서 론

멸강나방(Mythimna separata)은 밤나방과 줄무늬밤나방아과로 주로 중국에서 우리나라 서해안을 통해 비래하여 옥수수, 목초, 벼 등에 피해를 준다. 국내에서 월동 불가능한 해충으로 겨울동안 생존하기 어렵고, 여러 보고들에 의하면 국내 지역에서는 월동하지 못하는 것으로 알려져 있다(Choi and Cho, 1976; Lee and Uhm, 1995). 암컷 성충은 실내조건에서 약 700개의 알을 낳고, 부화유충은 자벌레처럼 운동하며 심부의 잎을 갉아먹는다. 4령 이후에는 야행성이 되며, 폭식하므로 그 피해가 막심하다. 지구온난화로 멸구, 나방 등 외국에서 국내로 날아오는 해충의 발생 시기가 점점 빨라지고 있다. 멸강나방 발생도 예년보다 빨라질 것으로 예상이 되며, 옥수수, 목초류 등 재배포장 조기예찰과 신속한 방제가 필요하다(Choi and Cho, 1976; Hirai, 1995). 멸강나방은 (Z)-11-hexadecen-1-al(1), (Z)-11-hexadecen- 1-yl acetate(2), (Z)-11-hexadecen-1-ol(3)를 주요 성분으로 하는 지리적 집단 특이적으로 성페로몬을 방출하는 것으로 알려졌다. 페로몬 혼합의 구성 물질과 비율은 집단마다 다르다(Jiang et al., 2019). 멸강나방은 지리적 분포에 따라 집단이 구분되며 이에 따라 성페로몬의 혼합비율이 큰 차이를 보이며 두 가지로 주요성분으로 분류된다. 하나는 (Z)-11-hexadecen-1-yl acetate 성분이며(Fonagy et al., 2011; Kou et al., 1992; Takahashi et al., 1979), 또 다른 하나는 (Z)-11-hexadecenal 성분이다(Lebedeva et al., 2000; Zhu et al., 1987). 주성분인 Z11-16Al 단독으로 야외실험을 진행하였을 때, 멸강나방 유인력이 높음을 확인하였다(Wei and Pan, 1985; Zhu et al., 1987)(Fig. 1). 또한 국내에서 검토된 결과 구성 화합물인 (Z)-11-hexadecen-1-ol, (Z)-11-hexadecen-1-yl acetate, (Z)-11-hexadecenal 성분을 0.1:5:5의 비율로 야외실험을 진행하였을 때, 멸강나방이 유인되는 것을 확인하였다(Uhm et al., 2005). 지금까지 알려진 멸강나방 성페로몬 합성방법으로 잘 알려져 있는 합성방법은 다음과 같다. 1,10-decanedicarboxylic acid를 에스테르화 반응을 하고 수산화칼슘으로 염을 만든 후, 염산을 부가하여 monoacid을 얻은 다음, Cristol-Firth가 변형시킨 Hunsdiecker 반응 후 Pyridine-N-oxide로 산화하여 알데히드를 얻은 다음, Pentylene Triphenylphosphonium ylide와의 Wittig 반응하여 시스형의 이중결합을 구축한 다음, LAH로 환원, 아세틸화 반응을 하는 방법이다. 이 방법은 carbon-carbon coupling 하는 일반적으로 사용하는 방법이지만 Z 입체선택성이 좋지 않으며, 환원하는 과정에서 사용하는 폭발성이 강한 환원제 Lithium Aluminm Hydride를 이용하므로 대량합성이 쉽지 않아 산업적 생산이 어려우며, 반응단계가 길어 최종적으로 낮은 수율을 보이거나 부반응이 많이 생겨 양산에 적합하지 않았다. 본 연구에서는 출발물질 1,10-dibromdecane과 1-hexyne을 이용하여 cis 이성질체 순도가 95% 이상이고 산업적으로 쉽게 구할 수 있는 출발물질로 대량 합성하여 멸강나방의 친환경 방제인 페로몬을 이용한 방제에 도움이 되고자 경제적으로 개발하였다.

