（化学工艺专业论文）c60的13偶极环加成反应及其水溶性衍生物的合成.pdf

摘要 富勒烯是碳的第三种同素异形体，因其特殊的结构而在化学、生物学、材料 学、医学等领域显示出广泛的应用前景。其中最具代表性的 6 0 】富勒烯( 即c 6 0 ) 在抗病毒、抑制癌细胞增殖、清除自由基、对生物膜的双重作用、致使d n a 裂 解等方面具有独特的功效。枞酸及其衍生物具有类似甾体的多环二萜结构，已被 公认具有杀菌等生物活性。把c 6 0 与作为枞酸衍生物之一的脱氢枞胺结合在同一 分子中，并对合成出的新物质的生物活性进行研究是很有探索意义的。 本文首先对脱氢枞胺进行了提纯，然后以经过提纯的脱氢枞胺和氯乙酸为反 应物，以乙醇和水作溶剂，在氢氧化钾催化下，于6 0 左右发生亲核取代反应， 合成出未见文献报道的n 一羧甲基脱氢枞胺。产物经f t - i r ，1 hn m r ，e 1 一m s 等 分析方法检测确认为目标产物。在对目标产物进行的初步抑菌实验中发现，高浓 度( 5 0 m g m l ) 的产物溶液对黄孢原毛平革菌、云芝有一定的抑菌效果，降低浓 度( 5 m g m l ) 会减弱这种效果；但无论高浓度还是低浓度的产物溶液对蜜粘褶 菌、绵卧腐孔菌抑菌效果都不明显。 本文还研究了c 6 0 的1 ，3 - 偶极环加成反应。以制备出的n 羧甲基脱氢枞胺、 甲醛及c 6 0 为反应物，在氮气保护下，在加热至回流的甲苯溶液中发生l ，3 偶极 环加成反应，合成了未见报道的c 6 0 吡咯烷衍生物。产物经过f t - i r ，1 hn m r ， ”cn m r ，m a l d i t o f m s 等分析方法检测确认为预期产物。 在合成出的c 6 0 吡略烷衍生物的基础上，通过与n a o h 在t b a h 和h 2 0 2 的 催化下，在加热至回流的甲苯与水的混合液中反应，合成出未见文献报道的水溶 性的羟基化c 6 0 吡咯烷衍生物。经过f t - i r ，1 hn m r ，m a l d i t o f m s 等分析 方法检测推断产物为羟基加成度为6 的羟基化c 6 0 吡咯烷衍生物。 关键词：c 6 0 脱氢枞胺1 ，3 偶极环加成吡咯烷衍生物水溶性 a b s t r a c t a st h et h i r da l l o t r o p eo fc a r b o n ，f u l l e r e n ed i s p l a y sw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t si nc h e m i s t r y ，b i o l o g y , m a t e r i a la n dm e d i c i n ef o ri t su n i q u es t r u c t u r e i n w h i c ht h em o s tr e p r e s e n t a t i v e 【6 0 f u l l e r e n c e ( c 6 0 ) h a sp a r t i c u l a re f f i c a c yi n a n t i - v i r u s ，i n h i b i t sp r o l i f e r a t i o no fc a n c e rc e l l s ，e l i m i n a t e sf r e er a d i c a l s ，d u a l f u n c t i o nt ot h eb i o f l l m ，c a u s e sd n a c l e a v a g ea n ds oo n w h i l ed e h y d r o a b i e t i ca c i d a n di t sd e r i v a t i v e s ，w h i c hh a v eas t e r o i d l i k em u l t i c y c l i cd i t e r p e n es t r u c t u r e ，h a v e b e e nr e c o g n i z e dt h a t t h e y h a v e b i o l o g i c a l a c t i v i e sa ss t e r i l i z a t i o ne t c i ti s s i g n i f i c a n t t o i n t e r g r a t ec 6 0 w i t hd e h y d r o a b i e t y l a m i n e ，w h i c hi so n eo ft h e d e h y d r o a b i e t i ca c i dd e r i v a t i v e s ，i n t oo n en e wm o l e c u l e ，a n dt os t u d yt h eb i o a c t i v i t y o ft h i sn e wm o l e c u l e i nt h i sp a p e r ，a so