咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺类化合物的设计、合成与体外抗结核活性

杨帆，李林虎，吕凯，刘明亮，汪阿鹏

·论著·

咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺类化合物的设计、合成与体外抗结核活性

杨帆，李林虎，吕凯，刘明亮，汪阿鹏

设计合成一系列咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺类化合物，并评价其体外抗结核杆菌（MTB）活性。关键中间体与母核化合物通过缩合反应制备目标物，其结构经1H-NMR、13C-NMR 和 MS 确证。MABA 法测定所有目标物及对照药对 MTB H37Rv 和 MDR-MTB 的 MIC 值。合成了 30 个咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺类化合物（包括先导物 A）。部分目标物对两株 MTB 均敏感（MIC < 0.016 ～ 0.211 μg/ml），其中1e的体外活性与 Q203 相当，而优于先导物 A。丰富了咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺类化合物抗结核构效关系，为下一步相关研究奠定了基础。

咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺类化合物； 合成； 抗结核活性； 构效关系

结核病（TB）是由结核分枝杆菌（MTB）引起的一种慢性传染病[1]。据世界卫生组织（WHO）估计，2019 年全球新增约 1000 万例 TB 患者，死亡约 140 万例；受新冠肺炎疫情的影响，2020 年死于 TB 者高达 160 万～ 180 万例[2]。经典的四药（利福平、异烟肼、乙胺丁醇、吡嗪酰胺）联合方案可使 85% 以上的敏感 TB 患者痊愈，但存在治疗周期长（6 ～ 9个月）、副反应多、依从性差等缺憾[3]。自20 世纪 80 年代以来，耐药 TB，尤其是耐多药 TB（MDR-TB）、广泛耐药 TB（XDR-TB），甚至全耐药 TB（TDR-TB）的发病率不断上升，使 TB 的流行态势更为严峻，成为全球重大公共卫生问题[3-4]。欣慰的是，可用于 MDR-TB 的三种新型抗 TB 药物贝达喹啉、德拉马尼和普瑞马尼已于近年先后上市，但报道的某些不良反应（如心脏毒性）及昂贵的价格限制了其广泛使用[5-8]。因此，尽快研发具有全新作用机制的安全高效的抗 TB 新药，实现对 TB 的有效控制与治疗刻不容缓。

目前处于临床 II 期试验阶段的 Telacebec（Q203，图 1）属于咪唑并[1,2-a]吡啶-3-甲酰胺类（IPA）化合物，其靶点 QcrB[9]是近年抗 TB 领域的研究热点之一。我们实验室和其他研究小组对 Q203 的结构优化主要集中于其母核的 C3-位取代基上，并由此筛选得到若干具有优秀活性的 IPA 衍生物[10-19]。此外，药物化学家对 Q203 的母核也进行了多种改造尝试[20-23]，其中最成功者当属Moraski等[23]报道的咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺类化合物（ITA）。研究发现，ITA 的代表化合物 A（图 1）与 Q203 的作用靶点均为QcrB，且两者表现出相似的体外抗 MTB 活性。

本研究拟以化合物 A 为先导物，对其 C5-和 C6-位取代基进行改造：C5-位取代基中的哌啶环片段用其他含氮杂环（W）替代或将其中的苯环与哌啶环融合为并环；C6-位甲基用乙基或环丙基替代，由此设计并合成一系列新的 ITA 衍生物。在评价活性的基础上总结构效关系（SAR），并筛选得到具有优秀抗 MTB 活性的化合物，为进一步相关研究打下基础。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 主要仪器 2F-20D 型暗箱式紫外分析仪为河南巩义市予华仪器有限责任公司产品；Q-Tap 型质谱仪为美国 MDS Sciex 公司产品；Mercury-400 和 INOVA-500型核磁共振仪为美国 Varian 公司产品；infinite M200 酶标仪为瑞士Tecan 公司产品。

Figure 1 Structures of Q203 and compound A and design of new molecules

1.1.2 主要试剂 实验所需试剂和溶剂均为市售化学纯或分析纯；无水试剂在百灵威试剂公司购买；100 ～ 200 目和200 ～ 300 目柱层析硅胶为青岛海洋化工厂产品；TLC 薄层板（60GF254铝箔板）为美国 Merck 公司产品。

1.2 方法

1.2.1 化学合成 对氟苯腈（3）与4-(4-三氟甲氧基苯基)-哌啶或 Boc 保护的含氮杂环化合物（BocWH）在碳酸钾（缚酸剂）存在下发生亲核取代反应分别得到6a和4b～4h，4b～4h接着脱保护基（Boc）得5b～5h。化合物5b～5h与对三氟甲氧基溴苯经 Buchwald-Hartwig 芳胺化反应得6b～6h，6a～6h 经四氢锂铝还原即得关键中间体7a～7h。按照相似的方法，以化合物8a、8b为原料，依次经芳胺化反应和还原可得中间体10a～ 10d（图 2）。

