喹諾酮-二茂鐵雜合物的合成及生物活性研究

黃婉云，殷鵬龍，李　虹，彭湘艷，蘇桂發(fā)

(1.桂林醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，廣西桂林541004；2. 藥用資源化學(xué)與藥物分子工程省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；3. 廣西師范大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，廣西桂林541004)

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喹諾酮-二茂鐵雜合物的合成及生物活性研究

黃婉云1，2，3，殷鵬龍1，李虹1，彭湘艷1，蘇桂發(fā)2，3

(1.桂林醫(yī)學(xué)院藥學(xué)院，廣西桂林541004；2. 藥用資源化學(xué)與藥物分子工程省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林541004；3. 廣西師范大學(xué)化學(xué)與藥學(xué)學(xué)院，廣西桂林541004)

摘要：以環(huán)丙沙星等5種喹諾酮藥物為原料，經(jīng)酯化、肼解后再與二茂鐵甲醛縮合，合成出5個(gè)喹諾酮-二茂鐵雜合物，用IR、NMR、HRMS等對產(chǎn)物結(jié)構(gòu)進(jìn)行確認(rèn)和表征，并用MTT法、紙片擴(kuò)散法分別對其抗腫瘤和抗菌活性進(jìn)行研究。結(jié)果顯示，所合成的喹諾酮-二茂鐵雜合物對常見癌細(xì)胞的體外生長有較好的抑制活性。這一研究結(jié)果可為基于喹諾酮骨架的抗腫瘤新藥的設(shè)計(jì)提供一種新思路。

關(guān)鍵詞：喹諾酮；二茂鐵；雜合；抗腫瘤活性；抗菌活性

喹諾酮類藥物是一類非常廣譜、高效的抗菌藥[1]，但隨著該類藥物的廣泛應(yīng)用，其產(chǎn)生的耐藥性問題[2]，以及一些喹諾酮類藥物對心血管系統(tǒng)、中樞系統(tǒng)、肝腎組織等的毒副作用也受到廣泛關(guān)注[3-4]。因此，不斷研發(fā)新的活性更強(qiáng)、副作用更小的喹諾酮類藥物，仍是目前抗菌藥物研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一[5]。此外，喹諾酮類藥物的抗腫瘤活性，目前也開始受到廣泛關(guān)注[6]。

二茂鐵(Ferrocene， 簡寫FcH)及其衍生物具有各種特殊的生物活性[7]，而且毒性低、疏水性好，易于透過細(xì)胞膜與細(xì)胞內(nèi)各種酶相互作用，使其在藥物化學(xué)上的應(yīng)用備受關(guān)注[8-9]，特別是將二茂鐵衍生物與藥物或生物活性分子組合成雜合物，成為當(dāng)前各種新型抗腫瘤、抗菌、抗瘧等藥物的一個(gè)重要研究領(lǐng)域[10-12]。

考慮到喹諾酮藥物的靶點(diǎn)是處于細(xì)菌細(xì)胞核中的解旋酶，因此我們擬利用藥物設(shè)計(jì)中的雜合策略，在喹諾酮類藥物中引入透膜性好、與生物大分子具有良好融合能力的二茂鐵骨架，合成出二茂鐵-喹諾酮類雜合物，然后再對它們的生物活性進(jìn)行研究，以發(fā)現(xiàn)新型的喹諾酮類候選藥物。

1實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器及試劑

WRS-1A型數(shù)字熔點(diǎn)儀(上海精密科學(xué)儀器公司)；500MHz超導(dǎo)核磁共振儀(瑞士Bruker公司)；ESP360FT-IR紅外光譜儀(美國Nicolet公司)；BrukerHCTESI-MS電噴霧質(zhì)譜(美國布魯克道爾頓公司)；TS100倒置顯微鏡(日本Nikon公司)；SUNRISE酶標(biāo)儀(瑞士TECAN公司)。

所用喹諾酮類藥物均為市售喹諾酮類原料藥；二茂鐵甲醛購自上海笛柏試劑有限公司，購回后直接使用；四氫呋喃和甲醇按常規(guī)方法進(jìn)行無水處理；其他試劑及溶劑均是購回后直接使用。

1.2化合物的合成與表征

目標(biāo)化合物4a～4e的合成及結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　目標(biāo)化合物的合成路線及結(jié)構(gòu)Fig.1　Synthesis and structures of the title compound

