4-(1′-哌嗪基)喹啉化合物的合成与分子动力学模拟研究

赵 杰， 袁敬竹， 周红娟， 高 阳, 刘 丹

(沈阳化工大学 制药与生物工程学院， 辽宁 沈阳 110142)



4-(1′-哌嗪基)喹啉化合物的合成与分子动力学模拟研究

赵 杰， 袁敬竹， 周红娟， 高 阳, 刘 丹

(沈阳化工大学 制药与生物工程学院， 辽宁 沈阳 110142)

分别以7-氟-4-氯喹啉(化合物1)及7-甲氧基-4-氯喹啉(化合物2)为原料合成7-氟-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物3)和7-甲氧基-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物4)，化合物结构以ESI-MS确证.将化合物3和化合物4分别与HER1、HER2蛋白形成的复合物进行分子动力学模拟，结果显示：化合物3与HER1的亲和力和化合物4与HER1的亲和力相似；化合物4与HER2的亲和力大于化合物3与HER2的亲和力；目标化合物与蛋白氨基酸残基形成氢键不是亲和力大小的决定性因素.

7-氟-4-(1′-哌嗪基)喹啉; 7-甲氧基-4-(1′-哌嗪基)喹啉; 酪氨酸激酶抑制剂

人表皮生长因子受体( human epithelial growth factor receptor，HER)家族由具有酪氨酸激酶活性的4种成员HER1、HER2、HER3 和 HER4组成.其中因HER1、HER2过量表达或者突变引起信号传递系统异常，导致恶性肿瘤的发生[1-2].以HER1、HER2为靶点的抗肿瘤治疗研究成为热点，并显示出广阔的应用前景.

已经上市和进入临床研究的HER1、HER2小分子抑制剂部分为4-苯氨基喹唑啉结构或4-苯氨基喹啉结构，如吉非替尼、埃罗替尼、拉帕替尼和来那替尼，化合物结构如图1所示[3-4]：

图1 部分上市或进入临床研究的小分子酪氨酸激酶抑制剂

文献报道喹啉或喹唑啉的4位苯氨基位于受体的疏水口袋中[5].本文根据已有的酪氨酸激酶抑制剂构效关系，将喹啉环的4位以哌嗪基取代,7位为吸电子的氟或供电子的甲氧基，并以7-氟(或甲氧基)-4-氯喹啉(化合物1或化合物2)为原料合成了目标化合物3和化合物4.以计算机辅助设计方法将化合物3或化合物4与HER1及HER2蛋白对接，进行分子动力学模拟，研究化合物3、化合物4与HER1蛋白及HER2蛋白之间的作用模式，为下一步以化合物3和化合物4为先导化合物研制新型抗肿瘤药提供依据.目标化合物的合成路线如下：

1 实验部分

1.1 化学合成

1.1.1 主要仪器和试剂

质谱用Thermo-Finnigan LCQ型质谱仪测定；间氟苯胺、间甲氧基苯胺，山东力德士化工有限公司；异丙醇，天津博迪化工有限公司；哌嗪，国药集团化学试剂.所用试剂均为分析纯.

1.1.2 7-氟-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物3)的合成

参考抗菌药氧氟沙星的合成[6]，将0.9 g(4.97 mmol)化合物1、4.27 g(49.7 mmol)哌嗪、3.7 g无水K2CO3溶于15 mL异丙醇中，回流反应，TLC监测至反应完全为止，冷却至室温，滤去不溶物，减压蒸除溶剂，得黄色油状物；硅胶柱色谱纯化，洗脱剂为氯仿/甲醇(V(氯仿)/V(甲醇)=10/1)，得0.86 g淡黄色固体，即化合物3，收率74.8 %，ESI-MS(m/s):232.4[M+H]+.

1.1.3 7-甲氧基-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物4)的合成

参照化合物3的合成方法制备化合物4，收率86.0 %，ESI-MS(m/s):244.0[M+H]+.

1.2 分子动力学模拟

模板结构来自于晶体复合物： HER1与抑制剂TAK-285复合物、HER2与抑制剂SYR127063复合物[7]；HER1(ID:3POZ)、HER2(ID:3PPO)晶体结构均来自于蛋白质数据库(protein data bank，简称PDB).将化合物3和化合物4分别与HER1、HER2蛋白对接，形成小分子-蛋白复合物.对其进行分子动力学模拟，运用MM/GBSA 方法计算结合自由能；考察HER1、HER2蛋白的主要氨基酸残基与目标化合物之间的相互作用，得出了化合物3和化合物4与HER1、HER2蛋白作用模式的初步信息.化合物与HER1、HER2蛋白的结合自由能数据及形成氢键情况见表1，与HER1、HER2的复合物晶体结构如图2～图5所示.

