药学学报  2015, Vol. 50 Issue (8): 1008-1012   PDF    
引用本文
GAO Liu-zhou, XIE Yu-suo, YAN Qiang, WU Shu-min, NI Li-li, ZHAO Hui, HUANG Wen-long, HU Guo-qiang. Synthesis and anti-proliferative activity of fluoroquinolone (rhodanine unsaturated ketone) amide derivatives[J]. Acta Pharm Sin, 2015, 50(8): 1008-1012.  
高留州, 谢玉锁, 闫强, 吴淑敏, 倪礼礼, 赵辉, 黄文龙, 胡国强. 氟喹诺酮(绕丹宁不饱和酮)酰胺衍生物的合成与抗肿瘤活性[J]. 药学学报, 2015, 50(8): 1008-1012.  
氟喹诺酮(绕丹宁不饱和酮)酰胺衍生物的合成与抗肿瘤活性
高留州1, 谢玉锁1, 闫强1, 吴淑敏1, 倪礼礼1, 赵辉1 , 黄文龙2, 胡国强1     
1. 河南大学化学生物学研究所, 河南 开封 475001;
2. 中国药科大学新药研究中心, 江苏 南京 210009
收稿日期: 2015-03-26;修回日期: 2015-04-12.
基金项目：国家自然科学基金资助项目 (20872028, 21072045); 河南省高等学校重点科研项目基金资助项目 (15A350004).
通讯作者：Tel/Fax: 86-371-23880680,E-mail: hdyxzhh@163.com; hgqxy@sina.com.cn
摘要：为发现新型抗肿瘤绕丹宁不饱和酮衍生物, 以氟喹诺酮酰胺骨架作为载体, 设计合成了氟喹诺酮 (绕丹宁α, β-不饱和酮) 酰胺类目标化合物5a~5r, 其结构经元素分析、1H NMR、MS确证。采用MTT法评价了目标化合物对人肝癌Hep-3B细胞、人Capan-1胰腺癌细胞及人HL60白血病细胞的体外增值抑制活性。结果表明, 18个目标化合物对3种实验癌细胞的抗增殖活性均显著高于母体环丙沙星1的活性, 其中对Capan-1细胞的活性最强, 尤其是芳杂环或苯环带有吸电子羧基及磺酰氨基类化合物的活性与对照抗肿瘤药物阿霉素相当。为此, 氟喹诺酮 (绕丹宁不饱和酮) 酰胺衍生物是一类有发展前景的抗肿瘤活性先导物。
关键词： 氟喹诺酮C-3酰胺     绕丹宁     不饱和酮     抗细胞增殖活性    
Synthesis and anti-proliferative activity of fluoroquinolone (rhodanine unsaturated ketone) amide derivatives
GAO Liu-zhou1, XIE Yu-suo1, YAN Qiang1, WU Shu-min1, NI Li-li1, ZHAO Hui1 , HUANG Wen-long2, HU Guo-qiang1     
1. Institute of Chemistry and Biology, Henan University, Kaifeng 475001, China;
2. Center of Drug Discovery, China Pharmaceutical University, Nanjing 210009, China
Abstract: To discover novel antitumor rhodanine unsaturated ketones, a series of fluoroquinolone (rhodanine α, β-unsaturated ketone) amine derivatives (5a-5r) were designed and synthesized with fluoroquinolone amide scaffold as a carrier. The structures of eighteen title compounds were characterized by elemental analysis, 1H NMR and MS. The in vitro anti-proliferative activity against Hep-3B, Capan-1 and HL60 cells was evaluated by MTT assay. The results showed that the title compounds not only had more significant anti-proliferative activity against three tested cancer cell lines than that of the parent ciprofloxacin 1, but also exhibited the highest activity against Capan-1 cells. The SAR revealed that some compounds carrying aromatic heterocyclic rings or phenyl attached to an electron-withdrawing carboxyl or sulfonamide substituent were comparable to or better than comparison doxorubicin against Capan-1 cells. As such, it suggests that fluoroquinolone (rhodanine α, β-unsaturated ketone) amines are promising leads for the development of novel antitumor fluoroquinolones or rhodanine analogues.
Key words: fluoroquinolon-3-yl amide     rhodanine     unsaturated ketone     anti-cell proliferation activity    

