新型螺環(huán)四氫喹啉衍生物的設(shè)計(jì)、合成及抑菌活性

陳 偉， 蘭雨欣， 金彥西， 陳 陽(yáng)， 吳 潤(rùn)， 儲(chǔ)承文， 高焉鳳

（西南交通大學(xué)生命科學(xué)與工程學(xué)院, 四川省天然藥物仿生合成工程研究中心, 成都 610031）

植物病原真菌所導(dǎo)致的植物病害嚴(yán)重影響農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量， 并且其分泌的多種真菌毒素對(duì)人類健康有害［1，2］. 化學(xué)殺菌劑是防治真菌病害最有效、 最經(jīng)濟(jì)的方式， 但隨著其長(zhǎng)期、 大量使用， 殘留、抗性和非靶標(biāo)生物毒性等問(wèn)題日益暴露， 亟需開(kāi)發(fā)創(chuàng)制高效、 安全的綠色殺菌劑［3］. 天然產(chǎn)物具有結(jié)構(gòu)新穎、 作用機(jī)制獨(dú)特及環(huán)境友好等特點(diǎn)， 以其為先導(dǎo)化合物開(kāi)發(fā)新農(nóng)藥已成為研究熱點(diǎn)［4，5］.

四氫喹啉生物堿是一類常見(jiàn)的含氮雜環(huán)類天然產(chǎn)物， 在農(nóng)業(yè)中顯示出突出的抗植物病原真菌、 殺蟲以及抗病毒等活性［6～8］. Lei等［9］以狗牙根內(nèi)生菌中分離得到的Aspernigerin為先導(dǎo)， 設(shè)計(jì)合成了含有吡唑基團(tuán)的四氫喹啉衍生物， 其對(duì)小麥全蝕病的抑菌活性與對(duì)照藥唑菌胺酯相當(dāng). 中氮茚是吲哚的同分異構(gòu)體， 含有獨(dú)特的雙雜環(huán)結(jié)構(gòu)， 存在于多種天然產(chǎn)物中. 尤其氫化中氮茚， 是苦馬豆素、 安托芬及高喜樹(shù)堿等多種生物堿的核心結(jié)構(gòu)單元， 具有優(yōu)良的抗腫瘤活性， 現(xiàn)已開(kāi)發(fā)出拓?fù)涮婵导耙亮⑻婵档瓤鼓[瘤藥物［10］. 巴比妥酸是生物活性分子的重要藥效骨架， 表現(xiàn)出抗腫瘤、 抗菌、 抗炎及抗病毒等臨床活性［11，12］. Wang等［13］將二苯醚類除草劑的藥效團(tuán)通過(guò)烯鍵與巴比妥酸相連， 目標(biāo)分子表現(xiàn)出顯著的除草活性. 螺環(huán)類化合物具有特殊的三維結(jié)構(gòu)， 在藥物化學(xué)和農(nóng)藥學(xué)領(lǐng)域備受關(guān)注［14，15］. 近年來(lái)，雜螺環(huán)化合物在環(huán)境友好型殺蟲劑和抗菌劑的開(kāi)發(fā)中展現(xiàn)出突出的潛力， 如從番茄中分離的番茄醬（Tomatidine）可用作綠色生物殺蟲劑［16］.

基于創(chuàng)制綠色農(nóng)藥和防治農(nóng)作物真菌病害的需要， 本文在前期工作的基礎(chǔ)上， 以天然的含氮雜環(huán)化合物為先導(dǎo)， 通過(guò)合理的藥效團(tuán)拼接， 設(shè)計(jì)并合成了系列結(jié)構(gòu)新穎的含有巴比妥酸藥效團(tuán)的螺環(huán)四氫喹啉衍生物(Ia～I(xiàn)l)， 并評(píng)價(jià)了目標(biāo)化合物對(duì)多種常見(jiàn)農(nóng)作物致病真菌的活性， 為綠色農(nóng)藥的開(kāi)發(fā)創(chuàng)制提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

2-氟苯甲醛、 2-氟-3-氯苯甲醛、 2-氟-4-氯苯甲醛、 2-氟-5-氯苯甲醛、 2-氟-6-氯苯甲醛、 2-氟-5-三氟甲基苯甲醛、 4-溴-2-氟苯甲醛、 2-氟-5-硝基苯甲醛、 巴比妥酸、 1，3-二甲基巴比妥酸、N-甲基-3-三氟甲基吡唑-4-酸、 無(wú)水碳酸鉀和吡咯烷， 分析純， 上海阿拉丁試劑公司.

