引用本文
何冰, 钟鑫鑫, 冉凯, 奉强, 余登斌, 韩涛, 李仲辉, 余洛汀. 硝基呋喃亚甲基哌啶类化合物的合成与抗结核活性[J]. 应用化学, 37(2): 134-143
HE Bing, ZHONG Xinxin, RAN Kai, et al. Synthesis and Antitubercular Activity of Nitrofuran-Methylene Piperidine Compounds[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 37(2): 134-143  
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硝基呋喃亚甲基哌啶类化合物的合成与抗结核活性
何冰a,*, 钟鑫鑫a,b, 冉凯b, 奉强a, 余登斌c, 韩涛a, 李仲辉a, 余洛汀b
a成都师范学院化学与生命科学院/功能分子研究所 成都 611130
b四川大学华西医院生物治疗国家重点实验室/生物治疗协同创新中心 成都 610041
c中国科学院长春应用化学研究所,电分析化学国家重点实验室 长春 130022
通讯联系人:何冰,副教授; Tel:028-66775229; E-mail:hebing@cdnu.edu.cn; 研究方向:靶向小分子药物的设计与合成
收稿日期:2019-07-22 修回日期:2019-10-21 接受日期:2019-10-22
基金:四川省科技厅应用基础研究项目(2018JY0262)和国家级大学生创新创业训练计划项目(201714389055)资助
摘要

结核是由结核分枝杆菌引起的一种慢性呼吸道传染病,对人类的健康构成严重威胁。 本文利用药效团拼接原理,将片段硝基呋喃和苯基噻唑组合,得到了19个2-(1-((5-硝基呋喃-2-基)甲基)哌啶-4-基)噻唑(5)和2-(1-((5-硝基呋喃-2-基)甲基)哌啶-4-基)-4-苯噻唑(6)系列化合物,测试了所有化合物在1和0.1 μmol/L浓度下对结核分枝杆菌H37Ra的抑制率。 构效关系分析表明,苯环上有取代基有利于活性,且苯环上对位取代普遍优于间位和邻位取代,对位吸电子基团取代活性优于对位供电子基团取代活性。在苯环对位吸电子基团取代中,—CF3取代的化合物2-(1-((5-硝基呋喃-2-基)甲基)哌啶-4-基)-4-(4-三氟甲基)苯基)噻唑(6f)活性最高,在1和0.1 μmol/L浓度下,抑制率分别为99.6%和93.4%。 鉴于新化合物具有抗结核高活性,化合物6f可作为抗结核候选化合物进一步研究。

关键词: 硝基呋喃; 亚甲基哌啶; 结核分枝杆菌; 构效关系
中图分类号:O626 文献标志码:A 文章编号:1000-0518(2020)02-0134-10
Synthesis and Antitubercular Activity of Nitrofuran-Methylene Piperidine Compounds
HE Binga, ZHONG Xinxina,b, RAN Kaib, FENG Qianga, YU Dengbinc, HAN Taoa, LI Zhonghuia, YU Luotingb
aCollege of Chemistry and Life Science/Institute of Functional Molecules,Chengdu Normal University,Chengdu 611130,China
bState Key Laboratory of Biotherapy/Collaborative Innovation Center of Biotherapy,West China Hospital,Sichuan University,Chengdu 610041,China
cState Key Laboratory of Electroanalytical Chemistry,Changchun Institute of Applied Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130022,China
Corresponding author:HE Bing, associate professor; Tel:028-66775229; E-mail:hebing@cdnu.edu.cn; Research interests:design and synthesis of target molecular drug
Received:2019-07-22 Revised:2019-10-21 Accepted:2019-10-22
Fund:Supported by the Foundation of Applied Basic Research Project of Sichuan Provincial Science and Technology Department(No.2018JY0262), and the National Undergraduate Innovation and Entrepreneurship Training Project(No.201714389055)
Abstract

