3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇的結(jié)構(gòu)鑒定及抗氧化性研究

羅忠明,劉 柳,逯與運(yùn),孫元奎,晏日安

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系,廣東廣州 510632)

3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇的結(jié)構(gòu)鑒定及抗氧化性研究

羅忠明,劉 柳,逯與運(yùn),孫元奎,晏日安*

(暨南大學(xué)食品科學(xué)與工程系,廣東廣州 510632)

以鄰苯二酚、1,3-二溴丙烷為起始原料,在堿性回流條件下經(jīng)環(huán)化反應(yīng)得到3,4-二氫-2H-1,5-苯并二氧環(huán)丙,然后通過Friedel-Crafts?；磻?yīng)得到7-乙?；?3,4-二氫-1,5-苯并二惡庚,之后經(jīng)Bayer-Villiger氧化、水解酸化及柱層析分離得到目標(biāo)產(chǎn)物,總產(chǎn)率28.5%。采用紅外光譜(IR)、質(zhì)譜(MS)以及核磁共振(1H-NMR,13C-NMR)對終產(chǎn)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)鑒定,確定目標(biāo)產(chǎn)物為3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇。測定其在油脂中的抗氧化能力,結(jié)果表明其在動植物油脂中均具有一定的抗氧化性。

芝麻酚,3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇,Friedel-Crafts酰基化,抗氧化

酚類物質(zhì)具有活潑的羥基,可有效清除羥基自由基、DPPH自由基及超氧陰離子[1],在食品添加劑中是一類重要的抗氧化劑。現(xiàn)階段,與天然抗氧化劑相比,通過化學(xué)法合成的酚類抗氧化劑由于價(jià)格便宜、抗氧化效果良好等優(yōu)點(diǎn)而被更廣泛的應(yīng)用,尋找一些更加高效、無毒、價(jià)廉的抗氧化劑也是食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2-3]。

芝麻酚作為一種被廣泛研究的天然酚類抗氧化物,具有很強(qiáng)的抗氧化性,其提取、合成及性質(zhì)方面已有大量研究報(bào)告[4-6],但較少有人從其結(jié)構(gòu)出發(fā),探討比較其類似物的合成及抗氧化能力。近年來,抗氧化劑結(jié)構(gòu)與活性的相關(guān)性研究引起了學(xué)者們廣泛的興趣,并取得了一定的成果[7],本實(shí)驗(yàn)室已完成對芝麻酚及6-羥基-1,4-苯并二惡烷的合成研究,并進(jìn)行了抗氧化活性測試[8-9],在此基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步探究這種構(gòu)效關(guān)系,合成了3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇,并測定了其在油脂中的抗氧化能力。三種化合物的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 芝麻酚及其類似物的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of sesamol and analogues

圖2 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇合成路線圖Fig.2 Synthetic routes of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol

本文研究的3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇,日本有相關(guān)文獻(xiàn)以1,2,4-苯三酚進(jìn)行過一步合成[10],但以鄰苯二酚為起始原料的合成及完整的結(jié)構(gòu)鑒定數(shù)據(jù)在國內(nèi)外均未見報(bào)道,對其在油脂中的抗氧化能力測試也未見相關(guān)文獻(xiàn)。因此,探究這種新型酚類化合物的合成及其抗氧化性,對于更加深入地研究這一類化合物結(jié)構(gòu)與抗氧化活性的構(gòu)效關(guān)系,以及尋找更加安全高效的抗氧化劑,都具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鄰苯二酚、乙酰氯、氯仿、碳酸鈉、無水硫酸鎂、N-甲基吡咯烷酮、過氧乙酸、亞硫酸鈉、硝基苯、石油醚、氫氧化鈉 天津市福晨化學(xué)試劑廠；無水乙醇、冰醋酸、濃鹽酸、1,3-二溴丙烷、無水氯化鋁、間氯過氧苯甲酸 天津市富宇精細(xì)化工有限公司；玉米油、花生油、葵花籽油 益海(廣州)糧油工業(yè)有限公司；豬油 市售新鮮板油熬制；薄層層析板 柱層析硅膠(200～300目) 青島海洋化工廠。

