苯酚取代基4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醚的合成及其抑菌活性

Synthesis and Anti-Bacterial Activities of Phenol Substituted 4-Amino-1,2,4-Triazole Thioethers

摘要: 以5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醇为原料，室温下在碱性水溶液中与卤代烃进行醚化反应得到3个苯酚取代基4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醚化合物，其结构通过¹H NMR、¹³C NMR、MS、IR、元素分析及单晶X-射线衍射等进行表征，采用倍比稀释法来测定中间体及3个目标产物化合物对金黄葡萄球菌、白色念珠菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌的抑制活性。晶体结构测试结果表明：化合物1和2a均存在分子内氢键，相邻分子之间主要通过氢键发生相互作用，硫醇结构变为硫醚结构后1,2,4-三氮唑五元环会发生翻转。抑菌活性测试结果表明：化合物1和2c在测试浓度范围内对白色念珠菌均有较好的抑菌活性，化合物1对金黄葡萄球菌的MIC值为500 μg/mL，化合物2c对大肠杆菌的MIC值为500μg/mL，而化合物2a和2b对供试菌种均无抑菌活性。

Abstract: Three phenol substituted 4-amino-1,2,4-triazole-3-thioethers were synthesized by etherification reaction of 2-(4-amino-5-mercapto-4H-1,2,4-triazol-3-yl)phenol with halohydrocarbon in alkaline aqueous solution under room temperature, and characterized by ¹H NMR, ¹³C NMR, IR, elemental analysis, and single-crystal X-ray diffraction, and then the inhibitory activity of compound 1 and 2a~2c against Escherichia coli, Candida albican, Staphyloccocus aureus and Bacillus subtilis were achieved by dilution doubling method. The experiment result of single-crystal X-ray diffraction revealed that both compound 1 and 2a have intramolecular hydrogen bonds, the neighbouring molecules interact mainly through hydrogen bonds, and the 1,2,4-triazole five-membered ring reverses when the thiol structure changes to a thioether structure. The result of anti-bacterial ac-tivities showed that both compounds 1 and 2c had good bacteriostatic activity against Candida al-bican within the test concentration rage, the MIC value of compound 1 for Staphyloccocus aureus was 500 μg/mL, and the MIC value of compound 2c on Escherichia coli was 500 μg/mL, while Compounds 2a and 2b had no antibacterial activity on the four tested strains.

1. 引言

1,2,4-三氮唑衍生物具有广泛的生物活性，在农药领域已被用作杀虫剂、除草剂和杀菌剂等，在医药领域用作抗癌、抗病毒、抗菌和镇定的药物 [1] [2] [3]，在金属腐蚀与防护 [4] [5] [6] 等领域有作重要的应用，因而受到国内外化学工作者的青睐。据文献报道，含有4-氨基-1,2,4-三氮唑结构的化合物因含有易与醛或酮反应的氨基以及亲核性较强的巯基，因而是一类极为重要的化工或药物设计合成中间体，其衍生物具有金属防腐性能 [4] [5] [6] 和潜在的生物活性 [7] - [13]，还可用于设计新型结构配位化合物 [14] [15] [16] [17]，在医药、农药、配位化学、金属腐蚀与防护等领域具有较好的学术价值和应用研究前景。关于3位苯酚取代基-4-氨基-1,2,4-三氮唑-5-硫醇及其并 [1] [3] [4] 硫嗪衍生物的合成已有文献报道 [18]，但是关于3位苯酚取代基-4-氨基-1,2,4-三氮唑-5-硫醚及其抗菌活性研究未见文献报道。我们在前人及前期研究工作的基础上 [19]，采用活性基团拼接法，参照文献 [18] 以水杨酸甲酯为起始原料，经肼解、成环等多步化学反应制备中间体5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醇，然后再经过醚化反应制备系列5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醚化合物，合成路线如图1所示(制备化合物2a时反应物R-X为氯乙酸甲酯，2b时R-X为苄溴，2c时R-X为3-氯甲基吡啶盐酸盐)，通过¹H NMR、¹³C NMR、MS、IR、元素分析以及单晶X-射线衍射等技术对化合物结构进行表征，考察了其对金黄葡萄球菌、白色念珠菌、枯草杆菌等的抗菌生物活性，为进一步合成具有多样性生物活性的衍生物和新型有机–金属配合物提供实物选择及参考。

