（化学工程专业论文）喹诺酮类药物合成的新方法研究.pdf

浙江大学博士学位论文 l 摘要 一自1 9 6 2 年治疗尿路感染的第一个喹诺酮药物萘啶酸问世以来，已 经合谶了许多类似衍生物。尤其是1 9 7 8 年诺氟沙星的合成，标志着此 类药物已经真正进入人们的生活，对此类药物各方面的研究也均有了很 大的进展了 本文第一部分首先在阅读了1 1 8 篇文献的基础上，对喹诺酮类药物 进行了综述。然后，对其合成方法进行了归纳，发现：由a 取代芳甲 酰基b 取代氨基丙烯酸缩合，经分子内亲核取代反应形成喹诺酮母 环的合成方法用途非常广，几乎适用于所有不同环系或n 。一位是不同取 代基的喹诺酮类衍生物的制备。但仍有许多不完善之处，例如，关键中 间体b 一酮酸酯的合成工艺路线或者污染严重，危险性大，或收率不高。 本文第二部分以此为出发点，提出三种合成的新路线，选择了环丙沙星， 二氟沙星和替马沙星作为研究对象，在第三部分对新路线的关键步骤a 酮酸的脱羰反应进行了大胆的尝试研究，并取得成功。 一具体实验研究如下： 1 环丙沙星合成新方法的实验研究。其中一条路线是以2 , 4 二氯 5 氟苯乙酮为原料，先与草酸二乙酯进行草酰化，然后与原甲酸三乙酯 进行乙氧亚甲基化，再与环丙胺进行胺化，再在碳酸钾的存在下成环， 在碱性溶液中水解后，进行n 酮酸的脱羰基，这一系列新反应均取得 成功。最后所得环丙羧酸与哌嗪反应制得环丙沙星：此外对所设计的另 外两条路线也进行了研究。 2 二氟沙星合成新方法的实验研究。以2 , 4 二氯5 氟苯甲酰基乙 酰甲酸乙酯为原料，与环丙沙星合成的新方法类似，先进行乙氧亚甲基 化，然后用对氟苯胺替代环丙胺进行胺化，再进行一系列类似的反应， 制得合成二氟沙星的关键中间体7 。氯6 氟1 对氟苯基1 ，4 二氢- 4 - 氧代 喹啉3 羧酸。 3 替马沙星合成新方法的实验研究。与环丙沙星和二氟沙星类似， 用2 , 4 二氟苯胺进行胺化反应，再进行一系列类似的反应，制得合成替 h浙扛大学博士学位论文 马沙星的关键中间体7 氯6 一氟- 1 ( 2 ，4 - 二氟苯基) - l ，4 二氢4 氧代喹啉 3 羧酸。 用新方法合成三种药物。至少与文献报道方法的收率相当，此方法 反应条件温和，工艺过程简单，有希望取代目前的工业化路线，成为有 独立知识产权的喹诺酮类药物的合成方法。而且，在三种药物的合成过 程中，制备了十个新的中间体化合物，均进行了结构鉴定。， 最后总结了全文的工作，并对此新方法进行了展望。7 a b s t r a c t s i n e et h ei n t r o d u c t i o no fn a l i d i x i ca c i d i nl9 6 2f o rt h et r e a t m e n to f u r i n a r yt r a c t i n f e c t i o n s ，al a r g en u m b e ro fr e l a t e dd e r i v a t i v e s h a v eb e e n s v n t h e s i z e d e s p e c i a l l yi n1 9 7 8t h es y n t h e s i s o fn o r f l o x a e i nd e s i g n a t e dt h a t p h a r m a c e u t i c a l so fq u i n o l o n e sh a dr e a l l yg o t t e n i n t oh u m a n sl i f e t h u s r e s e a r c hi na l lk i n d so f r e s p e c t sh a sa l s oh a dg r e a tp r o g r e s s as u r v e yo fq u i n o l o n e si sg i v e no nt h eb a s i s0 f1 l8r e f e r e n e e si nt h e f i r s tp a r t a c c o r d i n gt ot h es y n t h e t i cm e t h o d ss t u d yo f t h eq u i n o l o n e s ，i t i sf o u n dt h a tt h es y n t h e t i cm e t h o do fp a r e n tr i n gi s o fw i d eu s eb yt h e c o n d e n s a t i o nf r o ma s u b s t i t u t e da r y lf o r m y l t 3 - s u b s t i t u t e da m i n o a e r y l i c a c i da n dt h ei n n e rm o l e c u l a rn u c l e o p h i l i cs u b s t i t u t i o nr e a c t i o n ，w h i c hi s