n eo ft h er e a c t a n t s ，d e h y d r o a b i e t y l a m i n ew a sp u r i f i e da tf i r s t ， a n dt h e nc h l o r o a c t i ca c i dw a sa d d e dw i t he t h a n o l w a t e ra ss o l v e n t t h en u c l e o p h i l i e s u b s t i t u t i o nw a s c a t a l y s i s e db y k o ha t6 0 c ，a n dan o v e l c o m p o u n d n 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 ew a ss y n t h e s i z e d t h et a r g e tc o m p o u n d ， w h i c hw a gc h a r a c t e r i z e db yi r ，1 hn m ra n de i - m s ，w a sp r e l i m i n a r yt e s t e d i n b i o a e t i v i t y t h er e s u l ts h o w e dt h a th i g hc o n c e n t r a t i o n ( 5 0 m g m l ) e t h a n o ls o l u t i o no f t h et a r g e tc o m p o u n dh a dc e r t a i ni n h i b i t i n ge f f e c t so np h a n e r o c h a e t ec h r y s o s p o r i u m ， c o r i o l u sv e r s i c o l o ra n dt h ee f f e c t sw o u l db ew e a k e n e di fr e d u c e st h e d e n s i t y ( 5 m g m l ) b u ti th a dn oi n h i b i t i n ge f f e c t so ng l o e o p 砂l l u mt r a b e u ma n d p o r i av a p o r a r i an om a t t e rh i g hc o n c e n t r a t i o ne t h a n o ls o l u t i o no rl o w t h e1 ，3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nr e a c t i o no fc 6 0w a sa l s or e s e a r c h e di nt h i sp a p e r an o v e lf u l l e r o p y r r o l i d i n ed e r i v a t i v et h a th a sn e v e rb e e nr e p o r t e db e f o r e ，w a s s y n t h e s i z e db yr e a c t i o no fn - e 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 ，f o r m a l d e h y d e a n dc 6 0 ，t h r o u g ht h e1 ，3 - d i p o l a rc y c l o a d d i t i o nr e a c t i o nr e a c t e da tr e f l u xt e m p e r a t u r e w i t ht o l u e n ea ss o l v e n t t h er e s u l tc o m p o u n dw a sc h a r a c t e r i z e db yi r ，1 hn m r ，“c n m ra n dm a l d i - t o f m s b a s e do nf u l l e r o p y r r o l i d i n ed e r i v a t i v ew h i c hw a ss y n t h e s i z e di nf r o n t ，a n o t h e r n o v e lw a t e rs o l u b l ef u l l e r o p y r r o l i d i n ed e r i v a t i v ew a ss y n t h e s i z e db yr e a c t i o no f f u l i e r o p y r r o l i d i n ed e r i v a t i v ea n dn a o h ，i nt