于 穎

(遼東學(xué)院 化工與機械學(xué)院，遼寧 丹東 118003)

大宗植物山茱萸、梔子、龍膽等含有大量環(huán)烯醚萜類化合物，這些環(huán)烯醚萜化合物因具有多種藥理活性，被廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥領(lǐng)域。已有研究表明環(huán)烯醚萜類化合物能夠與含伯氨基的蛋白質(zhì)纖維發(fā)生呈色反應(yīng)[1-2]，但到目前為止，環(huán)烯醚萜類化合物被開發(fā)為染料應(yīng)用于紡織品染色的相關(guān)研究卻很少。本研究嘗試將4種具有代表性的環(huán)烯醚萜化合物——京尼平苷、馬錢苷、獐芽菜苦苷和莫諾苷(結(jié)構(gòu)式見圖1～圖4)進行結(jié)構(gòu)修飾，獲得相應(yīng)的苷元后用于真絲綢染色，即在原來的分子結(jié)構(gòu)中引入新的助色基團，獲得與天然產(chǎn)物母核結(jié)構(gòu)相似的衍生物，改變蛋白質(zhì)纖維所呈現(xiàn)的顏色[3]。這不僅增加了環(huán)烯醚萜類化合物的種類，同時也拓寬了此類天然環(huán)烯醚萜類活性染料的色譜范圍，為獲取蛋白質(zhì)纖維天然染色材料來源提供了新途徑。

1 試驗

1.1 材料與儀器

織物：12103練白真絲雙縐(16姆米(68.89 g/m2),杭州方大絲綢有限公司)。

藥品：京尼平苷、馬錢苷、獐芽菜苦苷和莫諾苷(上海麥克林生化科技有限公司，純度≥ 98%)；β-葡萄糖苷酶、磷酸鹽緩沖溶液(北京謹(jǐn)明生物科技有限公司)；苯甲酰氯、醋酸、硝酸銀、氫氧化鈉等試劑均為分析純(山西恒泰佳源生物科技有限公司)。

儀器：電噴霧質(zhì)譜儀(日本島津)；UV752N型紫外可見分光光度計(青島精誠儀器儀表有限公司)；FA1004N型電子分析天平、PHSJ-4A型實驗室pH計(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)；RJ-1180型高溫小樣機(靖江市華夏科技有限公司)；SHA-2低溫水浴恒溫振蕩器(常州冠軍儀器制造有限公司)；Y571B型電動摩擦色牢度儀(常州市雙固頓達機電科技有限公司)；YG611M風(fēng)冷式日曬氣候色牢度儀(浙江三工匠儀器有限公司)；HB-7117型耐水洗牢度測試儀(東莞市弘寶檢測設(shè)備有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 4種天然環(huán)烯醚萜類化合物的結(jié)構(gòu)修飾

1)京尼平苷酸結(jié)構(gòu)的修飾——酯水解法

京尼平苷酸的制備：稱取京尼平苷酸1 g，加入200 mL醋酸鹽緩沖溶液(pH=5.0)，溶解后再加入50 mg β-葡萄糖苷酶，在50 ℃水浴中反應(yīng)6 h，水解液冷卻至室溫后，用乙酸乙酯萃取3次,每次100 mL，合并有機相，再經(jīng)飽和氯化鈉溶液洗滌，無水硫酸鈉干燥，靜置24 h,回收溶劑，得到產(chǎn)物。

京尼平苷酸酶水解為苷元：稱取京尼平苷酸1 g，加入200 mL醋酸鹽緩沖溶液(pH=5.0)，溶解后再加入50 mg β-葡萄糖苷酶，在50 ℃水浴中反應(yīng)6 h，水解液冷卻至室溫后，用300 mL乙酸乙酯分3次萃取，合并有機相，再經(jīng)飽和氯化鈉溶液洗滌，無水硫酸鈉干燥，靜置24 h,回收溶劑，即得京尼平苷酸苷元。

