TEBAB應(yīng)用于諾氟沙星氯乙基化衍生物的合成研究

王 曼， 夏亞熙， 李陽(yáng)晶， 孟戎茜

（太原工業(yè)學(xué)院化學(xué)與化工系，山西 太原 030008）

引 言

諾氟沙星又名氟哌酸，是一種合成抗菌藥物，它具有抗菌譜廣 、活性強(qiáng)、毒性低、與多數(shù)抗菌藥物無(wú)交叉耐藥性且人工合成容易的特點(diǎn)。但是，其生物利用度小、血藥濃度低（諾氟沙星口服400mg生物利用度為35%～45%），影響其體內(nèi)療效［1］。諾氟沙星在體內(nèi)比較穩(wěn)定，很少被代謝。影響其抗菌活性的主要因素是口服吸收度，而解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵是適當(dāng)提高其脂溶性［2］。諾氟沙星哌嗪環(huán)N－4’位引入脂溶性的氯乙基，期望賦予喹諾酮藥物某些新的性質(zhì)，得到抗菌譜更廣、抗菌作用更強(qiáng)、毒素作用更小的未見(jiàn)報(bào)道的藥物。實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)加入相轉(zhuǎn)移催化劑使反應(yīng)時(shí)間縮短，反應(yīng)條件溫和，操作簡(jiǎn)便，抑制副反應(yīng)，從而提高收率［3］。利用單因素實(shí)驗(yàn)法和正交分析實(shí)驗(yàn)法確定反應(yīng)的最佳條件。所得產(chǎn)品通過(guò)與諾氟沙星原料藥對(duì)比熔點(diǎn)及紅外光譜圖來(lái)驗(yàn)證是否為目標(biāo)產(chǎn)物。該合成主要反應(yīng)機(jī)理如圖1。

圖1 諾氟沙星衍生物合成機(jī)理

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Spectrum型傅立葉變換紅外光譜儀，Perkin－Elmer公司，光譜范圍 4 000cm－1～650cm－1；SZCL－4B智能磁力加熱攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司；SHZ－D（Ⅲ）循環(huán)水式真空泵，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。

氟哌酸，河南康緣藥業(yè)，化學(xué)純；1，2－二氯乙烷，山西雙鶴藥業(yè)，分析純；DMF，西隴藥業(yè)，化學(xué)純；氫氧化鈉，山西雙鶴藥業(yè)，化學(xué)純；鹽酸，10%；乙酸乙酯，天津市申泰化學(xué)試劑有限公司，分析純；TE－BAB，自制。

1.2 諾氟沙星N－4′位氯乙基化衍生物的合成

實(shí)驗(yàn)中，影響產(chǎn)品收率的主要因素有反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、物料比、催化劑量、溶液濃度等。先用單因素實(shí)驗(yàn)法確定每種因素的最優(yōu)條件，再用正交法驗(yàn)證，結(jié)合各因素最佳水平確定最佳工藝路線(xiàn)［4］。

以諾氟沙星（取1.6g即0.005mol）、1，2－二氯乙烷為原料，DMF作溶劑（取20mL），NaOH溶液作縛酸劑（20mL），乙酸乙酯作萃取劑（30mL），四丁基溴化銨作單因素法催化劑。反應(yīng)完畢，用10%鹽酸調(diào)節(jié)溶液pH到7，冷卻后溶液分層。取下層沉淀部分，加入30mL乙酸乙酯萃取。靜置一段時(shí)間后抽濾，并用5mL～10mL去離子水水洗。最后，干燥，稱(chēng)量。最佳反應(yīng)工藝條件下加入新型相轉(zhuǎn)移催化劑三乙基丁基溴化銨（TEBAB）進(jìn)行合成實(shí)驗(yàn)，對(duì)所得產(chǎn)品進(jìn)行熔點(diǎn)測(cè)定及紅外光譜表征。

1.3 體內(nèi)抗菌活性測(cè)試

將樣品與吐溫－80研磨成懸浮液，雌性小鼠（體重18g～20g），感染致死量的大腸桿菌－1515后1h，一次灌胃給藥，觀察7d內(nèi)的生存率，用Reed氏法計(jì)算半數(shù)有效劑量（ED50）。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交實(shí)驗(yàn)

正交實(shí)驗(yàn)采用3因素3水平實(shí)驗(yàn)，如表1所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 正交法實(shí)驗(yàn)因素及水平

表2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)對(duì)每組均值1、2、3的比較，可以確定最佳物料摩爾比為1.0∶1.4，最佳反應(yīng)溫度為70℃，最佳反應(yīng)時(shí)間為4h，最佳TEBAB量為0.2g。

通過(guò)對(duì)極差的比較，可以得出各因素對(duì)反應(yīng)影響的大小：反應(yīng)溫度＞TEBAB量＞物料比＞反應(yīng)時(shí)間。

通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)和對(duì)正交表的分析，初步得出該合成反應(yīng)的條件。通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)確定出最佳實(shí)驗(yàn)條件，即，固定其中任意2個(gè)因素，改變另一因素來(lái)得出此因素的最佳值。通過(guò)3個(gè)單因素實(shí)驗(yàn)分別確定出反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、原料配比3個(gè)因素的最佳值，即為該合成反應(yīng)的最佳工藝條件。

