李倩倩,易君明,周小瓊,唐 芳,張家敏
(興義民族師范學院生物與化學學院,化學合成及環境污染控制和生態修復技術實驗室,貴州 興義 562409)
酰胺是胺或氨的氮原子上的氫原子被酰基取代后的含氮羧酸衍生物,酰胺官能團是有機化合物基本結構單元之一,廣泛存在于精細化學品、天然產物和有機藥物結構中,關于其合成制備方法研究已有綜述文獻報道[1-3],其在工業、農業以及生物醫藥等領域具有廣發應用[4-6]。降冰片烯二甲酰亞胺是降冰片烯二甲酸酐分子中兩個羰基鏈接的氧原子被胺取代后生成的五元環狀二酰亞胺化合物,其是合成抗精神藥物鹽酸魯拉西酮的重要中間體[7-8],研究文獻表明將降冰片烯二甲酰亞胺結構引入到聚苯并噁嗪熱固性樹脂結構中有利于提高其交聯密度和熱穩定性[9],關于降冰片烯二甲酰亞胺衍生物合成及其應用研究已引起了國內外化學工作者的重視[10-12],因而開展降冰片烯二甲酸酐的氨解化學反應及其抑菌活性研究工作具有較好的學術參考價值和應用研究前景。我們在前人研究工作的基礎上,以降冰片烯二甲酸酐(化合物1)和不同取代基的胺衍生物(化合物1)為原料,經過一步化學反應得到5個未見報道的降冰片烯二甲酸酐氨解產物,其合成路線如圖1所示,通過1H NMR、13C NMR、MS、IR、元素分析以及單晶X-射線衍射等表征產物結構,采用96孔板倍比稀釋法測試其對金黃葡萄球菌、肺炎雙球菌、枯草芽孢桿菌、大腸桿菌的抑菌活性,可為后續相關領域的研究工作提供更多的實物選擇及其應用研究提供參考。

圖1 目標化合物的合成路線圖
Bruker Smart APEX II CCD單晶X-射線衍射儀,德國Bruker公司;JEOL-ECX 500 NMR核磁共振儀,日本電子株式會社;Agilent 質譜儀,美國Agilent公司;Varian 640-IR傅立葉變換紅外光譜儀,安捷倫公司;Sarteorius-BS110S電子天平,北京賽多利斯儀器系統有限公司;WRS-1B數字熔點儀,上海精密儀器儀表有限公司;Vario ELIII型元素分析儀,德國Elementar公司。
降冰片烯二甲酸酐(99%)、水合肼(85%)、乙醇胺(AR)、苯肼(99%)、4-硝基鄰苯二胺(99%)、對二甲氨基苯胺(99%)等,鄭州杰克斯化工產品有限公司;其余試劑均為市售分析純,實驗前未作純化處理。
供試菌種:大腸桿菌(Escherichia coli ATCC 8739),肺炎克雷伯菌(Klebsiella pneumoniae ATCC 4532),金黃色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus CICC 10786),枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis ATCC 6633)。
N-氨基降冰片烯二甲酰亞胺(3a1):在150 mL二口瓶中加入降冰片烯二甲酸酐3.282 g (0.02 mol)和無水乙醇100 mL,攪拌下加入水合肼2 mL (過量),加熱回流反應4 h后自然冷卻,減壓蒸干,然后用無水乙醇溶解為飽和溶液后過濾,濾液放置自然緩慢揮發,數天后便可析出大量無色透明的大顆粒晶體,收集晶體,除用于晶體結構測試外,其余全部烘干,得白色固體產物3.285 g, 產率92%,m.p. 151.2 ℃。1H NMR(500 MHz, DMSO-d6)δ: 6.01 (s, 2H), 4.82(s, 2H), 3.27(s, 2H), 3.23(s, 2H), 1.56(q, 2H)。13CNMR(125 MHz, DMSO-d6)δ: 175.5, 134.8, 51.8, 44.4, 43.9。ESI-MS, m/z: 201.06[M+Na]+。IR(KBr), ν, cm-1): 3412.60, 3337.65, 2970.04, 2878.27, 1767.25, 1700.01, 1398.73, 1337.88, 1295.22, 1209.46, 1133.95, 1090.35, 1053.72, 973.55, 946.06, 903.46, 872.58, 842.93, 801.50, 781.67, 753.67, 722.96, 643.15, 613.86。元素分析, C9H10N2O2, 實測值(計算值),%: C 60.63(60.66), H 5.65(5.66), N 15.68(15.72)。
