扶桑綿粉蚧性信息素重要中間體的合成工藝

王麗坤，黃俊，章金明，李曉維，張治軍，HAFEEZ Muhammad，呂要斌*

(浙江省農業科學院 a農產品質量安全危害因子與風險防控國家重點實驗室(籌)，b植物保護與微生物研究所 浙江省植物有害生物防控重點實驗室——省部共建國家重點實驗室培育基地，浙江 杭州 310021)

扶桑綿粉蚧(PhenacoccussolenopsisTinsley)，solenopsis mealybug，又稱為棉花粉蚧(cotton mealybug)，屬于半翅目(Hemiptera)粉蚧科(Pseudococcidae)綿粉蚧屬(Phenacoccus)。扶桑綿粉蚧最早原產于北美，2008年入侵我國[1-2]。截至目前，扶桑綿粉蚧已經入侵臺灣、廣東、廣西、福建、江西、湖南、四川、浙江、海南、新疆、河北等數省市地區，南北均有分布，適應性極強，成為農業生產中一個重要的入侵害蟲[3-4]。扶桑綿粉蚧具有多食性，且寄主廣泛，主要以成、若蟲群聚于寄主的葉背、葉柄、嫩莖、嫩枝、花蕾等部位吸食汁液，造成植物生長緩慢或停止，最后失水干枯死亡。由于扶桑綿粉蚧個體微小、隱秘性強、繁殖力大、世代重疊、抗逆性強和體背蠟殼等特點，化學防治難以達到理想效果[5-8]。因此，發展扶桑綿粉蚧綠色防控技術迫在眉睫，性信息素技術成為理想選擇。

昆蟲性信息素防治技術因其用量少、靈敏度高、安全性強、高度專一性、對環境友好等特點，在農業中應用越來越廣泛。然而，大多數信息素物質結構復雜多樣，昆蟲釋放量極低，難以提取大量化合物，因此，化學合成是一種有效的性信息素物質來源途徑。2016年，日本科學家Tabata等[9]通過對當地未交配的扶桑綿粉蚧雌蟲揮發物進行提取、分離，鑒定出一種扶桑綿粉蚧的性信息素成分，其化學名稱為：(R)異戊烯酸(2,2-二甲基-3-異亞丙基環丁基)甲酯，生物測定表明R型異構體對扶桑綿粉蚧雄蟲有較好的引誘作用。然而，作為一種新化合物，其價格昂貴，難以進行田間應用和推廣，限制了性信息技術的發展。其中化合物(R)-(2,2-二甲基-3-(2-甲基-乙烯基)環丁基)甲醇作為扶桑綿粉蚧合成中重要的中間體，是性信息素合成的重要原料。因此，本研究通過優化反應條件和方法，簡化反應步驟，大量合成扶桑綿粉蚧性信息素重要中間體，為室內和田間應用提供充分的原料。

1 材料與方法

1.1 合成線路

扶桑綿粉蚧性信息素重要中間體合成路線見圖1。

1.2 主要試劑與儀器

主要試劑：α-(+)-蒎烯(上海海曲化工有限公司)，高碘酸鈉(上海昊化化工有限公司)，三氯化釕(常州安德利科貿有限公司)，對甲基苯磺酸(上海邦成化工有限公司)，LiAlH4、叔丁基過氧化氫(TBHP)和氯化銅等購自阿拉丁試劑有限公司(上海)；其他反應試劑均為分析純。

主要儀器：電子分析天平(JJ600，常熟雙杰測試儀器廠)；即熱式恒溫加熱磁力攪拌器(DF-101Z，杭州大衛科教儀器)；真空干燥箱(DZG-6020，上海森信實驗儀器)；氣質聯用儀GC/MS(SH IMADZU GCMS-QP2010plus)；超導核磁共振儀(JEOL-ECX500，日本電子株式會社)。

1—(R)-(2,2-dimethyl-3-(propan-2-ylidene)cyclobutyl)methanol；2—(1R,5R)-4,6,6-trimethylbicyclo[3.1.1] hept-3-en-2-one；3—(1R,3S)-3-acetyl-2,2-dimethylcyclobutane-1-carboxylic acid；4—(1R,3S)-3-(2-hydroxypropan-2-yl)-2,2-dimethylcyclobutane-1-carboxylic acid；5—(1R,5S)-4,4,6,6-tetramethyl-3-oxabicyclo[3.1.1]heptan-2-one；6—(R)-2,2-dimethyl-3-(propan-2-ylidene)cyclobutane-1-carboxylic acid。圖1 扶桑綿粉蚧性信息素重要中間體合成路線

