草地貪夜蛾性信息素的化學合成與應用研究進展

孫 效, 吳燕華, 王 敏, 邊慶花, 鐘江春

(中國農業大學 理學院 應用化學系 農藥創新中心，北京 100193)

草地貪夜蛾Spodoptera frugiperda (J. E. Smith)屬鱗翅目 (Lepidoptera) 夜蛾科 (Noctuidae)，原生于美洲熱帶和亞熱帶地區[1]，1988 年入侵歐洲，2016 年入侵非洲[2]，2018 入侵亞洲[3]，對禾本科、茄科、十字花科、石竹科、菊科等共計76 科353 種植物等均可造成危害[4]。2018 年12 月, 草地貪夜蛾首次入侵中國云南東部，至2019 年底已蔓延至全國26 個省 (市、自治區), 防治面積高達133 萬公頃，對玉米、小麥、花生、大豆、高粱、甘蔗、向日葵、香蕉和油菜等多種農作物的生產造成巨大危害[5]。利用傳統化學農藥防治草地貪夜蛾會導致抗性產生、農藥殘留超標、對非靶標生物不安全等諸多問題。目前，草地貪夜蛾對氨基甲酸酯類、有機磷類、擬除蟲菊酯類等常用殺蟲劑已達到中等至高等的抗性水平[6]，對轉Cry1F、Cry1Ab、Cry2Ab2 與Cry1A.105 抗蟲基因玉米也產生了很高的抗性[7]。

昆蟲性信息素是由成蟲雌蛾的性腺體分泌并釋放、對同種異性個體具有強烈引誘作用、幫助同種昆蟲順利交配的極微量化學物質，是一類極具發展前景的生物農藥。草地貪夜蛾性信息素具有監測種群、干擾交配與誘捕成蟲等作用[8]。利用草地貪夜蛾性信息素進行綠色防控，不僅具有使用量低、生物活性高、專一性強、不傷害天敵、不產生抗性等優勢，而且可以結合天敵昆蟲、細菌、真菌或其代謝物等其他生物農藥進行草地貪夜蛾的綜合防治[9]。最近，江南紀等從生物學角度重點闡述了草地貪夜蛾性信息素的遺傳機制和感受機制，并比較分析了中國草地貪夜蛾發生區域內蛾類昆蟲性信息素的化學組分[9]。雖然草地貪夜蛾性信息素具有顯著的生理活性與應用前景，但由于其在昆蟲體內含量極少，而且難于提取，因而限制了其在農業生產中的應用。因此，研究草地貪夜蛾性信息素的化學合成，具有重要的理論意義與應用價值。本文擬從化學角度簡述草地貪夜蛾性信息素的分離、結構鑒定與應用研究，重點總結其化學合成方法，最后分析草地貪夜蛾性信息素研究中存在的問題并預測其發展方向，以期 為實現草地貪夜蛾的綠色防控提供理論參考。

1 草地貪夜蛾性信息素的分離與結構鑒定

草地貪夜蛾性信息素由成蟲雌蛾的性腺體分泌并釋放，主要有6 種活性成分 (圖1)。Sekul 和Sparks 等最早報道，用乙醚處理草地貪夜蛾成蟲雌蛾性腺體，提取物經柱色譜與制備薄層色譜純化，最終分離得到草地貪夜蛾性信息素，并通過紅外光譜確定其結構為 (Z)-9-十四碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-14:Ac, 3)[10]。1970 年，Jacobson 等研究發現 ，(9Z,12E)-9,12-十四碳二烯-1-醇乙酸酯 (Z9,E12-14:Ac, 6) 也是草地貪夜蛾性信息素的活性成分，具有吸引雄蟲的生理活性[11]。隨后，Mitchell等研究表明，(Z)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z7-12:Ac,1) 與 (Z)-9-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-12:Ac, 2) 均為草地貪夜蛾性信息素的活性成分，可以干擾草地貪夜蛾的交配[12]。1986 年，該課題組研究發現，草地貪夜蛾雌蟲腺體提取物中還存在 (Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac, 4)[13]。2006 年，Batista-Pereira 等利用正己烷提取巴西草地貪夜蛾成蟲雌蛾性腺體，然后通過氣相色譜-質譜 (GC-MS)與氣相色譜-觸角電位 (GC-EAD) 聯用技術，對性腺體浸提液進行檢測分析，發現其性信息素活性成分還包括 (E)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (E7-12:Ac, 5)[14]。