a l m o s ts u i t a b l ef o rt h eq u i n o l o n e sp r e p a r a t i o no fd i f f e r e n tr i n g so rd i f f e r e n t s u b s t i t u t e dg r o u p si nn t - p o s i t i o n t h ea r t i c l e s t u d i e si nad e e pg o i n gw a y a n dc o n s i d e r st h e s y n t h e t i cp r o c e s s e s o fb k e t oe s t e r w h i c hi st h e i n t e r m e d i a t eo f q u i n o l o n e s，h a v e s o m e d i s a d v a n t a g e s ： s e r i o u s e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，h i g hd a n g e ro rl o wy i e l d t h e ni nt h es e c o n dp a r t a u t h o rp u t sf o r w a r dt h r e en e wm e t h o d st oi m p r o v et h e s es h o r t c o m i n g sa n d c h o o s e s e i p r o f l o x a c i n d i f l o x a c i na n dt e m a f l o x a c i na s s t u d y i n go b j e c t s p a r t i c u l a r l ya u d a c i o u st r i a lw h i c h i sm a d et ok e y - s t e po ft h en e wm e t h o d s t h a ti sd e c a r b o n y l a t i o no fq k e t oa c i d ，h a sb e e nb r o u g h tt os u c c e s s c o n c r e t ee x p e r i m e n tp r o c e d u r ea sf o l l o w s ： 1 c i p r o f l o x a c i n i s s y n t h e s i z e du s i n g n e wm e t h o d t h es u c c e s s f u l r o u t ei ss t a r t e dw i t h 2 , 4 d i c h l o r o 5 一f l u o r o - a c e t o p h e n o n e 。v i a o x a l y l a t i o n ，e t h o x y m e t h y l e n a t i o n ， a m i n a t i o n ， c y c l i z a t i o n ， h y d r o l y s i s a n d d e c a r b o n y l a t i o n t h e n t h ei n t e r m e d i a t e g a i n e d c o n t i n u o u s l y r e a c t sw i t h p i p e r z i n e t oo b t a i n c i p r o f l o x a c i n a d d i t i o n a lr e s e a r c hh a sb e e nm a d ef o rt h eo t h e rt w om e t h o d s 2 d i f l o x a c i ni ss t u d i e du s i n gn e wm e t h o d i ti sm a d et h es a m er e a c t i o n ! 塑垩奎竺堡圭兰堡丝兰 a s c i p r o f l o x a c i ne x c e p tp - f l u o r o a n i l i n e i n p l a c e o fc y c l o p r o p y l a m i n e t h e nt h es i m i l a rs t e p sa r em a d et oo b t a i nt h ei m p o r t a n t i n t e r m e d i a t eo fd i f l o x a c i n ，w h i c hi sn a m e da s7 - c h l o r o 一6 - f l u o r o 一1 一 p - f l u o r o p h e n y l - 1 ，4 - d i h y d r o 一4 - o x o 一3 - q u i n o l i n ea c i d 3 t e m a f l o x a c i ni sa n o t h e re x a m p l et o s t u d yt h en e wm e t h o d i nt h e p r o c e s s 2 , 4 - d i n u o r o a n i l i n c i su s e dt o c a r r y o u ta m m o n i a t e d r e a c t i o n t h e nt h r o u g has e r i e so fs i m i l a rr e a c t i o n s ，t h ei m p o r t a n t i n t e r m e d i a t eo ft e m a f l o x a c i n w h i c hi sc a l l e d7 c h l o r o 6 f l u o r o 1 ( 2 ，4 - d i f l u o r o p h e n y l ) - 1 ，4 - d i h y d r o - 4 一o x o 3 q u i n o l i n ea c i d ，i sg a i n e d t h ey i e l do fn e wm e t h o di sv e r yn e a r l yt h es a m ea sd o c u m e n tr e p o r t i nt h e s ep r o c e s s e s ，t h eo p e r a t i o ni sm o d e r a t ea n dt h et e c h n o l o g yi s e a s y i t i s p o s s i b l et or e a l i z ei n d u s t r i a l i z a t i o n m o r e o v e r ，t e nn e wc o m p o u n d sa r e p r e p a r e da n dc o n f i r m e d t h ed i s s e r t a t i o nc o n c l u d e sw i t ha s u m m a r ya n dp e r s p e c t i v e so ft h e n e w s y n t h e t i cm e t h o d 一 笙二主兰茎! 垡一j - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ l _ _ _ _ - _ _ _ l - _ l _ _ - - l _ _ _ - _ _ _ _ - 一一 第一章文献综述 1 1 喹诺酮类药物概述 1 1 1 总论 随着二十一世纪的日益临近，人们的生活已逐步进入现代化水平， 但紧随其后的致病微生物似乎也已步入“现代化”。构成对人类更严重 的威胁，迫使人类需要研制出更强效、广谱的药物来遏制它们。 1 1 1 1 引言 微生物无处不在，土壤、河流、海洋、空气，几乎存在于地球的每 一个角落，无论呼吸和饮食，人类始终生活在微生物的包围之中。但是， 微生物侵入人体、繁殖并产生感染的机会是相当罕见的。仅有极少数微 生物如细菌、病毒、衣原体、枝原体、立克次体、真菌等能真正引起疾 病。许多生长在皮肤、口腔、呼吸道、胃肠道等部位的微生物构成那里 的正常菌群，并在人和致病的微生物之间构成复杂的、动态的相互作用， 一种微生物是成为正常菌群的一部分，还是侵犯宿主引起疾病都依赖 于这些作用。在某种情况下，这种相互作用的平衡被打破时，微生物大 量繁殖，并产生毒素，引发感染，此时人类免疫系统全力促进免疫球蛋 白产生并提高t 细胞免疫应答能力，从而控制感染。抗感染物质通过 抑制微生物的大量繁殖或杀死微生物来控制感染。抗生素则是典型的抗 感染药物【1 1 。 随着科学技术的迅速发展，各种抗生素也得到广泛的应用，随之而 来，对它们耐药的菌株也日趋增多，这就迫使人们不得不研制开发新的 抗菌药物来对付这些耐药菌株所致的严重感染。合成抗菌药已成为目前 z 一 塑望奎兰坚圭堂垒笙奎 国内外十分活跃的研究领域。尤其是氟喹诺酮类药物的发展极为迅速， 为临床提供了广阔的应用前景 1 1 1 2 简介 喹诺酮类抗感染药物是以1 ，4 - 二氢4 - 氧- 3 一喹啉羧酸为基本结构的 全合成抗菌药物。p r i c e l 2 1 于1 9 4 9 年报道了第一个喹诺酮化合物，1 9 6 0 年b a r t o n l 3 1 等人对它进行了修饰，但由于这些衍生物对试验动物的毒副 作用而未能应用于临床研究。1 9 6 2 年美国s t e r l i n g - w i n t h r o p 研究所发 现了第一个抗菌药萘啶酸( n a l i d i x i ca c i d ) ! ”，它不仅对革兰氏阴性菌有 较强的活性，口服吸收效果好，代谢稳定，而且与其它抗生素问无交叉 耐药性，而当时医学界所面临的棘手问题正是对抗生素与磺胺类药物产 生耐药性的微生物不断增加，所以它很快被用于治疗尿道、胆道和肠道 感染。