Fig. 1.

Three components of Mythimna separata sex pheromone.

연구재료 및 방법

멸강나방 페로몬 산업적 합성에 필요한 Chemical

본 연구에서 사용한 Chemical의 경우 1-Hexyne(Sigma-Aldrich, Milwaukee, WI US), 1,10-dibromdecane (Sigma-Aldrich, Wuxi, China CN), Tetrahydrofuran(Sigma-Aldrich, Steinheim, Germany), Butyllithium, 1.6M solution in hexanes(Sigma-Aldrich, Steinheim, Germany), Hexamethylphosphoric Triamide(HMPA)(Sejin-Ci, Tokyo, Japan), 1.4-Dioxane(Daejungchem, Gyeonggi-do, Korea), Lithium hydroxide, powder(LiOH)(Sigma- Aldrich, Steinheim, Germany), Nickel(II) acetate tetrahydrate(Ni(OAc)2･4H2O)(Sigma-Aldrich, Steinheim, Germany), Sodium borohydride, ethylenediamine(Daejungchem, Gyeonggi-do, Korea), Acetic anhydride (Daejungchem, Gyeonggi-do, Korea), Pyridine(Daejungchem, Gyeonggi-do, Korea), Pyridinium chlorochromate (Sejin-Ci, Tokyo, Japan) Celite(Daejungchem, Gyeonggi-do, Korea), Methylene Chloride(Daejungchem, Gyeonggi-do, Korea) 시약을 사용하여 합성을 진행하였다.

멸강나방 페로몬 산업적 합성 방법

1,10-dibromdecane을 출발 물질로 하는 방법으로 1,10-dibromdecane과 1-hexyne을 coupling 하고 Ni 촉매로 환원시켜 (Z) 화합물을 만든 뒤 PPTS로 보호기를 제거하여 (Z)-11-hexadecen-1-ol(3)을 합성하였다. (Z)-11- hexadecen-1-ol(3)에 pyridine과 acetic anhydride를 반응시켜 (Z)-11-hexadecen-1-yl acetate(2) 물질을 합성하였으며, 추가로 (Z)-11-hexadecen-1-ol(3)에 PCC를 반응시켜 (Z)-11-hexadecen-1-al(1)을 합성을 진행하였다(Scheme 1). 핵자기 공명 스펙트럼의 경우 Avance Digital Spectrometer(Bruker, Germany)를 사용하였다. 관 크로마토그래피는 Silica gel 60(Merck KGaA, Darmstadt, Germany)을 사용하였으며, 관 크로마토그래피는 Silica gel 60 (Sigma-Aldrich, Milwaukee, WI US)을 사용하였으며, 성분의 GC(Gas chromatography) 분석의 경우 TG-5Ms(0.25 mm × 30 m, 0.25 µm), (Thermo scientific, USA)를 사용하여 온도 130°C Flow 속도 1.0 mL/min, 주입량 1 µL로 정성 분석되었다.

Scheme 1.

Reagents and conditions: (a) 1 eq of hexyne, 1.1 eq of 1.6 M BuLi, 0.75 eq of 14, HMPA, dry THF, -10°C, 15 h, 54%; (b) 3 eq of LiOH, H2O, 1, 4-dioxane, 100°C, 30 h, 45%; (c) 0.17 eq of , 0.17 eq of Ni, EtOH, 0.42 eq of ethylenediamine, room temperature, 5 h, 98%; (d) 1.2 eq of acetic anhydride, dry pyridine, room temperature, 15 h, 94%; (e) 1.5 eq of PCC, dry chloroform, celite545, 2 h, 84%.

16-bromohexadec-5-yne(5)의 합성

THF 273.75 mL에 녹인 1-Hexyne(10.95 g, 0.133 mol)을 -10°C로 냉각한 후 1.6M n-butyllithium(91.65 mL, 0.146 mol)을 가하고 10분간 교반하였고, HMPA 24 mL에 녹인 1,10-dibromdecane(30 g, 0.099 mol)를 넣은 후 0°C에서 20시간 교반하였다. 반응이 종료 후 용매를 제거하여 Ethyl acetate와 물, 소금물로 추출한 유기층을 무수 황산 마그네슘 건조한 후 감압 농축하였다. 농축된 잔여물을 실리카겔 컬럼(hexane/ether : 20/1)으로 정제하여 화합물 5(21.69 g, 공정상 회수율 54%)를 얻었다.

