新型苯并咪唑类查尔酮及其嘧啶衍生物的设计合成与抗微生物活性研究

摘要

查尔酮是一类重要的具有1,3-二芳基丙烯酮结构的化合物，广泛分布在一些药用植物和合成的活性分子中。由于查尔酮类化合物的结构具有较大的柔性，能与不同的受体结合，从而表现出广泛的生物活性，如抗氧化、抗肿瘤、抗炎、抗血管增生、抗菌和抗疟疾等生理活性。此外，查尔酮类化合物的毒性较低，其结构中的丙烯酮部分可以与多种亲核试剂发生Michael加成反应,进而关环可转化为具有广泛生物活性的嘧啶等衍生物。因此查尔酮类化合物在医药和有机合成领域引起了广泛兴趣，相关的研究异常活跃。
　　唑类化合物是一类重要的芳香杂环化合物，作为药物临床应用广泛。尤其是在抗细菌、抗真菌领域，唑类化合物发挥了重要的作用。与非稠合唑类相比，苯环稠合唑类如苯并咪唑和苯并三唑等含氮杂芳环，具有更大的共轭体系，更易于通过π-π相互作用、氢键等非共价键与生物体内的酶和受体相结合，显示出广谱的生物活性如抗细菌、抗真菌等。这显示出稠合唑类化合物在医药领域的巨大开发价值。鉴于此，本文基于查尔酮类化合物在国内外抗菌领域的研究与开发现状，设计合成了一系列新型的苯环稠合唑类查尔酮抗菌化合物及其相应的嘧啶衍生物，研究了其抗微生物能力，探讨了构效关系的研究，测试了高活性分子的细胞毒性，评估了人血清白蛋白（human serum albumin, HSA）的体外运输研究，初步探索了高活性低毒分子的抗微生物作用机制，主要工作总结如下：
　　(1)苯并三唑查尔酮类新化合物的制备：以氯乙酰氯和不同取代的苯为原料，在三氯化铝的催化条件下经 Friedel Crafts反应以90%以上高产率地得到化合物II–2a–c，进一步与苯并三唑发生亲核取代反应制备 N-1取代的苯并三唑中间体II–3a–c和N-2取代的苯并三唑中间体II–4a–b，最后以甲苯为溶剂以及冰醋酸和哌啶催化剂分别和各种取代的芳香醛发生缩合反应得到 -位取代的苯并三唑查尔酮化合物II–5a–n和II–6a–c。
　　(2)苯并咪唑查尔酮及其嘧啶衍生物的制备：以邻苯二胺和2-羟基丙酸为起始原料，在稀盐酸存在条件下经环化反应得到中间体III–2，进一步在重铬酸钾的氧化下得到乙酰基苯并咪唑中间体 III–3。化合物 III–3与不同取代的芳香醛在氢氧化钾催化的条件下发生缩合反应得到苯并咪唑查尔酮 III–4a–d。化合物 III–4a–d与不同链长的溴化物发生取代反应得到烷基取代的苯并咪唑查尔酮 III–5a–p。苯并咪唑查尔酮（III–4a–d和 III–5a–b）再与盐酸胍发生环化反应生成氨基嘧啶化合物III–6a–p和III–7a–d。
　　(3)用1H NMR、13C NMR、IR和HRMS等现代波谱手段确证了合成的新化合物结构。
　　(4)测试了II和III系列中新化合物的的体外抗细菌和抗真菌活性。研究发现，部分的苯并三唑查尔酮类化合物显示出较好的抗菌活性。尤其是苯并三唑查尔酮化合物II–5e对藤黄微球菌的抑制活性(MIC=0.5μg/mL)强于氯霉素和诺氟沙星。N-2位衍生的苯并三唑衍生物II–6a对变形杆菌(MIC=8μg/mL)和大肠杆菌JM109具有较强的抑制作用(MIC=8μg/mL)，强于参考药物氯霉素，并显示出广谱的抗真菌活性，MIC值介于4到16μg/mL。系列III中苯并咪唑查尔酮转化为氨基嘧啶有助于改善生物活性。相比与查尔酮前体，大部分苯并咪唑嘧啶衍生物对所测试的菌株显示出更强的抑制效力，特别是革兰氏阴性菌。苯环上取代基类型以及苯并咪唑 N-1烷基链的长度对嘧啶衍生物的生物活性有显著影响。其中，苯并咪唑嘧啶化合物III–7d显示出广谱的抑制活性，MIC值介于1到16μg/mL。它对耐药菌MRSA的抑制效果(MIC=8μg/mL)是氯霉素的2倍，并且它能有效抑制大肠杆菌 DH52的生长(MIC=1μg/mL)，MIC值与诺氟沙星相当。这显示出化合物III–7d具有潜在的抗微生物应用前景，值得进一步研究。
　　(5)药物联用实验结果表明化合物II–5e和II–6a分别与氯霉素、诺氟沙星和氟康唑联用时，主要显示为协同效应，有利于增强抗微生物活性和拓宽抗菌谱。利用紫外光谱波谱手段研究了苯并三唑查尔酮 II–6a与小牛胸腺 DNA的相互作用。通过中性红（NR）相互竞争作用得到了化合物II–6a与DNA的作用方式为嵌入式，进一步抑制细菌和真菌的DNA复制，从而起到抑菌作用。
　　(6)高活性化合物III–7d诱导MRSA产生耐药性的几率低于临床药物氯霉素和诺氟沙星，并且对人肝细胞LO2显示出较低的毒性。活性氧实验研究表明，化合物 III–7d能产生适量浓度的活性氧（ROS），不会损伤正常细胞的 DNA、蛋白质及脂质。分子对接模拟和 III–7d与 DNA相互作用实验结果表明化合物 III–7d能有效抑制细菌DNA的复制，有利于活性分子发挥药效。此外利用荧光光谱、紫外光谱等波谱手段研究了目标活性分子 III–7d与人血清白蛋白的相互作用。通过III–7d–HSA体系的荧光猝灭机理、结合位点数、结合常数、热力学参数等，推断出III–7d与HSA的结合是自发进行的，主要作用力类型为氢键和疏水作用。
　　本论文共合成67个化合物，其中新化合物53个，包括苯并三唑化合物中间体8个、苯并咪唑中间体6个、苯并三唑查尔酮化合物17个，烷基苯并咪唑查尔酮化合物16个、氨基嘧啶衍生物20个。

目录

声明

符号说明

第一章 查尔酮化合物在医药领域研究新进展及论文选题

本章详细中文摘要

1.1 Introduction

1.2 Diphenyl chalcones as medicinal agents

1.3 Heteroaryl chalcones as medicinal agents

1.4 Chalcones derivatives as medicinal agents

1.5 Conclusion and prospects

1.6 Strategy of this thesis

References

第二章 苯并三唑查尔酮类新化合物的设计合成及抗微生物作用研究

本章详细中文摘要

2.1 Introduction

2.2 Results and discussion

2.3 Conclusion

2.4 Experimental protocols

References

APPENDIX I

第三章 苯并咪唑查尔酮及其嘧啶衍生物的设计合成与抗微生物活性研究

本章详细中文摘要

3.1 Introduction

3.2 Results and discussion

3.3 Conclusion

3.4 Experimental protocols

References

APPENDIX II

Conclusion (总结)

Financial support (基金支持)

致谢

A brief introduction to the author (作者简介)

Achievements (研究成果)