4-(10-乙酰氧基-2-癸烯酰基)哌嗪季銨鹽的合成及其抗菌活性

蘇桂發, 農 娟, 鄭志兵, 覃江克, 唐 煌, 鄧業成

(1. 廣西師范大學 a. 化學化工學院 藥用資源化學與藥物分子工程教育部重點實驗室;b. 生命科學學院,廣西 桂林 541004; 2. 軍事醫學科學院 毒物藥物研究所,北京 100850)

很多哌嗪類化合物具有抗菌、抗氧化、抗腫瘤、抗精神病、抗糖尿病、抑制心血管、治療阿爾茨海默病等生物活性[1～5], 不少藥物如環丙沙星、氟喹諾酮類藥物、利福平、利福噴丁、左羥基丙哌嗪、鹽酸西替利嗪、三氟拉嗪等都含有哌嗪結構。哌嗪季銨鹽類化合物具有抗腫瘤活性[6～8]、鎮痛活性和鎮靜活性[9]。最近Han等[10]報道將長鏈羧酸與烷基哌嗪酰化后再與鹵代烴反應得到的哌嗪類季銨鹽,具有顯著的生物活性。

蜂王酸[10-羥基-2-癸烯酸(1)]具有明顯的抗腫瘤作用,它通過刺激環狀-磷腺苷的合成, 使蛋白質螺旋結構和氨基酸序列正常化, 從而使受腫瘤破壞的結構正常化, 最終達到對癌細胞的抑制[11]。

本文根據生物活性疊加和分子拼接原理, 以1為原料, 經酯化、與己基哌嗪酰化后再與鹵代烴(4a～4h)進行季銨化反應, 合成了8個4-(10-乙酰氧基-2-癸烯酰基)哌嗪季銨鹽(5a～5h, Scheme 1),其結構經NMR, IR和MS表征。并初步測定了5對乙酰膽堿酯酶(AChE),丁酰膽堿酯酶(BuChE),金黃色葡萄球菌的抑制作用。

1 實驗部分

1．1 儀器與試劑

Bruker 500 MHz型超導核磁共振儀(TMS為內標);Nicolet ESP 360 FT-IR型紅外光譜儀(KBr壓片);ESQUIRE HTC型離子阱質譜儀;Bio-Tek ELX 808型酶標儀。

1,北京偶合科技有限公司;1-己基哌嗪,百靈威化學技術有限公司;AChE和BuChE, Sigma公司;乙酸酐使用前重蒸;其余所用試劑均為市售化學純或分析純。

1.2 合成

(1) 10-乙酰氧基-2-癸烯酸(2)的合成

在圓底燒瓶中加入1 9.30 g(50 mmol)和醋酐9.43 mL(100 mmol),攪拌下回流(100 ℃)反應1 h[TLC跟蹤，展開劑:V(甲醇) ∶V(乙酸乙酯) ∶V(石油醚)=1 ∶2 ∶10]。減壓濃縮后經硅膠柱層析[洗脫劑:V(丙酮) ∶V(石油醚)=1 ∶20]分離得淡黃色油狀液體2 9.51 g,產率83.4%。

(2) 4-(10-乙酰氧基-2-癸烯酰基)哌嗪(3)的合成

在圓底燒瓶中加入2 2.28 g(10 mmol)和二氯甲烷30 mL,攪拌下緩慢滴加SOCl21.46 mL(20 mmol),滴畢，反應10 h。冷卻至0 ℃,攪拌下緩慢滴加己基哌嗪(20 mmol),滴畢，于0 ℃反應1 h[TLC跟蹤,展開劑:V(甲醇) ∶V(氯仿)=1 ∶10]。加氯仿30 mL,用10%NaOH溶液調至pH 13, 用氯仿(2×10 mL)萃取,合并萃取液,用飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鎂干燥,減壓濃縮后經硅膠柱層析[洗脫劑:V(乙酸乙酯) ∶V(石油醚)=1 ∶2]分離得淡黃色油狀液體32.96 g,產率77.8%;1H NMR(DMSO-d6)δ: 6.69～6.10(m, 1H, c-H), 6.44(d,J=15.0 Hz, 1H, d-H), 4.06(t,J=6.6 Hz, 2H, a-H), 3.55～3.45(m, 4H, e,g-H), 2.35～2.23(m, 6H, f,h,i-H), 2.21～2.14(m, 2H, b-H), 2.00(s, 3H, CH3in Ac), 1.60～1.22(m, 18H, CH2), 0.87(t,J=6.5 Hz, 3H, j-H);13C NMR(DMSO-d6)δ: 170.8, 164.8, 145.6, 121.1, 64.2, 64.1, 58.2, 53.7, 53.0, 45.5, 32.0, 31.7, 28.9, 28.8, 28.6, 28.3, 27.0, 26.6, 25.8, 22.5, 21.2, 14.3; IRν: 1 739, 1 659(C=O), 1 621(C=C), 1 244(C-O-C) cm-1; ESI-MSm/z: 381.22{[M+H]+}。

