CC BY
205
ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 632.936.2+547.573
БИЦИКЛИЧЕСКИЕ МОНОТЕРПЕНОИДЫ В СИНТЕЗЕ ФЕРОМОНОВ НАСЕКОМЫХ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНЫХ СРЕДСТВ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ
Л.Л. ФРОЛОВА*, Л.В. БЕЗУГЛАЯ*, А.В. ПОПОВ*, А.В. КУЧИН*, Н.В. ВЕН-ДИЛО**
*Институт химии Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар **ФГУП Всесоюзный научно-исследовательский институт химических средств защиты растений (ВНИИХСЗР), г. Москва frolova-ll@chemi.komisc.ru
В лаборатории органического синтеза и химии природных соединений Института химии Коми НЦ УрО РАН проводятся работы по синтезу некоторых феромонов короедов рода Ips и лубоедов рода Tomicus - опасных вредителей хвойных лесов. На основе природных широко доступных а-пинена и 3-карена разработаны, а в ряде случаев запатентованы, способы получения миртенола и миртеналя, цис- и транс-вербенолов, вербенона, фелландренола-8. Совместно с ВНИИХСЗР проводятся испытания феромонных препаратов. Показано, что оба антипода цис-вербенола проявляют биологическую активность, поэтому исчезает необходимость синтеза энантиомерно чистого соединения. Для мониторинга сосновых лубоедов рода Tomicus предложена четырехкомпонентная смесь на основе кислородсодержащих производных а-пинена.
Ключевые слова: феромоны, терпеноиды, синтез, короеды, сосновые лубоеды, ловушки, мониторинг, испытания, феромонный препарат Вертенол
L.L. FROLOVA, L.V. BEZUGLAYA, A.V. POPOV, A.V. KUTCHIN, N.V. VEN-DILO. BICYCLIC MONOTERPENOIDS IN THE SYNTHESIS OF INSECT PHEROMONES AS ENVIRONMENTALLY SAFE PRODUCTS FOR PLANT PROTECTION
Works on synthesis of some insect pheromones of beetles Ips and Tomicus - the most dangerous pest of coniferous forests - are carried out in the Laboratory of Organic Synthesis and Chemistry of Natural Compounds of the Institute of Chemistry, Komi Sci. Centre, Ural Branch, RAS, from the beginning of 2000. On the basis of widely available terpenes а-pinene and 3-carene we developed and in some cases patented the methods for obtaining of myrtenol and myrtenal, cis- and trans-verbenol, verbenone (the parent compound for the synthesis of cis-verbenol), a-fellandrenol-8. Jointly with the All-Union Scientific-Research Institute of Chemical Means for Plants Protection tests of pheromone products are carried out. It is shown that both cis-verbenol antipodes exhibit biological activity, so there is no need for the synthesis of enantiomerically pure compound. For monitoring of pine beetles Tomicus we proposed a 4-component mixture of oxygen-containing derivatives of а-pinene.
Key words: pheromones, terpenoids, synthesis, bark beetle, pine beetle, traps, monitoring, Vertenol
По данным ФБУ «Российский центр защиты леса», в 2012-2013 гг. в лесах многих регионов России будут развиваться негативные процессы, вызванные аномальными погодными условиями 2010 г. и пожарами 2010-2011 гг., в том числе ожидается рост численности всех групп вредителей леса: крупные очаги короеда-типографа, гравера, шестизубого короеда, сосновых лубоедов (стволовые вредители), а также хвое- и листогрызущих насекомых в насаждениях Центрального, Приволжского, Уральского, Сибирского и Южного Федераль-
ных округов. По состоянию на ноябрь 2011 г. общая площадь очагов вредителей леса в лесном фонде Республики Коми составляла около 7 тыс. га, что в 2,6 раза больше, чем 2010 г. Обусловлено это наличием обильной кормовой базы, благоприятными для развития стволовых вредителей погодными условиями, отсутствием санитарно-оздоровительных мероприятий. В 2012 г. специалистами филиала «Центр защиты леса Республики Коми» при ведении лесопатологического мониторинга планируется осуществление феромонного надзора в трех
лесничествах нашей республики, предположительно в Корткеросском, Сыктывдинском и Сысольском районах.
Феромоны - это биологически активные вещества, вырабатываемые и выделяемые в окружающую среду живыми организмами, и вызывающие ответную специфическую реакцию (характерны поведение или процесс развития) у воспринимающих их особей того же биологического вида [1]. Первыми серьезными сведениями о существовании феромонов у насекомых мы обязаны трудам выдающегося французского энтомолога Анри Фабра. Он заметил, что самка бабочки Saturnia pyri (ночной павлиний глаз) привлекает самца на большом расстоянии и доказал, что эта способность обусловлена «запахом», который можно передать постороннему предмету, и этот предмет начнет привлекать самца так же, как живая самка.
В настоящее время известны феромоны различного действия: половые, агрегационные, феромоны следа, тревоги, метчики территории. Первый выделенный в чистом виде феромон, для которого была установлена точная химическая структура, -бомбикол - половой феромон самки тутового шелкопряда Bombyx morí. Это довольно простое соединение транс,цис-гексадекадиен-10,12-ол-1, но поскольку оно было доступно в очень малых количествах, то на его выделение и выяснение структуры потребовалось 20 лет [2]. Определение предельной активной концентрации чистых феромонов дает ошеломляющие результаты. Так, для бомбикола минимальная концентрация, вызывающая ответную реакцию насекомых, равна 10'12 мкг/мл, т.е. ~2500 молекул в 1 мл.
,OH
транс, цис-ге ксаде кадиен-10,12 -ол -1
Биологическая активность феромонов связана с геометрической формой их молекул. Важное значение имеют цис,транс-изомерия, расстояние между функциональными группами, стереоизомерия и энантиомерия. Так, предельно действующая концентрация синтетических геометрических изо-
меров бомбикола значительно ниже: для 10-транс,12-транс-изомера она составляет 10 мкг/мл, для 10-цис,12-транс-изомера - 1, а для 10-цис,12-цис-изомера - 10"3 мкг/мл [1]. Эффективность привлечения многих видов насекомых значительно повышается, если вместо рацемата используется энантиомер с абсолютной конфигурацией природного феромона, и зависит от наличия веществ-синергистов или веществ-ингибиторов.