WAY-1型阿貝折光儀 上海市儀表集團(tuán)供銷公司；X-5控溫型顯微熔點(diǎn)測定儀 北京泰克儀器有限公司；質(zhì)譜儀 美國菲尼根質(zhì)譜公司；EQUINOX-55型紅外光譜儀 布魯克光譜儀器公司；AVANCEIII型核磁共振波譜儀(500MHz) 瑞士布魯克公司；734型氧化穩(wěn)定測定儀 瑞士Metrohm公司。

1.2 合成路線

以鄰苯二酚、1,3-二溴丙烷為起始原料,經(jīng)環(huán)化、Friedel-Crafts酰基化、Bayer-Villiger氧化反應(yīng)最終得到3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇。鄰苯二酚是重要的化工中間體,來源廣泛,價(jià)格便宜,反應(yīng)過程中生成的副產(chǎn)物便于分離處理,對環(huán)境污染小,合成使用的Friedel-Crafts?；磻?yīng)及Bayer-Villiger氧化反應(yīng)已被深入研究,有大量文獻(xiàn)可供參考[11-13],因此從原料來源、環(huán)境保護(hù)及合成方法的角度考慮,本合成路線值得參考。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分三步進(jìn)行,包括3,4-二氫-2H-1,5-苯并二氧環(huán)丙的合成、7-乙酰基-3,4-二氫-1,5-苯并二惡庚的合成以及目標(biāo)產(chǎn)物3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇的制備,實(shí)驗(yàn)操作及條件參考實(shí)驗(yàn)室芝麻酚的合成[8-9]。

1.3.1 3,4-二氫-2H-1,5-苯并二氧環(huán)丙的合成 在500mL圓底三口燒瓶中依次加入150mL N-甲基吡咯烷酮,26.30g 1,3-二溴丙烷,電熱套加熱至回流溫度。在機(jī)械攪拌下,緩慢滴加含有11.00g鄰苯二酚的30mL濃度50% NaOH溶液混合液,滴加完成后,反應(yīng)溫度設(shè)定為100℃,反應(yīng)10～12h后,抽濾除去反應(yīng)中生成的鹽,水蒸氣蒸餾收集100℃下的共沸物,取下層液體,以無水Na2SO4干燥,抽濾得濾液,稱重12.18g,產(chǎn)率81.2%。

1.3.2 7-乙酰基-3,4-二氫-1,5-苯并二惡庚的合成 在250mL三口圓底燒瓶中依次加入100mL硝基苯、22.20g無水氯化鋁,冰浴條件下再加入20mL乙酰氯,持續(xù)攪拌45min后再緩慢滴加溶有12.10g 3,4-二氫-2H-1,5-苯并二氧環(huán)丙的硝基苯溶液,滴完后使其在室溫下反應(yīng)16～18h；反應(yīng)結(jié)束后,將反應(yīng)液加入到100mL含有10%濃鹽酸的冰水中,充分水解后用二氯甲烷萃取,有機(jī)層依次用水、5% NaOH溶液、水洗滌有機(jī)層至中性,旋蒸除去二氯甲烷,最后得到油狀液體9.41g,產(chǎn)率61.3%。

1.3.3 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇的制備 在250mL圓底燒瓶中加入含1.92g 7-乙?；?3,4-二氫-1,5-苯并二惡庚的二氯乙烷溶液50mL,冰浴冷卻至0～10℃,機(jī)械攪拌下緩慢滴加溶有2.80g間氯過氧苯甲酸的二氯乙烷溶液。滴加完畢,TLC跟蹤反應(yīng),室溫下攪拌反應(yīng)10～12h后,過濾除去不溶物。濾液依次用飽和亞硫酸鈉溶液、稀堿溶液、蒸餾水洗至中性。旋蒸除去溶劑,向得到的油狀液體中加入100mL 15%的NaOH溶液,室溫下攪拌至油狀物全部溶解皂化。以15% H2SO4調(diào)溶液pH約為3～4,用二氯乙烷溶液萃取3次,合并萃取液并依次用15% NaHCO3溶液、蒸餾水洗至中性。旋蒸除去溶劑,得到深黃色油狀液體,硅膠柱層析分離,洗脫劑為氯仿/乙酸乙酯/冰乙酸(100∶5∶1,V/V/V),最終得到無色液體0.94g,產(chǎn)率57.2%。

