異喹啉酮C-4 位磺酰化衍生物抗植物病原菌活性研究?

王興蘭, 王麗麗, 程 飛, 樊玲玲,3, 張吉泉,3, 湯 磊,,3

(1 貴州醫科大學藥學院, 貴州 貴陽 550025; 2 貴州醫科大學醫藥衛生管理學院, 貴州 貴陽 550025;3 貴州省化學合成藥物研發利用工程技術研究中心, 貴州 貴陽 550004)

植物病原菌對農業生產有著非常重要的影響[1-2], 不僅可以感染植物任何生長階段的任何組織, 還存在一種植物感染多種病原菌的情況, 導致農作物的產量和品質急劇下降, 往往會造成重大的經濟和生產損失[3-5]。 目前, 防治植物病原菌的主要方法是化學防治, 而化學殺菌劑在長期使用中也相繼出現了藥物殘留[6]、 抗藥性[7]以及環境污染等問題[8]。 因此, 急需研發高效、 低毒、 無殘留的新型殺菌劑。

喹啉類化合物是一類重要的含氮雜環化合物, 在醫藥、 農藥產品方面廣泛應用。 如6-甲基-2,3-二巰喹啉基環-S,S-二硫碳酸酯(滅螨猛)作為一種同時兼有殺菌功能的選擇性的殺螨劑[9], 用于防治葉螨、 白粉病; 二氰蒽醌幾乎可以防治所有果樹病害如葉斑病、 銹病、 炭疽病、 霜霉病、 褐腐病等[10]; 8-羥基喹啉銅作為毒性小和殘留性較低的殺菌劑[11], 用于防治蘋果樹輪紋病; 丙氧喹啉(Proquinazid)由杜邦公司開發, 主要用于防治植物白粉病[12]。 異喹啉酮類化合物由喹啉結構衍生而來, 文獻報道異喹啉酮骨架化合物及其衍生物是含氮雜環化合物的重要組成部分[13], 具有多種生物活性, 如舒張血管[14]、降血壓[15]、 抗糖尿病[16]和抗腫瘤等[17], 在藥物合成以及材料科學方面多有應用, 但在抗植物病原菌活性方面未見詳細報道。

磺酰基結構穩定, 極性較大, 具有較強的吸電子性質, 在藥物化學[18]、 合成材料[19]、 農藥[20]、 除草劑[21]等多有應用。課題組在前期研究中開發了一種以空氣為唯一氧化劑, 亞磺酸鹽為磺化劑, 碘化鈉為碘源, AcOH/DMSO 為混合溶劑, 在無過渡金屬催化下綠色、 高效合成異喹啉-1,3-(2H, 4H)-二酮的C-4 磺酰化產物的新方法[22]。 本文參照該方法合成18 個2-苯基-4-(苯磺酰基)異喹啉-1,3(2H, 4H)-二酮衍生物, 對目標衍生物進行抗菌活性研究及構效關系分析, 為后續合成殺菌劑提供參考。

圖1 目標化合物合成路線Fig.1 The synthetic route of target compounds

1 實 驗

1.1 儀器與試劑

Waters G2-XSQ-Tof 質譜儀。

2-苯基異喹啉-1,3(2H, 4H)-二酮類化合物, 取代亞磺酸鈉鹽(分析純), 上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 碘化鈉(分析純), 上海阿拉丁生化科技股份有限公司; 乙酸(分析純), 國藥集團化學試劑有限公司; 二甲基亞砜(分析純), 國藥集團化學試劑有限公司; 其它所用試劑均為國產分析純, 購自國藥集團化學試劑有限公司。

1.2 供試材料

供試菌株: 油菜菌核病菌(Sclerotinia scleotiorum) 、 蘋果腐爛病菌(Valsa mali)、 小麥赤霉病菌(Fusarium graminearum)、白菜黑斑病菌(Alternaria brassicae)和煙草赤星病菌(Alternaria alternata), 均由貴州省化學合成藥物研發利用工程技術研究中心提供。

供試培養基: 馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基(PDA)。

供試藥劑: 98.0%噁霉靈(購自衡州潤東化工有限公司);目標化合物 3a-3f、 3h-3k、 3m-3t 和 3w-3x, 參照文獻合成[22], 采用高效液相色譜儀進行純度測定, 純度值為97% ~99%。

1.3 測定方法

采用菌絲生長速率法[23-24]測定目標化合物對5 種常見之物病原菌抑菌活性。 將馬鈴薯: 葡萄糖: 瓊脂按10∶1∶1 的比例制備成馬鈴薯葡萄糖瓊脂培養基(PDA)且進行高壓滅菌, 測試藥劑用1 mL 丙酮溶解, 加入經滅菌并冷卻至約60 ℃的培養基中混勻, 倒入培養皿中, 待丙酮揮發后制成含藥濃度為50 μg/mL 的平板。 并設置相應丙酮處理的空白對照, 每個處理設3 個重復。 在含藥培養基平板中心分別接一供試病菌的新鮮菌絲塊菌碟, 菌絲朝下, (28 ± 1)℃恒溫培養箱中孵育4 天,十字交叉法測量菌落直徑, 計算抑菌率。 根據初篩結果將3h、3m、 3r 配置5 個質量濃度梯度, 按照上述測定方法對抑制有效中濃度(EC50)測定, 通過公式計算藥劑對菌絲生長的抑制率:

