化學防治及生物防治。農(nóng)業(yè)防治需要協(xié)調(diào)作物、害蟲、農(nóng)田環(huán)境三者間的關(guān)系，對種植者要求高，不易推廣；化學防治效果好，但是抗藥性及殘留問題大，不環(huán)保；物理防治效果較差，設(shè)備成本較高。對環(huán)境友好、無抗藥性問題、對天敵友好的生物防治措施越來越受到政府和種植者的青睞[2-4]。而以昆蟲性信息素為依托的應(yīng)用技術(shù)在生物防治方案中脫穎而出，以其獨有的諸多優(yōu)點：用量少、靈敏度高、安全性強、高度專一性、對環(huán)境友好[5]，越來越引起社會的廣泛關(guān)注。2016年中央一號文件提出推廣高效、低毒、低殘留農(nóng)藥，實施農(nóng)藥零增長行動，開發(fā)“綠色農(nóng)藥”已成為農(nóng)藥行業(yè)大勢所趨，昆蟲性信息素作為生態(tài)環(huán)境友好的新型生物農(nóng)藥，其制備合成及推廣應(yīng)用必定會越來越受到政府和社會的重視和支持。

1 亞洲玉米螟性信息素的分子組成

1980年，Klun等[6]首次確定了亞洲玉米螟性信息素的分子組成，有效成分為(Z,E)-12-十四碳烯-1-醇乙酸酯(見圖1)，Z/E比例為53∶47，接近1∶1。隨后研究人員對亞洲玉米螟性信息素的分子結(jié)構(gòu)進行了大量研究[7-8]，證實亞洲玉米螟性信息素主要成分為(Z,E)-12-十四碳烯-1-醇乙酸酯和正十四碳醇乙酸酯的混合物，誘蛾活性隨各組分比例變化而不同[5]。當前對誘蟲活性最高的有效成分的比例還沒有一致結(jié)論，可以確定的是正十四碳醇乙酸酯本身沒有誘蛾活性，但是其在性誘的生物行為中起到了重要的信息傳遞作用。

圖1 亞洲玉米螟性信息素的化學結(jié)構(gòu)

2 亞洲玉米螟性信息素的主要化學合成方法

亞洲玉米螟性信息素化學合成的關(guān)鍵在于如何引入雙鍵體系，所以亞洲玉米螟性信息素依據(jù)構(gòu)建雙鍵的不同策略，其化學合成方法主要分為以下 3種：炔化物合成法、格氏偶聯(lián)法以及wittig縮合法。其中炔化物合成法原料不易得、價格昂貴、合成路線較長、合成收率低，只是作為制備單一構(gòu)型的順式或者反式-12-十四碳烯-1-乙酸酯的合成技術(shù)。當前化學合成亞洲玉米螟性信息素主要采用格氏偶聯(lián)法和 wittig縮合法。以下從雙鍵構(gòu)建策略上對目前亞洲玉米螟性信息素的化學合成方法分別進行梳理和介紹。

2.1 通過格式偶聯(lián)反應(yīng)引入雙鍵

格式偶聯(lián)反應(yīng)是有機合成中一種常見的增長碳鏈的合成方法，將含有高度立體選擇性的碳碳雙鍵的小分子化合物，通過格式偶聯(lián)反應(yīng)連接到碳鏈上，實現(xiàn)了高度立體選擇性的雙鍵的引入。

梁霆等[9]以順-4-己烯-1-醇和 1,8-辛二醇為起始原料，1,8-辛二醇經(jīng)單溴代反應(yīng)，利用2,3-二氫吡喃保護醇羥基，再制成格氏試劑；順-4-己烯-1-醇與對甲基苯磺酰氯反應(yīng)得到小分子烯醇酯，進而與格氏試劑進行偶聯(lián)反應(yīng)，再經(jīng)脫保護反應(yīng)、酯化反應(yīng)，得到高度立體選擇性的單一立體構(gòu)型的(Z)-12-十四碳烯-1-醇乙酸酯，反應(yīng)立體選擇性高。文中也提到利用巴豆醇和1,10-癸二醇為原料，進行上述類似反應(yīng)可以得到(E)-12-十四碳烯-1-醇乙酸酯，產(chǎn)物中E/Z比例為 95∶5。亞洲玉米螟性信息素合成路線 1見圖2所示。

