新型氟喹諾酮類似物的合成及抗菌活性

陳修華, 劉麗君, 黃朝漫, 張應烙*, 李新生*

(1. 浙江師范大學 化學與生命科學學院，浙江 金華 321004； 2. 安徽農業大學 生命科學學院，安徽 合肥 230036)

細菌抗藥性增強已成為抗微生物化學療法在臨床實踐中的嚴重問題[1]。由于耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)、萬古霉素耐性鏈球菌(VRE)和耐青霉素的鏈球菌(PRSP)等耐藥菌的發病率呈上升趨勢，研制新型抗感染藥物的需求迫在眉睫[2-4]。

喹諾酮類抗菌藥主要是通過抑制細菌中的DNA回旋酶和拓撲異構酶Ⅳ，進而導致DNA雙鏈斷裂，并阻止其再連接來實現藥效的[5-7]。第1代喹諾酮類藥物于1962年上市，僅具有對革蘭陰性菌的適度活性，且口服吸收率低[8]。通過結構修飾，第2～4代喹諾酮類藥物相繼問世，代表性藥物為吡哌酸、環丙沙星和莫西沙星。與第1代藥物相比，具有更廣譜的活性，并且改善了對革蘭陰性菌的活性，使抗菌譜擴大[9-10]。

氟喹諾酮類藥物是以4-氧代-1,4-二氫喹啉-3-羧酸為母核結構的化學合成藥物。氟喹諾酮藥物具有廣譜殺菌性、較小的用后毒副作用、藥物分子結構相對簡單、價格適中等特點[11-12]。

根據喹諾酮類藥物的構效關系[13]，本文擬在C7位引入一系列3-氨基吡咯烷衍生物以合成喹諾酮衍生物。以2a～2h為起始原料，在鈀碳催化劑作用下，常壓氫解脫去芐氧羰基保護基，以定量的收率得到產品3a～3h；3a～3h無須純化，分別與1a或1b在DMSO中進行取代反應得到中間體；粗品在濃鹽酸作用下脫去Boc保護，最后用乙醇結晶得到高純度的化合物A1～A6和B1～B4，總收率50%～65%(Scheme 1),其結構經1H NMR、13C NMR和MS(ESI)表征。并采用濾紙片法，以左氧氟沙星和DMSO作為陽性對照和陰性對照，測定了10種目標化合物對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌及四聯球菌的抑制活性。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

YRT-3型熔點儀；Bruker 600 MHz型核磁共振儀(DMSO-d6為溶劑，TMS為內標)；Bruker MicroTof-Q II型質譜儀。

氧氟沙星，邁瑞爾公司；2a[13]，2b～2d[14]，2e～2f[15]，2g～2h[16]按文獻方法合成；其余所用試劑均為分析純。

1.2 A1～A6和B1～B4的合成(以A1為例)

將1a(0.47 mmol)溶于3 mL DMSO中，加入3a，升溫至100 ℃，反應2 h。加入H2O稀釋體系，用DCM(3×20 mL)萃取，合并有機相，真空干燥，旋蒸除溶，殘余物用冰浴冷卻，加入濃鹽酸(5 mL)，升溫至室溫，反應1 h(TLC追蹤)。旋蒸除溶，殘余物用乙醇結晶得化合物A1，收率67.6%。

用類似的方法合成化合物A2～A6和B1～B4。

化合物A1： 淡黃色固體130 mg,收率68%, m.p.229～230 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ: 15.34(s, 1H), 8.93(s, 1H), 8.31(s, 2H), 7.58(dd,J=13.9 Hz, 1.7 Hz, 1H), 4.94～4.85(m, 1H), 4.57～4.52(m, 1H), 4.29(t,J=9.7 Hz, 2H), 4.26～4.16(m, 1H), 3.87(dd,J=24.9 Hz, 11.9 Hz, 1H), 3.39(s, 1H), 1.45(dd,J=6.6 Hz, 2.1 Hz, 3H), 1.12(dd,J=9.0 Hz, 4.7 Hz, 1H), 0.90～0.83(m, 1H), 0.80～0.69(m, 2H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ: 176.1, 166.3, 153.0, 146.0, 137.4, 130.4, 124.9, 117.3, 106.6, 103.6, 68.2, 67.9, 57.2, 54.8, 50.7, 31.7, 31.7, 24.8, 18.0; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C19H20N3O4F{[M+H]+}374.1511, found 374.1480。

