芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物及制备方法和应用
阅读说明：本技术 芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物及制备方法和应用 (Aromatic heterocyclic substituted acridine quaternary ammonium salt derivative, preparation method and application thereof ) 是由 马淑涛 宋迪 张楠 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明属于药物化合物技术领域,涉及芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物及制备方法和应用,具有如式(I)所示的结构：其中,R～(1)选自芳杂基、取代芳杂基；X为卤素或苯磺酸阴离子。本发明提供芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物及其制备方法和应用,本发明通过结构简化,截取血根碱和小檗碱中的有效片段,和芳香杂环类药效团进行拼合,设计合成了芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物,以期望通过抑制细菌FtsZ和细菌生物膜的双重抗菌机制来发挥其独特的抗菌作用。(The invention belongs to the technical field of pharmaceutical compounds, and relates to an aromatic heterocycle substituted acridine quaternary ammonium salt derivative, a preparation method and application thereof, wherein the derivative has a structure shown as a formula (I): wherein R is 1 Selected from heteroaryl, substituted heteroaryl; x is halogen or benzene sulfonic acid anion. The invention provides an aromatic heterocyclic substituted acridine quaternary ammonium salt derivative, a preparation method and application thereofAcridine quaternary ammonium salt derivatives, which are expected to exert unique antibacterial effects by inhibiting the dual antibacterial mechanisms of bacteria FtsZ and bacterial biofilms.)
技术领域
本发明属于药物化合物
技术领域
，涉及芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物及制备方法和应用。背景技术
公开该
背景技术
部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。抗生素的发现被誉为人类医学史上最伟大的成就之一，它的广泛应用不仅明显改善了人类的生活质量，也有效延长了人类的整体寿命。目前已有200多种抗生素应用于临床，由各种细菌感染引起的疾病也得到了有效的治疗，抗生素成为人类对抗细菌感染的有力武器。然而，随着抗生素的广泛使用，抗生素的滥用问题日益突出，并且由于滥用引起的多药耐药菌的产生严重威胁着人类的生命健康安全。更令人感到担忧的是，耐药菌产生的速率远远快于新型抗生素研发的速率。目前，为了解决日益严峻的细菌耐药问题，除了严格规范抗菌药物的使用，防止细菌耐药性过快地产生，另一方面应加快开发具有新型作用机制及新颖作用靶点的抗菌药物。
丝状温度敏感蛋白Z(FtsZ)，是一类高度保守的具有GTP酶活性的细胞分裂蛋白，在细菌细胞分裂过程中起着至关重要的作用。当GTP结合到FtsZ单体上时，FtsZ单体头尾相连形成FtsZ原丝，许许多多的FtsZ原丝通过横向的相互作用形成原丝束并最终形成高度动态的Z环。Z环位于细菌细胞中部，紧贴细胞内膜，招募其他参与细菌细胞分裂过程的蛋白，然后收缩，隔膜形成，细胞分裂完成。FtsZ在含有细胞壁的细菌(大肠杆菌、枯草芽孢杆菌和结核杆菌)和不含细胞壁的细菌(肺支原体)中均广泛存在且高度保守。干预FtsZ的正常生物学功能将导致细菌细胞异常分裂，并且使其对环境物理性质的变化更敏感，细胞最终会裂解死亡。由于FtsZ分布的广泛性和高保守性，近年来引起了许多科研工作者的极大兴趣，希望通过FtsZ靶点抑制剂的研究，开发出新型抗菌药物。