Figure 1. Synthesis route of target compounds

图1. 目标化合物的合成路线图

2. 实验部分

2.1. 主要仪器和试剂

Bruker Smart APEX II CCD单晶X-射线衍射仪(德国Bruker公司)，Bruker AV500型核磁共振波谱仪(德国Bruker公司)，Agilent 质谱仪(美国Agilent公司)；Varian 640-IR傅立叶变换红外光谱仪(安捷伦公司)，Sarteorius-BS110S电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司)，SGW X-4B显微熔点测定仪(上海仪电物理光学仪器有限公司)，Vario ELIII型元素分析仪(德国Elementar公司)。SW-CJ-1F博讯超净工作台(上海博讯实业有限公司医疗设备厂)；YXQ-SL-100G博讯高压蒸汽灭菌锅(上海东亚压力容器制造有限公司)；LRH-250生化恒温培养箱(韶关市泰宏医疗器械有限公司)；DHG-9246A精宏电热恒温鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司)。

化学试剂：5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醇 [18] 进行制备、亚硫酰氯、水合肼(85%)、二硫化碳、苄溴、氯乙酸甲酯及3-氯甲基吡啶盐酸盐等均购自山东西亚化学工业有限公司，其余试剂均为市售分析纯，实验前未作纯化处理。

供试菌种：大肠杆菌(Escherichia coli ATCC 8739)，白色念珠菌(Candida albicans ATCC 10231)，金黄色葡萄球菌(Staphyloccocus aureus CICC 10786)，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis ATCC 6633)。

2.2. 5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醚(化合物2)的合成

参照文献 [19] 进行，以2a的合成为例，在100 mL二口瓶中加入5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醇2.083 g (0.01 mol)和水50 mL，冰浴搅拌下加入氢氧化钾1.125 g (0.02 mol) (合成2c时改用0.02 mol的碳酸钾)，待全部溶解为透明溶液后滴加氯乙酸甲酯2.5 mL，反应4 h后薄层析跟踪至反应结束，析出大量白色固体，抽滤，滤液缓慢用盐酸中和至沉淀完全为止，抽滤，合并两次所得固体产物，用大量水反复洗涤。固体烘干即得粗产物，用热无水乙醇重结晶，冷却自然会发即可析出大量的白色粉末产物，过滤后烘干后即得2.042 g白色粉末固体产物2a。

5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫代乙酸甲酯(化合物2a): 白色粉末，产率73%，m.p.: 196 ~ 197 ⁰C。¹H NMR(DMSO-d6, 500 MHz) δ: 2.97 (s, 3H, -CH₃), 4.13(s, 2H, -CH₂-), 6.07(s, 2H, -NH₂), 6.96-7.05(m, 2H, PhH), 7.37-7.40(t, H, J = 15, PhH), 7.80-7.81(d, H, J = 5, PhH), 11.00(s, H, -OH). ¹³C NMR(DMSO-d6, 125 MHz,)δ: 169.5, 156.1, 154.3, 152.9, 132.1, 130.0, 119.7, 116.9, 113.3, 52.9, 33.0. ESI-MS, m/z: 303.05[M+Na]⁺, 281.08[M+H]⁺. IR(KBr), n, cm^-1: 3431.65, 3431.65, 3202.87, 3043.13, 2955.62, 2850.77, 2706.39, 2603.82, 1736.80, 1620.37, 1597.32, 1532.79, 1500.68, 1471.13, 1437.06, 1391.76, 1306.51, 1269.72, 1251.88, 1229.41, 1191.30, 1173.34, 1129.56, 1100.52, 1048.63, 1011.83, 995.18, 966.33, 946.94, 906.37, 886.70, 832.36, 765.79, 746.69, 710.74, 676.30, 600.55, 555.02, 534.36. 元素分析, C₁₁H₁₂N₄O₃S, 实测值(计算值), %: C 47.20(47.13), H 4.30(4.32), N 20.07(19.99).