圖2 亞洲玉米螟性信息素合成路線1

2.2 通過wittig反應(yīng)引入雙鍵

wittig縮合反應(yīng)在有機合成中是一種常見的制備雙鍵的化學合成方法，可以用醛、酮與 wittig試劑直接合成烯烴。目前化學合成(Z,E)-12-十四碳烯-1-醇乙酸酯(亞洲玉米螟性信息素)主要以1,12-十二碳二醇為原料，也有用相對廉價易得的(Z)-12-二十二碳烯酸、1,13-十三碳二酸為原料。根據(jù)醛和wittig試劑的不同又分為2條路線：路線一是經(jīng)單溴代反應(yīng)、季膦鹽制備反應(yīng)得到長鏈季膦鹽后，再與短碳鏈的乙醛進行 wittig縮合反應(yīng)得到(Z,E)-12-十四碳烯-1-醇，再經(jīng)乙酰化反應(yīng)得到目標產(chǎn)物；路線二是1,12-十二碳二醇經(jīng)單溴代反應(yīng)或單乙酰化反應(yīng)，再經(jīng)氧化反應(yīng)得到關(guān)鍵中間體長碳鏈醛(乙酰氧基十二碳醛)，再和短碳鏈的季膦鹽(乙基三苯基溴化膦或者甲基三苯基溴化膦)進行wittig縮合反應(yīng)得到目標產(chǎn)物。下面分別介紹這2條合成路線。

2.2.1 wittig合成路線一

陳家威等[10]以 1,12-十二碳二醇為起始原料先經(jīng)過單溴代反應(yīng)、季膦鹽制備反應(yīng)得到長鏈羥基膦溴鹽，再經(jīng)過 wittig反應(yīng)得到相應(yīng)的順式為主的(Z,E)-12-十四碳烯-1-醇，再在硝酸和亞硝酸鈉體系中經(jīng)雙鍵構(gòu)型轉(zhuǎn)化，得到Z/E組成比例為21∶79的反式為主的(Z,E)-12-十四碳烯-1-醇，最后通過乙酰化反應(yīng)得到(Z,E)-12-十四碳烯-1-醇乙酸酯，總產(chǎn)率32%左右。亞洲玉米螟性信息素合成路線 2見圖 3所示。

2.2.2 wittig合成路線二

劉偉等[11]以相對廉價的 1,13-十三碳二酸為起始原料，通過還原反應(yīng)、乙酰化反應(yīng)、氧化反應(yīng)制得關(guān)鍵中間體 13-醛基-1-十三碳醇乙酸酯，再經(jīng)wittig縮合反應(yīng)、雙鍵移位反應(yīng)，經(jīng)過2種不同的后處理方式分別得到Z/E比例為27∶73和73∶27的產(chǎn)物，總產(chǎn)率接近40%。亞洲玉米螟性信息素合成路線3見圖4所示。

圖4 亞洲玉米螟性信息素合成路線3

2.3 通過炔化物加氫反應(yīng)引入雙鍵

在合成化學中，通過炔鍵引入碳碳不飽和鍵，再經(jīng)不同途徑的選擇性還原反應(yīng)制備高度立體選擇性的單一構(gòu)型的順式或者反式雙鍵體系，是一種非常有效的合成方法。早期化學合成制備昆蟲性信息素大都通過這種方法。

Klun等[6]就是利用炔化物直接引入碳碳不飽和鍵，首次合成了單一構(gòu)型的順式或者反式絕對構(gòu)型的亞洲玉米螟性信息素。通過7個碳原子的端基炔與碘甲烷反應(yīng)增長一個碳原子后再與含6個碳原子的格式試劑反應(yīng)再增長6個碳原子，再經(jīng)三鍵的選擇性順式氫化和反式氫化、酯化反應(yīng)得到單一構(gòu)型的順式或者反式絕對構(gòu)型的亞洲玉米螟性信息素。亞洲玉米螟性信息素合成路線4見圖5所示。