2)獐芽菜苦苷結(jié)構(gòu)的修飾——苷交換法

將2 g獐芽菜苦苷投入裝有400 mL甲醇的錐形瓶中，充分溶解后，滴加30 mL濃鹽酸，70 ℃水浴回流。反應(yīng)24 h后 ,終止反應(yīng)。冷卻至室溫用飽和碳酸氫鈉調(diào)節(jié)pH為7，回收甲醇，剩余水相用150 mL乙酸乙酯分3次萃取，合并有機相，用飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉進行干燥，濃縮，即得獐芽菜苦苷苷元粗品。將制得的粗品用硅膠柱層析，以CHCl3-MeOH系統(tǒng)作為洗脫劑洗脫，經(jīng)薄層色譜檢測，合并相同流份，濃縮、重結(jié)晶得到甲基獐芽菜苦苷苷元。

3)馬錢苷結(jié)構(gòu)的修飾——?；磻?yīng)

馬錢苷結(jié)構(gòu)修飾產(chǎn)物的制備：將馬錢苷、苯甲酰氯和三乙胺按摩爾比1.0∶1.1∶1.1依次投入250 mL錐形瓶中(其中馬錢苷為0.4 g，已用100 mL二氯甲烷溶解)，在冰水浴中磁力攪拌至完全反應(yīng)后減壓回收溶劑。產(chǎn)物溶解于蒸餾水中，用150 mL二氯甲烷分3次萃取，再用1.5 mol/L的鹽酸溶液洗滌中和有機相體系中的三乙胺，用無水硫酸鈉干燥0.5 h，減壓回收溶劑，即得馬錢苷結(jié)構(gòu)修飾產(chǎn)物。

馬錢苷結(jié)構(gòu)修飾產(chǎn)物酶水解為苷元：稱取馬錢苷結(jié)構(gòu)修飾產(chǎn)物4 g，加入pH=5.0的醋酸鹽緩沖溶液50 mL，溶解后再加入80 mg β-葡萄糖苷酶于50 ℃水浴2 h，用乙醚將水解液萃取3次,每次50 mL，合并有機相，再經(jīng)飽和氯化鈉溶液洗滌，無水硫酸鈉干燥、濃縮、重結(jié)晶后得到產(chǎn)物。采用ESI-MS對產(chǎn)物分子質(zhì)量進行測定，如果所測分子質(zhì)量與馬錢苷結(jié)構(gòu)修飾產(chǎn)物苷元分子質(zhì)量吻合，則可以判斷為目標(biāo)產(chǎn)物。

同法制備莫諾苷結(jié)構(gòu)修飾產(chǎn)物，再經(jīng)酶水解得到修飾產(chǎn)物苷元。

1.2.2 絲素蛋白溶液的制備

將1 g蠶絲放入50 mL 0.5 mg/mL的中性皂溶液中，于100 ℃處理120 min，完全脫膠后，充分洗滌、晾干,再放入5 mL濃度為9 mol/L的溴化鋰溶液，于55 ℃加熱至完全溶解，自然冷卻后透析36 h，去除溴化鋰等雜質(zhì)，經(jīng)硝酸銀檢測合格后，溶液濃度用Brandford法測定。

1.2.3 環(huán)烯醚萜類化合物修飾產(chǎn)物對真絲綢的染色

稱取每份1 g的真絲綢樣品，在50 ℃條件下，用2 g/L的純堿溶液40 mL 處理20 min，充分清洗后，分別置于試管中，各加入7.5 mL的磷酸鹽緩沖溶液(pH=8.0)，再分別加入4種修飾產(chǎn)物25 mg，在50 ℃磁力攪拌2 h。清洗、晾干，測定染色樣品K/S值，以確定顏色產(chǎn)物。

