松香衍生物農(nóng)用生物活性研究進(jìn)展*

吳程宇，李 健

(西北農(nóng)林科技大學(xué)林學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

隨著石化等不可再生資源的日益枯竭和人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，為滿足人類可持續(xù)發(fā)展的需求，對可再生的綠色天然產(chǎn)物松香進(jìn)行深加工利用，正引起人們更廣泛的關(guān)注。特別是通過對天然產(chǎn)物松香進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的化學(xué)修飾，來制備高附加值的化工產(chǎn)品已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一[1-4]。

松香是一種從松樹中獲得的天然可再生資源，化學(xué)組成復(fù)雜，主要成分是三環(huán)二萜結(jié)構(gòu)的樹脂酸(由分子式C19H29COOH表示)，另含有少量的脂肪酸和中性物質(zhì)。松香樹脂酸具有獨(dú)特的三元菲環(huán)結(jié)構(gòu)和多個(gè)手性中心，可合成應(yīng)用廣泛的松香基化工產(chǎn)品。以松香為原料的化工產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于助焊劑[5]、涂料[6]、膠黏劑[7]、油墨[8]、表面活性劑[9]等領(lǐng)域，而在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域亦有潛在的應(yīng)用價(jià)值，主要表現(xiàn)在殺蟲、除草、抑菌等生物活性。

1 松香衍生物的農(nóng)用生物活性

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中大量使用速效價(jià)廉的化學(xué)合成農(nóng)藥，雖然帶來了巨大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[10]，但其弊端也不斷突顯出來，使農(nóng)業(yè)害物大規(guī)模產(chǎn)生抗藥性，甚至?xí)茐纳鷳B(tài)平衡[11]，而以植物源農(nóng)藥為主要代表的綠色農(nóng)藥[12-13]正越來越引起人們的重視。由于植物源農(nóng)藥具有源于自然、易降解、不易產(chǎn)生抗藥性、對人畜安全等特點(diǎn)，使其較傳統(tǒng)化學(xué)合成農(nóng)藥具有更好的應(yīng)用前景。而從豐富的天然資源松香中篩選高活性松香衍生物作為原料，通過對其三元菲環(huán)骨架和羧基官能團(tuán)化學(xué)改性及修飾結(jié)構(gòu)，可設(shè)計(jì)合成新型植物源農(nóng)藥乃至發(fā)現(xiàn)新的作用靶標(biāo)，也成為現(xiàn)代農(nóng)藥研究與開發(fā)的熱點(diǎn)之一[14]。因此，對于我國嚴(yán)峻的農(nóng)業(yè)環(huán)境，開發(fā)結(jié)構(gòu)新穎、農(nóng)用生物活性高、環(huán)境友好的綠色植物源農(nóng)藥就變得非常緊迫。

1.1 殺蟲活性

研究發(fā)現(xiàn)，松香衍生物對農(nóng)業(yè)害蟲具有一定的防治效果[15-16]。因此，設(shè)計(jì)制備綠色植物源松香基農(nóng)藥有望減少農(nóng)作物的損失，提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)量，并為開發(fā)高效低毒的新型殺蟲劑提供研究思路。

劉宇宏[17]以歧化松香為原料，經(jīng)氯化和銅鹽化反應(yīng)合成氯化松香基銅鹽，通過浸蟲法研究殺蟲活性，結(jié)果表明：該類化合物對農(nóng)業(yè)害蟲甜菜夜蛾具有良好的防治效果，死亡率可達(dá)98.3%以上。Klejdysz等[18]合成出具備拒食活性和抗氧化活性的雙功能松香離子液體，對米象蟲、赤擬谷盜蟲和谷斑皮蠹等農(nóng)作物害蟲具有較強(qiáng)的拒食效果的同時(shí)，也對長期儲(chǔ)存的作物有一定抗氧化能力，在倉儲(chǔ)作物保護(hù)領(lǐng)域提供了新的研究思路，具有一定研究潛力。Liu[19]分別用脫氫樅酸和馬來海松酸合成了系列松香酯衍生物，通過葉板法檢測了它們對粘蟲的拒食活性。拒食結(jié)果表明：大多數(shù)松香酯類化合物在0.01 g/mL濃度下表現(xiàn)出顯著的拒食活性，24 h后拒食率均超過70%；松香酯的拒食活性隨著醇鏈長度的增加而增大，并推測松香酯類化合物對粘蟲具有一定胃毒作用。許吉[20]研究了松香多元酸對4齡小地老虎的拒食活性，結(jié)果顯示：質(zhì)量濃度為1 g/L 時(shí)，丙烯海松酸、馬來海松酸和富馬海松酸對4齡小地老虎幼蟲的24 h拒食率分別為78. 41%、13. 41%和79. 94%，其中丙烯海松酸及富馬海松酸對小地老虎的拒食活性較高，較強(qiáng)地抑制了小地老虎幼蟲的進(jìn)食。而松香基席夫堿、噻二唑、硫脲和酰胺類化合物的殺蟲活性研究報(bào)道較多，對農(nóng)業(yè)害蟲取得良好的拒食活性和滅殺活性。

