新型螺环四氢喹啉衍生物的设计、合成及抑菌活性

陈 伟， 兰雨欣， 金彦西， 陈 阳， 吴 润， 储承文， 高焉凤

（西南交通大学生命科学与工程学院, 四川省天然药物仿生合成工程研究中心, 成都 610031）

植物病原真菌所导致的植物病害严重影响农作物的产量和质量， 并且其分泌的多种真菌毒素对人类健康有害［1，2］. 化学杀菌剂是防治真菌病害最有效、 最经济的方式， 但随着其长期、 大量使用， 残留、抗性和非靶标生物毒性等问题日益暴露， 亟需开发创制高效、 安全的绿色杀菌剂［3］. 天然产物具有结构新颖、 作用机制独特及环境友好等特点， 以其为先导化合物开发新农药已成为研究热点［4，5］.

四氢喹啉生物碱是一类常见的含氮杂环类天然产物， 在农业中显示出突出的抗植物病原真菌、 杀虫以及抗病毒等活性［6～8］. Lei等［9］以狗牙根内生菌中分离得到的Aspernigerin为先导， 设计合成了含有吡唑基团的四氢喹啉衍生物， 其对小麦全蚀病的抑菌活性与对照药唑菌胺酯相当. 中氮茚是吲哚的同分异构体， 含有独特的双杂环结构， 存在于多种天然产物中. 尤其氢化中氮茚， 是苦马豆素、 安托芬及高喜树碱等多种生物碱的核心结构单元， 具有优良的抗肿瘤活性， 现已开发出拓扑替康及伊立替康等抗肿瘤药物［10］. 巴比妥酸是生物活性分子的重要药效骨架， 表现出抗肿瘤、 抗菌、 抗炎及抗病毒等临床活性［11，12］. Wang等［13］将二苯醚类除草剂的药效团通过烯键与巴比妥酸相连， 目标分子表现出显著的除草活性. 螺环类化合物具有特殊的三维结构， 在药物化学和农药学领域备受关注［14，15］. 近年来，杂螺环化合物在环境友好型杀虫剂和抗菌剂的开发中展现出突出的潜力， 如从番茄中分离的番茄酱（Tomatidine）可用作绿色生物杀虫剂［16］.

基于创制绿色农药和防治农作物真菌病害的需要， 本文在前期工作的基础上， 以天然的含氮杂环化合物为先导， 通过合理的药效团拼接， 设计并合成了系列结构新颖的含有巴比妥酸药效团的螺环四氢喹啉衍生物(Ia～Il)， 并评价了目标化合物对多种常见农作物致病真菌的活性， 为绿色农药的开发创制提供了实验基础.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

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、 无水碳酸钾和吡咯烷， 分析纯， 上海阿拉丁试剂公司.

Bruker AV 400型核磁共振波谱仪（以TMS为内标）， 瑞士Bruker公司； Xevo G2-S Tof型高分辨质谱仪（HRMS）， 美国Waters公司； RY-1型熔点（m.p.）测定仪， 天津分析光学仪器厂.

1.2 实验过程

目标化合物的合成路线见Scheme 1.

1.2.1 中间体的合成 参照文献［17］方法合成中间体3和4.

1.2.2 目标化合物Ia～Ij 的合成 参照文献［18］方法合成目标化合物Ia～Ij. 以化合物Ia 的合成为例.将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， 搅拌加热至60 ℃， 用薄层色谱板（TLC）监测至反应完全. 将反应混合物减压浓缩， 向残余物中加入10 mL乙酸乙酯， 用饱和食盐水洗涤（20 mL×3）， 无水硫酸钠干燥， 经柱层析分离得白色固体Ia， 收率61.2%. 采用相同方法合成化合物Ib～Ij， 收率为23.0%～58.9%. 目标化合物的理化性质列于表1， 核磁共振波谱数据列于表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 目标化合物Ik～Il 的合成 以化合物Ik 的合成为例. 将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， 冰浴冷却， 滴入2 dN，N-二甲基甲酰胺， 室温下搅拌反应3 h， 减压浓缩得酰氯粗品， 备用. 将化合物6a（1 mmol）和三乙胺（1.5 mmol）溶于5 mL 二氯甲烷中， 缓慢滴入上述酰氯粗品的二氯甲烷溶液， 室温下反应过夜， 用TLC监测反应. 减压浓缩反应液， 加入10 mL乙酸乙酯至残余物中， 用饱和食盐水洗涤（20 mL×3）， 无水硫酸钠干燥， 经柱层析分离得白色固体Ik， 收率41.0%. 采用相同方法合成化合物Il. 目标化合物的理化性质列于表1， 核磁共振波谱数据列于表2.