2.2 單因素實(shí)驗(yàn)（見(jiàn)表3）

表3 單因素法實(shí)驗(yàn)條件及結(jié)果

2.2.1 反應(yīng)時(shí)間與產(chǎn)率關(guān)系

用實(shí)驗(yàn)1、2、3、4、5結(jié)果繪圖出如圖2結(jié)果。

圖2 反應(yīng)時(shí)間與產(chǎn)率關(guān)系圖

由圖2可知，曲線(xiàn)先升后降；隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，收率也隨之升高，在3h～4h處出現(xiàn)最大值；大于4h后，收率有所下降。在一定范圍，反應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)就越充分；超過(guò)4h，開(kāi)始有副產(chǎn)物生成，收率下降。將實(shí)驗(yàn)19與實(shí)驗(yàn)11結(jié)果比較可知，其他條件相同時(shí)，反應(yīng)4h產(chǎn)率大于反應(yīng)3h的產(chǎn)率。所以，正交實(shí)驗(yàn)反應(yīng)溫度選取3、4、5h3個(gè)水平。

2.2.2 NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)與產(chǎn)率關(guān)系

用實(shí)驗(yàn)6、7、8、9的結(jié)果繪圖，如圖3。

圖3 NaOH溶液濃度與產(chǎn)率關(guān)系圖

圖3曲線(xiàn)先升后降，在5%左右有最大值。由于NaOH在反應(yīng)中作縛酸劑，反應(yīng)結(jié)束后還要調(diào)節(jié)溶液pH至7，所以NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)不宜過(guò)大；但反應(yīng)需在堿性條件下進(jìn)行，故NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不宜太低。因此，5%可作為最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，正交實(shí)驗(yàn)不再對(duì)此進(jìn)行討論。

2.2.3 反應(yīng)溫度與產(chǎn)率關(guān)系

用實(shí)驗(yàn)8、10、11、12的結(jié)果繪圖，如圖4。

圖4 反應(yīng)溫度與產(chǎn)率關(guān)系圖

圖4曲線(xiàn)先升后降，在70℃出現(xiàn)最大值。在一定范圍內(nèi)，溫度越高，收率越大；70℃之后，收率開(kāi)始下降。因?yàn)闇囟冗^(guò)高有利于1，2－二氯乙烷與NaOH反應(yīng)生成乙二醇。所以，初步確定70℃為最佳溫度。正交實(shí)驗(yàn)選取60、70、80℃3個(gè)水平，再進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2.4 催化劑量與產(chǎn)率關(guān)系

用實(shí)驗(yàn)11、13、14的結(jié)果繪圖，如圖5。

圖5曲線(xiàn)先升后降，在0.2g左右處有最大值。由于很少量的催化劑就會(huì)對(duì)反應(yīng)產(chǎn)生很大影響，所以曲線(xiàn)斜率較大?？沙醪秸J(rèn)為0.2g催化劑為最佳量。正交實(shí)驗(yàn)選取0.1、0.2、0.3g 3個(gè)水平。

圖5 催化劑量與產(chǎn)率關(guān)系圖

2.2.5 無(wú)催化劑時(shí)溫度與產(chǎn)率關(guān)系

實(shí)驗(yàn)15、16、17、18為不加催化劑條件下、反應(yīng)溫度分別為70、80、90、100℃的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖6。

圖6 無(wú)催化劑條件下溫度與產(chǎn)率關(guān)系圖

圖6曲線(xiàn)先升后降，80℃～100℃時(shí)曲線(xiàn)斜率較大，說(shuō)明不加催化劑的條件下，溫度變化對(duì)反應(yīng)的影響大；而且在90℃左右有最大值，可知不加催化劑時(shí)90℃為最佳反應(yīng)溫度。70℃時(shí)不加催化劑的產(chǎn)率明顯比加入催化劑時(shí)的產(chǎn)率低，可以判斷相轉(zhuǎn)移催化劑能縮短反應(yīng)時(shí)間、降低反應(yīng)溫度、提高收率。

2.3 相轉(zhuǎn)移催化劑TEBAB的應(yīng)用［4］

本課題在最佳實(shí)驗(yàn)條件下，即當(dāng)反應(yīng)溫度為70℃、n（諾氟沙星）∶n（對(duì)氨基苯磺酰氯）＝1.0∶1.4、反應(yīng)時(shí)間為4h時(shí)，加入不同種類(lèi)的催化劑，比較四丁基溴化銨（分析純）和TEBAB（自制）的催化效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 四丁基溴化銨和TEBAB的催化效果

比較表4中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，加入催化劑可以使合成反應(yīng)產(chǎn)率得到很大的提高，而自制的相轉(zhuǎn)移催化劑TEBAB的催化效果比四丁基溴化銨的催化效果好。

2.4 產(chǎn)品表征

2.4.1 熔點(diǎn)（見(jiàn)表5）

表5 樣品熔點(diǎn)

