基于咔唑的新型碳酰腙衍生物的合成及蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)抑制活性评价

引用本文: 李英俊, 刘雪洁, 刘季红, 高立信, 靳焜, 盛丽, 杨鸿境, 林乐弟, 李佳. 基于咔唑的新型碳酰腙衍生物的合成及蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)抑制活性评价[J]. 有机化学, 2020, 40(2): 478-488. doi: 10.6023/cjoc201907043 shu

Citation: Li Yingjun, Liu Xuejie, Liu Jihong, Gao Lixin, Jin Kun, Sheng Li, Yang Hongjing, Lin Ledi, Li Jia. Synthesis and Protein Tyrosine Phosphatase 1B (PTP1B) Inhibitory Activity Evaluation of Novel Carbazole-Based Carbohydrazone Derivatives[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, 2020, 40(2): 478-488. doi: 10.6023/cjoc201907043 shu

基于咔唑的新型碳酰腙衍生物的合成及蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)抑制活性评价

李英俊 ^{a,
,} ,
刘雪洁 ^a, ,
刘季红 ^b, ,
高立信 ^c, ,
靳焜 ^d, ,
盛丽 ^c, ,
杨鸿境 ^a, ,
林乐弟 ^a, ,
李佳 ^{c,
,}

a.
辽宁师范大学化学化工学院大连 116029
b.
大连理工大学化学分析测试中心大连 116023
c.
中国科学院上海药物研究所国家新药筛选中心药物研究国家重点实验室上海 201203
d.
大连理工大学精细化工国家重点实验室大连 116012

通讯作者: 李英俊, E-mail: chemlab.lnnu@163.com; 李佳, jli@simm.ac.cn

基金项目:
辽宁省自然科学基金（No.20102126）资助项目

摘要: 合成出了一系列新型基于咔唑的单-/双-碳酰腙衍生物3和4.利用¹H NMR、¹³C NMR、IR和元素分析对其进行了结构表征.评价了目标化合物对蛋白酪氨酸磷酸酶1B（PTP1B）的抑制活性，讨论了结构与活性的关系.实验结果显示，大部分化合物对PTP1B具有良好的抑制活性，其中1，5-双[（9-丁基-3-咔唑基）亚甲基]碳酰腙（4c）的抑制活性最高，IC₅₀=（4.81±0.41）μmol/L，且活性高于对照药物齐墩果酸.对目标化合物1-[（9-庚基-3-咔唑基）亚甲基]碳酰腙（3f）和4c进行分子对接研究和密度泛函理论（DFT）计算.分子对接结果表明，化合物3f和4c结合到PTP1B酶由螺旋α3和α6形成的活性位点，与PTP1B酶通过氢键、极性、疏水和π-π等相互作用形成了稳定的复合物.

关键词:

English

Synthesis and Protein Tyrosine Phosphatase 1B (PTP1B) Inhibitory Activity Evaluation of Novel Carbazole-Based Carbohydrazone Derivatives

Li Yingjun ^{a,
,} ,
Liu Xuejie ^a, ,
Liu Jihong ^b, ,
Gao Lixin ^c, ,
Jin Kun ^d, ,
Sheng Li ^c, ,
Yang Hongjing ^a, ,
Lin Ledi ^a, ,
Li Jia ^{c,
,}

a.
College of Chemistry and Chemical Engineering, Liaoning Normal University, Dalian 116029
b.
Chemistry Analysis and Inspection Center, Dalian University of Technology, Dalian 116023
c.
National Center for Drug Screening, State Key Laboratory of Drug Research, Shanghai Institute of Materia Medica, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203
d.
State Key Laboratory of Fine Chemicals, Dalian University of Technology, Dalian 116012

Corresponding author: Li Yingjun, chemlab.lnnu@163.com; Li Jia, jli@simm.ac.cn

Received Date: 27 July 2019
Revised Date: 09 September 2019
Available Online: 25 February 2020
Fund Project:
Project supported by the Natural Science Foundation of Liaoning Province (No. 20102126)

Abstract: A series of novel carbazole-based mono-/bis-carbohydrazone derivatives 3 and 4 were synthesized. Their structures were characterized by ¹H NMR, ¹³C NMR, IR spectra and elemental analysis. The inhibitory activities of all synthesized compounds against protein tyrosine phosphatase 1B (PTP1B) were evaluated, and the structure-activity relationship was discussed. The results indicated that most of the compounds had good inhibitory activity against PTP1B, and 1, 5-bis[(9-butyl-3-carba-zolyl)methylene]carbohydrazone (4c) showed the highest inhibitory activity against PTP1B with IC₅₀=(4.81±0.41) μmol/L and the activity was higher than that of the control drug oleanolic acid. Molecular docking and density functional theory (DFT) calculations of 3f and 4c were carried out. The results of molecular docking indicated that 1-[(9-heptyl-3-carbazolyl)meth-ylene]carbohydrazone (3f) and 4c bind to an active site of PTP1B enzyme formed by the helices α3 and α6, and formed a stable complex respectively with PTP1B enzyme by hydrogen bonds, polar, hydrophobic and π-π interactions.

Key words:

2型糖尿病(T2D)是由内分泌功能障碍引起的一种慢性疾病^[1].不受控制的糖尿病与各种急慢性疾病有关, 随着疾病的发展, 它可能导致视力模糊、心血管疾病、肾脏或其他器官损害和功能障碍, 甚至抑郁^{[1, 2]}.据国际糖尿病联合会2017年调查统计结果显示, 全球有4.25亿人患有糖尿病, 其中T2D占所有糖尿病病例的90%, 并且预计2045年全球将有6.29亿人患有糖尿病^[3].预计到2035年, 我国将有1.43亿糖尿病患者^[4].然而, 目前尚无明确的T2D治疗方法.所有当前治疗的目的就是稳定患者在生理范围内的血糖, 以避免急性高血糖症和并发症的风险.治疗方法包括口服抗高血糖药物, 或作为最后的手段, 注射外源性胰岛素.目前尚无可用的药物能够模拟生理胰岛素的作用^[5].因此, 寻找新的抗糖尿病药物仍然是一个重要的挑战.

近年来研究表明, 蛋白酪氨酸磷酸酶1B (PTP1B)是胰岛素和瘦素信号通路的负调节因子, 对活性胰岛素受体、胰岛素受体底物(IRS-1和IRS-2)和瘦素受体去磷酸化.因此, PTP1B是2型糖尿病和肥胖的有效治疗靶点, PTP1B小分子抑制剂可能是治疗这些疾病的候选药物^[6].此外, 最近研究发现, PTP1B参与多种癌症的发生, 如乳腺癌、肺癌、结肠癌等.因此, PTP1B也是一种很有前途的抗肿瘤治疗靶点^[7~9].虽然已经通过高通量筛选、基于结构或片段的药物设计发现了多种有效的PTP1B抑制剂, 但由于PTP1B催化位点高度极性, 使大多数活性位点定向的PTP1B抑制剂具有较高的电荷密度和有限的细胞膜渗透性和生物利用度, 这阻碍了它们成为有效的临床药物^{[2, 6, 7, 10]}.因此, 开发新型、高效的PTP1B抑制剂已成为制药行业和学术界关注的焦点.

