新型含取代哌嗪的5-(吡啶-3-基)-1,2,4-三唑Mannich堿和雙Mannich堿的合成及生物活性

張　燕, 王寶雷, 詹益周, 張麗媛, 李永紅, 李正名

(南開(kāi)大學(xué)元素有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心(天津), 天津300071)

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新型含取代哌嗪的5-(吡啶-3-基)-1,2,4-三唑Mannich堿和雙Mannich堿的合成及生物活性

張燕, 王寶雷, 詹益周, 張麗媛, 李永紅, 李正名

(南開(kāi)大學(xué)元素有機(jī)化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 化學(xué)化工協(xié)同創(chuàng)新中心(天津), 天津300071)

摘要根據(jù)藥物分子設(shè)計(jì)的活性基團(tuán)組合原理, 通過(guò)在1,2,4-三唑環(huán)的5位引入吡啶基, 同時(shí)在4位芳基亞甲氨基的苯環(huán)上引入氟或三氟甲基, 設(shè)計(jì)合成了一系列含氟、 吡啶和哌嗪基團(tuán)的1,2,4-三唑Mannich堿和雙Mannich堿類(lèi)化合物. 通過(guò)核磁共振氫譜(1H NMR)、 碳譜(13C NMR)和元素分析確證了目標(biāo)化合物的結(jié)構(gòu). 生物活性測(cè)試結(jié)果表明, 部分化合物對(duì)油菜具有一定的除草活性; 化合物2a, 2d和2f(50 mg/L)對(duì)蘋(píng)果輪紋病菌表現(xiàn)出較好的抑制活性, 與對(duì)照藥三唑酮活性相當(dāng); 化合物2a, 2b, 2d和2i(180 mg/L)對(duì)酮醇酸還原異構(gòu)酶(KARI酶)表現(xiàn)出了顯著的離體抑制活性(抑制率51.7%～88.7%).

關(guān)鍵詞吡啶; 1,2,4-三唑Mannich堿; 哌嗪; 生物活性

21世紀(jì)以來(lái), 化學(xué)農(nóng)藥創(chuàng)新研究面臨著超高效、 高選擇性及無(wú)公害等高要求[1～4]. 作為農(nóng)藥結(jié)構(gòu)中非常重要的類(lèi)型, 雜環(huán)化合物因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)而成為研究熱點(diǎn)[5,6]. 例如, 1,2,4-三唑及其衍生物具有優(yōu)良的殺菌、 殺蟲(chóng)、 除草、 抗癌、 抗病毒、 抗炎和抗心血管疾病等生物活性[7～13]; 許多含有吡啶環(huán)的化合物也具有多種多樣的農(nóng)藥和醫(yī)藥活性[14～21]. 此外, 盡管含有哌嗪雜環(huán)的化合物在農(nóng)藥領(lǐng)域有所涉及, 例如內(nèi)吸性殺菌劑嗪胺靈(Triforine)結(jié)構(gòu)中含有哌嗪雜環(huán)[22], 但較之于醫(yī)藥領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用[23,24], 鮮見(jiàn)其農(nóng)藥活性研究; 同時(shí)由于聯(lián)雜環(huán)化合物的合成及活性研究是當(dāng)前綠色農(nóng)藥的一個(gè)重要發(fā)展方向[25], 因此有必要對(duì)含有哌嗪的1,2,4-三唑和吡啶的聯(lián)雜環(huán)化合物進(jìn)行深入探索.

前文[26～30]曾報(bào)道了一些含三氟甲基、 哌嗪和取代苯基的1,2,4-三唑Mannich堿類(lèi)化合物, 其中部分化合物具有較好的除草活性[26], 部分化合物對(duì)植物和微生物體內(nèi)支鏈氨基酸生物合成路徑中關(guān)鍵的催化酶酮醇酸還原異構(gòu)酶(KARI酶)表現(xiàn)出抑制活性[29,30], 尤其是多數(shù)化合物對(duì)常見(jiàn)作物病菌具有優(yōu)異的殺菌活性[26,28,30]. 基于此, 本文將含取代哌嗪的1,2,4-三唑環(huán)的5位引入吡啶基, 替換原有的三氟甲基, 而在4位芳亞甲氨基的苯環(huán)上引入氟或三氟甲基, 合成了一系列新的含氟、 吡啶和哌嗪基團(tuán)的1,2,4-三唑Mannich堿和雙Mannich堿類(lèi)化合物, 并研究了其除草活性、 抑菌活性和KARI酶抑制活性.