饒小平[21]以松香衍生物為原料經(jīng)化學(xué)修飾合成了席夫堿、金屬配合物、胺基磷酸酯、酰胺、異氰酸酯和?；螂宓攘惞?8個(gè)化合物，并通過用IR、UV-Vis、NMR、MS等化學(xué)光譜對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。以家蠅、斜紋夜蛾、蚜蟲為實(shí)驗(yàn)昆蟲，研究了松香衍生物對昆蟲的取食活性規(guī)律。結(jié)果顯示：脫氫樅基席夫堿和脫氫樅基酰胺都對斜紋夜蛾有較強(qiáng)的誘食活性，也對粘蟲有很強(qiáng)的拒食活性，拒食率可達(dá)90%～100%，而對家蠅取食影響較小。翟兆蘭[22]合成了四種松香含氮衍生物，分別是脫氫樅酸基酰胺類、脫氫樅胺基席夫堿類、脫氫樅酸?；螂孱惡投錁核狨；螂孱愌苌?。采用葉碟法研究了這四類松香含氮衍生物對小地老虎4齡幼蟲的拒食活性，結(jié)果顯示:脫氫樅胺席夫堿和二氫樅酸酰基硫脲這兩類衍生物對小地老虎具有較強(qiáng)的拒食活性，24 h后拒食率分別可達(dá)86.12%和85.13%。

韓春蕊[23]以樅酸為原料合成了酰肼、噻二唑等系列衍生物，通過葉碟法測試了部分化合物對家蠅的拒食活性，研究發(fā)現(xiàn)：脫氫樅基酰肼和噻二唑官能團(tuán)對家蠅拒食活性影響不大，而化合物取代基的改變對拒食活性影響較大。Gao[24]以脫氫樅酸為原料，合成了37種含有噻二唑基團(tuán)的松香酰胺類衍生物，以粘蟲和小菜蛾為試受害蟲，研究了化合物殺蟲活性并建立定量構(gòu)效關(guān)系(QSAR)模型研究其定量構(gòu)效關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)：目標(biāo)化合物對小菜蛾有良好的滅殺活性，其中最優(yōu)化合物殺蟲活性(LC50=0.0214 g/mL)較優(yōu)于商業(yè)殺蟲劑氟苯蟲胺(LC50=0.0222 g/mL)；定量構(gòu)效結(jié)果表明：該類化合物的電子和空間效應(yīng)對殺蟲活性有一定的影響。Mo等[25]以脫氫樅酸為原料合成11種脫氫樅基噻二唑硫脲類化合物，通過對棉鈴蟲、玉米螟和小菜蛾的殺蟲活性測試，同時(shí)建立初步構(gòu)效關(guān)系(SAR)，研究發(fā)現(xiàn)：在200 mg/L濃度下，其中最優(yōu)化合物N-(5-脫氫樅基-1,3,4-噻二唑-2-基-)-N′-苯基硫脲(圖13a)對棉鈴蟲具有良好的殺蟲活性，防效率高達(dá)93.3%；而對玉米螟殺蟲活性最高的化合物N-(5-去氫樅基-1,3,4-噻二唑-2-基-) -N′-對甲基苯基硫脲(圖13d)，防效率為73.3%；并且構(gòu)效關(guān)系表明：化合物苯環(huán)上4位取代基對棉鈴蟲和玉米螟的防效率具有一定影響。