碳酰腙(CHs)是由碳酰肼(H₂NNHC(＝O)NHNH₂)与适当的醛/酮缩合得到的单/双取代的碳酰肼衍生物.碳酰腙具有[C＝NNHC(＝O)NHNH₂]骨架的药效团, 因其含有N和O供体位点而具有广泛的生物活性^{[11, 12]}.近年来的研究表明, 碳酰腙衍生物具有抗癌^[13~15]、抗氧化^{[14, 16, 17]}、抗菌^{[18, 19]}、抗真菌^[20]、抑制碳酸酐酶(抗癫痫、利尿和治疗青光眼)^[21]等多种生物活性.因而此类化合物已引起了人们的关注, 但对其研究报道还较少.

咔唑(Cz)是一类重要的含氮杂环化合物, 具有芳香性和富电子性质, 这种特殊的结构使其衍生物可通过非共价相互作用(如氢键和$\pi -\pi $等), 很容易地与生物体中的酶结合, 从而使它们具有多种医学用途^[22].近年来的研究显示, 咔唑衍生物具有PTP1B抑制活性^[23~25], 并且咔唑环的引入有利于提高PTP1B的抑制活性^[26].此外, 咔唑衍生物还具有广泛的药理活性, 如抗癌^[27~29]、抑制α-葡萄糖苷酶(抗糖尿病)^[30]、抗病毒^[31]、抗结核^[32]、抗菌^{[33, 34]}、抑制碳酸酐酶^[35]等活性.特别是N-直链烷基咔唑及其酰腙衍生物具有抗癌^[28]和抗糖尿病活性^[36], 并且随着烷基链长度的增加, 抗糖尿病活性增加^[36].但文献调查显示, 含咔唑环的碳酰腙衍生物的合成及对PTP1B抑制活性的研究尚未见文献报道.

基于上述事实, 为了寻找在抗糖尿病和抗癌方面具有潜在应用价值的、高选择性和高活性的新型PTP1B抑制剂, 并继续我们的研究工作^[24~26], 本研究设计将N-直链烷基咔唑与碳酰肼药效团杂交形成新型基于咔唑的单-/双-碳酰腙衍生物, 并评价其对PTP1B的抑制活性.对于相应的N-支链烷基咔唑衍生物, 考虑其支链的存在, 使空间位阻增大, 可能导致与PTP1B酶的结合能降低, 从而抑制活性降低, 因此本文未设计有关相应N-支链烷基咔唑衍生物的合成.目标化合物的设计思想如Scheme 1所示, 合成路线见Scheme 2所示.

图式 1

图式 1. 目标化合物3和4的设计思想

Scheme 1. Design stratery of target compounds 3 and 4

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图式 2

图式 2. 目标化合物3和4的合成路线

Scheme 2. Synthetic routes of target compounds 3 and 4

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1. 结果与讨论

1.1 目标化合物的合成

以咔唑和正溴烷烃为原料, 经N-烷基化和甲酰化反应, 得到重要的中间体9-烷基咔唑-3-甲醛(2). 1, 3-二氨基脲与适量的中间体2进行缩合反应(Scheme 2), 高产率地得到了目标化合物3和4.

1.2 目标化合物3和4的结构确定

1.2.1 IR谱

由目标化合物3和4的IR数据可知, 在3307~3325和3191~3231 cm^－1处出现的峰为N—H的伸缩振动吸收峰; 在3046~3078 cm^－1处出现的峰为不饱和C—H的伸缩振动吸收峰; 在2853~2889和2926~2973 cm^－1处出现的峰为饱和C—H的伸缩振动吸收峰; 在1670~1692 cm^－1处出现的强峰为C＝O的伸缩振动吸收峰; 在1600、1500、1460 cm^－1左右出现的强峰为苯环骨架伸缩振动吸收峰; 在1627~1659 cm^－1处出现的峰为C＝N的伸缩振动吸收峰; 在1514~1536 cm^－1处出现的宽的强峰为N—H的弯曲振动吸收峰; 在1209~1242 cm^－1处出现的强峰为C—N伸缩振动吸收峰.

N—H和C＝O伸缩振动吸收峰以及N—H弯曲振动吸收峰的出现, 初步证明目标化合物3和4已合成出来.

对于双-碳酰腙目标化合物4, 可能存在着两种互变异构形式, 酮式(A结构)和烯醇式(B结构).由于中心N—C键的双键特性, 烯醇互变异构体可以采取顺型(syn, B结构)或反型(anti, C结构)构型^{[37, 38]}(Scheme 3).在目标化合物4的IR谱中未发现O—H伸缩振动吸收峰, 所以, 化合物4在固态是以酮式(A结构)形式存在.

图式 3

图式 3. 目标化合物4的可能结构

Scheme 3. Possible structures of target compound 4

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1.2.2 ¹H NMR谱

目标化合物单-咔唑碳酰腙3的¹H NMR谱:以DMSO-d₆为溶剂, TMS为内标, 测试了目标化合物3的¹H NMR谱.目标化合物3可能存在的两种结构(D和E)及各原子标号见Scheme 4.

图式 4

图式 4. 目标化合物3和4的结构及原子标号

Scheme 4. Structure and atomic labeling of target compounds 3 and 4

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由目标化合物3的¹H NMR数据可知, 在低场δ_H10.29~10.32之间出现的单峰为NH_a的质子吸收峰; 在δ_H 8.54处出现的单峰为NH_b的质子吸收峰; 在δ_H 7.22~8.25之间出现的峰为咔唑环和CH＝N上的质子吸收峰; 在δ_H 4.10~4.12之间出现的宽单峰为NH_c的质子吸收峰; 在δ_H 0.80~4.45之间出现的峰为咔唑环上烷基链的质子吸收峰.

NH_a质子信号较NH_b出现在低场, 这是因为NH_a质子受邻近亚胺键π电子的各向异性效应去屏蔽作用所致. H-2质子为双峰(J＝7.5~8.0 Hz), H-4质子为宽单峰, H-2质子(δ_H 8.20~8.25)与H-4质子(δ_H 8.02~8.04)相比, 在较低场处出峰, 这说明H-2质子与相邻亚胺键上的N原子之间形成了分子内氢键.由此可以确定, 目标化合物3中咔唑环的取向如Scheme 4中的D结构所示, 而非E结构.

为了确定目标化合物3中NH₂ (NH_c)的取向, 选择化合物3a测试了其2D NOESY谱.结果发现, NH_a与NH_c、NH_a与H₉存在着相关峰, 这说明它们空间上距离较近.由此证明, 化合物3为D结构.