o l u e n e w a t e rm i x e ds o l u t i o na tr e f l u x t e m p e r a t u r e ，w i t ht b a ha n dh 2 0 2a s t h ec a t a l y s t s t h er e s u l tc o m p o u n dw a s c h a r a c t e r i z e db yi r ，1 hn m ra n dm a l d i - t o f - m s ，a n dt h en u m b e ro fh y d r o x y l g r o u p s ，w h i c hw a sa d d e d t ot h ec a g eo ff u l l e r e n e ，w a si n f e r e dt o6 k e y w o r d s ： c 6 0 ，d e h y d r o a b i e t y l a m i n e ，1 ，3 - d i p o l a r c y c l o a d d i t i o n ，p y r r o l i d i n e d e r i v a t i v e ，w a t e rs o l u b l e 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均已说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 研究生签名：鱼善，矗 导师签名： 日期：加7 莎，侈 、研枷 致谢 本论文是在导师林中祥教授的悉心指导下完成的。在三年的硕士研 究生学习期间，导师的渊博的学术知识和严谨的治学态度给我留下了深 刻的印象。在这三年中，导师对我在科研中严格要求，在生活上细心关 怀，使我能够顺利完成学业在此，向导师表示诚挚的谢意! 在完成论文过程中，受到了精细化工系的各位老师，生物化工系的 赵林果老师，中山大学分析测试中心的邓慧敏老师及南京大学配位化学 国家重点实验室的梅毓华老师的热情帮助，在此表示感谢! 感谢何滨师兄、高健师兄、丁霞师姐以及课题组的杨大伟、王鹏、 范旭、从赫雷、付云涛等同学对我的支持和帮助! 最后，感谢我的家人在学业中对我不断的鼓励和支持! 熊壶 2 0 0 7 年4 月 1 1 c 6 0 的研究概况 1 1 1c 6 0 简介 第一章绪论 1 9 8 5 年，英国科学家h w k r o t o 及美国科学家r f c r u l ，r e s m a l l a y 等【1 】发 现一种由6 0 个碳原子组成的原子簇物质，他们以建筑师b u c k m i n s t e r f u l l 的名字 命名为b u c k m i n s t e r f u l l e r e n e ，简称f u l l e r e n e ( 富勒烯) ，并因此获得1 9 9 6 年度诺 贝尔化学奖。富勒烯是继金刚石和石墨后发现的碳的第三种同素异形体，它的家 族成员有c 6 0 、c 7 0 、c 7 6 、c 7 5 、c s 2 、c s 4 、c 9 0 、c 9 4 c 2 4 0 、c 5 4 0 等，其中具有代 表性的是c 6 0 ( 如图1 1 ) 。 图1 1c 6 0 的结构 c 6 0 的分子中所有碳原子都是等效的，这一高度对称性表现在1 3 c n m r 中的 61 4 2 7 p p m 处仅出现一个单峰。x 射线晶体结构分析证实了c 6 0 的足球状结构， 休克尔分子轨道理论计算c 6 0 的h o m o 轨道和l u m o 轨道之间位能较大【2 1 ，在 u v 吸收光谱中( 以环己烷作溶剂) 在2 1 3 ，2 5 7 和3 2 9 n m 处有吸收 3 1 。在球面结 构中，c 6 0 分子构型由1 2 个五边形和2 0 个六边形组成3 2 个球面结构网络状球体， 6 0 个碳原子就占据在6 0 个顶角上，每个碳原子均采取近似的s p 2 杂化与相邻的 碳原子用。单键相连，未杂化p 轨道则形成一个非平面的共轭离域大兀体系，与 休克尔体系相比，这种非平面的共轭结构较苯类物质具有较小的芳香性，因而具 有一定的反应活性 到目前为止，c 6 0 化学反应的主要方式是加成反应。p r a t o 和w u d l 等【4 卅在 c 6 0 的加成反应方面傲了大量工作，取得了很大进展。他们用重氮化物与c 6 0 反 应，得到一系列c 6 0 衍生物，其反应本质是这些重氮化物脱氮生成的c a r b e n e s 与c 6 0 的加成。k h a n 等pj 通过c 6 0 的d i e l s a l d e r 反应，合成了一种球链系结构的 环加成产物。p r a t o 等哺j 还报道了c 6 0 与三亚甲基甲烷( t m m ) 的【3 + 2 】环加成反应 和c 6 0 与异苯并呋喃的 4 + 2 】环加成反应。k r u s i c 等 9 1 研究了c 6 0 与苄基自由基的 加成反应，并根据e s r 谱提出了自由基加成方式。