楊帆，李林虎，呂凱，劉明亮，汪阿鵬

·論著·

咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺類化合物的設(shè)計(jì)、合成與體外抗結(jié)核活性

楊帆，李林虎，呂凱，劉明亮，汪阿鵬

設(shè)計(jì)合成一系列咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺類化合物，并評(píng)價(jià)其體外抗結(jié)核桿菌（MTB）活性。關(guān)鍵中間體與母核化合物通過縮合反應(yīng)制備目標(biāo)物，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H-NMR、13C-NMR 和 MS 確證。MABA 法測定所有目標(biāo)物及對(duì)照藥對(duì) MTB H37Rv 和 MDR-MTB 的 MIC 值。合成了 30 個(gè)咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺類化合物（包括先導(dǎo)物 A）。部分目標(biāo)物對(duì)兩株 MTB 均敏感（MIC < 0.016 ～ 0.211 μg/ml），其中1e的體外活性與 Q203 相當(dāng)，而優(yōu)于先導(dǎo)物 A。豐富了咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺類化合物抗結(jié)核構(gòu)效關(guān)系，為下一步相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺類化合物； 合成； 抗結(jié)核活性； 構(gòu)效關(guān)系

結(jié)核?。═B）是由結(jié)核分枝桿菌（MTB）引起的一種慢性傳染病[1]。據(jù)世界衛(wèi)生組織（WHO）估計(jì)，2019 年全球新增約 1000 萬例 TB 患者，死亡約 140 萬例；受新冠肺炎疫情的影響，2020 年死于 TB 者高達(dá) 160 萬～ 180 萬例[2]。經(jīng)典的四藥（利福平、異煙肼、乙胺丁醇、吡嗪酰胺）聯(lián)合方案可使 85% 以上的敏感 TB 患者痊愈，但存在治療周期長（6 ～ 9個(gè)月）、副反應(yīng)多、依從性差等缺憾[3]。自20 世紀(jì) 80 年代以來，耐藥 TB，尤其是耐多藥 TB（MDR-TB）、廣泛耐藥 TB（XDR-TB），甚至全耐藥 TB（TDR-TB）的發(fā)病率不斷上升，使 TB 的流行態(tài)勢更為嚴(yán)峻，成為全球重大公共衛(wèi)生問題[3-4]。欣慰的是，可用于 MDR-TB 的三種新型抗 TB 藥物貝達(dá)喹啉、德拉馬尼和普瑞馬尼已于近年先后上市，但報(bào)道的某些不良反應(yīng)（如心臟毒性）及昂貴的價(jià)格限制了其廣泛使用[5-8]。因此，盡快研發(fā)具有全新作用機(jī)制的安全高效的抗 TB 新藥，實(shí)現(xiàn)對(duì) TB 的有效控制與治療刻不容緩。

目前處于臨床 II 期試驗(yàn)階段的 Telacebec（Q203，圖 1）屬于咪唑并[1,2-a]吡啶-3-甲酰胺類（IPA）化合物，其靶點(diǎn) QcrB[9]是近年抗 TB 領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。我們實(shí)驗(yàn)室和其他研究小組對(duì) Q203 的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要集中于其母核的 C3-位取代基上，并由此篩選得到若干具有優(yōu)秀活性的 IPA 衍生物[10-19]。此外，藥物化學(xué)家對(duì) Q203 的母核也進(jìn)行了多種改造嘗試[20-23]，其中最成功者當(dāng)屬M(fèi)oraski等[23]報(bào)道的咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺類化合物（ITA）。研究發(fā)現(xiàn)，ITA 的代表化合物 A（圖 1）與 Q203 的作用靶點(diǎn)均為QcrB，且兩者表現(xiàn)出相似的體外抗 MTB 活性。