Различают два основных типа феромонов: релизеры, запускающие определенную поведенческую реакцию, и праймеры, которые меняют физиологическое состояние особи и модифицируют ее развитие. Релизеры обычно представлены высоколетучими веществами, распространяющимися по воздуху, в то время как праймеры часто передаются контактным путем. Среди релизеров различают несколько подтипов. Таковы аттрактанты - призывающие особей вещества (половые феромоны и феромоны агрегации), репелленты - отпугивающие, аррестанты - останавливающие, стимулянты - вызывающие активность (например, феромоны тревоги), детерренты - тормозящие реакцию. Некоторые стимулянты (афродизиаки) представляют собой вещества полового возбуждения, вызывающие брачное поведение. Агрегационные феромоны стимулируют скопление насекомых, следовые феромоны предназначены для разметки территории и направляют движение особей.
Феро^
моном со || [j
множеством O O
функ-ций является цар- 9-кето-2-трзнс-деценовая кислота
ское вещес-тво пчелиной матки Apis mellifica -9-кето-2-транс-деценовая кислота, которое служит одновременно общественным и половым феромоном, а также обладает антигормональным характером [3].
Феромоны тревоги широко распространены у насекомых: маленькие желтые муравьи Acantho-myops claviger откликаются на цитронеллол, цитро-неллаль и цитраль (рис.1) [1].
Многочисленные виды термитов также имеют свои феромоны тревоги: лимонен, терпинолен и
,OH
цитронеллол
цитронеллаль
цитраль
Рис. 1
Рис. 2
H
H
а-пинен (рис. 2) [1].
Феромоны следа входят в состав пахучих смесей, которыми насекомые метят пищу или дороги, ведущие к источнику этой пищи (рис. 3) [1].
Агрегационные феромоны насекомых, побуждающие их к скоплению в большие стаи, нелегко отличить от половых, так как часто их действие совпадает. Так, смесь трех терпеновых спиртов привлекает особей обоего пола жуков-короедов Ips confuses (рис.4) [4].
вень обработки растений инсектицидами; 4) из-за малых количеств возможен синтез веществ на лабораторных установках, что тоже уменьшает нагрузку на окружающую среду.
Терпеноиды Сю занимают лидирующее положение среди всех изопреноидов, являясь основными компонентами большинства эфирных масел, живиц хвойных растений; они распределяются во всех частях растений - в цветах, корнях, листьях, древесине, коре, фруктах, семенах. Оптически ак-
цис,цис,тран-додекатриен-3,6,8
ипсенол
Рис. 3.
OH
цис-гексен-3-ол-1
ипсдиенол
Рис. 4.
OH
цис-вербенол
Аналогично смесь экзо-бревикомина и мир-цена привлекает жуков-лубоедов Dendroctonus bre-vikomis (рис.5) [1].
экзо-бревикомин мирцен
Рис. 5.
Именно половые и агрегационные феромоны имеют практическое значение, так как являются важной составной частью интегрированной системы защиты растений от насекомых-вредителей, главной целью которой является не полное уничтожение вредителей, а управление их численностью [5]. Можно выделить три основных способа использования феромонов: 1) мониторинг, с помощью которого определяют распространенность, численность, пики массового лета вредителей; 2) массовый отлов насекомых в ловушки с последующим уничтожением; 3) дезориентация - создание в воздухе концентраций полового феромона, намного превышающее естественную, и как следствие невозможность найти партнера для спаривания.
Преимущества феромонных препаратов для борьбы с вредителями по сравнению с инсектицидами заключаются в следующем: 1) специфичность, так как феромоны действуют на определенный вид насекомых, т.е. безвредны для нецелевой фауны; 2) природное происхождение действующих веществ и их малое количество, т.е. безвредность для окружающей среды; 3) применение феромонов экономически выгодно, так как мониторинг с их помощью позволяет точно определить регионы и уро-
тивные монотерпеноиды являются перспективными исходными соединениями для синтеза ряда хиральных феромонов насекомых. На схемах 1-5 приведены примеры использования моно-, бицик-лических и алифатических терпеноидов - олефи-нов, кетонов и спиртов в синтезе самых разнообразных феромонов насекомых.
В синтезе феромонов насекомых также используются монотерпеноиды пинановой структуры. Цис-вербенилацетат и цис-вербенилпропионат, являющиеся эффективными аттрактантами для тараканов, синтезированы окислением а-пинена тетраацетатом или тетрапропионатом свинца соответственно (схема 6) [16].
Продуктом окислительного расщепления циклогексанового кольца (+)-вербенона или цис- и транс-вербенолов является оксокислота, которая в три стадии дает (Ш^)-1-ацетоксиметил-3-изопро-пенил-2,2-диметилциклобутан - половой феромон виноградного мучнистого червеца Planococcus citri (схема 7) [17].
O
As
a) Pb(OAc)4 b) Pb(OCOEt)4
Схема 6.
O
A*.
COOH
b-d.
O
a) RuCl3 / NaIO4 b) H2C=PPH3 c) LiAlH d) Ac2O / Et3N
b
13
2-ацетокси-3,7-диметилпентадекан -
аналог полового феромона хвойных пилильщиков родов Diprion и Neodiprion [7].
4,8-диметилдеканаль - аттрактант мучного хрущака Tribolium мп-fusum [6].
6,10,14-триметилпентадекан-2-ол -
половой феромон рисовой моли ^г-cyra cephalonica [6].
R-лимонен
O-
1R,2R,5S
ir
(S)-камфора
Схема 1.
ЛАс
Схема 2.
^..^O^O
3-метил-(6й)-изопропенил-3,9-дека-диен-1-илацетат - половой феромон красной калифорнийской щитовки Aonidiella aurantii [7].
Веспераль - S-10-оксо-изопиперитенон - половой феромон опасного вредителя виноградников длиннорогого жука Vesperus xatarti. R(веспераль) идентичен природному феромону [8].
Биколорин - агрегационный феромон буковых короедов Tophrorychus bicolor [9].
4^)-гексанолид входит в состав половых феромонов капрового жука Trogoderma glabrum [10].
Эльданолид (транс-3,7-диметил-6-октен-4-олид) - феромон африканской огневки сахарного тростника Eldona saccharina [11].
Схема 3.
р-пинен
OH
г
грандизол
мирцен
Схема 4.
