香豆素是一类重要的含苯并α-吡喃酮结构的芳香氧杂环化合物,具有较大的共轭体系,强的分子内电子转移能力以及良好的热力学和光化学稳定性。这种特殊的刚性稠环结构使其易于进行结构修饰并能方便地引入各种功能基团,因而在食品、燃料、香料、光电材料、医药、农药、超分子识别等众多领域具有广泛的潜在应用。尤其是在医药领域,香豆素类化合物在抗细菌、抗真菌、抗癌、抗病毒、抗氧化、抗凝血、抗炎等方面发挥着重要作用,相关研究备受关注,日益活跃,发展十分迅速。一些香豆素类药物如华法林、双香豆素、醋硝香豆醇、双香豆素乙酯、亮菌甲素、羟甲香豆素、氯达香豆素、卡波罗孟等已广泛应用于临床。在抗感染领域,基于香豆素的抗生素如香豆霉素A1、新生霉素、氯新生霉素等已得到广泛研究,它们不仅可通过抑制三磷酸腺苷酶的活性阻碍DNA的超螺旋,导致细菌死亡,还可作用于DNA拓扑异构酶II或DNA回旋酶,干扰DNA的复制、转录和染色体的分离,从而有效抑制细菌的生长。近些年,许多人工合成的香豆素类化合物显示出了良好的抗微生物活性及宽的抗微生物谱,尤其对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌的生长具有突出的抑制作用,具有开发成药的希望,致使无数研究者致力于香豆素类抗微生物药物的开发。此外,香豆素类化合物在作为探针方面的应用也得到广泛研究,许多文献已报道了基于香豆素分子结构的生物分子探针,这类探针的开发应用有助于人们适时地了解生物体内生物大分子的活性、重要的生命过程及药物的药理学与药代动力学性质等,为疾病的预防、药物的研发与临床应用提供可靠的监测手段。鉴于此,本文基于香豆素类化合物在国内外抗菌抗真菌领域及作为生命物种探针方面的研究与开发现状,一方面结合本课题组有关香豆素类抗感染活性分子的研究基础,设计合成了一系列新型的香豆素类抗菌抗真菌化合物,探索了目标化合物的制备方法与条件,并对其进行了体外抗菌抗真菌活性、构效关系及抗菌作用机制的研究;另一方面,对新合成的香豆素三唑基乙醇化合物作为DNA探针进行了初步的体外评估,主要工作总结如下:(1)新型香豆素喹诺酮类抗菌杂合体的合成:以取代苯酚为起始原料构筑不同结构的香豆素母核环II-3a-b,II-7和II-8,其中II-3a-b与氯乙酰氯经亲核取代反应制得中间体II-4a-b,而香豆素II-7和II-8则与二溴化合物反应得到中间体II-9a-c和II-10a-c,中间体与不同的喹诺酮化合物在乙醇的碱性溶液中回流反应即可快捷有效地得到香豆素喹诺酮类杂合体II-5a-f,II-11a-i和II-12a-i;(2)新型香豆素唑基乙醇类化合物的合成:以取代苯酚为起始原料构筑不同结构的香豆素母核环III-2和III-11,再与环氧氯丙烷经亲核取代反应快捷有效地制备环氧化合物中间体III-3和III-12,最后在乙醇为溶剂及碳酸钾为碱的条件下分别用各种唑类化合物开环得到香豆素唑基乙醇类化合物III-4a-e,III-5,III-6a-b,III-7a-b,III-8,III-9,III-13a-e,III-14,III-15a-b,III-16a-b和III-17;(3)新型香豆素查尔酮类化合物的合成:以间苯二酚为起始原料构筑7-羟基-4-甲基香豆素母核环IV-2,再经分步反应获得香豆素醛基化合物IV-3和取代的香豆素醛基化合物IV-4a-c,两者与不同取代的唑酮类化合物IV-7a-d在以甲苯为溶剂,冰醋酸和哌啶为催化剂的条件下于130 