草地贪夜蛾性信息素的化学合成与应用研究进展

孙 效, 吴燕华, 王 敏, 边庆花, 钟江春

(中国农业大学 理学院 应用化学系 农药创新中心，北京 100193)

草地贪夜蛾Spodoptera frugiperda (J. E. Smith)属鳞翅目 (Lepidoptera) 夜蛾科 (Noctuidae)，原生于美洲热带和亚热带地区[1]，1988 年入侵欧洲，2016 年入侵非洲[2]，2018 入侵亚洲[3]，对禾本科、茄科、十字花科、石竹科、菊科等共计76 科353 种植物等均可造成危害[4]。2018 年12 月, 草地贪夜蛾首次入侵中国云南东部，至2019 年底已蔓延至全国26 个省 (市、自治区), 防治面积高达133 万公顷，对玉米、小麦、花生、大豆、高粱、甘蔗、向日葵、香蕉和油菜等多种农作物的生产造成巨大危害[5]。利用传统化学农药防治草地贪夜蛾会导致抗性产生、农药残留超标、对非靶标生物不安全等诸多问题。目前，草地贪夜蛾对氨基甲酸酯类、有机磷类、拟除虫菊酯类等常用杀虫剂已达到中等至高等的抗性水平[6]，对转Cry1F、Cry1Ab、Cry2Ab2 与Cry1A.105 抗虫基因玉米也产生了很高的抗性[7]。

昆虫性信息素是由成虫雌蛾的性腺体分泌并释放、对同种异性个体具有强烈引诱作用、帮助同种昆虫顺利交配的极微量化学物质，是一类极具发展前景的生物农药。草地贪夜蛾性信息素具有监测种群、干扰交配与诱捕成虫等作用[8]。利用草地贪夜蛾性信息素进行绿色防控，不仅具有使用量低、生物活性高、专一性强、不伤害天敌、不产生抗性等优势，而且可以结合天敌昆虫、细菌、真菌或其代谢物等其他生物农药进行草地贪夜蛾的综合防治[9]。最近，江南纪等从生物学角度重点阐述了草地贪夜蛾性信息素的遗传机制和感受机制，并比较分析了中国草地贪夜蛾发生区域内蛾类昆虫性信息素的化学组分[9]。虽然草地贪夜蛾性信息素具有显著的生理活性与应用前景，但由于其在昆虫体内含量极少，而且难于提取，因而限制了其在农业生产中的应用。因此，研究草地贪夜蛾性信息素的化学合成，具有重要的理论意义与应用价值。本文拟从化学角度简述草地贪夜蛾性信息素的分离、结构鉴定与应用研究，重点总结其化学合成方法，最后分析草地贪夜蛾性信息素研究中存在的问题并预测其发展方向，以期 为实现草地贪夜蛾的绿色防控提供理论参考。

1 草地贪夜蛾性信息素的分离与结构鉴定

草地贪夜蛾性信息素由成虫雌蛾的性腺体分泌并释放，主要有6 种活性成分 (图1)。Sekul 和Sparks 等最早报道，用乙醚处理草地贪夜蛾成虫雌蛾性腺体，提取物经柱色谱与制备薄层色谱纯化，最终分离得到草地贪夜蛾性信息素，并通过红外光谱确定其结构为 (Z)-9-十四碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-14:Ac, 3)[10]。1970 年，Jacobson 等研究发现 ，(9Z,12E)-9,12-十四碳二烯-1-醇乙酸酯 (Z9,E12-14:Ac, 6) 也是草地贪夜蛾性信息素的活性成分，具有吸引雄虫的生理活性[11]。随后，Mitchell等研究表明，(Z)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z7-12:Ac,1) 与 (Z)-9-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-12:Ac, 2) 均为草地贪夜蛾性信息素的活性成分，可以干扰草地贪夜蛾的交配[12]。1986 年，该课题组研究发现，草地贪夜蛾雌虫腺体提取物中还存在 (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贪夜蛾成虫雌蛾性腺体，然后通过气相色谱-质谱 (GC-MS)与气相色谱-触角电位 (GC-EAD) 联用技术，对性腺体浸提液进行检测分析，发现其性信息素活性成分还包括 (E)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (E7-12:Ac, 5)[14]。

不同地理位置、不同种群的草地贪夜蛾，其性腺体提取物的化学成分与比例不同。例如：北美草地贪夜蛾性腺体提取物的化学成分为 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，质量比为4 : 2 : 13 : 69 : 3 : 9[13,15]；而巴西草地贪夜蛾性腺体提取物的主要成分为 Z9-14:Ac和Z11-16:Ac，质量分数分别为82.8%和12.9%，次要成分为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)，质量分数分别为0.8%、1.2%、0.6%与0.3%，痕量成分为Z9-12:Ac。其中Z9-14:Ac、Z7-12:Ac 和E7-12:Ac 能引起雄蛾的触角电位反应；E7-12:Ac 为首次在草地贪夜蛾性腺体提取物中发现[14]。