β-酮酸酯11a～11c（乙酰乙酸乙酯、丙酰乙酸乙酯、环丙甲酰乙酸乙酯）与-溴代琥珀酰亚胺（NBS）发生溴代反应得溴化物12a～12c，接着与5-甲基噻唑-2-胺经取代并环合得噻唑并咪唑甲酸酯13a～13c，最后水解得母核化合物14a～14c。羧酸14a～14c分别与上述合成的关键中间体7a～7h和10a～10d 缩合即得目标化合物1a～1v和2a～2h（图 3）。

1.2.2 测定体外抗 MTB 活性 所选用的标准株和临床分离的多耐药株分别为MTB H37Rv ATCC27294 和 MDR-MTB 16995（对利福平和异烟肼均耐药）。利用阿尔玛蓝实验[24]测定所有目标化合物的最小抑菌浓度。样品以连续二倍稀释的浓度（8 ～ 0.016 μg/ml）分布在 96 孔板中，将对数期生长的 MTB 加入到其中，5% CO2、37 ℃环境下培养 7 d，然后加入阿尔玛蓝，继续培养 24 h，酶标仪测定荧光值，降低 90% 以上的最小浓度为 MIC 值。阳性对照药选用利福平、异烟肼、Q203 和化合物A。

2 结果

2.1 目标化合物的合成

共合成目标化合物 30 个（包括先导物 A），其结构（表 1）均经1H-NMR、13C-NMR 和 MS确证。

2.2 体外抗 MTB 活性

2.2.1 抗MTB H37Rv活性 由表 1 可见，除1h、1v和2g外，其余目标物对标准株 MTB H37Rv 的 MIC 值均小于 1 μg/ml。其中，6 个目标物（1b、1d、1e、1j、2f、2h）的活性（MIC < 0.016 ～ 0.077 μg/ml）优于或相当于先导物 A（MIC = 0.069 μg/ml），活性最强的1e其 MIC 值仅为先导物 A 的 1/4 弱，而与对照物 Q203 相当。

i：Boc 保护的含氮杂环化合物或 4-(4-三氟甲氧基苯基)-哌啶，碳酸钾，二甲基亚砜，80 ℃，4 h，收率 55% ～ 85%；ii：三氟乙酸，二氯甲烷，室温，1 h，收率 85% ～ 92%；iii：4-三氟甲氧基溴苯或 4-三氟甲基溴苯，碳酸铯，1,1'-联萘-2,2'-双二苯膦，醋酸钯，甲苯，回流，6 h，收率 50% ～ 65%；iv：四氢铝锂，四氢呋喃，室温，4 h，收率 65% ～ 75%

Figure 2 Synthesis of intermediates 7a-7h and 10a-10d

i：N-溴代丁二酰亚胺，醋酸铵，乙醚，室温，6 h，收率40% ～ 55%；ii：5-甲基噻唑-2-胺，乙醇，回流，24 h，收率35% ～ 65%；iii：氢氧化钠或氢氧化锂，乙醇-水，50 ℃，24 h，收率40% ～ 60%；iv：7a ～ 7h或10a ～ 10d，O-(7-氮杂苯并三唑-1-基)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸盐，三乙胺，二氯甲烷，室温，6 h，20% ～ 40%

Figure 3 Synthesis of target compounds 1a-1v and 2a-2h

表1 目标化合物1a ～ 1v和2a ～ 2h的结构及体外抗 MTB 活性

Table 1 Structures and activity of compounds 1a - 1v and 2a - 2h against MTB strains

化合物CompondsRW（或Z）W (or Z)MIC（μg/ml） H37RvMDR 1a (A)Me0.0690.018 1bEt0.0700.050 1cc-Pr0.290NT 1dMe0.0300.101 1eEt< 0.0160.016 1fMe0.547NT 1gEt0.308NT 1hc-Pr1.347NT 1iMe0.266NT 1jEt0.0770.211 1kMe0.174NT 1lEt0.100NT 1mc-Pr0.734NT 1nMe0.296NT 1oEt0.244NT 1pc-Pr0.537NT 1qMe0.408NT 1rEt0.451NT 1sc-Pr0.851NT 1tMe0.264NT 1uEt0.308NT 1vc-Pr1.252NT 2aMeOCF30.652NT 2bEt0.249NT 2cMeCF30.409NT 2dEt0.164NT 2eMeOCF30.365NT 2fEt0.0490.055 2gMeCF34.242NT 2hEt0.0750.062 Q203 < 0.016< 0.016 利福平Rifampicin 0.037> 10 异烟肼Isoniazid 0.038> 10