不同地理位置、不同種群的草地貪夜蛾，其性腺體提取物的化學成分與比例不同。例如：北美草地貪夜蛾性腺體提取物的化學成分為 Z7-12:Ac、Z9-12:Ac、(Z)-9-十四碳烯醛 (Z9-14:A1)、Z9-14:Ac、(Z)-11-十六碳烯醛 (Z11-16:A1) 和Z11-16:Ac，質量比為4 : 2 : 13 : 69 : 3 : 9[13,15]；而巴西草地貪夜蛾性腺體提取物的主要成分為 Z9-14:Ac和Z11-16:Ac，質量分數分別為82.8%和12.9%，次要成分為Z7-12:Ac、E7-12:Ac、十二烷-1-醇乙酸酯 (12:Ac)、Z9-12:Ac 和 (Z)-10-十四碳烯-1-醇乙酸酯 (Z10-14:Ac)，質量分數分別為0.8%、1.2%、0.6%與0.3%，痕量成分為Z9-12:Ac。其中Z9-14:Ac、Z7-12:Ac 和E7-12:Ac 能引起雄蛾的觸角電位反應；E7-12:Ac 為首次在草地貪夜蛾性腺體提取物中發現[14]。

草地貪夜蛾包括玉米體系與水稻體系，兩種體系草地貪夜蛾性信息素化學成分比例不同。雖然二者性信息素主要成分Z9-14:Ac 的質量分數分別為81.8% 與82.4%，沒有明顯差異，但Z11-16:Ac 的質量分數差異明顯，玉米體系為12.4%，水稻體系為7.3%；另外兩種體系草地貪夜蛾性信息素中Z9-12:Ac、12:Ac 與Z7-12:Ac 的質量分數也 具有顯著差異[16]。

2 草地貪夜蛾性信息素的應用研究

草地貪夜蛾性信息素由成蟲雌蛾的性腺體分泌、釋放，對雄蛾具有強烈引誘作用，能夠調控成蟲的交配等行為。草地貪夜蛾性信息素可用于干擾交配或迷向害蟲，即通過擾亂雌、雄成蟲之間的求偶行為減少交配機會，從而使下一代蟲口密度急劇下降。Hirai 等的研究表明，10-2μg 的Z9-12:Ac 與Z9-14:Ac 或二者1 : 1 的混合物，均可抑制80%草地貪夜蛾的交配行為[17]。草地貪夜蛾性信息素也可用于誘捕成蟲雄蛾。Meagher 等在美國佛羅里達進行草地貪夜蛾性信息素田間誘捕研究發現，被誘捕成蟲雄蛾中60%為玉米體系草地貪夜蛾[18]。另外，草地貪夜蛾性信息素還可用于種群監測。Nboyine 等將裝有草地貪夜蛾性信息素誘芯的誘捕器掛在玉米植株上，根據誘捕草地貪夜蛾的數量，對加納北部的玉米田間的草地貪夜蛾蟲情進行了監測[19]。

國內科學家關于草地貪夜蛾性信息素的應用研究主要集中于田間試驗。陳永明等比較了4 種不同性誘劑對玉米田中草地貪夜蛾的誘集作用，發現草地貪夜蛾性信息素不同活性成分組合的性誘劑誘蛾量不同[20]。沈嘉彬等的研究表明，草地貪夜蛾性信息素誘芯雖然可誘集草地貪夜蛾雄成蟲，但同時也能引誘到大量的勞氏黏蟲Leucania loreyi (Duponchel)[21]。張志祥等研究表明，不同類型性誘劑誘芯及誘捕器組合對草地貪夜蛾雄蛾誘捕效果不同[22]。最近，盧冠霖等通過研究玉米田間關鍵因素對草地貪夜蛾性誘效果的影響發現，玉米生育天數、田間氣溫等對誘蛾量有顯著影響[23]。

