新型防污劑辣素衍生物的合成、抑菌性及防污性能研究＊

閆雪峰，于良民，姜曉輝

（中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100）

海洋生物污損是指海水中有害的微型或大型生物在物體表面的不良沉積，是人類開始從事海洋活動(dòng)就遇到的生物危害，會(huì)嚴(yán)重影響水下設(shè)施的性能與壽命，增加船舶的阻力、堵塞管道、加速金屬腐蝕、使儀表及轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失靈等，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失［1－3］。目前最行之有效的防污方法就是涂刷含有機(jī)錫等有毒防污劑的防污涂料，然而這種防污涂料在防污的同時(shí)嚴(yán)重危害海洋生態(tài)環(huán)境。國際海事組織（IMO）明確規(guī)定，自2008年1月1日起，全球禁止使用含有機(jī)錫防污涂料。因此替代有機(jī)錫的無毒防污劑的研究開發(fā)成為當(dāng)今海洋科學(xué)技術(shù)中亟待解決的重大技術(shù)問題之一，而辣素也是在這個(gè)時(shí)候作為新型防污劑的替代品之一而開始備受關(guān)注。

辣素是辣椒中的主要辣味成分，是一種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的生物堿，結(jié)構(gòu)式為可廣泛的用于醫(yī)藥、生物農(nóng)藥、飲食保健、化工以及軍事等領(lǐng)域，還可用作防污涂料和防鼠咬涂料的添加劑［4－6］。以其作為防污劑的防污涂料不僅能有效地抑制和驅(qū)避海洋生物、藤壺對(duì)船底的附著污損，并且對(duì)其他污損生物也有一定抑制作用。然而單靠從辣椒中提取辣素來應(yīng)用于防污涂料中無論從規(guī)模上還是從價(jià)格上都不具有可行性，而人工合成辣素的產(chǎn)率很低，成本太高，且這類辣椒素只能作為添加型防污劑使用，作用較為單一。為了利用辣素的環(huán)境友好性和防污活性，本文以N－羥甲基丙烯酰胺和芳香醛（酮）為原料，通過Fridel－Crafts烷基化反應(yīng)設(shè)計(jì)合成了3種含辣素活性結(jié)構(gòu)的丙烯酰胺衍生物。合成的化合物既含有辣椒素的活性結(jié)構(gòu)，又含有丙烯酰胺雙鍵的活性，為之后將辣素活性結(jié)構(gòu)引入到聚合物分子鏈打下了基礎(chǔ)。最后探討了合成的辣素衍生物對(duì)自然界常見菌葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌活性，發(fā)現(xiàn)其具有較強(qiáng)的抑菌能力，并將其制備成海洋防污涂料，實(shí)海掛板均表現(xiàn)出優(yōu)良的防污性能。目標(biāo)物的結(jié)構(gòu)如下：

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器和試劑

儀器：IR用 NICOLET公司AVATAR－360紅外光譜儀（固體：KBr壓片）；HNMR用日本電子株式會(huì)社JNM－ECP600核磁共振波譜儀；熔點(diǎn)儀為BüCHI公 司 Melting Point B－545；超 級(jí) 恒 溫 水 浴 用BROOKFIELD公司201D；攪拌裝置為IKA W20。

試劑：鄰甲酚（工業(yè)級(jí)）、胡椒環(huán)（工業(yè)級(jí)）、5－甲基－2－甲硫基苯酚（工業(yè)級(jí)），N－羥甲基丙烯酰胺（工業(yè)級(jí)）、濃硫酸（分析純）。

1.2 合成方法與表征

1.2.1 HMOBA的合成 在250mL三口瓶中依次加入21.6g（0.2mo1）鄰甲酚、22.2g（0.22mo1）N－羥甲基丙烯酰胺、10mL硫酸和50mL乙醇，35℃的水浴中攪拌反應(yīng)，并用TLC監(jiān)控反應(yīng)結(jié)束，有大量白色沉淀析出，過濾，用水洗濾餅至中性，干燥得白色粉末狀粗品，再經(jīng)乙醇重結(jié)晶得白色針狀晶體，熔點(diǎn)為141～142℃，純品化合物HMOBA，產(chǎn)率85.2%，熔點(diǎn)94.9～95.5℃。IR（KBr壓片）／cm－1：υO(shè)－H 3 309；υN－H 3 103，υC＝O 1 658，υ＝C－H 2 957，υC－O1 265，υC＝C（Benzene－ring）1 610，1 508，1 454。1HNMR（DMSOD6），δ：9.16（s，1H，OH），6.25（q，1H，＝CH－），8.41（t，1H，－NH－），6.70－6.95（m，3H，Ph－H），6.10（q，1H，＝C－H），5.58（q，1H，＝C－H），4.19（d，2H，－CH2），3.33（s，3H，－CH3）。

