基本信息
- 项目名称：
- 具有新型结构手性噁唑烷酮化合物设计、合成及抗菌活性筛选
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 生命科学
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 噁唑烷酮类抗菌药是一类新型化学全合成抗菌药，具有抑制多重耐药革兰氏阳性菌的作用，开发具有抗菌谱广、毒性低、药效好的噁唑烷酮化合物成为当前的研究重点。本项目采用卤化镁催化手性环氧化合物与芳基异氰酸酯的环加成反应来制备手性噁唑烷酮化合物，并借助Click反应进行噁唑烷酮化合物C-5位的结构改造，合成系列具有新型结构手性噁唑烷酮化合物，同时开展此类化合物的抗菌活性研究。
- 详细介绍：
- 一、研究的主要依据 半个世纪前抗生素的发现开辟了医疗革命的新时代, 然而时至今日, 抗生素的疗效似乎正逐渐失去往日的辉煌。因致病菌形成耐药性, 使许多曾经认为灭绝或控制了的传染病死灰复燃。同时, 新的传染性疾病不断出现。据世界卫生组织(WHO)估计, 每天约有5万人死于感染性疾病, 感染性疾病重新成为威胁人类健康与社会发展的主要问题。现已有95%以上的金葡菌对青霉素、氨苄青霉素和抗假单胞菌的青霉素类药物产生耐药性。耐甲氧西林的金葡菌、耐苯甲异口噁唑青霉素和糖肽类的葡萄球菌、耐万古霉素的肠球菌、耐青霉素的肺炎链球菌和变绿链球菌等革兰阳性菌耐药程度的不断提高和范围的扩大, 已经成为引起医院内感染的主要原因。金葡菌、凝固酶阴性葡萄球菌和肠球菌已成为世界范围内感染最多的细菌。因此，治疗革兰阳性菌引起的感染是临床面临的一个重大挑战，研究开发新产品成为当务之急 近年来,许多制药公司均在积极开发新型的抗菌药物。噁唑烷酮类化合物作为新一代全合成抗菌剂,以利奈唑酮为代表,对由大多数革兰阳性菌引起的感染具有较好的治疗作用。该类药物具有全新的结构和独特的作用机制,通过抑制蛋白质合成的起始阶段发挥抗菌作用,且与其他抗生素无交叉耐药,因而日益受到医药界的广泛关注。 20 世纪80 年代后期, 杜邦公司作为最早研究开发噁唑烷酮类化合物的制药公司, 发现了具有潜在应用价值的化合物DU P721 和DU P105, 它们对革兰阳性菌包括MRSA 和革兰阴性厌氧菌及结核分枝杆菌均有活性, 但由于在动物实验中发现其毒性较大而放弃了对其进一步的开发。但这种抗菌药物的全新结构吸引了众多制药公司对该类化合物进行深入的研究, 并获得成功。近十多年来，法玛西亚•普强制药公司研制开发了一系列具有噁唑烷酮化学结构的抗菌药物，以利奈唑胺(linezolid)和依哌唑胺(eperezolid,)为代表。2000年4月美国FDA批准了利奈唑胺在美国上市，这是噁唑烷酮类药物首次上市，也是35年来第一个上市的结构全新的全合成抗菌药，对由大多数革兰氏阳性菌引起的感染具有较好的治疗作用。除普强公司外，拜耳和阿斯利康等公司也在进行噁唑烷酮类化合物的研究与开发。阿斯利康公司的AZD2563的抗菌活性比利奈唑胺稍强，对部分菌种的活性等于或2倍于万古霉素，具有很好的临床应用前景。 噁唑烷酮类药物通过与细菌核糖体50S亚基结合, 干扰细菌蛋白质合成, 产生抗菌活性。这一机制与现有抗菌药物不同, 所以也并不存在交叉耐药现象，从而备受关注。现在全世界的药物化学家们都在寻求更好的合成噁唑烷酮类化合物的方法，并希望通过某些结构的修饰，从而发现更有效的新型噁唑烷酮类抗菌剂。 直至目前为止，已有多种噁唑烷酮的合成方法，根据起始原料的不同，文献报道的方法有以下几类： 1、取代苯胺法 因该反应中碘正离子先和双键加成，所形成的碳正离子进攻苄氧基中的氧原子，最后脱去苄基得到噁唑烷酮环，因此所得到的噁唑烷酮是外消旋体，需要进行拆分，增加了反应难度。 2、烷氧羰酰苯胺法 - 78℃的反应虽然可在实验室低温反应器中进行,但条件还是略苛刻。反应原料的制备需要多步反应。 