5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫代苄(化合物2b): 白色固体粉末，产率89%，m.p.: 204 ~ 205 ⁰C。¹H NMR(DMSO-d6, 500 MHz) δ: 4.46(s, 2H, -CH₂-), 6.01(s, 2H, -NH₂), 6.97-7.04(m, 2H, PhH), 7.28-7.48(m, 6H, PhH), 7.86-7.88(d, 1H, J = 10, PhH), 11.06(s, H, -OH)。¹³C NMR(DMSO-d6, 125 MHz,)δ: 156.2, 154.3, 153.2, 138.0, 132.0, 129.8, 129.5, 128.8, 127.9, 119.7, 116.9, 113.3, 35.2. ESI-MS, m/z: 321.08[M+Na] ⁺, 299.11[M+H]⁺. IR(KBr), n, cm^-1: 3440.56, 3303.50, 3189.83, 3027.36, 2917.45, 2817.60, 2446.85, 1829.15, 1607.02, 1585.50, 1522.54, 1494.75, 1470.86, 1455.02, 1435.73, 1413.16, 1403.92, 1386.90, 1345.34, 1292.00, 1264.38, 1250.32, 1223.98, 1157.41, 1132.33, 1104.02, 1070.39, 1042.32, 1010.16, 946.00, 830.73, 770.92, 762.03, 750.86, 726.36, 696.11, 683.31, 671.26, 597.02, 563.30, 532.87。元素分析, C₁₅H₁₄N₄OS，实测值(计算值), %: C 60.56(60.38), H 4.69(4.73), N 18.85(18.78)。

5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫代-3-亚甲基吡啶 (化合物2c): 白色固体粉末，产率62%，m.p.: 173 ~ 174 ⁰C。¹H NMR(DMSO-d6, 500 MHz) δ: 4.47(s, 2H, -CH₂-), 6.02(s, 2H, -NH₂), 6.94-6.98(t, 1H, J = 20, PhH), 7.01-7.04(d, 1H, J = 15, PhH), 7.34-7.39(m, 2H, PhH), 7.81-7.83(d, 1H, J = 10, PyH), 7.87-7.90(d, 1H, J = 15, PyH), 8.46-8.47(d, 1H, J = 5, PyH), 8.67(s, 1H, PyH), 11.03(s, H, -OH)。¹³C NMR(DMSO-d6, 125 MHz)δ: 156.1, 154.4, 152.7, 150.4, 148.9, 137.0, 134.3, 132.0, 129.9, 123.9, 119.7, 116.9, 113.3, 32.1. ESI-MS, m/z: 300.10[M+H] ⁺, 322.07[M+Na]⁺. IR(KBr), n, cm^-1: 3432.82, 3304.81, 3189.08, 2919.95, 2850.67, 2665.56, 2426.63, 1830.67, 1606.84, 1586.35, 1522.53, 1470.62, 1452.20, 1439.29, 1426.49, 1412.85, 1387.41, 1345.08, 1292.02, 1264.65, 1249.57, 1223.78, 1158.81, 1132.84, 1104.03, 1040.63, 1025.05, 1010.80, 945.27, 859.66, 824.15, 805.45, 761.53, 749.77, 725.37, 707.72, 684.08, 626.96, 597.70, 532.97。元素分析, C₁₄H₁₃N₅OS，实测值(计算值), %: C 56.24(56.17), H 4.35(4.38), N 23.47(23.40)。

2.3. 单晶培养

化合物1：取少许化合物1，用乙醇加热溶解为饱和溶液，然后滴入少许的盐酸混匀，搅拌混匀后自然冷却后过滤，滤液室温下静置数天后即可析出无色透明颗粒晶体，收集晶体用于晶体结构测试。

化合物2a：取少许化合物2a用5:1的乙醇和乙酸乙酯的混合溶剂加热溶解为饱和溶液，薄膜穿孔封口，静置自然缓慢挥发，数天后析出无色透明针状晶体，收集晶体用于晶体结构测试。

2.4. 晶体结构的测定

选取尺寸大小适当的单晶置于Bruker Smart APEX II CCD衍射仪，以石墨单色化的CuKα (λ = 0.154184 nm)射线在低温下进行测试晶胞参数并收集晶体衍射数据。分子结构用SHELX-97程序进行解析和结构优化，用直接法解出非氢原子坐标，氢原子坐标由Fourier合成法得出，经各项异性修正，表1为化合物1与化合物2a的主要晶体学数据和结构修正参数。

2.5. 抑菌活性测试

采用96孔板倍比稀释法来测定中间体化合物1与目标产物化合物2a和2b的最低抑菌浓度(MIC)。细菌用LB培养，真菌用PDB液体培养。各供试菌株液体培养8 h，用0.5麦氏标准比浊法作对照，调整菌液浓度到1 × 10⁵ cfu/mL的菌液待用。准确称取待测化合物1和化合物2a及2b，分别用DMSO溶解配制成100 mg/mL母液，再用LB稀释成1 mg/mL工作液，采用倍比稀释法用LB依次稀释第1~11孔大待测物的浓度为：1000、500、250、125、62.5、31.25、15.625、7.8125、3.90625、1.953125、0.9765625和0.48828125 μg/mL，第12孔为空白培养基对照，再分别加入100 μL浓度为1 × 10⁵ cfu/mL菌液，细菌置于30℃恒温箱中培养24 h，真菌置于28℃恒温箱中培养24 h。培养结束后，比较检测组与空白对照组浑浊度差异，观察孔内无明显细菌生长且液体相对澄清、无沉淀，所含的药物浓度即为最低抑菌浓度(MIC)值。测试结果如表2~5所示，表中“−”表示澄清且无肉眼可见菌落，“+”表示略浑浊且有肉眼可见菌落，“++”表示十分浑浊。