化合物A2： 淡黃色固體90 mg,收率60%, m.p.231～232 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ： 15.37(s, 1H), 8.93(s, 1H), 8.43(s, 2H), 7.56(d,J=13.2 Hz, 1H), 4.93～4.86(m, 1H), 4.55(d,J=10.8 Hz, 1H), 4.34～4.22(m, 1H), 4.16～3.99(m, 2H), 3.81～3.69(m, 3H), 2.40～2.32(m, 1H), 2.17～2.07(m, 1H), 2.02～1.85(m, 4H), 1.46(t,J=6.3 Hz, 3H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ： 176.2, 166.3, 146.3, 130.3, 125.2, 125.0, 116.5, 106.3, 104.0, 103.8, 68.2, 67.9, 55.6, 55.0, 45.9, 31.5, 24.1, 18.3, 17.9, 15.3; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C20H22N3O4F{[M+H]+}388.1667, found 388.1640。

化合物A3： 淡黃色固體88 mg,收率60%, m.p.232～233 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ： 15.37(s, 1H), 8.92(s, 1H), 8.43(s, 2H), 7.56(d,J=13.9 Hz, 1H), 4.89(s, 1H), 4.55(d,J=11.4 Hz, 1H), 4.30(t,J=12.4 Hz, 1H), 4.18(ddd,J=16.1 Hz, 11.2 Hz, 4.5 Hz, 1H), 3.92(ddd,J=12.7 Hz, 10.2 Hz, 2.9 Hz, 1H), 3.79(t,J=12.9 Hz, 1H), 3.60～3.49(m, 2H), 1.85(d,J=9.7 Hz, 1H), 1.65(dd,J=21.2 Hz, 10.9 Hz, 6H), 1.54(dd,J=11.6 Hz, 5.9 Hz, 1H), 1.46(dd,J=6.3 Hz, 3.5 Hz, 3H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ： 176.4, 166.7, 146.5, 130.7, 125.5, 125.3, 116.8, 106.6, 104.2, 104.1, 68.5, 68.2, 56.4, 55.4, 51.6, 36.5, 30.4, 24.8, 24.4, 18.6, 18.2; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C21H24N3O4F{[M+H]+}402.1824, found 402.1792。

化合物A4： 淡黃色固體70 mg,收率50%, m.p.233～234 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ： 15.35(s, 1H), 8.94(s, 1H), 8.25(s, 2H), 7.58(d,J=13.8 Hz, 1H), 4.89(s, 1H), 4.55(d,J=11.2 Hz, 1H), 4.37～4.29(m, 1H), 4.20～4.10(m, 1H), 3.87～3.71(m, 2H), 3.63(dd,J=20.5 Hz, 9.9 Hz, 1H), 3.52(s, 1H), 1.67～1.52(m, 6H), 1.46(d,J=6.6 Hz, 3H), 1.34～1.21(m, 4H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ： 176.2, 166.3, 146.3, 136.3, 125.1, 125.1, 116.8, 106.4, 103.9, 103.7, 68.1, 67.9, 57.9, 56.6, 54.9, 43.3, 33.5, 28.5, 25.4, 22.5, 18.1, 17.9; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C22H26N3O4F{[M+H]+}416.1980, found 416.1945。

化合物A5： 淡黃色固體66 mg,收率59%, m.p.215～216 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ： 15.25(s, 1H), 8.99(s, 1H), 8.62(s, 2H), 7.63(d,J=12.8 Hz, 1H), 4.94(d,J=6.7 Hz, 1H), 4.61(d,J=11.3 Hz, 1H), 4.40(d,J=11.3 Hz, 1H), 3.91(dd,J=53.9 Hz, 10.3 Hz, 1H), 3.67(d,J=10.2 Hz, 1H), 3.58(s, 1H), 3.55～3.46(m, 1H), 2.98(d,J=3.3 Hz, 1H), 2.36(dd,J=23.2 Hz, 15.4 Hz, 1H), 2.16(dd,J=13.7 Hz, 8.0 Hz, 2H), 1.68(dd,J=21.1 Hz, 12.0 Hz, 1H), 1.47(d,J=6.5 Hz, 3H), 1.23(s, 2H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ： 176.5, 166.7, 146.6, 130.6, 130.6, 125.6, 125.3, 116.8, 106.7, 104.3, 68.5, 68.2, 55.3, 46.2, 31.8, 24.4, 18.6, 18.2, 15.6; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C19H20N3O4F{[M+H]+}374.1511, found 374.1485。