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑與儀器

4-苯基哌嗪和4-(吡啶-2-基)哌嗪分別購(gòu)自Aladin試劑公司和Alfa Aesar試劑公司; 無(wú)水哌嗪和其它常規(guī)試劑(分析純)購(gòu)自南京多點(diǎn)化學(xué)試劑公司; 溶劑購(gòu)自天津化學(xué)試劑六廠, 使用前未經(jīng)處理; 還原型煙酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)購(gòu)自Solarbio公司; 2-羥基-2-甲基-3-氧代丁酸甲酯購(gòu)自Sigma-Aldrich公司, 經(jīng)NaOH堿性水解制備生化反應(yīng)底物乙酰乳酸.

X-4型數(shù)字顯示顯微熔點(diǎn)儀(北京泰克儀器有限公司); Bruker Avance 400型核磁共振儀(以TMS為內(nèi)標(biāo), 瑞士Bruker公司); Elementar Vario EL Ⅲ型元素分析儀(德國(guó)Elementar公司); 紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(上海美譜達(dá)儀器有限公司).

1.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

中間體4-(取代)芐基哌嗪和4-(4,6-二取代嘧啶-2-基)哌嗪分別參照文獻(xiàn)[26,29]方法制備. 4-(4-氯芐基)哌嗪, m.p. 139～140 ℃(文獻(xiàn)值[29]: 138～141 ℃); 4-(2,4-二氯芐基)哌嗪, m.p. 149～151 ℃(文獻(xiàn)值[29]: 147～150 ℃); 4-(4-甲基嘧啶-2-基)哌嗪, m.p. 43～44 ℃(文獻(xiàn)值[26]: 45～48 ℃); 4-(4,6-二甲基嘧啶-2-基)哌嗪, m.p. 84～86 ℃(文獻(xiàn)值[26]: 82～84 ℃). 中間體4-氨基-5-(吡啶-3-基)-4H-1,2,4-三唑-3-硫醇參照文獻(xiàn)[31,32]方法制備, m.p. 165～167 ℃(文獻(xiàn)值[32]: 169 ℃).

1.3目標(biāo)化合物的合成

1.3.1中間體4-(4-取代芳基亞甲氨基)-5-(吡啶-3-基)-4H-1,2,4-三唑-3-硫醇(1a～1b)的合成將4-氨基-5-(吡啶-3-基)-4H-1,2,4-三唑-3-硫醇(1.25 g, 6.98 mmol)溶于10 mL冰醋酸中, 加入相應(yīng)的4-取代苯甲醛(7.68 mmol), 加熱回流約7 h(TLC監(jiān)測(cè)), 冷卻至室溫, 將混合物倒入冰水中, 析出不溶性固體, 抽濾, 用無(wú)水乙醇重結(jié)晶, 干燥得中間體1a～1b.

1.3.2化合物2-[(4-取代哌嗪-1-基)亞甲基]-4-(4-取代芳基亞甲氨基)-5-(吡啶-3-基)-3H-1,2,4-三唑-3-硫酮(2a～2k)的合成將化合物1a或1b(0.91 mol)溶于8 mL無(wú)水乙醇中, 加入相應(yīng)的取代哌嗪(1.00 mmol)和甲醛水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%)15 d, 室溫下攪拌反應(yīng)1 h, 抽濾出不溶性固體, 用無(wú)水乙醇重結(jié)晶, 干燥得目標(biāo)產(chǎn)物2a～2k.

1.3.3化合物1,1′-[哌嗪-1,4-雙(亞甲基)-(4-芳基亞甲氨基)-5-(吡啶-3-基)-3H-1,2,4-三唑-3-硫酮)](3a～3b)的合成將化合物1a或1b(0.91 mol)溶于8 mL無(wú)水乙醇中, 加入無(wú)水哌嗪(0.50 mmol)和甲醛水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%)20 d, 室溫下攪拌反應(yīng)1 h, 抽濾出不溶性固體, 用無(wú)水乙醇重結(jié)晶, 干燥得目標(biāo)產(chǎn)物3a～3b. 中間體和目標(biāo)化合物的合成路線見(jiàn)Scheme 1.

中間體和目標(biāo)化合物的理化性質(zhì)和波譜數(shù)據(jù)見(jiàn)表1和表2.