1.2.1喹諾酮甲酯2a～2e的合成

參考文獻(xiàn)[13]的方法進(jìn)行合成，其中環(huán)丙沙星甲酯 (1-環(huán)丙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氫喹啉-3-甲酸甲酯)2a的產(chǎn)率為51%，熔點(diǎn)253～254 ℃(文獻(xiàn)值[13]：251～253 ℃)；諾氟沙星甲酯(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氫喹啉-3-甲酸甲酯)2b的產(chǎn)率為62%，熔點(diǎn)192～193 ℃(文獻(xiàn)值[14]：189～190 ℃)；依諾沙星甲酯 (1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氫[1，8]萘啶-3-甲酸甲酯)2c的產(chǎn)率為55%，熔點(diǎn)267～269 ℃(文獻(xiàn)值[13]：268～271 ℃)；左氧沙星甲酯 (9-氟-2，3-二氫-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪基)-7-氧代-7H-吡啶并[1，2，3-de]-[1，4]苯并惡嗪-6-甲酸甲酯)2d的產(chǎn)率為65%，熔點(diǎn)228～230 ℃(文獻(xiàn)值[15]：226～227 ℃)；克林沙星甲酯 (1-環(huán)丙基-6-氟-7-(3-氨基吡咯烷-1-基)-8-氯-1，4-二氫-4-氧-喹啉-3-甲酸甲酯)2e的產(chǎn)率為48%，熔點(diǎn)281～283 ℃(文獻(xiàn)值[13]：283～284 ℃)。

1.2.2喹諾酮酰肼3a～3e的合成

在燒瓶中依次加入喹諾酮甲酯2a～2e(1.5mmol)，85%水合肼(0.8mL，15mmol)，甲醇30mL，氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌回流24h(TLC跟蹤)。待反應(yīng)完全后，減壓除去溶劑得淡黃色固體，粗產(chǎn)物用少量乙酸乙酯洗滌得到純品。環(huán)丙沙星酰肼 (1-環(huán)丙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氫喹啉-3-甲酰肼)3a的產(chǎn)率為76%，熔點(diǎn)227～228 ℃(文獻(xiàn)值[13]：226～227 ℃)；諾氟沙星酰肼(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氫喹啉-3-甲酰肼)3b的產(chǎn)率為80%，熔點(diǎn)258～260 ℃；依諾沙星酰肼(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氫[1，8]萘啶-3-甲酰肼)3c的產(chǎn)率為91%，熔點(diǎn)285～286 ℃；左氧沙星酰肼(9-氟-2，3-二氫-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪基)-7-氧代-7H-吡啶并[1，2，3-de]-[1，4]苯并惡嗪-6-甲酰肼)3d的產(chǎn)率為85%，熔點(diǎn)210～212 ℃(文獻(xiàn)值[15]：200～202 ℃)；克林沙星酰肼(1-環(huán)丙基-6-氟-7-(3-氨基吡咯烷-1-基)-8-氯-1，4-二氫-4-氧-喹啉-3-甲酰肼)3e的產(chǎn)率為87%，熔點(diǎn)235～237 ℃。

1.2.3目標(biāo)產(chǎn)物喹諾酮-二茂鐵雜合物4a～4e的合成

在燒瓶中加入喹諾酮酰肼3a～3e(0.3mmol)，二茂鐵甲醛(0.086g，0.4mmol)，20mL無水乙醇，0.3mL冰醋酸，避光及氮?dú)獗Ｗo(hù)下攪拌回流15～20h(TLC跟蹤)，待反應(yīng)完全后，減壓除去溶劑，粗產(chǎn)物用硅膠柱層析(洗脫劑為V甲醇∶V二氯甲烷=1∶10)純化得目標(biāo)化合物。

環(huán)丙沙星酰肼二茂鐵甲醛腙(1-環(huán)丙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氫喹啉-3-甲酰肼二茂鐵甲醛腙)4a：紅棕色固體，mp： 155～158 ℃，產(chǎn)率41.5%。IR(KBr，cm-1)： 3 430， 1 663， 1 480， 1 258， 799。1HNMR(500MHz，CDCl3)：12.97(s， 1H，—CONH)， 8.68(s， 1H，—C=NH)，8.51～8.05(m， 4H，ArH)，4.67～4.25(m， 9H，F(xiàn)cH)，3.44～3.20(m， 6H，—NHCH2—，—N(CH2)2)， 1.33～1.14(m，—CH(CH2)2)。13CNMR(125MHz，CDCl3)： 170.06， 151.01， 149.06， 142.18， 140.50， 120.39， 120.02， 111.61， 111.01， 70.26， 69.07， 69.05， 68.21， 46.54， 46.37， 43.58， 17.02。HRMS(ESI，m/z)：[M+H]+C28H29FFeN5O2計(jì)算值： 542.165 5，實(shí)測值： 542.163 7。

