哌嗪单氨基酸及双氨基酸缀合物的合成、表征及抑菌活性研究

田 甜，孙竞阳，刘新宇，赵龙铉,2,*

（1.辽宁师范大学 化学化工学院，辽宁 大连 116029；2.辽宁师范大学 生物技术与分子药物研发辽宁省重点实验室，辽宁 大连 116029）

哌嗪单氨基酸及双氨基酸缀合物的合成、表征及抑菌活性研究

田 甜1，孙竞阳1，刘新宇1，赵龙铉1,2,*

（1.辽宁师范大学 化学化工学院，辽宁 大连 116029；2.辽宁师范大学 生物技术与分子药物研发辽宁省重点实验室，辽宁 大连 116029）

哌嗪及其衍生物作为药物合成中的重要中间体，显示出了较好的药理活性。本论文以哌嗪为先导化合物，在其N-1位和N-4位分别导入不同种类的氨基酸，10种新型哌嗪衍生物被设计、合成。通过红外光谱、核磁共振氢谱对重要化合物进行结构表征。对所合成的化合物进行了抗菌活性研究。其结果显示化合物P-2，P-4a，P-4b，P-5a和P-5b对金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）具有一定的抑制作用，而P-2，P-4a和P-5a对野生型大肠杆菌（Escherichia coli）具有一定的抑制作用。

哌嗪；氨基酸；合成；抑菌活性

哌嗪（Piperazine）属于六元杂环化合物(图1)，是药物合成中重要的环胺化合物之一[1]。引入哌嗪杂环的药物分子，其药代动力学性质有所增强，从而表现出更强的生物活性[2,3]。近年来，哌嗪及其衍生物在医药领域被广泛应用[4-6]，如抗菌药物依诺沙星[7]，抗真菌药物伊曲康唑[8]，抗精神病药物布南色林[9]等。而氧氟沙星[10]、恩氟沙星[11]、洛美沙星[12]等药物的主要原料亦为哌嗪衍生物。由此可见，哌嗪是药物合成中的重要中间体，哌嗪的单取代结构在提高药物活性中起到重要作用。唐巍等[13]报道了部分哌嗪单取代衍生物的合成方法及在化工与医药领域中的重要作用。单取代哌嗪广泛应用于临床，如：吡哌酸和环丙沙星等。因此，我们把哌嗪环上一端与氨基被Boc酸酐（二-叔-丁基二碳酸酯，Boc）保护的氨基酸偶联，脱掉Boc保护基，合成哌嗪衍生物（图2）；徐启贵[14]等合成的哌嗪不对称化合物经活性测试结果表明均有镇咳作用，可见合成不对称哌嗪产物具有极其重要的意义。但哌嗪具有2个对称仲氮原子，为避免在药物合成中哌嗪被同时双取代，我们在哌嗪l、4位选择不同保护基保护氮原子，从而引入不同种类的氨基酸，得到一系列不对称哌嗪衍生物（图3）。合成出的哌嗪衍生物进行了E.coli和S.a的抑菌活性测试。

图1 哌嗪的结构图

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

X-5型纤维熔点测定仪（温控型，温度未矫正）；双光束WGH-3型红外分光光度计；SHB-B95A型循环水式真空泵；集热式DF-101S型恒温加热磁力搅拌器；DZF-6050型真空干燥箱；RE52-99型旋转蒸发器；DLSB-5/20型低温冷却液循环泵；Adenturer型电子天平；ZH-暗箱式紫外分析仪；CL-200型恒温加热磁力搅拌器；BRUKER-500MHz核磁共振仪（瑞士BRUKER公司）。所用试剂为分析纯或化学纯。

菌种：野生型大肠杆菌（Escherichia coli）及金黄色葡萄球菌（Staphylococcus aureus）。

图2 哌嗪单氨基酸衍生物的合成路线

图3 哌嗪双氨基酸衍生物的合成路线

1.2 P-1的合成和表征

将PP(4.0 g，46.44 mmol)、异丙醇(19.0 mL)和新制蒸馏水(31.2 mL)加入到圆底烧瓶中，搅拌，冷却至0~5℃滴加异丙醇(12.6 mL)与氯化苄(1.8 mL，15.48 mmol)的混合溶液，滴加时间控制在5 min。室温下搅拌，过夜。减压蒸馏的方法除出溶剂异丙醇，所得的产物用二氯甲烷/水进行萃取，再用无水硫酸镁进行干燥，然后过滤并蒸除溶剂，粗产物经二氯甲烷(C)/甲醇(M)(1:2，v:v)进行柱层析，得到白色固体P-1:N-苄基哌嗪。

1.3 P-2的合成和表征

在水(10 mL)和四氢呋喃(10 mL)的溶液中加入P-1(3.59 g，20.37 mmol)和碳酸氢钠(1.72 g，20.37 mmol)，在0℃下慢慢滴加Boc酸酐(4.37 mL，20.37 mmol)，搅拌，过夜。反应产物按P-1相同方法进行后处理得粗产物，经乙酸乙酯(E)/石油醚(P)(1:2，v:v)进行柱层析，得到白色固体P-2：N-苄基-N'-叔丁氧羰基哌嗪。

