苯并异噻唑啉酮类衍生物的制备与生物活性测试

许凤玲,蔺存国,刘秀丽,徐 伟

(1.中船重工七二五所 海洋腐蚀与防护国防科技重点实验室,山东 青岛 266071;2.青岛中石油昆仑天然气利用有限公司,山东 青岛 266071;3.青岛保税港区管理委员会,山东 青岛 266071)

海洋生物污损是指海洋污损生物(包括海洋微生物、海洋植物和海洋动物)附着在海洋人工设施上造成的危害[1]。生物污损会引起金属腐蚀,增加船体运行阻力,影响养殖质量。而目前市场上广泛应用的海洋防污剂为铜基等含重金属离子的物质,不利于生态环境的保护,因而开发绿色防污剂成为当务之急。生物污损主要是由于在海洋工程表面海洋菌引起生物膜的形成,继而产生污损生物的附着,所以抑制海洋菌可以有效抑制生物污损,研制开发具有抑制海洋菌的绿色防污剂成为防污的一种重要手段。

异噻唑啉酮类化合物在杀藻抑菌方面有着很高的生物活性[2-3]。美国 ROHM＆HAAS公司于 20世纪 90年代初首先将 4,5-二氯-2-正辛基-4-异噻唑-3-酮(DCOI)开发成功并以Sea-Nine 211为商标投放市场,相关的研究证明 DCOI是一种环保型海洋防污剂,被称为绿色防污剂[4-5]。鉴于此我们合成了苯并异噻唑酮的衍生物,并对其进行了结构分析,与初步生物活性测试。

1 材料与方法

1.1 合成

1.1.1 仪器与试剂

XT4-100A 显微熔点仪(控温型,北京科仪电光仪器厂),BRUKER av-400型核磁共振仪(瑞士布鲁克仪器有限公司),气质联机Aglilent 6890GC/5973MSD(美国 Aglilent仪器有限公司,溶剂丙酮为色谱试剂纯,进样口温度280°C),MT23型元素分析仪(日本柳本公司)。所用试剂未经说明,均为市售分析纯,三乙胺与丙酮用前干燥,其余试剂未经处理。

每一步反应中均采用自制的硅胶(青岛海洋化工厂生产,200～300目)薄层板跟踪反应,用碘蒸汽显色或紫外灯显色;柱层析的硅胶为 160～200目(青岛海洋化工厂生产)。

1.1.2 中间体2-羟甲基苯并异噻唑-3(2H)-酮的合成

在装有搅拌器、回流冷凝管、 温度计的100 mL四口反应瓶中,加入苯并异噻唑啉酮15.2 g(0.1 mol),多聚甲醛3.3 g(0.11 mol),氯仿50 mL,搅拌滴加0.2 mL三乙胺,加热回流 5 h,反应液变澄清,停止反应。将反应液脱溶,残液倒入培养皿中,在红外灯下干燥,得到 14.3 g白色固体为羟甲基苯并异噻唑啉酮。收率 79.0 %,熔点 146～147°C(文献值：大于140°C)[6]。

1.1.3 标题化合物的合成

在装有搅拌器、冷凝管、温度计的50 mL反应瓶中,加入 1.8 g(10 mmol)羟甲基苯并异噻唑啉酮,1.1 g(11 mmol)三乙胺和20 mL已经干燥处理过的丙酮。冰水浴冷却、搅拌下滴加10 mmol取代苯甲酰氯的 10 mL丙酮溶液,反应立即进行,生成大量的白色沉淀,滴加完毕,撤去冰水浴,搅拌回流反应 2 h,反应液为淡黄色,过滤,滤液减压蒸馏得淡黄色液体,冷却得淡黄色固体。柱层析(石油醚 ：乙酸乙酯＝3 ：1)得纯品。

采用上述类似方法制得 4个目标化合物,其物理常数见表1。合成路线如下：

图1 标题化合物的合成路线Fig.1 Synthetic routes of title compounds

表1 标题化合物的物性参数Tab.1 Physical data of title compounds 2a～2c

1.2 生物活性测试

对合成的化合物进行了大肠杆菌(Escherichia coli)、金黄色葡萄球菌(Staphyloccus aurueus)、溶藻弧菌(Vibrio Alginolyticus)、嗜水气单胞菌(Aeromonas hydrophila)、枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)5种海洋菌的抑菌实验。方法如下：在1.5 mL的离心管内加入890 μL液体培养基、10 μL菌悬液和100 μL不同浓度的药品(对照实验为未放药品的空白实验),放在振荡培养箱内28 ℃培养24 h。将培养24 h后的菌-药的混合液进行稀释,取 100 μL已稀释好的菌液,在平板上涂布并培养 24 h后,计算菌落数,以确定该药物的杀菌效果。