1.2.4 UV-vis分析

稱取修飾產(chǎn)物苷元各15 mg放入試管中，用5 mL蒸餾水溶解后，再加入pH=8.0的磷酸鹽緩沖溶液5 mL，在50 ℃下水浴震蕩20 min后，加入質(zhì)量濃度為1 mg/mL的絲素蛋白水溶液3 mL，繼續(xù)震蕩6 h，觀察顏色變化，用UV-vis測量不同反應(yīng)時間內(nèi)吸收波長變化情況。

1.2.5 測試方法

1)K/S值測試

利用測色配色儀測定染后樣品的K/S、明度(L*)、紅綠(a*)、黃藍(b*)和彩度(c*)值，D65光源，10°視角。

2)染色蛋白質(zhì)纖維色牢度的測試

分別按照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗?zāi)拖瓷味龋涸囼?》、GB/T 3920—1997《紡織品色牢度試驗?zāi)湍Σ辽味取?、GB/T 8426—1998《紡織品色牢度試驗?zāi)凸馍味龋喝展鉁y試》測定纖維染色牢度。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)烯醚萜類化合物結(jié)構(gòu)修飾的原理

環(huán)烯醚萜化合物可通過酯水解、苷交換、乙?；确椒ㄟM行結(jié)構(gòu)修飾，獲得與天然產(chǎn)物母核相似的衍生物[3]。不同分子結(jié)構(gòu)的環(huán)烯醚萜類化合物采用的修飾方法也不相同。京尼平苷在堿性條件下酯水解，脫去甲氧基，生成京尼平苷酸，再經(jīng)β-葡萄糖苷酶水解脫去葡萄糖，才能得到修飾產(chǎn)物苷元(見圖5)；獐芽菜苦苷與京尼平苷不同，屬于裂環(huán)烯醚萜類氧糖苷[4]，是環(huán)烯醚萜苷的C-7—C-8斷鍵開環(huán)衍生而成的化合物，含有烯鍵和醚鍵六元環(huán)結(jié)構(gòu)，容易發(fā)生水解轉(zhuǎn)化，這種特殊的環(huán)烯醚萜結(jié)構(gòu)酶水解為苷元時容易產(chǎn)生副產(chǎn)物，所以獐芽菜苦苷不適合采用酯水解的方法進行結(jié)構(gòu)修飾。而其在進行乙酰化反應(yīng)時，母核上的羥基周圍位阻較大，糖苷上的羥基被乙酰化，母核上的羥基卻未被氧化[5]，得不到目標(biāo)產(chǎn)物苷元，所以也不適合選用這種方法進行結(jié)構(gòu)修飾。獐芽菜苦苷只適合采用“苷交換”的方法進行結(jié)構(gòu)修飾，即獐芽菜苦苷在酸性條件與甲醇反應(yīng)，利用甲基取代原來的分子結(jié)構(gòu)中的葡萄糖基得到與天然產(chǎn)物母核結(jié)構(gòu)相似的衍生物——甲基獐芽菜苦苷苷元(見圖6)，這種結(jié)構(gòu)修飾衍生物的方法為獐芽菜苦苷這樣結(jié)構(gòu)特殊的環(huán)烯醚萜化合物找到了簡單、無副產(chǎn)物的制備衍生物的新方法；莫諾苷和馬錢苷屬于閉環(huán)環(huán)烯醚萜，同樣含有烯—醚鍵六元環(huán)結(jié)構(gòu)，這兩種化合物結(jié)構(gòu)修飾主要是通過苯甲酰氯?；磻?yīng)后分子中引入了一個π—π發(fā)色基團，生成了C-6位的衍生物，再經(jīng)酶水解獲得相應(yīng)的苷元(見圖7和圖8)。與天然環(huán)烯醚萜母體相比，其結(jié)構(gòu)修飾衍生物的呈色基團的共軛體系會變長，分子能量會降低，所以在同樣的呈色反應(yīng)體系中，生成色素的顏色卻不相同。通過結(jié)構(gòu)修飾可以達到增加此類化合物的種類、擴充色譜范圍的目的。