另外，c 6 0 还可以发生氧化一 还原反应，离子反应、周环反应、自由基反应以及络合反应等等。 1 9 9 0 年，人们发现用碳电弧法比较容易获得宏观量的富勒烯1 1 叭，使得这一 有意义的球三维化学和多功能全碳分子的研究全面展开。金属掺杂后的c 6 0 有较 好的超导性1 2 】和一定的光学性1 1 , 1 2 ，并可能在非线性光学材料及特殊有机磁性材 料中得到应用。c 6 0 的氟化物作为新型润滑剂包层也展示了广阔的应用前景 1 3 , 1 4 】， c 6 0 的水溶性磷脂衍生物与癌细胞的结合，将显示出c 6 0 的生物医学活性。预计 c 6 0 在新型材料、计算机和全光通讯等高技术领域也将有广泛应用。 1 1 2c 6 。及其衍生物的生物活性 自2 0 世纪9 0 年代初以来，富勒烯类化合物的生物活性逐渐引起人们的注意， 初步研究表明在抗病毒，抑制癌细胞增殖，清除自由基，对生物膜的双重作用， 致使d n a 裂解等方面具有独特的功效。有不少研究小组正在或已经开始研究富 勒烯及其衍生物的生物活性，并取得了一些令人鼓舞的结果。以下对这几个方面 作简要介绍。 1 1 2 1 抗病毒作用 人体免疫缺损蛋白酶( h i v - 1p r o t e a s e ，r i v p ) 被认为是抗病毒疗法中主要抑 制对象。富勒烯具有抑制h i v p 活性的功效，而抑制h i v p 活性是研究治疗艾滋 病的关键。h i v p 的活性部分可以近似地被描述为一个周围全部排列着疏水氨基 酸的无底圆筒形，与这种疏水趋势明显例外的是在活性部位尚存在两个能催化使 水进攻底物导致肽键断裂能天冬氨酸( a s p 2 5 ，a s p l 2 5 ) 。f r i e d m a n 等人【1 5 1 假设c 6 0 分子半径与所描述的人体免疫缺陷病毒酶活性部位的圆筒形有相同的半径，由于 c 6 0 ( 及其衍生物中c 6 0 的部分) 主要是疏水性的，因而c 6 0 和人体免疫缺陷病毒 图1 2 采用d o c k 程序模拟的c 6 0 与h i v p 的结合物结构 d ) 正视图( b ) 侧视图 2 妒 j dj 吗嘤一 2 r = 3 - p y ；3r = 4 - p y ； 4 眦h 2 0 c h 2 c h 2 0 c h 2 c h 2 0 c h 3 图1 4 化合物2 , 3 。4 的结构 1 1 2 2 抑制癌细胞增殖 日本科学家t o k u y a m a 等s 】报道了一种水溶性c 6 0 羧酸衍生物，在对细胞毒 性和d n a 开裂的研究中发现，这种水溶性c 6 0 衍生物在可见光照射下具有抑制毒 性细胞生长和使d n a 开裂的性能。浙江大学黄文栋等【l9 】采用逆向蒸发技术亦制 得一种水溶性c 6 0 一脂质体，将此脂质体与体外培养的人子宫颈癌细胞融合后经用 卤钨灯光隔热垂直照射3 0 分钟，发现其对子宫颈癌细胞有很强的杀伤效应，当光 照达到4 0 0 0l x 时，癌细胞死亡近1 0 0 ，而对照组癌细胞则仍正常生长( 图1 5 ) 。 o j- ， 矿，；! 二 图1 5 对照组细胞( 左) 与光照处理组细胞( 右) 的对比 1 1 2 3 清除自由基 某些情况下生物体需要活性氧来完成生理过程，如吞噬细菌，肝脏对外来毒 物的解毒等。但许多情况下，活性氧积累过剩时，又会产生损伤作用。如氧自由 基和h 2 0 2 能够损伤细胞中d n a 和膜，致使一些细胞坏死。而富勒酵 c 6 0 ( o h ) 。 为一种c 6 0 衍生物，具有烯丙位羟基和中等的电子亲和力，易于在生物体中充当 自由基清除剂和水溶性抗氧化剂的作用。1 9 9 4 年c h i a n g 等【2 0 】发现富勒醇不但能 减少病人血液中自由基浓度，还可以抑制畸形及患病细胞的生长，并具有吞噬由 黄嘌呤黄嘌呤氧化酶产生的超氧阴离子自由基的功能。孙大勇等【2 l j 也在实验室 中发现富勒醇对羟基自由基具有良好的清除作用。 1 1 2 4 对生物膜的双重作用 生物膜是由双层脂和蛋白质组成，它与众多生命过程密切相关，而在这些生 命过程中潜在着不同程度的破坏反应。例如，在光敏化作用中产生的单线态氧 ( 1 0 2 ) 等，具有诱导对生物膜结构和机能有重要保护作用的不饱和类脂过氧化作 用的能力，而类脂的过氧化作用能惊人地改变膜的结构和功能，对有机物产生严 重后果。 研究表明富勒烯能传递电子通过类脂双层，能致钝病毒的被膜和调节免疫效 果。k a m a t 等【2 2 】使用鼠肝脏微粒体作为模型体系，评估了由c 6 0 ( 0 h ) 1 。诱导的对 类脂和蛋白质的生物化学的改变。结果表明，将c 6 0 ( o h ) 1 8 结合入微粒中，暴露 在u v 光下，诱导产生了显著的类脂过氧化物。 4 1 1 2 5 致使d n a 裂解 t o k u y a m a 等人【1 8 1 比较了几个c 6 0 衍生物( 图1 6 ) 的光诱导生物活性，发现将 化合物7 和超螺旋p b r 3 2 2d n a 一起在黑暗中和可见光照射下保温时，光照射 下的保温使共价键紧密联合的超螺旋d n a 产生裂纹，在同样实验条件下，化合 物6 显示低的d n a 裂解能力，而部分溶于极性溶剂的化合物5 和缺少富勒烯片 段的参考化合物8 则不能裂解d n a 。 