本发明属药物化学领域，涉及杂原子螺环化合物，具体涉及一种含薁结构的新型吲哚螺环类化合物、合成及其应用。
背景技术：
许多天然产物中都含有螺环结构，其中杂原子螺环化合物具有抗肿瘤、抗焦虑、抗菌、降压及镇痛等广泛的生物活性，由于作用机理独特，且不易产生抗药性,为临床药物的研发开辟了新领域((a)Onishhi,T.；Sebahar,P.R.；Williams,R.M.Org.Lett.2003,17,3135；(b)Cremer,N.S.；Hamamouch,N.C.J.Am.Chem.Soc.2005,127,10130；(c)Zhou,B.；Yang,Y.X.；Shi,J.J.；Luo,Z.；Li,y.C.J.Org.Chem.2013,78,2897.)。
吲哚螺环化合物是一类重要的杂原子螺环化合物，广泛地存在于许多具有生理及药理活性的天然生物碱中，已成为许多药物中不可或缺的结构单元((a)Pavlovska1,T.L.；Redkin,R.G.；Lipson,V.V.；Atamanuk,D.V.Mol Divers,2016,20,299；(b)Shngh,G.S.；Desta,Z.Y.Chem.Rev.2012,112,6104.)。研究表明，吲哚螺环类化合物是人体内一种重要的内源性活性因子，大量存在于神经系统中，可以将体内的细胞单胺氧化酶维持在正常水平，从而有效地防止帕金森症、惊厥、癫痫等神经退化性疾病的发生((a)Glover,V.；Halket,J.；Watkins,P.J.J.Neurochem.1988,51,656；(b)Finberg,J.P.；Wang,J.；Goldstein,D.S.J.Neurochem.1995,65,1213.)。同时，该类化合物还具有很好的抗肿瘤、抗过敏、抗结核及抗血栓等生物活性((a)Yu,B.；Yu,D.Q.；Liu,H.M.Eur.J.Med.Chem.2015,97,673；(b)Cui,C.B.；Kakeya,H.；Osada,H.Tetrahedron,1996,52,12651.),因而在生物、医药等领域具有非常重要的地位和非常广泛的应用前景。对该类化合物的开发与合成已经引起了药物学家和化学家的关注((a)Zhu,S.L.；Jia,S.J.；Zhang,Y.Tetrahedron,2007,63,9365；(b)Chen,X.；Wei,Q.；Luo,S.；Xiao,H.；Gong,L.J.Am.Chem.Soc.2009,131,13819；(c)Tsubouchi,H.；Sasaki,H.；Itotani,M.；Haraguchi,Y.；Miyamura,S.；Matsumoto,M.；Hashizume,H.；Tomishige,T.；Kawasaki,K.；Sumida,T.；Hasegawa,T.；Tanaka,K.；Takemura,I.WO 2005042542,2005；(d)Shi,Y.；Lin,A.J.；Mao,H.B.；Mao,Z.J.；Li,W.P.；Hu,H.W.；Zhu,C.J.；Cheng,Y.X.Chem.Eur.J.2013,19,1914；(e)Zhang,J.；Gao,H.；Sun,J.；Yan,C.G.Eur.J.Org.Chem.2014,5598.)。
自1863年薁类化合物被发现后便受到广泛关注，因其独特的化学结构以及表现出的特有的物理、化学和生物活性(Fischer,G.Adv.Heterocyclic Chem.2009,97,131.)，在多个领域中发挥着重要的作用。在医药领域，薁类化合物表现出的抗炎、抗癌(Asato,A.E.；Peng,A.；Hossain,M.Z.；Mirzadegan,T.；Bertram,J.S.J.Med.Chem.1993,36,3137.)和抗溃疡(Yanagisawa,T.；Wakabayashi,S.；Tomiyama,T.；Yasunami,M.；Takase,K.Chem.Pharm.Bull.1988,36,641.)等活性，用于治疗临床中出现的眼睛和牙周膜炎及心血管疾病等病症。在化工领域，用作激光染料(US:20030129516)，液晶显示器(JP:2069437)和光感受器(Becker,D.A.；Ley,J.J.；Echegoyen,L.；Alvarado,R.J.Am.Chem.Soc.2002,124,4678.)等。在天然产物中发现的愈创兰烃薁，表现出优异的抗胃蛋白酶、抗炎、抗过敏及抗病毒等作用((a)Jung,F.Pharmazie,1951,6,192；(b)Kouichi,N.；Tomio,N.；Hiroyuki,Y.；Shogo,I.；Yoshiaki,K.Eur.J.Pharm.Biopharm.2003,56,347；(c)Kourounakis,A.P.；Rekka,E.A.；Kourounakis,P.N.J.Pharm.Pharmacol.1997,49,938.)。