目标化合物双-咔唑碳酰腙4的¹H NMR谱:以DMSO-d₆为溶剂, TMS为内标, 测试了目标化合物4的¹H NMR谱.目标化合物4的结构及各原子标号见Scheme 4.由目标化合物4的¹H NMR数据可知, 在低场δ_H 10.60~10.64之间出现的单峰为NH(H₁₀)的质子吸收峰; 在δ_H 8.53~8.55处出现的单峰为CH＝N(H₉)的质子吸收峰; 在δ_H 7.25~8.40之间出现的峰为咔唑环上的质子吸收峰; 在δ_H 0.81~4.49之间出现的峰为咔唑环上烷基链的质子吸收峰.

H-4质子为宽单峰, H-2质子为双峰(J＝7.5~8.0 Hz), H-4质子(δ_H 8.39~8.40)与H-2质子(δ_H 8.24~8.25)相比, 在较低场处有峰, 这是由于H-4质子与相邻亚胺键上的N原子之间形成了分子内氢键.由此可以确定, 目标化合物4在溶液状态(DMSO中)也是以酮式(keto form)结构存在的(Scheme 4), 而无Scheme 3中的B和C结构.

由目标化合物4的IR和¹H NMR谱数据可知, 目标化合物4无论在固态还是在DMSO溶液中都是以酮式结构存在的.

1.2.3 ¹³C NMR谱

由目标化合物3的¹³C NMR谱可知, 在低场δ_C 157.35~157.88之间出现的峰为C＝O的碳吸收峰; 在次低场δ_C 141.29~141.85之间出现的宽峰为CH＝N的碳吸收峰, 由于N原子的四极矩作用, 使弛豫时间增大, 导致峰型变宽; 在δ_C 109.12~141.17处出现的峰为咔唑环上的碳吸收峰; 在δ_C 37.04~44.27处出现的峰为NCH₂的碳吸收峰; 在δ_C 20.24~31.64处出现的峰为其它CH₂的碳吸收峰; 在δ_C 11.81~14.36处出现的峰为CH₃的碳吸收峰.

由目标化合物4的¹³C NMR谱可知, 在低场δ_C 152.78~152.84之间出现的峰为C＝O的碳吸收峰; 在次低场δ_C 144.42~144.63之间出现的非常弱的峰为CH＝N的碳吸收峰, 这是由于N原子的四极矩作用使弛豫时间增大, 峰变宽变弱; 在δ_C 109.85~141.35处出现的峰为咔唑环上的碳吸收峰; 在δ_C 37.60~44.33处出现的峰为NCH₂的碳吸收峰; 在δ_C 20.26~31.67处出现的峰为其它CH₂的碳吸收峰; 在δ_C 11.83~14.37处出现的峰为CH₃的碳吸收峰.

根据上述IR、¹H和¹³C NMR数据分析可知, 目标化合物3和4已被成功合成出来, 结构正确.

1.3 目标化合物3和4的生物活性研究

为了评价目标化合物对PTP1B的抑制活性以及构效关系, 通过改变咔唑环中N原子上烷基链的长度, 以及咔唑环的数目, 合成出了一系列基于咔唑的单-/双-碳酰腙衍生物3和4.对所合成的目标化合物3和4进行了PTP1B抑制活性的筛选, 并利用Molinspiration Property Calculator (MIPC)程序软件计算了其药代动力学参数脂水分配系数(log P), 测试与计算结果见表 1.

表 1

表 1 目标化合物3和4对PTP1B的抑制活性

Table 1. Inhibitory activities of target compounds 3 and 4 against PTP1B

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Compd.	R	Log P	PTP1B^a
Compd.	R	Log P	Inhibition/% at 20 μg/mL	IC₅₀^b/(μmol•L^－1)
3a	C₂H₅	2.22	9.31±4.93	—
3b	n-C₃H₇	2.72	16.99±1.31	—
3c	n-C₄H₉	3.28	17.83±1.31	—
3d	n-C₅H₁₁	3.78	80.23±1.91	29.72±4.09
3e	n-C₆H₁₃	4.29	80.90±2.00	33.46±3.53
3f	n-C₇H₁₅	4.79	77.97±0.14	25.94±8.45
3g	n-C₈H₁₇	5.30	76.01±2.45	26.61±9.41
4a	C₂H₅	7.58	89.76±0.06	6.91±1.42
4b	n-C₃H₇	8.46	92.46±1.60	5.26±0.19
4c	n-C₄H₉	8.99	90.87±0.31	4.81±0.41
4d	n-C₅H₁₁	9.31	91.59±0.03	6.02±0.12
4e	n-C₆H₁₃	9.55	90.40±0.57	12.30±0.16
4f	n-C₇H₁₅	9.75	94.43±2.67	16.84±0.70
4g	n-C₈H₁₇	9.91	93.77±2.42	8.95±0.51
^a Positive control: oleanolic acid, IC₅₀＝(6.92±0.46) μmol/L. ^b“－”: not calculated, because the inhibition rate is less than 50%..

由表 1的实验结果可以看出, 绝大多数目标化合物对PTP1B具有较高的抑制活性(3a~3c除外), 抑制率为76.01%~94.43%, IC₅₀＝(4.81±0.41)~(33.46±3.53) μmol/L, 其中化合物4c活性最高, IC₅₀值为(4.81±0.41) μmol/L.化合物4a~4d的活性均大于阳性对照药物齐墩果酸[IC₅₀＝(6.92±0.46) μmol/L].

通过构效分析发现, 目标化合物对PTP1B的抑制活性与咔唑环的数目以及咔唑环上烷基链的长度有关.双-咔唑碳酰腙的活性高于单-咔唑碳酰腙.在单-咔唑碳酰腙3中, R为长链时, 化合物3d~3g的活性高于短链化合物3a~3c的活性, 这可能是因为短链化合物的脂水分配系数(log P)较小(见表 1), 脂溶性较差的原因.

在双-咔唑碳酰腙4中, R为短链时, 化合物4a~4d的活性高于长链化合物4e~4g的活性, 这可能是因为短链化合物的脂水分配系数(log P)较小(表 1), 水溶性相对较好的原因.

由上述讨论可知, 化合物的活性与其亲水性和亲脂性的良好匹配有关.由文献调查可知, 新型基于咔唑的单-/双-碳酰腙衍生物的合成及对PTP1B抑制活性的研究目前尚未见文献报道.

1.4 理论计算

1.4.1 分子对接研究

利用Dockingserver软件, 选择目标化合物3和4系列中活性最高的化合物3f和4c进行了分子对接的研究, 以便考查基于咔唑的单-/双-碳酰腙衍生物对PTP1B抑制活性的差异.目标化合物3f和4c与PTP1B (PDB ID: 1NNY)的分子对接结果见图 1~2和表 2.