oC反应制得香豆素查尔酮类化合物IV-8a-d和IV-9a-l;(4)新型香豆素苯并咪唑类化合物的合成:以取代苯酚为起始原料构筑不同结构的香豆素母核环V-2a-b和V-15,再经分步反应制得对应的香豆素醛基化合物V-3a-b和V-16,在DMF溶液中化合物V-3a-b和V-16与邻苯二胺类化合物于80 oC下反应分别得到香豆素苯并咪唑类化合物V-4a-b、V-11a-b和V-17a-b,化合物V-4a、V-11a和V-17a再与卤代烃或卤苄类化合物在DMF的碳酸钾溶液中反应制得双取代的香豆素苯并咪唑类化合物V-5a-b、V-12a-d和V-18a-b,另外,香豆素醛V-3a与溴乙烷经进一步亲核取代反应制得中间体V-6,中间体V-3a-b、V-6和V-16再与取代的邻苯二胺类于DMF溶液中反应即可简便高效地得到单取代的香豆素苯并咪唑类化合物V-7a–b、V-10a–j、V-13a–j和V-19a–d;(5)所有新化合物的结构均用IR、1H NMR、13C NMR、MS和/或HRMS等现代波谱手段证实;(6)探索了溶剂、催化剂和反应温度对系列III香豆素唑基乙醇类化合物制备的影响,研究结果发现以乙醇为溶剂、碳酸钾为催化剂且反应温度为70 oC时目标化合物III的产率最高。(7)研究了系列II中目标化合物的体外抗细菌、抗真菌活性。活性研究结果显示大部分的香豆素喹诺酮类杂合体显示出较强的抗菌活性和较广的抗菌谱,并且对所测真菌菌株也具有较强的抑制能力。其中与香豆素4-位杂合的目标化合物II-11a–i的抗菌抗真菌活性普遍比较强,然而活性最强的杂合体是II-12g,它对所测细菌和真菌均显示出强的抑制能力,其抗菌活性优于参考药物氯霉素、诺氟沙星和氟康唑,与环丙沙星和克林沙星相当;(8)研究了香豆素喹诺酮类杂合体II-5b、II-12d和II-12g与参考药物的联用效果。发现化合物II-5b对革兰阴性菌的联用效果普遍高于革兰阳性菌,且其与环丙沙星联用时能得到更好的效果。化合物II-12d与诺氟沙星联用时对金黄色葡萄球菌的敏感度最高,FICI值为0.062。化合物II-12g与氯霉素联用时,对除金黄色葡萄球菌和藤黄微球菌外的所有测试菌株均表现出协同作用,并且该化合物对MRSA的药物联用效果高于II-5b和II-12d,这一结果表示杂合体II-12g在药物联用时具有解决细菌耐药性问题的潜能。另外,化合物II-5b、II-12d和II-12g能较快地抑制金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的生长,甚至在培养12代后也没有明显诱导金黄色葡萄球菌和MRSA耐药性的产生。分子对接结果显示,这三个化合物同时还具有DNA回旋酶抑制能力;(9)研究了香豆素喹诺酮类杂合体II-12g的抗菌作用机制。利用紫外、荧光光谱法和DNA探针探索了高活性目标分子II-12g与小牛胸腺DNA的相互作用,研究结果表明化合物II-12g能以嵌入的方式与DNA碱基形成稳定的复合物,从而影响细菌和真菌DNA的复制,起到抑菌作用;(10)研究了系列III中目标化合物的体外抗细菌抗真菌活性、log P和高活性目标化合物III-14与小牛胸腺DNA的结合能力。研究结果显示与参考药物相比,部分目标化合物显示出中等或较强的抑菌能力及较广的抗菌谱。香豆素双三唑醇化合物III-14表现出最强的抗菌活性,尤其是对于MRSA(MIC=8μg/m L),其抑菌活性与诺氟沙星(MIC=8μg/m L)相当,并强于氯霉素(MIC=16μg/m L)。与氟康唑相比,化合物III-14同样能有效地抑制所测试真菌的生长。