1.2.2 BMA 的合成［7］在250mL 三口瓶中依 次2g無水三氯化鋁和50mL環(huán)己酮，超聲分散后依次加入24.4（0.2mo1）1，3－苯并二氧雜戊環(huán)（胡椒環(huán)）和22.2g（0.22mo1）N－羥甲基丙烯酰胺，35℃的水浴中攪拌反應(yīng)，并用TLC監(jiān)控反應(yīng)結(jié)束，有大量白色沉淀析出，過濾，用稀鹽酸洗濾餅，干燥得白色粉末狀粗品，再經(jīng)乙醇重結(jié)晶得白色針狀晶體，熔點(diǎn)為106.3～107.1℃，產(chǎn)率68.3%，化合物 BMA。IR（KBr壓片），σ／cm－1：υN－H 3 289，3 431；υC＝O1 652，υ＝C－H 3 062，υCO1 252，υC＝C（Benzene－ring）1 620，1 503，1 444。1HNMR（DMSO－D6），δ：8.53（t，1H，－NH－），6.25（q，1H，＝CH－），6.74－6.86（m，2H，Ph－H），6.65（d，1H，Ph－H），6.11（q，1H，＝C－H），5.98（s，2H，O－CH2－O），5.61，（q，1H，＝C－H），4.24（d，2H，－CH2－）。

1.2.3 HMMBA的合成 在250mL三口瓶中依次加入50mL正丁醇，22.2g（0.22mo1）N－羥甲基丙烯酰胺、30.8g（0.2mo1）5－甲基－2－甲硫基苯酚和10mL濃硫酸，35℃水浴攪拌反應(yīng)，并用TLC（展開劑為乙酸乙酯）監(jiān)控反應(yīng)結(jié)束。體系中產(chǎn)生大量白色沉淀，過濾，用水洗濾餅至中性，干燥得白色粉末狀粗品，再經(jīng)乙醇重結(jié)晶得37.6g純品，產(chǎn)率79.2%，熔點(diǎn)148.5～149.9℃。IR（KBr壓片），σ／cm－1：υO(shè)－H 3 332，υN－H 3 125，υC＝O 1 653，υ＝C－H 2 925，υC－O 1 213，υC＝C（Benzene－ring）1 614，1 593，1 445。1HNMR（DMSO－D6），δ：9.61（s，1H，－OH－），8.31（t，1H，－NH－），6.27（q，1H，＝CH－），7.00（s，1H，Ph－H），6.62（s，1H，Ph－H），6.12（q，1H，＝C－H），5.59（q，1H，＝C－H），4.23（d，2H，－CH2－），2.40（s，3H，－SCH3），2.15（s，3H，Ar－CH3）。

2 性能測試方法

2.1 最小抑菌濃度的測定：

水中的細(xì)菌等微生物會(huì)在船體和水下儀器設(shè)施等表面上形成生物粘膜，而生物粘膜是其他污損生物附著的基礎(chǔ)［8］。本實(shí)驗(yàn)選用自然界常見的大腸桿菌（Escherichia coli革蘭式陰性菌）和金黃色葡萄球菌（Staphyloccocus aureus革蘭式陽性菌）為受試菌種，受試菌菌種均來自于中國海洋大學(xué)海洋生命學(xué)院微生物實(shí)驗(yàn)室。

2.1.1 菌懸液制備 將菌種充分活化，用接種環(huán)刮取斜面培養(yǎng)基上的新鮮菌株接種到無菌液體培養(yǎng)基中，培養(yǎng)一段時(shí)間，用無菌生理鹽水依次10倍稀釋至所需濃度。

2.1.2 最小抑菌濃度（MIC）的測定方法 采用試管二倍稀釋法，將合成的辣素衍生物的濃度依次二倍稀釋，然后將稀釋到一定濃度的菌液加入到辣素稀釋液中進(jìn)行培養(yǎng)，大腸桿菌與金黃色葡萄球菌震蕩培養(yǎng)24h，肉眼觀察陽性對(duì)照管（不加受試化合物而接種菌的試管）有菌生長，出現(xiàn)混濁，陰性對(duì)照管（不加受試化合物也不接種菌的試管）無菌生長，呈現(xiàn)透明狀態(tài)，以此確定待測物對(duì)3種試驗(yàn)菌株的最小抑菌濃度。

