（林产化学加工工程专业论文）松香衍生物的合成、结构表征及生物活性研究.pdf

摘要 松香是我国林产化学工业中最重要的产品之一，是宝贵的可再生资源。它既是一 种传统中药，也可作为农药原料，由于其自身具有一定的生物活性，它的很多衍生物 被用于医药的合成。为寻找更多、更好生物活性及应用广泛的松香类衍生物，本论文 尝试从不同的途径对脱氢枞胺和枞酸进行改性，得到三种具有新型结构的化合物，并 探索它们在生物活性方面的应用。 以脱氢枞胺和氯乙酸为原料，通过n 一烃化反应对脱氢枞胺的氨基进行修饰，增加 其水溶性，合成了未见文献报道的新化合物n ，n 一二羧甲基脱氢枞胺。反应以乙醇和水 为溶剂，首先用k o h 水溶液与氯乙酸成盐，在碱性条件下，向其中缓慢滴加脱氢枞 胺乙醇溶液，反应温度为6 2 。c 。采用f t o l r 、m s 、1 h n m r 对产物结构进行了表征。 初步的生物活性检测发现，目标产物对白腐菌( 平革) 、裂褶菌、褐腐菌和云芝( c v ) 有明显的抑制效果。 以脱氢枞胺和2 ，3 ，4 三羟基苯甲醛为原料，通过亲核加成反应合成了未见文献报 道的s c h i f f 碱。该反应以甲醇为溶剂，在6 5 下搅拌反应3h ，用无水乙醇重结晶得 到纯的产物。采用f t - i r 、m s 、1 hn m r 对产物的结构进行了表征确证为目标产物。 对产物进行的生物活性检测发现产物对酵母菌、白腐菌和绿色木酶无明显抑制效果。 用具有独特结构、性质和生物活性的【6 0 】富勒烯对枞酸进行修饰。反应在氮气保 护下进行，邻二氯苯为溶剂，以氯化锌为催化剂加热回流反应混合物，得到了新的化 合物，柱层析提纯得到c 6 0 的加合物。最终产物经f t - i r 、m a l d i t o f m s 、1 hn m r 、 ”cn m r 分析推断证明并非是预期的d i e l s a l d e r 加成物，而是枞酸脱羧、脱氢芳构化 后与c 6 0 加合形成了开环轮烯结构。 关键词：松香枞酸脱氢枞胺富勒烯生物活性 a b s t r a c t r o s i ni sat r a d i t i o n a 】c h i n e s em e d i c i n ea n dm a n yo fi t sd e r i v a t i v e sh a v eb e e nu s e di n t h es y n t h e s i so fm e d i c i n e i no r d e rt os e a r c hf o rn e wr o s i nd e r i v a t i v eh a v i n gh i g h e ra n d b e t t e rb i o l o g i c a la c t i v i t i e s ，w ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e dt h r e en e wr o s i nd e n v a t i v e sf r o m a b i e t i ca c i da n dd e h y d r o a b i e t y l a l a m i n e t h ef i r s tp a r ti st h es y n t h e s i so fn ，n - b i c a r b o x y m e t h y ld e h y d r o a b i e t y l a m i n e t h ef i r s t s t e pi st h er e a c t i o no fc h o r o a c e f i ca c i da n dk o h t oo b t a i np o t a s s i u mc h o r o a c e t a t ew h i c h w a st h e nr e a c tw i t hd e h y d r o a b i e t y l a m i n ea t6 2 f o rl8h o u r st oo b t a i nt h ea i m e d c o m p o u n dw h i c hw a sc h a r a c t e r i z e db yi r m sa n d hn m r t h ep r i m a r yb i o a c t i v i t yt e s t s h o w e dt h a ti th a di n h i b i t i n ge f f e c to np h a r n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m ( p c ) ，s c h i s o p h y l l u m e o l n m u n e ，c o r i o l u sv e r s i c o l o r ( c v ) a n dg l o e o p h y l l u me r a b e u m an e ws c h i f fb a s ew a s s y n t h e s i z e d f r o m d e h y d r o a b i e t 3 ，l a m i n e a n d 2 ，3 ，4 一t r i h y d r o x y lb e n z a l d e h y d ea t6 5 。