新型含取代哌嗪的5-(吡啶-3-基)-1,2,4-三唑Mannich堿和雙Mannich堿的合成及生物活性

張　燕, 王寶雷, 詹益周, 張麗媛, 李永紅, 李正名

(南開大學元素有機化學國家重點實驗室, 化學化工協同創新中心(天津), 天津300071)

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新型含取代哌嗪的5-(吡啶-3-基)-1,2,4-三唑Mannich堿和雙Mannich堿的合成及生物活性

張燕, 王寶雷, 詹益周, 張麗媛, 李永紅, 李正名

(南開大學元素有機化學國家重點實驗室, 化學化工協同創新中心(天津), 天津300071)

摘要根據藥物分子設計的活性基團組合原理, 通過在1,2,4-三唑環的5位引入吡啶基, 同時在4位芳基亞甲氨基的苯環上引入氟或三氟甲基, 設計合成了一系列含氟、 吡啶和哌嗪基團的1,2,4-三唑Mannich堿和雙Mannich堿類化合物. 通過核磁共振氫譜(1H NMR)、 碳譜(13C NMR)和元素分析確證了目標化合物的結構. 生物活性測試結果表明, 部分化合物對油菜具有一定的除草活性; 化合物2a, 2d和2f(50 mg/L)對蘋果輪紋病菌表現出較好的抑制活性, 與對照藥三唑酮活性相當; 化合物2a, 2b, 2d和2i(180 mg/L)對酮醇酸還原異構酶(KARI酶)表現出了顯著的離體抑制活性(抑制率51.7%～88.7%).

關鍵詞吡啶; 1,2,4-三唑Mannich堿; 哌嗪; 生物活性

21世紀以來, 化學農藥創新研究面臨著超高效、 高選擇性及無公害等高要求[1～4]. 作為農藥結構中非常重要的類型, 雜環化合物因其獨特的結構和性質而成為研究熱點[5,6]. 例如, 1,2,4-三唑及其衍生物具有優良的殺菌、 殺蟲、 除草、 抗癌、 抗病毒、 抗炎和抗心血管疾病等生物活性[7～13]; 許多含有吡啶環的化合物也具有多種多樣的農藥和醫藥活性[14～21]. 此外, 盡管含有哌嗪雜環的化合物在農藥領域有所涉及, 例如內吸性殺菌劑嗪胺靈(Triforine)結構中含有哌嗪雜環[22], 但較之于醫藥領域的廣泛應用[23,24], 鮮見其農藥活性研究; 同時由于聯雜環化合物的合成及活性研究是當前綠色農藥的一個重要發展方向[25], 因此有必要對含有哌嗪的1,2,4-三唑和吡啶的聯雜環化合物進行深入探索.

前文[26～30]曾報道了一些含三氟甲基、 哌嗪和取代苯基的1,2,4-三唑Mannich堿類化合物, 其中部分化合物具有較好的除草活性[26], 部分化合物對植物和微生物體內支鏈氨基酸生物合成路徑中關鍵的催化酶酮醇酸還原異構酶(KARI酶)表現出抑制活性[29,30], 尤其是多數化合物對常見作物病菌具有優異的殺菌活性[26,28,30]. 基于此, 本文將含取代哌嗪的1,2,4-三唑環的5位引入吡啶基, 替換原有的三氟甲基, 而在4位芳亞甲氨基的苯環上引入氟或三氟甲基, 合成了一系列新的含氟、 吡啶和哌嗪基團的1,2,4-三唑Mannich堿和雙Mannich堿類化合物, 并研究了其除草活性、 抑菌活性和KARI酶抑制活性.

1實驗部分

1.1試劑與儀器

4-苯基哌嗪和4-(吡啶-2-基)哌嗪分別購自Aladin試劑公司和Alfa Aesar試劑公司; 無水哌嗪和其它常規試劑(分析純)購自南京多點化學試劑公司; 溶劑購自天津化學試劑六廠, 使用前未經處理; 還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)購自Solarbio公司; 2-羥基-2-甲基-3-氧代丁酸甲酯購自Sigma-Aldrich公司, 經NaOH堿性水解制備生化反應底物乙酰乳酸.

X-4型數字顯示顯微熔點儀(北京泰克儀器有限公司); Bruker Avance 400型核磁共振儀(以TMS為內標, 瑞士Bruker公司); Elementar Vario EL Ⅲ型元素分析儀(德國Elementar公司); 紫外-可見分光光度計(上海美譜達儀器有限公司).

