噻唑环是一类含有氮硫杂原子的重要五元芳香杂环,具有富电子性,易通过氢键、配位键、π-π堆积、范德华力、静电和疏水作用等多种非共价键与生物体内的多种酶、蛋白质、核酸及其他活性位点发生作用,表现出多种生物活性,因此噻唑环被广泛用于药物设计与开发。随着众多噻唑类化合物成功用于临床,如抗生素药物头孢、抗癌药物达沙替尼、消炎药物美洛昔康、抗寄生虫药物硝唑尼特等均作为临床首选一线药物,基于噻唑类药物的研发几乎涵盖了整个医药领域,并取得了杰出成果。更为重要的是噻唑类化合物在抗细菌、抗真菌领域发挥了尤为重要的作用,已有大量研究针对噻唑类化合物多靶点活性分子的研发,为临床提供了越来越多的耐受性好、高活性、广谱、低毒性、生物利用度高、药代动力学性质好的噻唑类化合物作为候选药物或药物分子,显示出了其在医药领域的巨大开发价值和潜在的宽广应用前景。基于近年来国内外关于噻唑类药物的研究与开发现状,以及课题组对噻唑类化合物抗微生物研究工作的延续,本论文基于以下思想设计合成了一系列结构新颖的噻唑类化合物,以期得到具有多靶向性且更好生物活性的新型噻唑类化合物。主要对其进行了体外抗细菌抗真菌活性评估及构效关系的研究,并对一些高活性化合物的细胞毒性、杀菌动力学、耐受性等药代动力学性质进行了初步研究,进一步探讨了高活性化合物与敏感菌DNA超分子相互作用、细胞膜通透性等初步作用机制,评估了一些高活性分子对人类血清白蛋白（HSA）的运输能力。因此,主要开展了如下工作:1、目标分子的结构设计思想:（1）基于黄连素类噻唑化合物的设计:黄连素作为天然抗菌药广泛应用于临床,特别在治疗肠道感染与肠胃炎等方面起着重要作用。大量工作已致力于开发具有医药价值的黄连素衍生物。天然黄连素是一类具有较大稠环芳香结构的季胺类异喹啉生物碱,研究表明黄连素及其衍生物可以靶向DNA与细胞膜,基于此,本论文第二章将噻唑环引入到黄连素骨架,期望得到具有多靶向作用的新型抗菌小分子化合物,从而克服日益严重的多药耐药性,进而有效抑制耐药菌株。（2）基于香豆素类噻唑化合物的设计:与黄连素类似,香豆素环也是一类天然存在的重要抗菌母体,具有苯并α-吡喃酮结构。近年来,在抗细菌和抗真菌领域,香豆素类化合物因具有较宽的抗菌谱以及较好的抗菌活性,尤其是对耐药金黄色葡萄球菌的突出抑制能力而备受关注。香豆素类化合物不仅可以靶向DNA,还可作用于DNA拓扑异构酶Ⅱ或DNA回旋酶,干扰DNA的复制,从而有效抑制细菌的生长,展现出极大的开发价值。基于此,本论文第三章进一步将噻唑环引入到香豆素骨架,在考察与黄连素母体相比,具有较小芳香结构的香豆素类噻唑衍生物的抗微生物活性的同时,也期望得到高活性且耐药性诱导率低的新型临床香豆素类候选药物分子。（3）基于喹诺酮类噻唑化合物的设计:与香豆素类化合物（苯并吡喃酮）具有类似结构的喹诺酮类（苯并吡啶酮）能通过非共价键与生物体内的多种活性位点发生相互作用,在药物化学领域具有巨大的开发价值。喹诺酮主要是以DNA-拓扑异构酶或DNA-回旋酶的络合物为靶点,通过抑制DNA的复制导致细菌细胞的死亡。然而喹诺酮在临床上一直伴随着对消化系统的毒副作用与3-位羧基有密切关系。基于此,本论文第四章将噻唑环引入到喹诺酮的3-位,在考察与香豆素母体相比,具有类似结构的喹诺酮类噻唑衍生物的抗微生物活性的同时,也期望得到抗菌谱宽,耐药性诱导率低和毒副作用小的新型临床喹诺酮类候选药物分子。（4）基于有机膦咪唑类化合物的设计:咪唑作为噻唑环的重要电子等排体,广泛应用于各种生物活性分子的设计与开发。大量的咪唑类化合物作为临床药物如抗细菌药甲硝唑、奥硝唑,抗真菌药克霉唑、咪康唑等。更重要的是,具有多个结合位点的咪唑环可以通过非共价键作用与无机金属离子或有机分子配位产生超分子药物,使其可能发挥双重作用机制从而有助于克服耐药性。膦酸酯作为有机磷化合物的引入能极大的改变母体分子的理化性质,使分子间作用力和分子极性发生根本性变化。