ci nm e t h a n o l ，t h es t r u c t u r ew a sc h a r a c t e r i z e db y i r m sa n d1 hn m r t h ep r i m a r yb i o a c t i v i t yt e s ts h o w e dt h a ti td i s p l a y e dn os i g n i f i c a n t a n t i b a c t e r i a la c t i v i t i e st o w a r d sw h i t e r o tf u n g u s ，m i c r o z y m e b e c a u s eo f t h e 6 0 f u l l e r e n e su n u s u a ls t r u c t u r ea n da c t i v i t y , w eu s e di tt or e a c tw i t h a b i e t i ca c i dw h i c ha l s oh a v eb i o a c t i v i t y w eu s e do d c ba st h es o l v e n ta n dz n c l 2a st h e c a t a l y s t t h er e a c t i o nw e n tu n d e rt h en 2f o r8h o u r s t h ec 6 0a d d u c nw e r ei s o l a t e db ys i l i c a c o l u m nc h r o m a t o g r a p h ya n dc h a r a c t e r i z e db yf t - i r 、”cn m r 、1 hn m r 、m a l d i - t o f o m s n e r e s u l t ss h o w e dt h a td e h y d r o g e n a t i o na n dd e c a r b o x y l a f i o nt a k ep l a c e da n da f f o r dc 6 0 a d d u c t sw i t ha r o m a t i cg r o u pi nt h i sr e a c t i o n k e y w o r d s ：r o s i ma b i e t i ca c i d ，d e h y d r o a b i e t y l a m i n e ；f u l l c r e n e ；b i o a c t i v i t y i i 致谢 在论文完成之际，感谢我敬爱的导师林中祥教授。感谢林老师三年来对 我实验、论文写作上的精心指导，在最艰难的时刻给我鼓励和帮助；林老师 渊博的学术学识、严谨的治学态度将会深深影响我的一生! 感谢赵林果老师一直对我实验及论文写作的指导和帮助! 感谢本实验室高健同学一直以来对我的帮助! 感谢师兄何滨、师弟熊圭、王鹏、师妹杨大伟、范旭、从赫雷以及陈文 婷等2 0 0 2 级同学大力支持和帮助! 感谢中山大学邓慧敏老师的鼎力相助! 感谢本校理化测试中心的袁崔梅老师和于佳老师以极大的耐心在实验检 测方面给予我便利和帮助! 感谢南京林业大学化学工程学院和研究生院各领导、老师、同学、朋友 近七年来对我的培养、关心和支持! 感谢我的亲人、朋友一直以来对我的无怨无悔的大力支持和帮助! 感谢国家自然科学基金( 项目批准号：3 0 3 7 1 1 3 9 ) 的赞助! 丁霞 2 0 0 6 5 第一章前言 1 1 松香 松香是具有重大经济价值的天然树腊之一，是宝贵的可再生资源【i 】。它作为一种重要 的林化产品，一直被直接或经过加工后用于各部门，其应用范围非常广，应用方式也非常 多，是国民经济不可缺少的化工原料。松香的深加工产品广泛地应用在涂料、肥皂、纸张、 油墨、胶粘剂、电器、农药、香料、食品医药和化妆品等工领域，有着广阔的国内和国际 市场耻】。国内随着汽车、造纸、建筑行业的发展，对再加工产品需求的增长将越来越大； 当前国际上出现以松香等可再生资源代替日趋枯竭的石油资源发展精细化学品的趋向，松 香的利用已由直接利用松香混合物初级产品向深度利用松香衍生物纯品、开发专用的系列 化产品发展，各国科学家纷纷利用松脂这一丰富资源不断开发精细化学品，国际市场虽竞 争剧烈，但潜力巨大【“。 松香的世界年产量1 2 0 万吨以上，其中中国、美国产量约占总产量的一半，是世界 松香市场主要的供应国。我国松树资源丰富，是松香产量最大的国家，目前我国松香深加 工产品约有3 0 多个品种，主要为歧化松香、氢化松香、聚合松香、马来松香、松香树脂、 松香盐等，用于如防腐、防潮、绝缘、粘合、乳化等，广泛应用于材料、化学、化工各领 域。但是与先进的工业国相比，我们还是比较落后的，也远远不能满足国民经济不断发展 的要求。