挑战具有新颖结构的天然产物的化学全合成长期以来一直是有机化学家拓展基础研究、挖掘生物活性小分子的重要策略。Thaxtomin系列天然产物因其新颖的化学结构和作为除草剂的新颖活性模式而备受关注。Thaxtomin A为Thaxtomin家族中代谢量最多、活性最显著且结构最具代表性的产物,于1989年首次分离于感染疮痂病的土豆切片中,目前研究证明其可作为筛选剂用于土豆耕种中筛选具有抗疮痂病的品种。此外,Thaxtomin A还是一种潜在的可用于水稻耕地的天然除草剂。然而,昂贵的生物发酵制备成本和缺乏有效的化学合成方法进而结构优化限制了基于Thaxtomin A的研发和商业化进程。Thaxtomin A的特征结构单元是4-硝基吲哚和C-羟基-哌嗪二酮环,其中4-硝基吲哚为Thaxtomin家族在所有微生物次代谢产物中所独有的化学结构单元,C-羟基-哌嗪二酮环则存在于很多具有生物活性的天然产物中。合成Thaxtomin A的挑战在于如何实现C-羟基-哌嗪二酮环的构筑。目前,该环的区域选择性、立体选择性的构筑尚未有专门的深入研究,因此开发一种高效、立体选择性的制备C-羟基-哌嗪二酮环的方法对于合成、并进一步结构修饰这些天然产物具有重要意义,而有效的化学合成方法对于Thaxtomin A的立体化学与生物活性构效关系也将能够提供帮助。本研究开发了一种高效的制备C-羟基-2,5-哌嗪二酮环的方法,并对其化学性质及影响其立体化学的因素进行了详细的研究。其合成特征为：在质子溶剂甲醇中路易斯酸乙醚溴化镁和三乙胺协同催化,前体中的酰胺亲核进攻分子内另一酰胺临位的羰基进而环化得到目标框架。利用这一策略,我们首次实现了Thaxtomin A的化学全合成,高效的合成路线、简洁的异构体分离纯化及立体异构体iso-Thaxtomin A在原位可转化为Thaxtomin A,这一特点使得该策略有可能实现Thaxtomin A的大量制备。此外,利用该策略我们合成了Thaxtomin A的三个立体异构体,并对其生物活性进行了评价。结果显示：Thaxtomin A对双子叶植物油菜,苋菜的生长具有显著的抑制作用；Thaxtomin A的对映异构体mirror-Thaxtomin A对花生褐斑病菌和苹果轮纹病菌的抑制活性好于市售抗真菌药百菌清；Thaxtomin A的非对映立体异构体iso-Thaxtomin A对于烟草花叶病毒的抑制活性高于市售药物病毒唑,mirror-iso-Thaxtomin A则与病毒唑活性相当。这证明立体化学在Thaxtomin A这一新颖分子框架的结构与生物活性的关系中扮演者至关重要的角色。此外,抗HIV-RT (HIV-逆转录酶)活性测试结果显示Thaxtomin A具有很好的抑制HIV-RT的活性；细胞因子芯片实验显示ThaxtominA能够广泛的引起与细胞免疫反应相关的细胞因子的显著增值或者降低。这表明Thaxtomin A的分子框架对于开发生物活性小分子来说是宝贵的资源。本课题所开发的利用亲核进攻构筑C-羟基-2,5-哌嗪二酮环的策略及对于该环的化学性质的研究,对于其它含有该结构单元的天然产物的合成具有借鉴意义。另外,本课题基于开发的Thaxtomin A的全合成路线合成了Thaxtomin C、及其它系列Thaxtomin类似物,并对包括Thaxtomin A在内的所有化合物的除草剂活性进一步研究,初步得到了Thaxtomin类分子作为除草剂的结构与活性构效关系。活性结果表明：Thaxtomin A、Thaxtomin C及化合物T-8、T-13显示出显著的除草剂活性,有可能成为潜在的商品化除草剂；本研究对所合成的所有化合物也进行了人类病原菌的抗菌活性测试,结果显示：除Thaxtomin C显示出中等活性外,其它化合物并未显示出活性。