1 9 6 6 、1 9 6 7 年又分别报道洲q 了第二及第三个喹诺酮药物奥索利 酸( a 恶喹酸) 和吡咯米酸，由于它们的毒副作用使之仅能应用于有限的 感染。1 9 7 8 年诺氟沙星f 7 1 的闯世，标志着喹诺酮类抗菌药物的发展进入 了一个新时代，它不仅比同类老品种抗菌作用更强，而且还增加了对革 兰氏阳性菌的抗菌谱，成功用于尿道感染的治疗。此后，经过几十年的 发展，已报道合成了6 0 0 0 多个该类类似物，出现大量活性更强、抗菌 谱更广或更具特点的新衍生物，现已成为广泛应用予临床的广谱、高效、 低毒性的抗感染药物。 此类药物国外有两种名称：q u i n o l o n e s ( 喹诺酮类) 和p y r i d o n e c a r b o x y - l i c a c i d s ( 吡酮酸类) 。前者为习惯名称，后者从化学意义上讲更为严谨。 因为严格地讲，前者专指的是喹啉环系，只是因为该环系在此类药物中 发展得最快，出现的优秀品种最多，所以将此名称推广，广义上将此类 药物统称为q u i n o l o n e s 。早期上市的几个品种因为结构中均含羧基，故 非专利通用名皆为某菜酸，如萘啶酸、吡咯米酸等；随着该类药物的发 展，越来越多的品种不断涌现，美国负责药物命名的专门机构将这类药 物名称规定为相同的词干“x a c i n ”，不同的药物加上不同的前缀进行区 别，我国药典委员会将中文词干规定为“沙星”，然后根据不同药物的 英文名称音译为某某沙星。如n o r f l o x a c i n ( 诺氟沙星) 、c i p r o f l o x a c i n ( 环 第一章文献综述 3 丙沙星) 、t e m a f l o x a c i n ( 替马沙星) 、l o m e f l o x a c i n ( 洛美沙星) 等。 喹诺酮类药物基本为白色或类白色至淡黄色缩晶性粉末，能溶于稀 酸和稀碱水溶液，在醇类、氯仿、乙醚等溶剂中溶解度都不太好，有的 甚至不溶，在水中几乎不溶，但在冰乙酸中溶解，而成盐状态则能溶于 水而不溶于冰醋酸。 据文献报道f l l f 9 】这类药物与其它抗菌药的作用点不同，它们的作用 靶位为细菌的脱氧核糖核酸( d n a ) 旋转酶，影响细菌d n a 的正常形 态与功能以达到抗菌目的。细菌的双股d n a 扭曲成为袢状或螺旋状( 称 为双螺旋) 存在于细菌体内，否则，其长度会远远超过细胞壁，而无法 容纳于其内，更无法进行正常的d n a 复制、转录、转运与重组。使d n a 形成超螺旋的酶称为d n a 旋转酶，氟喹诺酮类抗菌药就抑制此种酶， 进一步造成染色体的不可逆损害，而使细菌细胞不再分裂。它们对细菌 显示选择性破坏作用。当前，一些细菌对许多抗生素的耐药性可因质粒 传导而广泛传播，但是，喹诺酮类药物则不受质粒传导耐药性的影响， 因此，这类药物与许多抗菌素问无交叉耐药性，所以越来越受到人们的 青睐。 i i 1 3 喳诺酮类药物的发展 喹诺酮类抗感染药物按发明先后及抗菌作用与性能不同，9 0 年代 以前可分为一、二、三代产品，进入9 0 年代，又有许多新喹诺酮类药 物投放市场，而且，还有许多新品种正在进行临床试验及研究中。我们 在此举一些典型例子，分述如下【l ”h 】： 第一代喹诺酮药物只对大肠杆菌、痢疾杆菌、克雷伯杆菌及少部分 变形杆菌有抗菌作用。具体品种有萘啶酸、吡咯米酸等，由于在体内易 被代谢，而且有中枢神经副作用，现已很少使用( 化学结构见图1 1 ) 瓣铲“妒“舵“ 吼c-口h5岛h， 萘啶酸嗯睦酸毗咯米酸 图i 1 第一代喹诺酮类 ! 塑坚查兰堕主堂堡丝苎 一 第二代喹诺酮类药物于七十年代上市。如西诺沙星与吡哌酸等具有 较强的抗菌作用，对肠杆菌属、枸橼酸杆菌属、绿浓杆菌属、沙雷杆菌 也有一定的作用，口服吸收良好，在体内不易被代谢，尿中活性药物的 浓度与排谢率都比较高，毒性低，副作用小，对尿路与肠道感染疗效优 异，各国已普遍应用，我国已将吡哌酸列为国家基本药物之一，有厂家 大量生产。( 化学结构见图1 2 ) 伊h旬d 乩 吼 西诺沙星吡哌酸 图1 2 第二代喹诺酮类 八十年代相继出现抗菌谱更广、抗菌作用更强的第三代喹诺酮药 物。它们结构上的特点是在喹啉环或萘啶环的6 位上有氟、并在7 位上 都连有哌嗪基。如：诺氟沙星、培氟沙星、环丙沙星、依诺沙星和氧氟 沙星( 见表1 1 ) ，化学结构见圈1 3 。 表1 1 年份名称英文名开发单位首市国 1 9 8 4诺氟沙星n o r f l o x a c i n杏林制药日本 1 9 8 5培氟沙星p e f l o x a c i n龙- 普兰克公司法国 1 9 8 5氧氟沙星o f l o x a c i n第一制药公司日本 1 9 8 6依诺沙星e n o x a c i n大日本制药公司e l 本 1 2 1 i墅亘芝星i 2 1 1 旦! ! 璺璺i !蕴璺麴斐丝塞 九十年代各国投放市场的喹诺酮类药物有1 1 种，分别为洛美沙星、 托氟沙星、替马沙星、芦氟沙星、氟罗沙星、司氟沙星、那氟沙星、左 氟沙星、格帕沙星、曲伐沙星和阿拉沙星( 见表i 2 ，化学结构见图1 4 ) 。 