2.2 環(huán)烯醚萜類修飾產(chǎn)物染色機理

環(huán)烯醚萜類化合物的染色機理與傳統(tǒng)的天然染料和合成染料有本質(zhì)的區(qū)別：后二者都是有色物質(zhì)，染色時是用自身的顏色覆蓋底物而使其著色，而環(huán)烯醚萜類化合物本身不含發(fā)色基團，卻可以上染真絲綢等蛋白質(zhì)纖維，且染色堅牢度非常高。環(huán)烯醚萜類化合物染色真絲綢的過程較復(fù)雜，染色時六元環(huán)上的碳原子受到氨基親核基團的進攻而發(fā)生開環(huán)，即C1—O鍵斷裂、重排后，在C1、C3處形成2個醛基活性基團，再與真絲綢蛋白質(zhì)分子中的氨基反應(yīng)形成最終的顏色產(chǎn)物[6]。六元環(huán)上的取代基起著助色基團的作用，染色效果比一般的天然染料更好。環(huán)烯醚萜類修飾產(chǎn)物的染色機理與環(huán)烯醚萜類化合物一致，這是因為所有環(huán)烯醚萜類化合物都具有烯鍵和醚鍵的六元環(huán)狀母核的特征結(jié)構(gòu)，其修飾產(chǎn)物只是引入了助色基團，母核結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化，所以染色機理相同。環(huán)烯醚萜類化合物種類有限，通過掌握其染色機理，可為其作為一類環(huán)境友好的“天然活性染料”，并在蛋白質(zhì)纖維染色這一新領(lǐng)域得以應(yīng)用。

2.3 修飾產(chǎn)物染色真絲綢

4種修飾產(chǎn)物染色真絲綢樣品皂洗后的顏色特征值測定結(jié)果見表1。由表1可以看出，4種修飾產(chǎn)物染色真絲綢的效果很好，色彩鮮艷而純正，這是因為4種修飾產(chǎn)物均可與蛋白質(zhì)纖維中伯氨基直接發(fā)生呈色反應(yīng)。真絲綢為典型的蛋白質(zhì)纖維，其中含有大量的伯氨基，染料可及區(qū)域大，纖維容易上染。4種修飾產(chǎn)物直接染色樣品皂洗后呈現(xiàn)紫紅色、綠色、橙紅色和亮黃等顏色。其中京尼平苷酸苷元染色樣品的K/S值最大，這是因為京尼平苷是環(huán)烯醚萜類最具代表性的化合物，其衍生產(chǎn)物苷元含有—COOH、—OH等多個活性基團，能夠與氨基酸側(cè)鏈基團發(fā)生一系列的聚合、重排反應(yīng)，生成穩(wěn)定的顏色產(chǎn)物，染色效果更好。

表1 染色真絲綢的顏色特征值

2.4 修飾產(chǎn)物與絲素蛋白呈色反應(yīng)UV-vis分析結(jié)果

幾種修飾產(chǎn)物苷元與絲素蛋白水溶液呈色反應(yīng)UV-vis光譜分析結(jié)果如圖9～圖12所示。反應(yīng)前，絲素蛋白溶液在215和280 nm處具有肽鍵吸收峰及典型的蛋白質(zhì)吸收峰，可見光區(qū)均無吸收[7]；幾種修飾產(chǎn)物苷元與其反應(yīng)后，原來的各自吸收峰發(fā)生了變化，色素呈色也不相同。

圖9為京尼平苷酸苷元與絲素蛋白溶液反應(yīng)后的紫外可見光譜。未反應(yīng)前，京尼平苷酸苷元水溶液只在238 nm處具有最大特征光吸收值；反應(yīng)初期，290及380 nm處出現(xiàn)了新的吸收峰，為反應(yīng)的中間產(chǎn)物；隨后原來各自的紫外吸收峰降低，在552 nm處出現(xiàn)一個新的特征光吸收峰，并且隨著反應(yīng)時間的延長吸收峰不斷增高；直至2 h后，特征光吸收峰不變，色素最終呈現(xiàn)紫紅色。結(jié)果說明所生成的顏色產(chǎn)物的最大特征光吸收值在552 nm處。

