昆虫激素的化学
俞若诚 郑晟 蔡恺珉 邢佳伟 叶文和
摘要：昆虫纲是无脊椎动物中节肢动物门中一个较大的纲，它们与人类的关系密切。昆虫体内分泌的激素（hormone ）物质对调节昆虫的生理过程起了重要的作用。它们的种类繁多，结构迥异。昆虫激素对某一生理过程起调节作用时，常常由几种激素共同组成内分泌调节系统，例如，脑激素-蜕皮激素-保幼激素调节系统共同控制昆虫的变态过程。本文主要讨论了不同昆虫激素的分类、结构以及一些典型结构激素的合成路线，提取方式，以及应用。
关键词： 昆虫激素，分类，合成路线，应用
一、 昆虫激素的分类、分布与它们的常见结构
1、 激素的定义：
昆虫激素（insect hormone ）是指由内分泌器官分泌的，通过血液运送到作用部位，调节和控制昆虫的生理、发育和行为活动的，具有高度活性的微量化学物质。
2、 昆虫激素的分类 2.1从作用上分类：
昆虫的激素从作用范围上讲可分为两大类：一类统称为内激素（endohormone ），经血液运送到靶器官或靶细胞，在不同的生发育阶段，相互作用，调节和控制昆虫的生长、发育、变态、滞育、交配、两性异态、多态现象以及一般的生理代谢作用。另一类统称为外激素或信息激素，是一类昆虫个体间的信息传递化合物，散布到虫体外，作个体间通讯作用。 2.2从化学结构上分类：
从化学性质上可将昆虫激素分为3大类型:①蛋白质类，包括肽类，如脑激素、滞育激素、激脂激素等；②甾醇类，如蜕皮激素；③萜烯烯类，如保幼激素。 3、 昆虫激素的分布：
昆虫的主要内分泌器官包括咽侧体、前胸部腺、心侧体、生殖腺、脑神经（内）分泌细胞、食管下神经节分泌细胞，各神经节的分泌细胞等（见图）。
图1. 蚕幼虫内分泌系统及其附近组织
由昆虫内分泌器官所分泌的激素及其作用并不相同，例如脑神经分泌细胞分泌脑激素。脑激素包括好几种激素，其中一种激素能促进前胸腺细胞活动，所以叫做促前胸腺
激素。前胸部腺又称蜕皮腺，它所分泌的激素是蜕皮激素(MH)，促进昆虫的蜕皮。
表1. 昆虫的内分泌器官及其主要激素
4、 三个常见昆虫激素与它们的化学结构： 4.1 保幼激素（JH ）以及它们的常见结构
保幼激素在昆虫的幼体期，主要抑制成虫器官芽的生长和分化，保持幼虫特征； 在成虫期，保幼激素成了促性腺激素，促使成虫性器官的成熟；有刺激前胸腺的作用，即在幼期JH 的作用下，前胸腺不退化，除此以外还有其它多种作用。它们的结构也有很多种，是多种16—18C 半倍萜类化合物的总称。 如下图就是一个倍半帖保幼激素的骨架。
2R
3
2R'
3
图2 保幼激素的结构 保幼激素1 R=R'=CH3 保幼激素2 R=CH3,R'=H 保幼激素3 R=R'=H
4.2蜕皮激素的常见化学结构
由前胸腺分泌的能调节节肢动物昆虫纲、甲壳纲等动物蜕皮的激素。昆虫、虾、蟹等隔一定时间，要蜕去一层妨碍生长的外骨骼，让身体各部伸展长大一些，称为蜕皮，而调节这一过程的就是蜕皮激素。下面是
OH
。
HO
HO
O
图3.