1.2實驗過程

中間體4-(取代)芐基哌嗪和4-(4,6-二取代嘧啶-2-基)哌嗪分別參照文獻[26,29]方法制備. 4-(4-氯芐基)哌嗪, m.p. 139～140 ℃(文獻值[29]: 138～141 ℃); 4-(2,4-二氯芐基)哌嗪, m.p. 149～151 ℃(文獻值[29]: 147～150 ℃); 4-(4-甲基嘧啶-2-基)哌嗪, m.p. 43～44 ℃(文獻值[26]: 45～48 ℃); 4-(4,6-二甲基嘧啶-2-基)哌嗪, m.p. 84～86 ℃(文獻值[26]: 82～84 ℃). 中間體4-氨基-5-(吡啶-3-基)-4H-1,2,4-三唑-3-硫醇參照文獻[31,32]方法制備, m.p. 165～167 ℃(文獻值[32]: 169 ℃).

1.3目標化合物的合成

1.3.1中間體4-(4-取代芳基亞甲氨基)-5-(吡啶-3-基)-4H-1,2,4-三唑-3-硫醇(1a～1b)的合成將4-氨基-5-(吡啶-3-基)-4H-1,2,4-三唑-3-硫醇(1.25 g, 6.98 mmol)溶于10 mL冰醋酸中, 加入相應的4-取代苯甲醛(7.68 mmol), 加熱回流約7 h(TLC監測), 冷卻至室溫, 將混合物倒入冰水中, 析出不溶性固體, 抽濾, 用無水乙醇重結晶, 干燥得中間體1a～1b.

1.3.2化合物2-[(4-取代哌嗪-1-基)亞甲基]-4-(4-取代芳基亞甲氨基)-5-(吡啶-3-基)-3H-1,2,4-三唑-3-硫酮(2a～2k)的合成將化合物1a或1b(0.91 mol)溶于8 mL無水乙醇中, 加入相應的取代哌嗪(1.00 mmol)和甲醛水溶液(質量分數37%)15 d, 室溫下攪拌反應1 h, 抽濾出不溶性固體, 用無水乙醇重結晶, 干燥得目標產物2a～2k.

1.3.3化合物1,1′-[哌嗪-1,4-雙(亞甲基)-(4-芳基亞甲氨基)-5-(吡啶-3-基)-3H-1,2,4-三唑-3-硫酮)](3a～3b)的合成將化合物1a或1b(0.91 mol)溶于8 mL無水乙醇中, 加入無水哌嗪(0.50 mmol)和甲醛水溶液(質量分數37%)20 d, 室溫下攪拌反應1 h, 抽濾出不溶性固體, 用無水乙醇重結晶, 干燥得目標產物3a～3b. 中間體和目標化合物的合成路線見Scheme 1.

中間體和目標化合物的理化性質和波譜數據見表1和表2.

Continued

Continued

a. In DMSO-d6;b. in CDCl3.

1.4生物活性測試

1.4.1 除草活性測試采用油菜(Brassicacampestris)平皿法和稗草(Echinochloacrusgalli)小杯法[33]測定目標化合物的除草活性.

1.4.2抑菌活性測試參考文獻[26], 采用菌絲生長速率法, 在50 mg/L目標化合物濃度下, 對黃瓜枯萎病菌(A.citrullinaSmith)、 花生褐斑病菌(C.arachidicola)、 蘋果輪紋病菌(P.piricola)、 小麥紋枯病菌(R.cerealis)、 番茄早疫病菌(A.solani)和小麥赤霉病菌(G.zeaePetch)等6種常見植物病原真菌進行了抑菌活性測試.

1.4.3KARI酶抑制活性測試利用重組質粒(含有水稻KARI 酶基因)轉化的大腸桿菌細胞大批量表達KARI酶[34], 在離體條件下研究化合物和KARI 酶的相互作用, 并選用文獻[34]報道的KARI酶抑制劑1,1-環丙烷二甲酸(CPD)作為對照化合物. 采用動態分析法[35], 將適量抑制劑溶液、 Tris-HCl緩沖液(0.1 mol/L, pH=8.0), NADPH(0.2 mmol/L), MgCl2(1 mmol/L)以及適量水稻KARI酶蛋白在比色皿中混勻, 于30 ℃保溫10 min, 加入含有乙酰乳酸(0.1 mmol/L)的混合液啟動酶反應, 以反應初期線性變化部分的斜率(ΔOD340/min)來表示初始酶活性, 連續記錄340 nm的吸光度(監控NADPH的消減), 可得到抑制劑對KARI酶的活性抑制曲線, 進而與空白對照計算抑制率.