我国使用和出口的几乎都是原料松香，合成精细产品的工作尚处于起步阶段，低 价的松香出口和高价的松香深加工产品进口既制约了国内松香产业的发展，也不适应我国 化工、制药等产业对松香产品的需要。因此，开展松香改性的研究，开发出符合我国市场需 求的深加工松香产品就显得十分重要，这不仅对国家和地方经济的发展，而且对我国林业资 源的合理开发和利用以及生态环境的保护都有十分重要的意义l 2 - 6 。 1 1 1 松香的结构与组成 松香是淡黄色、透明玻璃状的脆性物质，常温下可以溶于醇、醚、汽油等溶剂，不溶 于水，易结晶。不同松树树种的松香基本具有相似的化学组成，但是相对含量有所不同。 松香是多种树脂酸和少量脂肪酸、中性物质的混合物，其中树脂酸是主要成分，约占其总量 的9 0 p 上【7 】。树脂酸是一类分子式为c 1 9 h 2 9 c o o h 的同分异构体的总称，它们都具有一 个三元环菲架结构、两个双键及一个羧基，可分为共轭双键型( 枞酸型) 树脂酸、非共轭双 键型( 海松酸型) 树脂酸和去氢( 脱氢) 、氢化树脂酸，如下图所示悼叫： 枞酸型树脂酸( a b i e t i c t y p e r o s i n ) 枞酸新枞酸 a b i e t i ea c i dn e o a b i e t i ca c i d 左旋海松酸长叶松酸 l e v o p i m a r i ca c i d p a l u s t r i ca c i d 海松酸型树脂酸( p i m a r i c t y p e r o s i n ) 海松酸p i m a r i c 异海松酸i s o p i m a r i ca c i d 去氢、氢化树脂酸( d e h y d r o g e n a t e da n g k y d r o g n a t e dr o s i n ) 去氢枞酸 二氢枞酸 四氢枞酸 d e h y d r o a b i e t i ca c i dd i h y d r o a b i e t i ca c i dt e t r a h y d r o a b i e t i ca c i d 枞酸型树脂酸中的双键是共轭的，反应活性很高，可以发生许多反应，并且，他们之间可 以在不同的条件下进行双键转移、氢化、脱氢 m 1 和互相转换。枞酸型树脂酸热异构或酸 异构反应都可以用质子的加成或消去平衡来解释。这类树脂酸加热时由于羧基的催化作用 而引起同分异构反应，反应速度随羧基浓度不同而异【7 l 。 1 1 2 松香的改性与应用 松香由于其结构上的特点具有很多优良性能，如防腐、防潮、绝缘、粘合、乳化等，从 而广泛应用于材料、化学、化工等各领域。但由于松香本身存在一些不足，如在溶剂中的 容易结晶、在空气中易氧化、软化点低、易于和清漆中的重金属盐反应等，而限制了它在 许多工业部门的更广泛应用。为了消除松香这些性能上的缺陷，必须利用松香的化学性质 对其进行改性，改性后的松香不同程度地克服了上述缺陷，应用更为广泛j 。 松香的化学性质主要取决于树脂酸，树脂酸分子结构有双键和羧基两个化学活性中心 川。枞酸型树脂酸中的双键是共轭的，反应活性很高，可以发生许多反应，常利用共轭双键 的反应( 包括异构、氧化、酯化、聚合和加成等) 作为松香改性的基础，因此基于双键的 反应在松香的改性中占有重要的地位。松香中所含的树脂酸也和其他一元酸一样，可以进 行典型的羧基反应所生成的树腊酸盐及酯就是重要的工业衍生物，其他的反应也包括羧基 间的脱水成酸酐和还原成松香醇以及氨解为腈并还原为胺等等，再由树脂酸酐、醇、腈、 胺等；利用松香中树脂酸的亲油结构，对羧基进行改性可以制成不同类型的表面活性剂 0 2 。由于羧基位于叔碳原子上，有较大的空间位阻，树脂酸的某些反应如酯化反应要比 一般的脂肪酸困难，因此需要采用更高的反应条件，且反应往往伴随脱羧现象。松香树脂 酸羧基的改性是松香工业中最早开发，也是研究最多的领域，其研究与开发主要集中在酯化 反应上这方面的工作开展的很深入，很难有更大的发展淞香树脂酸与马来酸酐( 或富马酸) 的加成反应的研究也很成熟。因此今后段时间内，松香改性的研究将集中在对羧基进行 其它方面的改性( 如接入高分子链等) 以及基于双键的一些特殊反应( 如氯化、溴化、环氧 化和过氧化等) ；另外，综合利用树脂酸分子中的羧基和双键进行改性已是越来越多人的共 识撒认为是松香工业的发展趋势所在。利用松香对高分子量的树脂进行改性( 如松香改性 酚醛树脂等) 也将是研究的热点之一【6 1o j 。芳环上的修饰是松香改性的另个非常热门方 向，其中包括脱烷基化、硝化、溴代、开环以及增环等。 1 1 3 松香及其衍生物的生物活性 大量的研究表明，松香自身具有很好的生物活性，对松香进行化学修饰后得到的产物 在疾病治疗和抗菌、杀虫等方面有显著的效果。 以松香酸为原料合成的雷酚内酯【l3 】是药用植物雷公藤的有效成分之一，具有舒筋活 血、消肿止痛的功效，多用于类似风湿类关节炎的治疗。由中国医药研究开发中心开发出 的新磺酸去氢松香酸是一种可用于治疗消化道溃疡、急慢性胃炎及糜烂性胃炎等疾病【1 4 。 