圖10為甲基獐芽菜苦苷苷元與絲素蛋白溶液反應(yīng)后的紫外可見光譜。反應(yīng)前，甲基獐芽菜苦苷苷元的特征吸收峰在237和242 nm處；反應(yīng)進行30 min后，原來各自的紫外吸收峰明顯降低，反應(yīng)液由無色變?yōu)闇\黃色；90 min后反應(yīng)液在237和242 nm處的特征吸收峰完全消失，在417 nm處出現(xiàn)新的特征吸收峰，并且隨著時間的延長特征吸收峰不斷增高，反應(yīng)液呈現(xiàn)亮黃色；當(dāng)反應(yīng)進行至2 h后，甲基獐芽菜苦苷苷元在417 nm處的吸收峰和溶液顏色不再變化，這說明呈色反應(yīng)生成色素的最大特征吸收峰在417 nm處。

圖11為莫諾苷修飾產(chǎn)物苷元與絲素蛋白溶液反應(yīng)后的紫外可見光譜。反應(yīng)前，莫諾苷修飾產(chǎn)物苷元的特征吸收峰在241 nm處；隨著反應(yīng)時間的增長，反應(yīng)液的顏色由淺黃色逐漸加深；60 min后240 nm處特征吸收峰消失，并在360 nm和530 nm處有新的特征吸收峰；在2 h后形成最終的橙紅色色素，吸收峰再無變化。

圖12為馬錢苷修飾產(chǎn)物苷元與絲素蛋白溶液反應(yīng)后的紫外可見光譜。反應(yīng)前，馬錢苷結(jié)構(gòu)修飾產(chǎn)物苷元的特征吸收峰在241 nm處；反應(yīng)進行30 min后，原來各自的紫外吸收峰降低，反應(yīng)液由無色變?yōu)闇\黃色；40 min后241 nm處的特征吸收峰完全消失，反應(yīng)液呈現(xiàn)黃色；當(dāng)反應(yīng)進行至60 min后，在465 nm處出現(xiàn)新的吸收峰，反應(yīng)液呈現(xiàn)橙黃色；1.5 h后，在670 nm處出現(xiàn)新的特征吸收峰，溶液呈現(xiàn)綠色；2 h后，465和670 nm處的2個吸收峰不再變化，溶液仍然為綠色。

2.5 修飾產(chǎn)物染色真絲綢的色牢度

色牢度是評價染料染色最重要的質(zhì)量指標(biāo)。各修飾產(chǎn)物染色真絲綢樣品的色牢度如表2所示：染色樣品各項色牢度很好，均達到4～5級。這是由于常見的天然染料染色蛋白質(zhì)纖維，主要靠分子間作用力，上染率較低，化學(xué)合成的活性染料只是用染料自身的顏色去遮蓋底物的顏色[7]，而作為天然活性染料的環(huán)烯醚萜類修飾產(chǎn)物染色真絲綢，是通過其與纖維中的伯氨基反應(yīng)而形成纖維-染料-顏色的“三位一體”[8]，所以染色牢度更高，完全符合染色要求。

表2 染色真絲綢色牢度

3 結(jié)論

1)幾種環(huán)烯醚萜化合物結(jié)構(gòu)修飾產(chǎn)物染色真絲綢呈現(xiàn)紫紅、綠色、橙紅色、亮黃等鮮艷的顏色，與原有的各種染料相比這類染料染色重現(xiàn)性好，具有更高的色牢度，均能達到4～5級。

2)通過對環(huán)烯醚萜類化合物進行結(jié)構(gòu)修飾，掌握其染色機理，可以為一類全新的蛋白質(zhì)材料專用天然活性染料的創(chuàng)制提供思路，有利于提高天然染料的規(guī)?；a(chǎn)，而且此類天然活性染料對環(huán)境無污染，滿足了染整綠色環(huán)保的要求，具有很好的應(yīng)用前景。