表1 化合物3和化合物4与HER1、HER2蛋白的结合自由能及氢键的形成情况

图2 化合物3与HER2蛋白形成的复合物的晶体结构

图3 化合物4与HER1蛋白形成的复合物的晶体结构

图4 化合物3与HER1、HER2蛋白

图5 化合物4与HER1、HER2蛋白形成

2 模拟结果与讨论

由表1看出:化合物3与HER2蛋白的结合自由能为-78.79 kJ/mol，化合物4与HER2蛋白的结合自由能为-121.00 kJ/mol，说明化合物4与HER2蛋白的亲和力大于化合物3与HER2蛋白的亲和力；化合物3喹啉环1位的N原子与HER2蛋白的SER783残基形成氢键作用(如图2)，化合物4与HER2蛋白无氢键形成.化合物3和HER1蛋白的结合自由能与化合物4和HER1蛋白的结合自由能大小相近，化合物3与HER1无氢键，而化合物4哌嗪基N上的H原子与HER1蛋白PHE856残基形成氢键(如图3)，由此看出形成氢键并不是配体与蛋白受体亲和力强弱的决定性因素.化合物3与化合物4仅仅是喹啉环的7位取代基不同，使得小分子配体与蛋白的作用模式发生了变化.

目前所开发的大部分酪氨酸激酶抑制剂可作为ATP与酪氨酸蛋白激酶结合的竞争性抑制剂，通过和ATP竞争来占据酶的ATP结合口袋，与胞内酪氨酸激酶催化区结合，抑制激酶催化活性，从而阻断细胞增殖信号.图4为化合物3分别与HER1和HER2形成的复合物动力学优化前后的晶体结构，HER1-化合物3复合物动力学优化后受体蛋白loop环区向内移动(图4(a))，通道有明显的收缩趋势，使结合腔变窄，可能会阻止其他底物进入结合腔；而HER2-化合物3的复合物动力学优化后HER2蛋白loop环区向外移动(图4(b))，通道有明显的扩张趋势，可能会导致其他底物进入结合腔.图5显示化合物4与HER1、HER2形成的复合物动力学优化前后的晶体结构，loop环区变化不明显.由此也可看出：化合物3和化合物4喹啉环7位取代基的不同，不仅改变了化合物与蛋白的结合模式，也对HER1和 HER2蛋白loop环区产生显著影响.

以7-氟-4-氯-喹啉为原料合成目标化合物3，反应物的投料配比对反应影响较大，7-氟-4-氯-喹啉与哌嗪的物质的量的比为1∶1.2和1∶2时，TCL检测反应基本不进行，配比为1∶10时，反应进行彻底，且无副产物生成.

3 结 论

设计合成了7-氟-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物3)和7-甲氧基-4-(1′-哌嗪基)喹啉(化合物4)，化合物结构以ESI-MS确证.化合物3和化合物4分别与HER1、HER2蛋白形成复合物，其动力学模拟结果显示，目标化合物与蛋白之间形成氢键不是亲和力大小的决定性因素.化合物3和化合物4喹啉环7位取代基的差别使得目标化合物与蛋白作用模式不同并对蛋白loop环区产生显著影响.以化合物3或化合物4为先导物进行的抗肿瘤化合物研究工作正在进行中.

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Synthesis and Molecular Dynamics Simulation of 4-(piperazin-1-yl) Quinolines

ZHAO Jie, YUAN Jing-zhu， ZHOU Hong-juan, GAO Yang, LIU Dan

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142， China)

7-fluoro-4-(piperazin-1-yl)quinolone 3 and 7-methoxy-4-(piperazin-1-yl)quinoline 4 were synthesized from 7-fluoro-4-chloroquinoline 1 and 7-methoxy-4-chloroquinoline 2,respectively and their structures were confirmed by ESI-MS.The molecular dynamics simulation of complex of 3 or 4 with HER1 and HER2 protein were performed.The main results showed that the binding affinity of 3 to HER1 was similar to that of 4 to HER1; the binding affinity of 4 to HER2 was stronger than that of 3 to HER2.The hydrogen bonds were not a decisive factor for affinity.

7-fluoro-4-(piperazin-1-yl) quinoline; 7-methoxy-4-(piperazin-1-yl) quinoline; tyrosine kinase inhibitor

2014-05-09

辽宁省教育厅科学研究一般项目(L2013171)；辽宁省大学生创新创业训练计划项目(201310149042)

赵杰(1990-)，男，甘肃金昌人，本科生在读,主要从事药物化学的研究.

刘丹(1971-)，女，辽宁沈阳人，副教授，博士，主要从事药物化学的研究.

2095-2198(2016)03-0223-04

10.3969/j.issn.2095-2198.2016.03.007

R914

A