新型氟喹诺酮类似物的合成及抗菌活性

陈修华, 刘丽君, 黄朝漫, 张应烙*, 李新生*

(1. 浙江师范大学 化学与生命科学学院，浙江 金华 321004； 2. 安徽农业大学 生命科学学院，安徽 合肥 230036)

细菌抗药性增强已成为抗微生物化学疗法在临床实践中的严重问题[1]。由于耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、万古霉素耐性链球菌(VRE)和耐青霉素的链球菌(PRSP)等耐药菌的发病率呈上升趋势，研制新型抗感染药物的需求迫在眉睫[2-4]。

喹诺酮类抗菌药主要是通过抑制细菌中的DNA回旋酶和拓扑异构酶Ⅳ，进而导致DNA双链断裂，并阻止其再连接来实现药效的[5-7]。第1代喹诺酮类药物于1962年上市，仅具有对革兰阴性菌的适度活性，且口服吸收率低[8]。通过结构修饰，第2～4代喹诺酮类药物相继问世，代表性药物为吡哌酸、环丙沙星和莫西沙星。与第1代药物相比，具有更广谱的活性，并且改善了对革兰阴性菌的活性，使抗菌谱扩大[9-10]。

氟喹诺酮类药物是以4-氧代-1,4-二氢喹啉-3-羧酸为母核结构的化学合成药物。氟喹诺酮药物具有广谱杀菌性、较小的用后毒副作用、药物分子结构相对简单、价格适中等特点[11-12]。

根据喹诺酮类药物的构效关系[13]，本文拟在C7位引入一系列3-氨基吡咯烷衍生物以合成喹诺酮衍生物。以2a～2h为起始原料，在钯碳催化剂作用下，常压氢解脱去苄氧羰基保护基，以定量的收率得到产品3a～3h；3a～3h无须纯化，分别与1a或1b在DMSO中进行取代反应得到中间体；粗品在浓盐酸作用下脱去Boc保护，最后用乙醇结晶得到高纯度的化合物A1～A6和B1～B4，总收率50%～65%(Scheme 1),其结构经1H NMR、13C NMR和MS(ESI)表征。并采用滤纸片法，以左氧氟沙星和DMSO作为阳性对照和阴性对照，测定了10种目标化合物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌及四联球菌的抑制活性。

Scheme 1

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

YRT-3型熔点仪；Bruker 600 MHz型核磁共振仪(DMSO-d6为溶剂，TMS为内标)；Bruker MicroTof-Q II型质谱仪。

氧氟沙星，迈瑞尔公司；2a[13]，2b～2d[14]，2e～2f[15]，2g～2h[16]按文献方法合成；其余所用试剂均为分析纯。

1.2 A1～A6和B1～B4的合成(以A1为例)

将1a(0.47 mmol)溶于3 mL DMSO中，加入3a，升温至100 ℃，反应2 h。加入H2O稀释体系，用DCM(3×20 mL)萃取，合并有机相，真空干燥，旋蒸除溶，残余物用冰浴冷却，加入浓盐酸(5 mL)，升温至室温，反应1 h(TLC追踪)。旋蒸除溶，残余物用乙醇结晶得化合物A1，收率67.6%。

用类似的方法合成化合物A2～A6和B1～B4。

化合物A1： 淡黄色固体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： 淡黄色固体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： 淡黄色固体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： 淡黄色固体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： 淡黄色固体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： 淡黄色固体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： 棕红色固体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： 淡黄色固体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： 淡黄色固体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： 淡黄色固体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 抗菌活性测试

采用滤纸片法，分别以左氧氟沙星和DMSO作为阳性对照和阴性对照，测定了目标化合物A1～A6和B1～B4对大肠杆菌(E.coli)、金黄色葡萄球菌(S.aureus)和四联球菌(M.tetragenus)的抑制活性。先用6 mm打孔器打孔制备6 mm纸片，121 ℃， 20 min灭菌，烘干备用。化合物用DMSO溶解，初始浓度6 mg·mL-1， 0.22 μm微孔滤膜过滤除菌备用。用接种环蘸取少许供试细菌菌落，用平板划线法接种在LB固体培养基上，放于37 ℃培养箱中培养24 h；将活化好的细菌接入LB液体培养基，37 ℃， 180 r·min-1摇床培养24 h。在已灭菌温度约50℃的20 mL LB固体培养基中加入100 μL菌体浓度约为106 cfu·mL-1的供试菌液，混匀后，倒入平板。待其凝固后，贴上滴加的5 μL药液的滤纸片，即30 μg/滤纸片。分别用左氧氟西林和DMSO作为阳性对照和阴性对照。平板倒置于37 ℃培养箱中培养24 h。十字交叉法测量抑菌圈直径。每个培养皿上贴3个滤纸片，作为平行实验，结果取平均值，实验结果见表1。

表1 目标化合物的抗菌活性

2 结果与讨论

2.1 抗菌活性

由表1可知，在6 mg·mL-1浓度下，10种目标化合物对3种供试细菌均有良好的抑制活性。目标化合物对大肠杆菌的抑制直径在16.1～25.9 mm，其中A2对大肠杆菌抑制活性最高，抑菌半径达到左氧氟沙星的82.5%；目标化合物对金黄色葡萄球菌的抑制直径在13.9～24.0 mm，其中A1对金黄色葡萄球菌的抑制活性最高，抑菌半径达到左氧氟沙星的81.6%；目标化合物对四联球菌的抑制直径在14.2～24.8 mm，其中A5抑菌半径超过左氧氟沙星，抑菌半径为左氧氟沙星的119.3%。化合物A2与B1的C7位取代基相同，并且对三种供试细菌的抑制作用基本相同；化合物A4与B2的C7位的取代基相同，但是A4对金黄色葡萄球菌和四联球菌的抑制活性明显高于B2，对大肠杆菌的抑制活性无明显差异。总体而言， 10种化合物对3种供试细菌均有抑制活性，并且以1a为前体合成的6种化合物的抗菌活性略高于以1b为前体合成的4种化合物，但是与标准对照物左氧氟沙星相比抑制活性并不理想。因此，母核的选择，以及母核的C7位取代基的结构修饰需要进一步研究。

合成了10种新型的氟喹诺酮衍生物(A1～A6,B1～B4)，总收率50%～65%。抗菌活性测试结果显示，在6 mg·mL-1浓度下，目标化合物对大肠杆菌，金黄色葡萄球菌和四联球菌均有一定抑制效果。其中，化合物A5对四联球菌的抑制直径优于左氧氟沙星。初步的构效分析显示，将3-氨基吡咯烷引入氟喹诺酮C7位形成的化合物，对3种供试细菌均有良好的抑制作用，这为喹诺酮类化合物结构的进一步设计提供了参考。