新型喹诺酮唑类化合物的设计合成及其抗菌作用研究

摘要

喹诺酮是一类重要的以DNA回旋酶和拓扑异构酶为靶点的合成类抗菌药物。其强的抗菌能力、广的抗菌谱、不良反应小以及药代动力学性质好等优点吸引着众多的科学工作者致力于喹诺酮结构药物的研发，相继开发出四代喹诺酮抗菌药物并广泛应用于临床，在治疗呼吸道感染、前列腺炎、慢性支气管炎以及泌尿系统感染等细菌性感染疾病发挥着重要作用，是迄今为止最重要的合成类抗感染药物。大量文献和临床结果表明基于喹诺酮结构的修饰是研发新型、高效、抗耐药性强抗菌药的高效途径之一。此外，唑类化合物如三唑、咪唑、噻唑等含氮芳杂环以其独特的结构易与生物体内多种酶和受体等作用靶点发生相互作用，在药物开发中发挥着重要的作用，相关工作众多，且已取得丰硕的研究成果。然而，随着近些年来抗生素、喹诺酮类抗感染药物在临床上的广泛使用甚至滥用导致全球性的耐药菌株频发，严重危及人类健康，因此新型抗耐药性的抗菌药物的研发迫在眉睫。鉴于此，本文基于喹诺酮类化合物在国内外抗菌领域的研发现状与本课题组有关喹诺酮和唑类化合物的前期工作，设计合成了一系列新型的喹诺酮唑类抗菌化合物，探索了目标化合物的制备方法与条件，并对其体外抗菌活性、理化性质以及构效关系的进行了研究，还对高活性的目标分子进行了细胞毒性、抗耐药性和人血清白蛋白的体外运输研究，同时还深入探究了高活性低毒的目标分子的抗菌作用机制，主要工作总结如下:
　　(1)新型喹诺酮三唑醇类化合物的合成:以原甲酸三乙酯、丙二酸二乙酯以及醋酸酐为原料高产率地制得化合物Ⅱ-1。再以苯环上不同取代的苯胺和上述制备得到的中间体经亲核取代反应制备得到化合物Ⅱ-2a-h;再在高沸点溶剂二苯醚回流的条件下少量多次地加入化合物Ⅱ-2a-h得到相应的重要中间体Ⅱ-3a-h;然后再分别与环氧氯丙烷反应得到喹诺酮化合物Ⅱ-4a-h;再经1，2，4-三唑环在碳酸钟为催化剂和乙醇做溶剂的条件下开环得到喹诺酮化合物喹诺酮唑醇类Ⅱ-5a-h;再经氢氧化钠的浓溶液回流水解得到目标化合物喹诺酮三唑醇类Ⅱ-6a-h;
　　(2)新型喹诺酮硝基咪唑杂合子的合成:以苯环上不同取代的苯胺和乙氧亚甲基丙二酸二乙酯经亲核取代反应制备得到化合物Ⅲ-1a-h;再在高沸点溶剂二苯醚回流的条件下少量多次地加入化合物Ⅲ-1a-h得到相应的重要中间体Ⅲ-2a-h;再经环氧氯丙烷亲核取代反应得到喹诺酮化合物Ⅲ-3a-h;再经4-硝基咪唑和2-甲基-5硝基咪唑在碳酸钾为催化剂和乙醇做溶剂的条件下开环分别得到喹诺酮硝基咪唑类Ⅲ-4a-h和Ⅲ-5a-h;再经氢氧化钠的浓溶液回流水解得到目标化合物喹诺酮硝基咪唑杂合子Ⅲ-6a-h和Ⅲ-7a-h;
　　(3)新型3-氨基噻唑喹诺酮抗菌化合物的合成:以原甲酸三乙酯、乙酰乙酸乙酯以及醋酸酐为原料高产率地制得化合物Ⅳ-1;再以苯环上不同取代的苯胺和上述制备得到的中间体经亲核取代反应制备得到化合物Ⅳ-2a-i;再在高沸点溶剂二苯醚回流的条件下少量多次地加入化合物Ⅳ-2a-i得到相应的重要中间体Ⅳ-3 a-i;然后再以DMF做溶剂以及碳酸钾为催化剂的条件下分别和溴乙烷反应得到喹诺酮化合物Ⅳ-4a-i;再经以乙酸为溶剂零摄氏度下经α-溴代反应得到化合物Ⅳ-5 a-i;再与硫脲反应环化后得到目标化合物氨基噻唑喹诺酮Ⅳ-6a-i。与此同时，中间体Ⅳ-4e与吗啉、四氢吡啶、哌啶和哌嗪经苯环上的亲核取代反应得到相应的化合物Ⅳ-7a-d和Ⅳ-10a-d;再经以乙酸为溶剂零摄氏度条件下经α-溴代得到化合物Ⅳ-8a-d和Ⅳ-11a-d;再与硫脲反应环化后得到目标化合物氨基噻唑喹诺酮Ⅳ-9a-d和Ⅳ-12a-d。其中化合物Ⅳ-9d和Ⅳ-12d再经Boc脱保护得到目标化合物Ⅳ-9e和Ⅳ-12e;
　　(4)所有的新化合物均经IR、NMR、MS和/或HRMS等波谱手段证实;
　　(5)研究了系列Ⅱ中的中间体与目标化合物的体外抗细菌、抗真菌活性。活性研究结果显示大部分的喹诺酮三唑醇类目标化合物均显示出较强的抗菌活性和较广的抗菌谱，并且部分中间体对所测真菌菌株具有较强的抑制能力。尤其是N-位为环氧氯丙基的喹诺酮化合物Ⅱ-4a-i的抗真菌活性优于参考药物氟康唑，喹诺酮唑醇类目标化合物Ⅱ-6b对所测细菌和真菌均显示出强的抗菌能力，其抗菌活性远优于参考药物诺氟沙星和氟康唑;
