諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物銅配合物的合成研究★

王 曼，汪鈴泓，邢迦迦

（太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，山西 太原 030008）

引言

喹諾酮類藥物是一類新型的合成抗菌藥，它具有較廣的抗菌譜和較強(qiáng)的抗菌作用[1]。然而，隨著研究的深入，科學(xué)家們也發(fā)現(xiàn)喹諾酮類藥物有許多副作用和耐藥性，氟喹諾酮類藥物還存在一些其他缺點(diǎn)，如生物利用度低、血藥濃度低，以及其他一些影響療效的因素[2-4]。因此，人們希望合成具有穩(wěn)定構(gòu)型和新的醫(yī)療功能的喹諾酮類藥物。

諾氟沙星是第三代喹諾酮藥物，它是一種抗菌譜廣、抗菌活性強(qiáng)的合成抗菌藥物，對(duì)大多數(shù)細(xì)菌都有明顯的抑制作用。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，如果在哌嗪基上的N-4’位上接入烷基，不僅能夠增強(qiáng)對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌的抑制作用，同時(shí)，引入烷基（脂溶性基團(tuán)）后，還可以增加藥物的脂溶性，改善藥物在體內(nèi)的療效[5-6]。

目前，金屬配合物的研究也正在興起中，喹諾酮類藥物在體內(nèi)的活性也會(huì)受金屬離子影響。若在喹諾酮類藥物的3，4-位羰基上引入吸電基團(tuán)，增強(qiáng)電負(fù)性，易與金屬離子發(fā)生配合作用，形成的金屬配合物以插入和表面結(jié)合溝槽的形式與細(xì)菌DNA 相互作用，阻止細(xì)菌生長(zhǎng)，在抗菌和抗癌物質(zhì)中發(fā)揮良好作用。查閱文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)諾氟沙星衍生物的合成或者其配合物的合成研究已十分廣泛，而對(duì)于其衍生物金屬配合物的合成研究相對(duì)空白，本文在根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究報(bào)道的基礎(chǔ)上，選擇諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物作為喹諾酮藥物分子的基礎(chǔ)配合物，側(cè)重研究合成Cu2+離子的諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的銅配合物，探索新的抗菌活性和藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。并且探索合成諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物銅配合物的最佳工藝條件和工藝路線，表征其產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)[8-9]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

1.1.1 諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的合成反應(yīng)原理

本實(shí)驗(yàn)合成諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的反應(yīng)原理是N 烷基化反應(yīng)原理，見(jiàn)圖1。反應(yīng)使用諾氟沙星、溴代甲基環(huán)己烷作為主反應(yīng)原料，諾氟沙星N-離子作為親核試劑進(jìn)攻溴代甲基環(huán)己烷的碳原子，整個(gè)反應(yīng)屬于SN2親核取代反應(yīng)。反應(yīng)過(guò)程中，在哌嗪環(huán)的N 上形成新的C-N 鍵，N-4’位上接入環(huán)己甲基。

圖1 諾氟沙星環(huán)己甲基化衍生物的合成反應(yīng)式

1.1.2 諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的銅配合物的反應(yīng)原理

在諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的3，4 位羰基上引入吸電子基團(tuán)即環(huán)己甲基，導(dǎo)致其電負(fù)性增強(qiáng)，易與金屬離子發(fā)生配位反應(yīng)，產(chǎn)生金屬配合物，見(jiàn)圖2。該配合物的作用機(jī)制是細(xì)菌DNA 螺旋酶的抑制劑。

圖2 諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物銅配合物的合成反應(yīng)式

1.2 實(shí)驗(yàn)操作步驟

1.2.1 諾氟沙星環(huán)己甲基化衍生物的合成

1）按n（諾氟沙星）∶n（溴代甲基環(huán)己烷）=1∶1.1，在分析天平上稱取諾氟沙星原料藥6.38 g、碘化鉀3.32 g、溴代甲基環(huán)己烷3.54 g，用量筒量取DMF 30 mL加入三頸燒瓶中，加熱至80 ℃，加入3.32 g 碘化鉀和3.54 g 溴代甲基環(huán)己烷，反應(yīng)2 h。

2）反應(yīng)完成之后，把反應(yīng)后的溶液轉(zhuǎn)移到旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中，調(diào)節(jié)溫度至80 ℃，若反應(yīng)到此時(shí)回收瓶?jī)?nèi)無(wú)DMF 滴入時(shí)，立即停止旋蒸。