这些喹诺酮与过去的第三代品种相比，或在抗菌作用或在药代动力学性 能或在两方面都有所改善，各有其特点。 诺氟沙星 培氟沙星环丙沙星 d 玲“科“ 吼仅 嘣。 依诺沙星氧氟沙星 图i 3 第三代喹诺酮类 表1 2 现今，据不完全统计，各国正竞相开发的新喹诺酮有5 0 余种，其 中报道完成i 、i i 期临床的有巴洛沙星、克林沙星、格替沙星、帕苏沙 星和莫西沙星等( 化学结构见图i 5 ) ，其中已经有部分进行过m 期临床， 例如帕苏沙星j ，这些新喹诺酮的共同特点是既保留了抗革兰阴性菌 的高活性，又明显增强了抗革兰阳性菌活性，并对厌氧菌、枝原体、衣 原体等有较强作用 e 堑垩奎兰苎主堂垡兰苎 砧唧哼铂妒 洛美沙星托氟沙星替马沙星 芦氟沙星 砣秭3 2 h 融h 讪u “咪h 氟罗沙星司氟沙星那氟沙星 左氟沙星 格帕沙星曲伐沙星阿拉沙星 图1 4 九十年代上市的喹诺酮类 另外，进行过i 期临床试验的也有多种，如：氨氟沙星( a m i f l o x a c i n ， w i n 4 9 3 7 5 ，山口) 内) 、西它沙星( s i t a f l o x a c i n ，d u 6 8 5 9 a ，第一制药) 、 c s 9 4 0 ( - - - 共) 、d s 4 5 2 4 ( 第一制药) 、h s r 9 0 3 ( 北陆制药) 与y - 2 6 6 1 1 ( 吉 富制药) 等。( 化学结构见图1 6 ) 1 1 1 4 喹诺酮药物的构效关系 自1 9 7 8 年诺氟沙星的出现，极大地推动了喹诺酮类药物的发展， 特别是近几年，先后出现了一大批优秀品种，使这类药物进入了一个为 世人瞩目的高速发展的黄金时代。为了进一步推动该类药物的发展，合 成并筛选出更具特点的新品种，有必要阐述其构效关系。参照文献1 1 ” 阐述如下： d o m a g a l a ”1 、g e r s t e r t “l 、 m i t s c h e r t ”l 和o h t a ( 2 0 l 等人对n 1 位 取代基的构效关系进行了系统的研究，结果表明：1 ) 在简单的脂肪取代 烷基或烯基中，乙基最佳，体积与之相似的氟乙基、乙烯基类似物具有 相近的活性，大于或小于乙基的均使活性降低；2 ) 在无取代基的环烷基 第一章文献综述 7 。嘏扩毋扩式扩 巴洛沙星 克林沙星格替沙星 玻嵌蛰 帕苏沙星莫西沙星 图1 5 系列中，环丙基最佳，随着环的增大，其抑酶活性与抗菌活性均降低， 当环丙基上有取代基时。活性降低，但取代基的位置对活性有影响，l - 位取代的活性优于2 位；3 ) 当n ，- 位为苯基时，其具有与乙基类似的活 性，苯基上另有取代基时，有增强活性的趋势，尤其对格兰氏阳性菌， 苯基上取代基的位置对活性影响较为明显，活性强弱依次为对位、邻位 和间位，当n 位是不同的卤苯基时，活性按f 、c l 、b r 的顺序大幅度 下降，n 。位是2 , 4 二氟苯基比对氟苯基类似物活性强。 对c ，位的一般化学修饰均使活性降低，当被甲基或羟基取代后活 性消失。郭惠元等1 2 i l 曾合成2 位氮杂依诺沙星，发现远比依诺沙星活 性弱只有2 位与n 位或c r 位以硫桥形式相连接成环状取代基时， 才具有优异的抗菌活性。 目前普遍认为3 位羧基与4 位羰基是喹诺酮类药物与d n a 旋转酶 结合产生药效必不可少的部分，3 位羧基的改造，如被磺酸、乙酸、乙 氧羰基等代替均使其抗菌活性消失。但诺氟沙星的3 - 位羧基变为3 - 甲 醛基后，体内活性是诺氟沙星的3 倍m 】，培氟沙星的3 位羧基被特戊 酰氧甲酯基代替后，体内活性提高一倍1 2 3 1 ，这是由于引入这些基团， 增加了体内吸收，同时在酶的作用下又迅速转变为羧基。 d o m a g a l a 研究发现：5 位引入羟基降低活性，引入氨基是降低还 是提高活性，依赖于其它位置取代基的优化程度。一般的说，c ，- 位取 代基的存在，从空间角度看，都一定程度的干扰了4 - 位羰基与靶位的 结合；而从电子效应看，凡能有效地向母环提供电子的取代基，都会使 4 位羰基氧原子上的电荷密度不同程度地提高从而增加了与靶位的结 ! 塑翌盔堂竖主堂垡丝苎 合能力因此，c ，位取代基的存在是有利还是不利于抗菌活性取决于 这两种因素相互作用的结果。 删曾嵌粤”戚矿 氨氟沙星西他沙星 c s 一9 4 0 谢对研尹 h s r - 9 0 3 d s 一4 5 2 4 y 一2 6 6 11 图1 6 m a t s u m o t o f 2 4 l 及d o m a g a l a 等人合成并测定一系列喹诺酮类化合物 的抑酶和抗茵活性发现：与其它取代基比较，c 位引入氟原子最佳。 这是因为它即提高了与d n a 旋转酶的结合能力，又提高了对细菌胞壁 的通透性。正是由于c 位引入氟原子，才使喹诺酮的发展进入一个新 时代，即所谓的第三代喹诺酮。c 6 - 位皆有氟原子是新一代喹诺酮的结 构特征，因此人们也称其为氟喹诺酮。 大量的构效关系研究表明，7 位取代基的碱性及适当的水溶性有利 于提高抗菌活性和改善药代动力学性质。比较常见的取代基为哌嗪或甲 基哌嗪。