N-乙羥基降冰片烯二甲酰亞胺(3a2):參照化合物3a1的方法進行合成,白色固體產物3.851 g, 產率93%,m.p. 100.8 ℃。1H NMR(500 MHz, DMSO-d6)δ: 6.03 (s, 2H), 4.74(s, 1H), 3.22~3.32(m, 8H), 1.54(s, 2H)。13CNMR(125 MHz, DMSO-d6)δ: 177.9, 134.7, 57.8, 52.1, 45.7, 44.8, 40.4。ESI-MS, m/z: 230.08[M+Na]+。IR(KBr), ν, cm-1): 3513.88, 3015.24, 2960.94, 2944.94, 2887.28, 2360.76, 1758.09, 1687.21, 1467.19, 1414.04, 1390.57, 1356.64, 1338.75, 1313.76, 1250.27, 1229.10, 1171.02, 1130.84, 1115.94, 1096.84, 1071.72, 1051.77, 990.99, 945.17,873.78,858.19,843.83,803.42,748.32,732.14,644.63,616.50。元素分析, C11H13NO3, 實測值(計算值),%: C 63.74(63.76), H 6.31(6.32), N 6.74(6.76)。
N-(4-二甲氨基)苯-降冰片烯二甲酰亞胺(3a3):在150 mL二口瓶中加入降冰片烯二甲酸酐3.282 g(0.02 mol)、對二甲氨基苯胺2.725 g(0.02 mol)和溶劑N,N-二甲基甲酰胺(DMF)70 mL,加熱回流反應6 h后減壓蒸出回收一半體積的溶劑,冷卻后倒入大量的水中,析出大量的白色固體,減壓抽濾,用水反復洗滌后烘干,得白色固體粉末粗產物,用DMF溶解成飽和溶液后放置,數天后析出大量的無色透明顆粒晶體,收集晶體,除用于晶體結構測試外,其余全部烘干,得白色固體產物3.441g, 產率61%,m.p. 174.5 ℃。1H NMR(500 MHz, DMSO-d6)δ: 6.87~6.89 (d, 2H,J=10, PhH), 6.71~6.73(d, 2H,J=10, PhH), 6.20(s, 2H), 3.42(s, 2H), 3.31(s, 2H), 2.90(s, 6H), 1.59(s, 2H)。13C NMR(125 MHz, DMSO-d6)δ: 177.6, 150.5, 134.9, 128.0, 121.2, 112.4, 52.2, 45.6, 45.2, 40.6。ESI-MS, m/z: 305.03[M+Na]+。IR(KBr), ν, cm-1): 3454.61, 3054.87, 3005.21, 2948.63, 2875.93, 2804.69, 1770.42, 1707.56, 1615.73, 1525.95, 1456.39, 1443.43, 1388.12, 1355.36, 1288.81, 1263.46, 1224.56, 1176.72, 1122.11, 1089.05, 1061.94, 1052.71, 948.10, 919.19, 872.18, 844.55, 812.88, 798.48, 751.69, 736.79, 701.43, 617.75。元素分析, C17H18N2O2, 實測值(計算值),%: C 72.30(72.32), H 6.42(6.43), N 9.89(9.92)。