群体感应(Quorum sensing,QS)是细菌通过信号分子分泌、识别，从而调控基因表达、协调菌群行为的一种细菌交流机制，这种机制赋予细菌一系列社会性能力。例如，在群体感应进程中化学信号分子能够直接或间接影响细菌毒力因子分泌、蛋白酶合成、生物膜形成和细菌耐药性等。阻断细菌菌体间的相互联系可以有效地降低细菌的致病性和耐药性。因此，QS抑制剂有望成为抗感染治疗的新疗法。但是，目前的化合物都具有较高的副作用，并且抗菌活性有待进一步提高。因此，如何进一步开发抗菌活性好并且副作用较小的化合物具有重要的意义。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供了芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物及制备方法和应用，通过结构简化，截取血根碱和小檗碱中的有效片段，和芳香杂环类药效团进行拼合，设计合成了芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物，以期望通过抑制细菌FtsZ和细菌生物膜的双重抗菌机制来发挥其独特的抗菌作用。
具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：
在本发明的第一方面，芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物，具有如式(I)所示的结构：
其中，R1选自芳杂基、取代芳杂基；X为卤素或苯磺酸阴离子。
在本发明的第二方面，芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物的制备方法，包括如下反应路线：
其中，R1、X如上述任一所述。
在本发明的第三方面，一种药物组合物，含有所述的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物和/或其溶剂合物。
在本发明的第四方面，一种药物制剂，包括所述的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物或药物组合物与至少一种药学上可接受的载体或赋形剂。
在本发明的第五方面，一种所述的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物、所述的药物组合物或所述的药物制剂在制备防治细菌感染的药物中的应用。
在本发明的第六方面，一种所述的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物、所述的药物组合物或所述的药物制剂在防治细菌感染中的应用。
本发明一个或多个实施例具有以下有益效果：
(1)、本发明的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物对多种敏感菌及耐药菌具有显著的抑制作用，且对于金黄色葡萄球菌不容易诱导产生耐药。
(2)、本发明的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物对细菌FtsZ聚合和细菌生物膜具有显著的干扰作用，并且随浓度增加而作用增加。
(3)、本发明的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物具有良好的杀菌作用，且其杀菌作用具有浓度依赖性。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1：为实施例中的I-14的时间杀菌曲线的参考结果图；
图2：为实施例中的I-14的对FtsZ蛋白聚合影响的参考结果图；
图3：为实施例中的I-14的对敏感性金黄色葡萄球菌S.aureus ATCC25923诱导耐药性的参考结果图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本发明的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本发明的技术方案。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。
如无特殊说明，本发明所采用的原料及试剂均可通过常规途径购买或者根据本领域已知的方法制备得到或者本领域技术人员通过常规试验制备得到。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
在本发明的一种或多种实施例中，芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物，具有如式(I)所示的结构：
其中，R1选自芳杂基、取代芳杂基；X为卤素或苯磺酸阴离子。
所述芳杂基选自五元芳杂基，六元芳杂基，苯并杂环基；进一步地，所述芳杂基选自噻唑基、呋喃基、吡咯基、咪唑基、噁唑基、吡啶基、嘧啶基、吡嗪基、吗啉基、苯并噻唑基、吲哚基、苯并咪唑基、喹啉基、四氢喹啉基。