在药物合成、医药等领域，目前迫切需要开发新的具有特异性的生物活性分子。通过对螺环化合物分子的结构修饰，获得新型生物活性化合物的一条重要途径，具有广阔的应用前景。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种具有肿瘤抑制活性的新型吲哚螺环类化合物。
本发明的另一目的在于提供一种操作方便，原料易得，产率高，选择性好的新型吲哚螺环类化合物制备方法。
本发明还提供一种吲哚螺环类化合物在作为抗肿瘤药物中的应用。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
新型吲哚螺环类化合物，具有如下结构通式：
其中，R1为H或烷氧羰基；R2为H、烷基、烷氧基、羟基、卤素、硝基、氰基、羧酸及其酯中的一种；R3为H、烷基或芳基；X为氰基或烷氧羰基。
上述新型吲哚螺环类化合物的制备方法，可按如下步骤实施：
(1)将氟化钾加入至2-羟基薁、靛红及氰乙酸酯的醇溶液中进行反应；
(2)反应完毕后，通过直接过滤或将反应液浓缩得到粗产物；
(3)将所得粗产物通过重结晶，即得目的产物。
作为一种优选方案，本发明步骤(1)中所述醇为甲醇、乙醇或异丙醇。
进一步地，本发明所述2-羟基薁、靛红及氰乙酸酯的摩尔比依次为1:1～1.5:1～1.5。
进一步地，本发明以摩尔质量计，所述氟化钾的用量为靛红的5～50％。
上述新型吲哚螺环类化合物的制备方法，还可按如下步骤实施：
(1)将氟化钾加入至2-羟基薁、靛红及丙二腈的醇溶液中进行反应；
(2)反应完毕后，通过直接过滤或将反应液浓缩得到粗产物；
(3)将所得粗产物通过重结晶，即得目的产物。
作为一种优选方案，本发明所述2-羟基薁、靛红及丙二腈的摩尔比依次为1:1～1.5:1～1.5。
上述新型吲哚螺环类化合物在作为抗肿瘤药物中的应用。
本发明以2-羟基薁、靛红及氰乙酸酯(或丙二腈)为反应原料，在氟化钾作用下，通过三组分反应一步合成。
合成原理为：
上述合成过程中所述的2-羟基薁为具有如下结构的化合物：
其中，R1＝H,烷氧羰基。
该化合物可参考文献((a)Nozoe,T.；Takase,K.；Shimazaki,N.Bull.Chem.Soc.Jap.1964,37,1644；(b)Chen,A.H.Proc.Natl.Sci.Counc.ROC(A).1999,23,437.)方法，以卓酚酮(Tropolone)为原料，通过与丙二酸酯的缩合反应制得：
上述合成过程中所述的靛红为具有如下结构的化合物：
其中，R1为H、烷基、烷氧基、羟基、卤素、硝基、氰基、羧酸及其酯等中的一种；R2为H、烷基、芳基。
该类化合物可参考文献(张晓飞，刘华业，高文涛，渤海大学学报(自然科学版)，2009，30，212.)方法，以芳香胺为原料，通过Sandmeyer反应制备；1-取代靛红衍生物可参考文献((a)Clay,C.M.；Abdallah,H.M.；Jordan,C.；Knisley,K.；Ketcha D.M.Arkivoc,2012,vi,317；(b)Azizian,J.；Fallah-Bagher-Shaidaei,H.；Kafayati,H.Synth.Commun.2003,33,789.)方法，以靛红为原料，通过N-烷基化反应制得：
本发明的另一目的是提供新型吲哚螺环类化合物在制备抗癌药物中的应用。
本发明提供的新型吲哚螺环类化合物，经人胃癌细胞(BGC-823)和人肝癌细胞(SMMC-7721)的抑制活性测定表明，其对人胃癌细胞和人肝癌细胞具有良好的抑制作用，具有较强的开发应用前景，有望进一步发展成为新的肿瘤生长抑制剂、用于癌症的治疗药物或相关药物的合成等。
本发明新型吲哚螺环类化合物的合成方法操作方便、原料易得、产率高、选择性好，为合成多环稠合的吲哚螺环类化合物提供了有效的合成途径。
本发明将以下面实施例作进一步说明，但本发明的内容并不受此实施例的限制。
具体实施例
实施例1
2’-氨基-3’-氰基-2-氧螺(吲哚啉-3,4’-薁并[1,2-e]吡喃)-11’-甲酸乙酯(A1)的合成
于50mL反应瓶中，将氟化钾(10mg,0.17mmol)加入到2-羟基薁-1-甲酸乙酯(216mg,1.0mmol)，靛红(176mg,1.2mmol)和丙二腈(79mg,1.2mmol)的甲醇(25mL)溶液中，加热回流3小时(用硅胶层析板(TLC)监控反应)。反应完毕后，将反应混合物减压浓缩，乙醇重结晶得到黄色固体，收率86％.