¹H NMR(CDCl3, 500 MHz) δ 3.40(t, J = 6.9 Hz, 2H), 2.14(m, 4H), 1.90－1.80(m, 2H), 1.51－1.28(m, 18H), 0.90(t, J = 7.2 Hz, 3H); 13C NMR(CDCl3, 126 MHz) δ 80.20, 80.17, 33.93, 32.88, 31.32, 29.43, 29.39, 29.19, 29.12, 28.83, 28.78, 28.20, 21.94, 18.77, 18.47, 13.63.

Hexadec-11-yn-1-ol(6)의 합성

16-bromotetradeca-5-yne 5(8.24 g, 0.0273 mmol)에 1.4-Dioxane(82.4 mL)과 물(82.4 mL)에 희석한 후 LiOH (Lithium hydroxide, powder)(3.44 g, 0.082 mol)을 부가한 후 100°C에서 30시간 교반하였다. 반응이 끝난 후 용매를 제거하고, Ethyl acetate와 물, 소금물로 추출한 유기층을 무수 황산 마그네슘 건조한 후 감압 농축시켰다. 농축된 잔여물을 실리카겔 컬럼(hexane/EtOAc : 10/1)로 정제 후 화합물 6(2.9 g, 공정상 회수율 45%)을 얻었다.

¹H NMR(CDCl3, 500 MHz) δ 3.63(t, J = 6.7 Hz, 2H), 2.19－2.13(m, 4H), 1.56(m, 2H), 1.50－1.36(m, 8H), 1.34－1.25(m, 10H), 0.90(t, J = 7.2 Hz, 3H).; 13C NMR(CDCl3, 126 MHz) δ 80.22, 80.20, 63.07, 32.85, 31.32, 30.88, 29.57, 29.49, 29.44, 29.20, 29.16, 28.87, 21.95, 18.78, 18.47, 13.62.

(Z)-11-hexadecenol(3)의 합성

Two neck flask에 Ni(OAc)2･4H2O(3.54 g, 0.0143 mol)를 넣고 95% Ethanol(204.5 mL)에 녹이고 다른 One neck flask에 NaBH4(0.5 g, 0.0143 mol)를 넣고 95% ethanol(20.45 mL)에 녹였다. NaBH4 용액을 Ni(OAc)2･4H2O flask에 부가한 후 ethylenediamine(2.41 mL, 0.0361 mol)과 화합물 hexadec-11-yn-1-ol 6(20.45g, 0.0858 mol)을 넣은 후 수소(H2)를 첨가한다. 반응이 끝나면 고체를 filter하고 ether로 씻어낸 후 여액을 농축시켜 ether로 100 mL와 물 100 mL로 추출하였다. 유기층을 sodium chloride solution으로 세척한 후 무수 황산 마그네슘 건조한 후 감압 농축시켰다. 농축된 잔여물을 실리카겔 컬럼(hexane/EtOAc : 10/1)로 정제 후 화합물 3(20.41 g, 공정상 회수율 98%)을 얻었다.

¹H NMR(CDCl3, 500 MHz) δ 5.35(m, J = 4.9 Hz, 2H), 3.63(t, J = 6.7 Hz, 2H), 2.01(m, 4H), 1.61－1.52(m, 2H), 1.39－1.26(m, 18H), 0.93－0.86(m, 3H); 13C NMR(CDCl3, 126 MHz) δ 129.91, 129.89, 63.08, 32.85, 32.00, 29.79, 29.63, 29.59, 29.55, 29.47, 29.32, 27.23, 26.94, 25.78, 22.37, 13.99.