Tuberculosis is a chronic respiratory infectious disease caused by Mycobacterium tuberculosis and a serious threat to the health of people around the world. In the previous work, we adopted the strategy of combinatorial chemistry, combining the group nitrofuran and phenyl-thiazole, to generate a series of new compounds with high antitubercular activity. In this work, a methylene-piperidine group was introduced and used to replace the original amide bridge moiety to produce new derivatives 2-(1-((5-nitrofuran-2-yl)methyl)piperidin-4-yl)thiazole (5) and 2-(1-((5-nitrofuran-2-yl)methyl) piperidin-4-yl)-4-phenylthiazole (6). In total, 19 compounds were synthesized and then the inhibition rate against Mycobacterium tuberculosis H37Ra was tested at the concentration of 1 μmol/L and 0.1 μmol/L. Based on the structure-activity relationship analysis, we found that the substitution on the benzene ring is beneficial to the activity improvement, furthermore, the para substitution is better than the meta and ortho substitution, and the electron-withdrawing group in the para position is better than the electron-donating group. In the para substitution of electron-withdrawing groups, —CF3 substituted compound 2-(1-((5-nitrofuran-2-yl)methyl)piperidin-4-yl)-4-(4-(trifluoromethyl)phenyl)thiazole (6f) had the highest antitubercular activity, and the inhibition rates reached 99.6% and 93.4% at the concentration of 1 μmol/L and 0.1 μmol/L, respectively. Due to the high antitubercular activity of compound 6f, it can be further developed as an antitubercular candidate compound.

Keyword: nitrofuran; methylene piperidine; Mycobacterium tuberculosis; structure-activity relationship

硝基芳香环类化合物在治疗肿瘤、神经性疾病和广谱抗菌领域均有广泛应用, 随着结核(TB)病占全球的病例增高, 逐渐被开发应用于抗结核分枝杆菌。 硝基芳香环类化合物作为抗结核(如TBA-354)药物在其结构上具有特有的特点及优势:如强吸电性, 极性大, 基团小, 有H键作用; 硝基在生物体内能被各种还原酶(I、Ⅱ 型硝基还原酶, NTR)还原, 生成 N-烃基取代羟胺、亚硝基化合物和胺的活性物质; 硝基在生物体内可以发生脱硝基化反应, 成为NO供体。 因此, 硝基类化合物是某些药物的前药[1]。

硝基咪唑类代表性化合物分别是OPC67683(Delamanid)[2]和TBA-354{(6 S)-6, 7-二氢-2-硝基-6-[[6-[4-(三氟甲氧基)苯基]-3-吡啶基]甲氧基]-5 H-咪唑并[2, 1-B][1, 3]口恶嗪}[3]。 OPC67683可被用于共感TB/HIV的病人[4], 并于2014年4月被欧洲食品药品监督管理局(EMA)批准上市, 治疗MDR-TB[5]; TBA-354已进入临床Ⅰ 期[6]。 硝基苯环类化合物BTZ043优于抗结核一线药物异烟肼和利福平, 是目前多重耐药结核(MDR-TB)和广泛耐药结核病(XDR-TB)的临床前候选药物[7, 8]。 十异戊二烯磷酰- β -D-核糖2'-差向异构酶(DprE1)易成为硝基芳香类化合物抗结核的靶点, 二硝基苯甲酰胺类化合物DBN1[9], 苯并喹喔啉类VI-9376[10]以及硝基三氮唑化合物377790[11]均对DprE1酶有一定作用。

最初, 作为广谱抗生素的硝基呋喃类化合物, 通过作用微生物酶系统, 抑制乙酰辅酶A, 干扰微生物糖代谢, 因其杀菌能力强、抗菌谱广、不易产生耐药等, 在临床上得到广泛应用。 但因为硝基呋喃类药物的严重致癌和致畸胎等毒副作用, 被欧盟、美国、中国等国家在20世纪初明令禁止使用[12]。 最近几年, 由于结核多重耐药现象较为严重, 具有强效抗耐药结核的硝基呋喃类化合物又重新进入人们视野, 被开发研究。 Lee等[13, 14]在研究硝基呋喃类化合物抗结核研究中发现了多个活性化合物。 他们从高通量筛选得到的5-硝基呋喃-2-酰胺类化合物(H37Rv, 最小抑菌浓度(minimum inhibitory concentration, MIC)=0.6 μ mol/L)入手, 在苯环的对位引入哌嗪支链得到Lee-562, 活性提高到MIC=0.014 μ mol/L, 然后将中间的酰胺基团生物电子等排替换为噁唑环, 得到这类化合物中活性最高的化合物Lee-878(MIC=0.0001 μ mol/L), 但Lee-878的水溶解低(0.55 μ mol/L), 药代数据不理想。 因此, 通过优化支链合成了Lee-1106, 溶解度提升了10倍, 活性基本保持(MIC=0.046 μ mol/L), 且与利福平、PA-824有协同效应, 小鼠慢性感染模型中, 给药9 d, 肺和脾脏中结核杆菌降低90%。

