色胺酮衍生物無(wú)金屬催化的高效合成及抗菌活性研究

陳 林, 劉萬(wàn)聰, 王亞鵬, 辛子杰, 徐鵬帥,代海渝, 鄧力超, 王啟衛(wèi)1,,4*, 張 翔*

(1. 中國(guó)科學(xué)院 成都有機(jī)化學(xué)研究所,四川 成都 610041;2. 成都大學(xué) 藥學(xué)院(川抗所) 抗生素研究與再評(píng)價(jià)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610106;3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049; 4. 西華大學(xué) 理學(xué)院,四川 成都 610039)

色胺酮又名板藍(lán)根二酮B,最早是在1971年由Schindle等從過(guò)量L-色氨酸存在下的解脂假絲酵母(Candida lipolytica)中分離出來(lái)的喹唑啉酮類生物堿[1-2]。色胺酮主要存在于中藥青黛、大青葉中,也是藥用植物馬藍(lán)、蓼藍(lán)和菘藍(lán)等產(chǎn)藍(lán)植物的主要活性成分之一[3-5]。色胺酮獨(dú)特的雜環(huán)骨架賦予了良好的藥理活性,如抗炎[6]、抗菌[7]、抗腫瘤[8-9]和調(diào)節(jié)免疫功能[10]等。色胺酮對(duì)瘧疾、利什曼原蟲(chóng)和肺結(jié)核病菌等具有突出的藥物活性[11-12]。同時(shí),色胺酮的吲哚和喹唑啉酮母核等亞結(jié)構(gòu)也是許多天然生物堿和藥物的重要組成部分[13-14](Scheme 1a)。因此,開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、有效和易于放大生產(chǎn)的合成方法,制備結(jié)構(gòu)多樣的色胺酮衍生物,不僅具有重要的理論意義,還具有較好的實(shí)際價(jià)值。

Scheme 1

基于色胺酮良好的藥物活性,近年來(lái),其相關(guān)的合成方法研究取得了一定進(jìn)展。以靛紅作為單一的起始原料,通過(guò)不同方法引發(fā)的自縮合反應(yīng)可以得到色胺酮[15-18]。在不同的催化劑體系作用下,取代吲哚同樣能夠轉(zhuǎn)化為色胺酮衍生物[19-22]。此外,鄰氨基苯甲酸與靛紅或鄰氨基苯乙酮與靛紅酸酐的環(huán)化反應(yīng)也可被用于色胺酮衍生物的合成[23-25]。然而,這些方法大多使用強(qiáng)毒性氧化劑、依賴過(guò)渡金屬作為催化劑且需要高溫等較為苛刻的反應(yīng)條件。盡管在一些反應(yīng)條件下,通過(guò)靛紅或吲哚與靛紅酸酐的縮合反應(yīng),也可以得到色胺酮的衍生物[12,26-32],但其柱層析的后處理過(guò)程增加了這些方法在放大生產(chǎn)中的成本,限制了其應(yīng)用范圍。

基于本課題組前期對(duì)于色胺酮修飾與改造的研究[33],本文采用取代靛紅酸酐1作為起始原料,DMSO作為反應(yīng)溶劑,在DABCO的作用下,以80 ℃作為反應(yīng)溫度,與取代靛紅2經(jīng)形式上的(4+2)環(huán)化反應(yīng)以良好到優(yōu)秀的收率合成了一系列色胺酮衍生物。在后處理過(guò)程中,無(wú)需柱層析,經(jīng)簡(jiǎn)單便捷的過(guò)濾、水洗和干燥等操作即可得到目標(biāo)產(chǎn)物,該方法在減小對(duì)環(huán)境影響的同時(shí)提升了方法的實(shí)用性與合成效率(Scheme 1)。所得化合物均通過(guò)1H NMR,13C NMR和HR-MS(ESI-TOF)進(jìn)行表征。最后，探究了DABCO的作用機(jī)理,并通過(guò)最小抑菌濃度(MIC)試驗(yàn)對(duì)其良好的體外抗菌活性進(jìn)行了初步的評(píng)價(jià)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