將生長抑菌率換成抑制機率值并作為縱坐標, 藥劑質量濃度轉化為對數值作為橫坐標, 根據抑菌率進行機率值(y)與質量濃度對數(x)之間的線性回歸關系, 求毒力回歸方程和相關系數, 并計算 EC50值[25]。

2 結果與討論

2.1 目標化合物抑菌活性的初篩

目標化合物對五種植物性病原真菌的抑菌活性測定, 結果如表1 所示。

由表1 可見, 待測化合物對5 種常見植物病原菌表現出不同程度的抑菌活性。 在初始濃度為50 μg/mL 時, 該類化合物對煙草赤星病菌表現出較高的抑菌活性, 抑菌率在30% ~90%之間; 對白菜黑斑病菌、 油菜菌核病菌抑菌活性中等, 抑菌率分別在20% ~83%、 20% ~80%之間; 對蘋果腐爛病菌抑制活性較弱, 抑菌率在10% ~80%之間, 對小麥赤霉病菌抑菌率低于60%, 可見上述化合物在抑菌方面選擇性較強。 其中, 化合物3h、 3m、 3q、 3r 對煙草赤星病菌的抑菌率分別為88.5%、88.5%、 84.6%、 80.1%, 顯著優于陽性對照藥噁霉靈(66.0%)。 表明當目標化合物母體結構中N-2 位上為烷基取代或R2為給電子基取代及引入鹵素原子時對煙草赤星病菌表現出較強的抑菌效果。

表1 目標化合物對5 種植物病原真菌的抑菌活性Table 1 Antifungal activity of target compounds against 5 kinds of plant pathogens

初步構效關系表明: 目標化合物母體結構中N-2 位為烷基取代時, 測試化合物對5 種常見病原菌均表現出較強的抑菌活性(3h), 對煙草赤星的抑菌率高達88.5%, 優于陽性對照藥噁霉靈。 但烷基取代基的大小對不同病菌的抑菌活性略有差異;R2為供電子基團時抑菌活性顯著高于吸電子基團(3q、 3r、 3s、3t), 表明苯環4 位供電子基團取代是抑制煙草赤星病菌是必要的; R2為4-Cl 原子取代時, 化合物的抑菌活性大幅度提高,例如化合物3m 對煙草赤星病菌的抑菌率高達88.5%, 表明4位氯原子取代是抑制煙草赤星病菌必要活性基團。

2.2 化合物3h、 3m 和3r 對煙草赤星病菌EC50 測定

由表2 可知, 3h、 3m、 3r 對煙草赤星病菌的 EC50值都低于殺菌劑噁霉靈(EC50= 26.99 μg/mL), 其中化合物3h 的EC50值最低, 進一步說明該化合物的抑菌效果強于其他化合物和陽性對照噁霉靈。

表2 化合物3h、 3m、 3r 對煙草赤星病菌EC50 的測試Table 2 EC50 values against Alternaria alternata of compounds 3h, 3m and 3r

圖2 化合物3h、 3m、 3r 對煙草赤星病菌EC50 的測試Fig.2 EC50 values against Alternaria alternata of 3h, 3m and 3r

3 結 論

本文參考課題組前期研究[22]以空氣為唯一氧化劑, 亞磺酸鈉鹽為磺化劑, NaI 為碘源, AcOH/DMSO 為混合溶劑合成異喹啉二酮C-4 位磺酰化衍生物18 個。 在對5 種常見并具有代表性的植物病原真菌抑菌活性的測定中, 篩選出3h、 3m、 3r對煙草赤星病菌有較強的抑菌活性, 抑菌率顯著優于陽性對照藥噁霉靈(66.0%)。 3h、 3m、 3r 對煙草赤星病菌的 EC50值測定結果表明, 化合物3h 的EC50值最低, 為3.76 μg/mL, 優于其他化合物及噁霉靈(26.99 μg/mL)。 構效關系分析顯示異喹啉二酮N-2 位和R2上取代基對活性影響較大, 其中N-2 位異丙基取代和R2上引入鹵素原子、 給電子基會大大增強化合物的抑菌活性, 推測該類結構化合物對煙草赤星病菌能夠顯示出較強的抑菌活性, 可作為先導化合物進一步進行結構優化。 綜上所述, 本文首次介紹了異喹啉二酮C-4 位磺酰化產物在抗植物病原菌方面的活性, 可為該類化合物在抗植物病原菌方面的應用以及農藥的開發奠定理論依據, 同時可為后續合成小分子農藥提供思路和參考。