烁 o 5 _ r - h 6 肛叉一，o h 坤b k 矿八吖h 图1 6 化合物5 ，6 ，7 ，8 的结构 y a m a k o s h i 等人1 2 3 j 将c 6 0 和化合物9 ( 图1 7 ) 分别和p v p 一起溶于水中，研 究c 6 0 及带有吖啶基的c 6 0 衍生物的光诱导d n a 裂解活性，发现化合物9 显示 了比c 6 0 更强的对d n a 的裂解能力他们据此推测d n a 的裂解可能是由于化合 物9 的c 6 0 部分产生的单线态氧引起的，而活性的增强可归于吖啶部分对d n a 分子的亲和力的作用。 妙嘲 图1 7 化合物9 的结构 1 1 3c 6 0 的l ，3 偶极环加成反应研究概况 由于c 6 0 分子具有缺电子烯烃的化学特性，而其六元环间的6 - 6 双键为反应 的活性部位，因此可以发生氢化、卤化、氧化还原、环加成、络合和自由基加成 等多种反应。其中，环加成反应主要包括 4 + 2 】，【3 + 2 】， 2 + 2 】和【2 + 1 】型而通过 亚胺叶立德与c 6 0 发生的l ，3 - 偶极环加成反应( 【3 + 2 】型) 形成n 一取代的和n 未取 代的c 6 0 毗咯烷衍生物是用于c 6 0 化学修饰的最重要方法之一，也是c 6 0 化学修 饰的热点之一【2 4 , 2 5 】。 亚胺叶立德的来源很广泛，一种比较简单和有效的方法是在氮气流保护下， 回流醛和g 氨基酸的甲苯溶液。m a g g i n i 及其同事 2 6 】首先利用这一方法产生的亚 胺叶立德与c 6 0 反应，以n 甲基甘氨酸、低聚甲醛和c 6 0 溶于甲苯中搅拌回流生 成c 6 0 吡咯烷衍生物( 图1 8 ) 。这种方法的优点是：能够得到纯的【6 , 6 闭环异构 体；c 【氨基酸和醛( 或酮) 很易得：两个取代基可同时引入到吡咯环中。 t o l u e n e c h 3 n i - i c h 2 c o o h + h c h o + c 6 0 一 图1 8m a g g i n i 亚胺叶立德与c s o 的反应 后来，又有了相关工作的报道 2 7 , 2 8 】。李玉良等2 9 ，3 0 j 不仅较早地开展了这方 面的工作，而且首先利用酮与a 氨基酸( 产生的亚胺叶立德) 与c 6 0 反应生成c 6 0 吡咯烷衍生物，如图1 9 。 旦瞵 旦崮h 虬繇) 。 图1 9 酮产生的亚胺叶立德与c 6 0 的反应 s o f o u 3 h 等向c 6 0 的甲苯溶液中加入n ( ( 0 羟乙基) 乙氧基) f t 氨基乙酸的乙 醇溶液和聚甲醛，在1 1 0 下回流反应1 8 h ，经硅胶桂层析分离得到c 6 0 含吡咯 环衍生物，产率4 4 。并以此为基础进一步合成了具有生物活性的c 6 0 衍生物。 w u 【3 2 等报道了亚胺类1 ，3 偶极子与c 6 0 发生 3 + 2 环加成反应。脯氨酸酯与 c 6 0 在甲苯中回流反应得到c 6 0 的吡咯烷衍生物( 图1 1 0 ) 。 6 啦固 b b b 丫器 。6 洲+ oe p h h c - = - n c h 2 c o o c h a ；= = = p h c h n h c h c o o c h 3 _ 图1 1 0 亚胺类1 ，3 - 偶极子与c 6 0 发生1 3 + 2 13 e ：f 加成反应 石志强等3 3 1 依据稳定氮氧自由基的生成条件【3 4 】_ 一必须是二级胺且a 位上没 有氢原子，设计了合成路线：用a 氨基异丁酸和2 ，1 1 十二二酮首先产生亚胺叶 立德，再与c 6 0 反应形成受阻胺的c 6 0 吡咯烷衍生物a ，用间一氯过氧苯甲酸 ( m c p b a ) 氧化生成基于c 6 0 的稳定氮氧自由基b 反应式如图1 1 1 ：h + 心删z b h ，寺h h 。3 僚c + h h 。 醵：b 亍 礅c h 3 c h a ：b 图1 1 1 基于c o 的稳定氮氧自由基的合成 周德建等【3 5 】选择了对位取代的苯甲醛系列，利用下列反应( 图1 1 2 ) 合成了 一系列含强推电子取代基及吸电子取代基的c 6 0 衍生物，并用核磁、质谱等手段 确定了它们的分子结构由于苯环的引入，中间态比不含苯环的l ，3 偶极更稳定， 产物的产率及反应速率都比文献中不含苯环的有所提高。 眦唧丫t 舢o l u 眠e n e l r r = n m e 2 ；o m e ；h ；c h o ；n 0 2 图1 1 2 以对位取代的苯甲醛系列合成c o 衍生物 赵一雷等3 6 1 曾经利用甘氨酸合成了一系列c 6 0 吡咯环衍生物【3 7 3 9 1 ，在此基 7 础上利用脯氨酸合成了新的一类c 6 0 衍生物( 图1 1 3 ) ，发现新合成产物的两个顺 反异构体的偶极距有较大的差别，能够用简单方法将之分离，并用1 h n m r ，1 3 c n m r ，f d m s ，u v - v i s 等光谱手段对新合成的化合物进行了表征。 