WRX-X-4A型熔點(diǎn)儀;JEOL-600 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑,TMS為內(nèi)標(biāo));Waters SYNAPT G2型高分辨質(zhì)譜儀。

所用試劑均為分析純。

1.2 色胺酮衍生物3a～3l的合成(以3a為例)

在反應(yīng)試管中依次加入靛紅酸酐1a(0.12 mmol, 19.60 mg)、靛紅2a(0.10 mmol, 14.70 mg)及DABCO(0.02 mmol, 2.20 mg)。隨后,加入1.00 mL二甲基亞砜,并于80 ℃條件下反應(yīng)4 h(TLC監(jiān)測(cè)2a消耗完畢),過(guò)濾,濾餅用水洗滌,真空干燥得3a。用類似的方法合成3b～3l。

吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3a):黃色固體,收率92%, m.p.264～267 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.61(d,J=7.2 Hz, 1H), 8.42(dd,J=8.4 Hz, 1.2 Hz, 1H), 8.02(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.91(d,J=7.8 Hz, 1H), 7.84～7.87(m, 1H), 7.77～7.80(m, 1H), 7.67(t,J=7.8 Hz, 1H), 7.43(t,J=7.2 Hz, 1H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 182.5, 158.0, 146.6, 146.3, 144.3, 138.3, 135.1, 130.7, 130.2, 127.5, 127.2, 125.4, 123.7, 121.9, 117.9; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C15H8N2O2{[M+Na]+}271.0478, found 271.0480。

2-氯-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3b):黃色固體,收率90%, m.p.>300 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.63(d,J=8.4 Hz, 1H), 8.41(s, 1H), 7.98(d,J=7.8 Hz, 1H), 7.94(d,J=7.2 Hz, 1H), 7.79～7.83(m, 2H), 7.46(t,J=7.8 Hz, 1H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 182.5, 157.2, 146.1, 145.2, 138.5, 136.7, 135.6, 132.2, 127.6, 127.3, 125.6, 125.0, 122.0, 118.1; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C15H7ClN2O2{[M+H]+}283.0269, found 283.0266。

2-溴-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3c):黃色固體,收率92%, m.p.>300 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.62(d,J=8.4 Hz, 1H), 8.58(s, 1H), 7.90～7.96(m, 3H), 7.82(t,J=7.2 Hz, 1H), 7.46(t,J=6.6 Hz, 1H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 182.2, 156.9, 146.0, 145.2, 144.4, 138.4, 138.4, 132.1, 130.3, 127.5, 125.5, 125.1, 124.7, 121.9, 118.1; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C15H7BrN2O2{[M+H]+}326.9764, found 326.9756。

2-甲基-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3d):黃色固體,收率83%, m.p.254～256 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.61(d,J=8.4 Hz, 1H), 8.21(s, 1H), 7.91(m, 2H), 7.76～7.79(m, 1H), 7.65(dd,J=2.4 Hz, 8.4 Hz, 1H), 7.42(t,J=7.2 Hz, 1H), 2.55(s, 3H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 182.6, 158.1, 146.2, 144.5, 143.7, 141.3, 138.1, 136.4, 130.5, 127.3, 127.1, 125.3, 123.4, 122.0, 117.9, 21.7; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C16H10N2O2{[M+Na]+}285.0634, found 285.0638。

3-氯-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3e):黃色固體,收率93%, m.p.272～276 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.61(d,J=8.4 Hz, 1H), 8.37(d,J=8.4 Hz, 1H), 8.01(s, 1H), 7.93(d,J=6.6 Hz, 1H), 7.79～7.82(m, 1H), 7.63(dd,J=2.4 Hz, 8.4 Hz, 1H), 7.45(t,J=7.8 Hz, 1H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 182.2, 157.5, 147.6, 146.2, 145.2, 141.5, 138.5, 130.7, 130.1, 128.8, 127.4, 125.6, 122.2, 121.7, 118.0; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C15H7ClN2O2{[M+H]+}283.0269, found 283.0268。