OH
OH
В состав полового феромона хлопкового долгоносика Anthonomus grandis входят четыре компонента, главный из которых грандизол (оба антипода обладают биологической активностью) [12,13].
Перилленаль - половой феромон соснового пилильщика Neodiprion sertifer [14].
£-1,3-дигидрокси-3,7-диметил-6-октен-2-он - агрегационный феромон картофельного колорадского жука Leptinotarsa decemlineata. Соответствует природному феромону [15].
нерол
Схема 5.
R
O
S
O
L-ментол
O
O
Существенно понижают выход этого соединения стадии сокращения цепи при первом углеродном атоме. Нами предложен новый путь синтеза этого феромона с общим выходом 60 %, основанный на озонолизе вербенона в ацетонитриле или хлористом метилене, приводящем в одну стадию к ключевому синтону - 1К,3Б-3-ацетил-2,2-диметил-циклобутанкарбоновой кислоте (схема 8) [18]. Одновременно с расщеплением двойной связи вербе-нона происходит окислительная деградация боковой цепи. Метиловый эфир получен обработкой кислоты диазометаном в диэтиловом эфире, оле-финирование которого метилидентрифенилфосфо-
а) 03, СН3С^ -40 °С/Ме^ Ь) МеОН(Н+) с) СН3Р+Р^Вг/Вии d) ДИБАГ/Ас20-Ру
Схема 8.
раном приводит к метиловому эфиру 3-изопро-пенил-2,2-диметилциклобутанкарбоновой кислоты. Гидридное восстановление последнего и последующее ацетилирование образующегося спирта дает целевой продукт.
Феромоны короедов рода ^
Короеды рода Ips относятся к наиболее агрессивным видам и являются широко распространенными вредителями хвойных лесов. Как правило, массовые размножения жуков этого рода (см. фото) наступают после засух, ураганов или повреждения хвои ели. Известна взаимосвязь вспышек короедов с периодами солнечной активности, которые сопровождаются засушливыми летними периодами и морозными зимами. Очаги короедов тяготеют к неустойчивым насаждениям: к участкам леса, пострадавших от ураганного ветра, местам скопления
ветровала, очагам корневой губки, зонам усыхающих и сухостойных деревьев. Вспышка массового размножения короедов связана с подходящими для них и неблагоприятными для ели погодными условиями, в том числе с наличием кормовой базы в виде свежего ветровала, бурелома, расстроенных ветром насаждений. Так, анализ динамики гибели лесов на территории Московской области в 19982001 гг. показал, что если в 1998-1999 гг. основной причиной гибели насаждений являлось повреждение их ветром, то в последующие годы более чем в 80 % случаях - повреждение лесов стволовыми вредителями (табл. 1) [19].
Таблица 1
Динамика гибели лесов в Московской области в 1998-2001гг.
Показатели 1998 1999 2000 2001
Погибло всего, га 4080 2404 6169 7244
От неблагоприятных условий 3083 2523 334 514
От стволовых вредителей 44 291 5175 6465
В те же годы в ряде областей европейской части России на значительных площадях наблюдалось усыхание еловых лесов в результате массового размножения короеда-типографа и сопутствующих ему видов. В табл. 2 показана динамика очагов вспышки массового размножения вредителя, которая чаще всего составляет 4-5 лет, но при повторных засухах они могут быть затяжными и продолжаться до 12 лет [20].
Таблица 2
Динамика площадей очагов короеда-типографа
Площадь очагов, га
Область 1998 г. | 1999 г. | 2000 г. | 2001 г.
Брянская - - 2619 3665
Калужская 88 433 478 1526
Московская 288 2178 5055 7725
Смоленская - 273 807 1148
Тверская 253 - 276 721
Так как разные виды короедов рода Ips для
синтеза компонентов своих феромонов используют достаточно ограниченный набор терпеноидов хвойного дерева - хозяина, то в их составе присутствуют практически одни и те же вещества: цис- и транс-вербенолы, ипсдиенол, ипсенол, амитинол, 2-ме-тил-3-бутен-2-ол. Значительно реже в составе феромонов встречаются такие терпеноиды, как мир-тенол, миртеналь, гераниол, вербенон, ипсидиенон, ипсенон, мирценол, Р-фелландрен, транс-пино-карвеол (рис. 6).
Впервые феромон типографа идентифицировали в 1976 г. в виде смеси ипсдиенола, ипсенола и вербенолов (цис- и транс-) [4]. При этом было установлено, что привлечение типографа тормозится ипсенолом, а а-пинен, наоборот, усиливает притяже-
ипсдиенол
^ОИ
ипсенол
амитинол
ОИ
2-метил-3-бутен-2-ол миртенол миртеналь
ОИ
гераниол
чО вербенон
ОИ
ипсдиенон
ипсенон
ОИ
мирценол р-фелландрен транс-пинокарвеол
при восстановлении вербено-на боргидридом натрия (схема 11) [27].
По разработанному и запатентованному способу в Институте органической химии им. Н.Д. Зелинского была наработана партия цис-вербе-нола (3 кг), который в составе феромонного препарата Вер-тенол использовался специалистами ВНИИХСЗР и ВНИИЛМ для отлова короеда-типогра-фа в условиях вспышки массового размножения в средней полосе России в 20012003 гг.
Рис. 6.
ние. В 1977 г. обнаружили еще один активный компонент феромона - 2-метил-3-бутен-2-ол и установили большую активность цис-вербенола по сравнению с транс-изомером [21]. В Словакии было доказано, что изменением концентрации (4Б)-цис-вербенола в феромоне можно регулировать количество прилетающих самцов [22]. Смесь, состоящая из ипсдиенола, цис-вербенола и 2-метил-3-бутен-2-ола, используется для мониторинга и массового отлова в ловушки или при выкладке ловчих деревьев в Швейцарии, Германии, Югославии, Чехии, Швеции, Норвегии, Румынии и Канаде [23].
Цис-вербенол синтезируют в три стадии: ал-лильное окисление а-пинена в транс-вербенол с последующим окислением по Джонсу в вербенон и восстановление последнего LiAlH4 или №ВН4 в целевой спирт (схема 9) [24,25].
а,Ь
d
"ОИ 'О
а) РЬ(ОАс)4 Ь) ОИ- с) №2Сг2О7 d) ЫаВИ4 (иА1Н4)
Схема 9.