在美國對伊朗制裁政策中，母公司是否會由于子公司的行為而被制裁？這是所有企業(yè)都非常關(guān)注的一個問題，但這個問題的判斷標準和實踐并不明確。

圖5 亞洲玉米螟性信息素合成路線4

丁俊祥等[12]以四氫糠醇為原料，經(jīng)氯代反應(yīng)、 開環(huán)反應(yīng)形成碳碳三鍵，再與溴代辛烷反應(yīng)得到4-十三碳炔醇，再經(jīng)碳碳三鍵移位、與碘甲烷反應(yīng)增加1個碳原子得到12-十四碳炔醇。最后經(jīng)氫化反應(yīng)、異構(gòu)化反應(yīng)、酯化反應(yīng)得到(Z,E)-12-十四碳烯-1-醇乙酸酯。亞洲玉米螟性信息素合成路線5見圖6所示。

圖6 亞洲玉米螟性信息素合成路線5

3 應(yīng)用研究進展

為了更好地使亞洲玉米螟性信息素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上發(fā)揮高效、專一性、環(huán)保、對作物安全的防控優(yōu)勢，大批研究人員對亞洲玉米螟性信息素進行了田間應(yīng)用研究，包括田間生物活性測定，誘芯配方、誘芯載體、使用技術(shù)、配套誘捕器選擇等。通過田間生測收集數(shù)據(jù)，分析樣品的生物活性，改進誘芯劑型和使用方法。目前，亞洲玉米螟性信息素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上主要用于蟲情監(jiān)測預(yù)報、誘捕誘殺，基本沒有涉及迷向防治研究的報道。下面就對亞洲玉米螟性信息素的應(yīng)用研究情況進行總結(jié)和梳理。

3.1 蟲情監(jiān)測

隨著人們生活水平的不斷提高，城鄉(xiāng)燈光基本普及，導致傳統(tǒng)燈誘和糖醋液誘蛾效果降低，農(nóng)業(yè)基層測報人員欠缺昆蟲種類鑒定知識，降低了分類計數(shù)的準確性，而昆蟲性信息素的高效、專一性正好填補了這些不足。

周劍波等[13]進行了測報燈、玉米螟性誘捕器和人工田間監(jiān)測蟲情對比試驗。使用FMT-飛蛾類通用型性誘監(jiān)測器，以誘芯為毛細管型，設(shè)置高度為60～80 cm。試驗結(jié)果顯示FMT-飛蛾類通用型性誘監(jiān)測器可單獨用于預(yù)測害蟲發(fā)生期，準確率相對原有標準提高2%，使用簡單方便，而且每年性誘劑成本只需6元。

牟吉元等[14]對亞洲玉米螟性誘劑監(jiān)測效果進行了對比試驗，證實誘測發(fā)蛾峰期和發(fā)蛾盛期與實際發(fā)生情況一致，推測第1代蟲害發(fā)生程度也與實際情況相符，誘測越冬代成蟲效果也優(yōu)于黑光燈，可以取代黑光燈，但是誘測第2代成蟲的效果不如黑光燈。

3.2 誘捕、誘殺

以亞洲玉米螟性信息素為有效成分，配以合適的誘捕器，可以達到傳統(tǒng)化學農(nóng)藥的防效，而且具有一定的經(jīng)濟效益。

孫淑蘭等[16]在 1992-1994年進行了亞洲玉米螟性誘劑防治試驗，對誘捕地點、誘捕器放置高度、密度以及放置時間、誘芯劑量進行了大量研究，取得了一系列數(shù)據(jù)。試驗發(fā)現(xiàn)對防治越冬代玉米螟效果顯著，25 μg有效成分的誘芯誘蛾效果最好，水盆式誘捕器最佳，吉林省在6～7月誘捕效果好，西部地區(qū)6～7月上旬最佳，懸掛高度1.2 m最佳，每公頃設(shè)置15個誘捕器。

張振鐸等[17]用毛細管誘芯在玉米田進行了誘捕試驗，試驗結(jié)果表明：玉米螟性誘劑發(fā)揮了預(yù)期的誘捕效果，具有可行性，不僅降低了成蟲的密度，一定程度上也減少了玉米螟產(chǎn)卵和幼蟲數(shù)量；誘捕器設(shè)置密度為每0.13 hm2(2畝)安放一個誘捕器較為適宜。

