2，5-二酮哌嗪衍生物的一鍋法合成及其細(xì)胞毒活性*

李晉昇，廖升榮，湯　勇，劉永宏(.中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東廣州　5030; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京　00049)

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2，5-二酮哌嗪衍生物的一鍋法合成及其細(xì)胞毒活性*

李晉昇1，2，廖升榮1，湯勇1，2，劉永宏1
(1.中國科學(xué)院南海海洋研究所，廣東廣州510301; 2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049)

摘要:以DMF為溶劑，Cs2CO3為堿，N，N-二乙酰基-2，5-二酮哌嗪，芳醛和鹵代烷經(jīng)一鍋法合成了10個(gè)2，5-二酮哌嗪類衍生物(4a～4j，其中4c，4f和4i為新化合物)，收率54.2%～75.7%，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR，13C NMR和ESI-MS確證。生物活性研究結(jié)果表明:(Z)-1-乙?；?3-(1-亞甲基萘)-4-烯丙基-2，5-二酮哌嗪(4c)對(duì)U937，Hela和Du145等細(xì)胞具有一定的細(xì)胞毒活性。

關(guān)鍵詞:2，5-二酮哌嗪;一鍋法; Aldol縮合;合成;細(xì)胞毒活性

2，5-二酮哌嗪(DKPs)類化合物是一類廣泛存在于自然界中的次生代謝產(chǎn)物［1－2］，具有抗污、抗菌、抗腫瘤、抗病毒、抗氧化等多種生物活性［3－5］，以及特殊的生物活性及生理作用，如神經(jīng)保護(hù)、代謝節(jié)律、跨膜運(yùn)輸?shù)龋?－6］。DKPs的骨架是穩(wěn)定的六元環(huán)，在藥物化學(xué)中是重要的藥效團(tuán)［7］。DKPs因氫鍵及與支鏈芳香環(huán)發(fā)生π－π堆疊致使脂溶性差，導(dǎo)致生物利用度低［8］。在N上引入的保護(hù)基能破壞分子內(nèi)氫鍵及π－π堆疊，從而改善其溶解性［9］。

在堿性環(huán)境中的Aldol縮合是DKPs骨架引入不飽和支鏈的常見方法之一，具有操作簡便和反應(yīng)效率高等優(yōu)點(diǎn)［10］。這種一側(cè)不飽和取代的DKPs衍生物被報(bào)道具有強(qiáng)的抗污損活性，其EC50達(dá)0.034 μM［11］。此類衍生物也具有潛在的細(xì)胞毒活性，能作為中間體后續(xù)合成出具有顯著細(xì)胞毒活性的目標(biāo)化合物［9］。而選用烯丙基作為保護(hù)基不僅能解決溶解性問題，而且還有望提高細(xì)胞毒活性［12］。但引入N上保護(hù)基通常是在Aldol縮合結(jié)束后再進(jìn)行，其反應(yīng)中間體因溶解性差而導(dǎo)致操作繁瑣、產(chǎn)率較低。

Scheme 1

為此，本文探究在DKPs骨架上同時(shí)引入醛基與保護(hù)基以合成易溶產(chǎn)物，采用一鍋法直接合成具有N保護(hù)基的Aldol縮合產(chǎn)物。以DMF為溶劑，Cs2CO3為堿，N，N-二乙?；?2，5-二酮哌嗪(1)，苯甲醛(2a)和烯丙基溴(3a)經(jīng)一鍋法合成了4a(Scheme 1)。并對(duì)合成4a的最佳反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。在最佳反應(yīng)條件［以DMF為溶劑，Cs2CO3為堿，1 0.252 4 mmol，n(1)∶n(2a)=1.0∶1.0，當(dāng)量比q=(Cs2CO3)∶(3a)=2.0∶2.5，于室溫反應(yīng)4 h］下對(duì)底物進(jìn)行擴(kuò)展，1分別與芳醛(2b～2e，2g和2h)和鹵代烴(3e和3h)經(jīng)一鍋法合成了9個(gè)2，5-二酮哌嗪類衍生物(4b～4j，Scheme 1)，收率54.2%～75.7%。4c，4f和4i為新化合物，其結(jié)構(gòu)1H NMR，13C NMR和ESI-MS確證。并研究了4a～4j的細(xì)胞毒活性。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

Bruker AV 500 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)); API 2000型ESI質(zhì)譜儀; ZYJS型超凈工作臺(tái);薄層色譜硅膠和柱色譜硅膠，青島海洋化工廠。