除此以外，还有20-羟基蜕皮酮，26-羟基蜕皮酮，20，26-二羟基蜕皮酮，也是昆虫蜕皮激素
4.3信息素南部小蠹诱
南部小蠹诱是南部小蠹雌体散发出的聚群激素，它的化学结构如下：
图4. 南部小蠹诱的结构
4.4对昆虫激素化学结构的简要讨论
通过观察上述两种的昆虫激素的几个常见结构，发现昆虫的化学结构有一下几个特点：
1）每种昆虫激素有大致相同的骨架，但是往往在侧链上有一些微小的差别。而导致它们对应的昆虫物种有所不同。
2） 每种昆虫激素的分子都有独特的立体结构，往往有大量的手心中心与顺反异构
体，下面分别为JH
与JH:
的立体化学：
图5.JH 的立体结构图
其中
C(3): (S)、C(6)-C(7)(E)
、C(10)-C(11): (E) ：
图6.
的立体结构图
其中：C(1): (S)、C(2): (S、C(4): (R)、C(5): (S)、C(10): (R)、C(11): (R) 、C(12): (S)、C(17): (R)、C(23): (R)、C(24): (R、
)C(8)-C(9): (Z)
图7. 南部小蠹诱的立体结构图
其中：C(1): (S)、 C(5): (R)
3） 昆虫信息素的分子往往比内激素分子要小，更易挥发，便于传播更远的距离。
二、
不同种类的昆虫激素的合成与天然提取方法
在激素研究中分离提取对某一个昆虫激素都有非常重要的科学价值，由于昆虫本身存在巧妙的调节机理，再加上内分泌物的复杂性，所以表现的生理效应也是十分复杂的，所以比较有效率的研究方法是将其分离出来，一方面便于阐明其化学结构，另外也为了解较纯的激素在昆虫体内的生理效应打下基础。而昆虫激素的人工合成则丰富了昆虫激素的应用范围，尤其使昆虫激素在农业、医药领域有更大的作用 1、 不同种类的昆虫激素的天然提取方法：
1.1激脂激素初提物的分离提取：
将蚜虫放进研磨器，加适量0.1％ 乙酸、甲醇、水溶液在冰中研磨，离心2．0分钟后。移去上清液，将残渣再次研磨和离心分离。上清液合并利用旋转蒸发器干燥，再加入0．10％ 三氟乙酸溶解，溶液通过分离容器分离，利用60％ 乙腈TFA 溶液洗脱，定量分装在微形离心管内，利用旋转蒸汽干燥器干燥，冷冻保存在-20℃ 条件下。 1.2脑激素的分离 将丙酮加入蚕蛾的头部，匀浆，弃取丙酮，将得到的每克丙酮粉加20ml 氯化钠溶液，得到粗提取物，在90℃下加热三分钟。在热处理后的粗提取物中加苯酚，弃取沉淀，加入水-乙醚，弃取酚-乙醚层，在酚-水层中加入乙醚，取酚下层，加氯仿甲醇冷冻干燥，取三氯甲烷-甲醇上层，加缓冲溶液调节pH=6.0得到沉淀，洗涤。
1.3柞蚕(幼虫) 中 一蜕皮激素提取工艺 精确称取柞蚕粉5．0 g ，加人溶剂，浸提，过滤，减压浓缩后，用乙醚除去脂类化合物，再用甲醇-乙酸乙酯萃取，合并提取液，加入少量水，减压浓缩去除有机溶剂，，并将粗提液通过HPD600大孔树脂进一步处理，冷冻干燥得提取样品。
1.4对于昆素提取方法的简要讨论
虽然对于不同的昆虫激素都有其特有的提取方法，但是其工作的主要思路是用有机的溶剂萃取，浓缩，纯化。也有利用大孔树脂分离。另外也有植物源昆虫激素的提取如筋骨草内昆虫蜕皮激素类似物的提取方法，可见这条思路在提取天然产物上是有广谱性的。
2、 不同种类的昆虫激素及其类似物的人工合成方法：
2.1信息素苏卡尔醇的合成
在美国和加拿大的太平洋沿岸分布着一种小蠹虫的粉虫，这种粉虫的雌虫会释
放一种聚集信息素，这就是苏尔卡醇。1975年科学家们利用谷氨酸合成了苏尔卡醇。