1.3 氣相色譜-質譜聯用(GC/MS)

GC/MS采用HP-FFAP(25 m×0.20 mm×0.3 μm)色譜柱和火焰離子檢測器(FID)進行分析。方法為起始溫度60 ℃，保持2 min，升溫到180 ℃，20 ℃·min-1，接著15 ℃·min-1升溫到260 ℃，保持3 min。利用GCMS solution 2010進行結果分析。

1.4 核磁共振波譜

核磁共振譜圖在Brüker DPX-400/500型核磁共振儀上測定(1H NMR:400 MHz)，以氘代氯仿(CDCl3)為溶劑，以四甲基硅烷(TMS)作內標。

2 結果與分析

2.1 化合物2合成

在250 mL三口燒瓶中，依次加入10 mL α-蒎烯、50 mL溶劑和1%氯化銅，鼓泡通入氧氣，控制流速20 mL·min-1。三口瓶分別接上溫度計、玻璃塞和冷凝管，一定時間內滴加叔丁基過氧化氫(TBHP)(80 mL)的水溶液(分3次加入)。加熱到70 ℃反應6 h，待反應結束后，冷卻至室溫，反應液倒入分液漏斗中，加入飽和氯化鈉振搖，靜置，分出有機層。水相用二氯甲烷萃取2次，合并有機相，用無水硫酸鈉干燥濃縮后，經10%乙酸乙酯/石油醚柱層析分離，得到淡黃色化合物2。產物經GC-MS和標準品分析可知，該步反應收率為90%，純度98%。

為了尋找化合物2合成的最佳條件，本實驗選擇3因子(A反應時間、B溫度和C催化劑)、3水平設計了正交試驗，分析3個不同因素對化合物2收率的影響，選擇最優的條件進行合成。時間(A)的1、2、3水平分別為3、6、12 h，溫度(B)的1、2、3水平分別為60、70、80 ℃，催化劑(C)的1、2、3水平分別為0.5%、1.0%、2.0%。

正交試驗結果見表1。方差分析表明，時間(F比值1.274)、溫度(F比值0.313)、催化劑(F比值1.413)的F比值均<9.0，說明這3個因素對反應收率的影響均不顯著；其中，催化劑對反應收率的影響相對最小。極差分析結果(表2)表明，對產物收率影響的主次順序為B>A>C，根據分析結果，選擇最佳組合水平A3B2C2，即時間12 h，溫度70 ℃，催化劑1%。

表1 正交設計方案與結果

表2 極差分析結果

其他化合物的合成也采用正交試驗進行條件優化，得到最佳反應時間、溫度和催化劑用量。

2.2 化合物3合成

將催化劑240 mg RuCl3(1%)和26.8 g NaIO4加入到500 mL反應瓶中，加入8.35 g化合物2，再加入260 mL混合溶劑，即四氯化碳∶乙腈∶水(體積比2∶2∶3)。室溫下反應36 h后加入35 mL乙醚，繼續攪拌10 min，乙醚萃取3次(30 mL×3)，合并有機相；經無水NaSO4干燥，過濾后減壓濃縮，得到化合物3。

2.3 化合物4合成

將5.5 g(0.032 mol)化合物3加入到500 mL反應瓶中，加入200 mL預先除水處理的四氫呋喃(THF)，利用注射器緩慢滴加65 mL甲基氯化鎂(CH3MgCl，3.0 mol·L-1THF)，70 ℃油浴加熱，反應8 h。反應結束后，加入60 mL冰水淬滅，加入飽和HCl，使得pH為4左右，水相用乙醚萃取2次(35 mL×2)，合并有機相，經MgSO4干燥、減壓濃縮得到5.2 g粗品，真空干燥后再經柱層析(乙酸乙酯∶石油醚1∶12)得到4.3 g化合物4。

化合物4的核磁共振氫譜及其質譜信息為：1H NMR (CDCl3)：δ 1.20 (3H, s)，1.19 (3H, s)，1.22 (3H, s)，1.28 (3H, s)，1.9-2.1 (4H, bm)，2.2-2.3(2H, m)。EI-MSm/z(%)：168 [M-H2O] (6)，153 (31) 128 (44)，123 (26)，110 (17)，101 (44)，99 (55)，83 (44)，71 (42)，69 (41)，59 (100)，56 (64)，43 (23)。

