殺線蟲抑菌劑研究進展

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,低毒高效的殺線蟲劑亟待開發。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現的,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酵產生的十六元大環內酯化合物[4]。阿維菌素對線蟲的作用機制如下:激發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的、作用于琥珀酸脫氫酶(SDHI)的吡啶類殺菌劑,后來發現它同時具有優秀的殺線蟲活性,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,經過酰化反應、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年發現了氟噻蟲砜,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、濃鹽酸發生環化反應生成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,不能只依靠單兵作戰,需要打造集植保、土壤改良、植物營養、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綠色發展的重視,加快殺線蟲抑菌劑新品種研發,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與應用,將是破解殺線蟲抑菌劑品種抗性問題的重點。