我们课题组前期工作中, 将片段2-硝基呋喃与4-苯基噻唑拼接得到的母核5-硝基- N-(4-苯基噻唑-2-基)呋喃-2-甲酰胺(1)具有良好的抗结核分枝杆菌活性, 经初步构效关系研究发现化合物2的活性最优, 达到MIC=0.27 μ g/mL(如图2)[15]。 进一步调研发现, 硝基呋喃亚甲基哌嗪和硝基呋喃亚甲基哌啶结构的化合物具有良好的抗结核活性[16], 如4-((5-硝基呋喃-2-基)甲基)哌嗪-1-羧酸叔丁酯(3)MIC=0.037 μ g/mL和化合物1-((5-硝基呋喃-2-基)甲基)-4-苯基哌嗪(4)的抗结核活性0.003~13 μ g/mL。 鉴于亚甲基哌嗪或亚甲基哌啶结构赋予该类化合物较好的抗结核活性和溶解度, 我们将这一结构引入母核1中, 替换原来的酰胺桥连基团, 得到新的结构母核5和6, 以期具有更好的抗结核活性(Scheme 1)。

Scheme 1 Synthetic route of 5a, 5b and 6a-6p

1 实验部分
1.1 试剂和仪器

N-(3-乙酰基苯基)环己酰胺、 N-(3-乙酰基苯基)苯甲酰胺、Alpha-溴代-4-氯苯乙酮, 2-溴-3-甲氧基苯酮、2-溴-1-(3-氯苯基)乙酮、2-溴-4-硝基苯乙酮、2-溴苯乙酮、2-溴-1- O-甲苯基乙酮、2-溴-1-(2-氯苯乙基)乙酮和2-溴-3-硝基苯乙酮等购自百灵威科技有限公司; 2-溴-1-(2-三氟甲基)苯乙酮、-硝基糠醛、 N-Boc哌嗪、氯丙酮、一氯频呐酮等购自北京依诺凯有限公司; 四丁基三溴化胺、三氟乙酸购自聚慧化工有限公司; 乙酸、乙醇、四氢呋喃、二氯甲烷、三乙胺等购自泰坦科技有限公司。 除特别说明, 试剂均为分析纯。

Bruker AVANCE Ⅲ 型核磁共振仪(400 MHz, NMR, 德国Bruker公司); Waters Q-TOF型质谱仪(MS, 美国Waters公司); 天津安捷拉中压快速制备色谱仪或柱层析, 粒径40~63 μ m青岛海洋硅胶; 薄层色谱(TLC)使用青岛海洋GF254型板。

1.2 实验方法

化合物3由5-硝基糠醛与 N-Boc哌嗪发生还原胺化制得。 5-硝基糠醛(5 mmol)与 N-Boc哌嗪(5 mmol)在25 mL二氯甲烷溶剂中, 加入NaB(AcO)3H(7.5 mmol)、乙酸3.8 μ L, 室温下发生还原胺化反应得到粗产品3, 再进一步将粗产品通过柱层析分离纯化得到化合物3, 黄色固体粉末, 收率52%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.28(d, J=3.6 Hz, 1H), 6.48(d, J=3.6 Hz, 1H), 3.65(s, 2H), 3.51~3.41(m, 4H), 2.54~2.44(m, 4H), 1.45(s, 9H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :156.93, 154.21, 151.85, 114.29, 113.56, 79.26, 54.07, 52.39, 45.86, 28.47; HR-MS(ESI):C14H22N3O5{[M+H]+}计算值312.1559, 实测值312.1570。

1.2.1 化合物5a和5b的合成

首先合成了4-甲基和4-叔丁基取代的噻唑类化合物5a和5b。 先由 N-Boc-哌啶4-硫代酰胺与取代的氯代乙酮在质子性溶剂乙醇中发生Hantasch缩合反应, 生成噻唑环中间体5-3; 然后噻唑环中间体5-3在强酸三氟乙酸(TFA)中脱掉Boc基团得到中间体5-4; 接着5-4与5-硝基糠醛发生还原胺化反应, 制得最终产物5a和5b, 合成路线如Scheme 1 所示。 化合物6a-6p的合成方法与化合物5a一样。