以天然松香酸衍生物一一脱氢枞酸为原料合成的6 种脱氢松香基季铵盐对金黄色葡萄球 菌及大肠杆菌具有一定抗菌活性l l5 】以松香酸与去氢松香酸为主要成分的去痹痛注射荆经 多年临床使用和毒理药理实验证实此药疗效好、作用持久、毒副作用小【1 6 , 1 7 。由松香皂和 纯碱水溶液配置而成的合剂一一松碱合剂对害虫由触杀作用，很早用于防治介壳虫、橘蚜 虫等。 1 2 脱氢枞胺 脱氢枞胺( 图1 2 ) 又叫去氢枞胺【1 8 】，是一种具有光学活性的胺。它是研究最多、应 用最广的松香衍生物之一，具有性质稳定，比旋光度较大等其它松香衍生物所不具备的一 些独特理化性质，是一种重要的林产品，在造纸、医药、农药、化工等方面有着广泛的应 用，可用作金属缓蚀剂、润滑油添加剂、原油破乳剂、木材防腐的菌剂、防霉剂 4 】和手性 药物光学拆分剂 t 9 1 等。当前，世界松香胺年用量约3 0 0 0 4 0 0 0 吨，并按1 0 年比率递增， 目前该产品主要由美国h e r c u l e s c o 生产供应，年生产量仅为1 8 0 0 2 5 0 0 吨，世界松 香胺年缺口约1 0 0 0 余吨i ”l 。 图1 2 脱氢枞胺 工业生产上由脱氢枞酸经胺化生成松香腈后氢化而得松香胺1 4 。天然松香或改性松 香与催化剂混合，在较高温度下通入气态氨，使树脂酸分子上的羧基和氨作用，脱水而生 成松香腈。反应通式如下： r c o o h + n h 3 催化剂 r c n + h 2 0 上式r 代表一个树脂酸基，例如，枞基、脱氢枞基或四氢枞基等，各种松香均可用来 制备松香腈。松香腈在p t 、n i 等催化剂作用下加压氢化制备松香胺。其反应以下列通式 表示： c a t r c n + h 2 r c h = n h + h 2 c a t r c h 司m r c h 2 n i l 2 脱氢松香胺含有氨基和芳环两种反应性基团，通过这两种基团的反应可进行相应的改 性。氨基又是一个很好的反应基团，通过它可以衍生得到多种功能化合物，对氨基进行改 性可以合成表面活性剂、手性配体和手性相转移催化剂以及手性衍生试剂等；在芳环上可 以进行各种芳烃反应，芳烃化后的产物本身具有很好的应用价值，为脱氢松香胺的进一步 改性奠定了基础。对胺基和芳环的综合改性，迸一步拓宽了脱氢松香胺类衍生物的应用领 域。 作为松香酸的衍生物，脱氢枞胺及其醋酸盐具有一定的生物活性，可以作为优异的杀 虫剂、杀菌剂和杀藻剂；对脱氢枞胺进行改性可以获得一系列具有生物活性和特殊性质的 衍生物。 1 9 9 9 年，梁梦兰等【2 0 】以脱氢松香胺为原料合成的n ，n ，二甲基- n 一脱氢松香基氯化铵 和n ，n ，n 三甲基n 脱氢松香基单甲酯胺具有良好的表面活性，并且与直链季胺盐类阳 离子表面活性剂一样具有良好的杀菌和抑菌性能。 1 9 9 9 年曾滔等 2 1 1 以n ，n 一聚氧乙烯松香胺为原料合成的n ，n 一聚氧乙烯基n ，苄基氯 化铵，在杀菌剂、防霉剂等方面有较好的应用前景。 王延等【矧以脱氢松香胺为原料合成了六种脱氢松香基季铵盐阳离子表面活性剂，对 其表面与抗茵性能的测试表明这些表面活性剂具有良好的表面活性和良好的杀菌抑菌性 能。 1 9 9 3 年w i l k e r s o n ，w e n d e l lw 等1 2 3 】以脱氢松香胺为原料合成四种衍生物，它们是磷 脂酶a 2 ( p l a 2 ) 潜在的抑制剂，并且对十四( 烷) 酰佛波醇的醋酸盐引起的耳水肿有 抑制作用。 而以脱氢松香胺合成s c h i f f 碱及相应的金属配合物并探索它们在生物活性和手性催 化活性的研究国内外均有大量的文献报道【2 4 j 。 1 3 富勒烯c 6 0 综述 富勒烯是由炭原子组成的、封闭的球形分子，是继金刚石、石墨之后发现的碳单质的 第三种同素异形体，其中c 6 0 和c 7 0 为富勒烯家族的典型代表。1 9 8 5 年k r o t o ，c u r l 和s m a l l e y 等 2 5 】在n a t u r e 报道了富勒烯的发现，并为此获得1 9 9 6 年诺贝尔化学奖；1 9 9 0 年德国科 学家k r a t e h m e r 和美国科学家h u f f m a n 在h e 气氛下用电弧法成功地制各和分离出宏观量 的c 6 0 和c ，。，为c 6 0 的进一步研究奠定了物质基础【2 6 。富勒烯家族的发现使我们了解到 一个全新的碳化学世界，是世界科学史上的一个里程碑。c 6 0 是碳灰中含量最丰富的一种 富勒烯化合物，其研究工作到目前为止开展得最为深入和全面【2 ”。对c 6 0 的研究已经涉及 到有机化学、无机化学、生命科学、材料科学、高分子科学、催化化学、电化学、超导体 与铁磁体等众多学科和应用研究领域，并越来越显示出巨大的潜力和重要的研究及应用价 值1 2 7 】。由于c 6 0 富勒烯独特的电子结构和物理化学性质，引起各国科学家的普遍关注。尤 其是富勒烯的化学可修饰性及其本身和衍生物潜在的应用前景，更使c 6 0 及相关问题的研 究空前活跃。研究发现c 6 0 分子中炭原予有独特的成键规律，可通过对碳烯球的修饰得到 一系列新的化合物。c6 0 及其衍生物具有超导性、铁磁性及光学性质等一系列特殊性质， 可用作有机超导材料、高能燃料、催化剂等。