草地贪夜蛾包括玉米体系与水稻体系，两种体系草地贪夜蛾性信息素化学成分比例不同。虽然二者性信息素主要成分Z9-14:Ac 的质量分数分别为81.8% 与82.4%，没有明显差异，但Z11-16:Ac 的质量分数差异明显，玉米体系为12.4%，水稻体系为7.3%；另外两种体系草地贪夜蛾性信息素中Z9-12:Ac、12:Ac 与Z7-12:Ac 的质量分数也 具有显著差异[16]。

2 草地贪夜蛾性信息素的应用研究

草地贪夜蛾性信息素由成虫雌蛾的性腺体分泌、释放，对雄蛾具有强烈引诱作用，能够调控成虫的交配等行为。草地贪夜蛾性信息素可用于干扰交配或迷向害虫，即通过扰乱雌、雄成虫之间的求偶行为减少交配机会，从而使下一代虫口密度急剧下降。Hirai 等的研究表明，10-2μg 的Z9-12:Ac 与Z9-14:Ac 或二者1 : 1 的混合物，均可抑制80%草地贪夜蛾的交配行为[17]。草地贪夜蛾性信息素也可用于诱捕成虫雄蛾。Meagher 等在美国佛罗里达进行草地贪夜蛾性信息素田间诱捕研究发现，被诱捕成虫雄蛾中60%为玉米体系草地贪夜蛾[18]。另外，草地贪夜蛾性信息素还可用于种群监测。Nboyine 等将装有草地贪夜蛾性信息素诱芯的诱捕器挂在玉米植株上，根据诱捕草地贪夜蛾的数量，对加纳北部的玉米田间的草地贪夜蛾虫情进行了监测[19]。

国内科学家关于草地贪夜蛾性信息素的应用研究主要集中于田间试验。陈永明等比较了4 种不同性诱剂对玉米田中草地贪夜蛾的诱集作用，发现草地贪夜蛾性信息素不同活性成分组合的性诱剂诱蛾量不同[20]。沈嘉彬等的研究表明，草地贪夜蛾性信息素诱芯虽然可诱集草地贪夜蛾雄成虫，但同时也能引诱到大量的劳氏黏虫Leucania loreyi (Duponchel)[21]。张志祥等研究表明，不同类型性诱剂诱芯及诱捕器组合对草地贪夜蛾雄蛾诱捕效果不同[22]。最近，卢冠霖等通过研究玉米田间关键因素对草地贪夜蛾性诱效果的影响发现，玉米生育天数、田间气温等对诱蛾量有显著影响[23]。

3 草地贪夜蛾性信息素的化学合成研究

虽然草地贪夜蛾性信息素具有重要的生物活性与应用价值，但其在草地贪夜蛾体内含量极低，且难于富集提取。因此，许多学者研究了草地贪夜蛾性信息素的化学合成方法。草地贪夜蛾性信息素的6 种活性成分，均为含有特定构型碳碳双键的不饱和脂肪醇的乙酸酯，因此合成的关键是构建Z-、E-碳碳双键。

3.1 构建草地贪夜蛾性信息素Z-型碳碳双键

目前文献报道的用于草地贪夜蛾性信息素构建Z 型碳碳双键的方法主要有炔烃催化氢化法、Z 型烯烃复分解反应法、Wittig 偶联法、Z 型烯烃原料法、烯基硼烷法和环辛二烯开环法。

3.1.1 炔烃催化氢化法 炔烃催化氢化法是利用Lindlar 催化剂或P2-Ni 催化剂，将炔烃的三键还原，构建Z-型碳碳双键的方法。例如，Correa 等以1,6-己二醇为起始为原料，先与溴化氢反应，得到溴代醇，然后与1-己炔发生亲核取代反应，得到碳链延长的炔醇，再经Lindlar 催化氢化，得到 (Z)-7-十二碳烯-1-醇，最后与乙酸酐反应制得(Z)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z7-12:Ac ，1) (图式1)。该方法的优点为合成路线简捷，总收率高 (49%)[14]。

Korblova 等以2-氯甲基四氢呋喃为原料，先与氨基锂生成炔基锂，然后与正戊基溴发生亲核取代反应，生成炔醇，接着利用连锁反应，将三键转位到链端，再经羟基保护、与溴乙烷发生反应，得到碳链延长的炔醇，再在P2-Ni 催化下，将三键还原为Z-型双键，最后经脱保护与乙酰化反应，制得 (Z)-9-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-12:Ac,2)(图式2)。虽然该方法三键还原可以得到98.9%的Z-型烯烃产物，但具有合成路线冗长、反应条件苛刻等缺点[24]。

