扶桑绵粉蚧性信息素重要中间体的合成工艺

王丽坤，黄俊，章金明，李晓维，张治军，HAFEEZ Muhammad，吕要斌*

(浙江省农业科学院 a农产品质量安全危害因子与风险防控国家重点实验室(筹)，b植物保护与微生物研究所 浙江省植物有害生物防控重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地，浙江 杭州 310021)

扶桑绵粉蚧(PhenacoccussolenopsisTinsley)，solenopsis mealybug，又称为棉花粉蚧(cotton mealybug)，属于半翅目(Hemiptera)粉蚧科(Pseudococcidae)绵粉蚧属(Phenacoccus)。扶桑绵粉蚧最早原产于北美，2008年入侵我国[1-2]。截至目前，扶桑绵粉蚧已经入侵台湾、广东、广西、福建、江西、湖南、四川、浙江、海南、新疆、河北等数省市地区，南北均有分布，适应性极强，成为农业生产中一个重要的入侵害虫[3-4]。扶桑绵粉蚧具有多食性，且寄主广泛，主要以成、若虫群聚于寄主的叶背、叶柄、嫩茎、嫩枝、花蕾等部位吸食汁液，造成植物生长缓慢或停止，最后失水干枯死亡。由于扶桑绵粉蚧个体微小、隐秘性强、繁殖力大、世代重叠、抗逆性强和体背蜡壳等特点，化学防治难以达到理想效果[5-8]。因此，发展扶桑绵粉蚧绿色防控技术迫在眉睫，性信息素技术成为理想选择。

昆虫性信息素防治技术因其用量少、灵敏度高、安全性强、高度专一性、对环境友好等特点，在农业中应用越来越广泛。然而，大多数信息素物质结构复杂多样，昆虫释放量极低，难以提取大量化合物，因此，化学合成是一种有效的性信息素物质来源途径。2016年，日本科学家Tabata等[9]通过对当地未交配的扶桑绵粉蚧雌虫挥发物进行提取、分离，鉴定出一种扶桑绵粉蚧的性信息素成分，其化学名称为：(R)异戊烯酸(2,2-二甲基-3-异亚丙基环丁基)甲酯，生物测定表明R型异构体对扶桑绵粉蚧雄虫有较好的引诱作用。然而，作为一种新化合物，其价格昂贵，难以进行田间应用和推广，限制了性信息技术的发展。其中化合物(R)-(2,2-二甲基-3-(2-甲基-乙烯基)环丁基)甲醇作为扶桑绵粉蚧合成中重要的中间体，是性信息素合成的重要原料。因此，本研究通过优化反应条件和方法，简化反应步骤，大量合成扶桑绵粉蚧性信息素重要中间体，为室内和田间应用提供充分的原料。

1 材料与方法

1.1 合成线路

扶桑绵粉蚧性信息素重要中间体合成路线见图1。

1.2 主要试剂与仪器

主要试剂：α-(+)-蒎烯(上海海曲化工有限公司)，高碘酸钠(上海昊化化工有限公司)，三氯化钌(常州安德利科贸有限公司)，对甲基苯磺酸(上海邦成化工有限公司)，LiAlH4、叔丁基过氧化氢(TBHP)和氯化铜等购自阿拉丁试剂有限公司(上海)；其他反应试剂均为分析纯。

主要仪器：电子分析天平(JJ600，常熟双杰测试仪器厂)；即热式恒温加热磁力搅拌器(DF-101Z，杭州大卫科教仪器)；真空干燥箱(DZG-6020，上海森信实验仪器)；气质联用仪GC/MS(SH IMADZU GCMS-QP2010plus)；超导核磁共振仪(JEOL-ECX500，日本电子株式会社)。

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。图1 扶桑绵粉蚧性信息素重要中间体合成路线

1.3 气相色谱-质谱联用(GC/MS)

GC/MS采用HP-FFAP(25 m×0.20 mm×0.3 μm)色谱柱和火焰离子检测器(FID)进行分析。方法为起始温度60 ℃，保持2 min，升温到180 ℃，20 ℃·min-1，接着15 ℃·min-1升温到260 ℃，保持3 min。利用GCMS solution 2010进行结果分析。

1.4 核磁共振波谱

核磁共振谱图在Brüker DPX-400/500型核磁共振仪上测定(1H NMR:400 MHz)，以氘代氯仿(CDCl3)为溶剂，以四甲基硅烷(TMS)作内标。

2 结果与分析

2.1 化合物2合成

在250 mL三口烧瓶中，依次加入10 mL α-蒎烯、50 mL溶剂和1%氯化铜，鼓泡通入氧气，控制流速20 mL·min-1。三口瓶分别接上温度计、玻璃塞和冷凝管，一定时间内滴加叔丁基过氧化氢(TBHP)(80 mL)的水溶液(分3次加入)。加热到70 ℃反应6 h，待反应结束后，冷却至室温，反应液倒入分液漏斗中，加入饱和氯化钠振摇，静置，分出有机层。水相用二氯甲烷萃取2次，合并有机相，用无水硫酸钠干燥浓缩后，经10%乙酸乙酯/石油醚柱层析分离，得到淡黄色化合物2。产物经GC-MS和标准品分析可知，该步反应收率为90%，纯度98%。

