天然产物特别植物源天然产物具有如下优点：化学结构新颖、极其多样化,作用方式独特、较难产生抗药性,可发现全新的作用靶标,易被植物吸收、在环境中易降解、有很好的环境相容性,所以基于天然产物的农药创制一直是农药创制的最重要策略。咔啉类生物碱是一大类生物碱,按照吡啶环氮原子所在位置不同,分为α,β,γ,δ-咔啉。其中β-咔啉类生物碱是在自然界分布最广,数量最多,研究最为深入的咔啉类生物碱。本论文选择植物源天然产物骆驼蓬碱和去氢骆驼蓬碱作为研究对象,重点对其合成方法学、结构多样性衍生、生物活性和构效关系四个方面进行了研究。发展了两种串联方法分别用于四氢-β-咔啉骨架和螺[吲哚啉-3,3’-喹啉]骨架的高效构筑：基于实验过程中的意外发现,发展了碘催化的串联亲电碘环化反应用于四氢-β-咔啉骨架的高效构筑,并研究了该反应的反应机理。同时,将该方法成功的用于β-咔啉生物碱Oxopropaline G的合成中。同样是基于实验过程中的意外发现,发展了钯催化的串联反应用于螺[吲哚啉-3,3’-喹啉]骨架的构筑。发现体系中的水不仅参与反应,而且对螺环化合物的三氟甲基化起到调控作用。还发现三氟甲基化反应具有非常高的立体选择性,这是由于分子自身的螺环结构所诱导的立体专一性三氟甲基化的结果。同时,还通过一些条件实验对反应机理进行了研究。设计合成了五大类结构多样性的β-咔啉类衍生物,并对其生物活性进行了系统研究,归纳总结了构效关系规律,优化出了一批抗植物病毒的高活性化合物,具有很好的进一步开发前景：首先,研究了六个β-咔啉、二氢-β-咔啉和四氢-β-咔啉天然生物碱以及β-咔啉-3-甲酸和哈尔醇(Harmol)衍生物的抗烟草花叶病毒、杀菌和杀虫活性。在抗烟草花叶病毒方面,发现天然产物哈尔满(Harmane)、哈马兰(Harmalan)、四氢哈尔满(Tetrahydroharmane)、四氢哈尔明(Terahydroharmine)和衍生物(1S,3S)-1-甲基-2,3,4,9-四氢-β-咔啉-3-甲酸乙酯(5-7)(46.5,50.4,43.9和47.9%,500μg/mL)表现出比商品化品种病毒唑(Ribavirin)(40.0,37.4,36.2和38.5%,500μg/mL)更加优异的抗烟草花叶病毒活性。在杀菌活性方面,发现6位溴代的Harmane (Ⅴ-1)、8位硝基取代的Harmane (Ⅴ-4)和7位含有特戊酰氧基的Harmane (Ⅴ-9)在50mg/kg下对花生褐斑、苹果轮纹、油菜菌核、玉米小斑、西瓜炭疽、辣椒疫霉和水稻纹枯病的致病菌表现出大于70%的抑制率。在杀虫活性方面,6位硝基取代的Harmane (Ⅴ-3), Ⅴ-9和1-甲基-N-(哌啶-1)-9H-吡啶并[3,4-b]吲哚-3-甲酰胺(Ⅴ-16)在5mg/kg的浓度下对蚊幼虫表现出大于50%的杀虫活性。通过借鉴植物源农药创制的思路,以我们发现的抗TMV高活性化合物(1S3S)-1-甲基-2,3,4,9-四氢-β-咔啉-3-甲酸乙酯(5-7Ⅵ-7)为先导,设计并合成了系列衍生物,并对这些衍生物进行了抗烟草花叶病毒、杀菌和杀虫活性研究。