3）將用蒸餾水洗下的固體倒入燒杯中，可以觀察到溶液呈乳白色懸濁液，將裝有溶液的燒杯置于磁力攪拌裝置上打漿20 min，目的是充分除去KI 和DMF。

4）本實(shí)驗(yàn)采用二次抽濾，即抽濾-重結(jié)晶(無(wú)水甲醇)-抽濾，得衍生物產(chǎn)品。

5）干燥8 h 后從恒溫干燥箱中取出產(chǎn)品，產(chǎn)品呈白色粉末狀。用熔點(diǎn)法和紅外光譜表征分析產(chǎn)品，粗略計(jì)算產(chǎn)率。

1.2.2 諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物銅配合物的合成

1）稱取諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物8.32 g 和無(wú)水碳酸氫鈉0.336 g，置于盛有100 mL 蒸餾水的燒杯中，加熱攪拌至65 ℃，反應(yīng)至溶液清亮透明。

2）用已經(jīng)配好的0.1 mol/L 的NaOH 溶液調(diào)節(jié)溶液的pH 保持在7～8 之間。

3）稱取4.27 g 的Cu（NO3）2·3H2O 用少量水溶解，將2）中溶液緩慢滴入銅溶液中，滴加過(guò)程中不停的攪拌，觀察到會(huì)有沉淀生成。

4）室溫放置到第二天進(jìn)行過(guò)濾，用蒸餾水洗滌、抽濾、干燥，通過(guò)稱量計(jì)算產(chǎn)品的產(chǎn)率。

5）對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)

2.1.1 反應(yīng)溫度的選擇

溫度影響有機(jī)合成反應(yīng)程度及化學(xué)平衡。因此，為了找到最佳反應(yīng)溫度，需要進(jìn)行單因素研究。設(shè)定反應(yīng)時(shí)間為2 h，反應(yīng)物料比n（諾氟沙星）∶n（溴代甲基環(huán)己烷）=1∶1.1，相轉(zhuǎn)移催化劑1.0 g、碘化鉀3.32 g，通過(guò)階梯改變反應(yīng)溫度，得到不同溫度下產(chǎn)品的產(chǎn)率，尋找產(chǎn)率最大時(shí)的反應(yīng)溫度，即最適反應(yīng)溫度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表1 所示。

表1 反應(yīng)溫度與產(chǎn)率的單因素表

通過(guò)分析圖3 可知，在此折線圖中，溫度升高，反應(yīng)收率先升后降。反應(yīng)溫度達(dá)80 ℃時(shí)，曲線達(dá)到最高點(diǎn)，即產(chǎn)品的產(chǎn)率最高；越過(guò)最高點(diǎn)之后，繼續(xù)升高反應(yīng)溫度，對(duì)產(chǎn)率的提高也沒(méi)有幫助，反而會(huì)使產(chǎn)率下降。因此，合成衍生物的最適反應(yīng)溫度為80 ℃。

圖3 反應(yīng)溫度與產(chǎn)率折線圖

2.1.2 反應(yīng)時(shí)間的選擇

反應(yīng)時(shí)間也會(huì)影響反應(yīng)程度。反應(yīng)時(shí)間過(guò)短，反應(yīng)不完全；反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)產(chǎn)物的分解或副產(chǎn)物的生成。在合成諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的實(shí)驗(yàn)中，只改變反應(yīng)時(shí)間，其他條件保持不變。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 反應(yīng)時(shí)間與產(chǎn)率的單因素表

在圖4 中，產(chǎn)物收率隨著反應(yīng)時(shí)間的增加先上升后下降。最高點(diǎn)時(shí)，反應(yīng)產(chǎn)率最高（84.3%）時(shí)的反應(yīng)時(shí)間為2 h。當(dāng)經(jīng)過(guò)2 h 之后，增加反應(yīng)時(shí)間，產(chǎn)率反而開(kāi)始急劇下降。因此，可以得出，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)或者過(guò)短都不利于反應(yīng)的發(fā)生，即衍生物合成的最佳反應(yīng)時(shí)間為2 h。