3-N′-甲酰苯肼-二環[2,2,1]-5-己烯-2-甲酸(3b):在150 mL二口瓶中加入降冰片烯二甲酸酐3.282 g (0.02 mol)和無水乙醇100 mL,攪拌下加入苯肼2.2 mL(0.02 mol),加熱回流反應12 h, 薄層析(V乙酸乙酯:V環己烷=2 :1)跟蹤檢測至反應完畢,減壓蒸餾除溶劑,然后用DMF加熱溶解為飽和溶液后過濾,濾液放置,數天后析出大量的無色透明晶體,收集晶體,除用于晶體結構測試外,其余全部烘干,得白色固體產物4.180 g, 產率77%,m.p. 175.2 ℃。1H NMR(500 MHz, DMSO-d6)δ: 11.51 (s, H), 9.57(s. 1H), 7.55(s, 1H), 7.09~7.13(t, 2H,J=20, PhH), 6.71~6.73(d, 2H,J=10, PhH), 6.21-6.23(q, 1H), 5.88~5.90(q, 1H), 3.27(d, 1H), 3.17(d, 1H), 3.08(s, 1H), 2.97(s, 1H), 1.28(d, 1H), 1.32(d, 1H)。13C NMR(125 MHz, DMSO-d6)δ: 173.9, 171.5, 150.0, 136.0, 133.6, 129.0, 118.6, 112.6, 48.8,48.7, 47.7, 46.6, 45.6。ESI-MS, m/z: 273.12[M+H]+。IR(KBr), ν, cm-1):3420.22, 3322.06, 3283.53, 3068.64, 2972.33, 1691.11, 1636.81, 1601.26, 1497.05, 1382.62, 1336.95, 1287.69, 1254.36,1217.67, 1202.61, 1061.30, 1025.18, 911.01, 880.66, 837.43, 753.64, 692.80, 609.31。元素分析, C15H16N2O3, 實測值(計算值),%: C 66.13(66.16), H 5.91(5.92), N 10.27 (10.29)。
N,N-(4-硝基苯)-降冰片烯二甲酰胺(3c):在150 mL二口瓶中加入降冰片烯二甲酸酐3.282 g(0.02 mol)、4-硝基鄰苯二胺3.062 g(0.02 mol)和DMF 80 mL,加熱回流反應6h后薄層析(V乙酸乙酯:V環己烷=2:1)跟蹤檢測至反應完畢,減壓蒸餾回收一半溶劑后倒入大量的水中,析出大量的黃色固體,減壓抽濾,固體用水反復洗滌后烘干,柱層析分離(V乙酸乙酯:V環己烷=2:1),收集黃色組分(含量最多)得黃色固體粉末產2.273 g, 產率38%,m.p. 238.2 ℃。1H NMR(500 MHz, DMSO-d6)δ: 8.00~8.02 (d, H,J=10, PhH), 7.41(s, 1H, PhH), 6.93(s, 2H), 6.76~6.78(d,1H,J=10, PhH), 6.29(s, 2H), 3.52(s, 2H), 3.32(s, 2H), 1.63(s, 2H)。13C NMR(125 MHz, DMSO-d6)δ: 177.5, 152.8, 135.4, 135.1, 126.9, 126.3, 115.3, 114.6, 52.5, 46.4, 45.1。ESI-MS, m/z: 300.10[M+H]+。IR(KBr), ν, cm-1): 3439.06, 3345.86, 3230.05, 2981.64, 2939.5, 1776.86, 1714.30, 1642.93, 1603.44, 1589.31, 1518.02, 1490.18, 1382.77, 1303.93, 1265.24, 1179.11, 1156.53, 1124.02, 1097.68, 899.22, 871.24, 842.25, 825.29, 798.39, 757.63, 737.30, 724.53, 647.42, 622.96。元素分析, C15H13N3O4, 實測值(計算值),%: C 60.17(60.20), H 4.36(4.38), N 14.01(14.04)。