化合物5a 商业购买的 N-Boc-哌啶4-硫代酰胺(2 mmol)5-1与取代的氯代乙酮(2 mmol)5-2在10 mL乙醇溶液中, 80 ℃下加热回流1 h发生Hantasch缩合反生成噻唑环, 反应完成后, 将溶液旋干, 得到粗产品5-3, 投入下一步; 将以上得到的5-3加入定量二氯甲烷至溶解, 常温下搅拌, 并加入2 mL三氟乙酸, 脱掉-Boc基团, 另外加入几滴三乙胺将溶液调至碱性, 将溶液旋干, 加入一定量的稀盐酸与之充分反应生成盐, 萃取两次合并水层, 用饱和氢氧化钠溶液将溶液调至pH值8~9, 重新析出固体, 向上述溶液中加入乙酸乙酯使析出的固体溶解, 再萃取分液, 收集乙酸乙酯层并加入大量的无水硫酸钠干燥过夜, 抽滤得到粗产品5-4, 将此粗产品5-4投入下一步; 粗产品5-4与5-硝基糠醛(1.5 mmol)、NaB(AcO)3H(2.25 mmol)、乙酸(4.5 mmol)在10 mL四氢呋喃溶剂下, 发生还原胺化反应, 将最终溶液旋干得到粗产品后柱层析, 得到产品5a。

化合物5a:棕黑色粉末, 收率为53.7%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.67(d, J=3.7 Hz, 1H), 7.09(s, 1H), 6.78(d, J=3.7 Hz, 1H), 3.68(s, 2H), 2.99~2.85(m, 3H), 2.32(s, 3H), 2.20(td, J=11.5 Hz, 9.9 Hz, 2H), 2.05~1.95(m, 2H), 1.71(qd, J=12.2 Hz, 3.2 Hz, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :174.11, 157.53, 151.88, 151.75, 114.36, 113.31, 113.13, 54.42, 52.83, 32.69, 29.59, 17.22; HR-MS(ESI):C14H18N3O3S {[M+H]+}计算值308.1069, 实测值308.1070。

化合物5b:按化合物5a的合成方法, 将氯代乙酮替换为一氯频呐酮, 得到黄色固体粉末, 收率为61.2%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.66(d, J=3.6 Hz, 1H), 7.07(s, 1H), 6.77(d, J=3.5 Hz, 1H), 3.67(s, 2H), 2.91(d, J=11.8 Hz, 3H), 2.21(t, J=10.9 Hz, 2H), 2.00(d, J=12.2 Hz, 2H), 1.75~1.63(m, 2H), 1.26(s, 9H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :174.02, 165.55, 157.56, 151.75, 114.45, 113.41, 110.17, 54.41, 52.74, 34.81, 32.78, 30.32, 29.24; HR-MS(ESI):C17H24N3O3S {[M+H]+}计算值350.1538, 实测值350.1548。

1.2.2 化合物6a-6p合成

合成路线以各种取代的溴代苯乙酮6-2(其中取代的酰胺溴代苯乙酮类化合物6-1, 由酰胺苯乙酮与四丁基三溴化胺TBA-Br3发生 α -溴代反应制得)与 N-Boc-哌啶4-硫代酰胺在质子性溶剂乙醇中发生Hantasch缩合反应生成噻唑环中间体6-3; 然后在强酸TFA条件下脱掉Boc基团; 最后与5-硝基糠醛发生还原胺化反应, 制得最终产物6a-6p, 合成路线Scheme 1所示。

化合物6a:棕色固体, 收率59.0%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :8.02~7.87(m, 3H), 7.67(s, 1H), 7.50~7.37(m, 2H), 7.33(s, 1H), 6.78(s, 1H), 3.68(s, 2H), 3.16~2.80(m, 3H), 2.32~2.17(m, 2H), 2.07(d, J=9.7 Hz, 2H), 1.85~1.69(m, 2H); 13C NMR (DMSO- d6, 101 MHz), δ :175.05, 157.57, 154.14, 151.78, 134.70, 129.20, 128.38, 126.45, 114.45, 113.42, 113.39, 54.42, 52.77, 32.67; HR-MS(ESI):C19H20N3O3S {[M+H]+}计算值370.1225, 实测值370.1229。

化合物6b:棕色固体, 收率65.0%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :8.05(s, 1H), 8.01~7.92(m, 2H), 7.67(d, J=3.7 Hz, 1H), 7.56~7.44(m, 2H), 6.79(d, J=3.7 Hz, 1H), 3.69(s, 2H), 3.03(tt, J=11.4 Hz, 3.8 Hz, 1H), 2.98~2.90(m, 2H), 2.30~2.20(m, 2H), 2.12~2.04(m, 2H), 1.77(qd, J=12.3 Hz, 3.6 Hz, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :175.31, 157.57, 152.86, 151.79, 133.56, 132.85, 129.21, 128.15, 114.42, 114.24, 113.36, 54.43, 52.76, 39.84, 32.65; HR-MS(ESI):C19H19ClN3O3S {[M+H]+}计算值404.0836, 实测值404.0833。