8-氟-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3f):黃色固體,收率88%, m.p.272～274 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.64(dd,J=4.2 Hz, 9.0 Hz, 1H), 8.43(d,J=8.4 Hz, 1H), 8.03(d,J=7.2 Hz, 1H), 7.85～7.88(m, 1H), 7.68～7.71(m, 1H), 7.58(dd,J=2.4 Hz, 6.6 Hz, 1H), 7.49(t,J=8.4 Hz, 1H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 181.7, 161.0(J=251.6 Hz), 157.9, 146.5, 144.3, 142.4, 135.2, 130.8, 130.5, 127.5, 124.8(J=24.6 Hz), 123.7, 123.3, 119.6(J=7.2 Hz), 112.1(J=24.5 Hz);19F NMR(565 MHz, CDCl3)δ: -112.3; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C15H7FN2O2{[M+Na]+}289.0384, found 289.0375。

8-氯-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3g):黃色固體,收率94%, m.p.291～294 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 8.43(d,J=9.0 Hz, 1H), 8.29(d,J=7.8 Hz, 1H), 7.93(m,J=2.8 Hz, 3H), 7.88(dd,J=2.4 Hz, 8.4 Hz, 1H), 7.70～7.73(m, 1H);13C NMR(151 MHz, DMSO-d6)δ: 181.9, 158.2, 146.9, 145.5, 145.0, 137.4, 135.9, 131.7, 130.6, 130.5, 127.5, 124.8, 124.6, 123.6, 119.1; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C15H7ClN2O2{[M+H]+}283.0269, found 283.0270。

8-溴-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3h):黃色固體,收率86%, m.p.282～285 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.53(d,J=7.8 Hz, 1H), 8.43(d,J=8.3 Hz, 1H), 8.02～8.04(m, 2H), 7.88(m, 2H), 7.68～7.71(m, 1H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 181.3, 157.9, 146.5, 144.9, 143.7, 140.6, 135.3, 130.9, 130.6, 128.2, 127.6, 123.6, 123.3, 120.7, 119.5; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C15H7BrN2O2{[M+H]+}326.9764, found 326.9759。

8-甲基-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3i):黃色固體,收率81%, m.p.275～278 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.47(d,J=8.4 Hz, 1H), 8.42(d,J=6.6 Hz, 1H), 8.01(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.81～7.84(m, 1H), 7.69(s, 1H), 7.65(t,J=7.2 Hz, 1H), 7.56(d,J=8.4 Hz, 1H), 2.45(s, 3H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 182.6, 157.9, 146.8, 144.7, 144.4, 138.8, 137.4, 134.9, 130.7, 130.0, 127.5, 125.4, 123.9, 122.2, 117.7, 21.0; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C16H10N2O2{[M+Na]+}285.0634, found 285.0641。

8-甲氧基-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3j):黃色固體,收率92%, m.p.265～269 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.50(d,J=9.0 Hz, 1H), 8.41(d,J=7.2 Hz, 1H), 8.01(d,J=7.2 Hz, 1H), 7.82(t,J=7.8 Hz, 1H), 7.65(t,J=7.8 Hz, 1H), 7.37(d,J=2.4 Hz, 1H), 7.29(dd,J=3.0 Hz, 9.0 Hz, 1H), 3.90(s, 3H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 182.5, 158.9, 157.7, 146.8, 144.8, 140.5, 134.8, 130.7, 130.1, 127.4, 124.9, 124.0, 123.1, 119.2, 108.6, 56.0; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C16H10N2O3{[M+Na]+}301.0584, found 301.0586。

9-氯-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3k):黃色固體,收率90%, m.p.261～265 ℃;1H NMR(600 MHz, CDCl3)δ: 8.70(d,J=2.4 Hz, 1H), 8.45(dd,J=1.8 Hz, 8.4 Hz, 1H), 8.05(d,J=7.2 Hz, 1H), 7.85～7.90(m, 2H), 7.71(t,J=7.8 Hz, 1H), 7.42(dd,J=1.8, 7.2 Hz, 1H);13C NMR(151 MHz, CDCl3)δ: 181.1, 158.0, 146.8, 146.5, 144.7, 144.2, 135.4, 130.8, 130.5, 127.7, 127.6, 126.3, 123.4, 120.3, 118.6; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C15H7ClN2O2{[M+H]+}283.0269, found 283.0267。