2結果與討論

2.1化合物的合成

參照文獻[31,32]方法, 以煙酸為原料合成了中間體4-氨基-5-(吡啶-3-基)-4H-1,2,4-三唑-3-硫醇, 當此中間體與4-取代苯甲醛在少量冰醋酸催化下[36], 以無水乙醇作溶劑, 回流反應時并未順利得到Schiff堿中間體1. 而當其與4-取代苯甲醛按摩爾比1∶1.1投料, 直接以冰醋酸作溶劑, 加熱回流約7 h(TLC監測), 則可高產率得到中間體1a和1b(90%以上). 中間體1a和1b進而分別與不同的取代哌嗪和甲醛在乙醇中于室溫反應1 h即可順利得目標產物2a～2k. 當2倍量中間體1a或1b與無水哌嗪和甲醛反應時, 則可高產率得到雙Mannich堿3a～3b.

2.2生物活性

2.2.1除草活性由表3可知, 在100 mg/L濃度下, 化合物2b, 2g和2j對油菜胚根分別具有42.2%, 28.1%和29.3%的生長抑制率, 其余化合物活性不顯著. 部分化合物對稗草莖葉生長尚能表現出一定的抑制作用, 但總體來看活性較差.

2.2.2抑菌活性目標化合物的離體抑菌活性見表4, 在50 mg/L劑量下, 目標化合物對6種植物病菌均顯示出一定的離體抑制活性, 與對照藥三唑酮相比, 活性及廣譜性稍差. 然而, 化合物2a, 2d和2f對蘋果輪紋病菌的抑制活性均達到了50%以上, 與三唑酮活性接近, 具有一定的參考價值. 此外, 針對小麥紋枯病菌, 化合物2d, 2f和2j的抑菌活性也可達到43%以上. 由構效關系分析發現, 對于1,2,4-三唑4位上的芳基亞甲氨基, 其中苯環上對位氟取代(R1=F)的化合物的抑菌活性明顯優于對位三氟甲基取代的(R1=CF3). 總體來看, 當R1=F或CF3時, 哌嗪環上取代基(R2)相對應化合物的活性順序分別為4-氯芐基>2,4-二氯芐基及4,6-二甲基嘧啶-2-基>4-甲基嘧啶-2-基≈苯基>吡啶-2-基.

2.2.3KARI酶抑制活性目標化合物對KARI酶的離體抑制活性見表5, 其中化合物2a, 2b, 2d和2i在180 mg/L濃度下對KARI酶的抑制活性均達到50%以上, 尤其是化合物2i的抑制率為88.7%. 值得注意的是除化合物2i外, 苯環上對位為氟取代的Mannich堿活性普遍優于對位為三氟甲基的化合物, 這些發現對于新型KARI酶抑制劑的設計具有重要的參考意義.

3結論

設計合成了11個1,2,4-三唑Mannich堿、 2個雙Mannich堿和2個1,2,4-三唑Schiff堿中間體, 并確證了其結構. 生物活性測試結果表明, 部分化合物對雙子葉植物油菜具有一定的除草活性; 在50 mg/L的濃度下, 化合物大都具有不同程度的離體抑菌活性, 尤其對蘋果輪紋病菌活性突出, 部分產物與對照藥三唑酮抑菌效果相當. 此外, 部分化合物在180 mg/L濃度下對KARI酶表現出較高的離體抑制活性. 由構效關系分析可知, 苯環上對位為氟取代的Mannich堿生物活性普遍優于對位為三氟甲基的化合物.