單晶的培養詳情見實驗部分,選取尺寸大小適當的單晶置于Bruker Smart APEX II CCD衍射儀,以石墨單色化的CuKα(λ=0.154184 nm)射線在低溫下進行測試晶胞參數并收集晶體衍射數據。分子結構用SHELX-97程序進行解析和結構優化,用直接法解出非氫原子坐標,氫原子坐標由Fourier合成法得出,經各項異性修正。表1為化合物3a1、3a3及3b的主要晶體學數據和結構修正參數。

表1 晶體測試條件及主要晶體學數據表
采用96孔板倍比稀釋法測定目標產物3a1~3a3、3b和3c的最低抑菌濃度(MIC)。細菌用LB培養,各供試菌株液體培養8 h,用0.5麥氏標準比濁法作對照,調整菌液濃度到1×105cfu/mL待用。用分析天平準確稱取待測化合物3a1~3a3、3b和3c,均用DMSO溶解配制成100 mmol/L母液,再用LB稀釋成100 μmol/L工作液,采用倍比稀釋法用LB依次稀釋第1~11孔,待測物的濃度為:100、50、25、12.5、6.25、3.125、1.5625、0.78125、0.390625、0.1953125、0.09765625和0.048828125 μmol/L,第12孔為空白培養基對照,再分別加入100 μL濃度為1×105cfu/mL菌液,細菌置于30 ℃恒溫箱中培養24 h。培養結束后,比較檢測組與空白對照組渾濁度差異,觀察孔內無明顯細菌生長且液體相對澄清,所含的藥物濃度即為最低抑菌濃度(MIC)值。目標產物的抑菌活性測試結果如表2~表5所示,表中“-”表示澄清且無肉眼可見菌落,“+”表示略渾濁且有肉眼可見菌落,“++”表示十分渾濁。

表2 化合物對枯草芽孢桿菌的抑菌活性

表3 化合物對大腸桿菌的抑菌活性

表4 化合物對肺炎克雷伯菌的抑菌活性

表5 化合物對金黃色葡萄球菌的抑菌活性
化合物的制備及分離純化:在制備和分離化合物3a1和3a2的過程中,我們摸索溶劑的體積對化學反應的影響時發現,溶劑體積對反應影響較小,而溫度對反應進行的程度影響較大,在乙醇溶劑中加熱回流4 h即可反應完畢,而在室溫下需要反應一個星期才能進行完畢。在制備化合物3a3、3b和3c的過程中,當采用乙醇作為溶劑時,即使加熱回流兩天也沒有發現有新化合物生成;當采用DMF作溶劑時,100 ℃反應兩天仍然觀察到有原料未反應完畢,當加熱當回流時,僅化合物3b需要反應12 h才能反應完畢,而制備2a3和3c兩個化合物時只需要6 h即可反應完畢。在分離純化的過程中,因制備化合物3a1和3a2時反應產物相對單一,只需用無水乙醇重結晶后烘干即可。薄層析分析發現,制備化合物3a3、3b及3c反應后得到的產物均較為復雜,尤其是制備3c時反應得到的產物成分更為復雜,由于這些反應產物在水中均不溶解,因此在反應結束并冷卻后,回收一半溶劑后倒入大量的水中,采用析出沉淀的方法去除其中水溶性雜質,化合物3a3、3b采用DMF重結晶即可分離純化,而化合物3c則需要采用硅膠柱層析才能進行分離提純。
降冰片烯二甲酸酐的氨化反應機理[12-13]被認為是氨(或胺)基上帶負電荷的氮原子進攻酸酐分子結構中帶正電荷的羰基碳原子,導致酸酐結構被破壞形成開環反應,其中一個羰基形成酰胺,另一個羰基變為羧酸,從而得到具有酰胺基的有機羧酸分子中間體,最后是羧酸結構中的羥基與酰胺結構中氮原子上的氫原子結合形成容易離去的水分子,從而得到二甲酰亞胺。如果氨基上的取代基空間位阻較大,導致中間體分子結構中的酰胺基遠離羧基,酰胺基氮原子上的氫很難與羧基上羥基結合形成水分子,使得主反應停留在生成鄰酰胺基的羧酸分子的中間體階段。