9-溴-吲哚并[2,1-b]喹唑啉-6,12-二酮(3l):黃色固體,收率85%, m.p.228～242 ℃;1H NMR(600 MHz, DMSO-d6)δ: 8.59(s, 1H), 8.28(d,J=7.8 Hz, 1H), 7.92(t,J=4.2 Hz, 2H), 7.80(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.71～7.73(m, 1H), 7.67(dd,J=1.8 Hz, 8.4 Hz, 1H);13C NMR(151 MHz, DMSO-d6)δ: 182.0, 158.2, 147.0, 146.9, 145.5, 136.0, 131.3, 130.6, 130.5, 130.4, 127.6, 126.8, 123.5, 122.1, 120.2; HR-MS(ESI)m/z: calculated for C15H7BrN2O2{[M+H]+}326.9764, found 326.9764。

1.3 體外抗菌活性測(cè)試

采用美國(guó)臨床和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(CLSI)抗菌藥物敏感性試驗(yàn)操作規(guī)程(M02-A11, M07-A9和M11-A8)推薦的微量肉湯2倍稀釋法測(cè)定了化合物3a～3l及對(duì)照藥左氧氟沙星對(duì)耐甲氧西林金黃色葡萄球菌(MRSA)、敏感金黃色葡萄球菌(MSSA)、耐甲氧西林表面葡萄球菌(MRSE)和敏感表面葡萄球菌(MSSE)的最低抑菌濃度(MIC)。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)條件的優(yōu)化

以3a的合成反應(yīng)為模板反應(yīng),對(duì)反應(yīng)條件進(jìn)行了考察(表1)。首先,以DABCO為堿,在60 ℃條件下,對(duì)反應(yīng)溶劑進(jìn)行了篩選(Entry 1～8)。為了便于比較反應(yīng)的情況,以柱層析分離收率為指標(biāo)對(duì)反應(yīng)進(jìn)行考察,結(jié)果發(fā)現(xiàn),反應(yīng)結(jié)果與溶劑的極性呈現(xiàn)出一定的正相關(guān)性。盡管在使用乙腈、乙酸乙酯(EA)和二甲基亞砜(DMSO)時(shí),反應(yīng)均能以優(yōu)秀的收率分離得到目標(biāo)產(chǎn)物,但僅有當(dāng)使用DMSO作為反應(yīng)溶劑時(shí),產(chǎn)物能夠從反應(yīng)體系中大量析出?；诖?DMSO有望作為一種可以簡(jiǎn)化后處理操作的反應(yīng)溶劑。

表1 合成3a的反應(yīng)條件優(yōu)化Table 1 Optimization of the synthesis condition of 3a

考慮到反應(yīng)過(guò)程中靛紅酸酐需要脫除一分子的CO2,因此進(jìn)一步升高反應(yīng)溫度至80 ℃以促進(jìn)CO2釋放,進(jìn)而促進(jìn)反應(yīng)發(fā)生(Entry 10)。結(jié)果顯示,升溫不僅能夠?qū)Ψ磻?yīng)收率起到一定程度的改善作用,也能進(jìn)一步提升反應(yīng)的效率。隨后,在該溫度下,進(jìn)一步探索不同堿對(duì)反應(yīng)的影響(Entry 11～13)?？紤]到堿的溶解性問(wèn)題,本文重點(diǎn)對(duì)有機(jī)堿進(jìn)行了篩選。盡管在不同有機(jī)堿的催化作用下,反應(yīng)均能夠發(fā)生,但其結(jié)果與DABCO相比,均存在較為明顯的差異。最后,本研究確定了反應(yīng)的最優(yōu)條件:以DMSO為溶劑,DABCO為堿,于80 ℃條件下進(jìn)行反應(yīng)(表1)。同時(shí),本文進(jìn)一步嘗試不經(jīng)柱層析,直接進(jìn)行過(guò)濾、水洗和干燥的后處理操作,結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)收率并未受到顯著影響(92%,表1, Entry 10)。