Анализ литературных данных по восстановлению вербенона алюминийгидридами показывает недостаточную стереоселективность в отношении цис-вербенола - образуется до 18 % трансизомера [24]. При применении в качестве восстановителя №ВН4 выход целевого спирта не превышает 47 % и приводит к образованию смеси, состоящей из аллильных спиртов - цис- и транс-вербенолов, насыщенных спиртов - вербанолов, незначительного количества вербанонов. Кроме того, в продуктах реакции обнаружены простые эфиры (схема 10) [26].
Мы запатентовали новый, удобный и селективный метод получения цис-вербенола с хорошим препаративным выходом, значительно превышающим все описанные ранее, основанные на использовании каталитического действия Се^03)3
Кроме того, мы разработали и запатентовали схему синтеза исходного вербенона, которая позволяет получать его с препаративным выходом до 30% в расчете на окисленный а-пинен [28]. Схема включает следующие стадии: окисление а-пинена воздухом в присутствии катализатора; перегонка оксидата с паром в щелочной среде, которая в одном процессе совмещает разрушение гидроперекисей и разделение оксидата на непревращенный а-пинен, продукты окисления (вербе-нон, транс-вербенол, миртенол, миртеналь) и высококипящие смолистые соединения; доокисление, значительно упрощающее реакционную смесь и увеличивающее содержание вер-бенона до 76 %; выделение целевого кетона через сульфитное производное.
Метод синтеза обоих энантиомеров ипсдие-нола (2-метил-6-метилен-2,7-октадиен-4-ол) основан на четырехстадийной трансформации оптиче-
47%
+
"ОИ
Схема 10.
МаВИ4-Се(МОз|з
Схема 11.
"'ОИ
90-94%
ски активных вербенонов (схема 12) [29]. Полученные восстановлением соответствующих несопряженных кетонов р-вербенолы подвергались флеш-пиролизу, превращаясь в целевые алифатические спирты с сохранением абсолютной конфигурации хирального центра С4.
Амитинол - 2-метил-6-метилен-3,7-октадиен-2-ол - синтезируют восстановительным фотоокислением мирцена (схема 13) [30].
В ВНИИХСЗР с начала 1980-х гг. велись исследования по выделению и идентификации феро-
+
+
О
О
О
a) NaH b) H3BO3 c) LÍAIH4 d) 550°C e) (РґО)зАІ / PriOH
AxXs
Схема 12.
(H2N)2CS or
H-BU4NBH4
Схема 13.
OH
40-50%
мона короеда-типографа. В результате, в 1982 г. из водного экстракта буровой муки типографа были выделены и идентифицированы терпенолы - 3-метилен-1,6-нонадиен-5-ол (АИД-1) и 3-метил-6-ме-тилен-2,7-октадиен-4-ол (АИД-2), которые в дальнейшем синтезированы взаимодействием а,р-нена-сыщенных альдегидов с бромметилбутадиеном и цинком по схеме 14 [31]:
Y + "
R =
"Y4
+ Zn
3 ч., T„
YY^
OH 11
Схема 14.
Эти спирты в полевых испытаниях оказались эффективней ипсдиенола, и 3-метилен-1,6-нона-диен-5-ол (АИД-1) вошел в состав препарата Вер-тенол (марки БС-1 и БС-3), успешно использованного в условиях вспышки массового размножения типографа в лесах Московской, Калужской, Брянской, Смоленской областей в 2001-2003 гг. [23]. Данный препарат, помещенный в диспенсер, может быть использован в барьерных ловушках для надзора за численностью короеда из расчета две-четыре ловушки на 50 га и для борьбы методом массового отлова из расчета две-четыре ловушки на га. Вертенол с половинной дозировкой смеси компонентов может использоваться для борьбы методом массового отлова на ловчие деревья с целью подавления популяции вредителя. Диспенсеры представляют собой герметичные многослойные пакетики из фольгаплена с картонным вкладышем внутри. Испускание веществ происходит через внутренний полиэтиленовый слой диспенсера.
Результаты испытаний, проведенных в 2001 г. в 30 повторностях, указывают на высокую эффективность феромонного препарата Вертенол (средний вылов в ловушки составляет от 7 до 11 тыс. жуков короеда-типографа). Сравнение количества выловленных жуков на один (8940 шт.) и на два диспенсера (10800 шт.) показывает, что использовать два диспенсера в одной ловушке не имеет смысла, так как вылов увеличивается всего на 15%.
Кроме практического применения Вертенола, содержащего (-)-цис-вербенол, метилбутенол и
АИД-1, нами были проведены испытания другого терпенового спирта - 3-метил-6-метилен-2,7-окта-диен- 4-ола (АИД-2) в разных дозировках в сочетании с теми же количествами (-)-цис-вербенола и метилбутенола, что и в Вертеноле [(-)ЦВ (70 мг), АИД-1 (10 мг), МБ (1500 мг)]. Учитывая тот факт, что разные виды хвойных рода Picea и Pinus продуцируют как (-), так и (+)-а-пинен, из которого образуется (+)-цис-вербенол, мы провели испытания следующих смесей: (+)-ЦВ, АИД-1, МБ (смесь № 1); (-)-ЦВ, АИД-2 (6.7 мг), МБ (смесь № 2); (-)-ЦВ, АИД-2 (2.0 мг), МБ (смесь № 3); (-)-ЦВ, АИД-2 (0.7 мг), МБ (смесь № 4).
Результаты испытаний, проведенных в Сергиево-Посадском р-не Московской области, представлены в табл. 3. Оказалось, что смесь № 2, в которой 6.7 мг АИД-2, и смесь № 3, в которой всего 2 мг АИД-2, не уступают, а в большей части опытов превышают эффективность привлечения короеда-типографа в сравнении с его привлечением Верте-нолом, где доза АИД-1 составляет 10 мг. И только смесь № 4 с дозировкой 0.7 мг АИД-2 несколько уступает Вертенолу.