化合物6c:棕色固体, 收率67.2%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :8.13(s, 1H), 8.00(s, 1H), 7.92(d, J=7.5 Hz, 1H), 7.67(d, J=3.3 Hz, 1H), 7.47(t, J=7.8 Hz, 1H), 7.39(d, J=7.7 Hz, 1H), 6.78(d, J=3.2 Hz, 1H), 3.69(s, 2H), 3.08~2.97(m, 1H), 2.95(d, J=11.0 Hz, 2H), 2.24(t, J=11.0 Hz, 2H), 2.08(d, J=11.8 Hz, 2H), 1.85~1.70(m, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :175.34, 157.54, 152.48, 151.77, 136.69, 134.07, 131.08, 128.09, 126.05, 124.97, 114.99, 114.39, 113.32, 54.43 52.77, 32.62, 28.47; HR-MS(ESI):C19H19ClN3O3S {[M+H]+}计算值 404.0836, 实测值404.0834。

化合物6d:棕色固体, 收率58.9%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.96(s, 1H), 7.88(dd, J=7.5 Hz, 1.8 Hz, 1H), 7.67(d, J=3.7 Hz, 1H), 7.55(dd, J=7.7 Hz, 1.2 Hz, 1H), 7.45~7.35(m, 2H), 6.78(d, J=3.7 Hz, 1H), 3.69(s, 2H), 3.09~2.99(m, 1H), 2.94(d, J=11.5 Hz, 2H), 2.29~2.19(m, 2H), 2.08(d, J=11.8 Hz, 2H), 1.84~1.70(m, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :173.98, 157.55, 151.77, 150.58, 133.40, 131.92, 131.37, 130.80, 129.88, 127.77, 118.26, 114.42, 113.37, 54.42, 52.74, 32.64, 29.16; HR-MS(ESI):C19H19ClN3O3S {[M+H]+}计算值404.0836, 实测值404.0835。

化合物6e:棕色固体, 收率57.3%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :8.02(s, 1H), 7.89(s, 2H), 7.75~7.40(m, 3H), 6.77(s, 1H), 3.67(s, 2H), 3.15~2.75(m, 3H), 2.22(s, 2H), 2.05(s, 2H), 1.77(s, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :175.32, 157.56, 152.91, 151.78, 133.90, 132.11, 128.44, 121.47, 114.42, 113.34, 114.30, 54.43, 52.76, 32.64, 29.05; HR-MS(ESI):C19H19BrN3O3S {[M+H]+}计算值448.0330, 实测值448.0324。

化合物6f:黄色固体, 收率63.1%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :8.22(s, 1H), 8.16(d, J=8.1 Hz, 2H), 7.79(d, J=8.2 Hz, 2H), 7.68(d, J=3.7 Hz, 1H), 6.79(d, J=3.6 Hz, 1H), 3.70(s, 2H), 3.10~3.01(m, 1H), 2.96(d, J=11.4 Hz, 2H), 2.25(t, J=10.7 Hz, 2H), 2.09(d, J=11.6 Hz, 2H), 1.79(qd, J=12.4 Hz, 3.3 Hz, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :180.38, 162.29, 157.26, 143.11, 133.36, 133.04, 131.74, 130.89, 120.88, 119.15, 118.10, 59.17, 57.49, 37.37, 28.95; HR-MS(ESI):C20H19F3N3O3S {[M+H]+}计算值438.1099, 实测值438.1098。

化合物6g:黄色固体, 收率70.2%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.84(d, J=7.8 Hz, 1H), 7.73(t, J=7.4 Hz, 1H), 7.70~7.58(m, 4H), 6.78(d, J=3.7 Hz, 1H), 3.69(s, 2H), 3.08~2.98(m, 1H), 2.97~2.88(m, 2H), 2.25(td, J=11.4 Hz, 9.7 Hz, 2H), 2.07(d, J=11.3 Hz, 2H), 1.86~1.70(m, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :174.09, 157.54, 151.79, 134.57, 132.73, 132.47, 129.13, 127.64, 127.34, 126.89, 126.84, 117.40, 114.37, 113.33, 54.42, 52.66, 32.55, 28.70; HR-MS(ESI):C20H19F3N3O3S {[M+H]+}计算值438.1099, 实测值438.1098。

化合物6h:棕色固体, 收率68.3%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :8.36(s, 1H), 8.30(d, J=8.4 Hz, 2H), 8.22(d, J=8.4 Hz, 2H), 7.69(d, J=3.0 Hz, 1H), 6.80(d, J=2.9 Hz, 1H), 3.71(s, 2H), 3.14~3.02(m, 1H), 2.97(d, J=10.6 Hz, 2H), 2.26(t, J=10.9 Hz, 2H), 2.10(d, J=11.5 Hz, 2H), 1.90~1.70(m, 2H), 1.37~1.16(m, 1H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :175.93, 157.53, 151.87, 151.78, 146.98, 140.61, 127.28, 124.60, 117.91, 114.40, 113.36, 54.41, 52.73, 32.59, 29.50; HR-MS(ESI):C19H19N4O5S {[M+H]+}计算值415.1076, 实测值415.1077。