諾氟沙星酰肼二茂鐵甲醛腙(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氫喹啉-3-甲酰肼二茂鐵甲醛腙)4b：紅棕色固體，mp：149～151 ℃，產(chǎn)率44.2%。IR(KBr，cm-1)：3 430，1 660，1 612，1 534，1 487，1 384，1 260，1 125，1 040，798。1HNMR(500MHz，CDCl3)：13.12(s，1H，—CONH)，8.82(s，1H，—C=NH)，8.05～6.82(m，3H，ArH)，4.73～4.21(m，9H，F(xiàn)cH)，3.31(s，4H，—CH2NHCH2—)，3.17(s，4H，—N(CH2)2)，2.03(s，1H，—CH2NHCH2—)，1.59(m，5H，—CH2CH3)。13CNMR(125MHz，CDCl3)：175.06，161.27，154.38，152.40，149.56，147.00，136.59，136.48，113.09，112.89，110.84，103.95，77.04，70.52，69.26，68.30，49.38，45.20，14.52。HRMS(ESI，m/z)：[M+H]+C27H29FFeN5O2計(jì)算值：530.165 5，實(shí)測值：530.164 2。

依諾沙星酰肼二茂鐵甲醛腙(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氫[1，8]萘啶-3-甲酰肼二茂鐵甲醛腙)4c：紅棕色固體，mp：146～148 ℃，產(chǎn)率40%。IR(KBr，cm-1)：3 432，2 930，1 666，1 623，1 536，1 474，1 445，1 372，1 262，1 121，1 045.39，801。1HNMR(500MHz，CDCl3)：13.08(s，1H，—CONH)，8.85(s，1H，—C=NH)，8.17～8.06(m，2H，ArH)，4.74(s，2H，F(xiàn)cH)，4.48～4.35(m，4H，F(xiàn)cH，—CH2CH3)，4.22(s，5H，F(xiàn)cH)，3.87(s，4H，—CH2NHCH2—)，3.10(s，4H，—N(CH2)2)，2.06(s，1H，—CH2NHCH2—)，1.50(t，J=7.0Hz，3H，—CH2CH3)。13CNMR(125MHz，CDCl3)：175.36，161.01，149.56，146.18，144.50，120.79，120.62，111.93，111.00，78.39，71.23，70.46，70.15，69.57，69.26，69.25，69.24，69.23，68.31，47.74，47.37，45.58，15.02。HRMS(ESI，m/z)：[M+H]+C26H28FFeN6O2計(jì)算值：531.160 7，實(shí)測值：531.157 8。

左氧沙星酰肼二茂鐵甲醛腙(9-氟-2，3-二氫-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪基)-7-氧代-7H-吡啶并[1，2，3-de]-[1，4]苯并惡嗪-6-甲酸甲酯酰肼二茂鐵甲醛腙)4d：紅棕色固體，mp：163～166 ℃，產(chǎn)率31.3%。IR(KBr，cm-1)：3 439，1 659，1 611，1 537，1 437，1 411，1 386，1 294，1 238，1 131，1 049，1 005，798。1HNMR(500MHz，CDCl3)：13.07(s，1H，—CONH)，8.77(s，1H，—C=NH)，8.10～7.28(m，3H，ArH)，4.76～4.22(m，9H，F(xiàn)cH)，3.73(br，3H,OCH2,NCH)，3.47～2.4(m，8H，—N(CH2)2)，1.62～1.24(m，6H，—CH3)。13CNMR(125MHz，CDCl3)：175.15，161.10，149.52，144.32，124.32，122.17，110.61，105.32，70.49，70.47，69.57，69.24，68.38，58.43，55.47，50.32，46.07，18.40。HRMS(ESI，m/z)：[M+H]+C29H31FFeN5O3計(jì)算值：572.176 0，實(shí)測值：572.172 6。

克林沙星酰肼二茂鐵甲醛腙(1-環(huán)丙基-6-氟-7-(3-氨基吡咯烷-1-基)-8-氯-1，4-二氫-4-氧-喹啉-3-甲酰肼二茂鐵甲醛腙)4e：紅棕色固體，mp：186～188 ℃，產(chǎn)率80.2%。IR(KBr，cm-1)：3 423，2 456，1 660，1 609，1 549，1 447，1 320，1 259，1 189，1 102，955，797。1HNMR(500MHz，CDCl3)：12.70(s，1H，—CONH)，9.03(s，1H，—C=NH)，8.09～8.04(m，2H，ArH)，4.73～4.41(m，3H，-proline)，4.41～4.21(m，9H，F(xiàn)cH)，3.45～3.2(m，6H，—N(CH2)2)，2.06(br，2H,NH2)，1.28～0.95(m，4H，—CH(CH2)2)。13CNMR(125MHz，CDCl3)：174.65，160.30，151.65，137.39，125.62，111.91，111.25，86.80，78.22，77.30，71.31，69.61，69.28，50.88，50.74，45.23，45.17，40.74，11.43。HRMS(ESI，m/z)：[M+H]+C28H28ClFFeN5O2計(jì)算值：576.126 5，實(shí)測值：576.123 0。