本研究擬以化合物 A 為先導(dǎo)物，對(duì)其 C5-和 C6-位取代基進(jìn)行改造：C5-位取代基中的哌啶環(huán)片段用其他含氮雜環(huán)（W）替代或?qū)⑵渲械谋江h(huán)與哌啶環(huán)融合為并環(huán)；C6-位甲基用乙基或環(huán)丙基替代，由此設(shè)計(jì)并合成一系列新的 ITA 衍生物。在評(píng)價(jià)活性的基礎(chǔ)上總結(jié)構(gòu)效關(guān)系（SAR），并篩選得到具有優(yōu)秀抗 MTB 活性的化合物，為進(jìn)一步相關(guān)研究打下基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 主要儀器 2F-20D 型暗箱式紫外分析儀為河南鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司產(chǎn)品；Q-Tap 型質(zhì)譜儀為美國 MDS Sciex 公司產(chǎn)品；Mercury-400 和 INOVA-500型核磁共振儀為美國 Varian 公司產(chǎn)品；infinite M200 酶標(biāo)儀為瑞士Tecan 公司產(chǎn)品。

Figure 1 Structures of Q203 and compound A and design of new molecules

1.1.2 主要試劑 實(shí)驗(yàn)所需試劑和溶劑均為市售化學(xué)純或分析純；無水試劑在百靈威試劑公司購買；100 ～ 200 目和200 ～ 300 目柱層析硅膠為青島海洋化工廠產(chǎn)品；TLC 薄層板（60GF254鋁箔板）為美國 Merck 公司產(chǎn)品。

1.2 方法

1.2.1 化學(xué)合成 對(duì)氟苯腈（3）與4-(4-三氟甲氧基苯基)-哌啶或 Boc 保護(hù)的含氮雜環(huán)化合物（BocWH）在碳酸鉀（縛酸劑）存在下發(fā)生親核取代反應(yīng)分別得到6a和4b～4h，4b～4h接著脫保護(hù)基（Boc）得5b～5h。化合物5b～5h與對(duì)三氟甲氧基溴苯經(jīng) Buchwald-Hartwig 芳胺化反應(yīng)得6b～6h，6a～6h 經(jīng)四氫鋰鋁還原即得關(guān)鍵中間體7a～7h。按照相似的方法，以化合物8a、8b為原料，依次經(jīng)芳胺化反應(yīng)和還原可得中間體10a～ 10d（圖 2）。

β-酮酸酯11a～11c（乙酰乙酸乙酯、丙酰乙酸乙酯、環(huán)丙甲酰乙酸乙酯）與-溴代琥珀酰亞胺（NBS）發(fā)生溴代反應(yīng)得溴化物12a～12c，接著與5-甲基噻唑-2-胺經(jīng)取代并環(huán)合得噻唑并咪唑甲酸酯13a～13c，最后水解得母核化合物14a～14c。羧酸14a～14c分別與上述合成的關(guān)鍵中間體7a～7h和10a～10d 縮合即得目標(biāo)化合物1a～1v和2a～2h（圖 3）。

1.2.2 測定體外抗 MTB 活性 所選用的標(biāo)準(zhǔn)株和臨床分離的多耐藥株分別為MTB H37Rv ATCC27294 和 MDR-MTB 16995（對(duì)利福平和異煙肼均耐藥）。利用阿爾瑪藍(lán)實(shí)驗(yàn)[24]測定所有目標(biāo)化合物的最小抑菌濃度。樣品以連續(xù)二倍稀釋的濃度（8 ～ 0.016 μg/ml）分布在 96 孔板中，將對(duì)數(shù)期生長的 MTB 加入到其中，5% CO2、37 ℃環(huán)境下培養(yǎng) 7 d，然后加入阿爾瑪藍(lán)，繼續(xù)培養(yǎng) 24 h，酶標(biāo)儀測定熒光值，降低 90% 以上的最小濃度為 MIC 值。陽性對(duì)照藥選用利福平、異煙肼、Q203 和化合物A。

2 結(jié)果

2.1 目標(biāo)化合物的合成

共合成目標(biāo)化合物 30 個(gè)（包括先導(dǎo)物 A），其結(jié)構(gòu)（表 1）均經(jīng)1H-NMR、13C-NMR 和 MS確證。

