高效簡便合成斜紋夜蛾Spodoptera litura F.性信息素成分(Z,E)-9,11-十四碳二烯-1-醇乙酸酯

周舒揚(yáng)，梁 霆,,葉 陽,,沙長青

(1.黑龍江省科學(xué)院 微生物研究所，黑龍江 哈爾濱 150040；2.黑龍江省科學(xué)院 高技術(shù)研究院，黑龍江 哈爾濱 150040)

斜紋夜蛾SpodopteralituraF.屬于鱗翅目夜蛾科，是一種食性雜、蟲源廣、對農(nóng)林業(yè)危害嚴(yán)重的世界性害蟲[1]。在自然條件下，斜紋夜蛾一般危害期為7～10月，一年發(fā)生5～6代。近年來，溫室大棚等栽培蔬菜水果發(fā)展迅速，已經(jīng)成為黑龍江省居民冬春新鮮蔬菜水果的主要來源。溫室大棚中，溫、濕度相對較高，種植品種單一，加上扣棚后棚溫適宜，非常有利于斜紋夜蛾蟲害的發(fā)生，導(dǎo)致其危害期延長，極易造成蔬菜生產(chǎn)上的巨大損失[2]。該蟲具有較強(qiáng)的繁殖能力，同時具有典型的聚居特性，可以進(jìn)行群體性跨區(qū)域遷徙，對主要農(nóng)作物均可產(chǎn)生較大程度的危害[3]。該蟲的防治主要依靠化學(xué)農(nóng)藥，雖然可以在短期控制蟲口數(shù)量，但容易出現(xiàn)明顯的耐藥性，同時也給環(huán)境帶來污染。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識的增強(qiáng)，利用生物農(nóng)藥——昆蟲性信息素進(jìn)行害蟲防治越來越受到人們的重視。昆蟲性信息素具有靈敏度高、吸引作用指向性強(qiáng)、殘留量極少、對環(huán)境不造成二次污染等突出優(yōu)勢[4]。在農(nóng)業(yè)實(shí)踐與實(shí)際病蟲害防治工作中，昆蟲性信息素已經(jīng)在許多歐洲國家大范圍推廣使用，對于病蟲害的防治起到了積極作用。野外誘捕試驗(yàn)中，1 237種雄蛾被人工合成的性引誘劑所誘捕，其中在我國分布的斜紋夜蛾有38種[5]。

本文中，筆者以斜紋夜娥性信息素主要成分(Z,E)-9,11-十四碳二烯-1-醇乙酸酯[6]為目標(biāo)合成產(chǎn)物，通過對烯基碲試劑的制備方法、有機(jī)銅試劑偶聯(lián)反應(yīng)條件及催化劑用量等的研究，擬找到一種高效、簡便、立體選擇的斜紋夜蛾性信息素的人工合成路線和方法，提高(Z,E)-9,11-十四碳二烯-1-醇乙酸酯的純度和總收率。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

Varian-400 MHz核磁共振儀，Varian 公司；5975-890型色譜(GC)-質(zhì)譜(MS)聯(lián)用儀，安捷倫公司；RE-52型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀，上海亞榮生化儀器廠；低溫冷卻液循環(huán)泵，京華儀器有限公司；循環(huán)水式多用真空泵，鄭州長城科工貿(mào)有限公司。

(E)-2-戊烯-4-炔-1-醇、碲粉、正丁基鋰(n-BuLi)、CuCN、乙烷基溴化鎂EtBrMg、CuI、NaBH4、乙酸酐(AC2O)、氯化銅鋰(Li2CuCl4)，Sigma公司；四氫呋喃(THF)、無水乙醇均為市售分析純。THF用二苯甲酮作指示劑，加入金屬鈉回流，制成無水THF保存于4A分子篩中。

