MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài: Ở Việt Nam, người ta diệt côn trùng và sâu hại cây trồng thường dùng các biện pháp hóa học như phun thuốc, bả độc đối với loài mối, hoặc bắt thủ công như bọ dừa. Tuy nhiên, các giải pháp trên vẫn thiếu tính bền vững và ổn định lâu dài. Để khắc phục những hạn chế trên thì biện pháp sử dụng pheromone và chất dẫn dụ côn trùng là một biện pháp có nhiều ưu thế đồng thời hạn chế được hầu hết các tác hại và nhược điểm của các biện pháp trên mà không gây mất cân bằng sinh thái. Qua đó có thể kiểm soát được mật độ mối gây hại hiệu quả trên một diện tích rộng.
Trong đó, nhiều nhóm pheromone côn trùng gây hại cây trồng trên thế giới cũng như ở Việt Nam tồn tại dưới dạng racemic của alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề và dẫn xuất trên nền alkenol. Chính vì vậy, đề tài: “Nghiên cứu tổng hợp một số pheromone côn trùng dạng alcohol chứa nhóm methyl liền kề và (Z)- alken-1-ol”. Tính cấp thiết đề tài: Nhóm pheromone côn trùng dạng racemic của alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl được ưu tiên sử dụng trong bẫy bắt côn trùng vì chi phí sản xuất chúng thường thấp và phương pháp tổng hợp đơn giản hơn các hợp chất quang hoạt. Mặc dù vậy sẽ còn rất nhiều vấn đề phải nghiên cứu để góp phần ứng dụng hiệu quả các racemic alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề vào việc bẫy bắt côn trùng.
Trong quá trình nghiên cứu trước đây khi tổng hợp ()-4-methyl-5- nonanol là pheromone tập hợp của Đuông dừa Rhynchophorus ferrugineus tại Việt Nam đã cho thấy xuất hiện hiện tượng đồng phân cấu hình threo : erythro trong sản phẩm. Tương tự ()-4-methyl-5-nonanol, nếu các racemic của alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề khác đều tồn tại đồng phân cấu hình threo : erythro trong hợp chất thì tỷ lệ hai đồng phân cấu hình đó sẽ là bao nhiêu và nên sử dụng tác chất Grignard, aldehyde nào thì cho được tỷ lệ cấu hình threo : erythro tối ưu để bẫy côn trùng hiệu quả. Do đó, đây là một vấn đề mới cần phải nghiên cứu và giải đáp vì chưa có công trình nào công bố trên các tạp chí trong và ngoài nước. Bên cạnh đó, đối với các pheromone có cấu trúc là đồng phân hình học, đặc biệt là đồng phân (Z) thì những phương pháp tổng hợp có độ chọn lọc cao, đơn giản và tiện lợi luôn được ưu tiên lựa chọn.
Con đường tổng hợp các dẫn xuất (Z)-alken-1-ol từ các 1-alkyne với hệ xúc tác thích hợp mà không cần sử dụng hydrogen phân tử như: Pd(OAc)2/KOH/DMF, Pd(dba)2/KOH/DMF, PdNPsPEG/KOH/DMF và PdNPs@pectin-KOH/DMF đã 9 đóng vai trò quyết định trong việc chuyển một hợp chất chứa nối ba thành nối đôi có cấu hình chọn lọc, kèm theo đó là những kỹ thuật đơn giản hơn, cho phép tạo ra một lượng pheromone đủ lớn phục vụ cho chế phẩm tạo mồi nhử trong bẫy bắt côn trùng lại vừa giảm chi phí. Đây cũng là một vấn đề mới khác sẽ được nghiên cứu trong đề tài. Mục tiêu đề tài: Tổng hợp cấu trúc một số pheromone côn trùng dạng alcohol chứa nhóm thế methyl liền kề và dạng (Z)-alken-1-ol. Sau đó, thử nghiệm hoạt tính sinh học một số cấu trúc pheromone thích hợp trên đồng ruộng.