3 草地貪夜蛾性信息素的化學合成研究

雖然草地貪夜蛾性信息素具有重要的生物活性與應用價值，但其在草地貪夜蛾體內含量極低，且難于富集提取。因此，許多學者研究了草地貪夜蛾性信息素的化學合成方法。草地貪夜蛾性信息素的6 種活性成分，均為含有特定構型碳碳雙鍵的不飽和脂肪醇的乙酸酯，因此合成的關鍵是構建Z-、E-碳碳雙鍵。

3.1 構建草地貪夜蛾性信息素Z-型碳碳雙鍵

目前文獻報道的用于草地貪夜蛾性信息素構建Z 型碳碳雙鍵的方法主要有炔烴催化氫化法、Z 型烯烴復分解反應法、Wittig 偶聯法、Z 型烯烴原料法、烯基硼烷法和環辛二烯開環法。

3.1.1 炔烴催化氫化法 炔烴催化氫化法是利用Lindlar 催化劑或P2-Ni 催化劑，將炔烴的三鍵還原，構建Z-型碳碳雙鍵的方法。例如，Correa 等以1,6-己二醇為起始為原料，先與溴化氫反應，得到溴代醇，然后與1-己炔發生親核取代反應，得到碳鏈延長的炔醇，再經Lindlar 催化氫化，得到 (Z)-7-十二碳烯-1-醇，最后與乙酸酐反應制得(Z)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z7-12:Ac ，1) (圖式1)。該方法的優點為合成路線簡捷，總收率高 (49%)[14]。

Korblova 等以2-氯甲基四氫呋喃為原料，先與氨基鋰生成炔基鋰，然后與正戊基溴發生親核取代反應，生成炔醇，接著利用連鎖反應，將三鍵轉位到鏈端，再經羥基保護、與溴乙烷發生反應，得到碳鏈延長的炔醇，再在P2-Ni 催化下，將三鍵還原為Z-型雙鍵，最后經脫保護與乙酰化反應，制得 (Z)-9-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-12:Ac,2)(圖式2)。雖然該方法三鍵還原可以得到98.9%的Z-型烯烴產物，但具有合成路線冗長、反應條件苛刻等缺點[24]。

Mitra 等以正溴丁烷為原料，先與3-丁炔-1-醇發生親核取代反應，然后經Lindlar 催化氫化得到(Z)-3-辛烯-1-醇，再經溴代生成 (Z)-1-溴-3-辛烯；最后經腙的雙烷基化、黃鳴龍還原、脫四氫吡喃(Tetrahydropyran, THP) 保護基與乙酰化等多步反應制得 (Z)-9-十四碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-14:Ac, 3)(圖式3)。該方法需要利用黃鳴龍還原將酮羰基還原為亞甲基，該步收率只有22%，而且整個合成路線冗長，需要10 步才能得到目標產物，不適于放大合成[25]。

Pop 等以1-己炔為起始原料，先與Li 生成炔基鋰，然后與環氧乙烷發生開環反應，得到炔醇，再與對甲苯磺酰氯反應，接著經溴代得到溴代炔，然后同格氏試劑發生偶聯反應，得到碳鏈延長的炔醇，最后經脫保護、乙酰化與Lindlar 催化氫化，得到 (Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac,4)(圖式4)。該方法合成路線較長，也不具有工業化生產價值[26]。