1.2 合成路線

具體合成路線見圖1。

圖1 斜紋夜蛾性信息素合成路線Fig.1 Synthesis of Spodoptera litura F. sex pheromone

1.3 合成

1.3.1 烯基碲化物(2)的合成

在N2保護(hù)下，將含有n-BuLi(6.6 mL，1.6 mol/L)的正己烷溶液滴入含有碲粉(1.27 g，0.01 mol)的50 mL 無水THF懸浮液中，室溫下攪拌得到黃色透明液體，繼續(xù)攪拌10 min，將反應(yīng)液滴入含有50 mL無水乙醇與0.01 mol (E)-2-戊烯-4-炔-1-醇的圓底燒瓶中，加熱回流2 h，薄層層析(TLC)監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程，反應(yīng)完全后用飽和NH4Cl水溶液滴入燒瓶終止反應(yīng)，將反應(yīng)后的混合物體系用50 mL乙酸乙酯萃取3次，然后將萃取液合并，并用飽和食鹽水洗滌有機(jī)相后，將有機(jī)相用無水MgSO4干燥，蒸餾濃縮，得到的殘渣經(jīng)SiO2柱層析，洗脫劑為正己烷-乙酸乙酯溶液(體積比為9∶ 1)，洗脫液真空濃縮得到2.6 g淡黃色透明油狀液體，收率90%。

1.3.2 (3)的合成

在N2保護(hù)下，-78 ℃(固態(tài)CO2+丙酮)，在圓底燒瓶中將(2)(2.5 g，0.01 mol)溶于50 mL無水THF中，加入0.01 mol NaH，反應(yīng)升至室溫，反應(yīng)完全后，得到產(chǎn)物(3)不經(jīng)后處理，直接進(jìn)行下一步反應(yīng)。

1.3.3 (4)的合成

在N2保護(hù)下，-78 ℃，將50 mL無水THF加入干凈的圓底燒瓶中，加入0.012 mol CuCN，再向燒瓶中緩慢滴加0.012 mol的乙烷基溴化鎂，得到透明溶液，通過導(dǎo)管將制備好的(3)導(dǎo)入反應(yīng)，反應(yīng)2 h，待反應(yīng)升至室溫，TLC監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程，反應(yīng)結(jié)束后加入1.68 g(0.013 mol)乙酸酐。加熱回流反應(yīng)6 h，TLC檢測反應(yīng)進(jìn)程，待反應(yīng)完全，將反應(yīng)液冷卻至室溫，小心加入飽和NaHCO3水溶液至pH為7，CH2Cl240 mL萃取3次，有機(jī)相用無水MgSO4干燥，蒸餾濃縮，用洗脫劑正己烷-乙酸乙酯溶液(體積比為5∶ 1)進(jìn)行快速硅膠柱層析，純化得到3.5 g無色透明油狀液體，收率達(dá)到85%。

1.3.4 (5)的合成

在N2保護(hù)下，-78 ℃，將(4)(3.4 g，0.01 mol)溶解于50 mL無水THF中，充分混合，加入Li2CuCl4(1 mL，0.1 mmol/L)，滴入制備好的格氏試劑BrMg(CH2)8OTHP(0.01 mol)[7]中，反應(yīng)升至室溫。TLC監(jiān)測反應(yīng)進(jìn)程，反應(yīng)結(jié)束后，加入100 mL飽和NH4Cl溶液終止反應(yīng)。乙醚40 mL萃取3次，加入稀鹽酸至pH為7，并依次用飽和NaHCO3溶液、飽和食鹽水洗滌有機(jī)相，將有機(jī)相用無水MgSO4干燥，蒸發(fā)濃縮，再將剩余物化合物溶于200 mL無水的THF中，加入對甲苯磺酸(PPTS)1.0 g，加入乙酸酐1.68 g(0.013 mol)，加熱回流反應(yīng)6 h。TLC檢測反應(yīng)進(jìn)程，待反應(yīng)完全冷卻至室溫，小心加入飽和NaHCO3水溶液至pH 7，CH2Cl240 mL萃取3次，有機(jī)相用無水MgSO4干燥，蒸餾濃縮，進(jìn)行快速硅膠柱層析，洗脫劑正己烷-乙酸乙酯(體積比為9∶ 1)經(jīng)過純化得到5.3 g的(5)無色透明油狀液體，收率達(dá)到91%。利用核磁共振對化合物(5)進(jìn)行H譜和C譜分析，結(jié)果見圖2～3。