1.4 化合物P-3和P-7（N-叔丁氧羰基苯丙氨酰基哌嗪）的合成通法。

将P-2(5.45 g，19.72 mmol)溶于无水乙醇(10 mL)中，在搅拌下加入10%钯碳(600 mg)，氢气环境中搅拌24 h反应结束。反应产物按P-1相同方法进行后处理得粗产物，经C/M(20:1，v:v)进行柱层析得到淡黄色油状液体P-3:N-叔丁氧羰基哌嗪。

1.5 化合物P-4a，P-4b（N-叔丁氧羰基-N'-叔丁氧羰基苯丙氨酰基哌嗪），P-6（N-苄基-N'-叔丁氧羰基苯丙氨酰基哌嗪），P-8a（N-叔丁氧羰基苯丙氨酰基-N'-叔丁氧羰基缬氨酰基哌嗪），P-8b（N-叔丁氧羰基苯丙氨酰基-N'-叔丁氧羰基苯甘氨酰基哌嗪）的合成通法(以P-4a为例)。

将P-3(200 mg，1.07 mmol)与Boc-Val-OH(278.1 mg，1.28 mmol)和DMAP(262.8 mg，2.15 mmol)用二氯甲烷(5 mL)溶解，将反应液冷却到0℃，将EDCI(436.1 mg，2.27 mmol)溶于二氯甲烷(5 mL)中逐滴加入。0℃条件下搅拌5 min，再在室温下搅拌3 h。反应产物按P-1相同方法进行后处理得粗产物，经E/P(1:2，v:v)进行柱层析得到淡黄色油状液体P-4a:N-叔丁氧羰基-N'-叔丁氧羰基缬氨酰基哌嗪。

1.6 化合物P-5a，P-5b（N-苯丙氨酰基哌嗪），P-9a（N-苯丙氨酰基-N'-缬氨酰基哌嗪），P-9b（N-苯丙氨酰基-N'-苯甘氨酰基哌嗪）的合成通法(以P-5a为例)。

将P-4a(340 mg，0.88 mmol)溶于二氯甲烷(5 mL)中，冷却到0℃后加入三氟乙酸(1.96 mL，26.4 mmol)，将温度升到室温，搅拌2 h反应结束。在冰水浴中用氨水中和产物至微碱性，反应产物按P-1相同方法进行后处理得粗产物，经C/M(5:1，v:v)进行柱层析得淡黄色油状液体P-5a：N-缬氨酰基哌嗪。

目标化合物的结构经过1H NMR和IR谱确证，其收率、物理常数及波谱数据见表1和2。

表1 目标化合物的物理常数及IR数据

表2 目标化合物的1H NMR数据

①400 MHz,CDCl3;其它为500 MHz,CDCl3

2 哌嗪衍生物的抑菌活性测试

将野生型大肠杆菌(Escherichia coli)及金黄色葡萄球菌(Staphylococcus aureus)接种到LB液体培养基活化过夜。将化合物溶于DMSO至10mg/mL，TTC溶于ddH2O至浓度为4%的溶液，具体抑菌实验方法见文献15所示。

通过抑菌活性测试，我们得到化合物(Scheme 1)对E.coli和S.a在0.012~0.75 mg/mL浓度范围时的抑菌效果，如表3所示。

表3 化合物在浓度范围0.012~0.75时对S.a、E.coli的抑制作用

3 结果与讨论

本文介绍了哌嗪及其衍生物的两条合成路线，其原料资源丰富、反应条件温和，收率较高。论文中，我们将哌嗪环上的N-1位和N-4位分别用苄基和Boc基保护，再脱除苄基保护基，将得到的产物在EDCI和DMAP的作用下，与被Boc基保护氨基酸进行偶联，最后用三氟乙酸同时脱除两个Boc保护基，得到哌嗪衍生物；相似的方法，在N-1位和N-4位分别引入不用类氨基酸，得到哌嗪衍生物。共设计并合成了10种新型哌嗪衍生物，分别为P-4a，P-4b，P-5a，P-5b，P-6，P-7，P-8a，P-8b，P-9a和P-9b，其结构利用IR、1H NMR等波谱技术进行了表征。

从表1中可以看出：Scheme1中5种化合物在0.012~0.75 mg/mL浓度范围内，对S.a均具有抑菌效果，其中P-4a，P-5a和P-5b抑菌作用较强，P-2和P-4b抑菌效果较弱。而化合物P-2和P-5a对E.coli具有抑菌效果；P-4a抑菌效果较弱；P-4b和P-5b不具有抑菌效果。

4 结论

本文以哌嗪为起始原料，通过两个合成路线共设计并合成10种新型哌嗪衍生物，并利用红外光谱和核磁共振氢谱技术对其进行了结构表征。结果显示所合成的新型化合物即为目标产物。然后对目标产物进行了E.coli和S.a抑菌活性研究。抑菌活性测试的结果表明：Scheme1中的目标化合物对S.a均具有抑菌效果，而P-5a对两种真菌的抑制作用均很强；Scheme 2中化合物的抑菌活性仍在测试中。随着对所合成的哌嗪衍生物的药理活性和机制的深入研究，哌嗪及其衍生物在药物合成及精细化工品领域将发挥重要作用，该类化合物将会具有更广阔的药用开发前景。

[1]高俊文,张勇.哌嗪及其衍生物的合成[J].精细与专用化学品.2001,9(11):13-15.

