殺線蟲抑菌劑研究進(jìn)展

鄧文星,解 田,苗志偉

(1.南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院元素有機(jī)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津 300071;2.赤峰瑞陽化工有限公司,內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

植物寄生線蟲是世界公認(rèn)的重要作物病原體,據(jù)估計(jì),全球每年因作物感染線蟲造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)1 730億美元[1,2]。目前,防治線蟲病的措施有化學(xué)防治、生物防治、耕作和栽培措施等[3],其中,化學(xué)防治是綜合管理中最有效和可靠的方法。但隨著呋喃丹、克百威、二溴氯丙烷等高毒農(nóng)藥品種的禁限用,市場可供選擇的殺線蟲抑菌劑屈指可數(shù),低毒高效的殺線蟲劑亟待開發(fā)。本文主要總結(jié)了國內(nèi)外常用殺線蟲抑菌劑的合成方法,希望能對殺線蟲抑菌劑的開發(fā)提供參考。

1 阿維菌素B2

阿維菌素是目前廣泛使用的殺線蟲抑菌劑,它是1976年由默克公司的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的,并由日本北里研究所從土壤樣品中分離得到,是阿維菌素鏈霉菌發(fā)酵產(chǎn)生的十六元大環(huán)內(nèi)酯化合物[4]。阿維菌素對線蟲的作用機(jī)制如下:激發(fā)線蟲神經(jīng)末梢放出神經(jīng)傳遞抑制劑γ-氨基丁酸(GABA),延長GABA門控的氯離子通道的開放時間,從而使大量氯離子涌入,造成神經(jīng)膜電位超極化,阻斷線蟲的神經(jīng)傳導(dǎo),最終導(dǎo)致線蟲死亡[5]。

在阿維菌素的眾多產(chǎn)品中,阿維菌素B2對根結(jié)線蟲的防治效果最好。阿維菌素B2包括 B2a(見圖1)和 B2b(見圖2)2個主要組分,其中B2a所占的比例很大,B2b 為微量,B2毒性低于 B1。周新建[6]和張國鋒[7]的試驗(yàn)結(jié)果表明,5%阿維菌素B2對番茄根結(jié)線蟲病和大姜根結(jié)線蟲病的防治效果顯著。試驗(yàn)證明,阿維菌素B2是一種優(yōu)良的殺線蟲劑,對根結(jié)線蟲、莖線蟲、根腐線蟲和松材線蟲等植物線蟲有很好的防治效果,有著廣闊的市場前景和經(jīng)濟(jì)價值。

圖1 阿維菌素B2a

圖2 阿維菌素B2b

2 氟吡菌酰胺

氟吡菌酰胺最初是德國拜耳公司開發(fā)的、作用于琥珀酸脫氫酶(SDHI)的吡啶類殺菌劑,后來發(fā)現(xiàn)它同時具有優(yōu)秀的殺線蟲活性,拜耳公司隨后于2012年在中國登記注冊了用于線蟲防治的農(nóng)藥品種路富達(dá),它的作用機(jī)制為抑制靶標(biāo)線粒體呼吸鏈復(fù)合體Ⅱ的活性,從而使線蟲的呼吸功能紊亂,最終導(dǎo)致線蟲死亡[8]。氟吡菌酰胺作為一種高效、綠色、低毒的殺線蟲劑,有望成為線蟲防治中的支柱產(chǎn)品。

目前報(bào)道的氟吡菌酰胺的合成路線主要有3條:路線1[9](見圖3)是以2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶和氰乙酸乙酯為原料,經(jīng)過親核取代反應(yīng)、脫羧反應(yīng)和催化加氫反應(yīng)得到3-氯-5-(三氟甲基)-2-(2-氨基乙基)吡啶,最后與2-三氟甲基苯甲酰氯酰反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物氟吡菌酰胺。該合成方法路線短,但是氰基還原這步反應(yīng)對氫氣壓力要求較高,而且收率很低,只有19%,不適合工業(yè)化生產(chǎn)。

