咪唑[1,2-b]并苯并噻唑新抗微生物药物研究

摘要

苯并噻唑是一类含特殊的硫氮共轭的芳杂环系统，该类化合物具有良好的药理特性和抗肿瘤、抗细菌、抗真菌和抗过敏能力，在药物设计中十分具有吸引力。而咪唑稠合的苯并噻唑衍生物是药物化学中一类新的生物活性分子，其特殊的结构在生物体内易于与各种阴阳离子、大小分子如DNA、酶和受体等通过氢键、配位键、π-π堆积、静电、疏水作用和范德华力等非共价键发生相互作用。咪唑[2,1-b]并苯并噻唑是一类稠合的苯并噻唑环结构，其新颖的结构为开发新型抗微生物药物提供了新希望，展现出巨大的开发价值。越来越多的研究工作致力于以咪唑[2,1-b]并苯并噻唑为先导化合物的药物研发，包括在抗细菌、抗癌、抗惊厥、消炎、抗阿尔茨海默病、抗精神病、抗糖尿病、利尿和抑制酪氨酸蛋白酶等多个方面的积极探索，通过对其基本骨架进行结构修饰，引入不同的活性药效团，期望获得生物活性高、毒副作用低、药代动力学性质好的咪唑并苯并噻唑类药物。这些表明咪唑[2,1-b]并苯并噻唑的医药研究将成为日益活跃的热门课题。 唑类杂环化合物如咪唑、三唑、苯并咪唑、四唑等由于其作为药物的宽广应用潜力已受到特别关注。其特殊结构使得他们能够容易地通过弱相互作用与生物体中活性分子如酶与受体等相互作用，因此这类杂环分子具有广谱生物活性。已有大量深入的研究针对基于唑类化合物作为多靶点活性分子的发展，并且这也是近些年来的研究热点。因此，基于本课题组有关抗菌与抗真菌唑类分子的研究，参照近来国内外关于咪唑[2,1-b]并苯并噻唑类药物的研究与开发现状,设计合成了一系列新型咪唑[2,1-b]并苯并噻唑化合物，并对其进行了体外抗菌抗真菌活性及构效关系的研究，讨论了化学结构片段对抗菌活性的影响。进一步评估了高活性分子的药效学、毒理学及药代动力学性质，并深入研究了高活性化合物的初步抗菌机制。主要工作总结如下： （1）唑醚类咪唑[2,1-b]并苯并噻唑类化合物的制备：以氨基苯并噻唑Ⅱ-1a-b为起始原料，与溴乙酰苯缩合得到化合物Ⅱ-2a-b。咪唑[2,1-b]并苯并噻唑衍生物Ⅱ-2a-b进一步与醇钠、甲醛在甲醇溶剂中发生取代反应得到中间体羟甲基咪唑[2,1-b]并苯并噻唑Ⅱ-3a-b，然后在Ⅱ-3a-b的四氢呋喃溶液中加入氢化钠和多种卤代烷烃在室温回流得到烷基化咪唑[2,1-b]并苯并噻唑中间体咪唑[2,1-b]并苯并噻唑溴化物Ⅱ-4a-f。最后不同的咪唑、三唑类化合物经取代反应得到目标分子5-硝基咪唑醚类咪唑[2,1-b]并苯并噻唑化合物Ⅱ-5a-f、4-硝基咪唑醚类咪唑[2,1-b]并苯并噻唑化合物Ⅱ-6a-f和三唑醚类咪唑[2,1-b]并苯并噻唑化合物Ⅱ-7a-f。 （2）咪唑[2,1-b]并苯并噻唑类氟康唑杂合体的制备：以氨基苯并噻唑Ⅱ-1a-b为起始原料，与溴乙酰苯缩合得到化合物Ⅱ-2a-b。咪唑[2,1-b]并苯并噻唑衍生物Ⅱ-2a-b进一步与保护的哌嗪、甲醛在乙醇与乙酸混合溶剂中发生曼尼希反应得到中间体哌嗪类咪唑[2,1-b]并苯并噻唑Ⅲ-3a-b，其进一步脱保护得到化合物Ⅲ-4a-b。最后不同的三唑、四唑、苯并咪唑类环氧化物经化合物Ⅲ-4a-b开环得到目标分子Ⅲ-5a-l。 （3）苯并咪唑衍生的咪唑[2,1-b]并苯并噻唑化合物的制备：以取代的氨基苯并噻唑为起始原料经缩合反应得到化合物Ⅳ-2a-b，再经威尔斯麦尔反应得到中间体Ⅳ-3a-b，其产率为70–74%。在70oC条件下，化合物Ⅳ-3a-b与邻二苯胺环化反应得到苯并咪唑衍生物Ⅳ-4a-b。再将化合物Ⅳ-4a-b分别与不同长度的溴代烷基链及不同取代的苄卤发生亲核取代反应即可制得咪唑[2,1-b]并苯并噻唑类化合物Ⅳ-5-6。 （4）席夫碱类咪唑[2,1-b]并苯并噻唑化合物的制备：以氨基苯并噻唑Ⅱ-1a-b为起始原料，与溴乙酰苯缩合得到化合物Ⅱ-2a-b，这与第二章合成步骤相同。化合物Ⅱ-2a-b再经威尔斯麦尔反应得到重要中间体咪唑[2,1-b]并苯并噻唑醛Ⅳ-3a-b，这与第四章合成步骤相同。