或，所述取代芳杂基为芳杂基中含有一个或多个取代基。
进一步地，取代芳杂基的取代基选自烷基、杂烷基、卤素、取代烷基、苯基、取代苯基。
进一步地，所述烷基为C原子数为1-8的直链或支链烷基或杂烷基、C原子数为3-8的环烷基。
进一步地，所述取代烷基为烷基中的一个或多个氢被卤素取代。
进一步地，所述取代苯基为苯基中的一个或多个氢被取代。
进一步地，R1选自 R2选自C原子数为1-8的直链或支链烷基或杂烷基、C原子数为3-6的环烷基、R3和R4各自独立的选自H、F、Br、Cl、-OCH3、-CF3、-OCF3、-OH、-NH2、-OC2H5、-SCH3、-N(CH3)2、-N(C2H5)2、C原子数为1-8的烷基或杂烷基；R3和R4分别为苯环的邻位、间位或对位。
具体的，芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物，包括以下化合物：
芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物的制备方法，包括如下反应路线：
其中，R1、X均如上所述。
具体的，所述制备方法：先进行乌尔曼反应获得再进行分子内环合反应获得然后进行亲核取代反应获得接着进行亲核取代反应获得最后经过亲核取代、重排制得式(I)所示的化合物。
以R1为为例，制备路线如下所示：
操作步骤：将邻溴苯甲酸与苯胺经乌尔曼缩合，分子内环合，与碘甲烷发生亲核取代反应，后经氯代得到中间体5。芳杂环取代基由亲核取代制得，后中间体5与芳杂环取代基经亲核取代，重排得到终产物。
更为具体的，制备方法包括以下步骤：
(1)将邻溴苯甲酸加入碱性醇溶液中，在铜离子的催化作用下反应得到所述中间体2。更为具体的，其中，所述碱性醇溶液优选采用乙醇，并加入无机碱进行制备；所述催化作用通过加入催化剂实现，所述催化剂可以为铜粉或氯化亚铜或醋酸铜或硫酸铜中一种或其组合；所述催化反应的温度为70～80℃，反应时间为12～24小时。
(2)将中间体2溶于浓硫酸中，在隔绝氧气的条件下加热反应得到中间体3。更为具体的，所述加热温度为80～100℃，反应时间为4～8小时。
(3)将中间体3溶于N,N-二甲基甲酰胺中，在0℃下加入氢化钠拔氢，与碘甲烷发生亲核取代反得到中间体4。更为具体的，所述加热温度为60℃，反应时间为12～24小时。
(4)将中间体4溶于二氯亚砜中回流，发生氯代反应，得到中间体5。更为具体的，所述加热温度为80℃，反应时间为1～2小时。
(5)芳香性杂环6溶于不同取代基的卤代烷中，发生亲核取代反应，得到芳杂环取代基7。
(6)中间体5和芳杂环取代基7溶于甲醇中，加入饱和碳酸钾的水溶液缚酸，后加入饱和碘化钾溶液调盐，柱层析纯化得到相应(I)式化合物。
一种药物组合物，含有所述的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物和/或其溶剂合物，所述溶剂合物，包括有机溶剂合物及水合物。
一种药物制剂，包括所述的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物或药物组合物与至少一种药学上可接受的载体或赋形剂。
本发明中所述药学上可接受的载体或赋形剂是无毒且安全的，而且其与本发明所述化合物的组合也是无毒且安全的。本发明所述的药学上可接受的载体和赋形剂通常为本领域人员所熟知的，或者可由本领域技术人员根据实际情况能够确定的。合适的载体和赋形剂的实例包括葡萄糖、水、甘油、乙醇、丙二醇、玉米淀粉、明胶、乳糖、蔗糖、海藻酸、微晶纤维素、高岭土、甘露醇、磷酸二钙、氯化钠、交联羧甲基纤维素钠和淀粉羟乙酸钠等；亲水载体、疏水载体，或其组合等。疏水载体包括，例如脂肪乳剂、脂质、聚乙二醇化磷脂、生物相容的聚合物、脂质球、脂质体、小囊泡、聚合物基质、颗粒等。此外，本领域技术人员会理解的是，稀释剂包括在术语载体和赋形剂的范围之内。为方便起见，局部麻醉剂，防腐剂，缓冲剂等可直接溶于载体中。
本发明的药物组合物和药物制剂，可以以单位剂量形式给药，给药剂型包括注射剂、片剂、丸剂、胶囊、悬浮剂、乳剂、气雾剂、粉剂、冻干粉针剂、包合物、填埋剂、贴剂、擦剂等。这些剂型可根据本领域的常规方法通过加入合适的辅料或赋形剂制备得到。
一种所述的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物、所述的药物组合物或所述的药物制剂在制备防治细菌感染的药物中的应用；
进一步地，所述细菌为革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌；
进一步地，所述细菌选自枯草芽孢杆菌、短小芽孢杆菌、金黄色葡萄球菌、耐药金黄色葡萄球菌中的一种或多种；
进一步地，用于制备抑菌剂或杀菌剂。
一种所述的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物、所述的药物组合物或所述的药物制剂在防治细菌感染中的应用。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