富勒烯在生物及医药方面也有广泛的应用前 景。各类研究表明，c 6 0 及其衍生物在自由基消除剂、水溶性抗氧化剂、抗病毒、酶的抑 制等方面有着相当广泛的应用前景 2 8 , 2 9 。合成带不同取代基的c e 。衍生物并进行表征是国 际上化学和材料化学研究领域中一个前沿课题。氧化反应、还原反应、自由基反应、电荷 转移复合物的制备和加成反应，特别是环加成反应已成为c 6 0 化学修饰的强有力工具【3 0 i 。 1 3 1 富勒烯c 6 0 的结构 c 6 0 为6 0 个碳原子组成的碳多面体原子簇，是由1 2 个五边形和2 0 个六边形环稠合 所构成的笼状3 2 面体( 又称截角二十面体) ，每一个顶点是两个六元环和一个五元环的聚 合点，每一个碳原子和相邻的三个碳原子成键共形成9 0 个键位，具有高度稳定性和对称 性。其性状很象一个足球，c 6 0 的晶体结构数据表明【3 “，五边形为单键( 键长为o 1 4 5n m ) ， 2 个六边形环的公共棱边则为双键( 键长约为0 + 1 3 8n l t l ) ，其结构( 图1 3 ) 如下： 囝 图1 3 富勒烯c 6 0 1 3 2 富勒烯c 6 。性质和反应规则 各方面的证据表明3 2 】，c 6 0 的最突出的性质就是亲电性，其电子亲和势为2 6 5 e v 。理 论计算证明该分子具有最低能量的l u m o 轨道，因而c 6 0 分子具有缺电子烯烃的一些性 质，可以发生环加成反应，亲核、亲电加成，自由基加成，包合反应，聚合反应，光化学 反应，氧化反应等口0 。，其中最为经典的反应是打开双键的加成反应，而加成反应中研究 最多的是环加成反应，c 6 0 可以发生 6 + 2 环加成， 4 + 2 环加成 3 3 - 3 6 ， 3 + 2 环加成， 2 + 2 】 环加成，1 + 2 1 环加成【3 7 , 3 8 1 等加成反应。 由c 6 0 的结构特性和已实现的大量的化学反应，可归纳出如下反应规则： 1 ) 6 0 的反应性符合适度定域有缺电子性的聚烯烃。c 6 0 由于其球状曲面结构，具有缺 电子烯烃的的性质，六元环中的双键为反应活性点，主要有对 6 ，6 】双键的加成，特别是亲 核加成、自由基加成、环加成和n2 迁移金属络合物的形成，此外，各种形式的氢化、 卤化及路易斯酸复合物也可形成。 2 ) 加成反应的驱动力是富勒烯笼中张力的解除。在球形的c 6 0 内，高度角锥化的 s p 2 2 8 杂化的碳原子在分子内引起了大量的张力能，这导致饱和的四面体杂化s p 3 碳原 子的反应，在大多数情况下，对c 6 0 的加成反应是放热的。 3 ) 加成反应的区域化学是由富勒烯骨架上形成最少的 5 ，6 双键决定的。根据c 6 0 反 应的b r c d t 规则1 4 0 i ，产物的c 6 0 核上双键应尽可能多的位于 6 ，6 环稠合处或尽可能多的 保持5 环辐射状径烯的结构，这样在能量上有利。所以对无空间排斥作用的试剂的有利 模式应该是 6 ，6 】加成生成 6 ，6 闭环异构体，否则将引入 5 ，6 】双键，而每增加一个 5 ，6 】双 键要消耗3 5 5 9 k j m o l 能量【4 “。 1 3 3 富勒烯c 6 0 的化学修饰 自c 6 0 能够以宏观量制备以来，c 6 0 的化学修饰引起了化学家们的极大兴趣。如今对 它的化学修饰主要集中在它的生物活性、反应机理研究及设计、合成功能性化台物包括 c 6 0 的二次衍生物上。根据修饰的方法不同，可分为电化学合成，金属有机化学反应和经典 有机化学反应。其中在经典有机化学反应中，包括氢化反应、卤化反应、氧化反应、自由 基反应、亲核加成、e n e 反应、r e t r o e r i e 反应等，环加成反应是 6 0 富勒烯功能化的最可行 方法之一1 4 2 l 。因此c 6 0 的化学修饰内容极为丰富，为c 6 0 的功能化及其衍生物的制备、 应用提供了广阔的前景。 1 3 。4 富勒烯c 6 0 及其衍生物的生物活性研究 富勒烯在生物及医药方面也有广泛的应用前景。c s o 生物活性材料的研究是近年来兴 起的研究方向，主要是因为它的衍生物具有良好的生物活性【4 3 。c c ；0 是一种理想的药效载 体，它可以与大量的试剂反应，具有独特的三位拓扑结构，并与已知的药物分子具有相似的 尺寸。各类研究表明，c 6 0 及其衍生物在自由基消除剂、水溶性抗氧化剂、抗病毒、酶的 抑制等方面有着相当广泛的应用前景4 6 】。直接将富勒烯和生物活性物质相连，研究其在 生物学上的应用前景也十分诱人。 1 9 9 3 年f r i e d m a n 等人 4 7 1 发现合成出来的水溶性c 6 0 衍生物对人体免疫缺损病毒 蛋白酶具有抑制作用；c 6 0 的羟基化合物富勒醇( f u l l e r o l ) 所含的多个羟基和中等 的电子亲和力使得它们宜于在生物系统中充当自由基清除剂和水溶性抗氧化剂，现己发现 富勒醇能减小患病血液中自由基的浓度并抑制畸形及患病细胞的生长【4 ”。c h i a n g 等人报 道富勒醇具有吞噬黄嘌呤黄嘌呤氧化酶产生的超氧阴离子自由基的功能 4 9 】。