图 1

图 1. 化合物3f与PTP1B酶的对接结果(A)及3f附近结合位点的关键残基(B)

Figure 1. Docking result of compound 3f with PTP1B enzyme (A) and key residues in binding site surrounding 3f (B)

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图 2

图 2. 化合物4c与PTP1B酶的对接结果(A)及4c附近结合位点的关键残基(B)

Figure 2. Docking result of compound 4c with PTP1B enzyme (A) and key residues in binding site surrounding 4c (B)

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表 2

表 2 目标化合物3f和4c与PTP1B的分子对接结果

Table 2. Molecular docking results of compounds 3f and 4c with PTP1B (PDB ID: 1NNY)

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Compd.	Est. free energy of binding/ (kJ•mol^－1)	No. of H-bond	H-bonds (nm)	Polar (nm)	Hydrophobic (nm)	Pi-Pi (nm)
3f	－18.91	2	N2-ASP181 (0.320) N3-ASP181 (0.272)	H2-ASP181 (0.237) H3-ASP181(0.210) N5-ASP181 (0.377)	C8-PRO180 (0.321) C7-PRO180 (0.359) C15-PRO185 (0.380) C16-PRO185 (0.362)	C13-TYR152 (0.345) C14-TYR152 (0.358)
4c	－21.25	5	N3-VAL184 (0.307) N3-GLU186 (0.301) N4-GLU186 (0.341) N2-GLU186 (0.315) N5-SER190 (0.321)	O1-GLU186 (0.354) H3-GLU186 (0.296) H2-GLU186 (0.328) N1-GLU186 (0.366)	C29-TYR152 (0.304) C30-TYR152 (0.330) C3-PRO180 (0.325) C34-PHE182 (0.308) C4-PRO185 (0.383) C26-ALA189 (0.348) C25-ALA189 (0.325)	C15-PHE182 (0.350) C14-PHE182 (0.376)

由图 1和表 2可以看出, 目标化合物3f结合到PTP1B酶由螺旋α3和α6形成的活性位点, 与PTP1B酶形成了稳定的复合物, 具有较高的结合能(－18.91 kJ/mol).在化合物3f中, N(2)H－C(O)－N(3)H－N(5)H₂骨架中的N(2)和N(3)原子均与氨基酸残基ASP181形成了氢键, 且N(3)原子形成的氢键最强(0.272 nm). H(2)、H(3)和N(5)与氨基酸残基ASP181有较强的极性作用.此外, 咔唑环及其烷基链中的碳原子沿着螺旋α3和α6的侧链形成了疏水相互作用; 咔唑环还与氨基酸残基TYR152形成了π-π相互作用.

由图 2可以看出, 目标化合物4c中的两个咔唑环不在同一个平面内, 其中一个咔唑环靠近PTP1B酶的α6螺旋, 另一个咔唑环靠近PTP1B酶的α3螺旋.由图 2和表 2可以看出, 目标化合物4c结合到PTP1B酶由螺旋α3和α6形成的活性位点, 与PTP1B酶形成了稳定的复合物, 具有较高的结合能(－21.25 kJ/mol).在化合物4c中, 碳酰腙骨架C＝N(1)－N(2)H－C(O)－N(3)H－N(4)＝C中的N(2)、N(3)和N(4)原子与氨基酸残基VAL184和GLU186形成了4个氢键, 咔唑环的N(5)原子与SER190形成了1个氢键.碳酰腙骨架中H、O、N的原子还与氨基酸残基GLU186存在着较强的极性作用.此外, 羰基、席夫碱基、咔唑环及其烷基链中的碳原子沿着螺旋α3和α6的侧链形成了广泛的疏水相互作用; 咔唑环还与氨基酸残基PHE182形成了π-π相互作用.

通过分子对接的研究可知, 碳酰腙骨架对化合物抑制PTP1B的活性起着重要作用.化合物4c与3f的活性差异是由于化合物4c与PTP1B酶形成的氢键个数多于化合物3f, 且化合物4c与PTP1B酶的结合能大于化合物3f, 所以双-咔唑碳酰腙化合物4c对PTP1B的抑制活性高于单-咔唑碳酰腙化合物3f.

由1, 3-二氨基脲与咔唑两个药效团杂交所形成的基于咔唑的碳酰腙衍生物是潜在的PTP1B抑制剂.

1.4.2 Mulliken原子电荷分析

利用Gaussian 09软件, 在HF/3-21G基组上, 计算了目标化合物4c和3f的Mulliken原子电荷(MAC)分布, 以便确定它们与PTP1B蛋白酶可能的结合位点.计算结果见图 3~4.

图 3

图 3. 化合物3f的优化结构及Mulliken电荷分布图

Figure 3. Optimized structure and Mulliken charge distribution of compound 3f

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图 4

图 4. 化合物4c的优化结构及Mulliken电荷分布图

Figure 4. Optimized structure and Mulliken charge distribution of compound 4c

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由图 3可知, 化合物3f的负电荷主要集中在NH－C(O)－NH－NH₂骨架中的N30和N31及咔唑环N25上, 电荷分别为N30＝－0.766e、N31＝－0.736e和N25＝－1.113e.由图 4可知, 化合物4c的负电荷主要集中在NH－C(O)－NH骨架中的N74和N76及咔唑环上N35和N70上, 电荷分别为N74/N76＝－0.760e和N35/ N70＝－1.113e.这些负电荷较大的原子均可能与氨基酸残基相互作用形成氢键, 这与实验观察结果(表 1)及分子对接结果(表 2)一致.

1.4.3 MEP计算

利用Multiwfn软件, 在HF/3-21G基组上计算了目标化合物3f和4c的分子静电势(MEP).由MEP计算结果(图 5和图 6)可知, 目标化合物3f和4c的静电势最大负值区域主要集中在C＝O旁的氮原子附近(3f:蓝色点14区, 4c:蓝色点9/10区), 其值分别为－3.11和－2.98 eV, 表明该区域优选与氢原子形成氢键.这一结果与分子对接(表 2)和Mulliken电荷计算结果(图 3和4)以及实验结果(表 1)一致.

图 5

图 5. 化合物3f的分子静电势

Figure 5. Molecular electrostatic potential of compound 3f

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图 6

图 6. 化合物4c的分子静电势

Figure 6. Molecular electrostatic potential of compound 4c

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2. 结论

合成出了14个新型基于咔唑的单-/双-碳酰腙衍生物3a~3g和4a~4g, 评价了其对PTP1B的抑制活性, 讨论了其结构与活性的关系.实验结果显示, 大部分化合物对PTP1B具有良好的抑制活性, 其中化合物4c的抑制活性最高[IC₅₀＝(4.81±0.41) μmol/L], 化合物4b和4c活性均高于阳性对照药物齐墩果酸[IC₅₀＝(6.92± 0.46) μmol/L], 化合物4a和4d的活性与对照药物活性相当.对目标化合物3f和4c进行分子对接研究和DFT计算.分子对接结果表明, 化合物3f和4c与PTP1B酶通过形成氢键、极性、疏水和$\pi -\pi $等相互作用形成了稳定的复合物.这些活性的目标化合物是潜在的PTP1B抑制剂, 在抗糖尿病和抗癌方面具有潜在的应用价值.

3. 实验部分

3.1 仪器与试剂

X-5显微熔点测定仪(温度计未经校正); 德国TENSOR 27型FT-IR红外光谱仪, KBr压片; 德国BRUKER 400/500 MHz核磁共振仪, DMSO-d₆为溶剂, TMS为内标; 德国Elementar公司Vario EL型元素分析仪.所用试剂均为分析纯.