1.3.4 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇在油脂中的抗氧化性測定 采用瑞士Metrohm公司的Rancimat734型氧化穩(wěn)定測定儀對化合物在動植物油脂中的抗氧化性進(jìn)行測試,平行測定三次,取氧化誘導(dǎo)時(shí)間平均值。測定條件:加熱溫度120℃,空氣流速10L/h,油脂添加量3.00g,其中空白組油脂中未添加抗氧化物,A、B組油脂中分別添加3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇和芝麻酚,添加量150mg/kg。

2 結(jié)果與討論

2.1 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇結(jié)構(gòu)鑒定

2.1.1 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇紅外分析 如圖3所示,波數(shù)為3289. 35cm-1的吸收峰是酚羥基中O-H的伸縮振動吸收峰；2971.53、2922.32、2883.05cm-1處的吸收峰為亞甲基的C-H伸縮振動吸收峰；1619.42、1501.75、1469.94cm-1處的吸收峰是苯環(huán)中C=C伸縮振動吸收峰；1311.93cm-1為C-H的彎曲振動吸收峰；1267.86cm-1為Ar-O伸縮振動吸收峰；1193.68、1150.07、1101.83、1034.63cm-1的吸收峰是雜氧環(huán)中C-O-C伸縮振動吸收峰；899.26、858.15、816.36cm-1處的吸收峰為苯環(huán)上Ar-H的面外彎曲振動吸收峰,667.85cm-1的吸收峰為O-H面外彎曲振動吸收峰。由此可知,所得產(chǎn)物紅外數(shù)據(jù)符合3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

圖3 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4] 二氧雜環(huán)庚-7-醇的紅外譜圖Fig.3 IR of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4] dioxepin-7-ol

2.1.2 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇EI質(zhì)譜分析 從圖4看出EI質(zhì)譜數(shù)據(jù)m/e為:167,166,137,125,110,96,79,68,55。其中167為M+1峰,166為分子離子峰,因此確定了產(chǎn)物分子量為166,與3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇分子量相符合。其可能裂解方式如下:分子離子峰首先脫去-C3H6自由基得到m/e=125質(zhì)譜信號；然后苯環(huán)再經(jīng)i裂解重排脫去CO得到m/e=96離子峰；五元環(huán)再脫除CO重排得到m/e=68離子峰；最后再脫去-CH,得到m/e=55離子峰。另一種裂解可能為:分子離子首先脫去一個(gè)質(zhì)子,再裂解脫掉-C2H4得到m/e=137離子,再斷裂掉-CO得到m/e=110離子峰信號,最后苯環(huán)再經(jīng)i裂解重排得到m/e=79離子峰。

圖4 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4] 二氧雜環(huán)庚-7-醇的EI質(zhì)譜圖Fig.4 EI-MS of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4] dioxepin-7-ol

2.1.3 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇核磁分析 產(chǎn)物的13C-NMR(126 MHz,DMSO)分析如下:δ 153.73(C-1),152.32(C-3),144.38(C-4),122.31(C-5),110.24(C-6),108.47(C-2),71.07(C-7,C-8),39.97(dt),32.66(C-8),其中化學(xué)位移為39.81-40.31的峰為DMSO的溶劑峰。苯的13C-NMR化學(xué)位移δ為128.50,由于受到酚羥基取代影響,-OH上的孤對電子離域到苯環(huán)的π電子體系上,使得鄰位(C-1)和對位(C-4)電子云密度增大,屏蔽增加,從而使化學(xué)位移向高場移動,另外,由于雜氧環(huán)取代的推電子效應(yīng),使得其與氧原子相鄰的苯環(huán)碳原子(C-3,C-4)電子云密度增大,屏蔽增大,進(jìn)而引起碳原子的化學(xué)位移向高場移動。

圖5 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4] 二氧雜環(huán)庚-7-醇13C-NMR譜圖Fig.5 13C-NMR of 3,4-Dihydro-2H-benzo [b][1,4]dioxepin-7-ol

圖6 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇1H-NMR譜圖Fig.6 1H-NMR of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol

產(chǎn)物的1H NMR(500MHz,DMSO)分析如下:化學(xué)位移δ 9.13處單峰為酚羥基-OH上的質(zhì)子峰,δ6.72、6.36、6.32處的偽雙重峰分別為苯環(huán)上C-5,C-6,C-2位置所對應(yīng)的質(zhì)子峰,δ4.05、3.96處的三重峰分別對應(yīng)C-7,C-9上的質(zhì)子峰,δ3.34處的單峰為水峰,δ2.51處的多重峰為溶劑DMSO的溶劑峰,δ2.03處的多重峰為C-8上-CH2-的質(zhì)子峰。

綜合以上紅外、質(zhì)譜以及核磁共振譜圖數(shù)據(jù),最終確定本實(shí)驗(yàn)合成了化合物3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇。

2.2 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇與芝麻酚的抗氧化性

由表1可知,A、B組分別添加了3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇和芝麻酚的油脂氧化誘導(dǎo)時(shí)間長于空白組,特別是豬油中,添加抗氧化物之后氧化誘導(dǎo)時(shí)間明顯延長,這表明3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇在動植物油脂中都具有一定的抗氧化性,并且在豬油中的抗氧化效果更佳。

表1 油脂的氧化誘導(dǎo)時(shí)間(h)Table 1 Induced oxidation time of oil(h)

酚類化合物主要是通過抽氫反應(yīng)產(chǎn)生較穩(wěn)定的苯氧自由基來終止鏈?zhǔn)椒磻?yīng),苯氧自由基越穩(wěn)定,清除自由基活性越強(qiáng)[14]。同芝麻酚一樣,3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇具有酚羥基結(jié)構(gòu),能產(chǎn)生苯氧自由基,且其酚羥基對位取代的氧原子p型孤對電子軌道可能與苯氧自由基的單占分子軌道重疊,從而使苯氧自由基更加穩(wěn)定[15],因此3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇在油脂中能表現(xiàn)出一定抗氧化性。同時(shí),其在動植物油脂中表現(xiàn)出的抗氧化性的差異,可能是由于動植物油脂中不同的成分含量所引起,也包括油脂中本身存在的抗氧化劑與添加抗氧化劑之間的相互作用,這其中的具體機(jī)理尚不明確,有待做進(jìn)一步的研究。

3 結(jié)論

以鄰苯二酚為起始原料,經(jīng)環(huán)化反應(yīng)、Friedel-Crafts?；磻?yīng)、Bayer-Villiger氧化反應(yīng)最終得到3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環(huán)庚-7-醇,采用IR,EI,NMR方法,確定該化合物的結(jié)構(gòu)。通過將其添加在油脂中的加速氧化實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論:新合成的芝麻酚類似物在動植物油脂中都具有一定的抗氧化性,但相比較芝麻酚其抗氧化能力較弱。

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Structure identification and antioxidation activity of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol

LUO Zhong-ming,LIU Liu,LU Yu-yun,SUN Yuan-kui,YAN Ri-an*

(Department of Food Science and Engineering,Jinan University,Guangzhou 510632,China)

With catechol and 1,3-Dibromopropan as starting materials,3,4-Dihydro-2H-1,5-benzodioxepin was prepared by cyclization reaction under the condition of alkaline reflux,then through Friedel-Crafts acylation to get 1-(3,4-dihydro-2H-1,5-benzodioxepin-7-yl)ethan-1-one. Followed by Bayer-Villiger oxidation,hydrolytic acidification and column chromate graphy separation,the final product was obtained and the yield was 28.5%. Using Infrared spectroscopy,mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy(1H-NMR,13C-NMR)for structure identification and characterization,the final product was identified as 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol. Antioxidation activity in oils was evaluated. Results showed that the product had a certain antioxidation activity in both animal and vegetable oils.

sesamol;3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol;Friedel-Crafts acylation;antioxidation

2014-09-16

羅忠明(1988-)，男，碩士在讀，研究方向：食品添加劑的制備與應(yīng)用。

*通訊作者:晏日安(1962-)，男，博士，教授，研究方向：食品添加劑的制備與應(yīng)用。

廣州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(11C12070753)資助。

TS202.3

B

1002-0306(2015)11-0214-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.11.035