Таблица 3
Средний вылов короеда-типографа на ловушку 2001 г. (три повторности)
Среднее количество жуков (шт.) /ловушку по дням учета
Препа- рат Сергиево-Посадский лесхоз, квартал № 24 Хотьковское лесничество, квартал № 6
27.04 2.05 | 6.05 |21.05 28.04 4.05 | 10.05 18.05
Верте- нол 1446 719 262 69 3880 2049 1479 313
Смесь № 1 1182 811 247 42 1878 985 905 285
Смесь № 2 1043 808 320 106 1735 1252 697 288
Смесь № 3 663 676 377 85 2539 2267 1739 352
Смесь № 4 1205 651 199 49 2649 2082 1859 397
Несмотря на то что по трем повторностям трудно делать окончательные выводы, предварительно можно отметить, что (+)-цис-вербенол в препарате Вертенол практически не сказывается на его эффективности, а замена АИД-1 на меньшие дозы АИД-2 является для практики защиты ели целесообразной. Испытания, проведенные в Тверской области в двух повторностях, представлены в табл. 4. По среднему количеству жуков на ловушку смесь № 1 (747 шт.), содержащая (+)-цис-вербенол, превышает таковое у Вертенола (543 шт.). Таким образом, оба антипода цис-вербенола обладают биологической активностью.
С помощью препарата Вертенол проводился массовый отлов короедов в ловушки и привлечение вредителя на ловчие деревья (препарат усиливает привлечение жуков в 6-8 раз), обработанные инсектицидами. Всего в Подмосковье в 2001 г. было вывешено более 250 тыс. ловушек, в 2002 г. - свыше
d
c
O
d
e
Оо / [H]
Таблица 4.
Результаты испытаний Вертенола и смеси № 1 в Тверской области
Препарат Повт. Количество жуков по дням учета, шт. Общее кол-во, шт. Среднее кол-во, шт./лов
ю о со 18.05 | 16.06
Вертенол 1 2300 520 290 3110
2 50 50 50 150 543
ср. 1175 285 170
Смесь № 1 1 1900 200 100 2200
2 2000 220 60 2280 747
ср. 1450 210 80
150 тыс., в 2003 г. - более 85 тыс. В лесхозах Московской области в 2001 г. уничтожено около 2 млрд. жуков короеда-типографа [23].
Шестизубый короед, или короед-стенограф Ips sexdentatus, также является серьезным вредителем хвойных пород, он обитает в лесах европейской части России, Крыму, Сибири, Кавказе и Дальнем Востоке. Из 32 соединений, обнаруженных среди летучих веществ Ips sexdentatus, четыре вещества: 3-карен, терпинолен, ипсенол и вербенон являются ингибиторами. Другие пять соединений: а- и р-пинены, амитинол, а-фелландрен-8-ол и 2-фенилэтанол усиливают привлечение к основному компоненту феромона - ипсдиенолу (рис. 7) [32].
В результате полевых испытаний установлено, что сильными привлекающими свойствами обладает смесь ипсдиенола с 2-фенилэтанолом в растворе а-пинена; однако наиболее эффективной является смесь ипсдиенола с любым из энантио-меров а-фелландрен-8-ола в растворе метилбуте-нола. Схема 15 иллюстрирует пятистадийный синтез а-фелландрен-8-ола, исходя из карвона с общим выходом 23-37 % [33].
Мы использовали фактически одностадийный метод синтеза этого спирта - окисление 3-карена ацетатом ртути в ацетат а-фелландрен-8-ола, омыление которого приводит к нужному продукту (схема 16) [34].
Реакцию проводили при нагревании смеси 3-карена и ацетата ртути до 140-150°С в течение 2.5 ч с одновременной отгонкой уксусной кислоты. Далее продукты окисления подвергали фракционной разгонке для отделения непревращенного 3-ка-рена и выделения смеси эфиров, которую гидролизовали в спирты и затем хроматографировали на SiO2. При конверсии исходного соединения 56 % общий выход а-фелландрен-8-ола составил 13 %. Первые испытания на привлекательность аттрактивных смесей для короеда-стенографа были проведены в Протопоповском припоселковом кедровнике в Томской области (табл. 5).
Было испытано шесть вариантов привлекающих смесей разного состава в двух повторностях в
а-пинен р-пинен
ОН
амитинол
а-фелландрен-8-ол 2-фенилэтанол
Рис. 7.
ОН
ОН
Схема 15.
a) т-С1РВА
b) LiAlH4
c) МпО2
d) TsNHNH2, НС1
e) MeLi
+
а - Нд(ОАс)2 Ь - 10% КОН в ЕЮН
Схема 16. 18
Ь
а
Таблица 5.
Результаты предварительных испытаний аттрактивных смесей для короеда-стенографа
№
смеси
Компонентный состав
CN ¿Г oö
і І
со
Ї5 § ¡5 £
I s (0
о
с
s
Относительная привлекательность смесей, %
1,4
2,6
0,2
14,3
22,6
58,9
больших барьерных пластиковых ловушках (см. фото), применяемых для отлова стволовых вредителей. Ловушки фиксировали лет короеда-стенографа только в начале сезона во время лета основного весеннего поколения. Результаты испытаний показали, что четырехкомпонентная смесь из 2-метил-3-бутен-2-ола, ипсдиенола, а-фелландрен-8-ола и 2-фенилэтанола при создании феромонного препарата может стать основой для мониторинга шестизубого короеда.
Феромоны сосновых лубоедов рода Tomicus
Лубоеды рода Tomicus являются опасными вредителями нескольких видов сосен, особенно сосны Pinus sylvestris, в Европе, Азии, Канаде, Северной Америке. Из литературы известно, что к 2000 г. практическое применение для мониторинга большого соснового лубоеда (Tomicus piniperda) нашли только летучие вещества дерева-хозяина: а-пинен в Северной Америке и смесь а-пинена, 3-карена и терпинолена в Европе [35]. Агрегационный феромон этого жука пока не установлен, хотя среди летучих соединений лубоеда были выделены 22 вещества, среди которых основными по массе оказались миртенол, транс-вербенол, пинокарвеол, вер-бенон. Полевые испытания, проведенные в 20002004 гг. в Северной Америке и Канаде, показали, что главными претендентами для смеси с а-пиненом в привлечении большого соснового лубоеда являются именно транс-вербенол и миртенол, а также мирте-наль [36]. В отличие от большого соснового лубоеда для привлечения Tomicus minor более существенную роль играет агрегационный феромон самки, в состав которого входят те же транс-вербенол и миртенол, а также 3-карен-10-ол [37] (рис. 8).
Транс-вербенол непосредственно образуется при каталитическом жидкофазном окислении а-пинена кислородом или воздухом, но получающаяся при этом сложная смесь близкокипящих соединений делает затруднительным выделение целевого спирта [28]. Более селективным методом синтеза транс-вербенола является окисление а-пинена тетраацетатом свинца через промежуточное образование транс-вербенилацетата (схема 17) [38].