(3) 1-正己烷-1-烷基-4-(10-乙酰氧基-2-癸烯酰基)哌嗪(5a～5h)的合成(以5a為例)

在圓底燒瓶中依次加入350 mL(2 mmol),氯仿30 mL和碘甲烷(4a) 4 mmol,攪拌下于65 ℃反應至終點[TLC跟蹤,展開劑:V(甲醇) ∶V(氯仿)=1 ∶10]。減壓濃縮后經硅膠柱層析[洗脫劑:V(甲醇) ∶V(乙酸乙酯)=1 ∶10]分離得5a。用類似方法合成5b～5h，實驗結果見表1，表征數據見表2。

表 1 合成5的實驗結果Table 1 Experimental results of synthesizing 5

表 2 5的表征數據*Table 2 Characteristic data of 5

續表2

Comp1H NMR δ(J/Hz)13C NMR δ(J/Hz)IR ν/cm-15d8.40(d, J=8.6, 2H, ArH), 7.88(d, J=8.5, 2H, ArH), 6.94～6.84(m, 1H, c-H), 6.49(d, J=15.1, 1H, d-H), 4.91(s, 2H, k-H), 4.43～4.22(m, 2H, f-H), 4.07(t, J=6.7, 2H, a-H), 4.03～3.73(m, 2H, h-H), 3.69～3.52(m, 4H, e,g-H), 3.46(t, J=8.2, 2H, i-H), 2.33～2.23(m, 2H, b-H), 2.04(s, 3H, CH3 in Ac), 2.02～1.94(m, 2H, CH2), 1.71～1.59(m, 2H, CH2), 1.54～1.33(m, 14H, CH2), 0.97(t, J=7.0, 3H, j-H)172.3, 167.2, 150.0, 149.1, 134.9, 134.9, 134.1, 124.5, 124.5, 119.6, 64.9, 63.1, 57.9, 57.6, 39.6, 36.0, 32.6, 31.6, 29.3, 29.2, 28.9, 28.5, 26.1, 26.1, 22.7, 22.1, 20.1, 13.51 731(C=C), 1 656(C=C), 1 609(C=C), 1 526(Ar-NO2), 1 349(Ar-NO2), 1 249(C-O-C), 1 040(C-O-C)5e7.74(d, J=8.2, 2H, ArH), 7.52(d, J=8.1, 2H, ArH), 6.92～6.85(m, 1H, c-H), 6.49(d, J=15.1, 1H, d-H), 4.75(s, 2H, k-H), 4.41～4.21(m, 2H, f-H), 4.07(t, J=6.6, 2H, a-H), 4.03～3.71(m, 2H, h-H), 3.64～3.47(m, 4H, e,g-H), 3.39(t, J=8.3, 2H, i-H), 2.33～2.24(m, 2H, b-H), 2.04(s, 3H, CH3 in Ac), 1.98～1.90(m, 2H, CH2), 1.70～1.49(m, 4H, CH2), 1.49～1.33(m, 12H, CH2), 0.97(t, J=6.7, 3H, j-H)171.6, 166.6, 148.5, 134.5, 134.5, 132.4, 132.4, 125.8, 125.2, 119.0, 64.3, 63.1, 57.0, 56.7, 39.1, 35.4, 32.0, 31.0, 28.7, 28.6, 28.3, 27.9, 25.5, 25.5, 22.1, 21.4, 19.5, 12.81 733(C=O), 1 656(C=O), 1 612(C=C), 1 246(C-O-C), 1 040(C-O-C)5f7.60～7.56(m, 2H, ArH), 7.37～7.32(m, 2H, ArH), 6.70～6.55(m, 1H, c-H), 6.45(d, J=14.6, 1H, d-H), 4.71(s, 2H, k-H), 4.12～4.10(m, 2H, f-H), 3.96(t, J=6.6, 2H, a-H), 3.92～3.42(m, 2H, h-H), 3.41～3.29(m, 4H, e,g-H), 2.18～2.14(m, 2H, b-H), 1.97(s, 3H, CH3 in Ac), 1.79～1.77(m, 2H, CH2), 1.55～1.29(m, 4H, CH2), 1.30～1.20(m, 12H, CH2), 0.86(t, J=7.0, 3H, j-H)170.9, 165.3, 163.7(d, J=246.8), 147.3, 135.8, 135.8, 124.1, 120.3, 116.6, 116.5, 64.2, 62.5, 57.0, 56.0, 39.1, 35.6, 32.1, 31.1, 28.9, 28.8, 28.6, 28.2, 25.8, 25.7, 22.3, 21.4, 21.2, 14.21 732(C=O), 1 656(C=O), 1 606(C=C), 1 235(C-O-C), 1 036(C-O-C)5g7.45(d, J=8.0, 2H, ArH), 7.38(d, J=7.9, 2H, ArH), 6.93～6.86(m, 1H, c-H), 6.49(d, J=15.0, 1H, d-H), 4.70(s, 2H, k-H), 4.38～4.20(m, 2H, f-H), 4.07(t, J=6.6, 2H, a-H), 4.02～3.71(m, 2H, h-H), 3.61～3.47(m, 4H, e,g-H), 3.38～3.31(m, 2H, NCH2), 2.43(s, 3H, l-H), 2.33～2.26(m, 2H, b-H), 2.04(s, 3H, CH3 in Ac), 1.99～1.89(m, 2H, CH2), 1.70～1.48(m, 4H, CH2), 1.45～1.34(m, 12H, CH2), 0.97(t, J=6.9, 3H, j-H)171.6, 166.6, 148.5, 141.4, 132.5, 132.5, 129.8, 129.8, 123.6, 119.0, 64.2, 63.7, 56.9, 56.5, 39.1, 35.6, 32.0, 31.0, 28.7, 28.6, 28.2, 27.9, 25.5, 25.5, 22.1, 21.4, 19.9, 19.4, 12.81 735(C=O), 1 657(C=O), 1 615(C=C), 1 245(C-O-C), 1 038(C-O-C)5h7.42(d, J=8.5, 2H, ArH), 7.06(d, J=8.5, 2H, ArH), 6.85～6.77(m, 1H, c-H), 6.35(d, J=15.2, 1H, d-H), 4.54(s, 2H, k-H), 4.29～4.08(m, 2H, f-H), 4.03(t, J=6.6, 2H, a-H), 3.91～3.60(m, 5H, h,l-H), 3.54～3.36(m, 4H, e,g-H), 3.31～3.23(m, 2H, i-H), 2.24～2.17(m, 2H, b-H), 2.02(s, 3H, CH3 in Ac), 1.89～1.78(m, 2H, CH2), 1.61～1.37(m, 4H, CH2), 1.36～1.21(m, 12H, CH2), 0.84(t, J=6.9, 3H, j-H)175.4, 169.1, 161.7, 151.1, 135.1, 135.1, 119.4, 119.2, 115.6, 115.6, 66.4, 64.9, 57.1, 56.3, 40.2, 36.6, 32.6, 31.2, 28.8, 28.7, 28.4, 28.3, 28.0, 25.8, 25.7, 22.5, 21.8, 21.2, 13.91 731(C=O), 1 655(C=O), 1 612(C=C), 1 255(C-O-C), 1 032(Ar-O-C)

