随着抗生素耐药性(AMR) 的不断增加, 已有抗生素对新出现的耐药菌株缺乏有效治疗, 已成为影响人类健康的重要问题。AMR危机涉及各种类型的抗生素, 一些抗生素曾经被认为是对付常见感染的最后手段, 都相继检测出多药耐药性(MDR), 预计到2050年, 因感染疾病治疗失败而导致的死亡人数将会达到1 000万[1, 2]。其中, MRSA作为医院和社区获得性感染的主要病原菌, 被世界卫生组织认定为高度优先的抗生素耐药病原体, MRSA菌株对多种抗菌药物都有抗药性[3, 4], 这就对MRSA感染治疗提出了更高的要求。因此, 迫切需要研发安全、高效的抗菌药物来克服多耐药菌株的传播。
磷元素常常被称为“生命活动的调控中心”, 含磷化合物有着良好和广泛的生物活性。研究表明: 膦酸酯类化合物作为有机磷类衍生物, 有着优秀的抗菌活性, 尤其是对耐药性细菌有较好的抑制作用[5, 6]。如头孢罗膦[7]和特地唑胺磷酸酯[8], 对包括MRSA及甲氧西林敏感菌株(MSSA) 等多种细菌感染都有很好治疗作用。课题组前期相继设计合成了多个系列膦酸酯衍生物[9-11], 结果表明部分化合物对MRSA、耐喹诺酮金葡菌等有抑制活性。
磺胺类药物作为最早应用于临床的化学合成抗菌药, 自1932年Domagk发现百浪多息能有效治疗由金葡菌和链球菌引起的感染以来, 人们对磺胺类化合物在抗菌方面的应用研究从未停止。近年来, 一些新型磺胺化合物通过多靶标作用, 呈现较好的抗耐药菌活性, 现已成为抗耐药菌药物研究的新方向之一[12, 13]。为此, 以前期抗菌类膦酸酯衍生物为基础, 课题组进一步设计合成了含苯磺酰胺、噻吩磺酰胺结构的膦酸酯衍生物[14, 15], 其中活性最好的化合物对S. aureus和MRSA的MIC分别为16和32 μg·mL-1。上述研究表明膦酸酯骨架和磺酰胺结构的杂合体, 可能在抗耐药菌方面发挥重要作用。
稠环结构在抗菌药物的设计和应用十分广泛, 如含萘环的萘夫西林[16]、含喹啉环的头孢喹肟[17]、香豆素类的新生霉素[18]等, 不同稠环的连接, 增强了与靶点的结合力或产生多靶标结合作用, 改善了药物抗菌谱或提高抗菌活性。
基于上述理论依据与研究基础, 为了进一步优化前期研究的系列化合物, 本文运用抗菌药物杂合、活性结构片段组合等药物设计原理, 将不同类的稠环与膦酸酯通过磺酰胺连接在一起, 设计合成系列稠环磺酰胺衍生物进行抗菌活性研究。目标化合物的合成见合成路线1。
结果与讨论 1 化合物的合成与结构表征中间体Ⅰ的合成: 以Ⅰa为例, 参考文献[19]的类似方法合成, 并对制备方法进行优化和改进。反应温度从70 ℃到110 ℃, 收率不断增大, 在110 ℃达最高值64%; 但当温度控制在120 ℃反应, 收率下降至41%, 从TLC跟踪监测来看, 有副产物生成。说明温度对该反应有重要影响, 在反应过程中需控制好温度。
在目标化合物Ⅱ的1H NMR中: δ 6.28~9.02处的多重峰归属于稠环芳香环上的H和phCH=CH-上的H, 其中在7.38~8.55处的二重峰归属于磺酰胺结构中NH上的H, δ 4.59~5.23处的dd双峰归属于P-CH结构上的H, δ 3.44~4.37处的多重峰归属于膦酸二乙酯结构中两个-CH2O-上的4个H, δ 0.85~1.42处的三重峰归属于膦酸二乙酯结构中-CH3上的3个H。
化合物结构经1H NMR、13C NMR及MS得以确证, 理化数据见表 1和表 2。
由表 3可知, 目标化合物对所测试细菌有不同程度的抑制活性, 化合物Ⅱg、Ⅱh、Ⅱi、Ⅱl、Ⅱp、Ⅱq和Ⅱr对S. aureus的MIC分别为64、64、8、64、64、32和8 μg·mL-1, 化合物Ⅱh、Ⅱi、Ⅱq和Ⅱr对E. coli的MIC分别为64、32、32和64 μg·mL-1, 化合物Ⅱh、Ⅱi、Ⅱq和Ⅱr对MRSA的MIC分别为64、16、64和32 μg·mL-1。尤以化合物Ⅱi和Ⅱr的抗菌活性最为显著, 其中Ⅱi对S. aureus、E. coli和MRSA的MIC分别为8、32和16 μg·mL-1, 化合物Ⅱr对S. aureus、E. coli和MRSA的MIC分别为8、64和32 μg·mL-1, 两个化合物最突出的是抗MRSA活性, 有作为抗MRSA先导化合物的潜质。