參考文獻

[1]Zhu Q. S.,ProgressinChemistry, 2000, 12(4), 410—414(朱清時. 化學進展, 2000, 12(4), 410—414)

[2]Thornton J.,PureAppl.Chem., 2001, 73(8), 1231—1236

[3]Srivastava K. P.,Res.J.Chem.Environ., 2001, 5(2), 77—79

[4]Liu J. C., He H. W., Feng X. M.,Chin.J.Pestic., 2005, 44(1), 1—3(劉建超, 賀紅武, 馮新民. 農藥, 2005, 44(1), 1—3)

[5]Skerritt J. H., Davies L. P., Johnston G. A. R.,Eur.J.Pharmacol., 1982, 82(3), 195—197

[6]Wang S. B., Jin P., Li F. N., Quan Z. S.,Eur.J.Med.Chem., 2014, 84, 574—583

[7]Pravin K. S.,J.Agric.Food.Chem., 2012, 60, 5813—5818

[8]Li Q. Z., Song B. A., Cai X. J., Zheng G. Y., Guo Q. Q.,Chin.J.Org.Chem., 2010, 30(4), 569—575(李黔柱, 宋寶安, 蔡學健, 鄭國玉, 郭晴晴. 有機化學, 2010, 30(4), 569—575)

[9]Zheng G. Y., Guo Q. Q., Wang Q. H., Wen Q., Zhou L., Zhang G. Y.,Chin.J.Synth.Chem., 2015, 23(8),729—732(鄭國玉, 郭晴晴, 王清河, 文青, 周莉, 張國義. 合成化學, 2015, 23(8),729—732)

[10]Juan J. M., Maria J. M., Emma P., Angel M.,J.Agric.Food.Chem., 2008, 56(19), 8793—8800

[11]Zhai X., Zhao Y. F., Liu Y. J., Zhang Y., Xun F. Q., Liu J., Gong P.,Chem.Pharm.Bull., 2008, 56(7), 941—945

[12]Wang M. H., Zhu R. Z., Fan Z. J., Fu Y. F., Feng L., Yao J. H., Alain M., Xia Y., Qu F. Q., Peng L.,Bioorg.Med.Chem.Lett., 2011, 21(1), 354—357

[13]Li H., Tatlock J., Linton A., Gonzalez J., Jewell T., Patel L., Ludlum S., Drowns M., Rahavendran S. V., Skor H., Hunter R., Shi S. T., Herlihy K. J., Parge H., Hickey M., Yu X., Chau F., Nonomiya J., Lewis C.,J.Med.Chem., 2009, 52(5), 1255—1258

[14]Brandvang M., Charnock C., Gundersen L. L.,Bioorg.Med.Chem.Lett., 2009, 19(12), 3297—3299

[15]Xu Y., Xue S. J.,Chem.Res.ChineseUniversities, 2009, 25(6), 846—850

[16]Lahm G. P., Selby T. P., Freudenberger J. H., Stevenson T. M., Myers B. J., Seburyamo G., Smith B. K., Flexner L., Clark C. E., Cordova D.,Bioorg.Med.Chem.Lett., 2005, 15(22), 4898—4906

[17]Glenmark G. L.,PreparationofPrasugrelandItsHydrochlorideSaltandCrystalForms, WO 2010070677, 2010-06-24

[18]Hamid M. H. S. A., Allen C. L., Lamb G. W., Maxwell A. C., Maytum H. C., Watson A. J. A., Williams J. M. J.,J.Am.Chem.Soc., 2009, 131(5), 1766—1774

[19]Ochi T., Sakamoto M., Minamida A., Suzuki K., Ueda T., Une T., Toda H., Matsumoto K., Terauchi Y.,Bioorg.Med.Chem.Lett., 2005, 15(4), 1055—1059

[20]Tosoh C.,O-(5,6,7,8-Tetrahydro-2-naphthyl)-N-(6-methoxy-2-pyridyl)-N-methyl-thiocarbamateofMinimumInorganicSaltContentandTheirPreparation, JP 2006298832, 2006-11-02

[21]Wyeth L.,ImprovedProcessforPreparationofCoupledProductsfrom4-Amino-3-cyanoquinolinesUsingStabilizedIntermediates, WO 2010048477, 2010-04-29

[22]Suzuki H., Utsunomiya I., Shudo K., Fukuhara N., Iwaki T., Yasukata T.,Eur.J.Med.Chem., 2013, 69, 262—277

[23]Nagesh H. N., Suresh A., Sairam S. D. S. S., Sriram D., Yogeeswari P., Sekhar K. V. G. C.,Eur.J.Med.Chem., 2014, 84, 605—613