利用紫外可见分光光度法所测理化数据log P显示,具有适宜log P值的目标化合物的抗菌抗真菌活性强于其他化合物,这说明化合物的理化性质对生物活性的影响也是相当重要的。另外化合物III-14能与小牛胸腺DNA通过氢键和范德华力与DNA的沟槽结合,形成III-14-DNA复合物,从而影响细菌和真菌DNA的复制,起到抑菌效果;(11)研究了系列IV的目标化合物香豆素类查尔酮的体外抗细菌抗真菌活性。活性研究数据显示多数目标化合物表现出有效的抗细菌抗真菌活性及较宽的抗菌谱。其中活性最好的目标化合物为IV-9h,它对所测试的所有细菌均具有较强的抑制能力,MIC范围为1-8μg/m L,强于参考药物氯霉素(MIC=8-32μg/m L),与诺氟沙星相当(MIC=1-16μg/m L)。同时,除白色念珠菌以外,化合物IV-9h对所测试真菌的敏感度也高于参考药物氟康唑,尤其是对氟康唑不敏感的黄曲霉菌,其抑制效果为氟康唑的512倍。此外化合物IV-9h不仅对藤黄微球菌和痢疾志贺菌具有较快的杀菌速度,且对金黄色葡萄球菌和MRSA即使在培养15代后仍然没有明显诱导其产生耐药性的趋势;(12)深入探讨了系列IV香豆素查尔酮类化合物的构效关系。体外活性研究数据显示,苯环上的取代基对目标化合物抗细菌抗真菌活性的影响明显不及烷基链大,没有烷基链修饰的化合物IV-8a-d及两个碳链修饰的化合物IV-9a-d的生物活性普遍低于四个及六个碳链修饰的化合物IV-9e-l,鉴于以上结果,以活性最好的目标化合物IV-9h苯环上的取代基为基准,选取化合物IV-8d、IV-9d、IV-9h和IV-9l四个化合物进行深入的构效关系研究。通过它们与小牛胸腺DNA的相互作用能力差别证明烷基链的长短对目标化合物活性影响强弱顺序为4碳链>6碳链>2/0碳链,这也进一步阐明了化合物IV-9h活性最强的原因;(13)研究了系列V香豆素苯并咪唑类目标化合物的体外抗细菌抗真菌活性和构效关系。活性研究数据显示部分目标化合物对所测试菌株表现出一定的抗细菌抗真菌活性。筛选出活性最优且抗菌谱最广的目标化合物V-19d,尤其是对藤黄微球菌和MRSA(MIC=0.5μg/m L),其活性强于参考药物氯霉素(MIC=8或32μg/m L)和诺氟沙星(MIC=2或16μg/m L)。另外,香豆素苯并咪唑化合物V-19d具有较好的水溶性(26.65 mg/L),且对金黄色葡萄球菌和MRSA即使在培养15代后仍然没有明显诱导其产生耐药性的趋势,为进一步深入研究提供了可行性。构效关系研究表明,3-位香豆素苯并咪唑化合物的抗微生物活性强于8-位香豆素苯并咪唑化合物,这一结论进一步得到量子化学研究数据分析的证实;(14)研究了香豆素苯并咪唑化合物V-19d的抗菌作用机制。实验结果表明化合物V-19d能有效地透过所测试革兰阳性菌MRSA和革兰阴性菌大肠杆菌的细胞膜。进一步实验结果显示其抑制50%生物膜生成的浓度即IC50值对MRSA和大肠杆菌分别为0.5μg/m L和1μg/m L,且其分解50%生物膜的浓度即EC50值对MRSA和大肠杆菌分别为3.2μg/m L和6.25μg/m L;(15)合成了香豆素三唑基乙醇化合物VI-7,其结构得到现代波谱手段证实。应用紫外光谱、荧光光谱等光谱学方法研究了化合物VI-7作为DNA人工探针的潜能。实验结果显示化合物VI-7初步有望开发为基于香豆素结构的新型DNA人工探针。本论文共合成141个化合物,其中新化合物102个,包括香豆素喹诺酮杂合体24个,香豆素唑基乙醇类23个,香豆素查尔酮类化合物16个,香豆素苯并咪唑衍生物39个。