所用試劑均為分析純;無水溶劑用前按標(biāo)準(zhǔn)方法純化。

1.2 4的合成通法

在反應(yīng)瓶中依次加入1 50 mg(0.252 4 mmol)，2 0.252 4 mmol，DMF 1.5 mL，Cs2CO3164.5 mg(0.504 9 mmol)和3 0.631 mmol，攪拌下于室溫反應(yīng)24 h(TLC跟蹤)。加水7 mL終止反應(yīng)，用乙酸乙酯(3×20 mL)萃取，合并萃取液，用水洗滌，無水硫酸鈉干燥。旋蒸除溶后經(jīng)硅膠(200目～300目)柱層析［洗脫劑:V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=10∶1］純化得淡黃色固體4。

4a(C16H16N2O3):收率61.8%;1H NMR δ:2.63(s，3H)，4.10(d，J=6.5 Hz，2H)，4.53(s，2H)，4.74(d，J=8.5 Hz，1H)，5.03(d，J=10.0 Hz，1H)，5.48～5.56(m，1H)，7.30(s，1H)，7.34～7.37(m，2H)，7.38～7.41(m，3H);13C NMR(126 MHz，下同)δ:171.41，164.90，164.45，132.71，131.10，129.78，129.66，129.34，128.81，126.77，118.97，46.47，45.33，26.72; ESI-MS m/z:285{［M +H］+}，307{［M +Na］+}。

4b(C16H15N2O3Cl):收率54.5%;1H NMR δ:2.63(s，3H)，4.10(d，J=6.0 Hz，2H)，4.54(s，2H)，4.74(d，J=16.5 Hz，1H)，5.05(d，J=10.5 Hz，1H)，5.48～5.56(m，1H)，7.22(s，1H)，7.23～7.25(m，1H)，7.32(s，1H)，7.35～7.38(m，2H);13C NMR δ:171.31，164.73，163.99，134.89，134.55，130.92，130.48，130.05，129.73，129.38，127.61，124.76，119.14，46.66，45.29，26.76; ESI-MS m/z:341{［M +Na］+}。

4c(C20H18N2O3):收率59.6%;1H NMR δ:2.68(s，3H)，3.91(d，J=6.0 Hz，2H)，4.40(d，J=17.5 Hz，1H)，4.61(s，2H)，4.85(d，J=10.0 Hz，1H)，5.35～5.44(m，1H)，7.42(d，J=7.0 Hz，1H)，7.50(t，J=7.5 Hz，1H)，7.53～7.61(m，2H)，7.87(s，1H)，7.89～7.95(m，3H);13C NMR δ:171.64，164.63，164.14，133.64，131.35，131.00，130.88，130.37，130.26，128.96，127.31，127.28，126.81，125.27，124.55，124.49，119.07，46.06，45.49，26.96; ESI-MS m/z:335{［M + H］+}，357{［M + Na］+}。

4d(C12H16N2O3):收率56.6%;1H NMR δ:1.13(t，J=7.5 Hz，3H)，2.22～2.33(m，2H)，2.57(s，3H)，4.29(d，J=5.5 Hz，2H)，4.39(s，2H)，5.12～5.22(m，2H)，5.72～5.82(m，1H)，6.32(t，J=7.5 Hz，1H);13C NMR δ:171.43，164.79，164.20，133.13，131.85，131.26，118.06，48.54，45.37，26.63，21.81，13.28; ESI-MS m/z:237{［M +H］+}，259{［M +Na］+}。

4e(C14H13N2O3F):收率53.2%;1H NMR δ:2.63(s，3H)，2.87(s，3H)，4.53(s，2H)，7.13(t，J=9.5 Hz，1H)，7.20(t，J=7.5 Hz，1H)，7.28(t，J=7.5 Hz，1H)，7.31(s，1H)，7.34～7.42(m，1H);13C NMR δ:171.61，164.64，163.31，131.53，131.46，130.68，124.41，124.38，117.87，116.17，116.00，45.41，33.99，26.96; ESI-MS m/z:277{［M +H］+}，299{［M +Na］+}。

4f(C18H16N2O3):收率74.8%;1H NMR δ:2.68(s，3H)，2.69(s，3H)，4.60(s，2H)，7.35(d，J=7.0 Hz，1H)，7.49(t，J=7.5 Hz，1H)，7.54～7.62(m，2H)，7.87(s，1H)，7.90(t，J=7.5 Hz，2H)，7.97(d，J=8.0 Hz，1H);13C NMR δ:171.75，164.58，163.39，133.57，133.35，131.52，130.42，130.04，128.97，127.43，127.33，126.77，125.20，124.49，123.22，45.54，34.17，26.99; ESI-MS m/z:309{［M + H］+}，331{［M +Na］+}。