3、与环氧化合物的环加成反应 通过LiBr和Bu3PO催化的苯甲酰叠氮和环氧化合物的环加成反应制备噁唑烷酮化合物。 由于噁唑烷酮类抗菌剂的发现时间并不长，还有很多领域有待进一步的研究，所以各国的药物学家都在积极参与到噁唑烷酮类抗菌剂的研究当中。本课题研究的侧重点是，寻求合成噁唑烷酮类化合物的新方法，并希望通过某些结构的修饰，从而发现更有效的新型噁唑烷酮类抗菌剂。 点击化学（Click chemistry）是由化学家巴里•夏普莱斯在2001年引入的一个合成概念，主旨是通过小单元的拼接，来快速可靠地完成形形色色分子的化学合成。它尤其强调开辟以碳-杂原子键（C-X-C）合成为基础的组合化学新方法，并借助这些反应（点击反应）来简单高效地获得分子多样性。在药物开发和分子生物学的诸多领域中，它已经成为目前最为有用和吸引人的合成理念之一。 “点击反应”具有模块化、应用范围宽、高产率和立体选择性的优点, 通常还具有较高的热力学驱动力, 使反应迅速, 并得到单一产物。 点击反应”一般具有下列的共同特征： (1) 许多反应的组件是衍生于烯烃和炔烃，这些来自石油裂化的产物。从能量与机理的角度，碳-碳多重键成为点击化学反应的活性组件都是可行的。 (2) 绝大部分反应涉及碳-杂原子（主要是氮，氧，硫）键的形成。这与近年来重视碳-碳键形成的有机化学方向不同。 (3) 点击反应是很强的放热反应，这可以通过高能的反应物或稳定的产物来实现。 (4) 点击反应一般是融合过程（没有副产物）或缩合过程（产生的副产物为水） (5) 很多点击反应不受水的负面影响，水的存在反而常常起到加速反应的作用。因此不需要进行基团保护, 并且对环境友好。 近年来，点击化学在药物发现中得到越来越多的应用，从先导物的发现及其构效关系的研究到生物体系的标记，如蛋白质、细胞或整个组织。 由于叠氮化物和炔环加成反应生成的产物具有N-杂环结构,与起标靶作用的先导化合物结构十分相似。Kappe等采用Biginelli 化合物二氢嘧啶酮(DHPMs) 为模板多组分点击反应快速合成了包含27个化合物的4 类6-(1 ,2 ,3-三唑-1-基)2二氢嘧啶酮库。Eichler等利用点击反应生成1,2,3-三唑来形成组装的缩氨酸的分子架。通过交叉组合多组分的炔和叠氮化缩氨酸反应可以制得缩氨酸的组合化合物库。Thorson 等使用叠氮化物和炔类化合物发生Huisgen1,3-偶极环加成反应,生成含有50个可临床使用的抗生素类似物——万古霉素。抗细菌扫描显示,许多万古霉素衍生物都具有类似天然产物的性能。 目前，它已在化合物库的合成，特别是药物先导化合物的发现和优化中显示出重要的作用，受到人们的广泛关注。进一步研究表明，点击化学得到的特征结构1，2，3-三氮唑环视为酰胺的等效体，此结构既具有与酰胺键相似的拓扑结构和电子效应，同时又具有很好的刚性结构。与酰胺相比，三氮唑环系结构在水解和氧化、还原条件下具有很好的稳定性。 利用一些短的反应序列，点击化学可以在实验室大量制备结构复杂、新颖、并具有多样性的化合物库，如1，2-二取代乙烷衍生物库、五元芳杂环化合物库、1，2，3-三氮唑衍生物库等。 Santoyo等利用以碳水化合物衍生的乙炔和叠氮化物，在Cu（I）催化下，微波辐射环加成，合成 了一系列多价的、以三氮唑相连的新糖共轭物。 Wong等在水溶液中由叠氮化合物与炔类化合物合成了HIV蛋白酶抑制剂的化合物库。 本项目将在现有构建手性噁唑烷酮母核结构的基础上，通过“点击化学”合成具有新型结构1,2,3-三氮唑手性噁唑烷酮化合物，以期发现具有潜在抗菌活性的先导物，并研究其相应的构效关系。 二、研究目标 本项目采用卤化镁催化手性环氧化合物与芳基异氰酸酯的环加成反应来制备手性噁唑烷酮化合物，并借助Click反应进行噁唑烷酮化合物C-5位的结构改造，合成系列具有新型结构手性噁唑烷酮化合物，同时开展此类化合物的抗菌活性研究。 