3.2 中间体化合物的合成

中间体化合物1和2按参考文献[39, 40]方法合成.

3.3 目标化合物3和4的合成通法

3.3.1 目标化合物3的合成通法

在干燥的50 mL三口瓶中依次加入1 mmol中间体化合物2、20 mL C₂H₅OH和几滴冰醋酸, 加热至固体溶解.然后加入1 mmol 1, 3-二氨基脲, 回流反应6 h.反应结束后, 蒸出少量溶剂, 待反应混合物彻底冷却后, 抽滤出粗产品, 用少量冰乙醇淋洗后即得到目标产物3.

1-[(9-乙基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(3a):白色粉末, 产率84.8%. m.p. 186.1~186.9 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.30 (s, 1H, NH_a), 8.54 (s, 1H, NH_b), 8.21(d, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.03 (s, 1H, Cz-H₄), 8.02 (s, 1H, CH＝N), 7.87 (dd, J＝8.5, 1.0 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.62 (d, J＝7.0 Hz, 1H, Cz-H₁), 7.60 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₈), 7.47 (td, J＝7.8, 1.0 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.23 (t, J＝7.3 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.45 (q, J＝7.0 Hz, 2H, NCH₂), 4.11 (s, 2H, NH₂), 1.32 (t, J＝7.0 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 125 MHz) δ: 157.35 (C＝O), 141.29 (CH＝N), 140.09, 139.96, 125.99, 125.83, 124.69, 122.35, 122.26, 120.55, 119.22, 119.06, 109.30, 109.12, 37.04 (NCH₂), 13.68 (CH₃); IR (KBr) ν: 3322, 3191, 3078, 2970, 2857, 1674, 1627, 1605, 1518, 1489, 1471, 1235 cm^－1. Anal. calcd for C₁₆H₁₇N₅O: C 65.07, H 5.80, N 23.71; found C 65.33, H 5.98, N 23.50.

1-[(9-丙基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(3b):白色粉末, 产率88.2%. m.p. 186.5~187.1 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.29 (s, 1H, NH_a), 8.54 (s, 1H, NH_b), 8.21 (d, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.02 (s, 2H, CH＝N, Cz-H₄), 7.86 (dd, J＝8.5, 1.5 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.62 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₁), 7.60 (d, J＝8.5 Hz, 1H, Cz-H₈), 7.46 (t, J＝7.3 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.23 (t, J＝7.3 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.37 (t, J＝7.0 Hz, 2H, NCH₂), 4.10 (s, 2H, NH₂), 1.68~1.97 (m, 2H, NCH₂CH₂), 0.88 (t, J＝7.3 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz) δ: 157.85 (C＝O), 141.74 (CH＝N), 141.17, 141.01, 126.45, 126.28, 125.15, 122.70, 122.61, 120.99, 119.66, 119.52, 110.04, 109.87, 44.27 (NCH₂), 22.36, 11.81 (CH₃); IR (KBr) ν: 3307, 3202, 3075, 2959, 2872, 1674, 1627, 1608, 1514, 1489, 1467, 1224 cm^－1. Anal. calcd for C₁₇H₁₉N₅O: C 66.00, H 6.19, N 22.64; found C 66.15, H 5.99, N 22.77.

1-[(9-丁基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(3c):奶白色粉末, 产率85.7%. m.p. 181.1~182.6 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.29 (s, 1H, NH_a), 8.54 (s, 1H, NH_b), 8.20 (d, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.02 (s, 2H, CH＝N, Cz-H₄), 7.86 (dd, J＝8.5, 1.5 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.60 (d, J＝8.5 Hz, 1H, Cz-H₁), 7.58 (d, J＝8.5 Hz, 1H, Cz-H₈), 7.46 (td, J＝7.6, 0.8 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.22 (t, J＝7.3 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.39 (t, J＝7.0 Hz, 2H, NCH₂), 4.11 (s, 2H, NH₂), 1.66~1.87 (m, 2H, NCH₂CH₂), 1.21~1.40 (m, 2H, NCH₂CH₂CH₂), 0.87 (t, J＝7.5 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz) δ: 157.84 (C＝O), 141.70 (CH＝N), 141.08, 140.93, 126.46, 126.29, 125.17, 122.72, 122.64, 121.00, 119.65, 119.52, 110.00, 109.82, 42.59 (NCH₂), 31.19, 20.24, 14.18 (CH₃); IR (KBr) ν: 3307, 3202, 3075, 2955, 2872, 1674, 1627, 1601, 1514, 1489, 1471, 1209 cm^－1. Anal. calcd for C₁₈H₂₁N₅O: C 66.85, H 6.55, N 21.66; found C 66.63, H 6.71, N 21.40.

1-[(9-戊基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(3d):白色粉末, 产率86.4%. m.p. 187.2~187.9 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.30 (s, 1H, NH_a), 8.54 (s, 1H, NH_b), 8.21 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.02 (s, 2H, CH＝N, Cz-H₄), 7.87 (dd, J＝8.5, 1.5 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.60 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₁), 7.58 (d, J＝8.5 Hz, 1H, Cz-H₈), 7.47 (t, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.23 (t, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.39 (t, J＝7.0 Hz, 2H, NCH₂), 4.11 (s, 2H, NH₂), 1.67~1.87 (m, 2H, NCH₂CH₂), 1.17~1.39 (m, 4H, NCH₂- CH₂(CH₂)₂), 0.80 (t, J＝6.8 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz) δ: 157.88 (C＝O), 141.85 (CH＝N), 141.09, 140.92, 126.48, 126.27, 125.16, 122.72, 122.63, 120.99, 119.66, 119.53, 109.95, 109.80, 42.77 (NCH₂), 29.08, 28.70, 22.36, 14.28 (CH₃); IR (KBr) ν: 3307, 3202, 3075, 2952, 2868, 1670, 1627, 1601, 1514, 1489, 1467, 1238 cm^－1. Anal. calcd for C₁₉H₂₃N₅O: C 67.63, H 6.87, N 20.76; found C 67.43, H 6.62, N 20.57.

1-[(9-己基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(3e):白色粉末, 产率91.7%. m.p. 183.4~184.0 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.32 (s, 1H, NH_a), 8.54 (s, 1H, NH_b), 8.21 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.04 (s, 1H, Cz-H₄), 8.01 (s, 1H, CH＝N), 7.87 (dd, J＝8.5, 1.5 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.60 (d, J＝6.5 Hz, 1H, Cz-H₁), 7.59 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₈), 7.47 (t, J＝7.8 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.22 (t, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.39 (t, J＝6.8 Hz, 2H, NCH₂), 4.11 (s, 2H, NH₂), 1.66~1.87 (m, 2H, NCH₂CH₂), 1.12~1.41 (m, 6H, NCH₂CH₂(CH₂)₃), 0.80 (t, J＝7.0 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz) δ: 157.86 (C＝O), 141.74 (CH＝N), 141.08, 140.92, 126.45, 126.28, 125.15, 122.72, 122.64, 121.00, 119.67, 119.52, 109.97, 109.80, 42.79 (NCH₂), 31.42, 28.96, 26.57, 22.46, 14.28 (CH₃); IR (KBr) ν: 3307, 3202, 3075, 2952, 2868, 1674, 1627, 1601, 1514, 1489, 1471, 1238 cm^－1. Anal. calcd for C₂₀H₂₅N₅O: C 68.35, H 7.17, N 19.93; found C 68.52, H 7.04, N 20.17.