圖1 脫氫樅基噻二唑硫脲化合物(3a～3k)合成路線圖Fig.1 Synthesis route of dehydroabietic thiadiazole thiourea compounds (3a～3k)

盡管上述文獻(xiàn)報(bào)道合成的松香衍生物對農(nóng)業(yè)害蟲表現(xiàn)出良好的生物活性，但其相關(guān)研究均缺乏對農(nóng)業(yè)害蟲作用機(jī)制的研究和田間試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)也應(yīng)該加強(qiáng)研究其毒性機(jī)理和農(nóng)藥環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估，從而為松香基殺蟲劑的商業(yè)化開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

1.2 除草活性

松香衍生物[26]不僅對農(nóng)業(yè)害蟲具有一定的防治效果，同樣也對一些農(nóng)業(yè)植物雜草具有抑制作用，在除草劑領(lǐng)域有研究潛力，可開發(fā)為一種潛在的植物生長抑制劑。較多文獻(xiàn)以稗草幼苗和油菜胎根為除草活性試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，研究了松香基硫脲、酰胺、噻二唑和三唑類化合物的除草活性，其中酰胺類和噻二唑類化合物對稗草和油菜的抑制率較高，除草活性強(qiáng)。

閔方倩等[27]合成的脫氫樅酸基磺酰胺衍生物，均對油菜胚胎根生長有一定抑制作用，其中化合物去氫樅酸基對甲氧基苯磺酰胺的除草活性最優(yōu)，抑制率為57.1%。Gao等[28]合成了33種丙烯海松基衍生物，主要包括了丙烯海松基?；螂濉⒈┖Ｋ苫０?、丙烯海松基席夫堿三類化合物。研究了丙烯海松基衍生物對稗草、莧菜、油菜的除草活性，結(jié)果表明：丙烯海松基?；螂孱惢衔飳Π薏萦辛己玫囊种坡?，其中最優(yōu)化合物(EC50=13.191 g ai/ha)除草活性優(yōu)于商業(yè)除草劑磺草胺(EC50=15.606 g ai/ha)；并且定量關(guān)系表明：氮原子上的取代基和空間結(jié)構(gòu)對除草活性有一定影響。Xu[29]以馬來松香酸為原料，經(jīng)過酰氯化和N-?；磻?yīng)，合成了9個(gè)新型馬來松香酸基酰胺化合物并測試其除草活性。研究發(fā)現(xiàn)：所有目標(biāo)化合物均對油菜的胚根生長有一定抑制作用，而對稗草幼苗生長的抑制作用較弱。其中目標(biāo)化合物在100 μg/mL質(zhì)量濃度下，最佳化合物(圖23d)的除草抑制率為66.1%。

林桂汕[30]以松香為原料，合成了7種新型丙烯海松基雙酰胺-噻二唑化合物。通過稗草小杯法和油菜平皿法測試抑制活性，結(jié)果表明：在100 μg/mL濃度下，目標(biāo)化合物對油菜的抑制作用較強(qiáng)，而對稗草表現(xiàn)出較弱的抑制活性，其中最優(yōu)化合物對油菜抑制率高達(dá)92.4%。楊小洪等[31]以松香衍生物為原料，合成了系列脫氫松香基噻二唑類衍生物，使用油菜平皿法和稗草小杯法測定目標(biāo)化合物除草活性。研究發(fā)現(xiàn)：脫氫松香基噻二唑類衍生物均表現(xiàn)出一定的除草活性，當(dāng)苯環(huán)上有鹵素原子取代時(shí)，目標(biāo)化合物的除草活性增強(qiáng)，其中最優(yōu)化合物(圖35d)在100 μg/mL濃度下，抑制率可達(dá)68.9%。

圖2 馬來松香基酰胺化合物(3a～3i)合成路線圖Fig.2 Synthesis route of maleated rosin-based amide compounds (3a～3i)

史伯安等[32]合成了6個(gè)脫氫松香基-1,2,4-三氮唑類化合物，通過FTIR、1HNMR、MS和元素分析等手段確定產(chǎn)物結(jié)構(gòu)，并研究了其對油菜和稗草的除草活性。研究發(fā)現(xiàn)：目標(biāo)化合物對油菜胚根和稗菜幼苗具有一定的抑制活性。在100 μg/mL濃度下，抑制作用明顯，對油菜胚根和稗菜幼苗的抑制率達(dá)到20%以上。研究還發(fā)現(xiàn)了當(dāng)目標(biāo)化合物苯環(huán)上引入鹵素原子時(shí)，可有效促進(jìn)除草活性。