一t斗oluenen专+hc60 辫 留 ar = h ，b c h o ，c n m e ： 图1 1 3 以脯氨酸合成c o 衍生物 王婷婷等t 4 。】用l ，3 偶顿环加成反应对富勒烯c 6 0 与多芳胺化合物的选择性加 成反应进行了研究( 图1 1 4 ) j 在不同条件下获得到了单加成物和三加成产物，对其 h p l c 分离条件进行了摸索。 c h 3 n h c h 2 c o o h + 图1 1 4 多芳胺化 g a n l 4 1 1 等在适量氧气存在下，c 6 0 与 生成含吡咯环的c 6 0 衍生物( 如图1 1 5 ) 。 h 2 n c h 2 c o o r r = m e ，e t ，c h 2 p h 警鼢 一西 图1 1 5c o 与甘氨酸酯经光照进行含氮l ，3 - 偶极加成 甘良兵【4 2 】等在上述条件下，将甲基甘氨酸酯与c 6 0 反应除得到上述产物还得 到c 6 0 单羧酸酯衍生物( 如图1 1 6 ) ，并解释了反应机理。 8 = + 图1 1 7 一些具有光电活性的c o 衍生物 1 1 4c 6 0 的羟基化反应研究概况 迄今为止，国内外研究人员通过多种途径合成得到了c 6 0 的羟基化合物，主 要的几种制备方法如下 1 1 4 1c 6 0 与h n 0 3 h 2 s 0 4 混酸反应法 c h i a n g 等p u 研究了c 6 0 与h n 0 3 h 2 s 0 4 混合酸在各种条件下的反应，发现用 k n 0 3 作为h n 0 3 的前体，反应温度在8 5 1 1 5 为最佳反应条件。c 6 0 与混合酸反 应之后得到透明黄棕色液体，用水稀释、过滤，并用n a o h 调至p h 9 0 ，便得到 一种极细的无定形棕色固体富勒醇这种富勒醇在水中仅有中等的溶解度，但易 溶于p h b r c i f t 柏】，但考虑到在卤代烷烃中， 相对于溴代烷和碘代烷，氯代烷的价格便宜，因此选择了氯乙酸作为羧基化试剂。 由于氯乙酸的羧基也是活泼基团，也能与脱氢枞胺的胺基反应，因此需要加 1 7 入一定的试剂将氯乙酸的羧基保护起来。加入碱可以使氯乙酸先形成盐，这样可 以避免氯乙酸的羧基与脱氢枞胺的胺基反应。再者，由于氯乙酸在与脱氢枞胺反 应时会生成氯化氢，而氯化氢会与未反应的脱氢枞胺成盐，不利于反应的进行， 在反应中须加入与氯乙酸等摩尔数的缚酸剂，因此，在反应中加入氢氧化钾同时 也起到了缚酸剂的作用【6 9 1 。 2 2 3 产物的分离提纯 由于n 羧甲基脱氢枞胺是下一步实验的原料，因此n 羧甲基脱氢枞胺的合 成实验前后做了多次。在前边的几次试验中，试图以常规的分离方法分离出粗品， 并加以重结晶得到较纯的样品，但都失败了，不得已根据薄层层析的结果，采取 柱层析( 展开剂：v ( 乙醇) ：v ( 石油醚) = 4 ：1 ) 的方法分离产物。后边由于通过柱层 析得到了一些样品，然后对其溶解性有了一定的了解，因此后几次实验通过直接 重结晶就得到了较纯的样品。 平面色谱法具有设备简单、操作方便、分离速度快、灵敏度及分辨率高等特 点，特别是薄层色谱法的显色剂选择性以及薄层载量相对较大，因此薄层色谱法 是一般实验室必不可少的分离分析手段【_ 7 0 】。而对于薄层色谱法而言，展开剂体系 的选择至关重要。在本实验中，由于反应物和产物的极性都比较大，因此展开剂 体系的底剂要选择极性稍大的溶剂，而调节剂的极性可以稍小。在实验中尝试了 氯仿石油醚、乙酸乙酯石油醚、乙酸乙酯环己烷、丙酮环己烷、乙醇石油 醚等体系，以及以不同的配比或加入脱尾抑制剂等方法，最终发现v ( 乙醇) ：v ( 石 油醚) = 4 ：1 的展开剂体系能够将反应物与产物分开，并且分离效果不错。反应物 与产物的薄层色谱对比如图2 3 。 1 氯乙酸2 n 羧甲基脱氢枞胺3 脱氢枞胺 展开剂：v ( 乙醇) ：v ( 石油醚) = 4 ：l r f ( a ) = o 0 1 ，r t ( b ) = 0 2 5 ，r f ( c ) = 0 4 9 图2 3n 羧甲基脱氢枞胺、氯乙酸及脱氢枞胺的薄层色谱 在薄层色谱中，产物在v c - , 醇) ：v ( 石油醚) = 4 ：1 的展开剂体系中展开，显示清 1 8 晰的单点，而且对化合物进行熔点测定，为2 0 0 2 0 4 c ，熔点范围较窄，说明合 成了比较纯的化合物。 为了确认产物不是二羧甲基化副产物，在实验中特别对产物同已经通过检测 鉴定的n ，n 二羧甲基脱氢枞胺样品做了薄层色谱对比( 图2 4 ) 。 1 n - 羧甲基脱氢枞胺2 n , n - 二羧甲基脱氢枞胺 展开剂：v ( 乙醇) ：v ( 石油醚) = 4 ：1 r e ( a ) = o 2 5 r e ( b ) = 0 1 4 图2 4n 羧甲基脱氢枞胺与n ，n - 二羧甲基脱氢枞胺的薄层色谱 2 2 4 产物结构分析 在产物的f t - i r 数据中，通过与脱氢枞胺的标准谱图【6 3 】数据对比可以看出， v3 4 0 3 ，2 9 5 5 ，1 4 5 7 ，1 4 2 0 ，1 3 7 6 ，1 0 4 7 ，8 8 3 ，8 1 8c m 4 为脱氢枞胺吸收峰，其 中v8 8 3 ，8 1 8g m 。