中间体Ⅳ-3a-b在无水乙醇中用冰醋酸作催化剂与2-氨基噻唑反应得到席夫碱键连的咪唑[2,1-b]并苯并噻唑衍生物V-4a-b。此外，苯并噻唑及苯并咪唑席夫碱衍生的V-5a-d、三唑及四唑席夫碱衍生的V-6a-d、氨基硫脲席夫碱衍生的V-7a-b、萘酰亚胺席夫碱衍生的V-8a-d以及5-氟胞嘧啶衍生的V-8a-b均通过类似的合成方法得到。 （5）用NMR、IR、HRMS等现代波谱手段确证了合成的新化合物结构。 （6）体外抗菌活性测试表明系列Ⅱ中一些中间体与目标化合物能够有效抑制所测微生物的生长。结果发现，2-甲基-5-硝基咪唑杂合体Ⅱ-5a具有广谱抗菌活性，对耐甲氧西林葡萄球菌的抑制活性(MIC=2μg/mL)分别是氯霉素和诺氟沙星的8倍和4倍，对铜绿假单胞菌和伤寒杆菌(MIC=2μg/mL，MIC=1μg/mL)也具有较强的抑制作用，均优于诺氟沙星。化合物Ⅱ-5a能嵌入DNA，进而有效的抑制DNA的复制，从而导致菌株的死亡。分子对接模型结果表明活性分子Ⅱ-5a与CYP51酶可以通过非共价键发生相互作用。研究发现化合物Ⅱ-5a的硝基咪唑中硝基与残基MET-1121发生π-π堆积作用，这有利于化合物-酶络合物的稳定，这也一定程度上解释了化合物Ⅱ-5a的强抗菌活性。 （7）体外抗菌测试表明系列Ⅲ中大多数化合物显示出好的抗微生物活性，其中咪唑[2,1-b]并苯并噻唑杂合体Ⅲ-5c对白色念珠菌的抑制活性(MIC=1μg/mL)与氟康唑相当，对近平滑念珠ATCC20019(MIC=4μg/mL)也具有较强的抑制作用，是参考药物氟康唑的两倍。对于烟曲霉菌，化合物Ⅲ-5c(MIC=4μg/mL)也显示出优于氟康唑抑制活性(MIC>64μg/mL)。耐药性测试表明高活性分子Ⅲ-5c诱导临床菌株产生耐药性的几率低于临床药物氟康唑，并且对白色念珠菌具有快速杀灭效果。抗菌作用机制研究表明，化合物Ⅲ-5c能与DNA形成一种稳定的Ⅲ-5c-DNA络合物，进而有效的抑制DNA的复制，从而导致菌株的死亡。 （8）体外抗菌测试表明系列Ⅳ中大多数化合物显示出好的抗微生物活性，其中乙氧基修饰的庚基衍生物Ⅳ-5j能有效抑制鲍曼不动杆菌的生长，其MIC值为2μg/mL。ClogP分析研究表明大部分苯并咪唑衍生的咪唑[2,1-b]并苯并噻唑化合物都是脂溶性分子(ClogP=8.157-12.401)。研究了化合物Ⅳ-5j与鲍曼不动杆菌DNA的相互作用。通过与中性红(NR)相互竞争作用得到了化合物Ⅳ-5j与DNA的作用方式是嵌入式。分子对接研究结果显示，化合物Ⅳ-5j能跟DNA回旋酶的GLY1117残基通过氢键进行结合，从而有效抑制DNA复制。 （9）抗细菌活性研究数据显示出部分目标化合物V-4a-b、V-5a-d、V-6a-d、V-7a-b、V-8a-b和V-9a-d具有中等或较强的抗细菌活性，其中活性最强的是目标化合物萘酰亚胺席夫碱衍生的咪唑[2,1-b]并苯并噻唑V-8b，尤其对革兰阴性大肠肝菌标准菌具有较好的抑制活性，最小抑制浓度为2μg/mL，优于临床药物诺氟沙星。杀菌动力学与耐药性测试结果表明高活性分子V-8b显示出快速杀菌速率以及极低的耐药性诱导率。人血清白蛋白的相互作用表明高活性分子V-8b能够被人血清白蛋白有效运输。利用紫外光谱和DNA探针探索了高活性目标分子V-8b与大肠肝菌标准菌DNA的相互作用，结果表明化合物V-8b能以嵌入的方式与DNA碱基形成稳定的超分子络合物，从而影响细菌DNA的复制，起到抑菌作用。 本论文共合成咪唑[2,1-b]并苯并噻唑类化合物及其中间体95个，其中新化合物72个，有50个新化合物抑制某些菌的生长能力强于诺氟沙星、氯霉素和/或氟康唑，强活性化合物能快速杀灭细菌且不产生耐药性，同时能够有效嵌入DNA，并能够被人血清白蛋白有效运输。该咪唑[2,1-b]并苯并噻唑类化合物作为新型抗微生物药物值得深入研究。

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