喹诺酮-二茂铁杂合物的合成及生物活性研究

黄婉云，殷鹏龙，李　虹，彭湘艳，苏桂发

(1.桂林医学院药学院，广西桂林541004；2. 药用资源化学与药物分子工程省部共建国家重点实验室，广西桂林541004；3. 广西师范大学化学与药学学院，广西桂林541004)



喹诺酮-二茂铁杂合物的合成及生物活性研究

黄婉云1，2，3，殷鹏龙1，李虹1，彭湘艳1，苏桂发2，3

(1.桂林医学院药学院，广西桂林541004；2. 药用资源化学与药物分子工程省部共建国家重点实验室，广西桂林541004；3. 广西师范大学化学与药学学院，广西桂林541004)

摘要：以环丙沙星等5种喹诺酮药物为原料，经酯化、肼解后再与二茂铁甲醛缩合，合成出5个喹诺酮-二茂铁杂合物，用IR、NMR、HRMS等对产物结构进行确认和表征，并用MTT法、纸片扩散法分别对其抗肿瘤和抗菌活性进行研究。结果显示，所合成的喹诺酮-二茂铁杂合物对常见癌细胞的体外生长有较好的抑制活性。这一研究结果可为基于喹诺酮骨架的抗肿瘤新药的设计提供一种新思路。

关键词：喹诺酮；二茂铁；杂合；抗肿瘤活性；抗菌活性

喹诺酮类药物是一类非常广谱、高效的抗菌药[1]，但随着该类药物的广泛应用，其产生的耐药性问题[2]，以及一些喹诺酮类药物对心血管系统、中枢系统、肝肾组织等的毒副作用也受到广泛关注[3-4]。因此，不断研发新的活性更强、副作用更小的喹诺酮类药物，仍是目前抗菌药物研究的热点领域之一[5]。此外，喹诺酮类药物的抗肿瘤活性，目前也开始受到广泛关注[6]。

二茂铁(Ferrocene， 简写FcH)及其衍生物具有各种特殊的生物活性[7]，而且毒性低、疏水性好，易于透过细胞膜与细胞内各种酶相互作用，使其在药物化学上的应用备受关注[8-9]，特别是将二茂铁衍生物与药物或生物活性分子组合成杂合物，成为当前各种新型抗肿瘤、抗菌、抗疟等药物的一个重要研究领域[10-12]。

考虑到喹诺酮药物的靶点是处于细菌细胞核中的解旋酶，因此我们拟利用药物设计中的杂合策略，在喹诺酮类药物中引入透膜性好、与生物大分子具有良好融合能力的二茂铁骨架，合成出二茂铁-喹诺酮类杂合物，然后再对它们的生物活性进行研究，以发现新型的喹诺酮类候选药物。

1实验部分

1.1仪器及试剂

WRS-1A型数字熔点仪(上海精密科学仪器公司)；500MHz超导核磁共振仪(瑞士Bruker公司)；ESP360FT-IR红外光谱仪(美国Nicolet公司)；BrukerHCTESI-MS电喷雾质谱(美国布鲁克道尔顿公司)；TS100倒置显微镜(日本Nikon公司)；SUNRISE酶标仪(瑞士TECAN公司)。

所用喹诺酮类药物均为市售喹诺酮类原料药；二茂铁甲醛购自上海笛柏试剂有限公司，购回后直接使用；四氢呋喃和甲醇按常规方法进行无水处理；其他试剂及溶剂均是购回后直接使用。

1.2化合物的合成与表征

目标化合物4a～4e的合成及结构见图1。

图1　目标化合物的合成路线及结构Fig.1　Synthesis and structures of the title compound

1.2.1喹诺酮甲酯2a～2e的合成

参考文献[13]的方法进行合成，其中环丙沙星甲酯 (1-环丙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氢喹啉-3-甲酸甲酯)2a的产率为51%，熔点253～254 ℃(文献值[13]：251～253 ℃)；诺氟沙星甲酯(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氢喹啉-3-甲酸甲酯)2b的产率为62%，熔点192～193 ℃(文献值[14]：189～190 ℃)；依诺沙星甲酯 (1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氢[1，8]萘啶-3-甲酸甲酯)2c的产率为55%，熔点267～269 ℃(文献值[13]：268～271 ℃)；左氧沙星甲酯 (9-氟-2，3-二氢-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪基)-7-氧代-7H-吡啶并[1，2，3-de]-[1，4]苯并恶嗪-6-甲酸甲酯)2d的产率为65%，熔点228～230 ℃(文献值[15]：226～227 ℃)；克林沙星甲酯 (1-环丙基-6-氟-7-(3-氨基吡咯烷-1-基)-8-氯-1，4-二氢-4-氧-喹啉-3-甲酸甲酯)2e的产率为48%，熔点281～283 ℃(文献值[13]：283～284 ℃)。

1.2.2喹诺酮酰肼3a～3e的合成

在烧瓶中依次加入喹诺酮甲酯2a～2e(1.5mmol)，85%水合肼(0.8mL，15mmol)，甲醇30mL，氮气保护下搅拌回流24h(TLC跟踪)。待反应完全后，减压除去溶剂得淡黄色固体，粗产物用少量乙酸乙酯洗涤得到纯品。环丙沙星酰肼 (1-环丙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氢喹啉-3-甲酰肼)3a的产率为76%，熔点227～228 ℃(文献值[13]：226～227 ℃)；诺氟沙星酰肼(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氢喹啉-3-甲酰肼)3b的产率为80%，熔点258～260 ℃；依诺沙星酰肼(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氢[1，8]萘啶-3-甲酰肼)3c的产率为91%，熔点285～286 ℃；左氧沙星酰肼(9-氟-2，3-二氢-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪基)-7-氧代-7H-吡啶并[1，2，3-de]-[1，4]苯并恶嗪-6-甲酰肼)3d的产率为85%，熔点210～212 ℃(文献值[15]：200～202 ℃)；克林沙星酰肼(1-环丙基-6-氟-7-(3-氨基吡咯烷-1-基)-8-氯-1，4-二氢-4-氧-喹啉-3-甲酰肼)3e的产率为87%，熔点235～237 ℃。