因此,在生物体内普遍存在的膦酸酯基团被广泛的应用到药物的开发和改造上,临床上膦酸类抗细菌药如膦霉素,抗真菌药如福司氟康唑等已被广泛使用。基于此,本论文第五章设计并合成一系列新型有机膦咪唑类化合物,在考察与具有较大芳香性母体黄连素、香豆素、喹诺酮相比,较小芳香性的苯环或嘧啶环的引入以及咪唑作为噻唑等排体对抗微生物活性影响的同时,也期望得到安全性高、生物利用率好、耐受性好的候选药物分子。2、合成制备（1）新型黄连素类噻唑化合物的合成:商业的黄连素原料Ⅱ-1在190 ^℃真空中加热得到9-位去甲基化的黄连素中间体Ⅱ-2,进一步用硼氢化钠还原得到去甲基四氢黄连素Ⅱ-3。将化合物Ⅱ-3通过六次甲基四胺甲酰化,10%硫酸溶液水解得到重要中间体四氢黄连素醛Ⅱ-4,无需过柱纯化。化合物Ⅱ-4在无水乙醇中用冰醋酸作催化剂与硫代氨基脲反应得到席夫碱键连的四氢黄连素硫脲衍生物Ⅱ-5,然后进一步与氯乙醛反应环化得到目标化合物Ⅱ-6。为了考察不同的脂肪链以及芳香环取代基的引入对黄连素类噻唑化合物理化性质与抗微生物活性的影响,在化合物Ⅱ-4的四氢黄连素骨架的9-位进行修饰,DMF作溶剂,碳酸钾作碱,得到一系列脂肪链及芳香环取代的中间体Ⅱ-7a-g、Ⅱ-10、Ⅱ-13和Ⅱ-16a-g,进而与硫代氨基脲反应分别得到席夫碱衍生物Ⅱ-8a-g、Ⅱ-11、Ⅱ-14和Ⅱ-17a-g,最后与氯乙醛环化分别得到一系列9-位修饰的目标化合物黄连素类噻唑Ⅱ-9a-g、Ⅱ-12、Ⅱ-15和Ⅱ-18a-g。（2）香豆素类噻唑新化合物的合成:香豆素原料Ⅲ-1a-c通过六次甲基四胺甲酰化,10%盐酸溶液水解得到重要中间体香豆素醛Ⅲ-2a-c,与第二章合成四氢黄连素醛Ⅱ-4的方法类似。其中7-羟基-4-甲基香豆素原料Ⅲ-1c是由间苯二酚与乙酰乙酸乙酯在浓硫酸溶剂中反应得到。席夫碱键连的香豆素硫脲衍生物Ⅲ-3a-c与目标化合物香豆素类噻唑Ⅲ-4a-c按照第二章的相应化合物的合成方法得到。同样的,一系列香豆素环7-位脂肪链及芳香环修饰的目标化合物Ⅲ-8a-e和Ⅲ-11a-e被合成来考察不同取代基的引入对香豆素类噻唑化合物理化性质与抗微生物活性的影响。（3）新型喹诺酮类噻唑化合物合成:以原甲酸三乙酯、乙酰乙酸乙酯以及醋酸酐为原料高产率地制得化合物Ⅳ-2,然后与苯环上不同取代的苯胺经亲核取代反应得到的化合物Ⅳ-3a-e,再在高沸点溶剂二苯醚回流的条件下少量多次地加入Ⅳ-3a-e得到相应的重要中间体Ⅳ-4a-e。将化合物Ⅳ-4a-e在冰醋酸溶剂中经α-溴代反应得到相应的溴化物Ⅳ-5a-e,再与硫脲或硫代乙酰胺反应环化后得到喹诺酮1-位无修饰的目标化合物喹诺酮类噻唑化合物Ⅳ-6a-j。接下来将化合物Ⅳ-6a-j在无水乙腈溶剂中以碳酸钾为碱的条件下分别与α-氯丙酮反应得到相应的喹诺酮1位修饰的目标化合物喹诺酮类噻唑Ⅳ-7a-j。最后按照第二章与第三章合成席夫碱键连的硫脲衍生物的方法得到相应的目标化合物Ⅳ-8a-j。另外,将中间体Ⅳ-4a经1-位丙酰基取代、溴化、环化得到喹诺酮类双噻唑目标化合物Ⅳ-11;同时,将化合物Ⅳ-7a与盐酸羟胺反应得到肟类衍生的喹诺酮类噻唑目标化合物Ⅳ-12。为了考察喹诺酮3位噻唑环引入对抗微生物活性影响的重要性,3-乙酰酯基喹诺酮类化合物Ⅳ-17a-b按照上述相应的方法合成。（4）新型有机膦咪唑类化合物的合成:由商业原料咪唑醛类化合物、脂肪胺或苯环上不同取代的苯胺、亚磷酸二乙酯为原料在甲苯溶剂中经过类曼尼西反应得到相应的咪唑膦酸酯目标化合物Ⅴ-2a-b与Ⅴ-3a-i,然后在浓盐酸中不同温度下水解得到相应的目标化合物咪唑单膦酸Ⅴ-4a-f与咪唑双膦酸Ⅴ-5a-c。此外,芳香结构较大的氨基嘧啶或氨基香豆素分别与咪唑醛、亚磷酸二乙酯经过类曼尼西反应得到相应的目标化合物Ⅴ-6与Ⅴ-7。