吡啶双酰胺基Schiff碱仲胺的合成及其抗菌活性

吡啶双酰胺基Schiff碱仲胺的合成及其抗菌活性 Synthesis of Schiff Bases Amine Containing Pyridine Ring and Amide Bridge and Its Antibacterial Activity corresp first-author 蔡丽华，女，副教授，现从事Schiff碱类化合物的合成与生物活性研究, E-mail:wybuorg@163.com 蔡丽华，女，副教授，现从事Schiff碱类化合物的合成与生物活性研究, E-mail:wybuorg@163.com wybuorg@163.com 武汉工商学院 环境与生物工程学院，湖北 武汉430065 武汉工商学院 环境与生物工程学院，湖北 武汉430065 Environmental and Biological Engineering College, Wuhan Technology and Business University, Wuhan 430065, Hubei, China Environmental and Biological Engineering College, Wuhan Technology and Business University, Wuhan 430065, Hubei, China 以N, N′-双(2-胺基乙基)-2, 6-吡啶二甲酰胺（Ⅰa）为中间体、芳香醛为主要原料合成了芳香醛Schiff碱（Ⅱa, b, c），在NaBH 4 的作用下，将Ⅱa, b, c还原成Schiff碱仲胺（Ⅲa, b, c），用红外，氢核磁共振，质谱等分析方法对样品的结构进行表征，并采取试管稀释法初步研究了Ⅱa及Ⅲa对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抑菌活性.结果表明：Ⅱa及Ⅲa对上述细菌的生长均有一定的抑制作用，且对大肠杆菌抑菌效果较明显，而Ⅲa的抑菌效果明显优于Ⅱa的抑菌效果. The Schiff bases (Ⅱa, b, c) were synthesized form aromatic aldehyde and N, N′-bis(2-aminoethyl)-2, 6-pyridinedicarboxylic diamide(Ⅰa). They were reduced to be secondary amines (Ⅲa, b, c) with NaBH 4 , which structures were characterized by IR, 1 H NMR, MR. The inhibitory activities of compound Ⅱa and Ⅲa on Escherichia coli , Staphylococcus aureus and Bacillus subtilis were primarily studied through the tube dilution method. The results appear that both Ⅱa and Ⅲa show good inhibitory effect on above-mentioned bacteria, especially on E . coli , and Ⅲa is more powerful than Ⅱa. 吡啶双酰胺基 Schiff碱仲胺 合成 抗菌活性 pyridinedicarboxylic diamide Schiff bases amine synthesize antibacterial activity 引言 1 水杨醛类Schiff碱是水杨醛的衍生物，具有抑菌、抗菌、抗癌、抗病毒活性等特点.Schiff碱的合成可以自由选择反应物，改变取代基及取代基的位置，便于开发大量结构新颖的产品 [ 1 1 ] .在Schiff碱中引入吡啶等杂环，使Schiff碱更容易与其他金属离子配位，合成得到多种新型的Schiff碱配合物，可以广泛地应用到工业废水的处理，抗肺结核、抗麻风病、抗细菌和抗病毒传染药物的研究 [ 2 2 ] .将Schiff碱还原成仲胺比Schiff碱具有更多优点，如：更好的配位活性等.C＝N双键还原为可自由旋转的C—N单键，更有利于与金属离子络合，其应用领域也更宽广 [ 3 3 ] .另外，C＝N双键的还原将会增加N—H键的数目，可使药物分子通过氢键与受体作用，从而会增强药物分子的药效，获得更好的抗菌效果 [ 4 4 , 5 5 ] . 