圖4 反應(yīng)時(shí)間與產(chǎn)率折線圖

2.1.3 反應(yīng)物料比的選擇

原料配比也是工藝研究的一個(gè)重要指標(biāo)。為了找出合成反應(yīng)的最佳原料配比，必須進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。原料配比選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)物轉(zhuǎn)化不完全，因此反應(yīng)的產(chǎn)率不符合預(yù)期。由于反應(yīng)物中的溴具有揮發(fā)性，因此反應(yīng)中會(huì)發(fā)生損失。因此，有必要調(diào)整原料配比，以獲得最合適的原料配比，即最佳反應(yīng)物料比。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，固定反應(yīng)的時(shí)長(zhǎng)為2 h、反應(yīng)的溫度為80 ℃。每次加入相轉(zhuǎn)移催化劑、活化劑KI、無(wú)水碳酸鉀的質(zhì)量保持不變，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3 所示。

表3 反應(yīng)物料比與產(chǎn)率的單因素實(shí)驗(yàn)表

由圖5 可知，隨著物料比中溴代甲基環(huán)己烷的量的增加，反應(yīng)產(chǎn)率也隨之增加。當(dāng)反應(yīng)物料摩爾比為1∶1.1 時(shí)，產(chǎn)率為88.7%，達(dá)到最高。繼續(xù)增加物料比，反應(yīng)產(chǎn)率又迅速下降。因此可以得出，合成諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的最佳反應(yīng)物料比為n（諾氟沙星）∶n（溴化甲基環(huán)己烷）=1∶1.1。

圖5 反應(yīng)物料比與產(chǎn)率折線圖

2.1.4 相轉(zhuǎn)移催化劑對(duì)產(chǎn)率的影響

諾氟沙星和溴代甲基環(huán)己烷的極性大不相同。在反應(yīng)過(guò)程中，兩個(gè)主要原料所處的相不同。因此反應(yīng)原料之間無(wú)法充分接觸，使得整個(gè)反應(yīng)不能完全反應(yīng)或反應(yīng)速度緩慢。此時(shí)，如果加入相轉(zhuǎn)移催化劑，使諾氟沙星轉(zhuǎn)入有機(jī)相，就可以與溴代甲基環(huán)己烷充分接觸。在上述最佳條件下進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，通過(guò)比對(duì)兩組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)率，分析催化劑對(duì)反應(yīng)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下表4 所示。

表4 相轉(zhuǎn)移催化劑與產(chǎn)率的單因素實(shí)驗(yàn)表

由表4 可以看出，加入相轉(zhuǎn)移催化劑的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)率與未加入相轉(zhuǎn)移催化劑的對(duì)照組產(chǎn)率相差25.2%，說(shuō)明加入相轉(zhuǎn)移催化劑可以提高產(chǎn)率，并且提高的程度很大。

2.2 響應(yīng)面分析

在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇三因素（反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、反應(yīng)物料比）三水平進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)。根據(jù)軟件擬合給出的條件，一共設(shè)計(jì)了17 組實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)操作后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5 所示。

表5 諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物響應(yīng)面數(shù)據(jù)

響應(yīng)面軟件中得到的等高線圖和三維圖如圖6所示。

圖6 等高線圖和三維圖

在三維圖中，凸面上有一最高點(diǎn)，此頂點(diǎn)為某個(gè)因素固定時(shí)，3 個(gè)因素?cái)M合得到的產(chǎn)率最高點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)表示合成衍生物各個(gè)因素的最佳條件，如表6 所示。

表6 環(huán)己甲基衍生物響應(yīng)面最佳條件數(shù)據(jù)

2.3 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

重復(fù)性實(shí)驗(yàn)是指在響應(yīng)面軟件設(shè)計(jì)得出衍生物合成的最佳工藝條件下，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，已經(jīng)確定的諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的最佳反應(yīng)條件為:物料比n（諾氟沙星）∶n（溴化甲基環(huán)己烷）=1∶1.1，反應(yīng)時(shí)間溫度為80 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表7 中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，根據(jù)最佳條件下反應(yīng)的產(chǎn)物產(chǎn)率計(jì)算平均值，得出結(jié)果為83.6%。這個(gè)結(jié)果與響應(yīng)面法軟件擬合得出的產(chǎn)物產(chǎn)率相近，因此，可以得出，響應(yīng)面軟件擬合出得出的反應(yīng)條件就是合成諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的最佳反應(yīng)條件。