(Z)-11-hexadecenyl acetate(2)의 합성

Z-11-hexadecenol 6(5.84 g, 0.024 mol)을 dry pyridine(58.4 mL)에 녹이고 Acetic anhydride(2.76 mL, 0.029 mol)을 0°C에서 넣은 후 실온에서 15 hr 교반시킨다. 반응이 끝난 후 용매를 제거하고, Ethyl acetate와 5% 염산, 중탄산나트륨 수용액, 소금물로 추출한 유기층을 무수 황산 마그네슘 건조한 후 감압 농축시켰다. 농축된 잔여물을 실리카겔 컬럼(hexane/EtOAc : 10/1)로 정제하여 화합물 2(6.45 g, 공정상 회수율 94%)을 얻었다.

¹H NMR(CDCl3, 500 MHz) δ 5.40－5.30(m, 2H), 4.05(t, J = 6.8 Hz, 2H), 2.06－1.98(m, 7H), 1.66－1.57(m, 2H), 1.40－1.27(m, 18H), 0.94－0.85(m, 3H).; 13C NMR(CDCl3, 126 MHz) δ 171.17, 129.90(2), 64.67, 32.00, 29.79, 29.55, 29.53(2), 29.31, 29.28, 28.66, 27.22, 26.95, 25.95, 22.37, 20.99, 13.99.

(Z)-11-hexadecenal(1)의 합성

0°C에서 Pyridinium chlorochromate(0.27 g, 1.25 mmol)이 담긴 flask에 celite(0.27 g)과 Methylene Chloride(3 ml)을 부가하여 약 5 min 동안 교반하였다. 여기에 (Z)-11-hexadecenol 6(0.2 g, 0.83 mmol)과 Methylene Chloride (1.5 ml)을 부가한 후, 실온에서 2 hr 동안 교반시켜 반응시켰다. 반응은 TLC(Thin-Layer Chromatography)로 진행정도를 확인한다. 약 2 hr 교반 후 종료 하여 Celite545를 사용하여 Ether로 Filter시킨 후 용매를 한다. 잔여물을 Ether와 물, 소금물로 추출한 유기층을 무수 황산 마그네슘 건조한 후 감압 농축시켰다. 농축된 잔여물을 실리카겔 컬럼(hexane/EtOAc : 10/1)로 정제 후 화합물 1(0.178 g, 공정상 회수율 90%)를 얻었다.

¹H NMR(CDCl3, 500 MHz) δ 9.69(s, 1H), 5.33－5.24(m, 2H), 2.35(m, 2H), 1.95(m, 4H), 1.56(t, J = 7.1 Hz, 2H), 1.30－1.20(m, 16H), 0.86－0.78(m, 3H) ; 13C NMR(CDCl3, 126 MHz) δ 202.77, 129.88, 129.82, 43.89, 31.91, 29.73, 29.43, 29.37, 29.32, 29.23, 29.16, 27.17, 26.91, 22.33, 21.94, 13.95.

