新型喹唑啉酮唑类化合物的设计合成及其抗微生物活性研究

摘要

喹唑啉酮是一类含有苯并嘧啶酮骨架的重要含氮杂环化合物，存在于很多天然生物碱如常山碱、骆驼宁碱、山小桔宁碱等中。喹唑啉酮类化合物因其喹唑啉酮骨架易被多种功能基团修饰而呈现出广泛的应用潜能，尤其是在医药领域，喹唑啉酮类活性分子因其具有低毒、高效、作用方式独特等优点备受研究者关注。许多喹唑啉酮类药物如抗惊厥药物甲喹酮和吡甲苯喹酮、抗高血压药物酮色林及抗癌药物雷替曲塞等已被成功运用于临床，激励着越来越多的相关研究者从事新型喹唑啉酮类化合物的设计、合成与生物活性研究。
　　在抗微生物领域，随着近些年来诸如喹诺酮类等抗生素的广泛使用甚至滥用，使得耐药菌株不断频发，导致许多临床抗微生物药物的药效大大降低甚至完全无效，因此对于新型高效抗微生物药物的研发迫在眉睫。喹唑啉酮作为抗菌药物喹诺酮的重要衍生结构，在抗微生物领域显示出巨大的开发潜力。研究显示出喹唑啉酮的2-和3-位是影响抗微生物活性的重要位点，同时也是较为容易修饰的部位，因此众多研究者针对其2-和3-位进行了大量的结构修饰以评估其抗微生物活性，并取得了许多优秀的成果。
　　氮杂环唑类化合物如咪唑、三唑、四唑等能够与生物体内多种酶和受体通过非共价键发生相互作用，呈现出广泛的生物活性。基于唑环的抗微生物药物如咪唑类克霉唑、咪康唑、奥昔康唑等，三唑类氟康唑、特康唑、依曲康唑等以及含有四唑结构的头孢类药物等已广泛用于临床治疗多种感染性疾病，显示出了唑类化合物在抗微生物领域的巨大开发价值和潜在应用。
　　鉴于此，综合喹唑啉酮类化合物在国内外抗菌领域的研究与开发现状以及本课题组对杂环化合物抗微生物活性研究的工作基础，本论文将唑环引入喹唑啉酮骨架的2-或3-位，设计合成了一系列新型的喹唑啉酮唑类抗菌化合物，探索了目标化合物的制备方法与条件，对其进行了体外抗菌活性以及构效关系的研究，并运用紫外、荧光等波谱手段探究了高活性目标化合物的抗菌作用机制，主要工作总结如下：
　　(1)3-位席夫碱桥连的喹唑啉酮咪唑类新化合物的制备：以2-氨基-4-氯苯甲酸和醋酸甲脒为原料，在乙二醇单甲醚做溶剂条件下经环化反应高产率地得到化合物 II-1，再与氯乙酸乙酯经亲核取代反应有效地制备氯化物中间体 II-2，然后与水合肼经胺解反应高产率地得到酰肼中间体II-3，再在乙醇作溶剂的条件下与2-正丁基-4(5)-氯-5(4)-甲酰基咪唑缩合脱水得到席夫碱中间体II-4，最后在乙腈为溶剂以及碳酸钾做催化剂的条件下分别和各种不同链长的溴化物、不同取代基的卤苄化合物反应得到喹唑啉酮席夫碱唑类化合物II-5a-h和II-6a-l。
　　(2)2-位取代的喹唑啉酮唑类新化合物的制备：以2-氨基-4-氯苯甲酸和氯乙腈为起始原料，在醇钠作催化剂的条件下经环化反应高产率地得到氯甲基化合物中间体III-1，再经硝化反应在III-1的6-位引入硝基快捷有效地制备中间体III-2，最后中间体III-1和III-2分别用咪唑、苯并咪唑、三唑、四唑、噻唑等唑类化合物进行亲核取代得到喹唑啉酮6-位无取代基的唑类化合物III-3a-i，6-位硝基取代的唑类化合物III-6a-c，氨基唑衍生的化合物III-4a-c和III-7a-c，巯基唑衍生的化合物III-5a-d和III-8a-d。
　　(3)所有新化合物的结构均经1H NMR、13C NMR、IR、MS和HRMS等现代波谱手段证实。
　　(4)探索了溶剂和催化剂对喹唑啉酮唑类化合物III-3-8制备的影响：结果显示制备除咪唑、2-甲基咪唑、2-异丙基咪唑之外的其它单纯唑类化合物的最佳反应条件是以DMF作溶剂，等摩尔的K2CO3作催化剂，而咪唑、2-甲基咪唑、2-异丙基咪唑喹唑啉酮的制备则以DMF作溶剂，强碱氢化钠作催化剂效果较为理想。制备氨基唑类喹唑啉酮目标化合物的最佳反应条件则是以二氯甲烷作溶剂，催化量的DMAP和过量的三乙胺作催化剂。而制备巯基唑类喹唑啉酮目标化合物时，则以乙醇作溶剂、过量的三乙胺作催化剂产率最高。
　　(5)研究了目标化合物及中间体的体外抗细菌、抗真菌活性，并初步探讨了其构效关系：结果显示，大部分目标化合物对4种革兰阳性菌、6种革兰阴性菌和5种真菌表现出较差或中等的抗细菌、抗真菌活性，部分目标化合物表现出与临床药物相当的抗微生物活性，值得进一步研究，这与理论脂水分配系数 ClogP的模拟结果相吻合。构效关系显示咪唑环的引入在抗微生物活性中发挥着重要作用，其中化合物II-5d-e对真菌表现出中等的抑制活性，此外化合物II-6i抗细菌活性的MIC值达到0.02-0.8μmol/mL，与参考药物氯霉素相当。