Table 1. Main crystal data and structure refinement for compound 1 and 2a

表1. 晶体结构测试条件及主要晶体学数据表

Table 2. The antibacterial activity of compounds 1

表2. 化合物1的抑菌活性

Table 3. The antibacterial activity of compounds 2a

表3. 化合物2a的抑菌活性

Table 4. The antibacterial activity of compounds 2b

表4. 化合物2b的抑菌活性

Table 5. The antibacterial activity of compounds 2c

表5. 化合物2c的抑菌活性

3. 结果与讨论

3.1. 制备条件及产物波谱学特征

目标产物的制备：由于中间体化合物1分子结构中有可与碱反应的巯基和羟基，加入碱的量是其物质的量的2倍，化合物1才能得到很好的溶解，推测巯基生成硫负离子，而羟基成氧负离子，均具有较强的亲核性，易与碳正离子进行反应，但是我们加入1倍或2倍于化合物1的物质的量的卤代烃，得到的均为同一产物，而且采用2倍量的卤代烃时，目标产物的产率没有得到明显提高，因此本实验中我们采用与化合物1相同物质的量的卤代烃进行反应。反应结束采用先抽滤，滤除固体产物后并用少量的水洗涤产物，再用盐酸中和滤液pH值到4~5之间仍然可惜出部分溶解的产物。

晶体的制备：在制备化合物1单晶的过程中，如未在其乙醇溶液体系中加入少许盐酸，则析出的是白色粉末固体，得不到单晶。在制备化合物2a单晶的过程中，采用薄膜穿孔封口的方法让溶剂缓慢挥发，如果敞口自然会发则得到的是白色粉末固体而不是晶体。尽管我们尝试通过改变溶剂体系(单一溶剂或混合溶剂)的方法对化合物2b和2c进行单晶培养，希望能够得到所有目标化合物单晶，遗憾的是目前还没有找到适合化合物2b和2c的单晶培养体系。

产物的波谱学特征：核磁共振氢谱显示，在化学位移11 ppm附近均能观察到化合物2a及2b分子结构中苯环上羟基的氢质子共振峰，在6 ppm附近观察到1,2,4-三氮唑五元环上氨基的氢质子共振峰，4~5 ppm之间显示存在亚甲基的质子共振峰。核磁共振碳谱均能观察到两个目标化合物分子结构中的亚甲基碳的共振峰。

3.2. 晶体结构

尽管我们尝试多种实验方法或改变实验条件对原料及所有目标化合物进行单晶培养，希望能够得到其可用于晶体结构测试的单晶，以便进一步了解其分子结构特征，可遗憾的是仅得到了5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醇(化合物1)和5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫代乙酸甲酯(化合物2a)的单晶，而5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫代苄(化合物2b)及5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫代-3-亚甲基吡啶(化合物2c)的单晶制备条件仍未找到。化合物1化合物晶体结构如图2所示，其中A图为晶体结构，B为晶胞堆积图，化合物1为单斜晶系，P21/c空间群，每个晶胞中包含4个化合物分子，晶体结构显示化合物1为硫酮结构，N(2)原子上链接1个氢原子。相邻化合物分子之间主要通过氢键发生相互作用，同时也存在分子内氢键。分子内氢键发生在苯环上的羟基与五元环上的氮原子之间，为O-H---N氢键，其作用距离为0.2629 nm [O(1)-H---N(1)]，属于作用较强的氢键。分子之间的氢键主要是O-H---N氢键和N-H---S氢键，其作用距离为0.3021 nm[O(1)-H---N(4)]和0.3237 nm[N(2)-H---S(1)]；其次，分子之间还存

Figure 2. Crystal structure and packing diagram of compound 1

图2. 化合物1晶体结构(A)及晶胞图(B)