结构分析如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.46(t,J＝7.2Hz,3H),4.47(q,J＝7.2Hz,2H),7.13-7.21(m,4H),7.20-7.28(m,3H),7.62(s,2H),8.46(d,J＝10.4Hz,1H),8.93(d,J＝9.2Hz,1H),11.63(brs,1H).
IR(KBr)ν:3421(NH),3335(NH),2237(CN),1652(C＝O),1718(C＝O)cm-1.
MS(ESI)m/z:412[M+H]+.
元素分析(C24H17N3O4):实测值(理论值)，C 70.13(70.07),H 4.24(4.16),N 10.29(10.21).
实施例2
2’-氨基-1-甲基-2-氧螺(吲哚啉-3,4’-薁并[1,2-e]吡喃)-3’,11’-二甲酸乙酯(A2)的合成
于50mL反应瓶中，将氟化钾(17mg,0.3mmol)加入到2-羟基薁-1-甲酸乙酯(216mg,1.0mmol)，1-甲基靛红(193mg,1.2mmol)和氰乙酸乙酯(135mg,1.2mmol)的乙醇(30mL)溶液中，加热回流5小时(用硅胶层析板(TLC)监控反应)。反应完毕后，将反应混合物减压浓缩，异丙醇重结晶得到蓝色固体，收率85％.
结构分析如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:0.79(t,J＝6.8Hz,3H),1.41(t,J＝7.2Hz,3H),2.62(s,3H),3.75(q,J＝6.8Hz,2H),4.42(q,J＝7.2Hz,2H),7.10-7.18(m,4H),7.20-7.26(m,3H),7.60(s,2H),8.47(d,J＝10.4Hz,1H),8.90(d,J＝9.2Hz,1H).
IR(KBr)ν:3434(NH),1652(C＝O),1689(C＝O),1718(C＝O)cm-1.
MS(ESI)m/z:473[M+H]+.
元素分析(C27H24N2O6):实测值(理论值)，C 70.13(68.63),H 4.24(5.12),N 10.29(5.93).
实施例3
2’-氨基-3’-氰基-2-氧螺(吲哚啉-3,4’-薁并[1,2-e]吡喃)(A3)的合成
于50mL反应瓶中，将氟化钾(23mg,0.4mmol)加入到2-羟基薁(144mg,1.0mmol)，靛红(176mg,1.2mmol)和丙二腈(86mg,1.3mmol)的甲醇(30mL)溶液中，加热回流1小时(用硅胶层析板(TLC)监控反应)。反应完毕后，将反应混合物减压浓缩，乙醇重结晶得到黄色固体，收率80％.
结构分析如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:7.15-7.24(m,4H),7.21-7.30(m,3H),7.60(s,2H),7.82(s,1H),8.44(d,J＝10.4Hz,1H),8.90(d,J＝9.2Hz,1H),11.59(brs,1H).
IR(KBr)ν:3425(NH),3329(NH),2246(CN),1718(C＝O)cm-1.
MS(ESI)m/z:340[M+H]+.
元素分析(C21H13N3O2):实测值(理论值)，C 70.13(74.33),H 4.24(3.86),N 10.29(12.38).
实施例4
2’-氨基-3’-氰基-1-甲基-2-氧螺(吲哚啉-3,4’-薁并[1,2-e]吡喃)(A4)的合成
于50mL反应瓶中，将氟化钾(13mg,0.2mmol)加入到2-羟基薁(144mg,1.0mmol)，1-甲基靛红(193mg,1.2mmol)和丙二腈(79mg,1.2mmol)的甲醇(30mL)溶液中，加热回流1小时(用硅胶层析板(TLC)监控反应)。反应完毕后，将反应混合物减压浓缩，异丙醇重结晶得到黄色固体，收率88％.
结构分析如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:2.65(s,3H),7.13-7.20(m,4H),7.21-7.30(m,3H),7.65(s,2H),7.80(s,1H),8.48(d,J＝10.4Hz,1H),8.97(d,J＝9.2Hz,1H).
IR(KBr)ν:3420(NH),2246(CN),1723(C＝O)cm-1.
MS(ESI)m/z:354[M+H]+.