　　(6)利用紫外光谱法初步研究了高活性目标化合物II-6i的抗菌作用机制：结果显示化合物II-6i能与小牛胸腺DNA通过嵌入的方式发生相互作用形成II-6i-DNA复合物，进而阻碍DNA的复制，发挥抗微生物活性。
　　(7)研究了目标化合物III及中间体的体外抗细菌、抗真菌活性，初步探讨了化合物结构与抗微生物活性间的关系：结果显示部分化合物如III-3e、III-3g-h、III-5c和III-8d对藤黄微球菌、金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有很强的抑菌效果，MIC值达到2-8μg/mL。活性最好的目标化合物为巯基三唑喹唑啉酮III-8c，其对所测细菌和真菌均表现出很强的抑菌能力，MIC值达到2-16μg/mL。初步构效关系研究表明，在抗细菌方面，总体上是三唑类的活性强于咪唑类，而四唑类最差。此外，在6-位引入硝基有利于拓宽抗微生物谱。硫醚键和氮氢键的引入对抗细菌活性影响不大。在抗真菌方面，咪唑衍生的III-3a、III-3c-d和III-5a对白色念珠菌和啤酒酵母菌具有很好的抑菌效果，MIC值为1-8μg/mL，硝基、硫醚键和氮氢键的引入对抗真菌活性影响不大。
　　(8)利用紫外光谱法初步研究了高活性目标化合物III-8c的抗菌作用机制：结果显示化合物III-8c能与小牛胸腺DNA发生相互作用。通过与中性红(NR)的竞争实验得出化合物III-8c能嵌入DNA进而阻碍DNA的复制，导致菌株的死亡。
　　(9)利用荧光光谱法研究了活性分子III-8c与人血清白蛋白的相互作用：通过III-8c-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-8c-HSA结合是自发进行的，主要作用力类型为氢键和范德华力。
　　本文总共合成52个化合物，其中新化合物47个。包括第二章中的中间体4个，氮烷基化目标化合物II-5a-h有8个，氮芳基化目标化合物II-6a-l有12个，第三章中的中间体2个，喹唑啉酮6-位无取代基的唑类化合物III-3a-i有9个；6-位硝基取代的唑类化合物 III-6a-c有3个；氨基唑衍生的化合物III-4a-c和III-7a-c共计6个；巯基唑衍生的化合物III-5a-d和III-8a-d共计8个。

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第一章 喹唑啉酮化合物在抗微生物领域的研究新进展及论文选题

Chapter 1 Recent researches in quinazolinone compounds as antimicrobial agents and strategy of this thesis

1.1 Introduction

1.2 Antimicrobial activities

1.3 Conclusion and prospects

1.4 Strategy of this thesis

参考文献

第二章 3-位席夫碱桥连的喹唑啉酮咪唑类新化合物的设计合成与抗微生物作用研究

Chapter 2 Design, synthesis and biological evaluation of a new class of 3-schiff base bridged quinazolinone imidazoles and their interactions with DNA

2.1 Introduction

2.2 Results and discussion

2.3 Conclusion

2.4 Experimental protocols

参考文献

APPENDIX I

第三章 2-位取代的喹唑啉酮唑类新化合物的设计合成及其抗微生物作用研究

Chapter 3 Design, synthesis and biological evaluation of novel 2-substituted quinazolinone azoles and their interactions with DNA and HSA

3.1 Introduction

3.2 Results and discussion

3.3 Conclusion

3.4 Experimental protocols

参考文献

APPENDIX II

Conclusion (结论)

Financial support

致谢

A brief introduction to the author

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