2 结果与讨论

2.1 合成

合成化合物的光谱学数据见表2、表3。

2.1.1 核磁共振氢谱分析

所合成的标题化合物核磁共振氢谱中,不同环境的质子的化学位移值列于表2。1H NMR中,所有化合物中均出现化学位移基本相同的芳基氢和N—CH2—。由于受到酰胺基及酯基的共同的吸电子诱导效应,N—CH2—上氢原子周围电子云密度减小,质子所受到的抗磁性屏蔽(σd)减小,所以共振发生在较低场,位移值较大,在 6.0×10-6附近。化合物2a～2c中N—CH2—上氢原子由于同时受到酰胺基和苯甲酸基的诱导效应及共轭效应,化学位移大于 6.0×10-6。当芳环上取代基为吸电子基团如 F、Cl时—CH2—上氢的化学位移值要高于取代基为给电子基团时的化学位移值。

2.1.2 质谱与元素分析

为了确证化合物的分子结构,对部分化合物做了ESI质谱分析主要质谱数据见表2,其中化合物2a做了气相—质谱(EI)连用分析。化合物 2a的主要离子峰为285,256,164,136,105,77,51。产物离子的相对丰度主要由它的稳定性决定,m/z 105的丰度最大,说明C6H5—C≡O+的稳定性最高。可能的裂解方式如图2所示。

表2 标题化合物的1H NMR,部分MS(ESI)数据Tab.2 1H NMR and partial MS(ESI) and GC-MS data of title compounds 2a～2c

表3 标题化合物的元素分析数据Tab.3 Elementary analyis of title compounds 2a～2c

图2 化合物2a的可能裂解方式Fig.2 The possible fragmentation pathway of 2a

元素分析数据列于表3,实测值与计算值之间的偏差在允许范围之内。

2.2 生物活性测试

化合物的相对抑菌率计算公式如下：

药物浓度为10-6g/L时的相对抑菌率见表4。测试结果表明所合成的化合物10-6g/L时对5种菌均有抑菌活性。其中普遍对大肠杆菌抑菌效果最高,相对抑菌率均达 90%以上,其次是嗜水气单胞菌和溶藻弧菌,所以此类化合物有望应用于海洋防污剂的开发。

从以上活性的分析可以看出,化合物2a～2c的活性大于或平衡与化合物 1,目标化合物 2a～2c引入了 O=C-C6H5基团,苯环的引入,增加了参与氢键的形成的氢的数量,同时亲水基团的增加也使药物分子与受体形成氢键的能力增强,有利于化合物抑菌活性的增加。同时化合物的活性还与药物与受体作用的空间结构有关,所以下一步我们将通过空间结构的分析进一步讨论。

表4 抑菌活性数据Tab.4 Microbial inhibition activity data

3 结论

(1)本文以苯并异噻唑酮为原料合成了 3种未见文献报道的苯并异噻唑酮化合物,部分结构经1H NMR、MS、元素分析确证。

(2)通过对 5种菌的初步生物活性测试表明化合物均有抑菌活性,其中对大肠杆菌活性最高,相对抑菌率均达90%以上,有望开发为海洋防污剂。

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[2]Zani F,Vicini P,Incerti M.Synthesis and antimicrobial properties of 2-(benzylidene-amino)-benzo[d]isothiazol-3-ones[J].European Journal of Medicinal Chemistry,2004,39：135-140.

[3]Morley J O,Oliver A J,Charlton M H.Theoretical studies on the biocidal activity of 5-chloro-3-isothia zolone[J].Journal of Molecular Structure：THEOCHEM,1998,429(1)：103-110.

[4]Jacobson A H,Willingham G L.Sea-nine antifoulant：an environmentally acceptable alternative to organotin antifoulants[J].The Science of the Total Environment,2000,258(1)：103-110.

[5]Steen R J C A,Ariese F,Hattum B,et al.Monitoring and evaluation of the environmental dissipation of the marine antifoulant 4,5-dichloro-2-n-octyl-4-isothiazolin-3one (DCOIT) in a Danish Harbor[J].Chemosphere,2004,57(6)：513-521.

[6]Ryo O,Hideki N,Kozo K,et al.Synthesis and Antibacterial Activity of 2,2’-Dith-iobis (benzamide) Derivatives against Mycobacterium Species[J].Journal of Medicinal Chemistry,1985,28：1772-1779.