2.2 體外抗 MTB 活性

2.2.1 抗MTB H37Rv活性 由表 1 可見，除1h、1v和2g外，其余目標(biāo)物對(duì)標(biāo)準(zhǔn)株 MTB H37Rv 的 MIC 值均小于 1 μg/ml。其中，6 個(gè)目標(biāo)物（1b、1d、1e、1j、2f、2h）的活性（MIC < 0.016 ～ 0.077 μg/ml）優(yōu)于或相當(dāng)于先導(dǎo)物 A（MIC = 0.069 μg/ml），活性最強(qiáng)的1e其 MIC 值僅為先導(dǎo)物 A 的 1/4 弱，而與對(duì)照物 Q203 相當(dāng)。

i：Boc 保護(hù)的含氮雜環(huán)化合物或 4-(4-三氟甲氧基苯基)-哌啶，碳酸鉀，二甲基亞砜，80 ℃，4 h，收率 55% ～ 85%；ii：三氟乙酸，二氯甲烷，室溫，1 h，收率 85% ～ 92%；iii：4-三氟甲氧基溴苯或 4-三氟甲基溴苯，碳酸銫，1,1'-聯(lián)萘-2,2'-雙二苯膦，醋酸鈀，甲苯，回流，6 h，收率 50% ～ 65%；iv：四氫鋁鋰，四氫呋喃，室溫，4 h，收率 65% ～ 75%

Figure 2 Synthesis of intermediates 7a-7h and 10a-10d

i：N-溴代丁二酰亞胺，醋酸銨，乙醚，室溫，6 h，收率40% ～ 55%；ii：5-甲基噻唑-2-胺，乙醇，回流，24 h，收率35% ～ 65%；iii：氫氧化鈉或氫氧化鋰，乙醇-水，50 ℃，24 h，收率40% ～ 60%；iv：7a ～ 7h或10a ～ 10d，O-(7-氮雜苯并三唑-1-基)-N,N,N',N'-四甲基脲六氟磷酸鹽，三乙胺，二氯甲烷，室溫，6 h，20% ～ 40%

Figure 3 Synthesis of target compounds 1a-1v and 2a-2h

表1 目標(biāo)化合物1a ～ 1v和2a ～ 2h的結(jié)構(gòu)及體外抗 MTB 活性

Table 1 Structures and activity of compounds 1a - 1v and 2a - 2h against MTB strains

化合物CompondsRW（或Z）W (or Z)MIC（μg/ml） H37RvMDR 1a (A)Me0.0690.018 1bEt0.0700.050 1cc-Pr0.290NT 1dMe0.0300.101 1eEt< 0.0160.016 1fMe0.547NT 1gEt0.308NT 1hc-Pr1.347NT 1iMe0.266NT 1jEt0.0770.211 1kMe0.174NT 1lEt0.100NT 1mc-Pr0.734NT 1nMe0.296NT 1oEt0.244NT 1pc-Pr0.537NT 1qMe0.408NT 1rEt0.451NT 1sc-Pr0.851NT 1tMe0.264NT 1uEt0.308NT 1vc-Pr1.252NT 2aMeOCF30.652NT 2bEt0.249NT 2cMeCF30.409NT 2dEt0.164NT 2eMeOCF30.365NT 2fEt0.0490.055 2gMeCF34.242NT 2hEt0.0750.062 Q203 < 0.016< 0.016 利福平Rifampicin 0.037> 10 異煙肼Isoniazid 0.038> 10

2.2.2 抗 MDR-MTB 活性 由表 1 可見，被評(píng)價(jià)的 6 個(gè)目標(biāo)物對(duì)臨床分離株MDR-MTB 16995均敏感（MIC 為 0.016 ～ 0.211 μg/ml）。其中，1e的活性與 Q203 和先導(dǎo)物 A 相當(dāng)。