化合物6i:棕色固体, 收率61.0%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :11.76(s, 1H), 8.76~8.72(m, 1H), 8.46~8.33(m, 2H), 8.19(dd, J=8.2 Hz, 1.4 Hz, 1H), 7.75(t, J=8.0 Hz, 2H), 7.20(d, J=3.7 Hz, 1H), 4.59(s, 2H), 3.57(d, J=10.6 Hz, 2H), 3.27~3.13(m, 2H), 2.34(d, J=12.3 Hz, 2H), 2.29~2.11(m, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :180.11, 160.72, 156.68, 166.39, 153.46, 140.87, 137.28, 135.51, 127.59, 125.48, 120.97, 125.37, 119.03, 58.55, 57.21, 36.78, 28.88; HR-MS(ESI):C19H19N4O5S {[M+H]+}计算值415.1076, 实测值415.1079。

化合物6j:黄色固体, 收率58.2%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.87(s, 1H), 7.83(d, J=8.1 Hz, 2H), 7.66(d, J=3.7 Hz, 1H), 7.23(d, J=8.0 Hz, 2H), 6.78(d, J=3.7 Hz, 1H), 3.68(s, 2H), 3.07~2.97(m, 1H), 2.97~2.90(m, 2H), 2.32(s, 3H), 2.23(td, J=11.5 Hz, 9.6 Hz, 2H), 2.07(d, J=11.3 Hz, 2H), 1.77(qd, J=12.3 Hz, 3.6 Hz, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :179.60, 162.33, 158.99, 156.53, 142.42, 136.83, 134.49, 131.14, 119.18, 118.10, 117.29, 117.25, 59.19, 57.54, 37.44, 26.02; HR-MS(ESI):C20H22N3O3S {[M+H]+}计算值384.1382, 实测值384.1378。

化合物6k:黄色固体, 收率54.5%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.65(d, J=3.7 Hz, 1H), 7.62~7.54(m, 2H), 7.32~7.22(m, 3H), 6.76(d, J=3.6 Hz, 1H), 3.67(s, 2H), 3.06~2.96(m, 1H), 2.93(d, J=11.4 Hz, 2H), 2.28~2.18(m, 2H), 2.06(d, J=11.5 Hz, 2H), 1.78~1.70(m, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :173.64, 157.53, 154.47, 151.77, 135.98, 134.81, 131.26, 129.94, 128.28, 126.26, 116.11, 114.39, 113.34, 54.42, 52.74, 32.64, 21.44; HR-MS(ESI):C20H22N3O3S {[M+H]+}计算值384.1382, 实测值384.1382。

化合物6l:棕色固体, 收率63.4%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.90~7.84(m, 2H), 7.79(s, 1H), 7.67(d, J=3.7 Hz, 1H), 7.02~6.95(m, 2H), 6.78(d, J=3.7 Hz, 1H), 3.79(s, 3H), 3.68(s, 2H), 3.04~2.98(m, 1H), 2.97~2.90(m, 2H), 2.29~2.18(m, 2H), 2.07(m, 2H), 1.76(qd, J=12.3 Hz, 3.7 Hz, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :179.52, 164.26, 162.33, 158.81, 156.53, 132.55, 132.34, 119.26, 119.16, 118.08, 116.05, 60.34, 59.20, 57.54, 56.92, 37.45; HR-MS(ESI):C20H22N3O4S {[M+H]+}计算值400.1331, 实测值400.1339。

化合物6m:棕色固体, 收率为71%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.97(s, 1H), 7.66(s, 1H), 7.59~7.40(m, 2H), 7.33(t, J=7.4 Hz, 1H), 6.90(d, J=7.1 Hz, 1H), 6.77(s, 1H), 3.81(s, 3H), 3.67(s, 2H), 3.10~2.87(m, 3H), 2.23(t, J=10.7 Hz, 2H), 2.06(d, J=11.2 Hz, 2H), 1.83~1.65(m, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :174.91, 160.06, 157.50, 153.99, 151.76, 136.06, 130.25, 118.88, 114.36, 113.92, 113.75, 111.89, 55.54, 54.42, 52.76, 32.66; HR-MS(ESI):C20H22N3O4S {[M+H]+}计算值400.1331, 实测值400.1328。