Continued

Continued

a. In DMSO-d6;b. in CDCl3.

1.4生物活性測(cè)試

1.4.1 除草活性測(cè)試采用油菜(Brassicacampestris)平皿法和稗草(Echinochloacrusgalli)小杯法[33]測(cè)定目標(biāo)化合物的除草活性.

1.4.2抑菌活性測(cè)試參考文獻(xiàn)[26], 采用菌絲生長(zhǎng)速率法, 在50 mg/L目標(biāo)化合物濃度下, 對(duì)黃瓜枯萎病菌(A.citrullinaSmith)、 花生褐斑病菌(C.arachidicola)、 蘋(píng)果輪紋病菌(P.piricola)、 小麥紋枯病菌(R.cerealis)、 番茄早疫病菌(A.solani)和小麥赤霉病菌(G.zeaePetch)等6種常見(jiàn)植物病原真菌進(jìn)行了抑菌活性測(cè)試.

1.4.3KARI酶抑制活性測(cè)試?yán)弥亟M質(zhì)粒(含有水稻KARI 酶基因)轉(zhuǎn)化的大腸桿菌細(xì)胞大批量表達(dá)KARI酶[34], 在離體條件下研究化合物和KARI 酶的相互作用, 并選用文獻(xiàn)[34]報(bào)道的KARI酶抑制劑1,1-環(huán)丙烷二甲酸(CPD)作為對(duì)照化合物. 采用動(dòng)態(tài)分析法[35], 將適量抑制劑溶液、 Tris-HCl緩沖液(0.1 mol/L, pH=8.0), NADPH(0.2 mmol/L), MgCl2(1 mmol/L)以及適量水稻KARI酶蛋白在比色皿中混勻, 于30 ℃保溫10 min, 加入含有乙酰乳酸(0.1 mmol/L)的混合液?jiǎn)?dòng)酶反應(yīng), 以反應(yīng)初期線性變化部分的斜率(ΔOD340/min)來(lái)表示初始酶活性, 連續(xù)記錄340 nm的吸光度(監(jiān)控NADPH的消減), 可得到抑制劑對(duì)KARI酶的活性抑制曲線, 進(jìn)而與空白對(duì)照計(jì)算抑制率.

2結(jié)果與討論

2.1化合物的合成

參照文獻(xiàn)[31,32]方法, 以煙酸為原料合成了中間體4-氨基-5-(吡啶-3-基)-4H-1,2,4-三唑-3-硫醇, 當(dāng)此中間體與4-取代苯甲醛在少量冰醋酸催化下[36], 以無(wú)水乙醇作溶劑, 回流反應(yīng)時(shí)并未順利得到Schiff堿中間體1. 而當(dāng)其與4-取代苯甲醛按摩爾比1∶1.1投料, 直接以冰醋酸作溶劑, 加熱回流約7 h(TLC監(jiān)測(cè)), 則可高產(chǎn)率得到中間體1a和1b(90%以上). 中間體1a和1b進(jìn)而分別與不同的取代哌嗪和甲醛在乙醇中于室溫反應(yīng)1 h即可順利得目標(biāo)產(chǎn)物2a～2k. 當(dāng)2倍量中間體1a或1b與無(wú)水哌嗪和甲醛反應(yīng)時(shí), 則可高產(chǎn)率得到雙Mannich堿3a～3b.

2.2生物活性

2.2.1除草活性由表3可知, 在100 mg/L濃度下, 化合物2b, 2g和2j對(duì)油菜胚根分別具有42.2%, 28.1%和29.3%的生長(zhǎng)抑制率, 其余化合物活性不顯著. 部分化合物對(duì)稗草莖葉生長(zhǎng)尚能表現(xiàn)出一定的抑制作用, 但總體來(lái)看活性較差.