1-[(9-庚基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(3f):奶白色粉末, 产率89.2%. m.p. 187.3~187.9 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.31 (s, 1H, NH_a), 8.54 (s, 1H, NH_b), 8.21 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.03 (s, 2H, CH＝N, Cz-H₄), 7.87 (dd, J＝8.5, 1.5 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.59 (d, J＝8.0 Hz, 1H, Cz-H₁), 7.58 (d, J＝8.5 Hz, 1H, Cz-H₈), 7.46 (td, J＝7.8, 1.0 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.22 (t, J＝7.3 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.38 (t, J＝7.0 Hz, 2H, NCH₂), 4.12 (s, 2H, NH₂), 1.65~1.88 (m, 2H, NCH₂CH₂), 1.01~1.42 (m, 8H, NCH₂CH₂(CH₂)₄), 0.80 (t, J＝7.0 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz) δ: 157.86 (C＝O), 141.78 (CH＝N), 141.09, 140.93, 126.44, 126.29, 125.14, 122.74, 122.65, 120.99, 119.67, 119.51, 109.95, 109.79, 42.80 (NCH₂), 31.64, 29.00, 28.89, 26.89, 22.42, 14.32 (CH₃); IR (KBr) ν: 3307, 3202, 3078, 2948, 2864, 1670, 1627, 1605, 1514, 1489, 1467, 1231 cm^－1. Anal. calcd for C₂₁H₂₇N₅O: C 69.01, H 7.45, N 19.16; found C 69.26, H 7.67, N 19.01.

1-[(9-辛基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(3g):白色粉末, 产率94.7%. m.p. 181.5~181.8 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.30 (s, 1H, NH_a), 8.54 (s, 1H, NH_b), 8.20 (d, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₂), 8.02 (s, 2H, CH＝N, Cz-H₄), 7.86 (dd, J＝8.5, 1.5 Hz, 1H, Cz-H₅), 7.59 (d, J＝8.5 Hz, 1H, Cz-H₁), 7.58 (d, J＝8.5 Hz, 1H, Cz-H₈), 7.46 (td, J＝7.8, 1.0 Hz, 1H, Cz-H₇), 7.22 (t, J＝7.5 Hz, 1H, Cz-H₆), 4.38 (t, J＝7.0 Hz, 2H, NCH₂), 4.11 (s, 2H, NH₂), 1.65~1.87 (m, 2H, NCH₂CH₂), 1.09~1.35 (m, 10H, NCH₂CH₂(CH₂)₅), 0.81 (t, J＝7.0 Hz, 3H, CH₃); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 125 MHz) δ: 157.84 (C＝O), 141.70 (CH＝N), 141.07, 140.92, 126.44, 126.29, 125.15, 122.72, 122.65, 121.00, 119.66, 119.51, 109.97, 109.80, 42.79 (NCH₂), 31.62, 29.19, 29.06, 28.98, 26.92, 22.47, 14.36 (CH₃); IR (KBr) ν: 3307, 3202, 3078, 2952, 2868, 1670, 1627, 1605, 1514, 1489, 1467, 1220 cm^－1. Anal. calcd for C₂₂H₂₉N₅O: C 69.63, H 7.70, N 18.45; found C 69.34, H 7.93, N 18.18.

3.3.2 目标化合物4的合成通法

在干燥的50 mL三口瓶中依次加入2 mmol中间体化合物2、20 mL C₂H₅OH和几滴冰醋酸, 加热至固体溶解.然后, 加入1 mmol 1, 3-二氨基脲, 回流反应6 h.反应结束后, 蒸出少量溶剂, 待反应混合物彻底冷却后, 抽滤出粗产品, 将粗产品转移至小烧杯中, 用5 mL水洗两次, 抽干, 再用乙醇洗洗涤(5 mL×2), 抽干所得粗品用DMSO重结晶后即得到纯品目标产物4.

1, 5-双[(9-乙基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(4a):奶白色粉末, 产率92.0%. m.p. 256.3~256.9 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.64 (s, 2H, NH×2), 8.55 (s, 2H, CH＝N×2), 8.40 (brs, 2H, Cz-H₄×2), 8.25 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₂×2), 7.95 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₅×2), 7.69 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₁×2), 7.65 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₈×2), 7.50 (t, J＝7.8 Hz, 2H, Cz-H₇×2), 7.26 (t, J＝7.3 Hz, 2H, Cz-H₆×2), 4.49 (q, J＝6.8 Hz, 4H, N- CH₂×2), 1.35 (t, J＝7.3 Hz, 6H, CH₃×2); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz) δ: 152.82 (C＝O), 144.51 (CH＝N), 140.76, 140.50, 126.60, 126.26, 125.15, 122.86, 122.69, 121.09, 119.94, 119.70, 109.89, 109.85, 37.60 (NCH₂), 14.22 (CH₃); IR (KBr) ν: 3202, 3046, 2973, 2889, 1684, 1656, 1598, 1587, 1532, 1492, 1475, 1225 cm^－1. Anal. calcd for C₃₁H₂₈N₆O: C 74.38, H 5.64, N 16.79; found C 74.69, H 5.47, N 16.68.

1, 5-双[(9-丙基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(4b):白色粉末, 产率91.8%. m.p. 242.9~243.5 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.60 (s, 2H, NH×2), 8.53 (s, 2H, C- H＝N×2), 8.39 (brs, 2H, Cz-H₄×2), 8.25 (d, J＝7.5 Hz, 2H, Cz-H₂×2), 7.93 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₅×2), 7.69 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₁×2), 7.65 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₈×2), 7.49 (t, J＝7.8 Hz, 2H, Cz-H₇×2), 7.26 (t, J＝7.3 Hz, 2H, Cz-H₆×2), 4.41 (t, J＝7.0 Hz, 4H, NCH₂×2), 1.76~1.93 (m, 4H, NCH₂CH₂×2), 0.90 (t, J＝7.5 Hz, 6H, CH₃×2); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz) δ: 152.83 (C＝O), 144.50 (CH＝N), 141.35, 141.06, 126.56, 126.21, 125.10, 122.71, 122.55, 121.00, 119.88, 119.66, 110.11, 110.10, 44.33 (NCH₂), 22.38, 11.83 (CH₃); IR (KBr) ν: 3205, 3053, 2962, 2875, 1688, 1656, 1598, 1583, 1532, 1492, 1474, 1223 cm^－1. Anal. calcd for C₃₃H₃₂N₆O: C 74.98, H 6.10, N 15.90; found C 74.82, H 5.86, N 16.08.