如果我们以D-谷氨酸A 为原料，在0~5℃的条件下用亚硝酸处理之，会得到一个构型保持的内酯B 。随后用SOCl 2使B 转化为酰氯C ，再用NaBH 4还原得醇D 。D 和TsCl 作用，并用吡啶中和生成的酸，能得到一个结晶性良好的化合物E 。E 经过结晶提纯后再和LiI 的丙酮溶液发生亲核取代得到F 。F 中的C-I 被Raney 镍还原变成C-H ，即产物G 。G 中的羰基可以用二异丁基取代的氢化铝还原得到一个半缩醛H 。最后在Wittig 试剂Ph 3P=CMe2的作用下发生开环，并与试剂作用的到（S ）-苏尔卡醇。
如果初始反应物用L-谷氨酸，则最终的产物就是(R)-苏尔卡醇。
2H
2
H
HO 2
O
2OH
TsCl,C H N
O
RaneyNi,EtOH
2OTs
2I
LiI,Me CO
(i-Bu)2AlH,THF
OH
(S)-sulcatol
图8. （S ）-sulcatol 的合成路线
对该法的讨论： 上述合成方法的核心就是手性碳原子的构建（L-谷氨酸的使用）、保持（HNO 2的使用）与保护。仅从sulcatol 的结构看，它是一个8碳的烯醇，若以如下方法合成
EtOOC
BrCH 2
COOEt 2OH
+heat
图9. 苏卡尔醇的改进合成路线
上法与前述路线相比简洁了许多，但是若考虑碳原子的不对称性，则需要经过对映体的拆分，上述对映体醇的拆分牵涉到光活性酸如酒石酸、樟脑磺酸的使用，不仅经济上不合算而且操作麻烦、提纯困难。 需要提一下的是前法中wittig 试剂的使用，wittig 试剂在生物活性物质的合成如多萜类（直链烯烃、环状烯烃等）、甾类（胆固醇）中引入双键有着不可取代的地位，它以产率高、副反应少、不影响其他基团的优点而广泛应用。 2.2保幼激素的合成
2.2.1保幼激素类似物ZR-515的合成
保幼激素类似物ZR-515是类保幼激素中具有广泛用途的品种之一。化学名称为11－甲氧基3，7，11－三甲基－（2E,4E ）－十二碳二烯酸异丙酯。它作为昆虫生长调节剂，是一种以昆虫特有的生长发育系统为攻击目标的新型特异性杀虫剂。与传统农药相比，它是一种具有选择性的、稳定的、潜在的杀虫剂，再加上这类化合物与昆虫体内的激素作用相同或结构类似，所以一般难以产生抗性，能杀死对传统杀虫剂具有抗性的害虫。
在这里我们介绍如下的一种它的合成方法，第一步为原料香茅醛与丙酮在碱性条件下的羟醛缩合反应，第二步为在锌作用下的Reformatsky 反应，第三步是氢氧化钠作用下的水解反应，第四步是经酰氯中间产物，生成酯的反应，第五步是与甲醇的加成反应。最后得到的粗产品是四种异构体的混合物，粗产品经硅胶柱层析提纯，石油醚) 丙酮（100：1）洗脱，得到产物，产率56％。
CHO
OH
O
3
图10. ZR-515的合成路线
对该法的讨论：
该法最后一步巧妙地利用了碳链上双键的不同活性，对其进行亲电加成。需要提醒的是上述合成的第一步为醛(酮) 醇缩合（aldol ）, 需要严格控制反应条件---即必须是在丙酮的NaOH 溶液中缓慢滴加醛或者先让丙酮与LDA 反应生成烯醇负离子再与醛反应，以防止发生副反应。
2.2.2保幼激素JHI 的合成路线
自从1967年Röller等发现保幼激素I 以来，全世界许多的研究者都已经成功实现这种生物活性分子的合成。这里以1972年日本化学家森谦治的方法为例，介绍一下保幼激素I 的合成路线。