1.3 抑菌活性测试

采用生长速率法测试了目标化合物的离体抑菌活性［20，21］. 以黄瓜枯萎病菌（Fusarium oxysporum）、小麦纹枯病菌（Rhizotonia cerealis）、 玉米小斑病菌（Helminthosporium maydis）、 苹果轮纹病菌（Physalospora piricola）、 小麦赤霉病菌（Fusarium graminearum）和西瓜炭疽病菌（Colletotrichum lagenarium）为供试对象， 以百菌清和多菌灵为阳性对照药.

2 结果与讨论

2.1 合成及表征

螺环四氢喹啉骨架的构建是合成路线的关键. 通常采用Povarov反应合成四氢喹啉母核， 再通过金属催化环化来建立螺环［8］. 这种策略不仅反应底物不易获得， 而且反应条件苛刻， 限制了螺环四氢异喹啉衍生物的合成及其生物活性筛选. 本文以邻胺基苯甲醛和巴比妥酸为关键反应物， 在乙醇中通过Knoevenagel condensation/［1，5］-H迁移/环化等串联级联反应， 采用“一步法”高效地实现螺环四氢喹啉骨架的合成， 反应条件温和， 且反应底物适应范围广， 为螺环四氢喹啉衍生物的合成提供了新的策略.

以化合物Ib 的解析为例， 在1H NMR 谱图中， 苯环H 的吸收峰在δ7.0 左右，δ3.66（t，J=5.7 Hz，2H）处为C2 的CH 信号峰，δ3.52～3.44（m， 1H）和3.12～3.07（m， 1H）处为C4 位的CH2化学位移峰，δ3.21（s， 3H）和3.05（s， 3H）处为2 个CH3的信号峰，δ3.28～3.15（m， 2H）处为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）处为C2′和C3′上的CH2信号峰. 在13C NMR谱图中，δ170.82， 167.41和151.51处分别为3个C=O的特征峰， 芳基碳在δ145.0～110.0之间， 与C=O 相邻的C4的化学位移向低场移动（δc63.83），δ29.18 和28.36 处为2 个CH3的化学位移.化合物Id的氟谱在δ60.37处出现吸收峰， 证实了目标化合物中含有氟（见本文支持信息图S1）.

2.2 抑菌活性及构效关系

采用生长速率法测试了目标化合物Ia～Il的离体抑菌活性， 结果列于表3.

Table 3 Antifungal activity of compounds Ia—Il*

由表3可知， 在50 mg/L浓度下， 目标化合物Ia～Il对所测试的植物病原菌具有中等的抑制活性， 尤其是对玉米小斑病菌和西瓜炭疽病菌的效果突出. 对于玉米小斑病菌， 有6个化合物的抑菌活性都在55.0%以上， 其中化合物Ig和Il的抑制率分别为79.4%和78.1%， 与对照药百菌清（81.1%）和多菌灵（84.1%）相当. 化合物Ik和Il对西瓜炭疽病菌的抑制率分别为72.7%和77.8%， 与百菌清（76.6%）接近， 但不如多菌灵（100.0%）. 化合物Ik对所有受试菌种的抑制率都大于51.0%.

构效关系研究显示， 将天然产物中的药效骨架四氢异喹啉和氢化中氮茚拼接为目标化合物母核，并在母核中引入巴比妥酸药效团， 所得目标分子具有抑菌活性. 当R2为甲基（化合物Ia～Ie）或者乙酰基（化合物If～Ij）时， 母核上取代基R1的类型和取代基位置对抑菌活性没有显著的影响. 当将N-甲基-3-三氟甲基吡唑药效基团引入后（化合物Ik 和Il）， 化合物的抑菌活性和抑菌谱明显提升， 并且R1=6-CF3时， 化合物对6种病菌都具有中等偏上的抑制率.

3 结 论

以天然四氢喹啉生物碱和氢化中氮茚类化合物为先导， 通过合理的骨架拼合， 将巴比妥酸药效团引入母核中， 设计并合成了12 个结构新颖的螺环四氢喹啉衍生物Ia～Il. 抑菌活性测试结果显示， 在50 mg/L的浓度下， 目标化合物对6种植物病原真菌具有中等的抑制活性， 其中化合物Ik对所有受试菌种的抑制率都大于51.0%， 化合物Il 对玉米小斑病菌和西瓜炭疽病菌的抑制率分别为78.1%和77.8%， 与对照药百菌清相当. 初步构效关系研究显示， 所设计合成的螺环四氢喹啉骨架具有抑菌潜力， 尤其是吡唑药效团引入可以增强抑菌活性和扩大抑菌谱. 该研究为天然产物的开发利用和绿色农药的创制提供了新的方向， 为螺环四氢异喹啉衍生物的活性筛选提供了实验基础.

支持信息见http: //www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/20230179.