*5e和5g以CD3OD為溶劑; 其余以D2O為溶劑

2 結果與討論

2.1 鹵代烴的活性對季銨化反應的影響

季銨化反應時,所用的鹵代烴必須是活性較高的烯丙基類鹵代烴或碘甲烷。我們曾嘗試過3與溴乙烷、4-溴-1-丁烯的反應,回流一周仍得不到季銨鹽。當取代芐鹵的對位為甲氧基(4h)時,季銨化反應所用的時間比其它取代的芐鹵所用的時間要長,可能是由于甲氧基為強供電子基,使鹵代烴α-C上的電正性下降,致使季銨化反應速率下降。

2.2 表征數據分析

5f的13C NMR譜圖多出一個吸收峰,這是因為5f含一個氟原子,在13C質子寬帶去偶譜中,19F與13C的一鍵偶合的偶合常數很大,一般在150 Hz～350 Hz,其偶合裂分符合N+1規律[13]。在5f的13C NMR譜圖中表現為一鍵偶合,出現在163.7(d,J=246.8 Hz)處。

2.3 5的抑菌活性

采用涂布法測定抑菌活性,試驗菌為金黃色葡萄球菌,牛肉膏蛋白胨作為培養基,接種后于37 ℃培養48 h,肉眼觀察試管內細菌生長情況。5的初步抗菌試驗結果見表3。由表3可見,在用藥量為0.5 g·L-1時,除5a對金黃色葡萄球菌基本沒有抑菌活性外,5b～5h都對金黃色葡萄球菌有一定的抑制作用;其中5c,5e和5f在用藥量為0.05 g·L-1時對金黃色葡萄球菌就有較好的抑菌效果。

表 3 5對金黃色葡萄球菌的抑菌活性*Table 3 Antibacterial activities of 5 against Staphylococcus aureus

*“++++”: strong antibacterial activity, almost no bacterial growth was observed; “+”: the more of the stronger antibacterial activity it possess; “-”: no antibacterial activity;a0.5 g·L-1;b0.05 g·L-1