4g(C11H16N2O3):收率66.3%;1H NMR δ:0.94(t，J=7.0 Hz，3H)，1.46～1.56(m，2H)，2.24(q，J=7.5 Hz，2H)，2.51(s，3H)，3.19(s，3H)，4.34(s，2H)，6.29(t，J=7.5 Hz，1H);13C NMR δ:171.74，164.97，163.82，132.94，131.14，45.21，35.06，30.30，27.02，22.35，14.08; ESI-MS m/z:225{［M + H］+}，247{［M + Na］+}。

4h(C20H17N2O3Br):收率54.2%;1H NMR δ:2.55(s，3H)，4.56(s，2H)，4.66(s，2H)，6.83～6.89(m，2H)，7.16(s，1H)，7.19～7.24(m，3H)，7.30～7.36(m，2H)，7.50(s，1H)，7.55(d，J=7.0 Hz，1H);13C NMR δ:171.41，165.10，164.03，135.65，134.91，132.89，132.49， 130.91，130.47，128.82，128.22，127.84，124.98，123.12，47.61，45.33，26.74; ESI-MS m/z:414{［M +H］+}，436{［M +Na］+}。

4i(C24H20N2O3):收率75.7%;1H NMR δ:2.62(s，3H)，4.48(s，2H)，4.65(s，2H)，6.58(d，J=7.5 Hz，2H)，7.04(t，J=7.5 Hz，2H)，7.12(t，J=7.5 Hz，1H)，7.47(d，J=7.5 Hz，1H)，7.53(q，J=8.0 Hz，2H)，7.57(t，J=7.5 Hz，1H)，7.71(d，J=8.0 Hz，1H)，7.80(s，1H)，7.93(t，J=8.5 Hz，2H);13C NMR δ:171.64，164.95，164.08，135.53，133.62，131.46，130.92，130.50，130.21，128.91，128.50，127.84，127.80，127.46，127.29，126.81，125.27，124.77，124.52，46.79，45.44，26.85; ESI-MS m/z:385{［M +H］+}，407{［M +Na］+}。

4j(C17H20N2O3):收率60.4%;1H NMR δ:0.90(t，J=7.0 Hz，3H)，1.45～1.54(m，2H)，2.18(q，J=7.5 Hz，2H)，2.47(s，3H)，4.39(s，2H)，4.86(s，2H)，6.30(t，J=7.5 Hz，1H)，7.10(d，J=7.0 Hz，2H)，7.22～7.36(m，3H);13C NMR δ:171.26，165.06，164.15，136.00，132.03，131.90，128.68，127.75，127.00，49.24，45.20，30.34，26.38，21.97，13.69; ESI-MS m/z:301{［M +H］+}，323{［M +Na］+}。

2　結(jié)果與討論

2.1反應(yīng)條件優(yōu)化

以1，2a和3a合成4a為模板反應(yīng)，對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行優(yōu)化。1 0.252 4 mmol，n(1)∶n(2a)=1∶1，其余反應(yīng)條件同1.2，考察3a和堿用量，溶劑，反應(yīng)溫度以及時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果見表1。

從表1的No.1～No.8可見，在其余反應(yīng)條件下同的條件下，以Cs2CO3為堿時(shí)產(chǎn)率最高(37.8%，No.2); Cs2CO3用量對(duì)產(chǎn)率的影響見No.2和No.9～No.11，從中發(fā)現(xiàn)，Cs2CO3用量為2 eq.(0.504 9 mmol)時(shí)產(chǎn)率最佳(No.2); 3a用量對(duì)產(chǎn)率的影響見No.13～No.15，從中發(fā)現(xiàn)，3a用時(shí)為2.0 eq.時(shí)，產(chǎn)率最高(58.2%，No.14);當(dāng)量比q=(Cs2CO3)∶n(3a)對(duì)產(chǎn)率的影響見No.16～No.20，從中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)q=2.0∶2.5時(shí)，產(chǎn)率最高(61.8%，No.18);反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)率的影響見No.2和No.12，發(fā)現(xiàn)時(shí)間并不是提高產(chǎn)率的因素，且反應(yīng)時(shí)間為4 h時(shí)基本完成。故選擇4 h為