[2]蔡佳丽,卢一卉,甘淋玲,等.含呱嗪类抗微生物药物研究进展[J].中国抗生素杂志,2009,34(8):454-462.

[3]甘淋玲,卢一卉,周合成.哌嗪化合物作为酶抑制剂的研究进展[J].中国生化药物杂志,2009,30(2):127-131.

[4]Shah N P,Tran C,Lee F Y,et al.Overriding imatinib resistance with a novel ABL kinase inhibitor[J].Science,2004,305(5682):399-401.

[5]Johnson F M,Saigal B,Talpaz M,et al.Dasatinib(BMS-354825)Tyrosine Kinase Inhibitor Suppresses Invasion and Induces Cell Cycle Arrest and Apoptosis of Head and Neck Squamous Cell Carcinoma and Non–Small Cell Lung Cancer Cells[J].Clin Cancer Res,2005,11(19):6924-6932.

[6]Zhao C H,Zhang C L,Shi J J,et al.Design,synthesis,and biofunctional evaluation of novel pentacyclic triterpenes bearing O-[4-(1-piperazinyl)-4-oxo-butyryl moiety as antiproliferative agents[J].Bioorg Med Chem Lett,2015,25(20):4500-4504.

[7]李彩云,隆雪明,扶亚祥,等.盐酸沙拉沙星在锦鲤体内的药物动力学研究[J].水产科学,2008,27(6):297-301.

[8]Bennett F,Saksena A K,Lovey R G,et al.Hydroxylated analogues of the orally active broad spectrum antifungal,and the discovery of posaconazole[J].Bioorg Med Chem Lett,2006,16(1):186-190.

[9]王俊芳,王小妹,王哲烽,等.布南色林的合成[J].中国医药工业杂志,2009,40(4):247-254.

[10]Chavanpatil M D,Jain P,Chaudhari S,et al.Novel sustained release,swellable and bioadhesive gastroretentive drug delivery system for ofloxacin[J].Int J Pharm,2006,316(1-2):86-92.

[11]Soliman M H,Gehad G,Mohamed,et al.Biological activity,spectraland thermalcharacterization ofmixed ligand complexes of enrofloxacin and glycine:in vitro antibacterial and antifungal activity studies[J].Monatsh Chem.,2015,146(2):259-273.

[12]Komarnicka U K,Starostaa R,Kyziołb A,et al.New copper(I) complexes bearing lomefloxacin motif:Spectroscopic properties, in vitro cytotoxicity and interactions with DNA and human serum albumin[J].J Inorg Bio.,2016,165:25-35.

[13]唐巍,赵增任,赵晋.哌嗪类单取代化合物的合成[J].科教文汇,2008,(4):196.

[14]徐启贵,李勤耕,田睿.羟丙哌嗪衍生物的合成及其镇咳活性[J].中国药物化学杂志,2005,15(2):85-88.

[15]付晓磊,赵春晖,崔洪光,等.哌嗪的氨基酸缀合物的合成、表征及抑菌活性研究[J].大连大学学报,2014,35(3):51-55.

Synthesis and Characterization of Mono-amino Acids and Bis-amino Acids Conjugates of Piperazine,and the Study on the Anti-in flammatory Activity

TIAN Tian1,SUN Jing-yang1,LIU Xin-yu1,ZHAO Long-xuan1,2,*
(1.School of Chemistry and Chemical Engineering,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China;2.Liaoning Provincial Key Laboratory of Biotechnology and Drug Discovery,Liaoning Normal University,Dalian 116029,China)

Piperazine is an important intermediate in drug synthesis,the piperazine derivatives exhibit preferable pharmacological activity.A series of ten novel piperazine derivatives were designed and synthesized through introduction different amino acid moieties inN-1 andN-4 position.Structures of all target compounds were characterized by IR and1H NMR.Afterwards,the target products were studied by the anti-inflammatory activity.The results indicated that compounds P-2,P-4a,P-4b,P-5a and P-5b have some anti-inflammatory activities on Staphylococcus aureus,and compounds P-2,P-4a and P-5a have some anti-inflammatory activities on Escherichia coli.

piperazine;amino acid;synthesis;anti-inflammatory activity

O626.415

：A

：1008-2395(2016)06-0049-05

2016-10-27

国家自然科学基金项目(21102067)。

田甜（1991-），女，硕士研究生,研究方向：药物合成。

赵龙铉（1967-），男，教授，研究方向：药物合成。