1 Identifizierung und Synthese von Insektenpheromonen Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades des Fachbereichs Chemie der Universität Hamburg vorgelegt von Ernst Plaß aus Hamburg Hamburg 1999 2 1. Gutachter: Prof. Dr. W. Francke 2. Gutachter: Prof. Dr. W. A. König 3 Die vorliegende Arbeit wurde von September 1995 bis Oktober 1999 im Institut für Organische Chemie der Universität Hamburg durchgeführt. Herrn Prof. Dr. W. Francke danke ich für die Überlassung des Themas, stete Diskussionsbereitschaft und die freundschaftliche Zusammenarbeit. Desgleichen danke ich allen Entomologen, die an der erfolgreichen Bearbeitung der dieser Arbeit zugrundeliegenden Fragestellungen einen wesentlichen Anteil haben. Dies sind Herr Dr. Gabor Szöcs und Herr Prof. Dr. Miklos Tóth, Plant Protection Institute, Hung. Acad. Sciences, Budapest (betr. Agriopis bajaria, Theria rupicapraria, Alsophila aescularia, Operophtera fagata und Bupalus piniarius), Herr Dr. Gerhard Gries und Frau Dr. Regine Gries, Simon Fraser University, Dept. of Biological Sciences, Burnaby (betr. Bupalus piniarius), Herr Dr. Mitko Subchev, Inst. of Zoology, Sofia (betr. Scoliopteryx libatrix), Herr Prof. Dr. John Pickett, IACR, Dept. Insecticides & Fungicides, Harpenden/Herfordshire (betr. Scoliopteryx libatrix), Herr Dr. Vidmantas Karalius, Institute of Ecology, Wilna (betr. Sesia apiformis), Herr Prof. Dr. Peter Esbjerg, The Royal Veterinary and Agricultural University, Dept. of Ecol. and Mol. Biol., Frederiksberg (betr. Sesia apiformis), Frau Ylva Hillbur und Herr Prof. Dr. Jan Löfqvist, Swedish University of Agricultural Sciences, Dept. of Plant Protection, Alnarp (betr. Contarinia pisi), Herr Prof. Dr. Christer Löfstedt, Dept. of Ecology, Ecology Building, Lund (betr. Lampronia capitella), Frau Dr. Katrin Möller und Herr D. Häußler, Fachhochschule Eberswalde, Abt. für Forstwirtschaft (betr. Bupalus piniarius). Für die Unterstützug und Diskussionen bei der Durchführung massenspektro- metrischer Analysen danke ich besonders Herrn Dr. Stephan Franke. Herrn Prof. Dr. Wilfried A. König danke ich für die Enantiomerentrennungen der Verbindungen (206 A+B) und (214 A+B) sowie seiner Arbeitsgruppe für die große Hilfsbereitschaft. Herrn Dr. Volker Sinnwell und seinen Mitarbeiterinnen danke ich für die rasche und sorgfältige Durchführung aller NMR-spektroskopischen Untersuchungen. Allen Mitgliedern des Arbeitskreises gilt mein herzlicher Dank für viele Anregungen und und ein fortwährend gutes Arbeitsklima. Insbesondere gilt mein Dank den Herren Dipl. Chem. Michael Specht und Torsten Keim für die jahrelange fürsorgliche Wartung der Quadrupol-Massenspektrometer, Herrn Dipl. Chem. Till Tolasch für GC- EAD-Untersuchungen an Scoliopteryx libatrix und Dermestes maculatus, Herrn Jochen Titze für seine im Rahmen eines Schwerpunktspraktikums geleisteten synthetischen Arbeiten und Frau Melanie Mosler für die gute Organisation aller benötigten Arbeitsmaterialien. Schließlich gilt mein besonderer Dank Frau Dr. Aurélia Reckziegel für ihre großartige Geduld und Unterstützung trotz aller Belastungen, die diese Arbeit mit sich gebracht hat. 4 In der Liebesnächte Kühlung, Die dich zeugte, wo du zeugtest, Überfällt