2.2.2 抗 MDR-MTB 活性 由表 1 可见，被评价的 6 个目标物对临床分离株MDR-MTB 16995均敏感（MIC 为 0.016 ～ 0.211 μg/ml）。其中，1e的活性与 Q203 和先导物 A 相当。

3 讨论

作为具有全新作用机制（靶点 QcrB）的抗 TB 候选物，Telacebec（Q203）已得到业界的高度认可。在对其母核的结构改造中，最成功者当属咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺（ITA）骨架。为此，作者以 ITA 系列中的代表化合物 A 为先导物，对其母核 C5- 和 C6-位进行改造，设计并合成了一系列新的 ITA 衍生物。由体外抗 MTB H37Rv 活性数据可见，用乙基替代先导物A（MIC = 0.069 μg/ml）中 C6-位甲基后其活性保持（MIC = 0.070 μg/ml），但环丙基（其体积与乙基相当）取代物1c的活性显著降低（MIC = 0.29 µg/ml），表明乙基在该位置上是可接受的；哌嗪环替代哌啶环后活性增强（1a1d，1b1e）；氮杂单环（哌啶、哌嗪）用不同的氮杂桥环或螺环替代后其活性显著降低（除1j外）。可见，1a～1v系列化合物的活性与C5-位中氮杂环片段（W）和 C6-位取代基（R）相关：W 对活性的贡献顺序为哌嗪环> 哌啶环> 氮杂桥环或螺环；R 对活性的贡献顺序为乙基> 甲基> 环丙基。另一方面，将1a和1b中的苯与哌啶并环为 1,2,3,4-四氢异喹啉环后其活性明显降低（1a2a，1b2b），而将2a和2b中的并环片段缩环为异吲哚环后得到的化合物其活性增强（2a2e，2b2f）；用三氟甲基替代2a和2b 中的三氟甲氧基后其活性升高（2a2c，2b2d），而2e～2h的活性变化则相反（2e2g，2f2h）。可见，在2a～2h系列中，R 为乙基时的活性同样优于相应的甲基化合物。其中，2 个乙基化物（2f、2h）表现出良好活性。值得注意的是，在进一步评价中，所选取的其中 6 个目标物（1b、1d、1e、1j、2f、2h）对 MDR-MTB 16995 也同样敏感（MIC = 0.016 ～ 0.211 μg/ml），提示这些化合物对敏感性和耐药性 MTB 具有广谱活性。

作为本研究中优选出的 2 个具有不同结构骨架的乙基化代表物，1e（对 2 株 MTB 的活性与 Q203 相当，而优于先导物 A）和2f值得深入评价，同时有必要对两者 C6-位中的对三氟甲氧基苯环片段进行修饰，以期筛选出成药性良好的化合物。总之，本研究丰富了 ITA 类化合物抗结核构效关系，为下一步相关研究奠定了基础。

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New imidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamides: design, synthesis and antitubercular activity

YANG Fan, LI Lin-hu, LYU Kai, LIU Ming-liang, WANG A-peng

00

We aim to design and synthesize a series of newimidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamides, and evaluate theirantitubercular activity.Target compounds were synthesized through condensation of key intermediates with imidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamidecores. Their structures were characterized by1H-NMR,13C-NMR and MS.antitubercular activity of the compounds were evaluated by MABA assay.Thirty compounds including the lead compound A were synthesized in this study. Some of them were found to be active against both the two MTB strains (MIC < 0.016 - 0.211 μg/ml), and compound 1e was more active than the lead compound A and comparable to Q203.This study enriches the structure activity relationship information of imidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamides against MTB, which lays the foundation for the future research.

imidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamides; synthesis; antitubercular activity; structure activity relationship

The Third Affiliated Hospital of Naval Medical University, Shanghai 201805, China (YANG Fan); Institute of Medicinal Biotechnology, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100050, China(LI Lin-hu, LYU Kai, LIU Ming-liang, WANG A-peng); Limin Chemical Co., Ltd., Xinyi 221422, China (LI Lin-hu)

WANG A-peng, Email: wangapengbuct@126.com

10.3969/j.issn.1673-713X.2022.03.002

国家自然科学基金（81872753、81903477）

201805 上海，海军军医大学第三附属医院（杨帆）；100050 北京，中国医学科学院北京协和医学院医药生物技术研究所（李林虎、吕凯、刘明亮、汪阿鹏）；221422 江苏新沂，利民化学有限责任公司（李林虎）

汪阿鹏，Email：wangapengbuct@126.com

2021-11-08