圖3 氟吡菌酰胺的合成路線1

路線2[10](見圖4)是以鄰三氟甲基苯甲酸為起始原料,經(jīng)過酰化反應(yīng)、酰胺化反應(yīng)和羥甲基化反應(yīng)得到關(guān)鍵中間體N-羥甲基-2-三氟甲基苯甲酰胺,然后與乙酸酐發(fā)生酯化反應(yīng)得到 N-乙酰氧甲基-2-(三氟甲基)苯甲酰胺,再與2-[3-氯-5-(三氟甲基)吡啶-2-基]丙二酸二乙酯縮合,經(jīng)水解脫羧得最終產(chǎn)物氟吡菌酰胺。該合成路線雖然不經(jīng)歷氰基還原,但是合成路線有7步,步驟較多,各步得到的中間產(chǎn)物不易純化,副反應(yīng)較多,導(dǎo)致整體收率很低,生產(chǎn)成本很高。

圖4 氟吡菌酰胺的合成路線2

路線3(見圖5)是以2,3-二氯-5-三氟甲基吡啶和氰乙酸乙酯為原料,經(jīng)過親核取代反應(yīng)得到中間體甲基2-(3-氯-5-(三氟甲基) -2-吡啶基)-2-氰基乙酸甲酯,然后在鹽酸條件下水解脫羧得到[3-氯-5-(三氟甲基)-2-吡啶基]乙腈,進(jìn)一步在Pd/C催化下氫化生成醋酸鹽,在酸性條件下水解得到3-氯-5-(三氟甲基)-2-(2-氨基乙基)吡啶,最后與2-三氟甲基苯甲酰氯酰反應(yīng)得到目標(biāo)產(chǎn)物氟吡菌酰胺。

圖5 氟吡菌酰胺的合成路線3

3 噻唑磷

噻唑磷是由日本石原公司開發(fā)的廣譜性非熏蒸型有機(jī)磷殺線蟲劑,其作用機(jī)制主要是通過抑制根結(jié)線蟲乙酰膽堿酯酶的合成,具有優(yōu)異觸殺和良好的內(nèi)吸傳導(dǎo)性,對根結(jié)線蟲、根腐(短體)線蟲、胞囊線蟲、莖線蟲等有特效。

目前報(bào)道的噻唑磷合成路線主要有2條,都是以2-噻唑烷酮為起始原料。線路1[11](見圖6)是以2-噻唑烷酮和O-乙基-S-仲丁基硫代磷酰氯為原料,在不同縛酸劑(正丁基鋰、金屬鈉或固體氫氧化鈉)的存在下發(fā)生縮合反應(yīng),得到產(chǎn)品噻唑磷。該路線的缺點(diǎn)是O-乙基-S-仲丁基硫代磷酰氯不易純化,且原料成本較高。

圖6 噻唑磷的合成路線1

線路2[12](見圖7)是先將2-噻唑烷酮與O,O′-二乙基硫代磷酰氯進(jìn)行縮合反應(yīng),縮合產(chǎn)物再與二甲胺反應(yīng)生成硫代磷酸胺鹽,最后再與溴代仲丁烷反應(yīng)生成噻唑磷。

圖7 噻唑磷的合成路線2

4 氟噻蟲砜

以色列馬克西姆化學(xué)公司于1993～1994年發(fā)現(xiàn)了氟噻蟲砜,并于2014年在美國取得非熏蒸性殺線蟲劑的登記證。氟噻蟲砜是氟代烯烴類硫醚化合物,對多種植物寄生線蟲有防治作用,其毒性低,是許多氨基甲酸酯和有機(jī)磷類殺線蟲劑等的“綠色”替代品,有著很好的市場前景[13]。

目前報(bào)道的氟噻蟲砜合成路線主要有兩條:路線1[14](見圖8)以2-巰基噻唑和4-溴-1,1,2-三氟-1-丁烯為原料,經(jīng)過親核取代反應(yīng)、氯代反應(yīng)和過硫酸氫鉀復(fù)合鹽兩次氧化后得到了氟噻蟲砜。這條路線工藝復(fù)雜,操作難度較大,由于需要經(jīng)過兩次氧化反應(yīng),導(dǎo)致氧化劑的用量大,產(chǎn)生的固廢較多,后處理困難,對環(huán)境不友好。