为l ，2 , 4 三取代苯环吸收峰，1 4 2 0 ，1 3 7 6c m 4 两个裂分峰说明 有异丙基存在，1 4 5 7c m 1 为苯环共轭体系的c = c 伸缩振动吸收峰，2 9 5 5c m 4 附 近裂分的三个峰为烷烃的c h ( c h 3 ，c h 2 ) 伸缩振动吸收峰【7 1 1 。说明生成物中脱 氢枞胺基团结构没有被破坏。 在1 h n m r 中，与脱氢枞胺标准谱图数据【_ 7 2 】对比可以推断，8 p p m6 8 6 ( s ，l h ) ， 6 9 5 ( d ，1 h ) ，7 1 5 0 ，1 h ) 分别归属于苯环上1 4 ，1 2 ，1 1 位碳原子上的氢，5 p p m 0 9 3 ( s ，3 h ) 归属于1 8 位碳原子上的氢，1 1 4 ( s ，3 r i ) ，1 1 5 ( s ，3 h ) ，1 1 6 ( s ，3 r i ) 分别归 属于2 0 ，1 6 ，1 7 位碳原子上的9 个氢，1 2 6 ( t ，2 h ) 归属于3 位碳原子上的2 个 氢，1 4 4 1 4 7 ( m ，4 h ) ，1 6 0 1 6 3 ( m ，2 h ) ，1 7 4 1 7 5 ( m ，z h ) 分别归属于l 位碳原子 上的面内氢以及5 ，2 ，6 位碳原子上的5 个氢，2 2 8 ( d ，1 h ) 归属于l 位碳原子上 的面外氢。这些说明产物中保留了脱氢枞胺的基本结构。2 6 3 ( t ，1 h ) 归属于一n h 一 中的氢，3 1 2 3 2 0 ( r n ，2 h ) 归属于1 9 位碳原子上的两个氢。相对于标准谱图数据， 这些氢的出峰位置向低场发生了偏移，分析其原因应该是由于在伯胺上发生了亲 核反应形成了羧甲基的结构，对这些氢的化学位移产生了影响。这也说明了脱氢 枞胺参与了反应。在后面与c 6 0 的加成反应得到的产物的1 hn m r 中，6 ，p p m 1 9 2 5 0 2 7 0 之间没有出峰，而加成反应的结果正是由仲胺生成了叔胺，氮原子上 氢去掉了，通过与后面c 6 0 加成反应产物1 hn m r 数据的这一对比也从侧面证实 了在1 hn m r 中8 p p m2 6 3 应该归属于n h 中的氢。2 7 6 2 8 7 ( m ，3 h ) 归属于7 位和l5 位碳原子上的3 个氢。另外，3 4 9 ( d ，2 h ) 归属于n c h 2 c 0 0 中的两个氢， 与文献【7 3 】化学位移值( 3 5 左右) 的分析一致；在范旭等【67 】合成的n ，n 二羧甲 基脱氢枞胺的o hn m r 中，在3 5 左右出现了4 个氢( 二羧甲基结构) 。通过这 两个对比说明了本实验产物中形成了羧甲基基团，而且为单加成结构。 2 3 1 7 图2 5 脱氢枞胺基团结构上c 的编号 在m s 数据中，m z3 4 3 2 为产物的分子离子峰( 图2 6 中a ) ，证实了产物 结构的正确性。另外，在质谱图中还出现了m z2 3 9 0 ，1 8 5 1 ，1 7 3 1 。8 7 9 等峰。 其中m z9 7 9 经计算为c h 2 n h c h 2 c o o h 基团的峰。根据文献【7 4 】报道，绝大部 分的松香烷类的在质谱中被电离时，1 0 位c 上的甲基( 即2 0 位的甲基) 很容易 裂解，形成图2 6 中b 的结构m z2 3 9 0 为b 脱去c h 2 n h c h 2 c o o h 基团及去 掉一个质子得到；而m z1 8 5 1 ( c ) ，1 7 3 1 ( d ) 的形成过程见图2 6 所示【7 4 】。除m z 3 4 3 2 为分子离子峰外，其余脱氢枞胺基团的裂解峰数据与文献【7 副数据基本一致。 质谱数据直观地表明，所得到的产物即为预期产物。 综上所述，所得的产物正是我们预期要得到的化合物n 羧甲基脱氢枞胺。 乱m z3 4 3 b m z3 2 8 b ，m z3 2 8 2 2 5 抑菌效果 图2 6 产物在质谱分析中的裂解方式 松香胺由于其主要成分脱氢枞胺所表现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。本文选用了黄孢原毛平革菌( p c ) 、 云芝( c v ) 、蜜粘褶菌( 褐腐菌) 、绵卧腐孔菌( 卧腐菌) 等在木材腐朽中常见的 菌种进行抑菌实验，对其生物活性作了初步的研究。 2 1 图2 7 浓度为5 0 m g m l 的产物溶液与空白样品对黄孢原毛平革菌抑制效果的对比 图2 8 浓度为5 0 m g m l 的产物溶液与空白样品对云芝抑制效果的对比 图2 9 浓度为5 0 m g m l 的产物溶液与空白样品对蜜粘褶菌抑制效果的对比 图2 1 0 浓度为5 0 m g m l 的产物溶液与空白样品对绵卧腐孔菌抑制效果的对比 由图2 7 图2 1 0 可以看出，浓度为5 0 m g m l 的n 羧甲基脱氢枞胺溶液对黄 孢原毛平革菌有一定的抑菌效果；对云芝有一定的抑菌效果，但不明显；对蜜粘 褶菌及绵卧腐孔菌无明显抑菌效果。