实施例1
2-(苯氨基)苯甲酸(2)的制备
称取原料2-溴苯甲酸(2.0g，10mmol)、苯胺(1.85g，20mmol)、碳酸钾(1.37g，10mmol)和催化量的铜粉(0.2-0.3微米，4.97mmol)溶于80mL的乙醇中。反应液在回流状态下加热12h，通过TLC监测反应完全后，将冷却后的反应液倒入热水中，通过硅藻土热过滤除去不溶物，然后用稀释的盐酸溶液将滤液酸化调pH至5–6，析出大量沉淀，所得沉淀产物经乙醇重结晶纯化，得到纯灰色固体产物1.65g，即中间体2，收率78％。
实施例2
9(10H)-吖啶酮(3)的制备
上述实施例1中制备的中间体2-(苯氨基)苯甲酸(2.0g，9.4mmol)加入100mL的圆底烧瓶中，向其中加入10mL浓硫酸。将混合物在100℃氮气保护下搅拌6小时，通过TLC监测反应完全后，冷却至室温，后将冷却后的反应液倒入大量冰水中搅拌、析出固体后经减压抽滤收集，用饱和的碳酸氢钠溶液洗涤固体若干次，真空干燥，得到黄色固体产物1.5g，即中间体3，收率82％。
实施例3
10-甲基吖啶-9(10H)-酮(4)的制备
取上述实施例2中制备的9(10H)-吖啶酮(1.5g，7.7mmol)，溶于DMF中，N2保护，0℃下加入NaH(0.55g，23mmol)，搅拌30min后以注射器加入碘甲烷(1.64g，11.5mmol)，后转移至室温搅拌4h，TLC检测反应完全。得中间体4，黄色固体1.35g，收率84％。
实施例4
10-甲基-9-氯吖啶氯盐(5)的制备
取上述实施例3中制备的10-甲基吖啶-9(10H)-酮(0.2g，0.96mmol)，溶于二氯亚砜中，N2保护，回流状态下搅拌2h，TLC检测反应完全，旋蒸除去溶剂后得中间体5，黄色固体0.22g，收率87％。
实施例5
2,3-二甲基噻唑碘盐(7)的制备
称取原料2-甲基噻唑(1.0g，10.1mmol)溶于碘甲烷(7.17g,50.5mmol)中，回流状态下反应8h，TLC检测反应完全，加入异丙醚析出固体，抽滤，得白色固体2.07g,收率85％。
实施例6
式(I)所示化合物(I-1)的合成
取实施例4所得10-甲基-9-氯吖啶氯盐(0.22g，0.83mmol)和实施例5所得2,3-二甲基噻唑碘盐(0.24g，1mmol)溶于甲醇中，滴加饱和碳酸钾溶液室温反应2h，后加入少量饱和碘化钾溶液，继续反应20分钟，TLC检测反应完全，硅胶柱层析(洗脱剂PE:EA＝1:1，DCM:MeOH＝50:1→DCM:MeOH＝10:1),得I-1，紫色固体0.29g,收率82％。化合物相关结构确证信息如表1中所示。
化合物I-2～I-8、I-9～I-16、I-17～I-24的制备过程如上述制备I-1的过程，仅需要对原料进行相应替换即可。
表1化合物I-1～I-24的结构确证信息表
实施例7
芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物抗菌活性的测定
本实施例通过测定目标化合物(即本发明的化合物I-1～I-24)对多种革兰氏阳性菌的活性，包括枯草芽孢杆菌(B.subtilisATCC9372)、短小芽孢杆菌(B.pumilusCMCC63202)、敏感金黄色葡萄球菌(S.aureusATCC25923)、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(S.aureus ATCC43300)、耐青霉素金黄色葡萄球菌(S.aureus PR)和(S.aureus CI，临床分离)的最小抑菌浓度(MIC)，表征本发明化合物的抗菌作用强度。所用菌株菌种来源于中国普通微生物菌种保藏管理中心(CGMCC)、中国工业微生物菌种保藏管理中心(CICC)和齐鲁医院临床分离。
采用二倍桸释法确定本申请各个芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物(即化合物I-1～I-24及利奈唑胺(Lin)、环丙沙星(Cip)、血根碱(San)、小檗碱(Ber))的MIC，根据MIC的结果，筛选出具有较强抗菌作用的化合物。对照品血根碱、小檗碱、利奈唑胺、环丙沙星购自安耐吉化学。
表2本申请化合物体外抗菌活性考察结果
aS.aureusATCC43300:Staphylococcus aureusATCC43300,methicillin-resistant strain；
bS.aureusPR:Staphylococcus aureusPR,penicillin-resistant strain；
cS.aureus CI:Staphylococcus aureus,clinical isolated strain,notcharacterized；
dSan:Sanguinarine；eBer:Berberine；fCip:Ciprofloxacin；gLin:Linezolid.