Bruker AV 400型核磁共振波譜儀（以TMS為內(nèi)標(biāo)）， 瑞士Bruker公司； Xevo G2-S Tof型高分辨質(zhì)譜儀（HRMS）， 美國(guó)Waters公司； RY-1型熔點(diǎn)（m.p.）測(cè)定儀， 天津分析光學(xué)儀器廠.

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

目標(biāo)化合物的合成路線見(jiàn)Scheme 1.

1.2.1 中間體的合成 參照文獻(xiàn)［17］方法合成中間體3和4.

1.2.2 目標(biāo)化合物Ia～I(xiàn)j 的合成 參照文獻(xiàn)［18］方法合成目標(biāo)化合物Ia～I(xiàn)j. 以化合物Ia 的合成為例.將2-吡咯基苯甲醛（3a， 1.0 mmol）和3，5-二甲基巴比妥酸（4a， 1.2 mmol）溶于5 mL 乙醇中， 攪拌加熱至60 ℃， 用薄層色譜板（TLC）監(jiān)測(cè)至反應(yīng)完全. 將反應(yīng)混合物減壓濃縮， 向殘余物中加入10 mL乙酸乙酯， 用飽和食鹽水洗滌（20 mL×3）， 無(wú)水硫酸鈉干燥， 經(jīng)柱層析分離得白色固體Ia， 收率61.2%. 采用相同方法合成化合物Ib～I(xiàn)j， 收率為23.0%～58.9%. 目標(biāo)化合物的理化性質(zhì)列于表1， 核磁共振波譜數(shù)據(jù)列于表2.

Table 1 Appearance, yields, melting points and HRMS data of target compounds Ia—Il

Table 2 1H NMR and 13C NMR data of target compounds Ia—Il

Continued

1.2.3 目標(biāo)化合物Ik～I(xiàn)l 的合成 以化合物Ik 的合成為例. 將N-甲基-3-三氟甲基吡唑-4-羧酸（7， 1.5 mmol）和草酰氯（1.5 mmol）溶于5 mL二氯甲烷中， 冰浴冷卻， 滴入2 dN，N-二甲基甲酰胺， 室溫下攪拌反應(yīng)3 h， 減壓濃縮得酰氯粗品， 備用. 將化合物6a（1 mmol）和三乙胺（1.5 mmol）溶于5 mL 二氯甲烷中， 緩慢滴入上述酰氯粗品的二氯甲烷溶液， 室溫下反應(yīng)過(guò)夜， 用TLC監(jiān)測(cè)反應(yīng). 減壓濃縮反應(yīng)液， 加入10 mL乙酸乙酯至殘余物中， 用飽和食鹽水洗滌（20 mL×3）， 無(wú)水硫酸鈉干燥， 經(jīng)柱層析分離得白色固體Ik， 收率41.0%. 采用相同方法合成化合物Il. 目標(biāo)化合物的理化性質(zhì)列于表1， 核磁共振波譜數(shù)據(jù)列于表2.

1.3 抑菌活性測(cè)試

采用生長(zhǎng)速率法測(cè)試了目標(biāo)化合物的離體抑菌活性［20，21］. 以黃瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporum）、小麥紋枯病菌（Rhizotonia cerealis）、 玉米小斑病菌（Helminthosporium maydis）、 蘋果輪紋病菌（Physalospora piricola）、 小麥赤霉病菌（Fusarium graminearum）和西瓜炭疽病菌（Colletotrichum lagenarium）為供試對(duì)象， 以百菌清和多菌靈為陽(yáng)性對(duì)照藥.

2 結(jié)果與討論

2.1 合成及表征

螺環(huán)四氫喹啉骨架的構(gòu)建是合成路線的關(guān)鍵. 通常采用Povarov反應(yīng)合成四氫喹啉母核， 再通過(guò)金屬催化環(huán)化來(lái)建立螺環(huán)［8］. 這種策略不僅反應(yīng)底物不易獲得， 而且反應(yīng)條件苛刻， 限制了螺環(huán)四氫異喹啉衍生物的合成及其生物活性篩選. 本文以鄰胺基苯甲醛和巴比妥酸為關(guān)鍵反應(yīng)物， 在乙醇中通過(guò)Knoevenagel condensation/［1，5］-H遷移/環(huán)化等串聯(lián)級(jí)聯(lián)反應(yīng)， 采用“一步法”高效地實(shí)現(xiàn)螺環(huán)四氫喹啉骨架的合成， 反應(yīng)條件溫和， 且反應(yīng)底物適應(yīng)范圍廣， 為螺環(huán)四氫喹啉衍生物的合成提供了新的策略.

