苯并異噻唑啉酮類衍生物的制備與生物活性測試

許鳳玲,藺存國,劉秀麗,徐 偉

(1.中船重工七二五所 海洋腐蝕與防護國防科技重點實驗室,山東 青島 266071;2.青島中石油昆侖天然氣利用有限公司,山東 青島 266071;3.青島保稅港區管理委員會,山東 青島 266071)

海洋生物污損是指海洋污損生物(包括海洋微生物、海洋植物和海洋動物)附著在海洋人工設施上造成的危害[1]。生物污損會引起金屬腐蝕,增加船體運行阻力,影響養殖質量。而目前市場上廣泛應用的海洋防污劑為銅基等含重金屬離子的物質,不利于生態環境的保護,因而開發綠色防污劑成為當務之急。生物污損主要是由于在海洋工程表面海洋菌引起生物膜的形成,繼而產生污損生物的附著,所以抑制海洋菌可以有效抑制生物污損,研制開發具有抑制海洋菌的綠色防污劑成為防污的一種重要手段。

異噻唑啉酮類化合物在殺藻抑菌方面有著很高的生物活性[2-3]。美國 ROHM＆HAAS公司于 20世紀 90年代初首先將 4,5-二氯-2-正辛基-4-異噻唑-3-酮(DCOI)開發成功并以Sea-Nine 211為商標投放市場,相關的研究證明 DCOI是一種環保型海洋防污劑,被稱為綠色防污劑[4-5]。鑒于此我們合成了苯并異噻唑酮的衍生物,并對其進行了結構分析,與初步生物活性測試。

1 材料與方法

1.1 合成

1.1.1 儀器與試劑

XT4-100A 顯微熔點儀(控溫型,北京科儀電光儀器廠),BRUKER av-400型核磁共振儀(瑞士布魯克儀器有限公司),氣質聯機Aglilent 6890GC/5973MSD(美國 Aglilent儀器有限公司,溶劑丙酮為色譜試劑純,進樣口溫度280°C),MT23型元素分析儀(日本柳本公司)。所用試劑未經說明,均為市售分析純,三乙胺與丙酮用前干燥,其余試劑未經處理。

每一步反應中均采用自制的硅膠(青島海洋化工廠生產,200～300目)薄層板跟蹤反應,用碘蒸汽顯色或紫外燈顯色;柱層析的硅膠為 160～200目(青島海洋化工廠生產)。

1.1.2 中間體2-羥甲基苯并異噻唑-3(2H)-酮的合成

在裝有攪拌器、回流冷凝管、 溫度計的100 mL四口反應瓶中,加入苯并異噻唑啉酮15.2 g(0.1 mol),多聚甲醛3.3 g(0.11 mol),氯仿50 mL,攪拌滴加0.2 mL三乙胺,加熱回流 5 h,反應液變澄清,停止反應。將反應液脫溶,殘液倒入培養皿中,在紅外燈下干燥,得到 14.3 g白色固體為羥甲基苯并異噻唑啉酮。收率 79.0 %,熔點 146～147°C(文獻值：大于140°C)[6]。

1.1.3 標題化合物的合成

在裝有攪拌器、冷凝管、溫度計的50 mL反應瓶中,加入 1.8 g(10 mmol)羥甲基苯并異噻唑啉酮,1.1 g(11 mmol)三乙胺和20 mL已經干燥處理過的丙酮。冰水浴冷卻、攪拌下滴加10 mmol取代苯甲酰氯的 10 mL丙酮溶液,反應立即進行,生成大量的白色沉淀,滴加完畢,撤去冰水浴,攪拌回流反應 2 h,反應液為淡黃色,過濾,濾液減壓蒸餾得淡黃色液體,冷卻得淡黃色固體。柱層析(石油醚 ：乙酸乙酯＝3 ：1)得純品。

采用上述類似方法制得 4個目標化合物,其物理常數見表1。合成路線如下：

圖1 標題化合物的合成路線Fig.1 Synthetic routes of title compounds

表1 標題化合物的物性參數Tab.1 Physical data of title compounds 2a～2c

1.2 生物活性測試

對合成的化合物進行了大腸桿菌(Escherichia coli)、金黃色葡萄球菌(Staphyloccus aurueus)、溶藻弧菌(Vibrio Alginolyticus)、嗜水氣單胞菌(Aeromonas hydrophila)、枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)5種海洋菌的抑菌實驗。方法如下：在1.5 mL的離心管內加入890 μL液體培養基、10 μL菌懸液和100 μL不同濃度的藥品(對照實驗為未放藥品的空白實驗),放在振蕩培養箱內28 ℃培養24 h。將培養24 h后的菌-藥的混合液進行稀釋,取 100 μL已稀釋好的菌液,在平板上涂布并培養 24 h后,計算菌落數,以確定該藥物的殺菌效果。