元素分析(C22H15N3O2):实测值(理论值)，C 74.89(74.78),H 4.36(4.28),N 11.96(11.89).
实施例5
2’-氨基-1-甲基-2-氧螺(吲哚啉-3,4’-薁并[1,2-e]吡喃)-3’-甲酸乙酯(A5)的合成
于50mL反应瓶中，将氟化钾(17mg,0.3mmol)加入到2-羟基薁(144mg,1.0mmol)，1-甲基靛红(193mg,1.2mmol)和氰乙酸乙酯(135mg,1.2mmol)的甲醇(30mL)溶液中，加热回流5小时(用硅胶层析板(TLC)监控反应)。反应完毕后，将反应混合物减压浓缩，异丙醇重结晶得到黄色固体，收率83％。
结构分析如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:0.82(t,J＝6.8Hz,3H),2.62(s,3H),3.74(q,J＝6.8Hz,2H),7.15-7.23(m,4H),7.21-7.30(m,3H),7.65(s,2H),7.83(s,1H),8.53(d,J＝10.4Hz,1H),8.92(d,J＝9.2Hz,1H).
IR(KBr)ν:3429(NH),1692(C＝O),1723(C＝O)cm-1.
MS(ESI)m/z:401[M+H]+.
元素分析(C24H20N2O4):实测值(理论值)，C 71.99(71.91),H 5.12(5.03),N 7.07(7.00).
实施例6
2’-氨基-1,5-二甲基-2-氧螺(吲哚啉-3,4’-薁并[1,2-e]吡喃)-3’-甲酸乙酯(A6)的合成
于50mL反应瓶中，将氟化钾(20mg,0.34mmol)加入到2-羟基薁(144mg,1.0mmol)，1,5-二甲基靛红(210mg,1.2mmol)和氰乙酸乙酯(146mg,1.3mmol)的甲醇(30mL)溶液中，加热回流6小时(用硅胶层析板(TLC)监控反应)。反应完毕后，将反应混合物减压浓缩，异丙醇重结晶得到黄色固体，收率86％.
结构分析如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:0.80(t,J＝6.8Hz,3H),2.41(s,3H),2.62(s,3H),3.72(q,J＝6.8Hz,2H),7.14-7.20(m,4H),7.25-7.37(m,3H),7.69(s,2H),7.87(s,1H),8.59(d,J＝10.4Hz,1H),8.91(d,J＝9.2Hz,1H).
IR(KBr)ν:3415(NH),1704(C＝O),1728(C＝O)cm-1.
MS(ESI)m/z:416[M+H]+.
元素分析(C25H22N2O4):实测值(理论值)，C 72.53(72.45),H 5.46(5.35),N 6.83(6.76).
实施例7
2’-氨基-3’-氰基-5-甲氧基-2-氧螺(吲哚啉-3,4’-薁并[1,2-e]吡喃)-11’-甲酸乙酯(A7)的合成
于50mL反应瓶中，将氟化钾(20mg,0.34mmol)加入到2-羟基薁-1-甲酸乙酯(216mg,1.0mmol)，5-甲氧基靛红(212mg,1.2mmol)和丙二腈(79mg,1.2mmol)的甲醇(25mL)溶液中，加热回流2小时(用硅胶层析板(TLC)监控反应)。反应完毕后，将反应混合物减压浓缩，乙醇重结晶得到黄色固体，收率86％。
结构分析如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.42(t,J＝7.2Hz,3H),3.96(s,3H),4.50(q,J＝7.2Hz,2H),7.10-7.17(m,2H),7.20(s,1H),7.25-7.34(m,3H),7.65(s,2H),8.56(d,J＝10.4Hz,1H),8.90(d,J＝9.2Hz,1H),11.75(brs,1H).
IR(KBr)ν:3426(NH),3326(NH),2243(CN),1663(C＝O),1719(C＝O)cm-1.
MS(ESI)m/z:442[M+H]+.
元素分析(C25H19N3O5):实测值(理论值)，C 68.09(68.02),H 4.45(4.34),N 9.59(9.52).
实施例8
2’-氨基-3’-氰基-1-苄基-2-氧螺(吲哚啉-3,4’-薁并[1,2-e]吡喃)-11’-甲酸乙酯(A8)的合成
于50mL反应瓶中，将氟化钾(6mg,0.1mmol)加入到2-羟基薁-1-甲酸乙酯(216mg,1.0mmol)，1-苄基靛红(284mg,1.2mmol)和丙二腈(79mg,1.2mmol)的甲醇(25mL)溶液中，加热回流5小时(用硅胶层析板(TLC)监控反应)。反应完毕后，将反应混合物减压浓缩，乙醇重结晶得到黄色固体，收率88％.