1.3化合物的抗腫瘤活性研究

我們以喜樹堿為陽性對照，人肺癌A549、人乳腺癌MCF-7、人結(jié)腸癌HCT-116和人結(jié)腸腺癌LS174T為測試細(xì)胞株，用MTT法對5種喹諾酮藥物1a～1e及目標(biāo)化合物4a～4e的體外抗腫瘤活性進(jìn)行了測試，具體實(shí)驗(yàn)操作見參考文獻(xiàn)[16]，具體的測試結(jié)果見表1。

1.4化合物的抗菌活性研究

目標(biāo)化合物4a～4e和陽性對照物均用DMSO配成0.025g/mL溶液，以MH瓊脂為培養(yǎng)基，采用紙片擴(kuò)散法(KirbyBauer法)[17]進(jìn)行抑菌實(shí)驗(yàn)。紙片含藥量為0.5μg/片，以環(huán)丙沙星1a作為對照，抑菌環(huán)直徑平均值列于表2。

2結(jié)果和討論

從表1可以看出，環(huán)丙沙星1a， 諾氟沙星1b， 依諾沙星1c， 左氧沙星1d， 克林沙星1e這5種喹諾酮類藥物中，除了克林沙星1e對MCF-7癌細(xì)胞具有很弱的抑制活性外，幾乎都沒有抗腫瘤活性，但是與二茂鐵甲醛雜合形成雜合物4a～4e后，除4c和4d外，對個(gè)別癌細(xì)胞均顯示了較強(qiáng)的抗腫瘤活性，特別是化合物4a和4b。這一結(jié)果表明，將二茂鐵衍生物與喹諾酮藥物結(jié)合，有望發(fā)展出新型的抗腫瘤喹諾酮藥物。

由表2可知，將喹諾酮類藥物1a～1e改造成雜合物4a～4e后，其抗菌活性完全消失。由于喹諾酮類藥物中，羧基是維持抗菌活性必需的藥效團(tuán)，而在雜合物4a～4e中，這一關(guān)鍵藥效團(tuán)是以酰腙鍵方式存在，而該酰腙鍵很可能比較穩(wěn)定，在我們所選的抗菌活性測試條件下很難水解形成游離羧基，因而導(dǎo)致化合物抗菌活性的喪失。

表1　1a～1e，4a～4e對4種不同癌細(xì)胞株的IC50值

1.A549為人的肺腺癌細(xì)胞；2.HCT116為人的結(jié)腸癌細(xì)胞；3.MCF-7為人的乳腺癌細(xì)胞；4.LS-174T為人的結(jié)腸腺癌細(xì)胞； 5.CPT為喜樹堿。

表2　化合物1a，4a～4e的抑菌環(huán)直徑

綜上所述，我們設(shè)計(jì)合成了5個(gè)二茂鐵-喹諾酮雜合物，并對它們的抗腫瘤和抗菌活性進(jìn)行研究?？鼓[瘤活性研究結(jié)果表明，該類化合物顯示了較好的抗腫瘤活性，這一研究可為以喹諾酮骨架為基礎(chǔ)的抗腫瘤新藥的研發(fā)提供一種新的設(shè)計(jì)思路。

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(責(zé)任編輯王龍杰)

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.02.016

收稿日期：2015-11-26

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(21362007)；藥用資源化學(xué)與藥物分子工程省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(CMEMR2013-B02)

中圖分類號：O626.25

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1001-6600(2016)02-0111-05

SynthesisandAntitumor，AntibacterialActivityEvaluationofFerrocene-quinoloneHybrids

HUANGWanyun1，2，3，YINPenglong1，LIHong1，PENGXiangyan1，SUGuifa2，3

(1.DepartmentofPharmacology，GuilinMedicalUniversity，GuilinGuangxi541004，China；2.StateKeyLaboratoryfortheChemistryandMolecularEngineeringofMedicinalResources，GuilinGuangxi541004，China；3.CollegeofChemistryandPharmaceuticalSciences，GuangxiNormalUniversity，GuilinGuangxi541004，China)

Abstract:Five novel ferrocene-quinolone hybrids were firstly synthesized via esterification， hydrazinolysis and then condensation with ferrocenecarbaldehyde. Their structures were characterized by IR， NMR and HRMS. The results indicated that the target compounds really showed strong inhibitory activity against several tumor cell lines， which would probably provide a new strategy for the design of novel antitumor drugs based on the quinolone skeleton.

Keywords:quinolone； ferrocene； hybrids； antitumor activity； antibacterial activity

通信聯(lián)系人：黃婉云(1978-)，女，廣西桂林人，桂林醫(yī)學(xué)院副教授，博士。E-mail：hwygxnu@163.com