單晶制備:在培養化合物單晶過程中,化合物3a1在無水乙醇或者95%乙醇溶劑中均容易析出無色透明大顆粒晶體。3a2由于在無水乙醇及水中溶解度較大,與水幾乎可以以任意比例互溶,在乙醇溶劑中只有溶劑快要揮發完畢時才析出塊狀物。化合物3a3或3b的DMF溶液放置一段時間后即可析出,推測可能是DMF在放置過程中緩慢吸收空氣中的水分子后促使非水溶性的3a3或3b結晶析出。對于化合物3a2和3c,我們通過多次改變溶劑體系(單一或混合)的方法進行實驗,遺憾的是到目前為止仍然沒有得到他們的單晶,僅得到化合物3a1、3a3及3b的單晶。
2.2.1 化合物3a1的晶體結構
化合物3a1的晶體結構如圖2所示,為化合物分子骨架結構更為清晰,我們作圖時忽略掉氫原子,其中圖2A為晶體結構圖,圖2B為晶胞圖,三斜晶系,P-1空間群,每個晶胞內具有四個化合物分子。在解析晶體結構時,明顯觀察到分子碳碳雙鍵處有兩個大于0.5的Q峰,如果不將其定義為氫原子,將會導致結構一致性因子(R值)偏大,定義為氫原子后會導致碳碳雙鍵形成飽和鍵,這樣會與其他結構檢測數據不相符,通過重做實驗測試仍然存在這一現象,如紅外測試數據顯示,在1600~1800 cm-1之間能明顯的觀察到羰基和碳碳雙鍵的吸收峰,推測可能是分子振動所致。從晶體結構中可以看出,晶體內具有兩種結構存在存在著細微差別的化合物分子A1和A2,均具有手性構型相反的手性碳原子,分子A1和A2呈現鏡面對稱關系。相鄰的A1分子和A2分子之間主要通過氫鍵相互作用,這些氫鍵主要發生在氨基與氨基以及氨基與羰基之間,如氫鍵N(2)-H---N(4)的鍵長為0.3269 nm,氫鍵N(2)-H---O(3)的鍵長為0.3258 nm;其次,兩分子之間也通過弱的C-H---N氫鍵發生相互作用,如C(2)-H---N(2)氫鍵的作用距離為0.3556 nm。相鄰的A1分子之間主要弱的C-H---N和C-H---O氫鍵作用,如C(12)-H---N(2)氫鍵的長度為0.3391 nm,C(15)-H---O(1)氫鍵的長度為0.3443 nm;而相鄰的A2分子之間主要通過羰基與氨基形成較強的氫鍵發生相互作用,如N(4)-H---O(4)氫鍵鍵長為0.2960 nm。A1分子中N(1)-N(2)鍵長值為0.1406 nm,A2分子中N(3)-N(4)鍵長值為0.1420 nm,僅相差0.0014 nm。在羰基的碳-氧鍵長值方面,A1分子中兩個羰基的鍵長值分別為0.1214 nm[C(10)-O(1)]和0.1219 nm[C(11)-O(2)],而A2分子中兩個羰基的鍵長值分別為0.1215 nm[C(1)-O(3)]和0.1217 nm[C(4)-O(4)],羰基的鍵長值均相差不大;在酰胺的碳-氮鍵長值方面,A1分子中碳-氮鍵長值分別為0.1385 nm[C(10)-N(1)]和0.1391 nm[C(11)-N(1)],而A2分子中碳-氮鍵長值分別分別為0.1390 nm[C(1)-N(3)]和0.1385 nm[C(4)-N(3)],酰胺鍵鍵長值均很相近,A1分子和A2分子中的酰胺鍵鍵長值均比羰基碳-氧鍵鍵長值大。

圖2 化合物3a1晶體結構(A)及晶胞圖(B)
2.2.2 化合物3a3的晶體結構
文獻[14]報道降冰片烯二甲酸酐與環胺反應得到鄰位酰胺基的有機羧酸化合物,而與1,5-二甲基-2-苯基-4-氨基-3-吡咯酮則得到降冰片烯二甲酸亞胺衍生物,未對其與取代的芳基胺化合物進行研究報道。為了進一步探取代芳胺與降冰片烯二甲酸酐的反應主產物,我們選取4-二甲氨基苯胺與降冰片烯二甲酸酐進行反應,得到了降冰片烯二甲酰亞胺型化合物即N-(4-二甲氨基)苯-降冰片烯二甲酰亞胺(3a3)。化合物3a3的晶體結構如圖3所示(為使化合物的結構骨架清晰可見而忽略氫原子),化合物為四方晶系,Pca21空間群,每個晶胞內包含8個化合物分子(圖3A),他們分別是等量且空間立體結構存在細微差別的C1和C2分子(圖3B),這兩個相鄰化合物之間主要通過其中氨基上的甲基與另一分子上的苯環發生C-H---π作用,其作用距離即甲基碳原子與苯環平面的垂直距離為0.3779 nm。相鄰的C1或者C2化合物分子之間主要通過C-H---π和弱的C-H---O氫鍵發生相互作用,如相鄰C1分子C-H---π作用距離0.3736 nm[C(9)-H---C(3)]和C-H---O氫鍵長度0.3366 nm[C(17)-H---O(2)],相鄰C2分子C-H---π作用距離0.3728 nm[C(33)-H---C(25)]和C-H---O氫鍵長度0.3418 nm[C(19)-H---O(4)]。C1分子中苯環所在平面與羰基碳所在平面的夾角為65.78°,而C2分子中苯環所在平面與羰基碳所在平面的夾角為70.36°,兩個夾角相差4.58°。