原料之一是丁烯酮（即甲基乙烯基甲酮）A ，它与乙炔一钠作用生成醇B 。用10%的硫酸酸化后得到两个醇C 和D 。我们将保幼激素I 的分子结构的最左端与此步得到的两个异构体的结构对比知，C 是我们需要的产物。在30mmHg 下，C 的沸点为79~80℃，而D 的沸点为89~92℃，因此我们可以采用减压蒸馏分离这对异构体，得到较纯的C 。随后让C 与N 2H 4和H 2O 2生成的N 2H 2反应，位阻较小的末端叁键首先被还原，得到主要产物E ，另外也会由少量的叁键和双键同时被还原的副产物。通过蒸馏可以将E 与反应物和副产物分离，得到纯化后的E 。E 与PBr 3作用生成F 。
对于该合成中的另一原料甲基环丙基酮G ，加入NaH 使其生成碳负离子后与碳酸二乙酯作用得到一个β-酮酸酯H 。在NaOEt 存在下，H 与F 发生亲核取代，完成了碳骨架的连接，得到I 。I 在Ba(OH)2的作用下水解脱羧得到产物J ，然后我们再一次利用乙炔一钠，使之与J 反应生成K 。
OH
A
3
B
OH
OH
C
D
OH
E(87:11:2)
F
Br
G
66
COOEt
H
COOEt
H
Ba(OH),EtOH,H 2
图11. JHI的合成路线
K 在48%的HBr 的作用下发生Julia 开环，考虑空间位阻知主要产物为（Z ）型
K
OH
烯烃L ，随即再和NaCN 的DMSO 溶液发生亲核取代得到M 。与之前一样，我们利用二酰亚胺还原C ≡C ，而此时C ≡N 不被还原，获得产物N 。利用格氏试剂CH 3MgI 与氰基反应并水解后，再与氨基脲作用得到O ，而O 是可以通过结晶纯化的。纯化后的O
用草酸加热水解后就能得到较纯净的酮P 。我们发现此时P 与保幼激素I 还差两个碳原子，这两个碳原子的添加可以利用Wittig-Horner 反应完成，即与
（EtO ）2P(O)CH2CO 2Me 反应得到Q
。最后，用间氯过苯甲酸环氧化，并用色谱法除去两个双键都被氧化的副产物，就得到了目标产物保幼激素I 的外消旋体。
OH
K
Br
L
CN
M
CN
3)H 2NCONHNH 2
N
2
O
NNHCONH
2
1)(EtO)2P(O)CH2CO 2Me P
CO 2Me
Q
CO 2Me
O
(+,-)-JHI
图12. JHI的合成路线
对于该法的讨论：
上述合成路线有两处缺点，首先在K 到L 的过程中，酸有可能影响双键，也有可能产生重排的副产物，其次在合成的路线中使用了高毒性的含CN 物质，对此也可考虑如下的改进合成路线：
H
G'
66
COOEt
H
H'
H
COOEt
H'
Ba(OH),EtOH,H 2J'
NaC CH
H
3
K'
J'
(OEt)POCH CO
Et Wittig-Horner's Reaction
K'
L'
COOEt
M'
N'
OH
NaOEt
O'
Br
P'
COOEt
Q'
图13.JHI 的改进合成路线
接下来的步骤按原路线进行，这样可以避免使用有毒的含CN 的试剂，使原料更简单。
三、 对昆虫信息素激素作用机理的两点假设
1、 生物“天线”论：
自从1957年舒奈德采用电生理方法将氯化银电极插入雄性家蚕触角两端记录到触
角点为后，许多研究者都广泛采用触角电位来研究昆虫信息素及其类似物的生物活性关系。
生物学家猜想，昆虫可以通过类似有天线作用的触角感受气味分子，即信息素，从
而产生应激反应，生物学家作出这种猜想的理由有如下几点：
1） 昆虫触角上的化感器具有解电体性质，解电常数处于2.5－4范围内，恰恰符合天线
材料的最佳性能。
2） 从天线频率的角度出发，触角上的化感器的长度具有检测远红外的频率。
3） 触角的化感器表面有角，波纹化等天线特性。
4） 昆虫信息素分子经黑体照射半小时后可以逸射红外线。
2、 信息分子和受体蛋白间能量传递机理
从美洲蜚蠊触角上获得一种盐溶解性蛋白类物质，具有结合美洲蜚蠊信息素的能