1H NMRδ:1.00(t,J=7.5 Hz,3H),1.20～1.60 (m,12H),4.03(t,J=6.6 Hz,2H),5.27 (dt,J=10.8 Hz,14.8 Hz,1H),5.67(dt,J=15.0 Hz、7.8 Hz,1H),5.92(dd,J=10.8 Hz、7.8 Hz,1H),6.27(dd,J=10.8 Hz、7.6 Hz,1H) 。

13C NMRδ:13.85、21.17、26.08、27.83、28.80、29.3、29.40、29.56、 29.87、64.80、124.89、128.85、130.20、136.31,171.35; MSm/z為252[M+]。

圖2 (Z,E)-9,11-十四碳二烯-1-醇乙酸酯氫譜圖Fig.2 1H NMR of Z9E11-14Ac

圖3 (Z,E)-9,11-十四碳二烯-1-醇乙酸酯碳譜圖Fig.3 13C NMR of Z9E11-14Ac

2 結(jié)果與討論

(Z,E)共軛二烯存在于許多天然物中，在有機(jī)合成中具有重要的意義。目前主要通過以下3種方式合成，即Wittig反應(yīng)、炔烴的順式加氫反應(yīng)和金屬催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)[8-9]。但如何控制(Z,E)共軛二烯與熱力學(xué)穩(wěn)定的(E,E)共軛二烯的競爭一直是難題，事實(shí)上，利用Wittig反應(yīng)得到的是(Z,E)和(E,E)結(jié)構(gòu)的混合物。就炔烴順式氫化而言，一些反應(yīng)活性低的化合物收率較低。近些年來，金屬催化的交叉偶聯(lián)反應(yīng)被認(rèn)為是合成Z,E共軛二烯有效的手段。

目前，已經(jīng)有多種化合物(5)的合成方法。Rossi 等[10]利用金屬鈀催化有機(jī)硅試劑與炔溴偶聯(lián)，再選擇性還原炔鍵來合成化合物(5)；Bjorkling等[11]則通過有機(jī)硼試劑與烯溴的催化偶聯(lián)合成(Z,E)-9,11-十四碳二烯-1-醇乙酸酯；Cuvigny等[12]在格氏試劑和過渡金屬絡(luò)合物催化下，將烯丙基苯砜與醛偶聯(lián)，選擇性地獲得了順反共軛雙鍵。雖然這些方法都成功地構(gòu)筑了化合物(5)中順反共軛雙鍵，但需要苛刻的反應(yīng)條件、昂貴的催化劑且步驟較長，而且合成的產(chǎn)物中含有(E,E)異構(gòu)體，通常采用AgNO3硅膠柱層析法來分離含有雙鍵的異構(gòu)體，但AgNO3價格昂貴且見光分解，不適用于規(guī)模生產(chǎn)，如若處理不完全會對最終產(chǎn)物的純度產(chǎn)生影響，從而使斜紋夜蛾性信息素活性有所降低。本實(shí)驗(yàn)旨在追尋一條更加高效環(huán)保的合成路線。

2.1 合成路線的確定

首先將碲粉與正丁基鋰反應(yīng)制得正丁基碲鋰，再與含有(E)構(gòu)型的烯炔的(1)反應(yīng)，立體選擇得到(Z,E)構(gòu)型的烯基碲化物(2)。用LiH將(2)的羥基保護(hù)，得到烯基碲化物(3)，產(chǎn)物不經(jīng)分離直接進(jìn)行下一步反應(yīng)。在N2保護(hù)下，將乙基溴化鎂與氰化亞銅反應(yīng)得到有機(jī)銅鎂試劑，反應(yīng)體系導(dǎo)入烯基碲化物(3)，得到的偶聯(lián)產(chǎn)物不經(jīng)過分離，直接與過量的醋酸酐反應(yīng)，得到化合物(4)。在Li2CuCl4催化下，將化合物(4)與預(yù)先制得的格氏試劑8-溴代化鎂-1-辛醇四氫吡喃偶聯(lián)后，脫保護(hù)，乙?；玫阶罱K產(chǎn)物(Z,E)-9,11-十四碳二烯-1-醇乙酸酯(5)。