1.2.3目标产物喹诺酮-二茂铁杂合物4a～4e的合成

在烧瓶中加入喹诺酮酰肼3a～3e(0.3mmol)，二茂铁甲醛(0.086g，0.4mmol)，20mL无水乙醇，0.3mL冰醋酸，避光及氮气保护下搅拌回流15～20h(TLC跟踪)，待反应完全后，减压除去溶剂，粗产物用硅胶柱层析(洗脱剂为V甲醇∶V二氯甲烷=1∶10)纯化得目标化合物。

环丙沙星酰肼二茂铁甲醛腙(1-环丙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氢喹啉-3-甲酰肼二茂铁甲醛腙)4a：红棕色固体，mp： 155～158 ℃，产率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，FcH)，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计算值： 542.165 5，实测值： 542.163 7。

诺氟沙星酰肼二茂铁甲醛腙(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氢喹啉-3-甲酰肼二茂铁甲醛腙)4b：红棕色固体，mp：149～151 ℃，产率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，FcH)，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计算值：530.165 5，实测值：530.164 2。

依诺沙星酰肼二茂铁甲醛腙(1-乙基-6-氟-4-氧代-7-哌嗪基-1，4-二氢[1，8]萘啶-3-甲酰肼二茂铁甲醛腙)4c：红棕色固体，mp：146～148 ℃，产率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，FcH)，4.48～4.35(m，4H，FcH，—CH2CH3)，4.22(s，5H，FcH)，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计算值：531.160 7，实测值：531.157 8。

左氧沙星酰肼二茂铁甲醛腙(9-氟-2，3-二氢-3-甲基-10-(4-甲基-1-哌嗪基)-7-氧代-7H-吡啶并[1，2，3-de]-[1，4]苯并恶嗪-6-甲酸甲酯酰肼二茂铁甲醛腙)4d：红棕色固体，mp：163～166 ℃，产率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，FcH)，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计算值：572.176 0，实测值：572.172 6。

克林沙星酰肼二茂铁甲醛腙(1-环丙基-6-氟-7-(3-氨基吡咯烷-1-基)-8-氯-1，4-二氢-4-氧-喹啉-3-甲酰肼二茂铁甲醛腙)4e：红棕色固体，mp：186～188 ℃，产率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，FcH)，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计算值：576.126 5，实测值：576.123 0。

1.3化合物的抗肿瘤活性研究

我们以喜树碱为阳性对照，人肺癌A549、人乳腺癌MCF-7、人结肠癌HCT-116和人结肠腺癌LS174T为测试细胞株，用MTT法对5种喹诺酮药物1a～1e及目标化合物4a～4e的体外抗肿瘤活性进行了测试，具体实验操作见参考文献[16]，具体的测试结果见表1。

1.4化合物的抗菌活性研究

目标化合物4a～4e和阳性对照物均用DMSO配成0.025g/mL溶液，以MH琼脂为培养基，采用纸片扩散法(KirbyBauer法)[17]进行抑菌实验。纸片含药量为0.5μg/片，以环丙沙星1a作为对照，抑菌环直径平均值列于表2。

2结果和讨论

从表1可以看出，环丙沙星1a， 诺氟沙星1b， 依诺沙星1c， 左氧沙星1d， 克林沙星1e这5种喹诺酮类药物中，除了克林沙星1e对MCF-7癌细胞具有很弱的抑制活性外，几乎都没有抗肿瘤活性，但是与二茂铁甲醛杂合形成杂合物4a～4e后，除4c和4d外，对个别癌细胞均显示了较强的抗肿瘤活性，特别是化合物4a和4b。这一结果表明，将二茂铁衍生物与喹诺酮药物结合，有望发展出新型的抗肿瘤喹诺酮药物。

由表2可知，将喹诺酮类药物1a～1e改造成杂合物4a～4e后，其抗菌活性完全消失。由于喹诺酮类药物中，羧基是维持抗菌活性必需的药效团，而在杂合物4a～4e中，这一关键药效团是以酰腙键方式存在，而该酰腙键很可能比较稳定，在我们所选的抗菌活性测试条件下很难水解形成游离羧基，因而导致化合物抗菌活性的丧失。

表1　1a～1e，4a～4e对4种不同癌细胞株的IC50值

1.A549为人的肺腺癌细胞；2.HCT116为人的结肠癌细胞；3.MCF-7为人的乳腺癌细胞；4.LS-174T为人的结肠腺癌细胞； 5.CPT为喜树碱。

表2　化合物1a，4a～4e的抑菌环直径

综上所述，我们设计合成了5个二茂铁-喹诺酮杂合物，并对它们的抗肿瘤和抗菌活性进行研究。抗肿瘤活性研究结果表明，该类化合物显示了较好的抗肿瘤活性，这一研究可为以喹诺酮骨架为基础的抗肿瘤新药的研发提供一种新的设计思路。

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(责任编辑王龙杰)

doi:10.16088/j.issn.1001-6600.2016.02.016

收稿日期：2015-11-26

基金项目：国家自然科学基金资助项目(21362007)；药用资源化学与药物分子工程省部共建国家重点实验室基金资助项目(CMEMR2013-B02)

中图分类号：O626.25

文献标志码：A

文章编号：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

通信联系人：黄婉云(1978-)，女，广西桂林人，桂林医学院副教授，博士。E-mail：hwygxnu@163.com