植物真菌病害对农业有着非常严重的影响。植物病原菌可以感染植物任何生长阶段的任何组织,一种植物也常常感染多种病原菌。植物真菌病不仅会严重影响农作物的生长,导致农产品产量降低,质量降低,更严重的甚至可以危害到动物和人的健康。各种化学杀菌剂的应用是防治植物病原菌的主要手段,但是化学杀菌剂的长期使用,也产生了越来越严重的药物残留、药物抗性以及环境问题。因此,高效、低毒、低残留、环保的新型抗植物病原菌的药物研发变得愈加重要。近些年,由于较低的毒性和较好的环境相容性,来源于天然产物的抗菌药物备受关注。但是,天然化合物由于其自然界含量低、分离或者合成困难,并不适宜直接开发成药物。很多天然活性化合物却可以作为新药研发的先导化合物,结构修饰和仿生分子设计是最常用和最重要的策略和方法。结构修饰法简单易行,但成功率很低。其原因是,该法常常受到现有化学反应和来源的限制。仿生分子设计是基于构性规律,以天然先导化合物的结构为模板,以其构效关系为指导,设计一系列与先导化合物相似但不相同的类似物。通过对这些类似物活性的测评进而寻找和发现新的药物分子或次级先导化合物。β-咔啉生物碱是一类结构多样并且广泛分布在自然界中的化合物,此类化合物具有多种重要的生物活性,除良好的抗菌、抗癌、抗HIV、抗寄生虫、抗炎活性外,近些年大量的研究显示,它还对神经性退行性疾病有一定的预防和治疗作用,这使得此类化合物倍受重视。可是,对于β-咔啉化合物在抗植物病原菌方面的研究比较少见。本课题组之前的研究中,采用仿生分子设计策略,以具有抗真菌抗癌等活性的天然亚胺盐型异喹啉类化合物(iminium bond-contained isoquinolines,IBCIQs)为模板,设计并合成了一系列结构简单的非天然仿生IBCIQs,即2-芳基-3,4-二氢异喹啉盐类化合物。活性测定和安全性实验结果表明,合成的化合物不但表现出比模板化合物相似甚至更强的抗菌、抗癌、杀虫活性,而且对植物生长有很高的安全性。基于以上研究,同时鉴于天然β-咔啉化合物良好的生物活性,本研究尝试采用“双药效基团杂化组合”的策略,把仿生IBCIQs中3,4-二氢异喹啉部分替换成3,4-二氢-β-咔啉结构,并保留C=N+键,这样得到了同时具有两种活性结构的2-芳基-3,4-二氢-β-咔啉盐,系统考察其抗植物病原菌活性并阐明构效关系,期望发现具有进一步研究价值的先导化合物或者抗真菌药物分子,进而为新型农用抗菌剂的研究和开发奠定理论基础。本研究的具体内容和取得的主要成果如下:(1)以仿生IBCIQs和β-咔啉双结构为模板,采用结构仿生+双药效基团杂化组合策略,设计出两个系列2-芳基-3,4-二氢-β-咔啉类化合物。(2)建立了以盐酸苯肼和α-酮戊二酸为起始原料,经过Fischer吲哚合成法、酯基还原、选择性氧化等步骤合成目标化合物的方法,并成功合成出A系列(N9-H)24个化合物,B系列(N9-Me)33个化合物,又采用钯碳催化脱氢合成2个全芳香的化合物,并通过核磁、质谱、单晶等手段鉴定了其结构。所有化合物结构此前均未见报道。(3)采用生长速率法,测定了59个化合物对12种植物病原菌的抑制活性。A系列化合物对苹果腐烂表现出最好的活性,抑制率平均值超过了50%,而对枯萎类病原菌(棉花枯萎、南瓜枯萎、西瓜枯萎)表现都不好。A系列活性最好的化合物是A3、A10、A9、A7、A6,每个化合物对12种菌平均抑制率都超过了60%,最差的是A8、A21、A22、A23,每个化合物对12种菌平均抑制率不足20%。B系列化合物对苹果腐烂、马铃薯干腐、苹果炭疽活性最好,对每个菌平均抑制率都超过了65%,对白菜黑斑和水稻稻瘟活性最差。B系列中B20和B22是所有化合物里活性最好的,对12种菌抑制率平均值超过80%,B25、B23、B33是活性最差的,对12种菌抑制率平均值不足10%。系列之间对比发现,B系列对各个菌抑制活性都比A系列高,同时,两个系列化合物又表现出一定的一致性,如都对白菜黑斑、南瓜枯萎、水稻稻瘟活性差,对苹果腐烂活性好。(4)挑选出活性较好的10个化合物对抑制效果较好的9种菌进行抗菌毒力测定。结果均显示出浓度-抑制率相关关系。有些化合物EC50值已经与阳性药物噻菌灵相差无几,有些化合物EC50值甚至低于噻菌灵。如B4、B20、B22对马铃薯干腐病原菌EC50值达到2.18、2.35、2.47μM,低于噻菌灵(12.53μM);B7对番茄早疫病原菌EC50值达到3.95μM,远低于噻菌灵(391.60μM)。(5)构效关系分析表明,N9位引入甲基增强了活性;3,4位氧化成双键后活性大幅降低;卤素和甲基的引入大部分情况下提高了活性,羟基、甲氧基、硝基、三氟甲基、氰基的引入多数降低了活性。位置效应则根据取代基的不同而不同。综上所述,本研究采用的仿生分子设计加双药效基团杂化组合策略,是新药研发的一种尝试,经实验验证是可行、有效的,这有望为新药物分子的设计和发现探索出一条快捷有效的新途径。提出的合成3,4-二氢-β-咔啉的新路线不仅具有经济性和易操作性,而且具有良好的通用性和发散性。设计合成的化合物活性符合预期。不仅发现了一批结构新颖、具有良好抗植物病原菌活性的新化合物,还发现了对这类化合物响应效果好的植物病原菌。其研究成果为后续的结构优化及二氢咔啉类药物的创制奠定理论基础。同时,本研究对含有C=N+键的3,4-二氢-β-咔啉类化合物的构效关系研究为进一步结构改造提供理论依据,对其他药理活性的研究具有启发和导向价值。进一步的研究一方面要扩大活性类型,在抗癌、抗HIV等多方向展开,另一方面要增加抗植物病原菌应用探索,进行活体实验和安全性实验。