雖然較多文獻(xiàn)報(bào)道了松香衍生物對油菜和稗草表現(xiàn)出良好的除草活性，但研究對象種類單一，缺乏對其它田間雜草的活性測試分析和作用機(jī)制研究。為開發(fā)出高效、低毒、廣譜的松香基除草劑，應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)除草活性試驗(yàn)規(guī)模、增加試驗(yàn)種類，深入地研究除草機(jī)理和除草劑對生態(tài)環(huán)境影響等。

1.3 抑菌活性

松香衍生物在抑菌活性也有較多的研究報(bào)道，尤其對農(nóng)業(yè)有害微生物具有顯著抑制作用，主要體現(xiàn)在：木材木腐菌和植物病原菌。

(1)木材木腐菌

松香基季銨鹽和酰胺類化合物對木腐菌有良好的抑菌效果，在木材防腐劑領(lǐng)域?yàn)樗上闵疃乳_發(fā)利用提供了新的研究途徑[33-34]。

圖4 松香季銨鹽衍生物化學(xué)結(jié)構(gòu)式Fig.4 Chemical structural of rosin quaternary ammonium salt derivatives

Liang[35]以松香為原料合成了脫氫松香基單季銨鹽、氫化松香基單季銨鹽和丙烯海松基雙季銨鹽三類衍生物，通過濾紙片法對木材腐爛真菌彩絨革蓋菌和密粘褶菌測試抑菌活性，結(jié)果顯示：在0.025 mmol/mL濃度時(shí)，所有的測試化合物均變現(xiàn)出良好的抑菌活性，其中丙烯海松基雙季銨鹽(圖4c)的抑菌活性優(yōu)于脫氫松香基單季銨鹽(圖4a)和氫化松香基單季銨鹽(圖4b)，且對彩絨革蓋菌具有較優(yōu)的抑菌活性，較接近于市售季銨鹽殺菌劑十二烷基二甲基芐基氯化銨的抑菌活性。金燕[36]以松香為原料，合成了N-(3-松香酰氧-2-羥)丙基-N,N-二甲基氯化銨，測定了目標(biāo)化合物對四種木材腐朽菌綿腐臥孔菌、彩絨革蓋菌、密粘褶菌、乳白耙菌的抑菌活性，研究發(fā)現(xiàn)目標(biāo)化合物對四種木腐菌均有抑制效果，尤其是對密黏褶菌的抑制效果最好，在藥劑濃度為32 mg/mL時(shí)，可對密黏褶菌達(dá)到Ⅰ級防腐。

李雙月[37]將改性松香經(jīng)化學(xué)修飾合成了丙烯海松酰胺，以黑曲霉、宛氏擬青霉、白腐菌為試驗(yàn)菌種，測定了丙烯海松酰胺的抑菌性能。發(fā)現(xiàn)對四種木腐菌均有抑制效果，尤其對宛氏擬青霉抑制效果最優(yōu)。在濃度為32 mg/mL時(shí)，抑菌環(huán)直徑可達(dá)16 mm，并對彩絨革蓋菌和密黏褶菌達(dá)到Ⅰ級防腐效果。

(2)植物病原菌

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，植物病菌嚴(yán)重威脅農(nóng)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量[38]。研究發(fā)現(xiàn)，松香基酰胺類、噻唑類以及硫脲類化合物對部分植物病原菌具有良好的抑菌活性，其中主要包括：黃瓜枯萎病菌、蘋果輪紋病菌、番茄早疫病菌、花生褐斑病菌和小麥赤霉病菌等植物病原菌。