由上述实验结果可知，本发明的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物对革兰氏阳性菌包括枯草芽孢杆菌比如B.subtilis ATCC9372、短小芽孢杆菌比如B.pumilusCMCC63202、金黄色葡萄球菌比如S.aureus ATCC25923、耐甲氧西林金黄色葡萄球菌比如S.aureus ATCC43300、耐青霉素金黄色葡萄球菌比如S.aureus PR和S.aureus CI均具有良好的抗菌活性。所合成化合物I-3～I-24对所有测定的革兰氏阳性菌株均具有优于小檗碱的抗菌活性，且以I-7、I-8、I-12、I-13、I-14、I-16、I-21、I-22、I-23、I-24抗菌活性尤其突出，活性显著优于血根碱、环丙沙星和利奈唑胺。I-8和I-14对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌比如S.aureus ATCC43300的最小抑菌浓度可达到0.25μg/mL，抗菌活性优于环丙沙星64倍和利奈唑胺8倍。I-8、I-14、I-16和I-24对耐青霉素金黄色葡萄球菌比如S.aureus PR的最小抑菌浓度可达到1μg/mL，抗菌活性优于利奈唑胺4倍和血根碱16倍，而环丙沙星对该菌株无抑制作用。
实施例8
芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物的时间杀菌曲线测定
本实施例对芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物(I-1～I-24)的杀菌动力学特性进行了评价。其中，以活性较好的化合物I-14对敏感金黄色葡萄球菌(S.aureusATCC25923)的杀菌动力学特性进行详细说明。图1所示的杀菌曲线反应了不同浓度的I-14(在图1中以10f表示化合物I-14)随时间变化的杀菌效果，化合物I-14对金黄色葡萄球菌具有显著的杀菌效果，且杀菌效果具有明显的浓度依赖特性，浓度越高杀菌效果越好。阴性对照采用DMSO，在0至12小时内菌量不断增长，没有抑菌活性。阳性对照为32μg/mL利奈唑胺溶液，在24小时内只能使菌量保持不增加的状态。目标化合物I-14在0.5μg/mL浓度下具有与32μg/mL利奈唑胺溶液类似的抑菌效果，增加化合物浓度，可检出活菌数进一步减少。I-14在4μg/mL下，在6小时后将细菌数量杀灭至检测限之下，在9小时后将细菌完全杀灭，且不再生长。
实施例9
芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物对FtsZ蛋白聚合影响
本实施例通过验证了本发明的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物(I-1～I-24)对FtsZ蛋白的直接作用通过体外聚合实验被表征，荧光分光光度计测定FtsZ聚合溶液的光散射强度值，从而反映蛋白的聚合动力学特征。
以化合物I-14为例进行说明，如图2所示。图2中光散射强度值的变化显示，DMSO空白对照下的FtsZ几乎无明显聚合变化；作用于细菌核糖体的利奈唑胺在l0μg/mL时对FtsZ的聚合也不产生作用，和空白对照DMSO一致；而I-14(即图2中的10f)则以一种浓度依赖的方式，明显促进了FtsZ蛋白的聚合，表现为其光散射强度随化合物浓度的提高(2.5μg/mL、5μg/mL、l0μg/mL)而不断上升。实验结果表明化合物I-14作用于细菌的FtsZ蛋白。
实施例10
芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物的诱导耐药性实验
本实施例通过对本发明的芳香杂环取代的吖啶季铵盐类衍生物I-14在亚浓度下进行诱导，测定传代后最小抑菌浓度的方式，反映敏感金黄色葡萄球菌(S.aureusATCC25923)对目标化合物的诱导产生耐药性情况。对照化合物环丙沙星在第一代出现2倍耐药性，之后持续增加，直至第十代增加至64倍，之后一直维持较高的抑菌浓度。而目标化合物I-14(即图3中的10f)最小抑菌浓度的波动不超过2倍。实验结果表明，与上市药物环丙沙星相比，目标化合物I-14不容易诱导产生耐药性。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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