圖8 氟噻蟲砜的合成路線1

路線2[15](見圖9)是以二硫化碳和氨氣為原料,反應(yīng)生成二硫代氨基甲酸銨,再與氯乙醛、濃鹽酸發(fā)生環(huán)化反應(yīng)生成2-硫基噻唑。然后再通過親核取代反應(yīng)和氯代反應(yīng)得到中間體5-氯-2-(3,4,4-三氟-3-丁烯基硫)噻唑,最后在以鎢酸鈉作為催化劑和過氧化氫作為氧化劑的條件下發(fā)生氧化反應(yīng),得到產(chǎn)品氟噻蟲砜。這條路線的原料便宜易得,后處理簡單,產(chǎn)品收率高,具有工業(yè)化生產(chǎn)的前景。

5 威百畝

威百畝是一種低毒、無污染、使用范圍較廣的農(nóng)藥,通過在土壤中降解形成異硫氰酸甲酯氣體,產(chǎn)生殺蟲活性,這種氣體能夠抑制生物細(xì)胞分裂和DNA、RNA和蛋白質(zhì)的合成以及造成生物呼吸受阻,從而能有效殺滅根結(jié)線蟲、地下害蟲、雜草等有害生物,從而獲得潔凈及健康的土壤[16,17]。

目前最常用的路線[18]是以一甲胺和二硫化碳為原料,在氫氧化鈉的存在下反應(yīng),生成威百畝。該路線成熟、可靠,原料便宜易得,生產(chǎn)成本低,工業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)成熟度高(見圖10)。

6 棉隆

由于溴甲烷對大氣臭氧層具有破壞性,因此國際糧農(nóng)組織規(guī)定2005年以后禁止使用溴甲烷,同時推薦棉隆為溴甲烷的替代品種,進(jìn)而在全球推廣使用。棉隆是一種高效、低毒、無殘留的環(huán)保型土壤熏蒸消毒劑,施用于潮濕的土壤中,能有效殺滅土壤中各種線蟲、病原菌、地下害蟲及雜草種子[19]。棉隆的劑型通常為粉劑和可濕性粉劑,這些制劑在使用過程中經(jīng)常會發(fā)生粉塵漂移,對人和作物造成危害。在生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸過程中也有粉塵污染和不方便性,為了達(dá)到無粉塵的目的,人們采取了各種物理、化學(xué)的方法制備棉隆顆粒劑。

目前,國內(nèi)外生產(chǎn)棉隆主要采用的是德國巴斯夫公司的合成路線[20]。該路線以二硫化碳、一甲胺、甲醛為主要原料,通過在其中添加烷基二胺、烷基胺等試劑,生產(chǎn)棉隆顆粒劑。該路線能夠得到穩(wěn)定的無粉塵漂移的顆粒劑,但該工藝需要投入特殊設(shè)備,能源消耗大,并產(chǎn)生大量的硫化氫氣體,易造成原藥損失和環(huán)境污染(見圖11)。

圖11 棉隆合成路線

7 總結(jié)與展望

本文介紹了目前國內(nèi)常用的殺線蟲抑菌劑,例如氟吡菌酰胺、噻唑磷、氟噻蟲砜、威百畝等,并介紹了其合成方法。線蟲防控是一場持久戰(zhàn),不能只依靠單兵作戰(zhàn),需要打造集植保、土壤改良、植物營養(yǎng)、田間管理等一體的綜合防控解決方案。從短期來看,化學(xué)防治具有見效快、效果好的優(yōu)點(diǎn),依然是最主要的線蟲防控手段,但從長遠(yuǎn)來看,如果長期使用同一種農(nóng)藥或幾種農(nóng)藥,會使線蟲產(chǎn)生抗藥性,同時造成土壤微生物多樣性降低。隨著國家對農(nóng)藥減施增效和農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展的重視,加快殺線蟲抑菌劑新品種研發(fā),提升制劑加工水平、加大市場推廣力度、做好增效助劑的開發(fā)與應(yīng)用,將是破解殺線蟲抑菌劑品種抗性問題的重點(diǎn)。