2.4 化合物5合成

將2.41 g化合物4加入到100 mL反應瓶中，將反應瓶放置在冰浴中(0 ℃)，加入20 mL吡啶，再緩慢滴加1.5 mL三氯氧磷(POCl3)，滴加完成后在室溫下反應18 h，反應停止后加入70 mL冰水；用乙醚萃取3次(25 mL×3)，再經水洗、酸洗、飽和NaCl洗后合并有機相，經無水硫酸鎂干燥，過濾濃縮后經柱層析得到化合物5，這步的反應收率為85%。

化合物5的核磁共振氫譜及其質譜信息為1H NMR (CDCl3)：δ 1.14 (3H, s)，1.37 (3H, s)，1.38 (3H, s)，1.49 (3H, s)，1.81 (1H, d, J) 10.59 Hz，2.10 (1H, dd, J)，2.48 (1H, ddd, J), 2.63 (1H, dd, J)。EI-MSm/z(%)：153 (28)，125 (22)，110 (41)，109 (56)，95 (100)，83 (28)，69 (75)，68 (70)，67 (62)，55 (41)，43 (30)，41 (34)。

2.5 化合物6合成

將3.7 g化合物5加入到250 mL反應瓶中，加入80 mL苯和410 mg對甲基苯磺酸，加熱到110 ℃反應20 h，反應結束后，合并有機相，并將苯蒸干，剩余液體加入到2 mol·L-1Na2CO3中，水相經萃取，合并有機相，剩余水相部分再經調pH至3，再用乙醚萃取，有機相合并濃縮后得到2.7 g化合物6。

化合物6的核磁共振氫譜及其質譜信息為1H NMR (CDCl3)：1.19 (3H, s)，1.37 (3H, s)，1.48 (3H, s)，1.58 (3H, s), 2.55 (1H, m)，2.81 (2H, m)。EI-MSm/z(%)：168 [M]+ (39)，153 (41)，135 (11)，125 (27)，123 (28)，107 (55)，93 (39)，81 (100)，67(28)，53 (11)，41 (22)。

2.6 化合物1合成

2.1 g化合物6加入到100 mL反應瓶中，加入35 mL無水乙醚，將反應瓶置于冰浴中，在氮氣保護下反應，分批緩慢加入713 mg LiAlH4，加入完成后室溫下反應過夜。反應結束后，首先對反應瓶中過量的LiAlH4進行處理，即在冰浴中緩慢加入1 mL水，攪拌20 min，接著再加入1 mL 10%的氫氧化鈉溶液，攪拌20 min，冰浴移除后再加入3 mL水繼續攪拌20 min。將反應液過濾后，用無水Na2SO4干燥，得到2.1 g粗品，再經柱層析得到扶桑綿粉蚧性信息素中間體1。

化合物1的核磁共振氫譜和質譜信息為：1H NMR (CDCl3)：δ 1.15 (3H, s)，1.25(3H, s)，1.38 (1H, br)，1.44 (3H, bs)，1.56 (3H, bs)，2.08 (2H, m)，2.58(1H, bm)，3.62 (1H, dd, J), 3.75 (1H, dd, J) ，17.0(11.3 Hz)。EI-MSm/z(%)：154 (18)，139 (16)，136 (20)，121 (62)，111 (15)，105 (13), 95 (33)，93 (29)，91 (17)，81 (100)，67 (22)，55 (14)，41 (21)。

3 小結與討論

本研究通過6步反應得到扶桑綿粉蚧性信息素中間體(化合物1)，總收率為78%，相較于其他已報道的合成方法有較大提高[10-11]。經旋光度測定，中間體1的光學純度(ee值)為95%，能夠達到應用的標準。該方法中原料為α-(+)-蒎烯，其存在于多種天然精油中，來源豐富，價格低，是多種化學合成的理想原料。在化合物2反應過程中，通過分批加入叔丁基過氧化氫，能夠顯著提高反應效率，使得α-(+)-蒎烯氧化充分，提高了此反應的收率。

本方法采用正交試驗進行各個步驟化合物合成條件優化，得到最佳反應時間、溫度和催化劑用量，以此提高反應收率，通過高效使用催化劑，節約成本，減少廢液對環境的污染。通過本合成方法，能夠得到理想純度的扶桑綿粉蚧性信息素中間體，為扶桑綿粉蚧性信息素的合成提供大量原料，同時也能夠為性信息素技術應用奠定基礎。