諾氟沙星熔點(diǎn)在218℃～224℃，樣品初熔溫度與諾氟沙星大致相同，終熔溫度高于諾氟沙星7℃左右，說(shuō)明樣品中有未反應(yīng)的諾氟沙星原料，有新物質(zhì)生成可能是諾氟沙星N－4′位氯乙基化衍生物。

2.4.2 紅外光譜［5］

圖7與圖8是諾氟沙星與產(chǎn)品的紅外光譜圖。

圖7 諾氟沙星紅外光譜圖

圖8 樣品紅外光譜圖

752、805、887、949、1 103、1 149、1 199、1 251、1 375、1 441、1 476、1 521、1 616、1 727、2 502、2 830、2 946、2 970、3 343cm－1處出現(xiàn)中強(qiáng)特征吸收峰。

諾氟沙星紅外光譜：752cm－1處出現(xiàn)乙基中亞甲基C—H面外彎曲振動(dòng)；805cm－1處出現(xiàn)哌嗪環(huán)中亞甲基C—H面外彎曲振動(dòng)；887cm－1處出現(xiàn)酸羧基中另一種形式C—O化學(xué)鍵面內(nèi)彎曲振動(dòng)；949cm－1處出現(xiàn)酸羧基O—H化學(xué)鍵面外彎曲振動(dòng)；1 103、1 149cm－1處出現(xiàn)C—F化學(xué)鍵對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)；1 199cm－1處出現(xiàn)雜環(huán)中C—N的伸縮振動(dòng)；1 251cm－1為O—H的面內(nèi)彎曲振動(dòng)；1 375cm－1處出現(xiàn)甲基面內(nèi)對(duì)稱(chēng)彎曲振動(dòng)；1 441cm－1處出現(xiàn)乙基中亞甲基的C—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)；1 476cm－1處出現(xiàn)甲基的面內(nèi)不對(duì)稱(chēng)彎曲振動(dòng)；1 521cm－1處出現(xiàn)苯環(huán)骨架═C C伸縮振動(dòng)；1 616cm－1處出現(xiàn)4位酮═C O的伸縮振動(dòng)；1 727cm－1處出現(xiàn)酸羧基═C O伸縮振動(dòng)［5］；2 502cm－1為—COOH 基 O—H 伸縮振動(dòng)；2 830、2 946cm－1為乙基中亞甲基的C—H對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)和不對(duì)稱(chēng)伸縮振動(dòng)；2 970cm－1為甲基C—H伸縮振動(dòng)；3 343cm－1為哌嗪環(huán)上N—H的伸縮振動(dòng)。

判斷是否生成諾氟沙星N－4′位氯乙基化衍生物，根據(jù)如下：

1）3 350cm－1～3 310cm－1處哌嗪環(huán)上 N—H的伸縮振動(dòng)消失。

2）2 950cm－1～2 820cm－1處產(chǎn)生新的乙基中亞甲基的C—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)。

3）750cm－1～700cm－1處出現(xiàn)C—Cl的伸縮振動(dòng)。

由圖8可知，3 343cm－1為哌嗪環(huán)上N—H的伸縮振動(dòng)未消失；2 838cm－1處產(chǎn)生新的乙基中亞甲基的C—H面內(nèi)彎曲振動(dòng)；735cm－1處出現(xiàn)C—Cl的伸縮振動(dòng)。可判斷樣品中有諾氟沙星N－4′位氯乙基化衍生物，但諾氟沙星原料未反應(yīng)完全。

2.5 活性測(cè)試

對(duì)所合成的目標(biāo)化合物進(jìn)行體內(nèi)抗菌活性實(shí)驗(yàn)，用t檢驗(yàn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)學(xué)處理，其結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 In vivo antibacterial activities of the title compounds

從表6可以看出，目標(biāo)化合物的抗菌活性大于諾氟沙星，這可能是脂溶性取代基的引入增強(qiáng)了對(duì)于細(xì)菌細(xì)胞壁的穿透力，結(jié)構(gòu)的改變也引起了藥代動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的改變。本文只測(cè)定了對(duì)于大腸桿菌－1515的ED50，至于其他菌株的體內(nèi)抗菌活性還需進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

通過(guò)產(chǎn)品熔點(diǎn)的測(cè)定以及對(duì)紅外譜圖的分析可知，本次設(shè)計(jì)成功合成了諾氟沙星N－4′位氯乙基化衍生物。通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析得出最佳條件：物料摩爾比1.0∶1.4；反應(yīng)時(shí)間4h；反應(yīng)溫度70℃；相轉(zhuǎn)移催化劑TEBAB量0.2g；NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%。各因素對(duì)反應(yīng)影響強(qiáng)弱從大到小順序依次為：反應(yīng)溫度＞TEBAB量＞物料比＞反應(yīng)時(shí)間。

新型相轉(zhuǎn)移催化劑TEBAB具有良好的催化活性，可以降低反應(yīng)溫度，縮短反應(yīng)時(shí)間，提高產(chǎn)品收率。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其具有很強(qiáng)的吸濕性，所以保存時(shí)注意嚴(yán)格密封。

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