胡代花等[18]測試了3種不同誘芯對陜西關(guān)中灌區(qū)亞洲玉米螟的引誘活性，另外也比較了2種不同的誘捕器(水盆式和三角形)及不同懸掛高度的誘捕效果，確定了使用三角型誘捕器2 m高度的效果優(yōu)于1.5 m，建議三角形誘捕器懸掛高度在1.8～2.0 m為宜，也確定了適合在陜西關(guān)中灌區(qū)的性誘劑誘芯品種。

陳素馨等[19]通過12年試驗，對比了不同年份、不同劑型、不同劑量的誘芯誘蛾效果，每公頃使用1個誘芯，水盆式誘捕器，誘芯載體為聚乙烯管。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聚乙烯管載體的誘芯效果好于橡皮塞；每個誘芯以20 μg劑量的誘蟲效果最佳；晝夜掛出誘芯比夜掛晨收效果好，對于誘殺一個世代雄蛾時，無需更換新誘芯；第2年的誘芯相比當年的誘芯誘捕效果降低39.8%和46.8%。

3.3 迷向防治研究

迷向防治是通過向田間釋放高濃度的性信息素，長時間在這種環(huán)境中，雄蟲喪失了定位雌蟲的行為能力，從而減少雌雄蟲的交配概率，降低下一代蟲口密度，起到防治目標害蟲的目的。目前迷向防治在梨小食心蟲、蘋果蠹蛾等害蟲防治方面開展了大量的研究[20,21]，而很少有涉及迷向防治亞洲玉米螟的研究報道。

田疇等[22]利用塑料載管和軟膏2種劑型進行了亞洲玉米螟的迷向防治試驗，通過田間調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)每公頃以塑料載管型1 650節(jié)，軟膏型涂抹1 650處，劑量10 μg/處(節(jié))時，防治效果最好。從大面積的防治試驗效果來看，百株蛀桿率下降了65%，百株卵量下降了75%，具有較好的防治效果。

李文德等[23]探究了性信息素迷向法防治第一代亞洲玉米螟的效果，以聚乙烯為載體，一次投放持效期可超過20 d。每公頃600 mg、3 000個散發(fā)器的組合對雌雄蟲交配抑制率可以達到88.1%。

4 結(jié)論及展望

亞洲玉米螟性信息素中碳碳雙鍵的構(gòu)建最為重要，其化學合成方法主要有3種：wittig縮合反應(yīng)法、格式偶聯(lián)法、炔化物加氫法。其中通過炔化物碳碳三鍵的選擇性加氫還原反應(yīng)條件苛刻，原料價格昂貴，路線長；格式偶聯(lián)法路線復(fù)雜，原料不易獲得。目前化學合成亞洲玉米螟性信息素主要采用 wittig縮合反應(yīng)法，包括長鏈碳醛和乙基三苯基溴化膦為關(guān)鍵中間體進行 wittig縮合反應(yīng)、長鏈羥基膦溴鹽和乙醛作為關(guān)鍵中間體進行wittig縮合反應(yīng)2種方法。wittig縮合反應(yīng)法也存在著總收率低、各步反應(yīng)提純方法復(fù)雜、反應(yīng)條件較為苛刻等缺點。因此，如何在已有的合成方法和策略基礎(chǔ)上降低原料成本、提高反應(yīng)產(chǎn)率、減少合成步驟、簡化后處理提純難度是目前合成研究中迫切需要解決的問題。

目前亞洲玉米螟性信息素的應(yīng)用研究主要集中在蟲情監(jiān)測預(yù)報、誘捕和誘殺。需要開發(fā)合適的緩釋材料延長性誘劑持效期，提高誘捕效率。同時不斷研究田間配套的誘捕誘殺防治規(guī)程，讓農(nóng)戶能快速上手，簡單操作，更好的發(fā)揮其生態(tài)環(huán)保、無殘留的生物防治優(yōu)勢。隨著大型農(nóng)場及合作社的不斷出現(xiàn)，人工費用的不斷攀升，以及人民群眾對食品安全、品質(zhì)要求的不斷提高，對亞洲玉米螟性信息素迷向防治的需求會快速提升，應(yīng)加大相應(yīng)迷向制劑及田間應(yīng)用研究，為保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供新型生物防治農(nóng)藥。