以化合物Ib 的解析為例， 在1H NMR 譜圖中， 苯環(huán)H 的吸收峰在δ7.0 左右，δ3.66（t，J=5.7 Hz，2H）處為C2 的CH 信號(hào)峰，δ3.52～3.44（m， 1H）和3.12～3.07（m， 1H）處為C4 位的CH2化學(xué)位移峰，δ3.21（s， 3H）和3.05（s， 3H）處為2 個(gè)CH3的信號(hào)峰，δ3.28～3.15（m， 2H）處為C1′的CH2吸收峰，δ2.04～1.96（m， 1H）， 1.93～1.82（m， 2H）和1.48～1.36（m， 1H）處為C2′和C3′上的CH2信號(hào)峰. 在13C NMR譜圖中，δ170.82， 167.41和151.51處分別為3個(gè)C=O的特征峰， 芳基碳在δ145.0～110.0之間， 與C=O 相鄰的C4的化學(xué)位移向低場(chǎng)移動(dòng)（δc63.83），δ29.18 和28.36 處為2 個(gè)CH3的化學(xué)位移.化合物Id的氟譜在δ60.37處出現(xiàn)吸收峰， 證實(shí)了目標(biāo)化合物中含有氟（見(jiàn)本文支持信息圖S1）.

2.2 抑菌活性及構(gòu)效關(guān)系

采用生長(zhǎng)速率法測(cè)試了目標(biāo)化合物Ia～I(xiàn)l的離體抑菌活性， 結(jié)果列于表3.

Table 3 Antifungal activity of compounds Ia—Il*

由表3可知， 在50 mg/L濃度下， 目標(biāo)化合物Ia～I(xiàn)l對(duì)所測(cè)試的植物病原菌具有中等的抑制活性， 尤其是對(duì)玉米小斑病菌和西瓜炭疽病菌的效果突出. 對(duì)于玉米小斑病菌， 有6個(gè)化合物的抑菌活性都在55.0%以上， 其中化合物Ig和Il的抑制率分別為79.4%和78.1%， 與對(duì)照藥百菌清（81.1%）和多菌靈（84.1%）相當(dāng). 化合物Ik和Il對(duì)西瓜炭疽病菌的抑制率分別為72.7%和77.8%， 與百菌清（76.6%）接近， 但不如多菌靈（100.0%）. 化合物Ik對(duì)所有受試菌種的抑制率都大于51.0%.

構(gòu)效關(guān)系研究顯示， 將天然產(chǎn)物中的藥效骨架四氫異喹啉和氫化中氮茚拼接為目標(biāo)化合物母核，并在母核中引入巴比妥酸藥效團(tuán)， 所得目標(biāo)分子具有抑菌活性. 當(dāng)R2為甲基（化合物Ia～I(xiàn)e）或者乙?；ɑ衔颕f～I(xiàn)j）時(shí)， 母核上取代基R1的類型和取代基位置對(duì)抑菌活性沒(méi)有顯著的影響. 當(dāng)將N-甲基-3-三氟甲基吡唑藥效基團(tuán)引入后（化合物Ik 和Il）， 化合物的抑菌活性和抑菌譜明顯提升， 并且R1=6-CF3時(shí)， 化合物對(duì)6種病菌都具有中等偏上的抑制率.

3 結(jié) 論

以天然四氫喹啉生物堿和氫化中氮茚類化合物為先導(dǎo)， 通過(guò)合理的骨架拼合， 將巴比妥酸藥效團(tuán)引入母核中， 設(shè)計(jì)并合成了12 個(gè)結(jié)構(gòu)新穎的螺環(huán)四氫喹啉衍生物Ia～I(xiàn)l. 抑菌活性測(cè)試結(jié)果顯示， 在50 mg/L的濃度下， 目標(biāo)化合物對(duì)6種植物病原真菌具有中等的抑制活性， 其中化合物Ik對(duì)所有受試菌種的抑制率都大于51.0%， 化合物Il 對(duì)玉米小斑病菌和西瓜炭疽病菌的抑制率分別為78.1%和77.8%， 與對(duì)照藥百菌清相當(dāng). 初步構(gòu)效關(guān)系研究顯示， 所設(shè)計(jì)合成的螺環(huán)四氫喹啉骨架具有抑菌潛力， 尤其是吡唑藥效團(tuán)引入可以增強(qiáng)抑菌活性和擴(kuò)大抑菌譜. 該研究為天然產(chǎn)物的開(kāi)發(fā)利用和綠色農(nóng)藥的創(chuàng)制提供了新的方向， 為螺環(huán)四氫異喹啉衍生物的活性篩選提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

支持信息見(jiàn)http: //www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/20230179.