2.2 產(chǎn)物純度及幾何構(gòu)型的確定

對化合物(5)進(jìn)行色譜(GC)測定，結(jié)果見圖4。由圖4可知：只有1個單峰，其保留時間為R=4.026 min?；衔?5)的13C-NMR譜在δ120～140區(qū)域內(nèi)只有4個烯碳峰，分別為123.68、127.65、128.98和135.08，說明合成的產(chǎn)物(5)只有一種異構(gòu)體。在共軛雙鍵上，2個H的耦合常數(shù)J分別為15.0和10.8 Hz，表明其為順反結(jié)構(gòu)。利用這些數(shù)據(jù)，按照文獻(xiàn)[10]中的方法，進(jìn)行相似性分析，進(jìn)一步確定(5)的立體構(gòu)型為(Z,E)異構(gòu)體，且總收率達(dá)到73.4%，異構(gòu)體純度達(dá)到99.5%(對映體過量值e.e.)。

圖4 (Z,E)-9,11-十四碳二烯-1-醇乙酸酯GC譜圖Fig.4 GC chromatograph of Z9E11-14Ac

2.3 烯基碲試劑(2)的合成

炔烴是制備烯基碲試劑的常用原料，可以與親電、親核以及自由基碲試劑發(fā)生加成反應(yīng)，可立體選擇地合成烯基碲試劑。本實(shí)驗(yàn)選擇本身含有反式構(gòu)型的商業(yè)來源的(E)-2-戊烯-4-炔-1-醇(1)為原料，合成烯基碲試劑。而傳統(tǒng)方法易利用炔烴與二碲化合物和硼氫化鈉反應(yīng)生成的碲酚鈉進(jìn)行加成反應(yīng)，得到烯基碲化合物，但此法中間產(chǎn)物二碲化合物極不穩(wěn)定，且制備過程中會產(chǎn)生難聞氣味附著在衣物皮膚上。本實(shí)驗(yàn)選擇碲粉與正丁基鋰反應(yīng)，得到正丁基碲鋰，與(1)加成得到足夠穩(wěn)定的具有(Z，E)結(jié)構(gòu)的烯基碲試劑，且不需要特殊的安全措施，將相關(guān)結(jié)果列表1中。由表1可知，烯基碲化物合成的產(chǎn)率明顯優(yōu)于以二碲化合物為原料的反應(yīng)。

表1 烯基碲化物(2)的合成

2.4 化合物(4)的合成優(yōu)化

在合成(4)時，分別選擇無機(jī)銅試劑CuI和CuCN與乙烷基溴化鎂反應(yīng)得到有機(jī)銅試劑，與烯基碲試劑(2)反應(yīng)得到(4)，其中選擇CuCN的得率(90%)明顯高于選擇CuI的得率(68%)。在此反應(yīng)階段，筆者選擇在室溫、-78、-40和-18 ℃下進(jìn)行化合物(4)的合成，隨著溫度的下降，所得(4)的異構(gòu)體純度越高。

2.5 催化劑的選擇

在合成終產(chǎn)物(5)時，分別以CuI、CuCN和Li2CuCl4作為催化劑，其中，Li2CuCl4催化效果最好(收率91%)，催化劑用量分別選擇0.05、0.1和0.3 mmol/L，其中催化劑用量為0.05 mmol/L時收率略低，用量為0.1和0.3 mmol/L收率差別不大。

3 結(jié)論

本文中，筆者建立了一個簡便高效環(huán)保的新合成路線，所得反應(yīng)物總收率達(dá)到73.4%，立體純度達(dá)到99.5%(e.e.)，純度更高，避免了引入其他立體構(gòu)型，使得性信息素活性更強(qiáng)，所得到的中間產(chǎn)物更加穩(wěn)定環(huán)保，避免刺激氣體排出，而且不用貴重的過渡金屬催化劑，在簡化操作的過程同時降低了生產(chǎn)成本，適合大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)，可滿足對于斜紋夜蛾性信息素的大量市場需求，具有高度的實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性，由于制得的烯基碲試劑(3)含有羥基和碲基兩個官能團(tuán)，可以很容易延長碳鏈，亦可用于合成其他具有(Z,E)結(jié)構(gòu)的昆蟲性信息素或天然化合物。