菌种培养的浓度及滤纸片对样品液的吸收程 度对抑菌实验效果有一定的影响，菌种培养的浓度太浓，菌种生长太快，效果被 覆盖，抑菌效果不表现；太稀则菌种生长太慢，抑菌效果不明显甚至不表现。 本文在用浓度为5 0 m g m l 的n 羧甲基脱氢枞胺溶液进行抑菌实验的同时，还 用浓度为5 m g m l 的n 羧甲基脱氢枞胺溶液也进行了抑菌实验。经过对比发现， 浓度为5 m g m l 的n 羧甲基脱氢枞胺溶液对蜜粘褶菌及绵卧腐孔菌同样无明显抑 菌效果；对云芝的抑菌效果已经很差了，甚至没有明显的抑菌效果；而对黄孢原 毛平革菌的抑菌效果也变得不太明显。这一对比说明抑菌化合物的样品浓度对抑 菌效果有一定程度的影响，浓度越低，抑菌效果越不明显。因此，样品浓度是影 响抑菌实验效果的一个重要因素。 不同浓度的产物溶液对所选用菌种的抑制效果对比如表2 1 。 表2 1 不同浓度的产物溶液对所选用菌种的抑制效果 2 3 本章小结 本章首先通过用对甲苯磺酸与松香胺成盐，再以氢氧化钠将其置换出来的方 法对脱氢枞胺进行了提纯。然后以经过提纯的脱氢枞胺与氯乙酸为反应物，以氢 氧化钾为缚酸剂，以乙醇水溶液为反应溶剂，在6 0 下发生亲核取代反应，生 成了未见文献报道的n 羧甲基脱氢枞胺，得率为1 9 7 。产物经f t - i r ，1 h n m r ， e i m s 等分析方法检测确认为目标产物。 初步的抑菌实验发现，高浓度( 5 0 m g m l ) 的产物溶液对黄孢原毛平革菌、 云芝有一定的抑菌效果，降低浓度( 5 m g m l ) 会减弱这种效果；但无论高浓度 还是低浓度的产物溶液对蜜粘褶菌、绵卧腐孔菌抑菌效果都不明显 第三章c 6 0 与n 羧甲基脱氢枞胺及甲醛的1 ，3 偶极环 加成反应 c 6 0 分子具有缺电子烯烃的化学特性，其六元环间的6 - 6 双键为反应的活性 部位。a 氨基酸与醛或酮能生成亚胺叶立德，形成的1 ，3 偶极予在一定的条件下 可以加成在c 6 0 的6 - 6 双键上，形成毗咯环衍生物，这样就为在c 6 0 的碳笼上进 行化学修饰提供了途径。 本文以n 一羧甲基脱氢枞胺与甲醛生成亚胺叶立德，然后在甲苯溶液中加热 至回流条件下与c 6 0 发生l ，3 - 偶极环加成反应，从而将c 6 0 与n 羧甲基脱氢枞胺 结合在了同一分子中。 3 1 实验部分 3 1 1 试剂和仪器 c 6 0 多聚甲醛 柱层析硅胶 薄层析用硅胶g f 2 5 4 乙醇 甲苯 石油醚 河南濮阳市永新化学试剂公司纯度9 9 上海凌峰化学试剂有限公司分析纯 青岛海洋化工厂分厂 青岛海洋化工厂 上海化学试剂有限公司 上海化学试剂有限公司 上海化学试剂有限公司 粗孔( z c x ) 1 0 0 - 2 0 0 目试剂级 化学纯 分析纯 分析纯 6 0 9 0 ，分析纯 磁力搅拌加热器天津a u t o s c i e n c e 仪器有限公司a m 一3 2 5 0 b 型 旋转蒸发仪上海亚荣生化仪器厂r e 2 型 真空循环水泵上海亚荣生化仪器广s h z m 型 电子天平j a 2 0 0 3 型 三用紫外分析仪上海康华生化仪器厂 z f ，b 型 其中c 6 0 的f t i r ( k b r 压片) v ：3 4 3 3 ，2 9 2 2 ，1 6 3 2 ，1 4 5 1 ，1 3 7 7 ，1 0 9 8 ， 8 1 3 ，5 2 lc m 。与标准谱图 7 6 】对比一致 3 1 2 分析方法 红外：美国n i c o l e t3 6 0 型傅立叶红外光谱仪，采用k b r 压片法测定；核磁： v a r i a n 公司i n o v a 5 0 0 n b 超导核磁共振仪，以氘代氯仿为溶剂，四甲基硅烷为 内标；基质辅助激光解吸飞行时间质谱：德国b r u k e r 公司r e f l e x t mi i i 型 m a l d i t o f 质谱仪，采用氮激光器，激光波长3 3 7 n m ，正离子线性检测模式， 基质为9 硝基蒽。 3 1 3c 6 0 与n 羧甲基脱氢枞胺的1 ，3 - 偶极环加成反应 称取3 6 9 5 m g ( 0 5 1 m m 0 1 ) c 6 0 溶于2 0 0 m l 甲苯中，搅拌下加入1 6 5 8 m g ( 5 5 3 r e t 0 0 1 ) 多聚甲醛及5 3 5 8 m g ( 1 5 7 m m 0 1 ) n 羧甲基脱氢枞胺，氮气保护下油浴 加热至回流，反应液很快由紫色变为棕黑色。保持温度反应4 8 h 。 反应结束后将反应液浓缩，加入过量的乙醇使其沉淀。由于n 羧甲基脱氢 枞胺在乙醇中有一定的溶解度，因此可以除去部分残余的n 羧甲基脱氢枞胺。 抽滤，将滤得的固体重新溶于少量甲苯中进行硅胶柱层析。先以石油醚洗下未反 应完的c 6 0 ( 回收c 6 03 0 4 m g ) ，再以v ( 石油醚) ：v ( 甲苯) = 5 ：l 的混合溶剂洗脱， 得到产物8 7 8 m g ，得率1 8 1 ( 按参加反应的c 6 0 计) 。产物加热至3 0 0 以上分 解碳化，无熔化现象。产物能溶于多数中等极性的溶剂( 如甲苯、氯仿、四氢呋 喃、乙酸乙酯等) 。 产物谱图数据如下：