2.4 產(chǎn)品的表征

2.4.1 熔點(diǎn)的測(cè)定

由熔點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)得諾氟沙星的熔點(diǎn)為218 ℃～224 ℃，諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的熔點(diǎn)為205 ℃～212 ℃，諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物銅配合物的熔點(diǎn)為243 ℃～251 ℃，相比于原料藥諾氟沙星，衍生物的熔點(diǎn)、配合物的熔點(diǎn)有明顯改變，說(shuō)明有新的物質(zhì)生成。

2.4.2 紅外光譜的測(cè)定

諾氟沙星的紅外光譜圖如圖7 所示。

圖7 諾氟沙星的紅外譜圖

諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的紅外光譜圖如圖8所示。

圖8 諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的紅外譜圖

對(duì)諾氟沙星的紅外譜圖（圖6）進(jìn)行分析：3 320 m-1處為N-H 鍵吸收峰，1 726 m-1處為羧基的吸收峰，1 614 m-1處為酮羰基吸收峰。對(duì)諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的紅外譜圖（圖7）進(jìn)行分析：3 320 m-1處為N-H鍵峰消失，說(shuō)明諾氟沙星的N-H 鍵斷裂，環(huán)己甲基取代H 原子連接在N-4′位上；1 379 cm-1處為甲基振動(dòng)峰，沒(méi)有出現(xiàn)偶合情況，說(shuō)明了諾氟沙星哌嗪環(huán)的N-H 鍵已斷裂，形成了C-N 鍵，確定生成了諾氟沙環(huán)己甲基衍生物。

2.4.3 核磁共振氫譜的測(cè)定

圖9 為諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的核磁共振氫譜圖。從圖9 中可以看出，δ 值約為3.6 ppm 處為NRC6H5基團(tuán)，說(shuō)明哌嗪環(huán)N-4’位上的H 已被NRC6H5取代。即確實(shí)有諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的生成，而且生成的產(chǎn)物純度還比較高。

圖9 諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物氫譜圖

2.5 電導(dǎo)率的測(cè)定

以二氯亞砜為溶劑，配制濃度1×10-3mol/L 的溶液。在上述溶液中測(cè)得衍生物的電導(dǎo)率為36.7 S·cm2·mol-1，諾氟沙星環(huán)己甲基銅配合物的電導(dǎo)率為44.5 S·cm2·mol-1，諾氟沙星原料藥的電導(dǎo)率為36.2 S·cm2·mol-1，三者電導(dǎo)率的不同，說(shuō)明有新的藥物合成。

3 結(jié)論

通過(guò)合成、表征、單因素實(shí)驗(yàn)、響應(yīng)面設(shè)計(jì)、重復(fù)性實(shí)驗(yàn)等一系列操作，合成諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的最佳工藝條件為反應(yīng)物料比n（諾氟沙星）∶n（溴代甲基環(huán)己烷）=1∶1.1，反應(yīng)溫度為80 ℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，查閱文獻(xiàn)得合成諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物銅配合物的最佳反應(yīng)條件為：n（諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物）∶n（三水合硝酸銅）=2∶1.1，反應(yīng)溶劑為水（100 mL），反應(yīng)溫度是65 ℃，在此條件下產(chǎn)物產(chǎn)率最高。在表征過(guò)程中，通過(guò)熔點(diǎn)測(cè)定，測(cè)得諾氟沙星原料藥的熔點(diǎn)為218 ℃～224 ℃，諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物的熔點(diǎn)205 ℃～212 ℃，諾氟沙星環(huán)己甲基衍生物銅配合物的熔點(diǎn)為243 ℃～251 ℃，三者熔點(diǎn)有明顯差異，說(shuō)明有新物質(zhì)生成。在紅外光譜測(cè)定中，3 320 cm-1處為N-H 鍵峰消失，說(shuō)明該鍵斷裂；1 379 cm-1處為甲基振動(dòng)峰，沒(méi)有出現(xiàn)偶合情況，說(shuō)明了哌嗪環(huán)的N-H 鍵上的H 已經(jīng)被環(huán)己甲基基團(tuán)取代。在核磁共振氫譜中，δ 值約為3.6 ppm 處為NRC6H5基團(tuán)。以上表征手段確認(rèn)了生成物的結(jié)構(gòu)。