2.2.2抑菌活性目標(biāo)化合物的離體抑菌活性見(jiàn)表4, 在50 mg/L劑量下, 目標(biāo)化合物對(duì)6種植物病菌均顯示出一定的離體抑制活性, 與對(duì)照藥三唑酮相比, 活性及廣譜性稍差. 然而, 化合物2a, 2d和2f對(duì)蘋(píng)果輪紋病菌的抑制活性均達(dá)到了50%以上, 與三唑酮活性接近, 具有一定的參考價(jià)值. 此外, 針對(duì)小麥紋枯病菌, 化合物2d, 2f和2j的抑菌活性也可達(dá)到43%以上. 由構(gòu)效關(guān)系分析發(fā)現(xiàn), 對(duì)于1,2,4-三唑4位上的芳基亞甲氨基, 其中苯環(huán)上對(duì)位氟取代(R1=F)的化合物的抑菌活性明顯優(yōu)于對(duì)位三氟甲基取代的(R1=CF3). 總體來(lái)看, 當(dāng)R1=F或CF3時(shí), 哌嗪環(huán)上取代基(R2)相對(duì)應(yīng)化合物的活性順序分別為4-氯芐基>2,4-二氯芐基及4,6-二甲基嘧啶-2-基>4-甲基嘧啶-2-基≈苯基>吡啶-2-基.

2.2.3KARI酶抑制活性目標(biāo)化合物對(duì)KARI酶的離體抑制活性見(jiàn)表5, 其中化合物2a, 2b, 2d和2i在180 mg/L濃度下對(duì)KARI酶的抑制活性均達(dá)到50%以上, 尤其是化合物2i的抑制率為88.7%. 值得注意的是除化合物2i外, 苯環(huán)上對(duì)位為氟取代的Mannich堿活性普遍優(yōu)于對(duì)位為三氟甲基的化合物, 這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于新型KARI酶抑制劑的設(shè)計(jì)具有重要的參考意義.

3結(jié)論

設(shè)計(jì)合成了11個(gè)1,2,4-三唑Mannich堿、 2個(gè)雙Mannich堿和2個(gè)1,2,4-三唑Schiff堿中間體, 并確證了其結(jié)構(gòu). 生物活性測(cè)試結(jié)果表明, 部分化合物對(duì)雙子葉植物油菜具有一定的除草活性; 在50 mg/L的濃度下, 化合物大都具有不同程度的離體抑菌活性, 尤其對(duì)蘋(píng)果輪紋病菌活性突出, 部分產(chǎn)物與對(duì)照藥三唑酮抑菌效果相當(dāng). 此外, 部分化合物在180 mg/L濃度下對(duì)KARI酶表現(xiàn)出較高的離體抑制活性. 由構(gòu)效關(guān)系分析可知, 苯環(huán)上對(duì)位為氟取代的Mannich堿生物活性普遍優(yōu)于對(duì)位為三氟甲基的化合物.

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(Ed.: P, H, F, K)

? Supported by the National Natural Science Foundation of China(No.21372133) and the “111” Project of Ministry of Education of China(No.B06005).

Synthesis and Biological Activities of Novel 5-(Pyridine-3-yl)-1,2,4-triazole Mannich Bases and Bis-Mannich Bases Containing Piperazine Moiety?

ZHANG Yan, WANG Baolei*, ZHAN Yizhou, ZHANG Liyuan, LI Yonghong, LI Zhengming

(StateKeyLaboratoryofElemento-OrganicChemistry,CollaborativeInnovationCenterofChemicalScienceandEngineering(Tianjian),NankaiUniversity,Tianjin300071,China)

KeywordsPyridine; 1,2,4-Triazole Mannich base; Piperazine; Biological activity

AbstractAccording to the drug design principle of active groups combination, a series of 5-(pyridine-3-yl)-1,2,4-triazole Mannich bases and bis-Mannich bases containing piperazine and fluorine moieties was designed and synthesized through the Mannich reaction of 1,2,4-triazole thiol intermediate. All the structures of new title compounds were characterized by1H NMR,13C NMR and elemental analysis. The bioassay results showed that several compounds exhibited herbicidal activities againstBrassicacampestrisin certain extent; compounds 2a, 2d and 2f possessed significant antifungal activities againstP.piricolaand were comparable with the control fungicide, triadimefon, at the concentration of 50 mg/L. Also, compounds 2a, 2b, 2d and 2i showed favorableinvitroketol-acid reductoisomerase(KARI) inhibitory activities with inhibition rate of 51.7%—88.7% at 180 mg/L.

收稿日期:2016-01-18. 網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2016-05-18.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào): 21372133)和高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào): B06005)資助.

中圖分類(lèi)號(hào)O626.32

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

聯(lián)系人簡(jiǎn)介: 王寶雷, 男, 博士, 副研究員, 主要從事有機(jī)化學(xué)和農(nóng)藥化學(xué)研究. E-mail: nkwbl@nankai.edu.cn