2.2 海洋掛板實(shí)驗(yàn)

關(guān)于防污劑應(yīng)用性能的研究并無切實(shí)可行的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)方法，仍完全依賴海上實(shí)際的考察結(jié)果，其中實(shí)海掛板被公認(rèn)為最方便、有效的方法。

2.2.1 涂料配方

表1 涂料配方Table 1 Compasitions of antifouling coatings ／g

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法 參照國家標(biāo)準(zhǔn)《防污漆樣板淺海浸泡試驗(yàn)方法》（GB 5370－85）進(jìn)行。

試驗(yàn)地點(diǎn)：青島大港海上浮筏。

樣板試片的制備：將250mm×150mm×1mm的低碳鋼板用120目的砂紙打磨除銹，用棉紗擦凈后涂刷兩道環(huán)氧底漆，然后涂刷兩道所制備的防污涂料，放在通風(fēng)處自然晾干。

將按上述配方制備好分別含有HMOBA、BMA和HMMBA防污劑的防污涂料試片、僅含氧化亞銅作為防污劑的防污涂料試片與不含防污涂層而僅涂刷環(huán)氧底漆的空白試片的試驗(yàn)樣板分別固定在帶槽的木框中，兩端用螺栓固定，樣板浸海深度為1m。

3 結(jié)果與討論

3.1 最小抑菌濃度

在最小抑菌濃度（MIC）的測定中，以試管中明顯無菌生長的化合物最小濃度為該化合物的最小抑菌濃度。據(jù)此判斷，3種待測物對(duì)2種細(xì)菌的檢測結(jié)果如表2所示：

表2 受試化合物對(duì)3種菌的MIC值Table 2 MIC of three testing compounds with two bacteria ／mg·mL－1

從表2中可以看出，3種化合物對(duì)2種受試菌株均表現(xiàn)出較好的抑制效果，其抑菌活性為BMA＞HMOBA＞HMMBA，這是由于BMZ上氧的電負(fù)性比較強(qiáng)，電荷密度高，增強(qiáng)了其抑菌的效果，而對(duì)于HMMBA來說，處于鄰位的羥基和甲硫基可能生成了分子內(nèi)氫鍵，弱化了羥基在辛醇分配系數(shù)中的作用，使得其抑菌性能較低。

3.2 實(shí)海掛板結(jié)果

將制備好的試片浸入海水中186d，結(jié)果如圖1所示：

圖1 防污涂料海上掛板結(jié)果Fig.1 Antifouling properties of three compounds

從圖1可以看出，掛板186d后，空白板已經(jīng)完全被的大型藻類附著，僅含氧化亞銅防污劑的試片也有近80%的面積被污損生物覆蓋，而添加辣素衍生物的防污板則僅附著有少量的生物粘膜［8］和污泥。由此可證明，添加了辣素衍生物防污劑的涂料能明顯抑制海洋污損生物的附著，具有良好的防污效果，防污期效至少可達(dá)6個(gè)月。其中以含BMA防污劑的防污涂料效果最好，6個(gè)多月的實(shí)海掛板幾乎沒有任何生物附著。總體防污效果為BMA＞HMOBA＞HMMBA，與抑菌試驗(yàn)結(jié)果一致。

4 結(jié)語

本文以N－羥甲基丙烯酰胺和芳香醛（酮）為原料，通過Fridel－Crafts烷基化反應(yīng)合成了HMOBA、BMA和HMMBA 3種含辣素衍生結(jié)構(gòu)化合物。以自然界最常見的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為受試菌種，探討了合成的辣素衍生物對(duì)它們的抑制性能，研究結(jié)果表明3種化合物對(duì)2種菌均具有良好的抑制能力，其中以BMA的抑菌效果最好，對(duì)2種菌的MIC均為0.062 5mg／mL。以合成的3種含辣素衍生結(jié)構(gòu)化合物為防污劑制備的海洋防污涂料，在生物生長的旺期實(shí)海掛板186d仍無明顯的生物附著，說明了該3種防污劑均具有防污期效長的特點(diǎn)，加上辣素類化合物自身所具有環(huán)境友好的特性充分說明了此3種化合物作為防污劑具有高效、低毒、藥效持續(xù)時(shí)間長、對(duì)環(huán)境安全的特點(diǎn)，是1種有機(jī)錫防污劑的優(yōu)良替代品。

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