在弱的C-H---C氢键和N-H---N氢键，C-H---C氢键主要发生在相邻分子的苯环之间，如C(4)-H---C(4)的作用距离为0.3491 nm，N(4)-H---N(1)的作用距离为0.3221 nm。相邻化合物分子的C=S基团之间还存在S---p作用，其作用距离为0.3475 nm [C(8)---S(1)]。分子结构中苯环所在平面与五元环所在平面之间呈现14.29 ⁰的夹角，其两个相连接的碳原子之间的距离为0.1462 nm [C(6) -C(7)]。分子中碳氧键的键长为0.1367 nm [C(1) -O(1)]，碳硫键的键长为0.1683 nm [C(8)-S(1)]，五元环上氮氮键的键长为0.1367 nm [N(1) -N(2)]，氨基氮原子与五元环上相连接的氮原子的的键长值为0.1404 nm [N(4)-N(3)]。

5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫代乙酸甲酯(化合物2a)的晶体结构(A)及晶胞图(B)如图3所示，为正交晶系，Pbca空间群，每个晶胞中包含8个化合物分子。化合物2a分子中五元环上瓜环不到氢原子，而化合物1分子中五元环上的一个氮原子存在N-H建，推测是在碱性条件下酮式结构向烯醇式结构转变生成化合物2a所致。从分子结构中不难看出，苯环所在平面与五元环所在平面呈现出较大的偏转角(50.17 ⁰)，说明其偏转角受到分子末端基团影响较大。分子中两个碳硫键(C-S)的键长值分别为0.1742 nm [C(8) -S(1)]和0.1803 nm [C(9) -S(1)]，平均值为0.1773 nm，均比化合物1分子中C=S键长值大。五元环上氨基与苯环上几乎处于同侧，他们之间存在分子内氢键，其作用距离为0.2923 nm [N(4)-H---O(1)]，而化合物1分子中酚羟基与五元环上的氮氮键处于同侧，推测可能是在发生化学反应的过程中五元环上会发生翻转。五元环与苯环之间的C-C键键长值为0.1466 nm [C(7)-C(6)]，与化合物1分子中五元环与苯环之间的C-C键键长值很相近，仅相差0.0002 nm，推测尽管五元环发生的翻转以及引入分子末端基团，但是对五元环与苯环之间的C-C键键长值几乎没有影响。

Figure 3. Crystal structure and packing diagram of compound 2a

图3. 化合物2a的晶体结构(A)及晶胞图(B)

以上讨论了中间体化合物1及化合物2a的晶体结构，由于苯环结构与五元环相连的碳碳单键可旋转，推测可能是分子引入末端基团后五元环发生的翻转，或者化合物2a在结晶状态下五元环会发生翻转，从而导致化合物1与化合物2a的分子结构中苯环所在平面与五元环所在平面呈现出较大的偏转角度。

3.3. 抗菌活性

初步测试结果表明中间体即化合物1在浓度1000 μg/mL和500 μg/mL下对金黄葡萄球菌具有杀菌活性，在1000~0.48828125 μg/mL范围内对白色念珠菌均有抑菌活性，而对枯草芽孢杆菌和大肠杆菌均无抑制活性。目标化合物2a和2b在测试浓度范围内对金黄葡萄球菌、白色念珠菌、枯草芽孢杆菌、大肠杆菌均无抑菌活性。化合物2c在较高浓度即1000 μg/mL和500 μg/mL时对大肠杆菌有杀菌作用，低于500 μg/mL时就没有杀菌或抑菌活性，但是其在测试浓度1000~0.48828125 μg/mL范围内对白色念珠菌均有抑菌活性，而对金葡萄球菌和枯草芽孢杆菌均无抑菌或杀菌活性。

4. 结论

合成并报道了三个5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫硫醚化合物，并对中间体5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醇及目标化合物5-(2-苯酚)-4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫代乙酸甲酯的晶体结构进行了讨论，硫醇结构变为硫醚结构后1,2,4-三氮唑五元环会发生翻转。化合物1及2c均对白色念珠菌具有很好的抑制活性，其余两个目标化合物对供试菌种均无抑菌活性。中间体及目标化合物均含有易与金属离子进行配位的氮原子和硫原子，其金属离子配合物及其它生物活性还有待进一步实验研究，此结果可为合成制备具有4-氨基-1,2,4-三氮唑-3-硫醚(或硫醇)结构的衍生物及其生物活性研究提供参考。

基金项目

贵州省大学生创新计划训练项目(20195200570)及贵州省教育厅项目(2016年教改第163号)。

NOTES

^*通讯作者。