表1　反應(yīng)條件優(yōu)化*Table 1　Optimization of reaction conditions

最佳反應(yīng)時(shí)間。溫度也不是提高產(chǎn)率的關(guān)鍵因素，而且溫度過高會(huì)有其他的副產(chǎn)物出現(xiàn)(TLC雜點(diǎn))，導(dǎo)致產(chǎn)率下降(No.21～No.22)。溶劑對(duì)反應(yīng)的影響見No.18和No.23～No.27，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，非極性非質(zhì)子溶劑二甲苯與甲苯只能部分溶解反應(yīng)物，嚴(yán)重影響了產(chǎn)率，而在極性質(zhì)子溶劑MeOH中，反應(yīng)沒有進(jìn)行。與DMF同為極性非質(zhì)子溶劑的DMSO與THF在24 h內(nèi)能使反應(yīng)基本完成，但產(chǎn)率遠(yuǎn)低于DMF為溶劑時(shí)的產(chǎn)率，故DMF為最佳反應(yīng)溶劑(61.8%，No.18)。

綜上所述，合成4a最佳的反應(yīng)條件為No.18，即以DMF為溶劑，Cs2CO3為堿，1 0.252 4 mmol，n(1)∶n(2a)=1.0∶1.0，q=(Cs2CO3)∶(3a)=2.0∶2.5，于室溫反應(yīng)4 h，產(chǎn)率61.8%。

2.2底物擴(kuò)展

在最佳反應(yīng)條件下對(duì)底物進(jìn)行擴(kuò)展，結(jié)果見Scheme 1。從Scheme 1結(jié)果可見，一鍋法能推廣應(yīng)用，此條件能用于常見醛(芳香醛、脂肪醛等)及常用保護(hù)基(溴丙烯、碘甲烷、溴芐等)，反應(yīng)基本都能在4 h內(nèi)完成，且產(chǎn)率較高(平均大于60%)，其中，4f和4i的產(chǎn)率達(dá)70%以上。溶解度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，4a～4j均溶于常見溶劑，如DMF，乙酸乙酯，二氯甲烷，氯仿等。

2.3合成

1與2a進(jìn)行Aldol縮合，產(chǎn)物再與溴丙烯進(jìn)行SN2反應(yīng)能得到易溶性產(chǎn)物。但由于中間步驟得到的反應(yīng)產(chǎn)物脂溶性差，后處理以及純化相對(duì)困難，直接影響到合成的效率，兩步法產(chǎn)率低于40%［9］。2與3的同時(shí)引入理論上是可行的，在初步嘗試后，證明了其可行性。

2.4反應(yīng)機(jī)理

1，2和3的一鍋法反應(yīng)機(jī)理見Scheme 2。實(shí)驗(yàn)初期，TLC跟蹤發(fā)現(xiàn)只觀察到中間產(chǎn)物，證明Aldol縮合先于SN2反應(yīng)發(fā)生;投料5 min檢測到中間產(chǎn)物和目標(biāo)產(chǎn)物同時(shí)存在，故推測堿誘導(dǎo)進(jìn)行了Aldol縮合，縮合后裸露的氮負(fù)離子進(jìn)攻溴丙烯(SN2反應(yīng));反應(yīng)4 h檢測發(fā)現(xiàn)只有產(chǎn)物，證明Aldol縮合后的產(chǎn)物中間體與溴丙烯反應(yīng)完全。

2.5細(xì)胞毒活性

對(duì)4a～4j進(jìn)行細(xì)胞毒活性測定，發(fā)現(xiàn)只有4c具有細(xì)胞毒活性，結(jié)果見表2。從表2可見，4c對(duì)人類腫瘤細(xì)胞株有一定的抑制活性，特別對(duì)U973 及Hela癌細(xì)胞有較明顯的細(xì)胞毒活性。而同樣是引入萘甲醛4f和4i并沒發(fā)現(xiàn)活性，由此推導(dǎo)烯丙基作為保護(hù)基更有利于細(xì)胞毒活性。相對(duì)萘甲醛，引入苯甲醛(或取代苯甲醛)與脂肪醛的化合物均沒有顯示出活性，初步推導(dǎo)以雙鍵連接的類三環(huán)結(jié)構(gòu)為活性結(jié)構(gòu)。

Scheme 2

表2　4c的細(xì)胞毒活性*Table 2　Cytotoxic activities of 4c

3　結(jié)論

以DMF為溶劑，Cs2CO3為堿，N，N-二乙?；?2，5-二酮哌嗪，芳醛和鹵代烷經(jīng)一鍋法合成了10個(gè)2，5-二酮哌嗪類衍生物。此一鍋法合成反應(yīng)條件溫和，反應(yīng)時(shí)間短且產(chǎn)率較高。省去了中間難溶產(chǎn)物的分離純化步驟，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證能推廣應(yīng)用于常見醛(芳香醛及脂肪醛)及保護(hù)基(溴丙烯、碘甲烷及溴芐)。所得的化合物具有良好的脂溶性，易溶于常見的有機(jī)溶劑。