孙大勇等 发现富勒醇对破坏能力很强的羟基自由基具有良好的清除作用 5 0 1 , 也曾报道了六对水溶 性羧酸c 6 0 衍生物具有救活饥饿细胞的作用，发现它们能使患有l o ug e h i g 疾病的老鼠 的寿命延长1 0 天。t o k u y a m a 等1 5 l j 发现某些水溶性羧酸及其盐的c 6 0 衍生物在光照下 对毒性细胞的生长具有抑制作用，这为c 6 0 衍生物在光动力治疗疾病方面开辟了美好的 前景。y n a k a j i m a 等 5 2 j 认为溶于含有聚乙烯吡咯烷酮水溶性的c 6 0 衍生物能广泛地用于 医学和化妆品分散剂及黏合调节剂，同时他们对此溶液做了溶血作用试验，发现对血液无 任何影响。 1 4 本课题的研究内容及意义 以松香为原料开发的工业产品有很多。松香产品的特点是：原料丰富可再生，价格相 对便宜，毒性小，与环境友好。因此，越来越多的领域鼓励用松香类制品。提高松香行业 的深加工水平、发展松香产品深加工产业、加大产品的科学技术含量有利于解决我国松香 行业“多出口，少得汇”问题。因此，研究生产有高附加价值的松香改性产品是科学工作 者的重要研究课题，也是本课题的主要研究背景。 松香是一种重要的林产化工产品松香，在医药和农药上也有着广泛的应用。以松香为 原料经过改性可以合成一系列的有生物活性的化合物。本论文拟用不同的途径对脱氢枞胺 和枞酸进行化学修饰，希望得到具有新型结构和性质的松香衍生物。我们将对不同的改性 路线进行探索，对反应工艺、分离提纯方法、结构鉴定以及生物活性检测进行分析和讨论。 本课题的研究对于扩大松香的用途，进一步充分利用松香这一丰富的再生资源，开发 新型的精细化工新产品，增加科技含量，以满足国内各行业的要求；同时，增加松香深加 工产品的出口创汇能力，振兴松腊工业，加快西部地区经济的发展具有重要意义。 第二章n ，n 二羧甲基脱氢枞胺的合成与生物活性研究 2 1 引言 随着人类环境保护意识的普遍提高，加上石油价格的不断上涨，利用松香等可再生的 天然资源代替石油束发展精细化工已成为国内外的一种趋势。松香的利用已由直接利用松 香混合物初级产品向深度利用松香衍生物纯品、开发专用的系列化产品发展。脱氢松香胺 类衍生物的合成与应用就是松香衍生物纯品利用中的一个重要方面。 有机分子中氨基上的氢原子被烃基取代的反应称n 一烃化【5 ”。常用的n 一烃化剂有醇类、 卤烷、酯类、不饱和烃、环氧化台物及醛类和酮类，其中卤烷是最为常用的一种。卤烷是 比醇类活泼的烃化剂，对于某些难烷化的芳胺常常需要用卤烷作为烷烃化剂，尤其是氯化 苄和氯乙酸。在各种烷烃中，氯烷价廉易得，是最常用的烷化剂。通过n 一烃化反应对脱氢 枞胺进行修饰改性的文献报道很多，是深入开发和研究松香衍生物的有力工具。 纯的歧化松香胺是浅黄色至黄色透明粘稠油状液体，略具氨味，典型成分为脱氢枞胺。 易溶于大部分有机溶剂，如醇、醚，碳氢化合物及氯化溶剂等，不溶于冷水，但稍溶于热 水( 在l o o 水中的溶解度低于o 5 ) 其盐酸盐微溶于水，而其他无机盐则根本不溶。 低分子量的有机酸盐，如甲酸盐和醋酸盐是水溶性的，而硬脂酸盐、树脂酸盐、油酸盐和 月桂酸盐则不溶于水。 脱氢枞胺由于其显著的生物活性而被广泛应用杀菌技术中，由它制备的杀菌剂已被应 用于实际生产中。本文以脱氢枞胺为原料，采用n 。烃化法在氮原子上接两个羧基官能团， 以增加脱氢松香基的水溶性，得到了未见文献报道的新化合物n ，n 一二羧甲基脱氢枞胺( 1 ) ， 进一步研究和探讨目标产物的生物活性，扩大松香胺的应用范围。 2 2 实验部分 2 2 1 实验试剂与仪器 所有的试剂均为化学纯与分析纯。如果没有特别说明，未经任何处理直接使用。 试剂： 歧化松香胺 广西梧州松脂厂 氯乙酸 分析纯上海有限公司凌峰化学试剂 氢氧化钠分析纯上海化学试剂有限公司 氢氧化钾分析纯上海化学试剂有限公司 甲苯 分析纯上海化学试剂有限公司 石油醚分析纯 上海化学试剂有限公司 冰醋酸分析纯上海化学试剂有限公司 乙醚 分析纯上海化学试剂有限公司 无水乙醇 分析纯上海化学试剂有限公司 乙酸乙酯分析纯 上海化学试剂有限公司 甲醇 分析纯上海化学试剂有限公司 二氯甲烷分析纯 上海化学试剂有限公司 薄层析用硅胶g f 2 5 4 化学纯青岛海洋化工厂 柱层析用硅胶( 粗孔( z c x i i ) 1 0 0 2 0 0 目) 无水葡萄糖 琼脂 试剂级 分析纯 仪器： q h j 型强力恒速搅拌机 s h b i i i 循环水式多用真空泵 荧光灯用z f 7 b 三用紫外分析仪 x t - 6 显微熔点测定仪 r e 一5 2 型旋转蒸发器 d 一1 型自动蒸汽灭菌锅 隔水式电热恒温培养箱 2 2 2 测试方法 青岛海洋化工厂 国药集团化学试剂有限公司 石狮市狮头琼脂有限公司出品 常州市新析仪器厂 河南省太康科教器材厂 上海康华生化仪器厂 北京市科仪电光仪器厂 上海亚荣生化仪器厂 北京发恩科贸有限公司 上海市跃进医疗器械一厂 红外光谱的测定：n i c o l e t 一3 6 0 傅立叶变换红外光谱仪，采用溴化钾压片法； 质谱的测定：在美国菲尼公司t r u a c ed s q 气质联用仪上进行周体直接进样，离子源 温度2 8 0 。c ； 核磁共振谱的测定：b r u k e rd r 5 0 0 ，溶剂：c d c l 3 d m s o 。 