Ранее было установлено, что первичным продуктом этой реакции является цис-2-ацетокси-пинен-3, который в кислой среде быстро подвергается аллильной перегруппировке с образованием транс-вербенилацетата [39]. Щелочной гидролиз последнего приводит к транс-вербенолу. Оказалось, что уже на первых двух стадиях этой реакции образуется, кроме основного вещества, незначительное количество вербенена (элиминирование уксусной кислоты из цис-2-ацетоксипинена-3) и цис-вербенилацетата, который после омыления дает цис-вербенол. Реакцию проводили в сухом бензоле при 60-70 °С в течение 3 ч. При мольном соотношении а-пинен : РЬ(ОАс)4, равном 1 : 1, конверсия составила ~85 %, выход спирта после вакуумной разгонки ~42 % на исходный субстрат.
Синтез 3-карен-10-ола осуществляют в несколько стадий, приведенных на схеме 18 [40]. При фотоокислении 3-карена образуется смесь вторичного и третичного спиртов, которые хроматографически не разделимы, но селективное ацетилирова-ние первого позволяет их разделить. Гидролиз ацетата и последующая окислительная перегруппировка спирта пиридинийхлорохроматом в присутствии п-толуолсульфокислоты приводит к кареналю, восстановление которого дает 3-карен-10-ол.
Миртенол синтезируют восстановлением ми-ртеналя, образующегося при фотоокислении в-пи-нена, в незначительных количествах он образуется при каталитическом окислении а-пинена, но наиболее распространенным методом его получения является окисление а-пинена ЭеО2 [41]. Нами разработан модифицированный метод синтеза миртено-ла, основанный на окислении а-пинена ЭеО2 с последующим восстановленем миртеналя комплексными боргидридами без предварительного разде-
+
+
+
+
лОН
"ОН
3-карен терпинолен вербенол транс-пинокарвеол
ОН
^ОН
О
вербенон миртенол миртеналь 3-карен-10-ол
Рис. 8.
ОАс
ОАс
а - РЬ(ОНзООО)4/ Benzene Ь - АсОН с - 10% КОН в ЕЮН
Схема 17.
а) 1О2, ОНОІ3, ТВАВН4 Ь) АС2О, Ру с) КОН, МеОН d) РОО, pTSOH, ОН2ОІ2 е) LiAlH4
Схема 18.
ления продуктов окисления и непревращенного пинена (схема 19) [42].
Анализ продуктов восстановления показал, что содержание миртенола соответствует сумме спирта и альдегида до восстановления. Ни прямой, ни обратный способы смешения реагентов при использовании данных гидридов не приводят к образованию в сколь-нибудь заметных количествах насыщенных спиртов. Разделение а-пинена и мирте-нола не представляет затруднений.
В рамках совместной работы с ВНИИХСЗР нами были наработаны десятки грамм энантиомер-но обогащенных транс-вербенолов и миртенолов для создания феромонного препарата для монито-
ринга и борьбы с сосновыми лубоедами. Полевые испытания были проведены в течение четырех лет (2006-2009 гг.) в разных регионах России: национальном парке «Куршская коса» в Калиниградской области, национальном парке «Бузулукский бор» в Оренбургской области, в Республике Мари-Эл, в Тверской области и Подмосковье [43].
^ОН
а-пинен
с
с
Ь
Предварительные эксперименты 2005 г. показали, что р-пинен, по сравнению с а-пиненом, ингибирует привлечение лубоедов, а добавление к диспенсеру с а-пиненом диспенсера со смесью миртенола и этанола привлекает насекомых почти в два раза лучше, чем смесь транс-вербенола с этанолом. Замена полиэтиленовой пленки диспенсера с толстой (100 мкм) на тонкую (45 мкм) уменьшала привлечение лубоедов почти два раза.
Полевые испытания 2006-2009 гг. были направлены на изучение аттрактивности энантиомер-но обогащенных (+)- и (-)-транс-вербенолов, (+)- и (-)-миртенолов, их количества (20, 30 и 100 мкл), количества этанола в привлекающей смеси (60, 70, 100, 200, 400 мкл). Были испытаны трехкомпонентные смеси из а-пинена, транс-вербенола и мирте-нола в одном диспенсере; четырехкомпонентные смеси в двух диспенсерах: а-пинен в отдельном диспенсере, а транс-вербенол, миртенол и этанол -в другом (в одной ловушке) и четырехкомпонентная смесь этих соединений в одном диспенсере. Кроме того, были испытаны некоторые вещества, выделенные из лубоедов и из дерева-хозяина, которые добавлялись к основной смеси, - гераниол, нерол, 3-карен, а-терпинеол, борнеол, миртеналь, карвон (рис. 9). Также проведено сравнение уловистости пластиковых ловушек двух типов - барьерной и воронкообразной.
3-карен нерол а-терпинеол карвон борнеол
Рис. 9.
В табл. 6 в качестве примера приведены результаты испытаний в Сергиево-Посадском р-не Московской области и Республике Мари-Эл в 2008 г.
Таблица 6
Результаты испытаний 2008 г.
Смесь Кол-во T. piniperda T. minor
повт. всего | на ловушку всего | на ловушку
Сергиево-Посадский р-н Московской области
1 5 570 114.0 282 56.4
2 5 224 44.8 102 20.4
3 5 421 84.2 159 31.8
4 5 983 196.6 591 118.2
Республика Мари-Эл
1 7 241 34.4 176 25.1
2 7 252 36.0 217 31.0
3 7 245 35.0 159 22.7
4 7 237 33.9 220 31.4
1 - а-пинен - 2800 мкл, транс-вербенол - 20 мкл, миртенол - 20 мкл, EtOH - 100 мкл;
2 - а-пинен - 2800 мкл, транс-вербенол - 100 мкл, миртенол - 20 мкл, EtOH - 100 мкл;
3 - а-пинен - 2800 мкл, транс-вербенол - 20 мкл, миртенол - 100 мкл, EtOH - 100 мкл;
4 - а-пинен - 2800 мкл, транс-вербенол - 100 мкл, миртенол - 100 мкл, EtOH - 100 мкл.