2.2 反應(yīng)的底物擴(kuò)展

在優(yōu)化后的條件下,對(duì)反應(yīng)底物的普適性進(jìn)行了研究(Scheme 2)。首先以含有不同取代基的靛紅酸酐為底物進(jìn)行反應(yīng),均能以良好到優(yōu)秀的收率(83%～93%)分離得到目標(biāo)化合物3b～3e。之后進(jìn)一步對(duì)取代靛紅的底物兼容性進(jìn)行考查,結(jié)果發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)同樣能夠順利發(fā)生(81%～94%),并得到相應(yīng)的目標(biāo)產(chǎn)物(3f～3l)。特別地是,當(dāng)以5-氯靛紅作為反應(yīng)底物時(shí),該反應(yīng)能夠以94%收率過(guò)濾得到目標(biāo)化合物,進(jìn)一步論證了該方法的實(shí)用性和高效性。

Scheme 2

2.3 反應(yīng)機(jī)理研究

在上述底物擴(kuò)展的基礎(chǔ)上,以DABCO在反應(yīng)中的作用作為切入點(diǎn),對(duì)反應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行初步研究。根據(jù)已有文獻(xiàn)報(bào)道[34],DABCO在反應(yīng)中可以作為布朗斯特堿活化靛紅,同時(shí),本研究認(rèn)為其還有可能作為路易斯堿活化靛紅酸酐。因此,使用布朗斯特堿性較弱而路易斯堿性較強(qiáng)的三苯基膦作為催化劑,在標(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)反應(yīng)進(jìn)行探究,結(jié)果發(fā)現(xiàn),反應(yīng)仍然能夠順利進(jìn)行,并以42%柱層析收率分離得到目標(biāo)產(chǎn)物(Scheme 3)。結(jié)合近期文獻(xiàn)報(bào)道的靛紅酸酐的活化方式[35],該實(shí)驗(yàn)結(jié)果從側(cè)面佐證了DABCO作為路易斯堿活化靛紅酸酐的作用機(jī)理。

Scheme 3

據(jù)此,本文提出了上述環(huán)化反應(yīng)可能的作用機(jī)理(Scheme 4):在反應(yīng)過(guò)程中,DABCO不僅可以作為路易斯堿活化靛紅酸酐生成兩性離子中間體I,同時(shí)還能夠作為布朗斯特堿拔除靛紅的質(zhì)子生成靛紅負(fù)離子II;隨后,中間體I和II中的氮負(fù)離子對(duì)彼此的羰基親核進(jìn)攻,質(zhì)子化后形成中間體III;最終脫水形成色胺酮3a。

Scheme 4

2.4 體外抗菌活性

為進(jìn)一步論證產(chǎn)物的有用性,對(duì)合成的色胺酮衍生物進(jìn)行了體外抗菌活性評(píng)價(jià)。由表2可見(jiàn),所有的化合物(3a～3l)對(duì)耐甲氧西林表面葡萄球菌(MRSE)、敏感表面葡萄球菌(MSSE)均能表現(xiàn)出較好的抑菌活性?；?種致病菌的篩選結(jié)果,發(fā)現(xiàn)化合物3b與3g表現(xiàn)出一定的廣譜抑菌活性,其中化合物3g的抑菌活性較好,化合物3g對(duì)4種致病菌的MIC值均小于4 μg·mL-1。

表2 3a～3l的體外抗菌活性Table 2 In vitro antimicrobial activities of 3a～3l

在DABCO的作用下,以80 ℃作為反應(yīng)溫度,采用取代靛紅酸酐作為起始原料,DMSO作為反應(yīng)溶劑,與取代靛紅經(jīng)形式上的(4+2)環(huán)化反應(yīng)并以81%～94%收率合成了一系列色胺酮衍生物。在后處理過(guò)程中,無(wú)需柱層析,經(jīng)簡(jiǎn)單便捷的過(guò)濾、水洗和干燥等操作即可得到目標(biāo)產(chǎn)物。該方法進(jìn)一步簡(jiǎn)化了合成途徑、降低了合成成本,為色胺酮衍生物的高效制備提供了一種綠色、實(shí)用的工藝路線。在此基礎(chǔ)上,探索了DABCO的作用機(jī)理,并通過(guò)最小抑菌濃度(MIC)試驗(yàn)初步揭示了化合物3g良好的體外抗菌活性(<4 μg·mL-1),而深入的構(gòu)效分析研究仍在進(jìn)行中。