发现化合物Ⅵ-7、1-甲基-2,3,4,9-四氢吡啶并[3,4-b]吲哚-3-甲酸丁酯(Ⅵ-9)、2,3,4,9-四氢吡啶并[3,4-b]吲哚-3-甲酸乙酯(Ⅵ-10)、1-(吡啶-3)-2,3,4,9-四氢吡啶并[3,4-b]吲哚-3-甲酸乙酯(Ⅵ-12)、1-甲基-4,9-二氢-毗啶并[3,4-b]吲哚-3-甲酸乙酯(Ⅵ-14)和1-甲基-2,3,4,9-四氢吡啶并[3,4-b]吲哚-3-甲酰肼(Ⅵ-15)的抗烟草花叶病毒活性好于病毒唑(40.0,37.4,36.2和38.5%,500μg/mL),尤其是Ⅵ-9(48.2%,51.3,42.2和43.2%,500μg/mL)和Ⅵ-15(50.0,46.0,48.2和49.6%,500μg/mL)的活性要好于先导化合物Ⅵ-7(46.5,50.4,43.9和47.9%,500μg/mL)。还发现化合物Ⅵ-9在50mg/kg下对花生褐斑、番茄早疫、油菜菌核、玉米小斑和小麦纹枯病的致病菌表现出大于70%的抑制率,化合物Ⅵ-7和Ⅵ-12在5mg/kg的浓度下对蚊幼虫表现出大于60%的杀虫活性。进一步以我们发现的抗TMV高活性化合物1-甲基-2,3,4,9-四氢吡啶并[3,4-b]吲哚-3-甲酰肼(Ⅵ-15)为先导,通过活性片段的引入,设计合成了含酰腙和双酰肼结构的四氢-β-咔啉化合物。对于含有酰腙结构的化合物：大部分化合物的抗TMV活性要好于先导化合物Ⅵ-15(50.0,46.0,48.2和49.6%,500μg/mL),明显好于病毒唑,个别化合物(Ⅶ-6、Ⅶ-9、Ⅶ-13、Ⅶ-25、Ⅶ-26和Ⅶ-27)的活性好于本课题组创制的植物病毒病防治药剂NK-007(70.2,68.5,66.8和67.9%,500μg/mL)。对于含有双酰肼结构的化合物：除了化合物Ⅶ-33(52.1,44.1,54.5和58.3%,500μg/mL)活性优于先导化合物Ⅵ-15外,其它化合物与先导化合物活性相当或降低。在杀菌活性方面,这两类化合物对14种菌类均表现出较好的杀菌活性,尤其是酰腙类化合物Ⅶ-3-Ⅶ-6、Ⅶ-8和Ⅶ-15在50mg/kg的浓度下对苹果轮纹、油菜菌核、辣椒疫霉、小麦纹枯和黄瓜灰霉病的致病菌具有大于70%的抑制率,特别是(1S,3S)-N’-(4-叔丁基苯基亚甲基)-1-甲基-2,3,4,9-四氢吡啶并[3,4-b]吲哚-3-甲酰肼(Ⅶ-3)和(1S,3S)-N’-(3,4-二氯苯基亚甲基)-1-甲基-2,3,4,9-四氢吡啶并[3,4-b]吲哚-3-甲酰肼(Ⅶ-8)在50mg/kg的浓度下对11种菌类表现出大于70%的抑制率。对于含有双酰肼结构的化合物(Ⅶ-33-Ⅶ-39)来说,化合物的杀菌活性与先导化合物(Ⅵ-15)的活性相当。在杀虫活性方面,这两类化合物对鳞翅目害虫棉铃虫、粘虫和玉米螟的活性不高。但是,部分酰腙类化合物对蚊幼虫表现出较好活性,例如化合物Ⅶ-1和Ⅶ-20在5mg/kg的浓度下对蚊幼虫表现出大于80%的杀虫活性。最后,基于β-咔啉类生物碱生源合成研究的相关进展,采用逆向思维的策略,对色氨酸及其衍生物的合成、生物活性及构效关系进行了研究。生物活性研究表明,此类化合物对烟草花叶病毒具有非常好的生物活性,尤其是化合物Ⅷ-3、Ⅷ-7、Ⅷ-9、Ⅷ-16、Ⅷ-18和Ⅷ-22的抗TMV活性已经明显高于病毒唑,特别是(S)-2-氨基-3-(1H-吲哚-3)-N-辛基丙酰胺(Ⅷ-7)(63.3,67.1,68.7和64.5%,500μg/mL)的活性与NK-007相当。同时,我们还对这些化合物进行了杀菌和杀虫活性的研究,发现(S)-2-氨基-N-丁基-3-(1H-吲哚-3-)丙酰胺(Ⅷ-3)在50mg/kg的浓度下苹果轮纹、油菜菌核和辣椒疫霉的致病菌具有大于80%的抑制率。同时发现L-色氨酸(L-Tryptophan)、Ⅷ-10和Ⅷ-11在5mg/kg的浓度下对蚊幼虫表现出大于70%的杀虫活性。