与此同时，具有与哌嗪环类似的骨架和空间分布的取代基如吡 咯烷基和硫代吗啉基等有优异抗菌活性的类似物也大量涌现。u n o i ：，】等 人对7 位芳香取代基进行了研究，表明引入芳香毗咯烷基有利于提高 抗格兰氏阳性菌活性，而降低抗格兰氏阴性菌的活性。 s a n c h e z l 2 6 】等比较7c i 位为h 、c l 、n 0 2 、n h 2 的活性。结果表明： 体外活性c 。位c l 类似物最大，然后是f 、h 和n o ：类似物，而n h ：类 似物与n o ，相当。对于体内活性，c s - f 类似物则表现出最为突出的活 性。当比较c 。一位是甲基、乙基、甲氧基和乙氧基时，发现引入甲基也 能增加活性，随着取代基体积的增大活性明显降低。具体对活性贡献的 顺序为甲基 h 甲氧基 乙基 乙氧基1 2 ”。 喹诺酮类抗菌药的发展为人们认识构效关系提供了依据，反之，它 笙二兰奎整堡垄 ： _ _ _ _ _ _ - - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ 一一 又为修饰或合成新的更优秀的喹诺酮衍生物提供了结构依据，进一步推 动了喹诺酮类药物的发展。 1 1 1 5 喹诺酮药物研究的主要趋势 抗曹活性及药钧动力学性能的改善：根据构效关系的研究表明，不 同位置不同取代基的喹诺酮药物的抗菌活性有很大差异，为研制出抗菌 活性更高的新型喹诺酮药物提供了广阔的空间。例如：为了提高口服吸 收率，研究了若干喹诺酮的前药( p r o d r u g s ) 。发现3 - 位醛基的喹诺酮， 在体内被氧化成相应的羧酸，可形成较高的血药浓度，如a 7 1 4 9 7 ( a b b o t t ) 等【2 | j 。为了改善水溶性，常向喹诺酮分子的适当部位导入氨 基酸，如曲伐沙星水溶性低，连上两分子丙氨酸的阿拉曲伐沙星则可注 射使用。连有氨基酸的a - 7 0 8 2 6 ( a b b o t t ) 和p d - 1 3 1 11 2 ( p a r kd a v i s ) 1 2 9 1 也有较高的水溶液性。 安全性的改善：喹诺酮类抗菌药毒副反应小，没有某些抗生素引起 的严重过敏反应。除口服药共有的胃肠道反应外，毒副反应主要有：( 1 ) 中枢神经毒性；( 2 ) 过敏反应；( 3 ) 肝毒性；( 4 ) 肾毒性：( 5 ) 骨 关节损害：( 6 ) 低血糖。此外，在6 和8 位上有二氟取代或6 位为氟， 8 位为氯的喹诺酮，都有不同程度的光敏反应，而且，所有喹诺酮的光 分解产物都有较强的细胞毒性。而巴洛沙星、格替沙星、莫西沙星、 a m 11 7 4 、p d 1 4 1 8 3 l ( w a r n e rl a n b e r t ) 、s 3 2 7 3 0 ( 科研) 、s y n 1 2 5 3 、 y 6 8 8 ( 吉富制药) 的8 位为甲氧基；c s 9 4 0 的8 位为二氟甲氧基，这 些新喹诺酮都没有光敏反应。( 化学结构见图1 7 ) 对移扩“对：磷妒“ 图1 7 1 0浙江大学博士学位论文 新活性结构的探索：卜位非氮化合物的探索：将萘啶环系和喹啉环系 的1 位n 移到4 ，5 位问的桥头，如a 一7 9 5 2 7 、a 8 6 7 1 9 - l ( a b t - 7 1 9 ) 、 a 1 0 4 9 5 4 ( a b b o t t ) 等都有较强的抗菌活性，a 一7 9 5 2 7 可与托氟沙星匹 敌，a 8 6 7 1 9 1 抗耐古霉素肠球菌( v r e ) 活性很强；6 - 位非氟取代化 合物的探索：t 3 8 l l ( 富山化学) 抗菌谱广，抗菌活性强，抗v r e 活 性优于曲伐沙星；6 氨基的m f - 5 1 3 7 ( 意大利m e d i o l a n u m ) 等有良好 抗菌活性m l l ；w i n 6 4 5 9 3 a ( s t e r l i n g w i n t h r o p ) 具有较强抗病毒作用； 7 位非c n 键相连化合物的探索：帕珠沙星已完成临床评价，正在研 究中的还有c p 1 l5 9 5 3 ( p f i z e r ) 及w i n 5 7 2 7 3 ( s t e r l i n g - w i n t h r o p ) 等。 ( 化学结构见图1 8 ) 图1 8 徽生物来源的新喳诺酮探索：已知微生物可以产生多种喹啉类化合 物，是否也能产生喹诺酮类化合物是一直被关注的问题。1 9 9 6 年k a m i g i r i 等1 3 2 由印度尼西贬西加里曼丹土壤中分离出一株节杆菌( a r t h r o b a c t e r s p y l 0 2 7 2 9 s ) 。产生的喹诺酮y m 3 0 0 5 9 对革兰氏阳性菌包括多耐性 金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌等有较强的抗菌活性；1 9 9 8 年d e k k e r 等i 1 由假诺卡氏菌c l 3 8 4 8 9 ( p c e u d o n o c a r d i as p c l 一3 8 4 8 9 ) 发酵液中 分离出c j 1 3 1 3 6 等8 种喹诺酮，对幽门杆菌有极强的选择性抗菌作用。 