dich fremde Fühlung, Wenn die stille Kerze leuchtet. Nicht mehr bleibest du umfangen In der Finsternis Beschattung, Und dich reißet neu Verlangen Auf zu höherer Begattung. Keine Ferne macht dich schwierig, Kommst geflogen und gebannt, Und zuletzt, des Lichts begierig, Bist du, Schmetterling verbrannt. (Aus: „Selige Sehnsucht“ aus dem „West-Östlichen Divan“ von Johann Wolfgang v. Goethe) 5 Abkürzungsverzeichnis [α]D Drehwert bei Bestrahlung mit Natrium-Licht (λ=589 nm) Abb. Abbildung abs. absolut Ac Acetyl aq in Wasser gelöst ar. Aromatisch Bn Benzyl br breit Bu Butyl n-BuLi n-Butyllithium c Konzentration d Dublett δ chem. Verschiebung ∆ Siedehitze DEPT distortionless enhancement by polarisation transfer DET Diethyltartrat DHP 3,4-Dihydro-(2H)-pyran Diglyme Diethylenglycoldimethylether DIPT Diisopropyltartrat DMAP 4-Dimethylaminopyridin DMF N,N-Dimethylformamid DMDS Dimethyldisulfid EAD Elektroantennographischer Detektor ee Enantiomerenüberschuß EI Elektronenstoßionisation Et Ethyl FD Filmdicke FID Flammenionisationsdetektor GC Gaschromatographie GC/MS Gekoppelte Gaschromatographie/ Massenspektrometrie ges. gesättigt ID Innendurchmesser Int. Intensität IR Infrarot HMPT Hexamethylphosphorsäuretriamid J Kopplungskonstante 6 m Multiplett M+ Molekularion m/z Masse/Ladung Me Methyl m.p. Scmelzpunkt MS Massenspektrometrische Fragmentierung N normal (c = 1 mol/l) NMR Kernmagnetische Resonanz PDC Pyridiniumdichromat Ph Phenyl PPh3 Triphenylphosphin Pr Propyl q Quadrublett/Quartett quin Quintuplett/Quintett rac. Racemisch RT Retentionszeit s Singulett sept Septett sext Sextett t Triplett tR Retentionszeit TS Siedepunkt Tab. Tabelle TBHP tert-Butylhydroperoxid THF Tetrahydrofuran THP 2-Tetrahydropyranyl TMS Tetramethylsilan Ts p-Toluolsulfonyl TsCl p-Toluolsulfonylchlorid TsOH p-Toluolsulfonsäure UV Ultraviolett 7 Für Aurélia und meine Eltern 8 Inhaltsverzeichnis Seite 1. Einleitung 9 2. Aufgabenstellung 16 3.1. Erannis (Agriopis) bajaria 17 3.2. Theria rupicapraria 21 3.3. Operophtera fagata 30 3.4. Alsophila aescularia 38 3.5. Bupalus piniarius 49 3.5.1. Gaschromatographisch-massenspektrometrische 62 Untersuchungen von Vinyloxiranen 3.6. Sesia apiformis 66 3.7. Theresimima (Ino) ampellophaga 79 3.8. Lampronia capitella 86 3.9. Scoliopteryx libatrix 96 3.10. Contarinia pisi 108 4. Zusammenfassung 124 5. Experimenteller Teil 128 5.1. Allgemeines 128 5.2. Derivatisierung der Naturextrakte 129 5.2.1. Derivatisierung mit Dimethyldisulfid (DMDS) 129 5.2.2. Katalytische Hydrierung 129 5.3. Synthesen 129 6. Literatur 241 7. Sicherheitshinweise 250 9 1. Einleitung Im Jahr 1970 wurde für das Aufgabenfeld der Chemie, das sich allgemein mit der Untersuchung chemischer Wechselwirkungen von Lebewesen mit ihrer Umwelt befaßt, der Begriff »Chemische Ökologie« geprägt [1], der sich seitdem zunehmend etabliert hat. Im Rahmen dieses Fachgebietes ist die Identifizierung von chemischen Signalsubstanzen, die von Lebewesen zum Zweck der Kommunikation an die Umgebung abgegeben werden, sog. »Semiochemikalien«, ein Bereich stetig wachsenden Forschungsinteresses. Diese Verbindungen können eingeteilt werden in interspezifisch wirksame Substanzen, sog. »Allelochemikalien« [2], und