3.1.2 Z-型烯烴復分解反應法 Z-型烯烴復分解反應法是利用金屬催化的烯烴復分解反應直接構建Z-型碳碳雙鍵的方法。例如，Herbert 等在釕催化劑存在下，將 (Z)-9-十八碳烯-1-醇與1-丁烯發生Z-型烯烴復分解反應，直接得到 (Z)-9-十二碳-1-醇，然后乙酰化制得 (Z)-9-十二碳烯-1-醇乙酸酯(Z9-12:Ac, 2)(圖式5)。該方法雖然路線極其簡捷，利用Z-型烯烴復分解反應直接得到 (Z)-9-十二碳烯-1-醇，但是需要合成復雜的Ru 催化劑[27]。

3.1.3 Wittig 偶聯法 Wittig 偶聯法是利用醛與鏻鹽的反應直接構建Z-型碳碳雙鍵的方法。例如，Wang 等以11-溴-1-十一醇為原料，先用THP 保護羥基，然后與三苯膦反應生成THP 保護的羥基鏻鹽，再與正戊醛發生Wittig 偶聯反應構建Z 型雙鍵，得到 (Z)-16-四氫吡喃氧基-11-十六碳烯，最后經脫THP 保護基與乙酰化反應，制得 (Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac, 4)(圖式6)。該方法雖然具有合成路線簡捷的優點，但Wittig 反應需要 -78 ℃的低溫，增加了工業化生產的成本[28]。

3.1.4 Z-型烯烴原料法 Z-型烯烴原料法是以具有Z-型碳碳雙鍵的烯烴為起始原料的合成方法。例如，Nguyen 等以 (Z)-2-丁烯-1,4-二醇為起始原料，經氯代后與正丙基格氏試劑反應得到烯醇，然后保護羥基，再與THP 保護的氧戊基溴化鎂發生偶聯反應，得到延長碳鏈的THP 保護的烯醇，最后經脫THP 保護與乙酰化反應制得 (Z)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z7-12:Ac, 1)(圖式7)。該方法合成路線雖然簡捷，但需要化學劑量的順式烯烴為起始原料，成本較高[29]。

Jacobson 等以 (Z)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯(Z7-12:Ac 1) 為原料，先經過水解得到 (Z)-7-十二碳烯-1-醇，然后經溴代、與丙二酸乙二酯的鈉鹽發生反應，然后經水解、脫羧得到 (Z)-9-十四碳烯酸，最后經還原與乙酰化反應制得 (Z)-9-十四碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-14:Ac, 3)(圖式8)。該方法不僅合成路線冗長，而且需要化學劑量的1 為起始原料，合成成本較高[30]。

3.1.5 烯基硼烷法 烯基硼烷法是利用炔基酯與9-硼雙環[3.3.1]-壬烷 (9-Borabicyclo[3.3.1]nonane,9-BBN) 反應，直接生成含有Z 型雙鍵的烯基硼烷的方法構建Z 型雙鍵。例如，Brown 等以9-癸烯-1-醇乙酸酯為原料，先與BH3生成三烷基硼，然后與1-己炔基鋰反應，得到11-十六碳炔-1-醇乙酸酯，接著與9-BBN 反應，直接生成含有Z 型雙鍵的硼烷，最后用含1%乙酸的甲醇處理，得到(Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac, 4)(圖式9)。該方法不僅合成路線簡捷、總收率高 (74%)，而且Z-型烯烴產物大于99%[31]。

3.1.6 環辛二烯開環法 環辛二烯開環法是利用1,5-環辛二烯或甲基1,5-環辛二烯的開環反應直接構建Z-型雙鍵的方法。例如，Kim 等以1,5-環辛二烯為原料，先開環得到 (Z)-4-辛烯-1,8-二醇，然后保護羥基，再與甲基格氏試劑反應，得到THP保護的烯醇，接著經去保護、與對甲苯磺酰氯反應，得到烯醇的對甲苯磺酸酯，然后與7 個碳的格氏試劑反應，得到碳鏈延長的THP 保護的烯醇，最后經脫THP 保護與乙酰化反應制得 (Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac, 4)(圖式10)。雖然利用1,5-環辛二烯開環可以得到100%的Z-型烯烴產物，但該方法需要11 步反應才能得到目標性信息素4，合成路線冗長，不易于放大合成[32]。

