2，5-二酮哌嗪衍生物的一锅法合成及其细胞毒活性*

李晋昇，廖升荣，汤　勇，刘永宏(.中国科学院南海海洋研究所，广东广州　5030; 2.中国科学院大学，北京　00049)



2，5-二酮哌嗪衍生物的一锅法合成及其细胞毒活性*

李晋昇1，2，廖升荣1，汤勇1，2，刘永宏1
(1.中国科学院南海海洋研究所，广东广州510301; 2.中国科学院大学，北京100049)

摘要:以DMF为溶剂，Cs2CO3为碱，N，N-二乙酰基-2，5-二酮哌嗪，芳醛和卤代烷经一锅法合成了10个2，5-二酮哌嗪类衍生物(4a～4j，其中4c，4f和4i为新化合物)，收率54.2%～75.7%，其结构经1H NMR，13C NMR和ESI-MS确证。生物活性研究结果表明:(Z)-1-乙酰基-3-(1-亚甲基萘)-4-烯丙基-2，5-二酮哌嗪(4c)对U937，Hela和Du145等细胞具有一定的细胞毒活性。

关键词:2，5-二酮哌嗪;一锅法; Aldol缩合;合成;细胞毒活性

2，5-二酮哌嗪(DKPs)类化合物是一类广泛存在于自然界中的次生代谢产物［1－2］，具有抗污、抗菌、抗肿瘤、抗病毒、抗氧化等多种生物活性［3－5］，以及特殊的生物活性及生理作用，如神经保护、代谢节律、跨膜运输等［5－6］。DKPs的骨架是稳定的六元环，在药物化学中是重要的药效团［7］。DKPs因氢键及与支链芳香环发生π－π堆叠致使脂溶性差，导致生物利用度低［8］。在N上引入的保护基能破坏分子内氢键及π－π堆叠，从而改善其溶解性［9］。

在碱性环境中的Aldol缩合是DKPs骨架引入不饱和支链的常见方法之一，具有操作简便和反应效率高等优点［10］。这种一侧不饱和取代的DKPs衍生物被报道具有强的抗污损活性，其EC50达0.034 μM［11］。此类衍生物也具有潜在的细胞毒活性，能作为中间体后续合成出具有显著细胞毒活性的目标化合物［9］。而选用烯丙基作为保护基不仅能解决溶解性问题，而且还有望提高细胞毒活性［12］。但引入N上保护基通常是在Aldol缩合结束后再进行，其反应中间体因溶解性差而导致操作繁琐、产率较低。

Scheme 1

为此，本文探究在DKPs骨架上同时引入醛基与保护基以合成易溶产物，采用一锅法直接合成具有N保护基的Aldol缩合产物。以DMF为溶剂，Cs2CO3为碱，N，N-二乙酰基-2，5-二酮哌嗪(1)，苯甲醛(2a)和烯丙基溴(3a)经一锅法合成了4a(Scheme 1)。并对合成4a的最佳反应条件进行优化。在最佳反应条件［以DMF为溶剂，Cs2CO3为碱，1 0.252 4 mmol，n(1)∶n(2a)=1.0∶1.0，当量比q=(Cs2CO3)∶(3a)=2.0∶2.5，于室温反应4 h］下对底物进行扩展，1分别与芳醛(2b～2e，2g和2h)和卤代烃(3e和3h)经一锅法合成了9个2，5-二酮哌嗪类衍生物(4b～4j，Scheme 1)，收率54.2%～75.7%。4c，4f和4i为新化合物，其结构1H NMR，13C NMR和ESI-MS确证。并研究了4a～4j的细胞毒活性。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

Bruker AV 500 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标); API 2000型ESI质谱仪; ZYJS型超净工作台;薄层色谱硅胶和柱色谱硅胶，青岛海洋化工厂。

所用试剂均为分析纯;无水溶剂用前按标准方法纯化。

1.2 4的合成通法

在反应瓶中依次加入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，搅拌下于室温反应24 h(TLC跟踪)。加水7 mL终止反应，用乙酸乙酯(3×20 mL)萃取，合并萃取液，用水洗涤，无水硫酸钠干燥。旋蒸除溶后经硅胶(200目～300目)柱层析［洗脱剂:V(石油醚)∶V(乙酸乙酯)=10∶1］纯化得淡黄色固体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　结果与讨论

2.1反应条件优化

以1，2a和3a合成4a为模板反应，对反应条件进行优化。1 0.252 4 mmol，n(1)∶n(2a)=1∶1，其余反应条件同1.2，考察3a和碱用量，溶剂，反应温度以及时间对反应的影响，结果见表1。

从表1的No.1～No.8可见，在其余反应条件下同的条件下，以Cs2CO3为碱时产率最高(37.8%，No.2); Cs2CO3用量对产率的影响见No.2和No.9～No.11，从中发现，Cs2CO3用量为2 eq.(0.504 9 mmol)时产率最佳(No.2); 3a用量对产率的影响见No.13～No.15，从中发现，3a用时为2.0 eq.时，产率最高(58.2%，No.14);当量比q=(Cs2CO3)∶n(3a)对产率的影响见No.16～No.20，从中发现，当q=2.0∶2.5时，产率最高(61.8%，No.18);反应时间对产率的影响见No.2和No.12，发现时间并不是提高产率的因素，且反应时间为4 h时基本完成。故选择4 h为