Đóng góp mới của luận án: - Tổng hợp các racemic của alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề. Chứng minh sự hiện diện và tỉ lệ của đồng phân cấu hình threo : erythro thông qua các bước: + Tổng hợp các alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề từ các aldehyde chứa nhóm thế methyl dạng (CH3(CH2)mCH(CH3)CHO với m = 1, 2, 4) với tác chất Grignard không mang nhóm thế methyl dạng (CH3(CH2)nCH2MgBr với n = 1, 2, 3, 4, 5, 6) tương ứng với các alcohol (1a-15a) và các aldehyde không mang nhóm thế methyl dạng (CH3(CH2)nCH2CHO với n = 1, 2, 3, 4, 5, 6) với tác chất Grignard mang nhóm thế methyl dạng (CH3(CH2)mCH(MgBr)CH3 với m = 1, 2, 4) tương ứng với các alcohol (1b-15b). + Sử dụng IBX/CH3CN làm tác nhân oxi hóa thành công các alcohol (1a-15a) thành các ketone tương ứng (1c-15c). Qua đó, chứng minh sự biến mất của đồng phân cấu hình threo : erythro trong cấu trúc các ketone (1c-15c).
+ Hoàn nguyên các ketone (1c-15c) bằng LiAlH4/(C2H5)2O về dạng alcohol. Qua đó, chứng minh và giải thích sự xuất hiện lại đồng phân cấu hình threo : erythro trong các alcohol được hoàn nguyên. + Đánh giá cấu trúc và khảo sát tỷ lệ đồng phân cấu hình threo và erythro của các alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề trong sản phẩm. - Xác định các cấu trúc hợp chất mới từ một số alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề và các ketone tương ứng đã tổng hợp trên Scifinder.
- Tổng hợp pheromone côn trùng dạng (Z)-alken-1-ol: 10 + Tổng hợp thành công các n-bromoalkan-1-ol từ các diol với dung môi n-heptane thay thế benzene. + Sử dụng các hệ xúc tác: Pd(OAc)2/KOH/DMF, Pd(dba)2/KOH/DMF, PdNPsPEG/KOH/DMF và PdNPs@pectin/KOH/DMF khử hóa thành công các alkyne thành các (Z)-alkene mà không sử dụng hydrogen phân tử để tổng hợp một số pheromone dạng (Z)-alken-1-ol như: Pheromone giới tính bọ xít muỗi (Helopeltis theivora Waterhouse), pheromone giới tính của sâu tơ (Plutella xylostella), pheromone giới tính bọ hà khoai lang (Cylas formicarius) từ nguyên liệu ban đầu là các 1-alkyne và alkanediol. - Thử nghiệm hoạt tính sinh học: + Xác định các cấu trúc có khả năng dẫn dụ đuông dừa từ các alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề và các ketone tương ứng đã tổng hợp. Trong đó, xác định các hợp chất có khả năng dẫn dụ đuông dừa tương đương tổ hợp pheromone đuông dừa đã biết là 4-methyl-5-nonanol (10a) và 4-methyl nonan-5-one (10c).
+ Đánh giá khả năng dẫn dụ đuông dừa của các cấu trúc có tỉ lệ đồng phân cấu hình threo : erythro khác nhau và xác định các cấu trúc có tiềm năng. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Về mặt học thuật, đối với tổng hợp một dãy các alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề cho thấy sự thay đổi độ dài của mạch carbon không ảnh hưởng đến tỉ lệ các đồng phân erythro và threo (theo quy tắc Cram), điều này làm phong phú thêm kiến thức về tổng hợp các cấu trúc có tỉ lệ đồng phân cấu hình erythro và threo theo mong muốn. Bên cạnh đó, kết quả luận án còn đóng góp một phương pháp hiệu quả để tổng hợp các cấu trúc dạng (Z)-alken-1-ol từ các alkyne khi sử dụng các hệ xúc tác dưới dạng palladium trong DMF và KOH mà không sử dụng hydrogen phân tử. - Về mặt thực tiễn, kết quả nghiên cứu làm sáng tỏ sự ảnh hưởng của các gốc alkyl đến tỉ lệ các đồng phân threo và erythro trong các tổng hợp các alcohol bậc 2 chứa nhóm thế methyl liền kề, đồng thời kết quả luận án cho thấy được với tỉ lệ đồng phân cấu hình threo và erythro như thế nào thì hiệu quả dẫn dụ côn trùng tốt hơn trên đồng ruộng.