最近，Ishmuratov 等改進了Kim 與Hong 合成Z11-16:Ac 4 的方法。以1-甲基-1,5-環辛二烯為原料，經臭氧處理開環后催化氫化，構建Z-型碳碳雙鍵，得到羰基烯醛，然后經還原得到Z-型烯醇，再與對甲苯磺酰氯反應，得到烯醇的對甲苯磺酸酯，最后與格氏試劑反應、脫保護與乙酰化制得 (Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac, 4)(圖式11)。該合成方法與Kim 的方法相比，雖然簡化了合成路線，提高了總收率，但仍然需要8 步反應才能得到目標性信息素4[33]。

3.2 構建草地貪夜蛾性信息素E-型碳碳雙鍵研究

目前文獻報道的用于草地貪夜蛾性信息素合成的構建E 型雙鍵的方法主要包括格氏試劑偶聯法、環丙基乙醇開環法與反式烯酸酯法。

3.2.1 格氏試劑偶聯法 格氏試劑偶聯法是利用烯基溴與格氏試劑發生偶聯反應構建E 型雙鍵的方法。例如，Rossi 等在金屬鈀配位化合物的催化下，將1-溴-1-己烯與1-庚烯基溴化鎂發生反應，直接構建E 型雙鍵，得到 (E)-1,7-十二碳二烯，然后經硼氫化氧化生成烯醇，最后與乙酰氯反應，制得 (E)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (E7-12:Ac, 5)(圖式12)。該方法不僅合成路線簡捷、總收率高 (50%)，而且第一步反應具有98.5%的立體選擇性[34]。

3.2.2 環丙基乙醇開環法 環丙基乙醇開環法是利用1-環丙基乙醇與氫溴酸的開環反應，直接構建E 型雙鍵的方法。例如，Bestmann 等以1-環丙基乙醇為原料，先與溴化氫反應，得到 (E)-5-溴-2-戊烯，然后與三苯膦反應得到季鏻鹽，最后與羰基酯發生Wittig 反應構建Z 型雙鍵，制得(9Z,12E)-9,12-十四碳二烯-1-醇乙酸酯 (Z9,E12-14:Ac, 6) (圖式13)。該方法不需特定構型的烯烴為原料，而且合成路線極其簡捷[35]。

3.2.3 反式烯酸酯法 反式烯酸酯法是以含有E-型碳碳雙鍵的酯為起始原料的合成方法。例如，Hornyanszky 等以 (E)-3-戊烯酸甲酯為原料，先經四氫鋁鋰還原為烯醇，然后經溴代生成溴代烯烴，再與三苯膦反應生成季鏻鹽，最后利用與羰基酯發生Wittig 反應構建Z 型雙鍵，制得(9Z,12E)-9,12-十四碳二烯-1-醇乙酸酯 (Z9, E12-14:Ac, 6)(圖式14)。該方法雖然合成路線簡捷，但需要化學劑量的E-型烯烴為原料，增加了合成成本[36]。

4 展望

草地貪夜蛾性信息素的研究雖然取得了很大進展，但仍然存在一些問題。例如：入侵我國的草地貪夜蛾種群性信息素的鑒定尚未見報道；如何既保證性信息素誘芯具有專一性，又具有高誘集效果，也是急需解決的關鍵問題。關于草地貪夜蛾性信息素的合成，主要存在反應條件苛刻、反應路線冗長、試劑毒性較大、需要化學劑量的Z-或E-烯烴原料等問題。

因此，關于草地貪夜蛾性信息素的未來研究，建議在以下幾方面進行研究：1) 研究分析入侵我國的草地貪夜蛾種群性信息素的活性成分與相對含量。2) 研究具有專一性、高誘集效果的草地貪夜蛾性信息素誘集技術，進行草地貪夜蛾種群的精準預測。3) 研究路線簡捷、反應條件溫和、對環境友好的合成草地貪夜蛾性信息素的新方法。