В результате проведенных испытаний можно отметить следующее: большой сосновый лубоед предпочитает (-)-транс-вербенол и (+)-миртенол, а малый лучше привлекался на (-)-транс-вербенол и (-)-миртенол. Добавление этилового спирта четвертым компонентом увеличивало привлечение в ловушки лубоедов обоих видов. Уменьшение количества этанола в смеси до 60 мкл в разных регионах отличалось по своему влиянию на отлов лубоедов, тогда как увеличение количества спирта до 400 мкл практически не оказывало никакого влияния на привлечение жуков. Было показано, что четырехкомпонентная смесь (этанол, транс-вербенол, миртенол и а-пинен) в одном диспенсере не уступает по уловистости аналогичной смеси в двух диспенсерах. Это значительно облегчает дальнейшее практическое применение препарата для лубоедов. Добавление к основной привлекающей смеси нерола, гераниола, а-терпинеола и 3-карена, проявивших активность при испытаниях в Европе и Канаде, не увеличивало эффективность привлечения лубоедов. Во всех регионах испытано добавление пятым компонентом борнеола, миртеналя и карво-на к основной смеси и показано, что лубоеды, обитающие в географически удаленных регионах, по-разному реагируют на аттрактивный состав. Так, в Оренбурге и Мари-Эл большой сосновый лубоед лучше реагировал на смесь, содержащую мирте-наль, а малый в Оренбурге предпочитал пятым компонентом борнеол. Однако эффективность препаратов не становится значительней (1.4-1.7 раза), поэтому нецелесообразно увеличивать количество компонентов в смеси до пяти, так как это ведет за собой удорожание препарата. Кроме того, пятикратная концетрация (с 20 до 100 мкл) количества транс-вербенола и миртенола в основной четырех- компонентной смеси не повышала эффективность привлечения ни большого, ни малого лубоедов. Сравнительные испытания показали, что наиболее уловистой была барьерная ловушка - она ловила жуков 1.5 раза больше, чем воронкообразная.
Таким образом, для практического мониторинга большого и малого сосновых лубоедов можно рекомендовать четырехкомпонентную смесь, состоящую из этанола (100 мкл), (-)-транс-вербенола (20), (+)-миртенола (20 мкл) и а-пинена (2.8 мл) в одном большом многослойном диспенсере.
Заключение
За рубежом феромоны нашли очень широкое применение. По некоторым данным, объем рынка феромонов в Северной Америке оценивается в 5 млрд. дол., а в мире - не менее 15 млрд. США применяют более 200 феромонных препаратов для надзора и массового отлова и около 30 - для борьбы методом дезориентации насекомых [44]. Верте-нол - единственный зарегистрированный в России феромонный препарат, разрешенный к использованию и применяющийся для борьбы с короедом-ти-пографом методом массового отлова. Положительные итоги полевых испытаний привлекающей смеси для сосновых лубоедов привели к тому, что она наш-
ла отражение в «Методических рекомендациях по применению новых феромонов вредителей леса для ведения лесопатологического мониторинга», которые утверждены приказом Федерального агентства лесного хозяйства от 04.05.2010 № 177 и могут применяться для феромонного надзора в опытном или опытно-производственном порядке. Работы по синтезу новых компонентов для усиления специфичности и активности предложенного состава будут продолжены.
Литература
1. Барбье М. Введение в химическую экологию. М.: Мир, 1978. 230 с.
2. Butenandt A., Hecker H., Stamm D. // Z. Physiol. Chem., 324, 84, 1961.
3. Butler C.J. // Biol.Rev., 42. 1967.
4. Silverstein R.M., Rodin J.O. and Wood D.L. Sex attractants in frass produced by male Ips confuses in ponderosa pine. Science, 1966. 154. P.509-510.
5. Прокофьев О.Н. Защита растений: настоящее и будущее. Новосибирск: Наука, 1983. 160 с.
6. Ишмуратов ГЮ, Яковлева МП., Харисов РЯ. и др. Монотерпенодиды в синтезе оптически активных феромонов насекомых. Уфа: Гилем, 1999. 98 с.
7. Baudouy R., Prince P. Synthese stereoselective drune composarte de la pheromone sexuelle de “Lrecielle Rounge de Californie”: laceta-te drisopropenyl-6-methyl-3-decadine-3,9-yle-(3Z, 6R) // Tetrahedron. 1989. 45. № 7. P.2067-2074.
8. Domon K., Mori K. Short synthesis of vesperal [(S)-10-oxoisopiperitenone], the female sex pheromone of the longhorn beetle (Vesperus xatarti), and of its enantiomer // Eur. J. Org. Chem., 2000. № 22. P.3783-3785.
9. Takikawa H, Sano S., Mori K. Synthesis of (1S,2R,5R)-bicolorin, the aggregation pheromone of male beech bark beetles (Taphrory-chus bicolor), and its (1R,2R,5S)- isomer // Lieb. Ann. Chem., 1997. 12. P.2495-2498.
10. Arceo E., Odriozola J.M., Garcia J.M., at al. Asymmetric synthesis of (R)-4-hexanolide, the pheromone of Trogoderma glabrum // Tetrahedron: Asymmetry., 2003. 14. № 12. P.1617-1621.
11. Xu Z.-H., Huang J.-X., Li Y. et al. Стереосе-лективный синтез (+)-эльданолида с использованием хирального сульфоксида // Chem. J. Chin. Univ., 1995, 16, № 9, P.1391-1395.
12. Ayer WA., Browne L.M. Canad. J. Chem., 1974. 52. P.1352.
13. Моисеенков А.М., Лебедева К.В., Ческис БА., Синтез моно- и сесквитерпеновых феромонов насекомых // Успехи химии. 1984. Т. LIII. Вып. 10. С.1709-1737.
14. Baecrstrom P., Orecha S., De Silva N. at al. Acta Chem. Scand., 1982, 36B, P.31
15. Oliver J.E., Dickens J.C. and Glass T.E. (S)-
3,7-dimethyl-2-oxo-6-octene-1,3-diol: an ag-
gregation pheromone of the Colorado potato
beetle, Leptinotarsa decemlineata (Say) // Tetrahedron Lett. 2002. 43. P.2641-2643.
16. Vinczer P., Kajtarperedy M., Juvancz Z. et al. Investigation of the synthesis of verbenyl compounds. Effective attractants of cockroach species by acyloxylation of a-pinene // Collect. Czech. Chem. Commun., 1992, 57. № 8. P.1719-1730.