构效关系分析: ①取代基R1为4-F的化合物抗S. aureus活性大多优于相同母体的2-F取代或无取代化合物, 如化合物Ⅱf优于化合物Ⅱd和Ⅱe, 化合物Ⅱi优于化合物Ⅱg和Ⅱh, 化合物Ⅱr优于化合物Ⅱp和Ⅱq; ②在苯并六元环的稠环化合物中, 稠杂环类目标物的抗菌活性更优, 如化合物Ⅱd~Ⅱi的活性优于化合物Ⅱa~Ⅱc, 可能与靶标有更好的结合; ③在苯并五元环的稠环化合物中, 含杂原子多的目标物Ⅱp、Ⅱq的抗菌活性优于目标物Ⅱj~Ⅱo, 以R2为香豆素环的目标物有更优的抗菌活性, 如化合物Ⅱh、Ⅱi、Ⅱq和Ⅱr的活性明显优于其他化合物, 同时5取代化合物有更好的抗菌活性; ④与课题前期研究[14, 15]的两类含磺酰胺化合物比较, 该类化合物的抗S. aureus和MRSA活性更优, 表明部分稠环(苯并噻二唑环和香豆素环) 的引入对该类化合物的抗菌活性有促进作用。
本文对含膦酸酯结构的磺酰胺衍生物进行结构优化, 设计合成了18个稠环磺酰胺衍生物, 活性测试结果表明: 该类衍生物具有潜在抗菌活性, 尤以含苯并噻二唑环和香豆素环的磺酰胺衍生物的抗MRSA活性更优, 值得进一步结构优化和深入研究其作用机制。
实验部分用SGW X-4显微熔点仪测定熔点; NMR用Bruker Avance 400型核磁共振仪测定(TMS为内标); 质谱数据用Agilent 6460质谱仪测得。
醋酸铵、三氟甲磺酸铝、苯甲醛、邻氟苯甲醛、对氟苯甲醛、亚磷酸二乙酯、1-萘磺酰氯、8-喹啉磺酰氯、香豆素-6-磺酰氯、2, 3-二氢-1-苯并呋喃-5-磺酰氯、1-乙酰基吲哚啉-5-磺酰氯、1, 3-苯并噻二唑-4-磺酰氯购于百灵威化学试剂公司, 其余试剂均为分析纯。反应溶剂CH2Cl2需经无水处理。
1 化合物的合成 1.1 中间体Ⅰ的合成以Ⅰa的合成为例。于50 mL干燥反应瓶中, 加入0.015 mol (1.580 g) 苯甲醛、0.015 mol (1.156 g) 醋酸铵和0.015 mol (2.070 g) 亚磷酸二乙酯, 室温搅拌反应15 min, 再向反应瓶中加入0.075 mmol (0.038 g) 三氟甲磺酸铝, 升温至110 ℃, 搅拌反应, TLC监测反应, 30 min反应完毕。冷却, 加入适量去离子水, 用10%盐酸调节pH为1, 先环己烷(10 mL×4次) 萃取, 再乙酸乙酯(10 mL×4次) 萃取。萃取后的水溶液用20%氢氧化钠调节pH为7~8。最后, 用环己烷(10 mL×6次) 萃取, 合并萃取液, 旋蒸浓缩, 得无色液体, 即为中间体Ⅰa。
1.2 目标化合物Ⅱ的合成以Ⅱa的合成为例。向50 mL干燥反应瓶中加入10 mL无水二氯甲烷、0.001 mol (0.122 g) 中间体Ⅰa和0.0011 mol (0.249 g) α-萘磺酰氯、0.002 2 mol (0.222 g) 三乙胺, 加热回流, 搅拌反应, TLC监测反应, 36 h反应完毕。浓缩溶剂, 硅胶柱色谱分离纯化(V石油醚-V乙酸乙酯= 2∶1), 得到白色固体, 即目标化合物Ⅱa。
2 体外抗菌活性测试S. aureus、E. coli购自中国食品药品检定研究院; MRSA由遵义医科大学附属医院分离提供。以苯唑西林(oxacillin) 为对照药, 采用两倍稀释法测定目标化合物的MIC, 测试方法参照文献[20]。测试结果见表 3。
作者贡献: 作者杨家强和王越负责化合物的设计合成、活性研究及稿件撰写与修改, 作者周绪容和吴学姣参与化合物的合成及构效关系分析。
利益冲突: 本文作者声明无任何利益冲突。
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