2 2 3 脱氢枞胺的预处理 4 0g 歧化松香胺加入6 0m l 甲苯中，搅拌使之溶解并加热至7 5 8 5 。缓慢滴加8 8 m l 冰醋酸与2 2 0m l 甲苯的混合溶液，搅拌反应1 5m i n 后，静置冷却，放置过夜55 1 。 9 用5 0m 1 甲苯洗涤所得的黄色晶体，抽滤，再用甲苯淋洗( ：0m l 2 ) ，然后用6 0m 1 甲苯重 结晶1 次，抽滤后在空气中放置晾干，得到去氢枞胺醋酸盐白色结晶，产率6 1 5 。将干 燥的去氢枞胺醋酸盐溶于4 0m l 水中，加入约2 4m 1 2 0 n a o h 水溶液，调节p h 至1 3 左 右，可见乳白色粘稠物。静置冷却，用乙醚萃取( 1 5m l 3 ) ，萃取液合并后用水洗涤( 5 0 m l 3 ) ，然后用无水n a z c 0 3 干燥，蒸出乙醚，得到黄色粘稠的去氢枞胺液体，回收率为4 1 7 ( 占 理论产率的8 3 ，钟。 2 2 4n n 二羧甲基脱氢枞胺的合成 4 1 5g ( 2 2m m 0 1 ) 氯乙酸加入1 0m l 无水乙醇中，搅拌使之完全溶解，滴加4 0 的氢氧 化钾水溶液至溶液呈弱碱性。向其中滴加2 8 5g ( 1 0r n m 0 1 ) 松香胺的乙醇( 2 0m 1 ) 溶液，同 时将溶液升温至6 2 左右，反应混合液通过p h 试纸检测和滴加4 0 的氢氧化钾溶液控 制p h 值在8 左右，用t l c 法跟踪反应进程。滴加完毕继续反应1 8h ，停止反应。加入 稀盐酸，将反应液p h 值调节至1 左右，蒸除乙醇，用二氯甲烷( 2 0m l 3 ) 萃取之，合 并有机层，减压浓缩后以2 0 0 3 0 0 目硅胶填充柱，以乙醇：石油醚：冰醋酸为1 0 ：1 0 ：l 为洗脱液进行柱层析，洗液减压除去溶剂得白色粉末状固体2 5 5 岛得率6 3 ，8 。产物可 溶于乙醇和二氯甲烷，微溶于水，在乙醇中可重结晶得树枝状白色晶体。n 1 p ：1 1 0 1 1 2 ；f t - i r ( k b r 压片) v c m ：3 4 3 0 ，2 9 5 3 ，2 3 7 4 ，1 7 2 9 ，1 6 3 2 ，1 3 8 9 ，1 2 0 1 ，1 0 5 2 ，8 8 0 ，8 2 l ，6 8 8 ， 5 6 0 ，4 8 0 ，4 2 9 ；1 hn m r ( c d c l 3 d m s o ，5 0 0 m h z ) 6 p p m ：o 8 4 ( s ，3 h ，4 - c h 3 ) ，1 1 7 ( s ，3 h ， 9 c h 3 ) ，1 1 8 ( d ，6 h ，j = 7 0 h z ，1 5 - c h 3 ) ，1 3 5 - 2 5 7 ( m ，1 1 h ) ， 2 7 4 ( s ，2 h ，n c h 2 ) ， 2 7 8 ( m ，1 h ，j = 2 4 5 h z ，1 3 一c h ) ，3 5 5 ( s ，4 r t , c o c h 2 ) ，6 8 4 ( s ，1 h ，1 4 一h ) ， 6 9 4 ( d ，1 h ，j = 7 5 h z ， 1 2 m ，7 1 1 ( d ，1 h ，j = 8 5 h z ，1 1 一h ) ；e 1 一m sm z ：4 0 2 2 ( m + h ) 一3 8 3 2 ，3 5 5 2 ，3 4 0 1 2 3 抑菌活性实验 2 3 1 实验材料 实验药品：本实验合成的目标化学物n ，n 一二羧甲基脱氢枞胺； 对照样：纯的无水乙醇； 实验菌种：黄孢原毛平革菌( p c ) 、裂褶菌、褐腐菌、云芝、黑曲霉、绿色木霉、酵母、 卧腐菌； 培养基：按5 0 9 马铃薯加水2 5 0 m l 煮沸3 0 r a i n ，过滤，滤液中加入葡萄糖5g ，琼脂5 g ，加热熔化后补充加水至2 5 0m l 口“。 2 3 2 实验方法 以下操作均在无菌室的操作台上进行，所有器具都要进行灭菌处理。 ( 1 ) 将分离提纯后的n ，n 一二羧甲基脱氢枞胺配成5m g m l 和2m g m l 浓度的乙醇溶 1 0 液。 ( 2 ) 平板的制各：将预先高压蒸汽灭菌( 1 2 0 。c ，3 0r a i n ) 马铃薯葡萄糖培养基冷却 至4 5 5 0 。c 后，倾注入无菌平皿内，迅速转动平皿，使培养基均匀分布其中，水平放置待 凝。 ( 3 ) 滤纸片法【5 7 】：将滤纸片剪成】1 c m 2 的大小，放入高压灭菌锅灭菌2 5r a i n ，然 后分两份分别放入上述5m d m l 的目标产物乙醇溶液和无水乙醇( 为空白实验) 中浸泡 至少三小时。浸泡透彻后，将滤纸片拿出平铺在表面皿上，在无菌操作台上用无菌风吹干， 按接种要求用镊子把吹干后的滤纸片铺在接好种的平板上，将平板封口。 小木块法：选取1c m 厚的木板，锯成1 5 1 5c m 2 大小，恒重然后放入灭菌锅灭菌 5 0m i n 。灭完菌后，将小木块放入目标产物两种浓度的乙醇溶液和无水乙醇( 为空白实验) 中浸泡至少三小时，浸泡透彻后，拿出放在表面皿上，在无菌操作台上吹干，恒重。把吹 干恒重后的小木块按接种要求用镊子铺在接好种的平板上，铺排位置视具体情况而定，放 好后，将平板封口。 ( 5 ) 培养条件：将各平皿置于恒温恒湿的培养箱中培养。不同的菌种培养的温度和 时间有异。p c 为3 7 ，其余的为2 8 ：时间为2 1 0 天不等。 ( 6 ) 判定：用肉眼观察菌的生长情况，观察滤纸片或小木块周围有无抑制圈及抑制 圈的大小，抑制圈即无菌生长区。 滤纸片法的部分效果明显的照片见图2 3 图2 8 。 小木块法的部分效果明显的照片见图2 9 图2 1 1 。 2 4 结果与讨论 2 4 1 原料预处理 目前工业上制备歧化松香胺一般用歧化松香先形成酰胺，脱酰基成腈， 一系列的反应后得到主要含有3 种结构相似的三环二萜类化合物( 见图2 1 ) 5 8 1 。 图2 1 松香胺( 混合物) 的化学结构式 通过这种方法得到的歧化松香胺是单一的l 构型，其中含脱氢松香胺5 0 ( 与歧化 1 1 松香中脱氢松香酸的含量相关) ，二氢松香胺2 0 ，四氢松香胺2 0 ，其它杂质1 0 t 5 9 1 。 松香的歧化反应是枞酸型树脂酸中一部分脱出氢原子，使双键重排，形成稳定的苯环结构， 即脱氢松香酸；脱去的氢原子为另一部分树脂酸所接受生成二氢枞酸，二氢枞酸还可继续 接受氢原子生成四氢儆酸。反应需在较高温度和适当催化剂的条件下进行，用作催化剂的 有碘、硫、硒、钯碳、雷尼镍等，其中以钯碳的催化效果最好。其中温度和催化剂对歧 化松香中脱氢松香酸的含量有很大影响。另外，不同地区松香枞酸含量的差异对脱氢松香 酸的含量也有影响。 原料松香胺中所含得复杂组分会给后面的分析和分离工作增加难度，因此，有必要在 反应之前对原料进行预处理。 分离提纯脱氢枞胺的方法国内外均有文献报道，有用冰醋酸成盐法1 6 。i 、对甲基苯磺 酸成盐法| 6 “、羧酸衍生物法1 6 刈等，原理都是用有机酸与松香胺成盐，再选择合适的溶剂 将脱氢枞胺盐析出，再用碱使之游离出来从而达到分离的目的。本实验采用的是冰醋酸成 盐法，将歧化枞胺与冰醋酸形成盐，然后把脱氢枞胺的醋酸盐在甲苯中选择性析出来，所 得盐经碱化游离后，用乙醚萃取，除去乙醚，而制得较纯净的脱氢枞胺。 2 4 2 反应条件的摸索 用卤代烷与氨基发生碳上亲核反应是较常见的羧基化修饰方法。一般会选择氯代烷作 为烷基化剂，当氯烷不够活泼时，才采用澳代烷。碘代烷非常贵，只用于制备季铵盐和质 量要求很高的烷基芳胺。考虑到溴乙酸的反应活性较氯乙酸更强，实验初曾采用溴乙酸作 为烷化剂来合成n ，n 二羧甲基脱氢枞胺，但效果与氯乙酸合成的产品物性几乎相同，故最 终采用价格较为低廉的氯乙酸作为本实验的烷化剂。用氯乙酸烷化时生成的氯化氢会与松 香胺成盐，而松香胺的盐难于烷化，为了避免这个不利影响，在反应中需要加入与氯乙酸 等摩尔数的缚酸剂。 氯乙酸为比较活泼的烷化剂，烷化温度一般不超过1 0 0 。c 。本实验曾分别尝试在4 0 和5 0 下反应4 8h ，t l c 检测发现生成了大量的n 一羧甲基脱氢枞胺，只有少量目标产物 的存在，延长反应时间未见显著变化。 由于氯乙酸的羧基也是活泼基团，为避免羧基与呈弱碱性的氨基反应，首先需要使用 适当的碱与氯乙酸成盐以保护羧基。在反应过程中，氯乙酸在与氨基发生碳上亲核反应并 释放出h c l ，h c i 会与呈弱碱性的脱氢枞胺结合成盐，不利于反应进行；氯乙酸在酸性条 件下加热自身会分解。因此，整个反应过程需要采用合适的缚酸剂消除生成的h c i ，并保 持反应液为碱性。本实验曾尝试以三乙胺为缚酸剂，然而，由于三乙胺沸点很低，不利于 反应液的升温，最终选择k o h 水溶液与氯乙酸成盐并作为缚酸剂。 本实验的反应条件为：以乙醇和水为混合溶剂，首先氯乙酸与k o h 成盐，向其中滴 加脱氢枞胺的乙醇溶液，维持反应液p h 值在8 左右，6 2 加热反应1 8h 。 2 4 3 薄层色谱检测条件 选择合适的t l c 条件对于反应的进程的判断至关重要，并且可以作为进一步分离提纯 的依据。如表2 1 所示，由于产物中有极性官能团的存在，展开体系选择了极性较大的溶 剂。最终发现乙醇石油醚体系的分离效果不错，但是目标产物点的r f 值偏小，不利于柱 层析分离，加入少量的冰醋酸调节体系的p h 值，可以使产物点的盯值增大，且分离的斑 点不拖尾、分离清晰。，用于柱层析时，因为分离的量大，且柱硅胶比薄层层析硅胶粗，洗 脱剂的极性应比t l c 展开剂小。 表2 1 脱氢枞胺n - 烃化反应在不同t l c 条件下的展开数据 a ：加入占展开剂体积约1 2 0 冰醋酸 b ：拖尾、未分开 r f l ：n 羧甲基脱氢枞胺的比移值 r 丘：n ，n 二羧甲基脱氢枞胺的比移值 r 6 ：脱氢枞胺的比移值 2 4 4 产物的结构分析 在红外谱图中，原料脱氢枞胺的n h 键在3 3 0 0 3 4 0 0c n l “处有两个吸收谱带，而产 物红外谱图在范围内于3 4 3 0c m 。1 有一个强的吸收谱带为o h 的振动吸收；1 7 2 9c m 。处的 吸收谱带为c = o 的振动吸收：2 9 5 3 、1 3 8 9 、8 8 0 以及8 2 1c m 。保留了脱氢枞胺骨架吸收。 在2 3 7 4c m “处一小峰为少量产物质子化形成的叔铵盐的特征吸收。 6o 8 3 7 为氨基碳上甲基的