圖3 化合物3a3的晶體結構(A)及晶胞圖(B)
2.2.3 化合物3b的晶體結構
化合物3b的晶體結構如圖4所示,從晶體結構圖(圖4A)不難看出,化合物3b為鄰酰胺基羧酸化合物而不是二酰亞胺型化合物,結合文獻[14],推測降冰片烯二酸酐與胺反應的主要產物結構主要決定于氨基上的取代基和空間位阻。化合物3b為單斜晶系,P2/c空間群,晶胞圖(圖4B)顯示每個晶胞內有4個化合物分子。相鄰的兩個化合物分子之間主要通過較強的N-H---O和O-H---O氫鍵發生相互作用,N-H---O氫鍵如N(2)-H---O(1)氫鍵長度值為0.3068 nm,N(1)-H---O(1)氫鍵長度值為0.2869 nm,即分子中兩個氮原子上氫均參與形成氫鍵;而O-H---O氫鍵主要發生在羧基上羥基與相鄰化合物分子酰胺鍵上的羰基氧原子之間,如O(2)-H---O(3)氫鍵長度值為0.2592 nm。同一分子中酰胺鍵上的羰基氧原子與羧基的羥基之間亦形成分子內氫鍵,該氫鍵的長度為0.2901 nm[O(2)-H---O(3)]。當然相鄰化合物分子之間除了較強的氫鍵相互作用外,亦存在多個弱的C-H---C和C-H---N氫鍵,C-H---C氫鍵如C(4)-H---C(4)(0.0.3338 nm),C-H---N氫鍵如C(12)-H---N(2)(0.0.3629 nm),這些氫鍵的作用距離相對于N-H---O和O-H---O氫鍵的作用距離要長得多。

圖4 化合物3b的晶體結構(A)及晶胞圖(B)
以上討論了化合物3a1、3a3及3b的晶體結構,遺憾的是沒有得到化合物3a2及3c單晶,但是我們仍然能通過核磁共振氫譜、碳譜以及質譜等對他們的結構進行確認和佐證,如化合物3a2及3c的高分辨質譜圖如圖5所示,化合物3a2的[M+Na]+分子離子分出現在230.0783處,而300.0983處為化合物3c的[M+H]+分子離子分。

圖5 化合物3a2和3c的質譜圖
抑菌活性初步測試結果表明,所測化合物在濃度為100~6.25 μmol/L范圍內對枯草芽孢桿菌、大腸桿菌具有抑菌活性,最小抑制濃度 MIC 值無明顯區別,化合物3a1、3a2、3b以及3c在濃度為100~25 μmol/L范圍內對枯草芽孢桿菌具有較好的殺菌活性,3a1、3a2在100~25 μmol/L范圍對大腸桿菌具有殺菌活性。化合物3a1和3a2在100~25 μmol/L對肺炎克雷伯菌具有殺菌活性,3a1的最小抑制濃度 MIC 值為12.5 μmol/L;3b在12.5 μmol/L時具有殺菌活性,其最小抑制濃度 MIC 值為6.25 μmol/L;3a3僅在初始濃度100 μmol/L時具有抑菌活性,3c在100~25 μmol/L濃度范圍內具有抑菌活性而無殺菌活性。對金黃色葡萄球菌的抑菌活性測試結果為化合物3a1、3a2在100~50 μmol/L濃度范圍內具有殺菌活性,而3b在100~25 μmol/L濃度范圍內具有殺菌活性,3c無殺菌活性,3a1~3、3c最小抑制濃度 MIC 值均為25 μmol/L,3b為12.5 μmol/L。
合成并報道了降冰片烯二甲酸酐與不同胺的氨解反應產物,其結構通過核磁共振氫譜、碳譜、質譜、紅外以及單晶X-射線等進行表征,討論了部分化合物的晶體結構,并初步測試了所得化合物的抑菌活性。實驗結果表明降冰片烯二甲酸酐的氨解反應可以得到二酰亞胺和鄰酰胺基羧酸兩種羧酸衍生物,其主要產物結構受氨基上取代基的影響,所得產物只有在較高濃度范圍內才具有抑菌活性。