in Substanzen, die der Kommunikation von Individuen derselben Art dienen, sog. »Pheromone« [3, 4]. Bezüglich der Aufklärung von chemischen Signalstrukturen und deren Wirkungsweisen bilden Insekten die weitaus am besten erforschte Klasse von Lebewesen. Ein Grund hierfür sind die weitaus geringeren experimentellen Schwierigkeiten im Vergleich zu denen, die beispielsweise bei der Untersuchung von Vertebraten auftreten. Dies gilt sowohl für die Probenahme als auch für die Isolierung von Substanzen aus Sekreten und betrifft auch die Entwicklung aussagekräftiger Biotests. Letzteres insbesondere, weil bei Lebewesen höherer Klassen häufig erst durch das Zusammenwirken verschiedener Sinnesreize ein bestimmtes Verhalten ausgelöst wird und weil sie verstärkt durch assoziatives Lernen bestimmt sind [5, 6]. Ein weiterer Faktor, der die Intensität der Erforschung von Insektenpheromonen gegenüber Pheromonen anderer Lebewesen begünstigt hat, liegt in der möglichen kommerziellen Anwendbarkeit von Insektenpheromonen im Bereich des Pflanzenschutzes [7, 8]. Als Ursprung der Pheromonforschung wird allgemein die Identifizierung von (10Z,12E)-Hexadecadien-1-ol, sog. »Bombykol« (1) (Abb.1) durch BUTENANDT [9] im Jahr 1959 angesehen. Abbildung 1: Pheromonkomponenten des Seidenspinners Bombyx mori HO O (1) (2) Um für die Strukturaufklärung dieses von weiblichen Seidenspinnern Bombyx mori produzierten Sexuallockstoffes ausreichende Substanzmengen zu gewinnen, mußte BUTENANDT in zwanzigjähriger Arbeit die Extrakte von 500 000 Duftdrüsen von Bombyx mori Weibchen vereinigen. Die damaligen Schwierigkeiten bei der Isolierung solcher Signalsubstanzen aus den komplexen Naturstoffgemischen lassen sich eindrucksvoll dadurch belegen, daß BUTENANDT aus 280 g Rohextrakt unter Ausnutzung der zu dieser Zeit bekannten chromatographischen und Derivatisierungsmethoden nur etwa 12 mg eines reinen Bombykol-Derivates erhalten konnte. Wenn man zusätzlich die heutzutage weitaus größeren Möglichkeiten moderner Mikroanalytik zur Strukturidentifizierung in Betracht zieht, bildet die Konstitutionsaufklärung von Bombykol mit Hilfe von Elementaranalysen, UV- und IR- Spektroskopie, katalytischer Hydrierung und oxidativer Spaltung eine bewundernswerte Leistung. 10 In dem erst nahezu 20 Jahre später von BESTMANN [10] ebenfalls aus Duftdrüsen von Bombyx mori Weibchen identifiziertem (10Z,12E)-Hexadecadienal (»Bombykal«) (2) (Abb.1) spiegelt sich gewissermaßen auch der Fortschritt der chemischen Mikroanalytik durch eine stetig wachsende Zahl an Analysetechniken und Steigerung der Leistungsfähigkeit analytischer Geräte wieder. So konnte BESTMANN zusätzlich auf elektrophysiologische Einzelzellableitungen und gekoppelte Gaschromatogra- phie-Massenspektrometrie zurückgreifen, weshalb der Extrakt von 460 Abdominal- spitzen von Bombyx mori zur Strukturidentifizierung des Bombykals ausreichte. Mit dem Nachweis von Bombykal als zusätzlichem, physiologisch aktivem Inhaltsstoff, der die attraktive Wirkung von Bombykol abschwächt und in den Duftdrüsen ungefähr in einem Verhältnis Bombykal zu Bombykol von 1 zu 10 vor- liegt [11], zeigt sich gleichzeitig ein weiterer Aspekt. Häufig besteht eine chemische Botschaft