化合物A6： 淡黃色固體110 mg,收率66%, m.p.228～229 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ8.91(s, 1H), 7.53(d,J=13.4 Hz, 1H), 4.87(d,J=6.5 Hz, 1H), 4.54(d,J=11.3 Hz, 1H), 4.30(d,J=11.3 Hz, 1H), 3.82(dt,J=17.5 Hz, 8.2 Hz, 1H), 3.67～3.44(m, 3H), 2.12(s, 1H), 1.96(td,J=14.0 Hz, 7.0 Hz, 1H), 1.78～1.66(m, 3H), 1.64～1.58(m, 1H), 1.42(dd,J=20.8 Hz, 6.7 Hz, 4H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ176.6, 166.7, 146.4, 139.3, 129.8 125.2, 119.1, 106.9, 103.9, 103.7, 68.5, 59.5, 56.5, 56.3, 55.6, 55.4, 41.1, 28.5, 19.1, 18.2; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C20H22N3O4F{[M+H]+}388.1667, found 388.1635。

化合物B1： 棕紅色固體80 mg,收率60%, m.p.215～216 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ： 15.12(s, 1H), 8.66(s, 1H), 8.51(s, 2H), 7.69(d,J=11.8 Hz, 1H), 4.14(s, 1H), 3.88(dd,J=132.3 Hz, 23.9 Hz, 5H), 3.54(s, 3H), 2.16(s, 1H), 1.92(s, 5H), 1.17(s, 1H), 1.06(d,J=32.1 Hz, 2H), 0.91(s, 1H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ： 176.0, 166.0, 163.6, 152.0, 150.4, 141.0, 136.3, 134.4, 117.6, 106.3, 61.6, 59.5, 55.5, 53.4, 45.9, 40.8, 30.7, 24.0, 15.2, 9.5, 8.6; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C21H24N3O4F{[M+H]+}402.1824, found 402.1789。

化合物B2： 淡黃色固體60 mg,收率56%, m.p.235～236 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ： 15.12(s, 1H), 8.67(s, 1H), 8.36(s, 2H), 7.70(d,J=13.9 Hz, 1H), 4.17～4.12(m, 1H), 4.02(dd,J=12.3 Hz, 7.0 Hz, 1H), 3.84(dd,J=10.6 Hz, 4.2 Hz, 1H), 3.68～3.59(m, 3H), 3.57(s, 3H), 3.43～3.39(m, 1H), 1.65～1.45(m, 8H), 1.41～1.26(m, 4H), 1.13(dd,J=12.6 Hz, 5.7 Hz, 1H), 1.08～1.00(m, 2H), 1.01～0.92(m, 1H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ： 176.2, 166.0, 152.2, 150.6, 141.3, 136.6, 134.6, 117.9, 106.9, 106.6, 62.1, 57.8, 56.5, 53.7, 43.4, 40.8, 40.1, 33.5, 28.5, 25.5, 22.5, 9.3, 8.9; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C23H28N3O4F{[M+H]+}430.2064, found 430.2096。

化合物B3： 淡黃色固體55 mg,收率59%, m.p.212～213 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ: 15.14(s, 1H), 8.66(s, 1H), 8.39(s, 2H), 7.68(d,J=13.9 Hz, 1H), 4.18～4.11(m, 1H), 4.04(dd,J=11.7 Hz, 4.8 Hz, 1H), 3.90(s, 1H), 3.75(dd,J=9.0 Hz, 4.3 Hz, 2H), 3.66(d,J=11.9 Hz, 1H), 3.56(s, 3H), 2.43～2.32(m, 1H), 1.59(dt,J=13.8 Hz, 6.9 Hz, 1H), 1.51～1.42(m, 1H), 1.26～1.08(m, 3H), 1.01(d,J=7.3 Hz, 1H), 0.98(t,J=7.3 Hz, 3H), 0.88(dd,J=10.6 Hz, 6.0 Hz, 1H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ： 176.4, 166.3, 152.3, 150.8, 141.3, 137.0, 135.0, 117.9, 107.1, 106.7, 62.4, 55.9, 53.9, 51.9, 42.6, 41.1, 19.8, 12.9, 10.1, 8.8; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C20H24N3O4F{[M+H]+}390.1824, found 390.1785。