抗肿瘤与抗病毒哇诺酮药物的探索：喹诺酮选择性地抑制细菌的 d n a 旋转酶，该酶为d n a 拓扑异构酶i i ( t o p o i s o m e r a s e i i ) 中的一种， 近来发现若干化合物有抑制拓扑异构酶i i 的活性，并出现抗肿瘤作用， 种计 哼 砷 星二兰苎整签堕 旦 _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ - - - _ - _ l _ _ _ _ _ _ 一 一 经过结构修饰，有发展成为抗肿瘤药物的可能性稠环喹诺酮a 6 2 1 7 6 和a 7 4 9 3 2e 3 亦有抗肿瘤活性。最近，还报道了具有抗病毒活性的喹诺 酮衍生物，如在6 位无氟原子的喹诺酮酰胺w i n 6 4 5 9 3 a i s s j 等显示较强 的抗疱疹病毒i 、的活性。 随着对喹诺酮类抗菌药基础与临床研究的继续深入与扩展，以及对 它们的构效关系、作用机制、耐药机制等的日益了解，在新化合物筛选 方面除了一般程序外，还增加了抗生素后效应、细胞毒性、光解产物等 若干指标。无疑，必将出现效能更好的新喹诺酮类药物。 1 1 2 母环的合成方法 现今，喹诺酮类药物的发展十分迅速，各种各样的新药不断涌现， 由上节所述可以看出其母环结构大体一致，根据构效关系，只要改变取 代基与母环相连的位置或种类就可形成新的药物【3 6 l 。我们总结文献1 3 7 。4 0 】 将喹诺酮类药物的合成方法综述如下： 1 1 2 1 由a 取代芳甲酰基1 3 取代氨基丙烯酸缩合成环 宰生牡撇8 图1 9 如图1 9 由取代芳甲酰乙酸乙酯在醋酐存在下与原甲酸三乙酯反应 生成a 取代芳甲酰基1 3 乙氧基丙烯酸乙酯，然后与各种脂肪胺或芳 香胺反应，再经分子内亲核取代反应形成母环，而取代芳甲酰乙酸乙酯 通常有两种制备方法，一种是通过芳甲酰氯与乙氧基丙二酸二乙酯缩合， 再部分水解并脱羧制得】，另一种方法是由取代芳基甲基酮在强碱作用 下与碳酸酯缩合而得m j 。另外母环合成也可用乙腈或腈乙酸乙酯代替 丙二酸二乙酯，再经相同的步骤制得1 4 3 1 。 上图中，作为离去基团的r ，可以是f 、c l 、b r 、s m e 、s 0 2 m e 或 1 2浙江大学博士学位论文 n o ，母环上的其它取代基r ，、r ：、r ，及r 根据不同的药物，可以是 不同的基团如卤素、氨基、烷基和烷氧基等。y 一般为c 或n 原子。 环合反应一般在碱性溶液中进行，环合用的碱可以是强碱( 如n a i l ) ， 也可以是弱减( 如k ：c o ，) ，主要根据离去基团r ，对亲核试剂的敏感性 及化学环境 用上述方法合成的药物主要有环丙沙星、恩氟沙星、二氟沙星、斯 帕沙星、替马沙星和托磺沙星等1 4 3 - 4 5 | 。这种方法用途极广。适用于几 乎所有不同环系或n 。位不同类型的喹诺酮类衍生物的制备。 1 1 2 2 经g o u l d j a c o b s 环化反应形成母环 哙一蹿严一妒 图1 1 0 如图1 1 0 将取代芳胺与乙氧亚甲基丙二酸二乙酯( e m m e ) 反应，生 成芳胺基亚甲基丙二酸二乙酯，再在一定条件下发生环合即为g o u l d j a c o b s 环化反应若用乙氧亚甲基乙酰乙酸乙酯代替e m m e ，则环化 后产物的3 。位不是羧基，而是乙酰基，氧化即得酸。环化条件通常有 两种，一种是在惰性高沸点的介质中( 如石蜡油、二苯醚等) 加热环合， 另一种是在l e w i s 酸存在下常温或稍加热即可反应。前一种适用于对热 稳定者，如诺氟沙星等的合成6 ”，后一种适用于对热不稳定者，如 左氟沙星等的合成1 4 $ 1 。 这种成环方法原则上只适用于制备n ，位为一级烷基( 如乙基、丙基 等) 的喹诺酮类化合物，除非环合前已经把取代基引入到氨基上，否则， 环合后很难或不可能再把二级、三级烷基或芳香取代基引入到n - 位。 式中r 、r 。、r ，、r ，、r 及y 如前所述。 1 1 2 3 经d i e c k m a n n 环化反应形成母环 一 整= 主苎整! 茎 ! ： - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ 一一 枉书一扩 图1 1 1 如图1 1 1 ，二羧酸酯类在金属钠、醇钠、氢化钠或氨基钠等强碱作 用下发生分子内缩合，生成b 酮酸酯即为d i e c k m a n n 环化反应。用此 反应制备喹诺酮时，生成的产物均为二氢喹诺酮，需要经过脱氢反应才 能得到喹诺酮类衍生物。另外，由于此方法必须在酯基的邻位引入b 取代氨基丙酸酯，所以这就要求邻位基团必须有足够的活性。最常见的 离去基团是f 、c i 。 式中r 、r i 、r 2 、r ，、r 及y 定义同上。 1 1 2 4 由苯并嚼嚎二酮与b 羟基丙烯酸醑的钠盐反应成环 啦。