Trong khi đó, phương pháp sử dụng các hệ xúc tác palladium còn đóng góp một hướng nghiên cứu hiệu quả để tổng hợp các cấu trúc dạng (Z)-alken-1-ol từ các alkyne mà không sử dụng hydrogen phân tử đặc biệt trong tổng hợp pheromone. Giới thiệu về pheromone 1. Định nghĩa pheromone Trước khi thuật ngữ “pheromone” ra đời thì các nhà nghiên cứu khoa học đã cho ra rất nhiều thuật ngữ khác nhau để định nghĩa cho các loại hợp chất này. Tuy nhiên nó chưa thể hiện được đầy đủ nhất về bản chất và giá trị của nó.
Đến năm 1959, thuật ngữ “pheromone” (chất dẫn dụ) được Karlson & Luscher sử dụng lần đầu tiên và nó bắt nguồn từ các Hy Lạp kết hợp lại giữa “pherein” (φερω) “hormon” (ὁρμων) có nghĩa là chất mang sự kích thích [1, 2]. Theo định nghĩa của Karlson và Luscher thì pheromone là một hợp chất hóa học tự nhiên được tìm thấy trong các loài côn trùng, động vật và kể cả con người. Nó là tín hiệu hóa học giữa các cá thể trong cùng một loài. Cụ thể nó là những chất dễ bay hơi được tiết từ một cá thể ra môi trường bên ngoài và nhờ tác động của không khí mà nó được truyền đến cá thể thứ hai khác giới cùng loài tiếp nhận gây nên những phản ứng chuyên biệt đáp lại [2].
Mô tả phương thức giao tiếp của hai cá thể cùng loài 1. Đặc điểm và phân loại pheromone 1. Đặc điểm Trong điều kiện tự nhiên, pheromone là một chất lỏng dễ bay hơi, nhờ vào tác động của môi trường mà tốc độ bay hơi và khuếch tán phụ thuộc vào tốc độ gió (không khí) hay nước. Pheromone bị phân hủy càng nhanh nếu nhiệt độ càng cao, nó chỉ tồn tại ở một giới hạn nhiệt độ nhất định trong môi trường tự nhiên.
Pheromone sinh dục là loại pheromone có khả năng khuếch tán xa nhất (tối đa 1 km) và pheromone đánh dấu đường đi có độ khuếch tán kém nhất [3]. Phân loại pheromone 12 Pheromone được phân loại thành năm nhóm dựa vào những đặc tính tồn tại và tính chất tác động lên sinh lý, hành vi của côn trùng ngoài tự nhiên. Bao gồm: pheromone ức chế (primer pheromone), pheromone phóng thích (releaser pheromone), pheromone giới tính (sex pheromone), pheromone đánh dấu (trail pheromone), pheromone báo động (alarm pheromone) [4]. Nhóm pheromone ức chế (primer pheromone) Sử dụng chủ yếu ở các loài côn trùng mang tập tính xã hội với mục đích là để ngăn chặn sự sản sinh của cá thể cùng loài như kiến, ong (thuộc bộ cánh màng Hymenoptera).
Chúng sẽ kích hoạt làm thay đổi hoạt động sinh lý có xu hướng theo chiều chậm lại ở cá thể nhận được, không có bất kỳ sự phản ứng nào về hành vi ngay tại thời điểm đó. Chúng tiếp nhận tín hiệu thông qua cảm giác (vị giác). Nhóm pheromone này không tìm thấy ở bộ cánh vảy (Lepidoptera) [5]. Nhóm pheromone phóng thích (releaser pheromone) Các pheromone thuộc nhóm này được mô tả rất nhiều.
Khi một cá thể nhận được tín hiệu hóa học của cá thể khác tiết ra trong cùng loài, ngay lập tức tạo ra sự thay đổi trong hành vi của cá thể nhận được. Chúng tiếp nhận tín hiệu thông qua cơ quan khứu giác (mùi) trực tiếp truyền đến hệ thống thần kinh trung ương và sửa đổi hành vi của cá thể đó. Nhóm pheromone này tiếp tục được chia nhỏ thành các loại khác nhau [4, 5]. Pheromone giới tính (sex pheromone) Đây là loại pheromone thường được tiết ra môi trường từ một cá thể thu hút các cá thể khác giới trong cùng loài từ xa với mục đích hấp dẫn sự giao phối, thường là một chất hoặc hỗn hợp của nhiều chất hóa học.
Chất này có thể tiết ra từ cả hai giới tính nhưng thường phổ biến ở cá thể cái.