化合物6n:黄色固体, 收率70%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :7.83(s, 1H), 7.66(d, J=3.7 Hz, 1H), 7.53~7.46(m, 2H), 6.99(d, J=8.9 Hz, 1H), 6.77(d, J=3.7 Hz, 1H), 3.81(d, J=15.4 Hz, 6H), 3.67(s, 2H), 2.97(dd, J=21.3 Hz, 11.6 Hz, 3H), 2.27~2.18(m, 2H), 2.06(d, J=11.2 Hz, 2H), 1.76(dd, J=12.1 Hz, 2.9 Hz, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :179.43, 162.27, 158.99, 156.52, 154.06, 153.99, 132.57, 123.85, 119.09, 118.02, 116.98, 116.31, 114.92, 60.75, 60.67, 57.57, 37.48; HR-MS(ESI):C21H24N3O5S {[M+H]+}计算值430.1437, 实测值430.1339。

化合物6o:黄色固体, 收率67.5%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :9.90(s, 1H), 8.19(s, 1H), 7.86(s, 1H), 7.67(d, J=3.2 Hz, 1H), 7.63(d, J=7.7 Hz, 1H), 7.56(d, J=7.4 Hz, 1H), 7.32(t, J=7.8 Hz, 1H), 6.78(d, J=3.0 Hz, 1H), 3.69(s, 2H), 3.12~2.80(m, 3H), 2.41~2.15(m, 3H), 2.07(d, J=11.6 Hz, 2H), 1.89~1.70(m, 5H), 1.66(d, J=9.6 Hz, 1H), 1.47~1.36(m, 2H), 1.34~1.15(m, 4H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :175.00, 174.91, 157.59, 154.10, 151.79, 140.37, 135.09, 129.47, 121.01, 119.12, 117.38, 114.45, 113.5 0, 113.38, 54.45, 52.83, 45.35, 32.73, 29.62, 29.53, 25.89, 25.73; HR-MS(ESI):C26H31N4O4S {[M+H]+}计算值495.2066, 实测值495.2065。

化合物6p:棕色固体, 收率51%。1H NMR(DMSO- d6, 400 MHz), δ :10.35(s, 1H), 8.37(s, 1H), 8.01(d, J=7.3 Hz, 2H), 7.91(s, 1H), 7.82(d, J=8.0 Hz, 1H), 7.69~7.64(m, 2H), 7.63~7.57(m, 1H), 7.54(t, J=7.3 Hz, 2H), 7.41(t, J=7.9 Hz, 1H), 6.78(d, J=3.6 Hz, 1H), 3.69(s, 2H), 3.10~3.00(m, 1H), 2.96(d, J=11.3 Hz, 2H), 2.25(t, J=10.8 Hz, 2H), 2.09(d, J=11.6 Hz, 2H), 1.87~1.70(m, 2H), 1.32~1.14(m, 2H); 13C NMR(DMSO- d6, 101 MHz), δ :179.80, 170.83, 162.31, 158.84, 156.53, 144.80, 140.05, 139.88, 136.82, 134.20, 133.59, 132.91, 126.59, 125.25, 123.54, 119.17, 118.36, 118.09, 59.21, 57.58, 37.48, 27.32; HR-MS(ESI):C26H25N4O4S {[M+H]+}计算值489.1597, 实测值489.1518。

2 结果与讨论
2.1 化合物合成讨论

首先, 用5-硝基糠醛与 N-Boc哌嗪合成出化合物3, 作为对照化合物。 对于化合物5, 用 β -氯代酮与 N-Boc-哌啶硫代酰胺缩合得到噻唑中间体, 脱Boc后, 与5-硝基糠醛发生还原胺化反应得到化合物5a和5b。 对于化合物6, 将 β -氯代苯乙酮的苯环上R5用氯、溴、甲基、甲氧基、硝基、三氟甲基等不同基团在不同的位置替换, 以考察苯环上不同取代基和不同取代位置对抗结核活性的影响, 合成化合物6a-6p。 合成的19个化合物如表1所示。 本文所合成的化合物收率均较高, 收率在50%~70%之间。