　　(6)研究了喹诺酮三唑醇类化合物Ⅱ-6b抗菌作用机制。利用紫外、荧光光谱和DNA探针探索了高活性目标分子Ⅱ-6b与小牛胸腺DNA的相互作用，研究结果表明化合物Ⅱ-6b和经典的抗菌药物喹诺酮与DNA以静电相互作用的方式不同，而喹诺酮三唑醇分子Ⅱ-6b是以作用力更强的嵌入方式与DNA碱基形成稳定的复合物，从而抑制细菌和真菌的DNA复制，从而起到抑菌作用;
　　(7)研究了系列Ⅲ中的目标化合物的体外抗细菌活性和其pKa值、log P和水溶性等理化性质以及体外细胞毒性。研究结果显示与参考药物诺氟沙星相比，大部分的目标化合物均显示出较强的抑菌能力和较广的抗菌谱，尤其是喹诺酮甲硝唑杂合体Ⅲ-7d远远优于参考药物诺氟沙星，对所有测试细菌菌株的最低抑制浓度MIC值在0.5-8μg/mL之间。并且利用紫外可见分光光度法所测理化数据显示目标化合物具有适宜的pKa值、log P和较好的水溶性，为进一步新药研发打下了基础。与此同时，细胞毒性研究表明化合物Ⅲ-7d对癌细胞株A459和人体正常肝细胞LO2细胞株均显示出较低的毒性;
　　(8)研究了系列Ⅲ中的喹诺酮甲硝唑杂合体Ⅲ-7d和与小牛胸腺DNA、不同金属离子对人血清白蛋白竞争相互作用研究以及初步抗菌作用机制。利用紫外光谱学方法研究的结果表明喹诺酮甲硝唑杂合子Ⅲ-7d具有比参考药物诺氟沙星更强的与DNA键合的能力。现代分子模拟对接软件结果进一步证实化合物Ⅲ-7d可以与拓扑异构酶-DNA络合物中的DNA碱基形成多个氢键，从而使得杂合子Ⅲ-7d-拓扑异构酶-DNA形成的三元络合物更加稳定，从而起到抑菌作用。与HSA研究结果显不Mg2+离子与目标分子的竞争导致了血清白蛋白与药物的结合常数增大，这样增大了目标分子在血液中的游离浓度，缩短了它在血液中的储存时间和半衰期，进而增强它的抗微生物效能;
　　(9)研究了系列Ⅳ的中间体和目标化合物氨基噻唑喹诺酮的体外抗细菌活性和构效关系。抗菌活性研究显示部分中间体和大部分目标化合物氨基噻唑喹诺酮均显示出强的抗菌活性，尤其是目标化合物对革兰阴性菌、格兰阳性菌甚至耐药菌株MRSA均显示出强的抑制能力，并且筛选得到抗菌活性最优且抗菌谱最广的目标化合物Ⅳ-12b。构效关系研究表明3-氨基噻唑的喹诺酮可以取代经典喹诺酮药物的羧基片段，从而可能改善羧基引起的毒副作用。并且喹诺酮苯环上的取代基对抗菌谱和抗菌能力也有重要影响，取代基为吸电子基团有助于提高目标分子对格兰阳性菌的抑制能力，供电子基团则是有助于提高对格兰阴性菌的抑制能力;
　　(10)研究了系列Ⅳ中的化合物Ⅳ-12b的细胞毒性、耐药性和对DNA回旋酶的抑制活性。研究结果显示化合物Ⅳ-12b体外对癌细胞株A459和人体正常肝细胞LO2细胞株的毒性远远低于参考药物诺氟沙星;耐药性实验发现目标化合物诱导MRSA菌株产生耐药性的能力极低，该菌株培养12代后化合物Ⅳ-12b对其的MIC仍然不变，而在阳性对照中诺氟沙星经培养2代后对MRSA就完全失去了抑制能力;此外，酶活性研究显示化合物Ⅳ-12b对DNA回旋酶的抑制能力优于参考药物诺氟沙星;
　　(11)利用荧光光谱、紫外光谱等光谱学方法、分子模拟和现代分子对接软件研究了化合物Ⅳ-12b的初步抗菌作用机制。通过对化合物与从MRSA菌株中提取的DNA的双链结构和单链结构相互作用研究发现化合物可以通过Cu2+铜离子以桥键的方式与MRSA的DNA发生相互作用，其作用方式与经典的喹诺酮与DNA作用的方式相似，但是其作用力远远强于经典喹诺酮抗菌药物的作用力。分子模拟（分子静电势,MEP）和分子对接软件结果显示化合物Ⅳ-12b分子结构中的氨基噻唑片段取代经典喹诺酮羧基的位置，并与拓扑异构酶-DNA的络合物发生相互作用，其中氨基噻唑片段中的氨基、氮和硫原子参与非共价配位，使得形成的三元络合物更加稳定。
　　本论文共计合成化合物153个，其中新化合物118个，包括喹诺酮三唑醇类36个，喹诺酮甲硝唑杂合体40个，氨基噻唑喹诺酮42个。