本文以2, 6-吡啶二甲酸、乙二胺、水杨醛等为主要原料，制备了一系列吡啶双酰基Schiff碱，并在NaBH 4 的作用下，还原为相应的仲胺，表征了物质的结构，并对其抗菌活性进行了检测，以期探索出具有更好抗菌活性的水杨醛类Schiff碱药物. 实验部分 1 仪器：元素分析用MOD-1106型元素分析仪(Carlo-Erba公司)测定；红外(IR)光谱(400~4 000 cm -1 )用Shimadzu FT-IR 3000型红外光谱仪测定(KBr压片)；质谱(MS)用Waters 6220 Accurate-Mass Q-TOF型液质(LC-MS)联用仪测定；一维质子核磁共振氢谱( 1 H NMR)用Variant Mercury-VX 300型核磁共振仪测定，以二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂. 试剂：SOCl 2 ，乙二胺为市售分析纯试剂，使用前经减压蒸馏处理；其他溶剂和试剂除特别注明外均为分析纯或化学纯级，使用前未进一步处理.大肠杆菌( Escherichia coli )、金黄色葡萄球菌( Staphylococcus aureus )、枯草芽孢杆菌( Bacillus subtilis )均为武汉工商学院实验室保藏菌种，牛肉膏蛋白胨培养基(自制)：牛肉膏3 g，蛋白胨10 g，氯化钠5 g，琼脂15~20 g，加水至1 000 mL，pH调至7.0~7.2左右. 样品合成 2 水杨醛类Schiff碱仲胺的合成路径见 图 1 图 1 . 水杨醛类Schiff碱的合成 3 N, N′-双(2-胺基乙基)-2, 6-吡啶二甲酰胺(Ⅰa)的合成方法见参考文献[ 1 1 ]. 水杨醛类Schiff碱(Ⅱa, b, c)：参照文献[ 6 6 , 7 7 ], 将4 mmol制备得到的Ⅰa溶于40 mL乙醇，磁力搅拌下缓慢滴至40 mL含8.8 mmol水杨醛的乙醇溶液中，加热回流4 h后冷却至室温，待沉淀完全后过滤，滤饼依次用乙醇、乙醚各洗涤3次，真空干燥后得粗产品，用20 mL氯仿或乙醇重结晶后得纯品. 水杨醛Schiff碱Ⅱa：亮黄色粉末1.63 g；产率89%，熔点191~193 ℃；LC-MS谱图数据( m / z )：460(M+1)；元素分析(C 25 H 2 5N 5 O 4 )计算值(%)：C 65.35, H 5.48, N 15.24，测试值(%)：C 65.58, H 5.27, N 15.11%. 糠醛Schiff碱(Ⅱb)：白色粉末0.55 g，产率34%，熔点198~200 ℃；LC-MS谱图数据( m / z )：408 (M+1)，元素分析(C 21 H 25 N 5 O 4 )计算值(%)：C 61.92, H 5.16, N 17.20%，实测值(%)：C 61.28, H 5.01, N 16.98%. 噻吩甲醛Schiff碱(Ⅱc)：白色粉末1.44 g，产率86%，熔点202~204 ℃.LC-MS谱图数据( m / z )：441 (M+2)；元素分析(C 21 H 21 N 5 O 2 S 2 )计算值(%)：C 57.40, H 4.78, N 15.95%，实测值(%)：C 57.85, H 4.27, N15.69%. Ⅱa, b, c的IR及 1 H NMR谱图数据分别见 表 1 表 1 ， 2 2 . 化合物 ν (OH/H2O, N-H) ν amide Ⅰ ν C=N ν C-N ν amide Ⅱ ν py ν ph Ⅱa 3 354 1 676 1 633 — 1 535 1 492，1 272 760，660 Ⅲa 3 287 1 663 — 1 398 1 541 1 459，1 256 753，617 Ⅱb 3 338 1 673 1 645 — 1 532 1 447，1 380 758，645 Ⅲb 3 304 1 667 — 1 345 1 539 1 446，1 219 742，647 Ⅱc 3 322 1 664 1 625 — 1 536 1 450，1 295 730，664 Ⅲc 3 099 1 615 — 1 376 1 537 1 440，1 274 759，718 化合物 amide H NC—H —CH 2 — Pyridine ring R Secondary amide Hamine Ⅱa 8.25(br) 7.33(s) 3.85(s, 4H); 3.48(q, 4H) 8.37(d, 2H, H-3, 5); 8.01(t, 1H, H-4) 13.56(s, 2H, O-H); 7.26(d, 2H); 7.16(q, 2H); 