一扩 k 且屯盘 图1 1 2 如图1 1 2 ，苯并嚼嗪二酮与b 羟基丙烯酸酯的钠盐在d m f 溶剂中 反应即得喹诺酮衍生物，该法收率高 4 9 1 , 而苯并嚼嗪二酮则由取代邻氨基 苯甲酸与碳酸酯反应制得m 。“。 式中r 、r l 、r 2 、r 3 、r 及y 定义同上。 1 1 3 取代基的引入 喹诺酮类药物母环有七个位置可以引入基团( 4 位为羰基除外) ，根 据不同的合成方法，有些取代基是在母环合成之前引入，而有些则是合 成母环之后再引入，例如，当n ，位取代基为二或三级碳时( 如环丙基、 卤代苯基等) ，其n 。位烃基一般均在母环形成之前引入i 让l 。另外，c ： 位、c ，位、c 。位和c l - 位的取代基通常也都是在形成母环之前引入分 子中 s 3 - 5 5j 。本节则主要介绍母环形成之后取代基的引入方法。 - 4 塑垩查兰壁主兰垒丝苎 _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ l _ _ _ _ l _ _ _ - i _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - - _ _ - 一 一 i i 3 1n 。位的烃化反应 通常在n a ，c o ，或k 2 c o ，存在下，以d m f 为溶剂，用碘乙烷、溴乙 烷、硫酸二乙酯或对甲苯磺酸乙酯作烷基化剂，可以顺利地在n 。- 位引 入乙基m ”，反应产物通常有酮式和烯醇式两种异构体。研究表明不同 的碱、溶剂或烷基化荆都会影响两者的比例p ”，碱性弱有利于酮式产 物的生成，而且烯醇式异构体在高温时又可转化为酮式结构。 n 。位引入羟基或烷氧基有三种方法【 “”。第一种是将g o u l d j a c o b s 环化产物用p o c i ，氯化，过氧化物氧化后，再用n a o h 水解可得n ，位 羟基物，然后烷基化，就可以制得n 位烷氧基取代的喹诺酮类衍生物： 第二种方法是用4 氯化物与乙醇钠反应，生成的4 一乙氧基物再用过氧 化氢氧化，然后在碘代烷中加热回流，即得到n 。位烷氧基物；第三种 方法是用n a b h 和5 p d c 或s n c l 2 等还原剂还原a ( 取代邻硝基苯甲 酰基) 乙酰乙酸乙酯。同时闭环生成n 。位为羟基的喹诺酮衍生物，再烷 基化得n 位烷氧基物。 i i 3 2c 3 - 位羧基的形成 c ，位羧基通常被认为是喹诺酮类药物中和d n a 旋转酶进行结合时 的必需基团，因此，合成此类化合物时，一般c ，位设计合成的基团均 为羧基或易于转化为羧基的基团。 根据所用的反应底物不同，经过各种不同类型的环化反应形成母环 时，c ，位已经形成的取代基常见的有羧基、酯基、氰基和乙酰基等。 其中，酯基和氰基用碱或酸水解，乙酰基用次卤酸盐氧化都可以得到c ，- 位羧酸，最近又有报道【的j ，c ，位还可行成甲酰甲酸基，然后经n i o ：氧 化脱羰形成c ，位羧酸。 另外，当c ，位为氟原子时，必须在酸性条件下水解，否则酯基水 解的同时氟原予也很容易被羟基取代1 1 6 ”。 一 兰二兰苎整簦兰 一一旦 _ _ _ l - l - _ _ _ _ _ l - _ _ - - _ _ _ - _ - _ - _ _ - _ _ 一一一 1 1 3 3c ，位亲核取代反应 7 位处于4 位羰基的对位，电子云密度相对较低，因此容易发生亲 核取代反应。作为亲核试剂的胺与喹诺酮7 位发生亲核取代反应时，所 用的溶剂是非质子性极性溶剂，如吡啶、d m f 、d m s o 、乙腈或n - 甲 基吡咯烷酮等，常用过量的胺作为脱酸剂，也可用k ：c o ，、毗啶和三乙 胺等。 有时，为了加强4 位羰基的吸电子效应，活化7 位卤原子，可利用 4 位羰基、3 位羧基与无机或有机硼化合物反应形成硼酸酯螯合物。例 如，7 氯6 氟1 乙基喹啉3 羧酸与无水哌嗪反应时，由于7 - 位卤原子 不够活泼，反应选择性不强，有6 位取代的副产物生成，若用螯合物 与无水哌嗪反应，则7 位氯被取代的产物收率高达9 5 以上【6 6 “”。当 用酯与胺反应时，除生成7 位氨基取代物外，也生成一定量的6 - 位取 代氨基衍生物，这说明3 位羧基物比3 - 位酯基物更有利于c ，- 位的亲核 取代反应，这与羧基的吸电子诱导效应大于酯基一致。至于洛美沙星i ” 等采用先与酯缩合再水解的方法，是由离去基团对亲核试剂的活泼性、 溶剂的极性及亲核试剂亲核性的强弱等多种因素所决定。 此外，离去基团的邻位或对位若有吸电子基，则有利于亲核取代反 应的进行，反之，若为吸电子基，则不利于反应进行。 1 2 典型药物综述 喹诺酮类药物，尤其是氟喹诺酮类，已经成为治疗各种感染性疾病 的优秀的化疗药物，发展十分迅猛，种类繁多，本文举一些典型如环丙 沙星、二氟沙星和替马沙星的例子从合成方法方面进行研究以下先就 文献对上述三种药物分别进行介绍。 1 2 1 环丙沙星综述 环丙沙星是最具代表性的喹诺酮类药物，介绍如下： 1 6浙江大学博士学位论文 1 2 1 1 环丙沙星的简介 环丙沙星( c i p r o f l o x a c i n ) 又名环丙氟哌酸，化学名为1 - 环丙基- 6 氟- l ，4 - 二氢4 氧7 ( 1 哌嗪基) 喹