我們曾用甲基哌嗪和乙基哌嗪代替己基哌嗪,合成了另外兩個系列的哌嗪季銨鹽,它們的水溶性非常好,脂溶性不太好,對金黃色葡萄球菌的抑菌能力都比相應的己基哌嗪季銨鹽弱;這可能是甲基哌嗪和乙基哌嗪季銨鹽不能有效地通過細胞膜內壁,因此對金黃色葡萄球菌的抑菌能力較弱。而己基哌嗪系列季銨鹽的水溶性和脂溶性相對適中,表現出對金黃色葡萄球菌有較強的抑制作用。

2.4 5的抗膽堿酯酶活性

5的抗膽堿酯酶活性采用改進的Ellman法[12]于37 ℃測定,使用數據分析Origin軟件求出抑制酶活力50%時的抑制劑濃度(IC50/μmol·L-1),結果見表4。從表4可以看出,大部分5都表現出對AChE和BuChE較強的抑制能力,其中5c對AChE的抑制能力最強(IC50=4.23 μmol·L-1);5e對BuChE的抑制效果最好(IC50=2.81 μmol·L-1)。引入不同的R取代基對AChE與BuChE的抑制能力不同,引入芳基比引入直鏈烴基的抑制作用好,這可能是引入結構較大的芳香烴基后,在空間上更有利于化合物與酶的吻合,結合力增強,尤其是BuChE的酰基口袋比AChE大,更需要大體積、剛性的芳香取代基[14]。

表 4 5對膽堿酯酶的抑制活性Table 4 Inhibitory activities of 5 against cholinesterase

綜上所述，5c和5e對金黃色葡萄球菌的抑菌活性和抗膽堿酯酶活性都比較好，含F原子的5f對金黃色葡萄球菌也有較好的抑制作用。

[1] Solomon V R, Hu C, Lee H. Design and synthesis of anti-breast cancer agents from 4-piperazinylquinoline:A hybrid pharmacophore approach[J].Bioorg Med Chem,2010,18(4):1563-1572.

[2] Kimura M, Masuda T, Yamada K,etal. Antioxidative activities of novel diphenylalkyl piperazine derivatives with high affinities for the dopamine transporter[J].Bioorg Med Chem Lett,2004,14(16):4287-4290.

[3] Shapiro L A, Offord S J, Ordway G A. The effect of chronic treatment with a novel aryl-piperazine antipsychotic on monoamine receptors in rat brain[J].Brain Research,1995,677(2):250-260.

[4] Yang Chunhao, Xu Guangyu, Li Jia,etal. Benzothiophenes containing a piperazine side chain as selective ligands for the estrogen receptor α and their bioactivities in vivo[J].Bioorg Med Chem Lett,2005,15(5):1505-1507.

[5] Moinet G, Marais D, Mesangeau D,etal. Antidiabetic piperazine derivatives,processes for their preparation and compositions containing them[P].WO 2 000 006 558,2000.

[6] 李潤濤,陳恒昌,楊錦宗. 哌嗪類抗腫瘤藥物研究: 雙哌嗪雙季銨鹽類化合物的合成[J].藥學學報,1995,30(1):63-69.

[7] Liu Mo, Ge Zemei, Cheng Tieming,etal. Synthesis of a novel class of cyclophosphamide bis-spiropiperazinium salts[J].J Chin Pharm Sci,2009,18:320-325.

[8] 陳恒昌,劉振中,李潤濤. 抗腫瘤藥物的研究:N′,N″-二螺三哌嗪類化合物的合成[J].藥學學報,1990,25(10):785-789.

[9] 李潤濤,陳恒昌,楊錦宗. 哌嗪類抗腫瘤藥物研究:1-(3-氯-2-羥基丙基)-4,4-二烷基哌嗪溴化物的合成[J].藥學學報,1995,30(2):144-149.

[10] Han G H, Choi E H, Yang T S,etal. New heterocyclic compounds containing nitrogen atoms or pharmaceutically acceptable salts thereof, process for the preparation thereof and pharmaceutical composition comprising the same for treatment of cancer[P].EP 2 054 398,2008.

[11] 戴靜芝,嚴惠芳,陳幼鴻. 蜂王漿及10-羥基-2-癸烯酸藥理活性試驗[J].醫藥工業,1985,16(5):219-221.

[12] Ellman G L, Courtney K D, Andres V Jr,etal. A new and rapid colorimetric determination of acetylcholinesterase activity[J].Biochem Pharmacol,1961,7:88-95.

[13] 薛松. 有機結構分析[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2005.

[14] Yamamoto Y, Ishihara Y, Kuntz I D. Docking analysis of a series of benzylamino acetylcholinesterase inhibitors with a phthalimide,benzoyl,or indanone moiety[J].J Med Chem,1994,37(19):3141-3153.