1, 5-双[(9-丁基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(4c):白色粉末, 产率92.8%. m.p. 221.3~222.2 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.61 (s, 2H, NH×2), 8.53 (s, 2H, C- H＝N×2), 8.39 (brs, 2H, Cz-H₄×2), 8.25 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₂×2), 7.93 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₅×2), 7.68 (d, J＝9.0 Hz, 2H, Cz-H₁×2), 7.64 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₈×2), 7.49 (t, J＝7.5 Hz, 2H, Cz-H₇×2), 7.26 (t, J＝7.5 Hz, 2H, Cz-H₆×2), 4.43 (t, J＝7.0 Hz, 4H, NCH₂×2), 1.71~1.86 (m, 4H, NCH₂CH₂×2), 1.25~1.42 (m, 4H, NCH₂CH₂CH₂×2), 0.90 (t, J＝7.5 Hz, 6H, CH₃×2); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz) δ: 152.82 (C＝O), 144.52 (CH＝N), 141.26, 140.97, 126.57, 126.22, 125.12, 122.73, 122.57, 121.01, 119.87, 119.66, 110.07, 110.04, 42.65 (NCH₂), 31.21, 20.26, 14.19 (CH₃); IR (KBr) ν: 3209, 3050, 2955, 2868, 1685, 1630, 1598, 1532, 1489, 1467, 1213 cm^－1. Anal. calcd for C₃₅H₃₆N₆O: C 75.51, H 6.52, N 15.10; found C 75.74, H 6.41, N 15.33.

1, 5-双[(9-戊基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(4d):白色粉末, 产率90.5%. m.p. 210.9~211.3 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.61 (s, 2H, NH×2), 8.53 (s, 2H, C- H＝N×2), 8.39 (brs, 2H, Cz-H₄×2), 8.24 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₂×2), 7.94 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₅×2), 7.67 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₁×2), 7.63 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₈×2), 7.49 (t, J＝7.8 Hz, 2H, Cz-H₇×2), 7.26 (t, J＝7.5 Hz, 2H, Cz-H₆×2), 4.42 (t, J＝7.0 Hz, 4H, NCH₂×2), 1.74~1.86 (m, 4H, NCH₂CH₂×2), 1.23~1.38 (m, 8H, NCH₂CH₂(CH₂)₂×2), 0.82 (t, J＝7.0 Hz, 6H, CH₃×2); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 100 MHz) δ: 152.84 (C＝O), 144.62 (CH＝N), 141.25, 140.96, 126.57, 126.21, 125.12, 122.73, 122.56, 121.01, 119.89, 119.66, 110.04, 110.02, 42.82 (NCH₂), 29.11, 28.74, 22.38, 14.32 (CH₃); IR (KBr) ν: 3325, 3209, 3050, 2955, 2868, 1688, 1627, 1597, 1532, 1489, 1467, 1242 cm^－1. Anal. calcd for C₃₇H₄₀N₆O: C 76.00, H 6.89, N 14.37; found C 76.15, H 7.08, N 14.51.

1, 5-双[(9-己基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(4e):浅黄色粉末, 产率90.2%. m.p. 200.0~200.7 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.62 (s, 2H, NH×2), 8.53 (s, 2H, CH＝N×2), 8.39 (brs, 2H, Cz-H₄×2), 8.24 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₂×2), 7.94 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₅×2), 7.67 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₁×2), 7.63 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₈×2), 7.49 (t, J＝7.5 Hz, 2H, Cz-H₇×2), 7.26 (t, J＝7.3 Hz, 2H, Cz-H₆×2), 4.42 (t, J＝7.0 Hz, 4H, NC- H₂×2), 1.72~1.86 (m, 4H, NCH₂CH₂×2), 1.15~1.39 (m, 12H, N CH₂CH₂(CH₂)₃×2), 0.81 (t, J＝7.0 Hz, 6H, CH₃×2); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 125 MHz) δ: 152.80 (C＝O), 144.48 (CH＝N), 141.25, 140.96, 126.56, 126.21, 125.08, 122.72, 122.57, 121.02, 119.90, 119.65, 110.06, 110.04, 42.85 (NCH₂), 31.43, 28.99, 26.60, 22.49, 14.30 (CH₃); IR (KBr) ν: 3325, 3220, 3050, 2952, 2853, 1692, 1652, 1627, 1598, 1569, 1493, 1471, 1242 cm^－1. Anal. calcd for C₃₉H₄₄N₆O: C 76.44, H 7.24, N 13.71; found C 76.17, H 7.45, N 13.96.

1, 5-双[(9-庚基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(4f):白色粉末, 产率90.6%. m.p. 202.2~202.5 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.61 (s, 2H, NH×2), 8.53 (s, 2H, CH＝N×2), 8.40 (brs, 2H, Cz-H₄×2), 8.24 (d, J＝7.5 Hz, 2H, Cz-H₂×2), 7.94 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₅×2), 7.66 (d, J＝9.0 Hz, 2H, Cz-H₁×2), 7.62 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₈×2), 7.49 (t, J＝7.8 Hz, 2H, Cz-H₇×2), 7.25 (t, J＝7.3 Hz, 2H, Cz-H₆×2), 4.42 (t, J＝6.8 Hz, 4H, NCH₂×2), 1.70~1.88 (m, 4H, NCH₂CH₂×2), 1.11~1.37 (m, 16H, NCH₂CH₂(CH₂)₄×2), 0.81 (t, J＝7.0 Hz, 6H, CH₃×2); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 125 MHz) δ: 152.80 (C＝O), 144.63 (CH＝N), 141.25, 140.96, 126.55, 126.21, 125.08, 122.73, 122.57, 121.01, 119.89, 119.65, 110.06, 110.03, 42.86 (NCH₂), 31.67, 29.04, 28.91, 26.92, 22.45, 14.35 (CH₃); IR (KBr) ν: 3325, 3213, 3064, 2926, 2853, 1688, 1659, 1627, 1598, 1489, 1471, 1235 cm^－1. Anal. calcd for C₄₁H₄₈N₆O: C 76.84, H 7.55, N 13.11; found C 76.63, H 7.73, N 12.99.

1, 5-双[(9-辛基-3-咔唑基)亚甲基]碳酰腙(4g):白色粉末, 产率91.1%. m.p. 200.2~200.8 ℃; ¹H NMR (500 MHz, DMSO-d₆) δ: 10.60 (s, 2H, NH×2), 8.53 (s, 2H, C- H＝N×2), 8.39 (brs, 2H, Cz-H₄×2), 8.24 (d, J＝7.5 Hz, 2H, Cz-H₂×2), 7.93 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₅×2), 7.67 (d, J＝8.5 Hz, 2H, Cz-H₁×2), 7.63 (d, J＝8.0 Hz, 2H, Cz-H₈×2), 7.49 (t, J＝7.8 Hz, 2H, Cz-H₇×2), 7.25 (t, J＝7.5 Hz, 2H, Cz-H₆×2), 4.42 (t, J＝6.8 Hz, 4H, NCH₂×2), 1.70~1.88 (m, 4H, NCH₂CH₂×2), 1.11~1.39 (m, 20H, NCH₂CH₂(CH₂)₅×2), 0.82 (t, J＝7.0 Hz, 6H, CH₃×2); ¹³C NMR (DMSO-d₆, 125 MHz) δ: 152.78 (C＝O), 144.42 (CH＝N), 141.25, 140.96, 126.55, 126.20, 125.08, 122.72, 122.57, 121.01, 119.88, 119.65, 110.07, 110.03, 42.85 (NCH₂), 31.63, 29.20, 29.08, 29.01, 26.94, 22.48, 14.37 (CH₃); IR (KBr) ν: 3325, 3231, 3050, 2926, 2853, 1688, 1648, 1627, 1598, 1580, 1493, 1471, 1235 cm^－1. Anal. calcd for C₄₃H₅₂N₆O: C 77.21, H 7.84, N 12.56; found C 77.32, H 7.63, N 12.40.