表1 合成化合物列表 Table 1 List of synthetic compounds
2.2 抗结核活性构效关系

以Ciprofloxacin(环丙沙星)为阳性对照, 测试了合成的19个化合物在1和0.1 μ mol/L浓度下, 对结核分枝杆菌(H37Ra)的抑制率(Inh/%)。 首先测试了化合物3的活性, 在1 μ mol/L浓度下, 抑制率为99.1%, 在0.1 μ mol/L浓度下, 抑制率为-11.8%, MIC=0.16 μ mol/L(如图1)。 然后, 测试接上噻唑环的新结构化合物, 如表2所示。 最初发现, 噻唑4-位上分别接甲基、叔丁基和苯基的化合物5a、5b和6a, 在1和0.1 μ mol/L浓度下, 均未表现出活性。 但是, 在苯环的对位接上Cl取代, 得到化合物6b, 在1 μ mol/L浓度下, 抑制率为100.03%。 进一步改变Cl取代基的位置, 发现间位取代的6c和邻位取代的6d在1 μ mol/L浓度下活性下降, 其中邻位取代的化合物6d活性消失。 因为化合物6b的活性较好, 在化合物6b的基础上, 将苯环对位的Cl替换为Br, 得到化合物6e, 1 μ mol/L抑制率为99.1%, 0.1 μ mol/L抑制率为62.6%, 活性略低于化合物6b(0.1 μ mol/L, Inh=80.7%)。 与此同时, 在苯环上的不同取代位置引入—CF3、—NO2、—CH3和—OCH3, 对比它们的抑制率可知, —CF3对位取代的化合物6f活性较好, 在1和0.1 μ mol/L浓度下, 抑制率分别达到99.6%和93.4%, 而—CF3邻位取代的化合物6g活性消失。 —NO2对位取代的化合物6h比间位取代的化合物6i活性高, 0.1 μ mol/L浓度下, 化合物6h保持64.2%的抑制率, 化合物6i无活性; —CH3取代的化合物, 只有对位取代的化合物6j在1 μ mol/L浓度下, 保持90.2%的抑制率, 间位6k活性消失; —OCH3对、间位取代的化合物6l和6m抑制率均较低, 只有甲氧基二取代的化合物6n活性较好, 在1 μ mol/L浓度下, 抑制率为95.0%。

图1 化合物3的抗结核活性Fig.1 Antitubercular activity of compound 3

表2 噻唑环上不同取代基的化合物的抗结核活性 Table 2 Antitubercular activity of compounds with different substituents on the thiazole ring

综上活性分析, 可以明显发现苯环上取代基的位置对活性的影响有一定共性, 取代基处于对位的活性普遍比在间位和邻位的活性好。 —Cl:对位>间位>邻位; —CF3:对位>邻位; —NO2:对位>间位; —CH3:对位>邻位; —OCH3:对位>间位。 同时, 对比苯环上对位取代基—Cl、—Br、—CF3、—NO2、 —CH3和—OCH3, 发现吸电子基团活性普遍优于供电子基团活性:—Cl、—Br、—CF3、—NO2>—CH3、—OCH3。 在吸电子基团中, —CF3对位取代化合物6f活性最高, 在1和0.1 μ mol/L浓度下, 抑制率分别为99.6%和93.4%。 此外, 将前期发现的抗结核活性最好的化合物的相同取代基[15], 苯环上间位环己甲酰胺基和苯甲酰胺基, 引入到本文设计的结构母核上, 得到化合物6o和6p, 测试活性值:1 μ mol/L浓度下分别为89.2%和94.3%, 0.1 μ mol/L浓度下分别为-13.4%和83.7%。均比化合物6f的活性略低。

3 结 论

在母核结构5-硝基- N-(4-苯基噻唑-2-基)呋喃-2-甲酰胺(1)中的硝基呋喃与苯基噻唑之间, 引入亚甲基哌啶, 替换原来的酰胺桥连基团, 得到2-(1-((5-硝基呋喃-2-基)甲基)哌啶-4-基)噻唑(5)和2-(1-((5-硝基呋喃-2-基)甲基)哌啶-4-基)-4-苯噻唑(6)系列化合物, 测试所有化合物在1和0.1 μ mol/L浓度下, 对结核分枝杆菌H37Ra的抑制率。 经构效关系分析, 苯环上—Cl、—Br、—CF3、—NO2、—CH3和—OCH3取代基的对位取代的活性均普遍优于间位和邻位取代活性; 对位吸电子基团—Cl、—Br、—CF3和—NO2取代的活性普遍优于对位供电子基团—CH3和—OCH3取代的活性。在对位吸电子基团中, —CF3取代化合物6f的活性最高, 在1和0.1 μ mol/L浓度下, 抑制率分别为99.6%和93.4%。 鉴于化合物6f的抗结核高活性, 可作为抗结核候选化合物进一步研究。

致谢 感谢上海睿智化学有限公司所做的抗结核活性测试工作。

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