17. Одинокое В.Н., Куковинец В.С., Исакова ЛА. и др. Новый синтез полового феромона виноградного мучнистого червеца Planococcus citri (Risso) // Докл. АН СССР. 1984. Т.279. № 2. С.398-401.
18. Куковинец О.С., Зверева Т.И., Касрадзе В.Г. и др. Новый путь синтеза феромона виноградного мучнистого червеца Planococcus citri // Химия природ. соедин. 2006. № 2. С.179-180.
19. Матусевич Л.С. Лесопатологическое состояние еловых лесов на территории европейской части России // Лесное хозяйство. 2003. № 1. С.29.
20. Кобельков М.Е. Проблема защиты еловых лесов от короеда-типографа в Московской области // Лесное хозяйство. 2003. №1. С.33.
21. Bakke A. The Utilization of Aggregation Pheromone for the control of the spruce bark beetle // Insect Pheromone Technology. Chemistry and Application (Symp. 182-nd Meeting of Amer. Chem. Soc. N.Y. Aug. 25-26). 1981. P.219-229.
22. Jakus R., Blazenec M. Influence of proportion of (4S)-cis-verbenol in pheromone bait on Ips typographus (Col., Scolytidae) catch in pheromone trap barrier and in single traps // Journal of Applied Entomology, 2002. 126. №6. P.306-311.
23. Лебедева К.В., Вендило Н.В., Митрошин Д.Б. и др. Применение вертенола - феромона коро-еда-типографа для защиты ели в Московской обл. // Лесное хозяйство. 2003. № 1. С.33-35.
24. Cooper MA., Salmon J.R. and Whittaker D. Stereochemistry of the verbenols. J. Chem. Soc., B, 1967. 12. P.1259-1261.
25. Mori K., Mizumachi N. and Matsui M. Synthesis of optical pure (1S,4S,5S)-2-pinen-4-ol (cis-verbenol) and its antipod, the pheromone of Ips bark beetles. Agric. Biol. Chem., 1976. 40. P.1611-1615.
26. Фролова Л.Л., Древаль И.В., Пантелеева М.В. и др. Благотворное влияние Ce111 на стереоселективность восстановления вербенона в цис-вербенол // Изв. АН. Сер. хим. 2003. №2. С.475-478.
27. Патент 2189967 РФ. Способ получения цис-вербенола / Л.Л.Фролова, А.В.Кучин, И.В.Дре-валь и др.; Заяв. 14.05.2001; Опубл. 27.09.2002; Бюл. № 27.
28. Патент 2250208 РФ. Способ получения вер-бенона / Л.Л.Фролова, А.В.Кучин, И.В.Дре-валь и др.; Заявл. 14.07.2003; Опубл. 20.04.2005; Бюл. № 11.
29. Ohloff G., Giersch W. Access to optically active Ipsdienol from verbenone // Helv. Chim. Acta, 1977. 60. P.1496-1500.
30. Kondo K., Matsumoto M. Syntheses of fu-ranoterpenes: perillene, dendrolasin, neotor-reyol, and torreyal // Tetrahedron Letters, 1976. Vol.17. Р. 391.
31. А.С. 730333 РФ. Производные диенолов, обладающие аттрактивной активностью к ко-роеду-типографу / Ю.А.Кондратьев, Б.А.Чес-кис, К.В.Лебедева; Заявл. 13.09.1978; Опубл. 15.01.1983; Бюл. № 2.
32. Лебедева К.В., Вендило Н.В., Митрошин Д.Б. и др. Феромон шестизубого короеда Ips sexdentatus (Coleoptera, Scolytidae) и возможность его применения в защите леса // Агрохимия. 2006. № 8. C.85-89.
33. Mori K. and Igarashi Y. Synthesis of the en-antiomers of а-phellandren-8-ol (p-mentha-1,5-dien-8-ol), a monoterpene from bark beetles // Liebigs Ann. Chem., 1988. P.93-95.
34. Арбузов БА., Исаева З.Г., Ратнер В.В. Действие тетраацетата свинца на 3-карен // Изв. АН СССР. Сер. хим. 1962. № 4. С.644-649.
35. Лебедева К.В., Вендило Н.В., Митрошин Д.Б. и др. О возможности применения привлекающих веществ для мониторинга большого Tomicus piniperda и малого Tomicus minor сосновых лубоедов (Coleoptera: scolytidae) // Агрохимия. 2006. № 6. C.80-87.
36. Francke W., Heemann V. Das duftstoff-bouquet des grossen Waldgartners Blastophagus piniperda L. (Coleoptera: Scolytidae) // Z.An-gew.Entomol., 1976. B.82. № 2. S.117-119.
37. Lanne B.S., Schlyter F., Dyers JA. et al. Differences in attraction to semiochemicals present in sympatric pine shoot beetles // J.Chem.Ecol., 1987. 13. № 5. Р.1045-1067.
38. Mori K. Synthesis of optically pure (+)-trans-verbenol and its antipode, the pheromone of Dendroctonus bark beetles. Agric. Biol. Chem., 1976. 40. P.415-418.
39. Whitham G.H. The reacnion of а-pinene with Lead tetra-acetate // J. Chem. Soc., 1961. P. 2232-2236.
40. Unelius R. Pheromone synthesis. Conjugated diene systems and oxygenated carene derivatives: Dissertation / Royal institute of technology, Departament of organic chemistry, Stockholm. 1989.
41. Mihelich E.D., Eickhoff D.J. A one-pot conversion of olefins to a,P-unsaturated carbonyl compounds. An easy synthesis of 2-cyclo-pentenone and related compounds // J. Org. Chem. 1983, 48. Р.4135-4137.
42. Патент 2176994 РФ. Способ получения мир-тенола / Л.Л.Фролова, А.В.Кучин, И.В.Древаль и др.; Заявл. 26.07.2000; Опубл. 20.12.2001; Бюл. № 35.
43. Вендило Н.В., Лебедева К.В., Фролова Л.Л. и др. Отчет о научно-исследовательской работе «Создание феромонных препаратов для мониторинга и борьбы с большим и малым сосновыми лубоедами». М., 2006-2009.
44. Быков В., Финкельштейн Е. Российские феромоны для спасения урожая // Химический журнал. 2009. №11. С. 38-41.
Статья поступила в редакцию 26.10.2011.