3.4 目标化合物生物活性测试

目标化合物对PTP1B的抑制活性筛选实验方法:按照参考文献[41]的方法进行.

辅助材料(Supporting Information)目标化合物3和4的IR、¹H NMR和¹³C NMR以及目标化合物3a的2D NOES谱图.这些材料可以免费从本刊网站(http://sioc-journal.cn/)上下载.

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图式 1 目标化合物3和4的设计思想

Scheme 1 Design stratery of target compounds 3 and 4

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图式 2 目标化合物3和4的合成路线

Scheme 2 Synthetic routes of target compounds 3 and 4

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图式 3 目标化合物4的可能结构

Scheme 3 Possible structures of target compound 4

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图式 4 目标化合物3和4的结构及原子标号

Scheme 4 Structure and atomic labeling of target compounds 3 and 4

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图 1 化合物3f与PTP1B酶的对接结果(A)及3f附近结合位点的关键残基(B)

Figure 1 Docking result of compound 3f with PTP1B enzyme (A) and key residues in binding site surrounding 3f (B)

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图 2 化合物4c与PTP1B酶的对接结果(A)及4c附近结合位点的关键残基(B)

Figure 2 Docking result of compound 4c with PTP1B enzyme (A) and key residues in binding site surrounding 4c (B)

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图 3 化合物3f的优化结构及Mulliken电荷分布图

Figure 3 Optimized structure and Mulliken charge distribution of compound 3f

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图 4 化合物4c的优化结构及Mulliken电荷分布图

Figure 4 Optimized structure and Mulliken charge distribution of compound 4c

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图 5 化合物3f的分子静电势

Figure 5 Molecular electrostatic potential of compound 3f

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图 6 化合物4c的分子静电势

Figure 6 Molecular electrostatic potential of compound 4c

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表 1 目标化合物3和4对PTP1B的抑制活性

Table 1. Inhibitory activities of target compounds 3 and 4 against PTP1B

Compd.	R	Log P	PTP1B^a
Compd.	R	Log P	Inhibition/% at 20 μg/mL	IC₅₀^b/(μmol•L^－1)
3a	C₂H₅	2.22	9.31±4.93	—
3b	n-C₃H₇	2.72	16.99±1.31	—
3c	n-C₄H₉	3.28	17.83±1.31	—
3d	n-C₅H₁₁	3.78	80.23±1.91	29.72±4.09
3e	n-C₆H₁₃	4.29	80.90±2.00	33.46±3.53
3f	n-C₇H₁₅	4.79	77.97±0.14	25.94±8.45
3g	n-C₈H₁₇	5.30	76.01±2.45	26.61±9.41
4a	C₂H₅	7.58	89.76±0.06	6.91±1.42
4b	n-C₃H₇	8.46	92.46±1.60	5.26±0.19
4c	n-C₄H₉	8.99	90.87±0.31	4.81±0.41
4d	n-C₅H₁₁	9.31	91.59±0.03	6.02±0.12
4e	n-C₆H₁₃	9.55	90.40±0.57	12.30±0.16
4f	n-C₇H₁₅	9.75	94.43±2.67	16.84±0.70
4g	n-C₈H₁₇	9.91	93.77±2.42	8.95±0.51
^a Positive control: oleanolic acid, IC₅₀＝(6.92±0.46) μmol/L. ^b“－”: not calculated, because the inhibition rate is less than 50%..

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表 2 目标化合物3f和4c与PTP1B的分子对接结果

Table 2. Molecular docking results of compounds 3f and 4c with PTP1B (PDB ID: 1NNY)

Compd.	Est. free energy of binding/ (kJ•mol^－1)	No. of H-bond	H-bonds (nm)	Polar (nm)	Hydrophobic (nm)	Pi-Pi (nm)
3f	－18.91	2	N2-ASP181 (0.320) N3-ASP181 (0.272)	H2-ASP181 (0.237) H3-ASP181(0.210) N5-ASP181 (0.377)	C8-PRO180 (0.321) C7-PRO180 (0.359) C15-PRO185 (0.380) C16-PRO185 (0.362)	C13-TYR152 (0.345) C14-TYR152 (0.358)
4c	－21.25	5	N3-VAL184 (0.307) N3-GLU186 (0.301) N4-GLU186 (0.341) N2-GLU186 (0.315) N5-SER190 (0.321)	O1-GLU186 (0.354) H3-GLU186 (0.296) H2-GLU186 (0.328) N1-GLU186 (0.366)	C29-TYR152 (0.304) C30-TYR152 (0.330) C3-PRO180 (0.325) C34-PHE182 (0.308) C4-PRO185 (0.383) C26-ALA189 (0.348) C25-ALA189 (0.325)	C15-PHE182 (0.350) C14-PHE182 (0.376)

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

1.
沈阳化工大学材料科学与工程学院沈阳 110142

基于咔唑的新型碳酰腙衍生物的合成及蛋白酪氨酸磷酸酶1B(PTP1B)抑制活性评价

通讯作者: 李英俊, E-mail: chemlab.lnnu@163.com; 李佳, jli@simm.ac.cn

English

Synthesis and Protein Tyrosine Phosphatase 1B (PTP1B) Inhibitory Activity Evaluation of Novel Carbazole-Based Carbohydrazone Derivatives

Corresponding author: Li Yingjun, chemlab.lnnu@163.com; Li Jia, jli@simm.ac.cn

图式 1

图式 2

1. 结果与讨论

1.1 目标化合物的合成

1.2 目标化合物3和4的结构确定

1.2.1 IR谱

图式 3

1.2.2 1H NMR谱

图式 4

1.2.3 13C NMR谱

1.3 目标化合物3和4的生物活性研究

表 1

1.4 理论计算

1.4.1 分子对接研究

图 1

图 2

表 2

1.4.2 Mulliken原子电荷分析

图 3

图 4

1.4.3 MEP计算

图 5

图 6

2. 结论

3. 实验部分

3.1 仪器与试剂

3.2 中间体化合物的合成

3.3 目标化合物3和4的合成通法

3.3.1 目标化合物3的合成通法

3.3.2 目标化合物4的合成通法

3.4 目标化合物生物活性测试

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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com

中国化学会秘书处

1.2.2 ¹H NMR谱

1.2.3 ¹³C NMR谱