3、结构表征合成的新化合物的结构经¹H NMR、¹³C NMR、IR与HRMS等现代波谱证实。4、抗微生物活性评估（1）体外生物活性测试表明系列Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ中一些中间体与目标化合物能够有效地抑制所测细菌与真菌,包括临床耐药菌的繁殖。黄连素类噻唑目标化合物Ⅱ-9c与Ⅱ-18a显示出较强的抗临床耐药菌能力,尤其对临床耐药菌株A.baumanii具有较好的抑制活性,优于临床药物诺氟沙星;体外抗菌及杀菌活性评估显示香豆素类噻唑化合物Ⅲ-8b与Ⅲ-11b具有显著的杀菌特性,尤其对耐药的E.faecalis（MBC/MIC=2）;喹诺酮类噻唑目标化合物Ⅳ-8a显示出比参考药物诺氟沙星更强的抗菌能力,尤其对耐药的S.aureus（MIC=2μg/mL）;用咪唑环代替噻唑环得到的咪唑膦酸酯化合物Ⅴ-3f具有很好的抗MRSA和S.cerevisiae活性（MIC=2μg/mL）。所有这些高活性化合物作为临床候选药物分子值得进一步研究。（2）杀菌动力学与耐药性测试结果表明以上高活性化合物均显示出快速杀菌速率以及极低的耐药性诱导率。（3）细胞毒性测试结果表明黄连素类噻唑Ⅱ-9c与Ⅱ-18a,香豆素类噻唑Ⅲ-8b与Ⅲ-11b,以及喹诺酮类噻唑Ⅳ-8a对人体正常细胞或者癌细胞几乎没有毒性。（4）高活性化合物黄连素噻唑Ⅱ-18a与咪唑膦酸酯Ⅴ-3f分别与临床抗细菌抗真菌药物联合使用对大部分测试的细菌真菌能够表现出很好的协同作用。（5）分子模拟表明黄连素类噻唑Ⅱ-9c与Ⅱ-18a能够通过氢键与DNA回旋酶发生超分子作用,从而展现出较好的抗微生物活性;香豆素类噻唑Ⅲ-8b与Ⅲ-11b通过氢键与疏水作用有效地与回旋酶-DNA络合物发生超分子相互作用表现出较好的活性;喹诺酮类噻唑Ⅳ-8a也通过氢键与疏水作用有效地与拓扑异构酶Ⅳ-DNA络合物发生作用形成更加稳定的超分子络合物,表现出好的生物活性。（6）研究发现,咪唑膦酸酯Ⅴ-3f能够被人血清白蛋白（HSA）有效运输,其驱动力主要是氢键与疏水超分子作用。化合物Ⅴ-3f在金属离子K⁺、Na⁺、Mg²⁺、Cu²⁺、Ca²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺与Ag⁺离子的存在下也能够被HSA有效地运输。5、初步的抗菌作用机制研究（1）细胞膜通透性测试结果表明黄连素类噻唑Ⅱ-9c与Ⅱ-18a能够有效地破坏临床耐药革兰氏阴性菌株A.baumanii的细胞膜;香豆素类噻唑化合物Ⅲ-11b能够破坏耐药革兰氏阳性菌株E.faecalis的细胞膜;喹诺酮类噻唑化合物Ⅳ-8a能够有效地破坏耐药菌株S.aureus的细胞膜;咪唑膦酸酯Ⅴ-3f能够同时有效地破坏革兰氏阳性菌（MRSA）与革兰氏阴性菌（P.aeruginosa）的细胞膜。（2）DNA超分子相互作用表明高活性分子黄连素类噻唑化合物Ⅱ-9c和香豆素类噻唑Ⅲ-11b能够有效地嵌入与切割相应的敏感菌A.baumanii与E.faecalis的DNA,喹诺酮类噻唑化合物Ⅳ-8a能够嵌入耐药菌株S.aureus的DNA,从而抑制细菌的生长繁殖,发挥抗菌作用。（3）酶抑制活性研究结果表明喹诺酮类噻唑化合物Ⅳ-8a能够有效地抑制拓扑异构酶Ⅳ,与诺氟沙星相当,这些高活性化合物初步显示出多靶向性。本论文共合成184个化合物,其中新化合物163个,包括黄连素噻唑系列衍生物62个,香豆素噻唑系列化合物40个,喹诺酮噻唑系列化合物59个以及有机膦咪唑类系列化合物23个。有83个新化合物抑制某些菌的生长能力强于克林沙星、诺氟沙星、氯霉素和/或氟康唑,强活性化合物对人体细胞无毒性,能快速杀死细菌且几乎不产生耐药性,同时能够有效嵌入和/或切割DNA,破坏细胞膜,抑制酶活性,并能够被人血清白蛋白有效运输。所有这些高活性化合物作为临床候选药物分子值得进一步研究。