6.87(m, 4H) — Ⅲa 4.85(br) — 3.75(m, 8H); 2.98(t, 4H) 7.25(m, 3H) 8.89(OH, 2H) 6.89(m, 8H) 4.85(br, 2H) Ⅱb 8.91(br) 8.08 (s) 3.79(br, 8H); 8.30(d, 2H, H-3, 5); 7.99(t, 1H, H-4) 7.39(s(e), H-5; 6.75(d(e), H-3); 6.42(d(e), H-4) — Ⅲb 8.20(br) — 3.59(m, 8H); 2.75(t, 4H) 7.34(m, 3H) 6.89(m, 6H) 4.53(br, 2H) Ⅱc 8.55(br) 8.39(s) 3.77(t, 8H) 8.33(s, 2H, H-3, 5); 8.02(t, 1H, H-4) 7.40(d(e), H-5); 7.31(t(e), H-3); 7.07(q(e), H-4) — Ⅲc 7.37(br) — 4.02(t, 4H); 3.61(t, 4H); 2.46(t, 4H) 7.14(m, 3H) 6.96(m, 6H) 4.35(br, 2H) 水杨醛类Schiff碱仲胺的合成 3 将4 mmol制备得到的Ⅰa溶于40 mL乙醇，磁力搅拌下缓慢滴入到40 mL含8.8 mmol水杨醛的乙醇溶液中，加热回流4 h后冷却至室温.在低于20 ℃条件下，缓慢(恒压漏斗)滴加3倍量的NaBH 4 的20 mL乙醇溶液，滴加完毕后，继续搅拌反应过夜，蒸去溶剂并减压至干燥，再加60 mL水搅拌5~10 min，用30 mL乙酸乙酯萃取3次，合并萃取液用30 mL的水洗涤3次，合并有机层用无水硫酸钠干燥.先简单蒸馏除去大部分溶剂，再减压抽滤，得到粗产品，再用20 mL乙醇重结晶后得纯品.3个样品在一般的有机溶剂如乙醇或氯仿中均有较好的溶解性，水杨醛类仲胺固体对光、空气较稳定，且不吸潮. 水杨醛Schiff碱仲胺(Ⅲa)：淡黄色粉末1.28 g，产率69.4%，熔点118~122 ℃；元素分析(C 25 H 29 N 5 O 4 )计算值(%)：C 64.79, H 6.26, N 15.12；实测值(%)：C 65.04，H 6.41，N 15.32；LC-MS谱图数据( m / z )：464.2(M+1). 糠醛Schiff碱仲胺(Ⅲb)：黄棕色粘稠液体1.03 g，产率62.7%，熔点110~113 ℃；元素分析(C 21 H 29 N 5 O 4 )计算值(%)：C 60.72，H 6.99，N 16.87；实测值(%)：C 60.96，H 6.71，N 17.06；LC-MS谱图数据( m / z )：416.4(M+1). 噻吩甲醛Schiff碱仲胺(Ⅲc)：白色晶体0.74 g，产率41.72%，熔点103~105 ℃；元素分析(C 21 H 25 N 5 O 2 S 2 )计算值(%)：C 56.88，H 5.64，N 17.06；实测值(%)：C 57.21，H 5.48，N 17.40；LC-MS谱图数据( m / z )：444.5(M+1).Ⅲa, b, c的IR及 1 H NMR谱图数据分别见 表 1 表 1 ， 表 2 表 2 . 抗菌活性实验 2 在牛肉膏蛋白胨的试管斜面培养基上，分别接种 E . coli ， S . aureus ， B . subtilis ，活化3次后，接种于液体培养基中，放置在37℃恒温培养箱中培养，血球计数板记数，使菌体浓度达到1.5×10 8 个/mL [ 8 8 , 9 9 ] . 试管稀释法 [ 10 10 ] 测定抗菌活性.取已灭菌试管，用无菌培养基做溶剂准确配制2.5 g/L的水杨醛Schiff碱药品溶液，超声波振荡溶解，移取10 mL至1号已灭菌的试管中，逐级稀释使1~5号试管药液浓度分别为2.5，1.0，0.5，0.2，0.1 g/L.6号试管不加药品，作为空白对照.同样方法配制其仲胺的药液.所有药液煮沸后冷却.用微量移液枪从1~6号试管中分别按200:1(培养基/菌液)的体积比加入 E . coli 菌液.再依次对 S . aureus 和 B . subtilis 进行平行实验.把不同浓度含药菌液的试管于37 ℃恒温培养24 h，取出，用肉眼观察，未看到有菌生长的试管中的最低药液浓度为MIC.以无菌培养基为参比在580 nm波长下测定每只试管药液的OD(光密度)值. 结果与讨论 1 IR光谱分析 2 水杨醛类Schiff仲胺Ⅲa, b, c的IR图谱数据见 表 1 表 1 . 在所合成化合物的IR谱图中，水杨醛Schiff碱仲胺相对于其Schiff碱的特征吸收峰几乎都向低波数方向发生了位移.