力，它是一种含硫酯类蛋白质。对于一个生物系统来讲，一个分子上的电子转移到另一个分子上就会获得或失去能量，分子间的电子转移会使分子的激发态发挥作用，同时由于分子给出电子或接收电子，分子本身的能及都要发生一系列的变化，直接影响受体分子的生物功能，大多数分子都含有双键和羰基，分子中存在键共轭系统，很易带动巯基或者二硫基的蛋白形成络合物而进行电子的转移。
3、分子低频振动学说
这种学说认为昆虫的信息素中存在特征有效频率，而在昆虫的触角化感器感觉细胞
上存在着多种类型的受体分子，这些受体分子在不断地振动，并各自“调谐”在某一狭窄的振动频带内，当含有一定生物信息的分子就接近受体部位的时候，它们选择性地与受体分子进行能量交换，从而产生生理作用。这里需要指出的是即使化合物分子的结构相差很大，只要它们的“特征有效频率”相同，那么它们有相同的激素作用。
四、 昆虫激素的应用
昆虫的激素在许多领域都有广泛的应用，尤其在医药与农业领域的作用尤为重要。在农业领域，昆虫激素的研究对于害虫的生物防治具有重要意义。
1、 昆虫激素防治虫害的类型：
1.1激素型杀虫剂：利用合成的昆虫激素类似物，破坏昆虫体内的激素平衡，扰乱正常的生长、分化和变态程序，达到杀灭昆虫的目的。
1.2不育剂：应用人工合成的返幼激素类似物，造成大量昆虫的不育现象，使昆虫第二代数目显著下降。
1.3引诱剂：通过应用合成的昆虫外激素类似物，将昆虫引诱到一定区域再以适当方法杀
11
灭。
2、保幼激素及其仿制品在防治虫害中的作用
保幼激素的仿制品或者类似物可以抑止昆虫的生长，使昆虫一直保持幼虫阶段，中断它们的生命周期。幼虫经数次蜕皮到最后一龄时，保幼激素停止分泌，才蜕皮化蛹。若在这时用保幼激素处理，可使昆虫化蛹不正常而死亡。昆虫成虫用保幼激素处理，可使其不产卵或产卵后不孵化。人工合成的保幼激素类似物，比天然保幼激素活性高几百倍，现已有不少种类。其中有的对蚊类幼虫、贮粮害虫和温室内同翅目害虫有较高的药效。保幼激素也可用于家蚕饲养，使桑蚕摄食后延迟化蛹，从而增加蚕丝的产量。化学家已合成了上千种具有保幼激素活性的物质，作为农药注册登记并实际投入大面积使用的有烯虫酯、蒙-512、双氧威、苯氧威（Fenoxycarb ）、烯虫炔酯（kinoprene ）和吡丙醚（Pyriproxyfen ）。
3、信息素在防治虫害中的应用：
信息素的种类很多，通过信息素的释放向昆虫的种内和种间传送各种信息，其中主要的有性信息素、产卵忌避素、报警激素、集合信息素及跟踪信息素。其中用来诱杀和干扰昆虫正常行为的昆虫性信息素成为害虫管理中一个重要的手段，如在田间释放过量的人工合成的性引诱剂，干扰雌雄虫的正常联系，使之无法交尾。巴基斯坦曾通过使用棉铃虫性信息素防治棉铃虫（Penctinophoragossypiella ）达到100%干扰交配，节省农药50%的效果，中国科学院动物研究所应用棉铃虫性引诱剂大面积防治棉铃虫，可使雌蛾交配率下降40-70%，效果十分显著，1992-1999年的应用面积达400多万公顷，目前已有20余种实现了商品化，使用信息素防治虫害的优点在于：减少农药造成的环境污染，保护环境。
五、 结语
本文讨论了各类昆虫激素的分类、提取和作用机理，以及在农业领域的应用，并着
重讨论几种典型的合成路线以及他们各自的特点。在不久的将来，昆虫激素以其来源广泛，作用效果好，环境污染少等特点，将越来越受到各行各业的青睐，而其合成以及对昆虫的作用必将成为化学家与生物学家共同关心的课题。
参考文献
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