三、研究内容 1）研究二碘化镁催化的手性环氧化合物与芳基异氰酸酯的环加成反应，探讨催化反应机理，并用实验方法进行验证； 2）采用“一锅法”原位点击反应对手性噁唑烷酮小分子进行结构改造，开展抗菌活性测试工作； 3）研究手性噁唑烷酮化合物的抗菌活性构效关系，并进行结构上的进一步优化与改造。 四、技术关键 1、芳基异氰酸酯和环氧化合物环加成反应催化体系的选择和反应机理探讨。 2、手性噁唑烷酮化合物的结构设计和点击合成，以及构效关系研究。 五、创新之处 （1）建立了一种构建手性噁唑烷酮母核的合成新方法 采用二碘化镁催化手性环氧化合物与异氰酸酯的不对称环加成反应来制备手性噁唑烷酮类化合物，具有反应条件温和、操作简便、原子利用率接近100%等优点。（文献制备噁唑烷酮类化合物以芳香胺作为原料，经氨基甲酰化、-78 C在n-BuLi存在下与手性水合甘油酯缩合制得噁唑烷酮，需要严格的无水、无氧等苛刻反应条件，而且原子利用率低。） （2）利用“点击化学”快速、简便、高效地构建具有新型结构手性噁唑烷酮化合物库 利用“点击化学”对MgI2催化手性环氧化合物与异氰酸酯环加成反应得到的系列手性噁唑烷酮化合物进行结构改造，建立具有新型结构的手性噁唑烷酮化合物库，进行抗菌活性筛选和构效关系研究，为设计合成更高活性的此类药物提供理论参考和结构优化思路。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 利用二碘化镁催化的芳基异氰酸酯和手性环氧化合物的环加成串联反应，建立一种高原子经济性、高立体选择性的手性噁唑烷酮化合物的合成新方法，制备系列噁唑烷酮类化合物。在此基础上，借助Click反应对手性噁唑烷酮类化合物进行结构改造，构建具有新型结构的手性噁唑烷酮小分子化合物库，研究其相应的抗菌活性和构效关系。
科学性、先进性及独特之处
- 文献制备噁唑烷酮化合物需要低温、严格无水、无氧等苛刻反应条件或使用含膦催化剂，原子利用率低，对环境不友好。本作品采用二碘化镁在无溶剂条件下催化手性环氧化合物与异氰酸酯的环加成反应来制备手性噁唑烷酮化合物，具有反应条件温和、操作简便、原子利用率高等优点。通过click 反应进行结构改造，合成16个具有新型结构1，2，3-三氮唑手性噁唑烷酮化合物，为今后对该化合物的结构改造和修饰提供研究支持。
应用价值和现实意义
- 建立一种手性噁唑烷酮化合物简便、有效的合成新方法，期望能发现具有低毒、良好抗菌活性的新型手性噁唑烷酮先导物，这对噁唑烷酮抗菌药的发展具有重要的现实意义和理论研究价值。
学术论文摘要
- 近年来，在世界范围内抗生素的广泛应用甚至滥用使细菌的耐药性问题日益严重，已发展成为一个全球性的健康问题。化学全合成抗菌药物噁唑烷酮的诞生为临床医治耐药菌感染性疾病增加了一条新的途径。“点击化学”(Click Chemistry)，是继组合化学之后又一给传统有机合成化学带来重大革新的合成技术，开创了快速、有效、高选择性地制备各类新化合物的合成化学新领域。本项目利用MgI2催化的手性环氧化合物与芳基异氰酸酯的环加成反应制备手性噁唑烷酮化合物，然后利用现场生成的Cu(I)在水相中催化卤化物、叠氮化钠、炔烃“一锅法反应”，方便、快捷、有效地合成结构新型的含氟噁唑烷酮化合物。并开展其相应的抗菌活性测试和构效关系研究，为设计、合成更高活性的此类药物提供理论参考和结构优化思路。课题的实施将丰富和发展有机合成新方法，为研制开发结构新颖、作用机制独特、安全性高以及抗菌谱广的新型抗菌药物奠定研究基础。
获奖情况
- 该研究结果与2010年11月在《synthetic communication》杂志上发表学术论文1篇。另有1篇论文被SCI期刊《Journal of Heterocyclic Chemistry》接收，正在出版中。
鉴定结果
- 该作品建立了一种具有新型结构手性噁唑烷酮化合物简便、有效的合成新方法，实验设计合理、周密，技术方法先进，并得到较理想实验效果，为设计、合成更高活性的此类抗菌药物提供理论参考和结构优化思路。