3 討論

作為具有全新作用機(jī)制（靶點(diǎn) QcrB）的抗 TB 候選物，Telacebec（Q203）已得到業(yè)界的高度認(rèn)可。在對(duì)其母核的結(jié)構(gòu)改造中，最成功者當(dāng)屬咪唑并[2,1-b]噻唑-5-甲酰胺（ITA）骨架。為此，作者以 ITA 系列中的代表化合物 A 為先導(dǎo)物，對(duì)其母核 C5- 和 C6-位進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)并合成了一系列新的 ITA 衍生物。由體外抗 MTB H37Rv 活性數(shù)據(jù)可見，用乙基替代先導(dǎo)物A（MIC = 0.069 μg/ml）中 C6-位甲基后其活性保持（MIC = 0.070 μg/ml），但環(huán)丙基（其體積與乙基相當(dāng)）取代物1c的活性顯著降低（MIC = 0.29 μg/ml），表明乙基在該位置上是可接受的；哌嗪環(huán)替代哌啶環(huán)后活性增強(qiáng)（1a1d，1b1e）；氮雜單環(huán)（哌啶、哌嗪）用不同的氮雜橋環(huán)或螺環(huán)替代后其活性顯著降低（除1j外）?？梢?，1a～1v系列化合物的活性與C5-位中氮雜環(huán)片段（W）和 C6-位取代基（R）相關(guān)：W 對(duì)活性的貢獻(xiàn)順序?yàn)檫哙涵h(huán)> 哌啶環(huán)> 氮雜橋環(huán)或螺環(huán)；R 對(duì)活性的貢獻(xiàn)順序?yàn)橐一? 甲基> 環(huán)丙基。另一方面，將1a和1b中的苯與哌啶并環(huán)為 1,2,3,4-四氫異喹啉環(huán)后其活性明顯降低（1a2a，1b2b），而將2a和2b中的并環(huán)片段縮環(huán)為異吲哚環(huán)后得到的化合物其活性增強(qiáng)（2a2e，2b2f）；用三氟甲基替代2a和2b 中的三氟甲氧基后其活性升高（2a2c，2b2d），而2e～2h的活性變化則相反（2e2g，2f2h）。可見，在2a～2h系列中，R 為乙基時(shí)的活性同樣優(yōu)于相應(yīng)的甲基化合物。其中，2 個(gè)乙基化物（2f、2h）表現(xiàn)出良好活性。值得注意的是，在進(jìn)一步評(píng)價(jià)中，所選取的其中 6 個(gè)目標(biāo)物（1b、1d、1e、1j、2f、2h）對(duì) MDR-MTB 16995 也同樣敏感（MIC = 0.016 ～ 0.211 μg/ml），提示這些化合物對(duì)敏感性和耐藥性 MTB 具有廣譜活性。

作為本研究中優(yōu)選出的 2 個(gè)具有不同結(jié)構(gòu)骨架的乙基化代表物，1e（對(duì) 2 株 MTB 的活性與 Q203 相當(dāng)，而優(yōu)于先導(dǎo)物 A）和2f值得深入評(píng)價(jià)，同時(shí)有必要對(duì)兩者 C6-位中的對(duì)三氟甲氧基苯環(huán)片段進(jìn)行修飾，以期篩選出成藥性良好的化合物?？傊狙芯控S富了 ITA 類化合物抗結(jié)核構(gòu)效關(guān)系，為下一步相關(guān)研究奠定了基礎(chǔ)。

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New imidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamides: design, synthesis and antitubercular activity

YANG Fan, LI Lin-hu, LYU Kai, LIU Ming-liang, WANG A-peng

00

We aim to design and synthesize a series of newimidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamides, and evaluate theirantitubercular activity.Target compounds were synthesized through condensation of key intermediates with imidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamidecores. Their structures were characterized by1H-NMR,13C-NMR and MS.antitubercular activity of the compounds were evaluated by MABA assay.Thirty compounds including the lead compound A were synthesized in this study. Some of them were found to be active against both the two MTB strains (MIC < 0.016 - 0.211 μg/ml), and compound 1e was more active than the lead compound A and comparable to Q203.This study enriches the structure activity relationship information of imidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamides against MTB, which lays the foundation for the future research.

imidazo[2,1-b]thiazole-5-carboxamides; synthesis; antitubercular activity; structure activity relationship

The Third Affiliated Hospital of Naval Medical University, Shanghai 201805, China (YANG Fan); Institute of Medicinal Biotechnology, Chinese Academy of Medical Sciences & Peking Union Medical College, Beijing 100050, China(LI Lin-hu, LYU Kai, LIU Ming-liang, WANG A-peng); Limin Chemical Co., Ltd., Xinyi 221422, China (LI Lin-hu)

WANG A-peng, Email: wangapengbuct@126.com

10.3969/j.issn.1673-713X.2022.03.002

國家自然科學(xué)基金（81872753、81903477）

201805 上海，海軍軍醫(yī)大學(xué)第三附屬醫(yī)院（楊帆）；100050 北京，中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院醫(yī)藥生物技術(shù)研究所（李林虎、呂凱、劉明亮、汪阿鵬）；221422 江蘇新沂，利民化學(xué)有限責(zé)任公司（李林虎）

汪阿鵬，Email：wangapengbuct@126.com

2021-11-08