化合物B4： 淡黃色固體102 mg,收率56%, m.p.223～224 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO)δ: 8.73(s, 2H), 8.64(s, 1H), 7.62(d,J=13.7 Hz, 1H), 4.14(s, 1H), 3.89(t,J=7.5 Hz, 1H), 3.87～3.82(m, 1H), 3.75(dd,J=10.3 Hz, 6.0 Hz, 1H), 3.59(s, 3H), 3.54(s, 1H), 3.49～3.45(m, 1H), 2.33(d,J=4.8 Hz, 1H), 1.79(dd,J=12.6 Hz, 6.1 Hz, 1H), 1.42～1.33(m, 1H), 1.14(s, 1H), 1.08～1.00(m, 2H), 0.94(t,J=7.3 Hz, 5H);13C NMR(151 MHz, DMSO)δ: 176.1, 165.9, 154.0, 152.4, 150.4, 141.8, 136.2, 134.4, 118.1, 106.5, 62.0, 54.5, 54.1, 53.2, 43.5, 40.8, 23.5, 12.0, 9.3, 8.8; HR-MS(ESI)m/z: calcd for C20H24N3O4F{[M+H]+}390.1824, found 390.1798。

1.3 抗菌活性測試

采用濾紙片法，分別以左氧氟沙星和DMSO作為陽性對照和陰性對照，測定了目標化合物A1～A6和B1～B4對大腸桿菌(E.coli)、金黃色葡萄球菌(S.aureus)和四聯球菌(M.tetragenus)的抑制活性。先用6 mm打孔器打孔制備6 mm紙片，121 ℃， 20 min滅菌，烘干備用。化合物用DMSO溶解，初始濃度6 mg·mL-1， 0.22 μm微孔濾膜過濾除菌備用。用接種環蘸取少許供試細菌菌落，用平板劃線法接種在LB固體培養基上，放于37 ℃培養箱中培養24 h；將活化好的細菌接入LB液體培養基，37 ℃， 180 r·min-1搖床培養24 h。在已滅菌溫度約50℃的20 mL LB固體培養基中加入100 μL菌體濃度約為106 cfu·mL-1的供試菌液，混勻后，倒入平板。待其凝固后，貼上滴加的5 μL藥液的濾紙片，即30 μg/濾紙片。分別用左氧氟西林和DMSO作為陽性對照和陰性對照。平板倒置于37 ℃培養箱中培養24 h。十字交叉法測量抑菌圈直徑。每個培養皿上貼3個濾紙片，作為平行實驗，結果取平均值，實驗結果見表1。

表1 目標化合物的抗菌活性

2 結果與討論

2.1 抗菌活性

由表1可知，在6 mg·mL-1濃度下，10種目標化合物對3種供試細菌均有良好的抑制活性。目標化合物對大腸桿菌的抑制直徑在16.1～25.9 mm，其中A2對大腸桿菌抑制活性最高，抑菌半徑達到左氧氟沙星的82.5%；目標化合物對金黃色葡萄球菌的抑制直徑在13.9～24.0 mm，其中A1對金黃色葡萄球菌的抑制活性最高，抑菌半徑達到左氧氟沙星的81.6%；目標化合物對四聯球菌的抑制直徑在14.2～24.8 mm，其中A5抑菌半徑超過左氧氟沙星，抑菌半徑為左氧氟沙星的119.3%。化合物A2與B1的C7位取代基相同，并且對三種供試細菌的抑制作用基本相同；化合物A4與B2的C7位的取代基相同，但是A4對金黃色葡萄球菌和四聯球菌的抑制活性明顯高于B2，對大腸桿菌的抑制活性無明顯差異。總體而言， 10種化合物對3種供試細菌均有抑制活性，并且以1a為前體合成的6種化合物的抗菌活性略高于以1b為前體合成的4種化合物，但是與標準對照物左氧氟沙星相比抑制活性并不理想。因此，母核的選擇，以及母核的C7位取代基的結構修飾需要進一步研究。

合成了10種新型的氟喹諾酮衍生物(A1～A6,B1～B4)，總收率50%～65%。抗菌活性測試結果顯示，在6 mg·mL-1濃度下，目標化合物對大腸桿菌，金黃色葡萄球菌和四聯球菌均有一定抑制效果。其中，化合物A5對四聯球菌的抑制直徑優于左氧氟沙星。初步的構效分析顯示，將3-氨基吡咯烷引入氟喹諾酮C7位形成的化合物，對3種供試細菌均有良好的抑制作用，這為喹諾酮類化合物結構的進一步設計提供了參考。