喹诺酮是一类含有苯并吡啶酮酸结构的人工合成抗菌剂。因具有较好的口服和非肠道活性、宽广的抗菌谱、临床上可实现的剂量、相对低的耐药水平、独特的分子作用模式、容易的合成方法、很高的安全性等许多优点,常被用于治疗革兰阳性菌、革兰阴性菌和厌氧细菌等引起的感染性疾病。但随着临床上大量使用、甚至滥用,喹诺酮耐药性问题日趋严重,再加上新的有害病原菌不断产生,这些都严重威胁喹诺酮药物的使用。因此,开发结构新颖、耐药性小、药理学性质好、活性高的喹诺酮活性分子成为热门研究课题。唑类化合物作为重要的结构片段在药物设计和合成中发展迅速。许多唑类化合物都已成功开发,被广泛用于临床治疗各种疾病如抗菌、抗癌、抗寄生虫和抗炎等。尤其作为抗微生物试剂,大量氨基噻唑和甲硝唑衍生物如头孢他啶、头孢唑胺、卡努康、氨曲南、奥硝唑和奥克硝唑等在抗感染性疾病中起重要作用。这些药物在临床上的成功催生了一大批具有强活性的类似物。其中最常见的得到此类新分子的方法是基于现有临床药物引入氨基噻唑或甲硝唑片段来提高生物活性、降低微生物耐药性形成几率,从而构建新的生物活性分子。因此,本文以喹诺酮为先导化合物,基于国内外相关研究近况,结合喹诺酮耐药性形成机制,根据药物设计相关原理,对喹诺酮3-位进行结构修饰。设计合成了一系列新型喹诺酮-3-氨基噻唑和喹诺酮-3-甲硝唑化合物,评估了目标化合物抗微生物活性,筛选出高活性分子并进行构效关系分析,研究了高活性分子的生物相容度及微生物耐药性,揭示了高活性分子的量子力学性质并从分子层面和轨道层面对高活性分子生物特性进行解释,探索了高活性分子抗微生物作用靶点和作用机制,主要工作总结如下:(1)喹诺酮-3-唑类新化合物的合成(A)喹诺酮-3-氨基噻唑新化合物的合成:原甲酸三乙酯、醋酸酐和乙酰乙酸乙酯作为起始原料发生脱水缩合反应,以较高收率得到中间体II-1,然后再与2,4-二氟苯胺发生亲核取代反应以80%左右的收率得到化合物II-2。得到的化合物II-2在二苯醚为溶剂、250 oC条件下环化得到3-乙酰基喹诺酮II-3,再与不同的烷基卤以及苄基卤发生N-烷基化以及N-芳烷基化反应得到化合物II-4a-h和II-7a-f,然后在醋酸作溶剂室温下经溴化反应得到化合物II-5a-h和II-8a-f。最后,化合物II-5a-h和II-8a-f与硫脲在乙醇作溶剂,60 oC下环化得到目标分子喹诺酮-3-氨基噻唑II-6a-h和II-9a-f,收率在50%至60%之间。(B)喹诺酮-3-甲硝唑新化合物的合成:以醋酸酐、乙酰乙酸乙酯和原甲酸三乙酯为起始原料经过缩合反应得到中间体II-1,然后再与不同取代的苯胺在120oC条件下反应得到化合物III-1a–k,然后以二苯醚作溶剂、250 oC下回流得到3-乙酰基喹诺酮III-2a–k。化合物III-2a–k在DMF做溶剂、碳酸钾作碱条件下与溴乙烷发生N-烷基化反应得到中间体III-3a–k,然后在醋酸作溶剂进一步用液溴溴化得到二溴化合物III-4a–k。二溴化合物然后以THF作溶剂、三乙胺作碱以及亚磷酸乙酯作为还原剂得到一溴化合物III-5a–k。2-甲基-5-硝基咪唑在DMF作溶剂、碳酸钾作碱60 oC下搅拌一小时后将温度降至零度,30分钟后加入一溴化合物反应得到2-甲基-5-硝基咪唑取代的喹诺酮化合物III-6a–k。然后乙醇做溶剂用NaBH4在0 oC下还原III-6a–k得到喹诺酮-3-甲硝唑III-7a–k。其中目标化合物III-7j在以DMSO为溶剂碳酸钾作碱氧化亚铜作为催化剂条件下与不同的环胺反应得到另外三个喹诺酮-3-甲硝唑III-8a–c。(2)所有的目标化合物均经IR、NMR和HRMS等波谱手段证实。(3)喹诺酮-3-唑新化合物抗微生物活性分析(A)喹诺酮-3-氨基噻唑新化合物抗微生物活性分析:N-1位炔丙基修饰的化合物II-9f显示出广谱和强的抗微生物活性。其对伤寒杆菌的抑制能力很好,MIC=1μg/mL,活性分别比参考药物氯霉素和诺氟沙星高32倍和4倍。此外,MRSA对化合物II-9f也非常敏感(MIC=8μg/mL),活性与诺氟沙星相当。另外,与两种参考药物相比,该化合物对痢疾杆菌和铜绿假单胞菌,也表现出相当甚至更好的活性。相比与参考药物氟康唑(MIC=256μg/mL),化合物II-9f(MIC=8μg/mL)抗黄曲霉菌活性比氟康唑高32倍。此外,目标分子II-9f对于其他真菌也表现中等到好的抑制能力,MIC=8–32μg/mL。(B)喹诺酮-3-甲硝唑新化合物抗细菌活性分析:化合物III-8c显示出好的广谱和高效的抗菌活性。其对金黄色葡萄球菌菌株表现出显著的抑制作用,MIC值为1μg/mL,活性比诺氟沙星(MIC=4μg/mL)高4倍。此外,MRSA对化合物III-8c(MIC=4μg/mL)比对诺氟沙星(MIC=8μg/mL)更敏感。在所有的目标化合物中,III-8c对于痢疾杆菌的抑制能力最强(MIC=2μg/mL),活性是参考药物诺氟沙星的8倍。(4)耐药性研究发现,相比于我们的活性分子II-9f、III-7k和III-8c,MRSA更易对临床药物诺氟沙星产生耐药性。杀菌动力学研究表明,活性分子II-9f的浓度为4倍MIC时,1小时后大多数MRSA被杀死,这表明该化合物对MRSA具有快速杀灭作用。体外细胞毒性研究揭示,活性分子II-9f、III-7k及III-8c没有细胞毒性。(5)膜通透性实验发现活性分子II-9f对革兰阳性菌(MRSA)和革兰阴性菌(B.typhi)细菌膜均有一定的作用。分子对接表明,化合物II-9f可与拓扑异构酶IV-DNA络合物之间发生氢键作用和疏水相互作用。化合物III-8c也可与拓扑异构酶IV及DNA通过多种分子间作用力相互结合。化合物III-8c和HSA结合研究发现,III-8c与HSA之间的主要作用力类型为氢键和疏水相互作用。本论文共计合成化合物58个,目标化合物28个,其中喹诺酮-3-氨基噻唑化合物28个,喹诺酮-3-甲硝唑化合物30个。