鄧文星,解 田,苗志偉

(1.南開大學化學學院元素有機化學國家重點實驗室,天津 300071;2.赤峰瑞陽化工有限公司,內蒙古 赤峰 024000)

植物寄生線蟲是世界公認的重要作物病原體,據(jù)估計,全球每年因作物感染線蟲造成的經濟損失達1 730億美元[1,2]。目前,防治線蟲病的措施有化學防治、生物防治、耕作和栽培措施等[3],其中,化學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)。本文主要總結了國內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)酵產生的十六元大環(huán)內酯化合物[4]。阿維菌素對線蟲的作用機制如下:激發(fā)線蟲神經末梢放出神經傳遞抑制劑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,造成神經膜電位超極化,阻斷線蟲的神經傳導,最終導致線蟲死亡[5]。

在阿維菌素的眾多產品中,阿維菌素B2對根結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]的試驗結果表明,5%阿維菌素B2對番茄根結線蟲病和大姜根結線蟲病的防治效果顯著。試驗證明,阿維菌素B2是一種優(yōu)良的殺線蟲劑,對根結線蟲、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濟價值。

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藥品種路富達,它的作用機制為抑制靶標線粒體呼吸鏈復合體Ⅱ的活性,從而使線蟲的呼吸功能紊亂,最終導致線蟲死亡[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品。

目前報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,經過親核取代反應、脫羧反應和催化加氫反應得到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得到目標產物氟吡菌酰胺。該合成方法路線短,但是氰基還原這步反應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。

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,經過?；磻?、酰胺化反應和羥甲基化反應得到關鍵中間體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,經水解脫羧得最終產物氟吡菌酰胺。該合成路線雖然不經歷氰基還原,但是合成路線有7步,步驟較多,各步得到的中間產物不易純化,副反應較多,導致整體收率很低,生產成本很高。

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,經過親核取代反應得到中間體甲基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得到目標產物氟吡菌酰胺。

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磷殺線蟲劑,其作用機制主要是通過抑制根結線蟲乙酰膽堿酯酶的合成,具有優(yōu)異觸殺和良好的內吸傳導性,對根結線蟲、根腐(短體)線蟲、胞囊線蟲、莖線蟲等有特效。

目前報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,得到產品噻唑磷。該路線的缺點是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行縮合反應,縮合產物再與二甲胺反應生成硫代磷酸胺鹽,最后再與溴代仲丁烷反應生成噻唑磷。

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,經過親核取代反應、氯代反應和過硫酸氫鉀復合鹽兩次氧化后得到了氟噻蟲砜。這條路線工藝復雜,操作難度較大,由于需要經過兩次氧化反應,導致氧化劑的用量大,產生的固廢較多,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)化反應生成2-硫基噻唑。然后再通過親核取代反應和氯代反應得到中間體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,得到產品氟噻蟲砜。這條路線的原料便宜易得,后處理簡單,產品收率高,具有工業(yè)化生產的前景。

5 威百畝

威百畝是一種低毒、無污染、使用范圍較廣的農藥,通過在土壤中降解形成異硫氰酸甲酯氣體,產生殺蟲活性,這種氣體能夠抑制生物細胞分裂和DNA、RNA和蛋白質的合成以及造成生物呼吸受阻,從而能有效殺滅根結線蟲、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,生成威百畝。該路線成熟、可靠,原料便宜易得,生產成本低,工業(yè)化生產技術成熟度高(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常會發(fā)生粉塵漂移,對人和作物造成危害。在生產、包裝、運輸過程中也有粉塵污染和不方便性,為了達到無粉塵的目的,人們采取了各種物理、化學的方法制備棉隆顆粒劑。

目前,國內外生產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備,能源消耗大,并產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 總結與展望

本文介紹了目前國內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,化學防治具有見效快、效果好的優(yōu)點,依然是最主要的線蟲防控手段,但從長遠來看,如果長期使用同一種農藥或幾種農藥,會使線蟲產生抗藥性,同時造成土壤微生物多樣性降低。隨著國家對農藥減施增效和農業(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)與應用,將是破解殺線蟲抑菌劑品種抗性問題的重點。