结构分析如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.40(t,J＝7.2Hz,3H),3.35(s,2H),4.53(q,J＝7.2Hz,2H),7.11-7.24(m,9H),7.27-7.35(m,3H),7.65(s,2H),8.58(d,J＝10.4Hz,1H),8.95(d,J＝9.2Hz,1H).
IR(KBr)ν:3416(NH),2238(CN),1657(C＝O),1724(C＝O)cm-1.
MS(ESI)m/z:503[M+H]+.
元素分析(C31H23N3O4):实测值(理论值)，C 74.33(74.24),H 4.69(4.62),N 8.46(8.38).
实施例9
2’-氨基-3’-氰基-1-甲基-5-氯-2-氧螺(吲哚啉-3,4’-薁并[1,2-e]吡喃)(A9)的合成
于50mL反应瓶中，将氟化钾(30mg,0.5mmol)加入到2-羟基薁-1-甲酸乙酯(216mg,1.0mmol)，1-甲基-5-氯靛红(234mg,1.2mmol)和丙二腈(79mg,1.2mmol)的甲醇(30mL)溶液中，加热回流4小时(用硅胶层析板(TLC)监控反应)。反应完毕后，将反应混合物减压浓缩，异丙醇重结晶得到黄色固体，收率85％.
结构分析如下：
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ:1.52(t,J＝7.2Hz,3H),2.66(s,3H),4.53(q,J＝7.2Hz,2H),7.16-7.20(m,2H),7.22-7.29(m,3H),7.32(s,1H),7.65(s,2H),8.53(d,J＝10.4Hz,1H),8.92(d,J＝9.2Hz,1H).
IR(KBr)ν:3429(NH),2243(CN),1659(C＝O),1730(C＝O)cm-1.
MS(ESI)m/z:460[M+H]+.
元素分析(C25H18ClN3O4):实测值(理论值)，C 65.35(65.29),H 4.02(3.95),N 9.23(9.14).
抗肿瘤活性测试
采用MTT法测定本发明吲哚螺环衍生物对肿瘤细胞生长的抑制作用进行评价，受试细胞采用人低分化胃癌细胞(BGC-823)和人肝癌细胞(SMMC-7721)，抗癌药物顺铂作为阳性对照品。
活性测试材料
实验方法：
(1)样品的准备：分别将待测试化合物(1mg)用20μLDMSO溶解，取2μL溶解后溶液用1000μL培养液稀释(该培养液为含胎牛血清质量浓度为10％的DMEM培养基)，使其浓度为100μg/mL，再用相同的培养液连续稀释至使用浓度1-10μg/mL。
(2)培养基的配制：配制DMEM培养基，使得每1000mL DMEM培养基中含80万单位青霉素、1.0g链霉素和10％质量的灭活胎牛血清。
(3)细胞的培养：分别将上述肿瘤细胞接种于步骤(2)配制的培养基中，于37℃、5％CO2培养箱中培养，3-5d传代。
(4)测定样品对肿瘤细胞生长的抑制作用
将细胞人胃癌细胞(BGC-823)、人肝癌细胞(SMMC-7721)，分别用EDTA-胰酶消化液消化，并用培养基稀释成1×105/mL，加到96孔细胞培养板中，每孔100μL，置37℃、5％CO2培养箱中培养。24小时后弃去原培养基，加入含测试样品的培养基，每孔200μL，每个浓度加3孔，置37℃、5％CO2培养箱中培养，72小时后在细胞培养孔中加入5mg/mL的MTT，每孔10μL，置37℃孵育4小时，加入DMSO，每孔150μL，用酶标仪在570nm波长下比色。分别以同样条件用不含样品、含同样浓度DMSO的培养基培养的上述癌症细胞作为对照，计算样品对肿瘤细胞生长的半数致死浓度(IC50)。
经过上述步骤测量后，本发明化合物的IC50如下表所示：
化合物A1-A9的抗肿瘤活性
由测试结果可见，本发明实施例提供的化合物表现出良好的抗胃癌和抗肝癌活性，其中化合物A2、A5和A6的抗胃癌活性，以及化合物A2、A6和A9的抗肝癌活性分别优于临床用抗癌药物顺铂。尤为突出的是化合物A2和A6的表现出双重活性，同时对胃癌细胞肝癌细胞具有高的活性。
综上所述，本发明提供了一类具有抗癌活性的吲哚螺环衍生物，同时发现该类化合物具有优良的抗胃癌和抗肝癌活性，从而为抗癌药物的研发拓展了研究底物，为进一步应用提供可能，具有巨大的临床价值和开发应用前景。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。