表1　反应条件优化*Table 1　Optimization of reaction conditions

最佳反应时间。温度也不是提高产率的关键因素，而且温度过高会有其他的副产物出现(TLC杂点)，导致产率下降(No.21～No.22)。溶剂对反应的影响见No.18和No.23～No.27，实验中发现，非极性非质子溶剂二甲苯与甲苯只能部分溶解反应物，严重影响了产率，而在极性质子溶剂MeOH中，反应没有进行。与DMF同为极性非质子溶剂的DMSO与THF在24 h内能使反应基本完成，但产率远低于DMF为溶剂时的产率，故DMF为最佳反应溶剂(61.8%，No.18)。

综上所述，合成4a最佳的反应条件为No.18，即以DMF为溶剂，Cs2CO3为碱，1 0.252 4 mmol，n(1)∶n(2a)=1.0∶1.0，q=(Cs2CO3)∶(3a)=2.0∶2.5，于室温反应4 h，产率61.8%。

2.2底物扩展

在最佳反应条件下对底物进行扩展，结果见Scheme 1。从Scheme 1结果可见，一锅法能推广应用，此条件能用于常见醛(芳香醛、脂肪醛等)及常用保护基(溴丙烯、碘甲烷、溴苄等)，反应基本都能在4 h内完成，且产率较高(平均大于60%)，其中，4f和4i的产率达70%以上。溶解度实验结果表明，4a～4j均溶于常见溶剂，如DMF，乙酸乙酯，二氯甲烷，氯仿等。

2.3合成

1与2a进行Aldol缩合，产物再与溴丙烯进行SN2反应能得到易溶性产物。但由于中间步骤得到的反应产物脂溶性差，后处理以及纯化相对困难，直接影响到合成的效率，两步法产率低于40%［9］。2与3的同时引入理论上是可行的，在初步尝试后，证明了其可行性。

2.4反应机理

1，2和3的一锅法反应机理见Scheme 2。实验初期，TLC跟踪发现只观察到中间产物，证明Aldol缩合先于SN2反应发生;投料5 min检测到中间产物和目标产物同时存在，故推测碱诱导进行了Aldol缩合，缩合后裸露的氮负离子进攻溴丙烯(SN2反应);反应4 h检测发现只有产物，证明Aldol缩合后的产物中间体与溴丙烯反应完全。

2.5细胞毒活性

对4a～4j进行细胞毒活性测定，发现只有4c具有细胞毒活性，结果见表2。从表2可见，4c对人类肿瘤细胞株有一定的抑制活性，特别对U973 及Hela癌细胞有较明显的细胞毒活性。而同样是引入萘甲醛4f和4i并没发现活性，由此推导烯丙基作为保护基更有利于细胞毒活性。相对萘甲醛，引入苯甲醛(或取代苯甲醛)与脂肪醛的化合物均没有显示出活性，初步推导以双键连接的类三环结构为活性结构。

Scheme 2

表2　4c的细胞毒活性*Table 2　Cytotoxic activities of 4c

3　结论

以DMF为溶剂，Cs2CO3为碱，N，N-二乙酰基-2，5-二酮哌嗪，芳醛和卤代烷经一锅法合成了10个2，5-二酮哌嗪类衍生物。此一锅法合成反应条件温和，反应时间短且产率较高。省去了中间难溶产物的分离纯化步骤，经过实验验证能推广应用于常见醛(芳香醛及脂肪醛)及保护基(溴丙烯、碘甲烷及溴苄)。所得的化合物具有良好的脂溶性，易溶于常见的有机溶剂。

生物活性研究结果表明:(Z)-1-乙酰基-3-(1-亚甲基萘)-4-烯丙基-2，5-二酮哌嗪(4c)对U937，Hela和Du145等细胞具有一定的细胞毒活性。为进一步研究提供了良好的基础。因此，本合成方法有大规模合成及高通量筛选的潜力，能为2，5-二酮哌嗪类物质进一步的合成以及构效关系研究做贡献。

参考文献

［1］郭秀春，郑立，周文辉，等.海洋微生物中二酮哌嗪类化合物的研究进展［J］.微生物学通报，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进展［J］.药学学报，2003，38(5):395－400.

［8］Ressurreição 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.

·研究论文·

通信联系人:刘永宏，研究员，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

作者简介:李晋昇(1989－)，男，汉族，广东广州人，硕士研究生，主要从事天然产物的合成研究。E-mail:lijinsheng12@mails.ucas.ac.cn

基金项目:国家自然科学基金青年基金资助项目(21402218)

收稿日期:2015-01-16;

修订日期:2015-08-20

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

文献标识码:A

中图分类号:O626.4; O621.3