Mitra 等以正溴丁烷为原料，先与3-丁炔-1-醇发生亲核取代反应，然后经Lindlar 催化氢化得到(Z)-3-辛烯-1-醇，再经溴代生成 (Z)-1-溴-3-辛烯；最后经腙的双烷基化、黄鸣龙还原、脱四氢吡喃(Tetrahydropyran, THP) 保护基与乙酰化等多步反应制得 (Z)-9-十四碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-14:Ac, 3)(图式3)。该方法需要利用黄鸣龙还原将酮羰基还原为亚甲基，该步收率只有22%，而且整个合成路线冗长，需要10 步才能得到目标产物，不适于放大合成[25]。

Pop 等以1-己炔为起始原料，先与Li 生成炔基锂，然后与环氧乙烷发生开环反应，得到炔醇，再与对甲苯磺酰氯反应，接着经溴代得到溴代炔，然后同格氏试剂发生偶联反应，得到碳链延长的炔醇，最后经脱保护、乙酰化与Lindlar 催化氢化，得到 (Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac,4)(图式4)。该方法合成路线较长，也不具有工业化生产价值[26]。

3.1.2 Z-型烯烃复分解反应法 Z-型烯烃复分解反应法是利用金属催化的烯烃复分解反应直接构建Z-型碳碳双键的方法。例如，Herbert 等在钌催化剂存在下，将 (Z)-9-十八碳烯-1-醇与1-丁烯发生Z-型烯烃复分解反应，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)(图式5)。该方法虽然路线极其简捷，利用Z-型烯烃复分解反应直接得到 (Z)-9-十二碳烯-1-醇，但是需要合成复杂的Ru 催化剂[27]。

3.1.3 Wittig 偶联法 Wittig 偶联法是利用醛与鏻盐的反应直接构建Z-型碳碳双键的方法。例如，Wang 等以11-溴-1-十一醇为原料，先用THP 保护羟基，然后与三苯膦反应生成THP 保护的羟基鏻盐，再与正戊醛发生Wittig 偶联反应构建Z 型双键，得到 (Z)-16-四氢吡喃氧基-11-十六碳烯，最后经脱THP 保护基与乙酰化反应，制得 (Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac, 4)(图式6)。该方法虽然具有合成路线简捷的优点，但Wittig 反应需要 -78 ℃的低温，增加了工业化生产的成本[28]。

3.1.4 Z-型烯烃原料法 Z-型烯烃原料法是以具有Z-型碳碳双键的烯烃为起始原料的合成方法。例如，Nguyen 等以 (Z)-2-丁烯-1,4-二醇为起始原料，经氯代后与正丙基格氏试剂反应得到烯醇，然后保护羟基，再与THP 保护的氧戊基溴化镁发生偶联反应，得到延长碳链的THP 保护的烯醇，最后经脱THP 保护与乙酰化反应制得 (Z)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (Z7-12:Ac, 1)(图式7)。该方法合成路线虽然简捷，但需要化学剂量的顺式烯烃为起始原料，成本较高[29]。

Jacobson 等以 (Z)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯(Z7-12:Ac 1) 为原料，先经过水解得到 (Z)-7-十二碳烯-1-醇，然后经溴代、与丙二酸乙二酯的钠盐发生反应，然后经水解、脱羧得到 (Z)-9-十四碳烯酸，最后经还原与乙酰化反应制得 (Z)-9-十四碳烯-1-醇乙酸酯 (Z9-14:Ac, 3)(图式8)。该方法不仅合成路线冗长，而且需要化学剂量的1 为起始原料，合成成本较高[30]。

3.1.5 烯基硼烷法 烯基硼烷法是利用炔基酯与9-硼双环[3.3.1]-壬烷 (9-Borabicyclo[3.3.1]nonane,9-BBN) 反应，直接生成含有Z 型双键的烯基硼烷的方法构建Z 型双键。例如，Brown 等以9-癸烯-1-醇乙酸酯为原料，先与BH3生成三烷基硼，然后与1-己炔基锂反应，得到11-十六碳炔-1-醇乙酸酯，接着与9-BBN 反应，直接生成含有Z 型双键的硼烷，最后用含1%乙酸的甲醇处理，得到(Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac, 4)(图式9)。该方法不仅合成路线简捷、总收率高 (74%)，而且Z-型烯烃产物大于99%[31]。