目录

声明

Contents

符号说明

摘要

ABSTRACT

Chapter 1 Recent researches in quinolone compounds asantibacterial drugs and strategy of this thesis

本章详细中文摘要

1．1 Introdution

1．2 Development history of quinolone antibacterial drugs

1．3 Action mechanism of quinolone antibacterial drugs

1．4 Structure-activity relationship of quinolone antibacterial drugs

1．5 Structural modification based on quinolone skeleton

1．5．1 Hybrids of clinical quinolones and antibacterial drugs

1．5．2 Hybrids of quinolones and β-lactams

1．5．3 Hybrids of quinolones and macrolides

1．5．4 Hybrids of quinolones and other clinical drugs

1．5．5 Structural modification of the C-7 position in quinolone ring

1．5．6 Structural modification of N-1 position in quinolone ring

1．6 Conclusions

1．7 Strategy of this thesis

Referenees

Chapter 2 Design and synthesis of novel quinolone triazolesand their antimicrobial study

本章详细中文摘要

2．1 Introduction

2．2 Results and discussion

2．2．1 Chemistry

2．2．2 Spectral analysis

2．2．3 Pharmacology

2．2．4 Interaction of compound Ⅱ-6b with CT DNA

2．3 Conclusion

2．4 Experimental

2．4．1 Chemistry

2．4．2 Antibacterial and antifungal assays

2．4．3 Interaction of DNA with compound Ⅱ-6b assay

References

APPENDIX Ⅰ

Chapter 3 Design and synthesis of novel hybrids of metronidazole and quinolones and their antimicrobial study

本章详细中文摘要

3．1 Introduction

3．2 Results and discussion

3．2．1 Chemistry

3．2．2 Analysis of spectra

3．2．3 Biological activity

3．2．4 Effect of metal ions on the transportation of compound Ⅲ-7d by HSA

3．2．5 Molecular modeling

3．2．6 Interaction with DNA

3．3 Conclusion

3．4 Experimental

3．4．1 General methods

3．4．2 Antibacterial and antifungal assays

3．4．3 Cytotoxicity assays

3．4．4 Assays of pKa values

3．4．5 Assays of effect of metal ions to compounds-HSA complex

Refefences

APPENDIX Ⅱ

Chapter 4 Design and synthesis of novel structures of quinolone aminothiazoles and their antimicrobial study

本章详细中文摘要

4．1 Introduction

4．2 Chemistry

4．3 Biological evaluation and discussion

4．3．1 In vitro antibacterial activity

4．3．2 Cell toxicity and DNA gyrase inhibitory activity

4．3．3 Development of resistance to compound Ⅳ-12b

4．3．4 Structure-activity relationship

4．3．5 Binding behavior with HSA

4．3．6 Preliminary antibacterial mechanism of 3-aminothiazolquinolones

4．4 Conelusion

4．5 Experimental

4．5．1 General methods

4．5．2 Cytotoxicity assay

4．5．3 DNA gyrase supercoiling inhibition assay

4．5．4 AntibaeteriaI assay

4．5．5 Compound Ⅳ-12b-HSA complex assay

4．5．6 Compound Ⅳ-12b-DNA-Cu2+complex assay

References

APPENDIX Ⅲ

论文说明

Acknowledgments

A brief introduction to the author

Achievements