董淑求等[39]以馬來松酸為原料，設(shè)計(jì)合成了7個(gè)新型馬來松香基雙酰胺類化合物。抑菌活性測試結(jié)果表明：目標(biāo)化合物對上述五種植物病原菌均具有抗菌活性，尤其是對蘋果輪紋病菌抑制效果較優(yōu)，其中大部分馬來松香基雙酰胺類化合物抑制率均高于50%。閔方倩等[40]研究了脫氫樅基磺酰胺類化合物的抗菌活性，在50 μg/mL質(zhì)量濃度下，目標(biāo)化合物也對上述五種植物病原菌均具有一定的抑菌活性，其中化合物脫氫樅酸間甲基苯磺酰胺對番茄早疫病菌的殺菌活性最佳，抑制率可達(dá)73.6%。Shi等[41]以馬來松香為原料，合成了14個(gè)新型馬來松香雙磺酰胺類化合物。采用瓊脂稀釋法測試其抑菌活性，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：目標(biāo)化合物也對五種植物病菌均有一定的抑菌效果，在50 mg/L質(zhì)量濃度下，其中最優(yōu)化合物馬來松香雙鄰氟苯基磺酰胺對蘋果輪紋病菌的抑制效果較好，抑制率為66.8%。

Chen等[42]合成脫氫樅基噻唑類化合物，通過瓊脂稀釋法測試抗真菌活性，結(jié)果表明：目標(biāo)化合物在50 μg/mL質(zhì)量濃度下，大部分化合物對玉米赤霉菌具有較好的抑菌效果，抑制率最高可達(dá)91.3%，接近于商業(yè)抗菌劑嘧菌酯。岑波等[43-44]以松香為原料，經(jīng)加成、?；确磻?yīng)合成了8個(gè)的丙烯海松酸基雙噻二唑類化合物。通過抑菌活性測試，結(jié)果表明：當(dāng)目標(biāo)化合物在50 μg/mL質(zhì)量濃度下時(shí)，對蘋果輪紋病菌抑制效果較好，抑制率均超過60%。之后還合成了10個(gè)馬來松香基雙硫脲-酰胺類化合物，研究發(fā)現(xiàn)：在50 μg/mL質(zhì)量濃度下，最優(yōu)化合物馬來松香基雙對氯苯基硫脲-酰胺對蘋果輪紋病菌的抑制活性最強(qiáng)，其抑制率可達(dá)71.4%，達(dá)到B級活性水平，提高了對蘋果輪紋病菌的抑制率。陳乃源等[45]設(shè)計(jì)合成了20個(gè)新型脫氫樅基B環(huán)并噻唑-酰胺化合物。抑菌活性測試結(jié)果表明：在50 mg/L質(zhì)量濃度下，其中目標(biāo)化合物脫氫樅基B環(huán)并噻唑-苯甲酰胺和脫氫樅基B環(huán)并噻唑-胺對蘋果輪紋病菌的抑制率分別高達(dá)90.0%和92.4%，達(dá)到A級活性水平，進(jìn)一步提高了對蘋果輪紋病菌的抑制率，具有一定的研究潛力。

松香衍生物具有良好的抑菌活性，特別是對農(nóng)業(yè)病原菌表現(xiàn)出良好的抑制作用。但絕大多數(shù)抑菌活性研究還停留在活性篩選，缺乏后續(xù)抗菌機(jī)理研究和田間實(shí)驗(yàn)，需要進(jìn)一步研究其抑菌作用機(jī)理和擴(kuò)大試驗(yàn)規(guī)模。

2 結(jié) 語

我國松香資源豐富，年產(chǎn)量超過50萬噸。而以天然產(chǎn)物松香為原料，設(shè)計(jì)制備高附加值的農(nóng)化產(chǎn)品將為我國帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本文主要介紹了松香衍生物的農(nóng)用生物活性，涉及到殺蟲、除草、抑菌等多個(gè)領(lǐng)域。盡管大量文獻(xiàn)報(bào)道了松香衍生物的合成工藝、高活性化合物篩選以及建立定量構(gòu)效關(guān)系模型，并揭示了其構(gòu)效關(guān)系，為合成高活性松香衍生物提供理論基礎(chǔ)。但缺乏對其作用機(jī)理研究以及相關(guān)的田間試驗(yàn)，使其難以開發(fā)為市售農(nóng)藥產(chǎn)品。需要進(jìn)一步加強(qiáng)農(nóng)用活性機(jī)理、尋找作用靶點(diǎn)、環(huán)境生態(tài)影響等研究工作。因此，以松香為原料設(shè)計(jì)合成的松香衍生物，將為對農(nóng)用害物高效、對非靶標(biāo)生物及環(huán)境安全的新型植物源農(nóng)藥提供了重要研究思路。