결과 및 고찰

상업적으로 낮은 단가에 구입가능한 출발물질 1,10-dibromdecane과 1-hxeyne을 활용하여 Catalytic Hydrogenation 반응을 이용하여 멸강나방 페로몬의 성분 (Z)-11-hexadecen-1-al(1), (Z)-11-hexadecen-1-yl acetate(2), (Z)-11-hexadecen-1-ol(3)을 총 4단계로 수율이 모두 50% 이상이었으며, 순도 95% 이상으로 제조하였다. (Z)-11- hexadecen-1-al(1) 성분은 1개의 알데하이드와 탄소 16개 C, H, O로 구성되어 있는 유기화합물이며, 총 탄소 16개, 수소 30개, 산소 1개의 원소로 이루어져 분자량이 238.41 이다(Gang et al., 1990). 이러한 구조적인 특징을 활용하여 합성된 화합물의 구조를 확인하였으며, 화합물의 배열형태를 구체적으로 확인하고자 ¹H NMR 및 ¹³C NMR 분석을 실시하였으며, CH₃ 3개, CH₂ 24개, aldehyde 위치 ¹H NMR 9.77 ppm 확인하였고, 이중결합의 위치는 1H NMR 5.40－5.30 ppm의 수소 피크를 확인하였다. 커플링 값으로 E, Z 배열을 확인하였고, 합성된 GC를 통해 화합물의 순도를 분석하였고 순도 95% 이상임을 확인하였다. 스펙트럼 분석결과 수소의 종류와 수소 주변에 대한 정보를 확인결과 (Z)-11-hexadecen-1-al 성분임을 확인하였다. (Z)-11-hexadecen-1-yl acetate(2) 성분은1개의 아세테이트와 탄소 18개 C, H, O로 구성되어 있는 유기화합물이며, 총 탄소 18개, 수소 34개, 산소 2개의 원소로 이루어져 분자량이 282.46 이다(Uhm et al., 2005). 이러한 구조적인 특징을 활용하여 합성된 화합물의 구조를 확인하였다. 화합물의 구조를 확인하기 위해 NMR 분석을 실시하여 CH₃ 3개, CH₂ 26개, 아세테이트 위치 ¹H NMR 4.06 ppm 확인하였고, 이중결합의 위치는 ¹H NMR 5.40－5.30 ppm의 수소 피크를 확인하였다. 커플링 값으로 E, Z 배열을 확인 후 합성된 화합물의 순도의 경우 GC를 통해 분석, 순도 95% 이상임을 확인하였다. 스펙트럼 분석결과 수소의 종류와 수소 주변에 대한 정보를 확인결과 (Z)-11-hexadecen-1-yl acetate 성분임을 확인하였다. (Z)-11-hexadecen-1-ol(3)은 1개의 알코올과 탄소 16개 C, H, O로 구성되어 있는 유기화합물이다. 총 탄소 16개, 수소 32개, 산소 1개의 원소로 이루어져 분자량이 240.42 이다(Yamaoka et al., 1984). 구조적인 특징을 활용하여 합성된 화합물의 구조를 확인하였고, 화합물의 배열형태를 구체적으로 확인하고자 ¹H NMR 및 ¹³C NMR 분석을 진행하여 CH₃ 3개, CH₂ 26개, 알코올 위치 ¹H NMR 3.64 ppm 확인하였다. 이중결합의 위치는 ¹H NMR 5.40－5.30 ppm의 수소 피크를 확인하였다. 커플링 값으로 E, Z 배열을 확인하였고, 합성된 화합물의 순도를 GC를 통해 분석해 순도는 95% 이상이었음을 확인하였다. 스펙트럼 분석결과 (Z)-11-hexadecen-1-ol 성분임을 확인하였다.

결 론

본 연구에서는 멸강나방 페로몬의 성분 (Z)-11-hexadecen-1-al(1), (Z)-11-hexadecen-1-yl acetate(2), (Z)-11- hexadecen-1-ol(3)을 기존의 방법은 Wittig olefination 반응을 이용하는 것인데 이중결합을 도입하는 과정에서 isomer의 생성으로 cis 입체 선택성이 좋지 않아 cis 이성질체 순도가 99.9%인 화합물을 합성하기 어려운 문제점을 갖고 있다. 그래서 본 연구에서는 가격이 저렴하며 상업적으로 이용가능한 출발물질을 사용함으로써 높은 입체 화학적 순도를 갖으며, 효율적으로 간단하게 제조할 수 있어 대량생산에 적합하다. 또한 제조 방법이 각 단계마다 보호기의 도입이 불필요하기 때문에 반응이 간단하고 경제적이다(Choi and Hong, 2020). 1,10-dibromdecane 와 1-hexyne을 이용하여 Catalytic reduction 등과 같이 잘 알려진 반응들을 이용하여 고순도의 멸강나방 페로몬 성분을 합성하였다. 추후 합성한 페로몬을 통해 현장 효능 평가 및 성분별, 트랩별 유인력 포획 실험이 추가적으로 필요할 것으로 판단되며, 본 연구의 결과를 통해 멸강나방 방제를 위한 친환경농자재 기술로서의 활용 가능성을 확인하였다.