生物活性研究結(jié)果表明:(Z)-1-乙?；?3-(1-亞甲基萘)-4-烯丙基-2，5-二酮哌嗪(4c)對(duì)U937，Hela和Du145等細(xì)胞具有一定的細(xì)胞毒活性。為進(jìn)一步研究提供了良好的基礎(chǔ)。因此，本合成方法有大規(guī)模合成及高通量篩選的潛力，能為2，5-二酮哌嗪類物質(zhì)進(jìn)一步的合成以及構(gòu)效關(guān)系研究做貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］郭秀春，鄭立，周文輝，等.海洋微生物中二酮哌嗪類化合物的研究進(jìn)展［J］.微生物學(xué)通報(bào)，2009，36(10):1596－1603.

［2］Huang R，Zhou X，Xu T，et al.Diketopiperazines from marine organisms［J］.Chemistry＆Biodiversity，2010，7(12):2809－2829.

［3］Bolognesi M，Tran H，Staderini M，et al.Discovery of a class of diketopiperazines as antiprion compounds［J］.Chem Med Chem，2010，5(8):1324－1334.

［4］Borthwick A.2，5-Diketopiperazines:Synthesis，reactions，medicinal chemistry，and bioactive natural products［J］.Chem Rev，2012，112(7):3641－3716.

［5］Wang Y，Wang P，Ma H，et al.Developments around the bioactive diketopiperazines:A patent review［J］.Expert Opinion on Therapeutic Patents，2013，23(11):1415－1433.

［6］Teixido M，Zurita E，Malakoutikhah M，et al.Diketopi perazines as a tool for the study of transport across the blood-brain barrier(BBB)and their potential use as BBB-shuttles［J］.J Am Chem Soc，2007，129:11802－11813.

［7］林浩，王德心.哌嗪二酮衍生物的合成研究進(jìn)展［J］.藥學(xué)學(xué)報(bào)，2003，38(5):395－400.

［8］Ressurrei??o A，Delatouche R，Gennari C，et al.Bifunctional 2，5-diketopiperazines as rigid three-dimensional scaffolds in receptors and peptidomimetics［J］.European Journal of Organic Chemistry，2011，2:217－228.

［9］Liao S，Qin X，Li D，et al.Design and synthesis of novel soluble 2，5-diketopiperazine derivatives as potential anticancer agents［J］.Eur J Med Chem，2014，83:236－244.

［10］Johnson A，Janosik T，Bergman J.Synthesis of the diketopiperazine dipodazine［J］.Arkvoc，2002，8:57－61.

［11］Sjogren M，Johnson A，Hedner E，et al.Antifouling activity of synthesized peptide analogs of the sponge metabolite barettin［J］.Peptides，2006，27(9):2058－2064.

［12］Sundaram S，Milner J.Diallyl disulfide induces apoptosis of human colon tumor cells［J］.Carcinogenesis，1996，17:669－673.

·研究論文·

通信聯(lián)系人:劉永宏，研究員，Tel.020-89023174，E-mail:yonghongliu@ scsio.ac.cn

Synthesis and Cytotoxic Activities of
2，5-Diketopiperazine Derivatives by One-pot Method

LI Jin-sheng1，2，LIAO Sheng-rong1，TANG Yong1，2，LIU Yong-hong1
(1.South China Sea Institute of Oceanology，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou 510301，China; 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)

Abstract:Ten 2，5-diketopiperazine derivatives(4a～4j，4c，4f and 4i were novel compounds)in yield of 54.2%～75.7% were synthesized by Aldol reaction of N，N-diacetyl-2，5-diketopiperazine，arylaldehyde and RX by one-pot method，using DMF as the solvent and Cs2CO3as the alkali.The structures were confirmed by1H NMR，13C NMR and ESI-MS.Preliminary biological activities tests indicated that(Z)-1-acetyl-4-allyl-3-(naphthalen-1-ylmethylene)piperazine-2，5-dione(4c)exhibited better cytotoxic activities against U937，Hela and Du145 cell lines.

Keywords:2，5-diketopiperazine; one-pot method; Aldol condensation; synthesis; cytotoxic activity

作者簡介:李晉昇(1989－)，男，漢族，廣東廣州人，碩士研究生，主要從事天然產(chǎn)物的合成研究。E-mail:lijinsheng12@mails.ucas.ac.cn

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(21402218)

收稿日期:2015-01-16;

修訂日期:2015-08-20

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.12.1095 *

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類號(hào):O626.4; O621.3