[24]Bourke J. B., Nelsen T. R., Eichler D.,J.Agric.FoodChem., 1977, 25(1), 36—39

[25]Xiong Q. Z., Lin X. F., Liu J. H., Bi L., Bao X. P.,Chin.J.Org.Chem., 2012, 32(7), 1255—1260(熊啟中, 林選福, 劉軍虎, 畢亮, 鮑小平. 有機化學, 2012, 32(7), 1255—1260)

[26]Wang B. L., Shi Y. X., Ma Y., Liu X. H., Li Y. H., Song H. B., Li B. J., Li Z. M.,J.Agric.Food.Chem., 2010, 58(23), 5515—5522

[27]Zhang L. Y., Wang B. L., Zhan Y. Z., Zhang Y., Zhang X., Li Z. M.,Chin.Chem.Let., 2016, 27, 163—167

[28]Wang B. L., Zhang L. Y., Zhan Y. Z., Zhang Y., Zhang X., Wang L. Z., Li Z. M.,J.FluorineChem., 2016, 184, 36—44

[29]Wang B. L., Liu X.H., Zhang X. L., Zhang J. F., Song H. B., Li Z. M.,Chem.Biol.DrugDes., 2011, 78(1), 42—49

[30]Wang B. L., Shi Y. X., Zhan Y. Z., Zhang L. Y., Zhang Y., Wang L. Z., Zhang X., Li Y. H., Li Z. M., Li B. J.,Chin.J.Chem., 2015, 33, 1124—1134

[31]Manishkumar B. P., Nishith R. M., Jignesh P. R., Shobhana K. M.,Org.Biomol.Chem., 2012, 10, 1785—1794

[32]Chekmeneva E., Hunter C. A., Packer M. J., Turega S. M.,J.Am.Chem.Soc., 2008, 130(52), 17718—17725

[33]Liu Z. M., Yang G. F., Qin X. H.,J.Chem.Technol.Biotechnol., 2001, 76(11), 1154—1158

[34]Lee Y. T., Ta H. T., Duggleby R. G.,PlantSci., 2005, 168(4), 1035—1040

[35]Hill C. M., Duggleby R. G.,Protein.Expres.Purif., 1999, 15(1), 57—61

[36]Wu J. D., Liu X. Y., Cheng X. C., Cao Y., Wang D. F., Li Z., Xu W. F., Pannecouque C., Witvrouw M., Clercq E. D.,Molecules, 2007, 12(8), 2003—2016

(Ed.: P, H, F, K)

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.21372133) and the “111” Project of Ministry of Education of China(No.B06005).

Synthesis and Biological Activities of Novel 5-(Pyridine-3-yl)-1,2,4-triazole Mannich Bases and Bis-Mannich Bases Containing Piperazine Moiety?

ZHANG Yan, WANG Baolei*, ZHAN Yizhou, ZHANG Liyuan, LI Yonghong, LI Zhengming

(StateKeyLaboratoryofElemento-OrganicChemistry,CollaborativeInnovationCenterofChemicalScienceandEngineering(Tianjian),NankaiUniversity,Tianjin300071,China)

KeywordsPyridine; 1,2,4-Triazole Mannich base; Piperazine; Biological activity

AbstractAccording to the drug design principle of active groups combination, a series of 5-(pyridine-3-yl)-1,2,4-triazole Mannich bases and bis-Mannich bases containing piperazine and fluorine moieties was designed and synthesized through the Mannich reaction of 1,2,4-triazole thiol intermediate. All the structures of new title compounds were characterized by1H NMR,13C NMR and elemental analysis. The bioassay results showed that several compounds exhibited herbicidal activities againstBrassicacampestrisin certain extent; compounds 2a, 2d and 2f possessed significant antifungal activities againstP.piricolaand were comparable with the control fungicide, triadimefon, at the concentration of 50 mg/L. Also, compounds 2a, 2b, 2d and 2i showed favorableinvitroketol-acid reductoisomerase(KARI) inhibitory activities with inhibition rate of 51.7%—88.7% at 180 mg/L.

收稿日期:2016-01-18. 網絡出版日期: 2016-05-18.

基金項目：國家自然科學基金(批準號: 21372133)和高等學校學科創新引智計劃項目(批準號: B06005)資助.

中圖分類號O626.32

文獻標志碼A

聯系人簡介: 王寶雷, 男, 博士, 副研究員, 主要從事有機化學和農藥化學研究. E-mail: nkwbl@nankai.edu.cn