3.1.6 环辛二烯开环法 环辛二烯开环法是利用1,5-环辛二烯或甲基1,5-环辛二烯的开环反应直接构建Z-型双键的方法。例如，Kim 等以1,5-环辛二烯为原料，先开环得到 (Z)-4-辛烯-1,8-二醇，然后保护羟基，再与甲基格氏试剂反应，得到THP保护的烯醇，接着经去保护、与对甲苯磺酰氯反应，得到烯醇的对甲苯磺酸酯，然后与7 个碳的格氏试剂反应，得到碳链延长的THP 保护的烯醇，最后经脱THP 保护与乙酰化反应制得 (Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac, 4)(图式10)。虽然利用1,5-环辛二烯开环可以得到100%的Z-型烯烃产物，但该方法需要11 步反应才能得到目标性信息素4，合成路线冗长，不易于放大合成[32]。

最近，Ishmuratov 等改进了Kim 与Hong 合成Z11-16:Ac 4 的方法。以1-甲基-1,5-环辛二烯为原料，经臭氧处理开环后催化氢化，构建Z-型碳碳双键，得到羰基烯醛，然后经还原得到Z-型烯醇，再与对甲苯磺酰氯反应，得到烯醇的对甲苯磺酸酯，最后与格氏试剂反应、脱保护与乙酰化制得 (Z)-11-十六碳烯-1-醇乙酸酯 (Z11-16:Ac, 4)(图式11)。该合成方法与Kim 的方法相比，虽然简化了合成路线，提高了总收率，但仍然需要8 步反应才能得到目标性信息素4[33]。

3.2 构建草地贪夜蛾性信息素E-型碳碳双键研究

目前文献报道的用于草地贪夜蛾性信息素合成的构建E 型双键的方法主要包括格氏试剂偶联法、环丙基乙醇开环法与反式烯酸酯法。

3.2.1 格氏试剂偶联法 格氏试剂偶联法是利用烯基溴与格氏试剂发生偶联反应构建E 型双键的方法。例如，Rossi 等在金属钯配位化合物的催化下，将1-溴-1-己烯与1-庚烯基溴化镁发生反应，直接构建E 型双键，得到 (E)-1,7-十二碳二烯，然后经硼氢化氧化生成烯醇，最后与乙酰氯反应，制得 (E)-7-十二碳烯-1-醇乙酸酯 (E7-12:Ac, 5)(图式12)。该方法不仅合成路线简捷、总收率高 (50%)，而且第一步反应具有98.5%的立体选择性[34]。

3.2.2 环丙基乙醇开环法 环丙基乙醇开环法是利用1-环丙基乙醇与氢溴酸的开环反应，直接构建E 型双键的方法。例如，Bestmann 等以1-环丙基乙醇为原料，先与溴化氢反应，得到 (E)-5-溴-2-戊烯，然后与三苯膦反应得到季鏻盐，最后与羰基酯发生Wittig 反应构建Z 型双键，制得(9Z,12E)-9,12-十四碳二烯-1-醇乙酸酯 (Z9,E12-14:Ac, 6) (图式13)。该方法不需特定构型的烯烃为原料，而且合成路线极其简捷[35]。

3.2.3 反式烯酸酯法 反式烯酸酯法是以含有E-型碳碳双键的酯为起始原料的合成方法。例如，Hornyanszky 等以 (E)-3-戊烯酸甲酯为原料，先经四氢铝锂还原为烯醇，然后经溴代生成溴代烯烃，再与三苯膦反应生成季鏻盐，最后利用与羰基酯发生Wittig 反应构建Z 型双键，制得(9Z,12E)-9,12-十四碳二烯-1-醇乙酸酯 (Z9, E12-14:Ac, 6)(图式14)。该方法虽然合成路线简捷，但需要化学剂量的E-型烯烃为原料，增加了合成成本[36]。

4 展望

草地贪夜蛾性信息素的研究虽然取得了很大进展，但仍然存在一些问题。例如：入侵我国的草地贪夜蛾种群性信息素的鉴定尚未见报道；如何既保证性信息素诱芯具有专一性，又具有高诱集效果，也是急需解决的关键问题。关于草地贪夜蛾性信息素的合成，主要存在反应条件苛刻、反应路线冗长、试剂毒性较大、需要化学剂量的Z-或E-烯烃原料等问题。

因此，关于草地贪夜蛾性信息素的未来研究，建议在以下几方面进行研究：1) 研究分析入侵我国的草地贪夜蛾种群性信息素的活性成分与相对含量。2) 研究具有专一性、高诱集效果的草地贪夜蛾性信息素诱集技术，进行草地贪夜蛾种群的精准预测。3) 研究路线简捷、反应条件温和、对环境友好的合成草地贪夜蛾性信息素的新方法。