具有三角拓扑结构的杂环化合物的结构优化、合成与生物活性研究

基于新型作用靶标开展新型除草剂的合理设计与合成，对于创制除草剂新品种具有重要意义。近年来文献报道D1蛋白酶可作为除草剂的新型作用靶标，依据D1蛋白酶活性腔结构特征和前期工作获得的咪唑啉-2,4-二酮、喹唑啉-4(3H)-酮、苯并[d][1,3]噁嗪-2-酮的先导结构信息，通过分子对接和物化性质计算，从源头开展对先导结构信息化合物的分子结构优化，合成具有与D1蛋白酶活性腔结构匹配的、三角拓扑结构骨架的咪唑啉-2,4-二酮、喹唑啉-4(3H)-酮、苯并[d][1,3]噁嗪-2-酮三大类化合物。对全部化合物进行活体生物活性测定和基于D1蛋白酶的荧光极化法高通量筛选；采用高效液相法和表面等离子体共振技术进一步研究部分化合物的生物活性机制及其与D1蛋白酶的相互作用动力学。通过本项目工作的实现，预期获得对D1蛋白酶作用机制明确的新型除草剂先导结构化合物。

基于新型作用靶标开展新型除草剂的合理设计与合成，对于创制除草剂新品种具有重要意义。本项目工作内容主要有：1）以D1蛋白酶活性位点和先导化合物结构信息为基础，开展新化合物结构的合理设计；2）合成咪唑啉-2,4-二酮类化合物67个，喹唑啉酮类51个、苯并噁嗪酮80个、苯并噻唑类化合物63个，合计合成新化合物261个；全部进行了室内除草生物活性初筛；4）对菠菜D1蛋白酶进行了克隆表达和活性标定、建立了基于D1蛋白酶的荧光极化法高通量筛选方法，并采用高效液相法和表面等离子体共振技术进一步研究部分化合物的生物活性机制及其与D1蛋白酶的相互作用动力学。. 分子对接研究表明具有三角拓扑结构骨架的化合物能够充分占据D1蛋白酶结构模型活性腔空间，具有良好的空间互补性；非三角拓扑结构骨架的化合物只能占据D1蛋白酶结构模型活性腔的部分空间，通过适当的取代基调整，也可以提高化合物与靶标蛋白之间的结合能力。在全部新化合物生物活性初筛中发现，具有噁嗪酮结构单元的苯并噁嗪-4(H)-酮、吡啶并噁嗪-4(H)-酮均能显示优异的除草活性；将噁嗪酮结构单元转化为嘧啶酮结构单元，对应化合物的生物活性有较大程度的下降。部分咪唑啉-2,4-二酮和苯并噻唑类化合物具有较好的生物活性，取代基的结构性质对生物活性有很大的影响。建立了从菠菜叶中分离提纯D1蛋白酶方法和菠菜D1蛋白酶的克隆表达方法，从两种途径得到了活性稳定的较高纯度D1蛋白酶，并建立了D1蛋白酶活性评价方法；合成了D1蛋白前体末端S24肽作为模拟底物，进行荧光标记，建立了基于D1蛋白酶的荧光极化法高通量筛选方法，对初筛具有较高生物活性的40个化合物进行了高通量生物活性筛选；对生物活性初筛和高通量筛选中表现较高活性的化合物，采用高效液相活性测定法进行了进一步确认；采用表面等离子体共振技术（SPR）进一步分析高活性化合物与D1蛋白酶的结合常数、离解常数、亲合常数等相互作用动力学性质。. 通过上述研究工作，筛选出多个化合物具有优良的D1蛋白酶抑制活性，可作为D1蛋白酶抑制剂候选品种开展田间除草活性试验、毒性和环境效应等方面进一步的研究工作。上述研究发表学术论文10篇，其中SCI论文9篇，EI论文1篇；申请国家发明专利2项；培养毕业博士生5名，毕业硕士生11名。研究工作获得的高活性化合物和活性研究方法为今后开展相关研究奠定了坚实基础。