新药创新起源于先导物的发现, 而基于结构的理性药物设计是发现先导物的有效方法[1, 2]。在结构多样的药效团中, 具有广泛药理活性的五元杂环酮, 尤其是绕丹宁已成为药物化学的优势骨架而被广泛用于新药分子化学骨架的构建[3], 主要包括5-位活泼亚甲基与醛的缩合反应形成C=C键而构筑的α, β-不饱和酮衍生物 [4, 5, 6, 7], 与此同时, 3-位氨基与羧酸类拼合形成氨基羧酸类或酰胺类等衍生物[8, 9]。另外, 为改善绕丹宁衍生物的水溶性, 在绕丹宁骨架取代基上再引入多酰氨基肽类侧链, 以提高其生物利用度、促进其向成药性发展[10]。近期, 以1-取代-6-氟-喹啉 (萘啶)-4-酮-3-羧酸为抗菌氟喹诺酮药物的优势骨架, 发现氟喹诺酮C-3羧基并非是抗肿瘤活性所必需的药效团, 而且以C-3酰氨基为连接链搭载另一抗肿瘤活性的药效团, 可实现不同药效团的拼合和活性的叠加, 可有效转化其抗菌活性到抗肿瘤活性[11, 12]。然而, 氟喹诺酮骨架与绕丹宁骨架相拼合的酰胺结构修饰尚未见报道。为此, 本研究把具有抗肿瘤活性的绕丹宁α, β-不饱和酮骨架和氟喹诺酮骨架以酰氨基为连接链进行拼合, 进而构建了氟喹诺酮 (绕丹宁α, β-不饱和酮) 酰胺类目标化合物 (5a～5r), 并通过体外抗肿瘤活性筛选, 评价了该类化学结构构建的合理性, 为抗肿瘤氟喹诺酮或绕丹宁化合物分子的进一步设计提供新思路。目标化合物的合成如合成路线1所示。

结果与讨论 1 化学部分

环丙沙星 (1) 与甲酸和甲醛发生Eschweiler- Clarke反应生成N-甲基环丙沙星 (2), 然后与80% 的水合肼直接发生肼解反应可方便得到相应的酰肼 (3)[13]。中间体3与双-(羧甲基) 三硫代碳酸酯在异丙醇中发生缩环合反应得N-甲基环丙沙星 (饶丹宁) 酰胺 (4)。芳香醛与4在乙酸钠的催化下在绕丹宁环的5-位引入芳甲叉基构筑绕丹宁α, β-不饱和酮结构。

绕丹宁骨架的构建通常有2条路线[14]: 一是胺类与二硫化碳缩合形成二硫代甲酸盐, 然后与氯乙酸钠发生取代反应后再通过分子内环合而得; 另一条路线是胺类与双-(羧甲基) 三硫代碳酸酯在适当的溶剂中直接缩环合而得。实验中发现, N-甲基环丙沙星酰肼 (3) 易与二硫化碳缩合形成相应的二硫代甲酸盐, 但与氯乙酸钠反应时易发生脱硫反应形成C-3噁二唑硫醇[13]。用中间体3与双-(羧甲基) 三硫代碳酸酯在异丙醇中直接反应可方便得到氟喹诺酮 (绕丹宁) 酰胺关键中间体4。绕丹宁环中的5-位活泼亚甲基与醛在弱碱乙酸钠的催化下形成绕丹宁α, β-不饱和酮结构, 可避免通常强碱催化引起的绕丹宁环的开环反应或连接链酰氨基的水解反应, 可成功得到预期的目标化合物(5a～5r)。目标化合物的结构经1H NMR、MS及元素分析确证, 其收率、理化常数及波谱数据见表 1、2。

Reagents: (i) HCOOH, CH2O; (ii) N2H4·H2O; (iii) Bis(carboxymethyl)trithiocarbonate, iPrOH; (iv) Ar-CHO, CH3COONa, HOAc. Ar: C6H5- (a); 4-CH3O-C6H4- (b); 2-CH3O-C6H4- (c); 3,4-(OCH2O)-C6H3- (d); 3,4,5-(OCH3)3-C6H2-(e); 4-CH3-C6H4- (f); 4-Cl-C6H4- (g); 4-F-C6H4- (h); 4-O2N-C6H4- (i); 3-O2N-C6H4- (j); pyridin-4-yl (k); pyridin-3-yl (l); pyridin-2-yl (m); furan-2-yl (n); 4-HOOC-C6H4- (o); 3-HOOC-C6H4- (p); 4-NC- C6H4- (q); 4-H2N-SO2-C6H4- (r). Scheme 1 Synthetic route of the title compounds 5a−5r

Table 1 Physical constants and spectral data of the title compounds (5a−5r)

Table 2 1H NMR data of the title compounds (5a−5r)

2 抗肿瘤活性

18个目标物对Hep-3B、Capan-1及HL60 3种实验人癌细胞的IC50值均小于30.0 μmol·L−1 (表 3), 显著低于母体环丙沙星的IC50 (> 100 μmol·L−1) 值。构−效关系表明, 芳杂环如吡啶或呋喃衍生物或苯环带有吸电子基如 -F、-NO2、-COOH、-CN、-SO2NH2取代的目标化合物的IC50≤10.0 μmol·L−1, 其抗肿瘤活性显著高于供电子基取代的化合物的活性, 尤其是含COOH基化合物 (5o、5p) 或磺酰胺基化合物 (6r) 的活性最强。同时, 随着苯环取代基体积的增大活性下降, 如甲氧基化合物 (5b、5c) 到三甲氧基化合物 (5e), 而对对位或间位的吸电子取代基如硝基、羧基或芳杂环吡啶基而言, 取代基位置的变化对活性的