以化合物Ⅱa和Ⅲa为例，N—H或O—H伸缩振动吸收峰从3 354 cm -1 (Ⅱa)移至3 287 cm -1 (Ⅲa)；酰胺C＝O伸缩振动吸收峰从1 676 cm -1 (Ⅱa)移至1 663 cm -1 (Ⅲa)；1 492，1 272 cm -1 (Ⅱa)处的吡啶环弯曲振动吸收峰移至1 459，1 256 cm -1 (Ⅲa)；760，660 cm -1 (Ⅱa)处的芳环面外弯曲振动吸收峰移至753.3，617 cm -1 (Ⅲa). 通过对比发现，Ⅱa, b, c中CH＝N的吸收峰(1 633、1 645、1 625 cm -1 )消失，而分别在Ⅲa, b, c中于1 398、1 345、1 376 cm -1 处出现了C—N伸缩振动中强吸收峰，从而证实CH＝N还原生成仲胺C—N(—H). 1 H NMR分析 2 水杨醛类仲胺Ⅲa, b, c的 1 H NMR谱图数据见 表 2 表 2 .对比文献[ 11 11 ]知：水杨醛类Schiff碱Ⅱa, b, c中亚胺C原子上的质子信号(—N＝CH—)位于7.33，8.08，8.39处.还原之后的仲胺Ⅲa, b, c中该质子信号消失，分别增加了4.85(br, 2H)，4.53(br, 2H)，4.35(br, 2H)，为还原后(CH 2 )—N—H中N上的质子信号，而Ⅱa, b, c中2.98(t, 4H)，2.75(t, 4H)，2.46(t, 4H)为还原后CH 2 —N(—H)中C上的质子信号，从而证实Schiff碱双臂上的对称CH＝N还原生成CH 2 —N(—H). 水杨醛Schiff碱及其仲胺的抗菌活性 2 含药菌液置于37 ℃恒温培养箱中孵育24 h后，肉眼观察可以发现，浓度大于0.5 g·L -1 的试管，几乎未发现细菌生长，所以MIC值在0.5~1.0 g·L -1 之间, Ⅱa，Ⅲa对3种受试菌种的OD值结果见 图 2 图 2 .可以看出，对于同一种受试菌种，水杨醛Schiff碱仲胺的抑菌效果明显优于水杨醛Schiff碱抑菌效果.在3种受试菌中，水杨醛Schiff碱与其仲胺对革兰氏阴性菌 E . coli 的抗菌作用最为明显，表示同种药物对不同细菌的抗菌能力不同，不同药物对同种细菌的抗菌能力也不同. (a): E . coli ; (b): S . aureus ; (c): B . subtilis 水杨醛仲胺的抑菌效果明显优于水杨醛Schiff碱的抑菌效果.从结构上看，可能是由于将Schiff碱还原成仲胺类化合物，这类化合物比Schiff碱类物质更稳定.从生物学效能上看，一方面是由于水杨醛Schiff碱仲胺有较好的水溶性，能穿透细菌的细胞壁，深入细菌的内部，抑制DNA螺旋酶的活性，造成药物遗传物质不可逆的损伤，从而影响微生物的DNA及蛋白质的合成，使其生长繁殖受到抑制；另一方面，在还原剂NaBH 4 的作用下，还原以后的C＝N双键会增加N—H键的数目，使药物分子通过氢键与受体作用，增强药物分子的药效，从而对细菌起到了一定的抑制作用 [ 11 11 ] . 结论 1 本文合成了3个水杨醛类Schiff碱及其仲胺，并采用红外，氢核磁共振，质谱等分析方法对样品的结构进行表征，证实了其结构.水杨醛Schiff碱及其仲胺的抗菌实验结果表明，被还原的Schiff碱的抗菌、抑菌效果明显增强.根据构效理论，不同的Schiff碱引入的杂环不同，抗菌和抑菌效果也不同.这为研究其他类型Schiff碱仲胺的合成提供了新思路.同时，这些新型的Schiff碱仲胺，由于还原C＝N双键将会增加N—H键的数目，更易于和金属离子形成配合物，从而进一步增强抗菌、抑菌的效果. 参考文献 CAI L H, HU P Z, DU X L, et al . Synthesis and characterization of open ring complexes formed in the reaction of lanthanides with salicyladehyde Schiff base containing pyridine and amide bridge [J]. Asian Journal of Chemistry, 2005, 17(2):969-974. 张雄, 蔡丽华, 黄丽芬, 等.糠醛双Schiff碱及其铜配合物的合成与抗菌活性研究[J].化学与生物工程, 2010, 27(4):51-53.DOI:10.3969/j.issn.1672-5425.2010.04.014. 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