为了寻找化合物2合成的最佳条件，本实验选择3因子(A反应时间、B温度和C催化剂)、3水平设计了正交试验，分析3个不同因素对化合物2收率的影响，选择最优的条件进行合成。时间(A)的1、2、3水平分别为3、6、12 h，温度(B)的1、2、3水平分别为60、70、80 ℃，催化剂(C)的1、2、3水平分别为0.5%、1.0%、2.0%。

正交试验结果见表1。方差分析表明，时间(F比值1.274)、温度(F比值0.313)、催化剂(F比值1.413)的F比值均<9.0，说明这3个因素对反应收率的影响均不显著；其中，催化剂对反应收率的影响相对最小。极差分析结果(表2)表明，对产物收率影响的主次顺序为B>A>C，根据分析结果，选择最佳组合水平A3B2C2，即时间12 h，温度70 ℃，催化剂1%。

表1 正交设计方案与结果

表2 极差分析结果

其他化合物的合成也采用正交试验进行条件优化，得到最佳反应时间、温度和催化剂用量。

2.2 化合物3合成

将催化剂240 mg RuCl3(1%)和26.8 g NaIO4加入到500 mL反应瓶中，加入8.35 g化合物2，再加入260 mL混合溶剂，即四氯化碳∶乙腈∶水(体积比2∶2∶3)。室温下反应36 h后加入35 mL乙醚，继续搅拌10 min，乙醚萃取3次(30 mL×3)，合并有机相；经无水NaSO4干燥，过滤后减压浓缩，得到化合物3。

2.3 化合物4合成

将5.5 g(0.032 mol)化合物3加入到500 mL反应瓶中，加入200 mL预先除水处理的四氢呋喃(THF)，利用注射器缓慢滴加65 mL甲基氯化镁(CH3MgCl，3.0 mol·L-1THF)，70 ℃油浴加热，反应8 h。反应结束后，加入60 mL冰水淬灭，加入饱和HCl，使得pH为4左右，水相用乙醚萃取2次(35 mL×2)，合并有机相，经MgSO4干燥、减压浓缩得到5.2 g粗品，真空干燥后再经柱层析(乙酸乙酯∶石油醚1∶12)得到4.3 g化合物4。

化合物4的核磁共振氢谱及其质谱信息为：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

将2.41 g化合物4加入到100 mL反应瓶中，将反应瓶放置在冰浴中(0 ℃)，加入20 mL吡啶，再缓慢滴加1.5 mL三氯氧磷(POCl3)，滴加完成后在室温下反应18 h，反应停止后加入70 mL冰水；用乙醚萃取3次(25 mL×3)，再经水洗、酸洗、饱和NaCl洗后合并有机相，经无水硫酸镁干燥，过滤浓缩后经柱层析得到化合物5，这步的反应收率为85%。

化合物5的核磁共振氢谱及其质谱信息为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

将3.7 g化合物5加入到250 mL反应瓶中，加入80 mL苯和410 mg对甲基苯磺酸，加热到110 ℃反应20 h，反应结束后，合并有机相，并将苯蒸干，剩余液体加入到2 mol·L-1Na2CO3中，水相经萃取，合并有机相，剩余水相部分再经调pH至3，再用乙醚萃取，有机相合并浓缩后得到2.7 g化合物6。

化合物6的核磁共振氢谱及其质谱信息为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反应瓶中，加入35 mL无水乙醚，将反应瓶置于冰浴中，在氮气保护下反应，分批缓慢加入713 mg LiAlH4，加入完成后室温下反应过夜。反应结束后，首先对反应瓶中过量的LiAlH4进行处理，即在冰浴中缓慢加入1 mL水，搅拌20 min，接着再加入1 mL 10%的氢氧化钠溶液，搅拌20 min，冰浴移除后再加入3 mL水继续搅拌20 min。将反应液过滤后，用无水Na2SO4干燥，得到2.1 g粗品，再经柱层析得到扶桑绵粉蚧性信息素中间体1。

化合物1的核磁共振氢谱和质谱信息为：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 小结与讨论

本研究通过6步反应得到扶桑绵粉蚧性信息素中间体(化合物1)，总收率为78%，相较于其他已报道的合成方法有较大提高[10-11]。经旋光度测定，中间体1的光学纯度(ee值)为95%，能够达到应用的标准。该方法中原料为α-(+)-蒎烯，其存在于多种天然精油中，来源丰富，价格低，是多种化学合成的理想原料。在化合物2反应过程中，通过分批加入叔丁基过氧化氢，能够显著提高反应效率，使得α-(+)-蒎烯氧化充分，提高了此反应的收率。

本方法采用正交试验进行各个步骤化合物合成条件优化，得到最佳反应时间、温度和催化剂用量，以此提高反应收率，通过高效使用催化剂，节约成本，减少废液对环境的污染。通过本合成方法，能够得到理想纯度的扶桑绵粉蚧性信息素中间体，为扶桑绵粉蚧性信息素的合成提供大量原料，同时也能够为性信息素技术应用奠定基础。