参考文献
- Speranza等报道了季铵盐催化异氰酸酯和环氧化合物的反应，需要高温，副反应较多，收率25%-92%。 Herweh等报道了使用LiBr/n-Bu3PO催化异氰酸酯和环氧化合物的反应，收率62-99%。 Shibata等报道了n-Bu3SnI-Ph3PO催化异氰酸酯和环氧化合物反应，当环氧化合物的取代基较小时，收率较高（92%）；当取代基较大时，收率较低（58%）。 Fujiwara等报道n-Bu3SnI-Ph4SbI催化异氰酸酯和环氧化合物的反应，收率较低（65%）。 Qian等报道镧系氯化物催化异氰酸酯和环氧化合物的反应。当环氧化合物的取代基为CHCl2、Ph时，反应收率92-99%，当取代基较长碳链烷烃时，收率很低（32%）。 技术文献检索目录： 1.Speranza, G. P.; Peppel, W. J. J. Org. Chem., 1958, 23: 1922-1924. 2.Herweh, J. E.; Kauffman, W. J. Tetrahedron Lett., 1971, 12: 809-812. 3.Herwe, J. E. J. Org. Chem., 1968, 33: 4029-4033. 4.Shibata, I.; Baba, A.; Iwasak, H. J.Org.Chem.,1986,51: 2177-2184. 5.Fujiwara, M.; Baba, A.; Tomohisa, Y. Chem. Lett., 1986, 15: 1963-1966. 6.(a) Qian, C. T.; Zhu, D. M. Synlett., 1994, 129-130.
同类课题研究水平概述
- 噁唑烷酮类抗菌药是继磺胺和氟喹诺酮药物之后的一类新型化学全合成抗菌药，具有抑制多重耐药革兰氏阳性菌的作用，为临床医治耐药菌感染性疾病增加了一条新的途径。这种抗菌药物的全新结构吸引了众多制药公司对该类化合物进行深入的研究, 并获得成功。近十多年来，法玛西亚•普强制药公司研制开发了一系列具有噁唑烷酮化学结构的抗菌药物，以利奈唑酮(linezolid)和依哌唑酮(eperezolid)为代表。2000年4月美国FDA批准了利奈唑酮在美国上市，这是噁唑烷酮类药物首次上市，也是35年来第一个上市的结构全新的全合成抗菌药，对由大多数革兰氏阳性菌引起的感染具有较好的治疗作用。阿斯利康公司的AZD2563的抗菌活性比利奈唑酮稍强，对部分菌种的活性等于或2倍于万古霉素，具有很好的临床应用前景。这类药物作用于蛋白质合成的早期阶段,直接与50S核糖体亚单位结合，阻止70S起始复合物的形成，产生抗菌活性，这是一种全新的作用机制。这一机制与现有抗菌药物不同, 所以也并不存在交叉耐药现象，从而备受关注。 文献报道噁唑烷酮化合物的合成方法主要有以下几种： 1、取代苯胺法 该反应中碘正离子先和双键加成，所形成的碳正离子进攻苄氧基中的氧原子，最后脱去苄基得到噁唑烷酮环，因此所得到的噁唑烷酮是外消旋体，需要进行拆分增加了反应难度。 2、烷氧羰酰苯胺法 以芳香胺作为原料，经氨基甲酰化、-78C在n-BuLi存在下与手性水合甘油酯缩合制得噁唑烷酮，反应条件苛刻，反应原料的制备需要多步反应，不利于工业化生产。 3、 取代苯甲酰叠氮法 该反应中苯甲酰叠氮在加热时发生Curtius重排生成异氰酸酯,然后在LiBr-Bu3PO的作用下环合得到噁唑烷酮化合物。但是存在反应收率低的缺点，而且用到了Bu3PO试剂，环境污染严重，不宜于工业化实施。 因此寻找一种高效、简洁的噁唑烷酮类化合物的合成新方法，将具有非常重要的研究意义和实际应用价值。通过二碘化镁催化手性环氧化合物与芳基异氰酸酯的环加成反应，简便有效地制备手性噁唑烷酮化合物。通过“一锅法”Click反应制备具有新型结构1,2,3-三氮唑手性噁唑烷酮化合物，并开展相应的抗菌活性研究，为该类抗菌药物先导物的发现建立研究基础。