2 結果與討論

2.1 合成

合成化合物的光譜學數據見表2、表3。

2.1.1 核磁共振氫譜分析

所合成的標題化合物核磁共振氫譜中,不同環境的質子的化學位移值列于表2。1H NMR中,所有化合物中均出現化學位移基本相同的芳基氫和N—CH2—。由于受到酰胺基及酯基的共同的吸電子誘導效應,N—CH2—上氫原子周圍電子云密度減小,質子所受到的抗磁性屏蔽(σd)減小,所以共振發生在較低場,位移值較大,在 6.0×10-6附近。化合物2a～2c中N—CH2—上氫原子由于同時受到酰胺基和苯甲酸基的誘導效應及共軛效應,化學位移大于 6.0×10-6。當芳環上取代基為吸電子基團如 F、Cl時—CH2—上氫的化學位移值要高于取代基為給電子基團時的化學位移值。

2.1.2 質譜與元素分析

為了確證化合物的分子結構,對部分化合物做了ESI質譜分析主要質譜數據見表2,其中化合物2a做了氣相—質譜(EI)連用分析。化合物 2a的主要離子峰為285,256,164,136,105,77,51。產物離子的相對豐度主要由它的穩定性決定,m/z 105的豐度最大,說明C6H5—C≡O+的穩定性最高。可能的裂解方式如圖2所示。

表2 標題化合物的1H NMR,部分MS(ESI)數據Tab.2 1H NMR and partial MS(ESI) and GC-MS data of title compounds 2a～2c

表3 標題化合物的元素分析數據Tab.3 Elementary analyis of title compounds 2a～2c

圖2 化合物2a的可能裂解方式Fig.2 The possible fragmentation pathway of 2a

元素分析數據列于表3,實測值與計算值之間的偏差在允許范圍之內。

2.2 生物活性測試

化合物的相對抑菌率計算公式如下：

藥物濃度為10-6g/L時的相對抑菌率見表4。測試結果表明所合成的化合物10-6g/L時對5種菌均有抑菌活性。其中普遍對大腸桿菌抑菌效果最高,相對抑菌率均達 90%以上,其次是嗜水氣單胞菌和溶藻弧菌,所以此類化合物有望應用于海洋防污劑的開發。

從以上活性的分析可以看出,化合物2a～2c的活性大于或平衡與化合物 1,目標化合物 2a～2c引入了 O=C-C6H5基團,苯環的引入,增加了參與氫鍵的形成的氫的數量,同時親水基團的增加也使藥物分子與受體形成氫鍵的能力增強,有利于化合物抑菌活性的增加。同時化合物的活性還與藥物與受體作用的空間結構有關,所以下一步我們將通過空間結構的分析進一步討論。

表4 抑菌活性數據Tab.4 Microbial inhibition activity data

3 結論

(1)本文以苯并異噻唑酮為原料合成了 3種未見文獻報道的苯并異噻唑酮化合物,部分結構經1H NMR、MS、元素分析確證。

(2)通過對 5種菌的初步生物活性測試表明化合物均有抑菌活性,其中對大腸桿菌活性最高,相對抑菌率均達90%以上,有望開發為海洋防污劑。

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[3]Morley J O,Oliver A J,Charlton M H.Theoretical studies on the biocidal activity of 5-chloro-3-isothia zolone[J].Journal of Molecular Structure：THEOCHEM,1998,429(1)：103-110.

[4]Jacobson A H,Willingham G L.Sea-nine antifoulant：an environmentally acceptable alternative to organotin antifoulants[J].The Science of the Total Environment,2000,258(1)：103-110.

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[6]Ryo O,Hideki N,Kozo K,et al.Synthesis and Antibacterial Activity of 2,2’-Dith-iobis (benzamide) Derivatives against Mycobacterium Species[J].Journal of Medicinal Chemistry,1985,28：1772-1779.