Table 3 The in vitro antitumor activity of the title compounds 5a−5r against the tested cancer cells. DOX: Doxorubicin; CFX: Ciprofloxacin

影响不显著。另外, 目标化合物对3个实验癌细胞的抗增殖活性结果表明, 对人胰腺癌Capan-1细胞显示出最强的活性, 部分目标化合物的IC50值已达到或低于微摩尔浓度, 其活性优于或相当于对照抗肿瘤药物阿霉素的活性。基于此, 氟喹诺酮与绕丹宁α, β-不饱和酮骨架相拼合构建的酰胺类化合物作为抗肿瘤先导物值得进一步的发展。

实验部分

采用WK-1B数字熔点仪测定熔点 (上海精密科学仪器厂), 毛细管法, 温度未校正; AM-400型核磁共振仪 (德国Bruker公司), CD3Cl为溶剂; Esquire LC型质谱仪 (德国Bruker公司); 2400-Ⅱ元素分析仪 (美国PE公司)。所用环丙沙星为商品, N-甲基环丙沙星酰肼按文献[12]的方法制备, 其他试剂均为分析纯。

1 化学合成

1.1 1-环丙基-6-氟-7-(4-甲基-哌嗪-1-基)-喹啉-4 (1H)-酮-3-(2-硫代-噻唑烷-4-酮-3-基)-酰胺 (4) 的合成 N-甲基环丙沙星酰肼3 (10.0 g, 28.0 mmol) 与双-(羧甲基) 三硫代碳酸酯 (7.6 g, 34.0 mmol) 在异丙醇(300 mL) 回流反应至原料消失 (TLC检测, 氯仿−甲醇5∶1)。冷至室温, 用浓氨水碱化至pH 8.0～9.0, 放置过夜。滤集产生的固体, 干燥。粗品用无水乙醇重结晶, 得黄色结晶3, 收率82.5 %, mp 183～185 ℃。1H NMR (400 MHz, CDCl3): 1.17～1.30 (m, 4H, 2'-和3'-H), 2.25 (s, 3H, CH3), 2.78～3.63 (m, 9H, piperazine- H和1'-H), 4.67 (s, 2H, SCH2), 7.68 (d, J = 6.4 Hz, 1H, 8-H), 7.85 (d, J = 13.2 Hz, 1H, 5-H), 8.86 (s, 1H, 2-H), 11.36 (s, 1H, NH); MS (m/z): 476 [M+H]+; Calcd. for C21H22FN5O3S2: 475.57。

1.2 1-环丙基-6-氟-7-(4-甲基-哌嗪-1-基)-喹啉-4 (1H)- 酮-3-(5-芳甲叉基-2-硫代-[1, 3]-噻唑烷-4-酮-3-基)-酰胺 (5a～5r) 的合成通法

中间体4 (1.0 g, 2.1 mmol) 与熔融的无水乙酸钠 (0.26 g, 3.2 mmol) 溶于冰醋酸 (10 mL) 中, 加入芳香醛 (2.5 mmol), 搅拌, 油浴回流反应12 h, 减压蒸除溶剂。残留物用水 (20 mL) 溶解, 加入适量的活性炭在60 ℃脱色0.5 h, 过滤。滤液用浓氨水碱化至pH 9.0, 滤集产生的固体。干燥, 用无水乙醇重结晶得目标物5a～5r。

2 抗肿瘤细胞体外增殖活性评价

目标化合物5a～5r及对照环丙沙星 (ciprofloxacin, CFX) 和结构类似抗癌药物阿霉素 (doxorubicin, DOX) 用DMSO配成1.0×10−2 mol∙L−1的储备液, 用RPMI- 1640稀释到所需浓度梯度 (50、10、5、1.0、0.1×10−6 mol∙L−1)。取对数生长期的人肝癌Hep-3B细胞、人胰腺癌Capan-1细胞及人白血病HL60细胞分别以每孔5 000个细胞接种于96孔板, 培养隔夜后, 加入不同浓度的上述供试化合物溶液, 继续培养48 h后弃去培养基。每孔加入1 g·L-1 MTT溶液100 μL, 继续培养 4 h后弃上清液。每孔加入150 μL二甲基亚砜, 轻轻振荡30 min, 用酶标仪在570 nm波长处测其吸光度值。计算各组对癌细胞的抑制率: 抑制率 (%) = [(1−实验组吸光度值)/对照组吸光度值]×100%。然后以各药物浓度的对数值对各浓度下的抑制率作线性回归, 得浓度−效应方程, 以此计算出各供试化合物对实验肿瘤细胞的半数抑制浓度 (IC50)。所有实验在相同条件下重复进行3次, 最终结果以mean ± SD表示。

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