新型防污剂辣素衍生物的合成、抑菌性及防污性能研究＊

闫雪峰，于良民，姜晓辉

（中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室，山东 青岛266100）

海洋生物污损是指海水中有害的微型或大型生物在物体表面的不良沉积，是人类开始从事海洋活动就遇到的生物危害，会严重影响水下设施的性能与寿命，增加船舶的阻力、堵塞管道、加速金属腐蚀、使仪表及转动机构失灵等，造成巨大经济损失［1－3］。目前最行之有效的防污方法就是涂刷含有机锡等有毒防污剂的防污涂料，然而这种防污涂料在防污的同时严重危害海洋生态环境。国际海事组织（IMO）明确规定，自2008年1月1日起，全球禁止使用含有机锡防污涂料。因此替代有机锡的无毒防污剂的研究开发成为当今海洋科学技术中亟待解决的重大技术问题之一，而辣素也是在这个时候作为新型防污剂的替代品之一而开始备受关注。

辣素是辣椒中的主要辣味成分，是一种结构稳定的生物碱，结构式为可广泛的用于医药、生物农药、饮食保健、化工以及军事等领域，还可用作防污涂料和防鼠咬涂料的添加剂［4－6］。以其作为防污剂的防污涂料不仅能有效地抑制和驱避海洋生物、藤壶对船底的附着污损，并且对其他污损生物也有一定抑制作用。然而单靠从辣椒中提取辣素来应用于防污涂料中无论从规模上还是从价格上都不具有可行性，而人工合成辣素的产率很低，成本太高，且这类辣椒素只能作为添加型防污剂使用，作用较为单一。为了利用辣素的环境友好性和防污活性，本文以N－羟甲基丙烯酰胺和芳香醛（酮）为原料，通过Fridel－Crafts烷基化反应设计合成了3种含辣素活性结构的丙烯酰胺衍生物。合成的化合物既含有辣椒素的活性结构，又含有丙烯酰胺双键的活性，为之后将辣素活性结构引入到聚合物分子链打下了基础。最后探讨了合成的辣素衍生物对自然界常见菌葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌活性，发现其具有较强的抑菌能力，并将其制备成海洋防污涂料，实海挂板均表现出优良的防污性能。目标物的结构如下：

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

仪器：IR用 NICOLET公司AVATAR－360红外光谱仪（固体：KBr压片）；HNMR用日本电子株式会社JNM－ECP600核磁共振波谱仪；熔点仪为BüCHI公 司 Melting Point B－545；超 级 恒 温 水 浴 用BROOKFIELD公司201D；搅拌装置为IKA W20。

试剂：邻甲酚（工业级）、胡椒环（工业级）、5－甲基－2－甲硫基苯酚（工业级），N－羟甲基丙烯酰胺（工业级）、浓硫酸（分析纯）。

1.2 合成方法与表征

1.2.1 HMOBA的合成 在250mL三口瓶中依次加入21.6g（0.2mo1）邻甲酚、22.2g（0.22mo1）N－羟甲基丙烯酰胺、10mL硫酸和50mL乙醇，35℃的水浴中搅拌反应，并用TLC监控反应结束，有大量白色沉淀析出，过滤，用水洗滤饼至中性，干燥得白色粉末状粗品，再经乙醇重结晶得白色针状晶体，熔点为141～142℃，纯品化合物HMOBA，产率85.2%，熔点94.9～95.5℃。IR（KBr压片）／cm－1：υO－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无水三氯化铝和50mL环己酮，超声分散后依次加入24.4（0.2mo1）1，3－苯并二氧杂戊环（胡椒环）和22.2g（0.22mo1）N－羟甲基丙烯酰胺，35℃的水浴中搅拌反应，并用TLC监控反应结束，有大量白色沉淀析出，过滤，用稀盐酸洗滤饼，干燥得白色粉末状粗品，再经乙醇重结晶得白色针状晶体，熔点为106.3～107.1℃，产率68.3%，化合物 BMA。IR（KBr压片），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－羟甲基丙烯酰胺、30.8g（0.2mo1）5－甲基－2－甲硫基苯酚和10mL浓硫酸，35℃水浴搅拌反应，并用TLC（展开剂为乙酸乙酯）监控反应结束。体系中产生大量白色沉淀，过滤，用水洗滤饼至中性，干燥得白色粉末状粗品，再经乙醇重结晶得37.6g纯品，产率79.2%，熔点148.5～149.9℃。IR（KBr压片），σ／cm－1：υO－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 性能测试方法

2.1 最小抑菌浓度的测定：

水中的细菌等微生物会在船体和水下仪器设施等表面上形成生物粘膜，而生物粘膜是其他污损生物附着的基础［8］。本实验选用自然界常见的大肠杆菌（Escherichia coli革兰式阴性菌）和金黄色葡萄球菌（Staphyloccocus aureus革兰式阳性菌）为受试菌种，受试菌菌种均来自于中国海洋大学海洋生命学院微生物实验室。

2.1.1 菌悬液制备 将菌种充分活化，用接种环刮取斜面培养基上的新鲜菌株接种到无菌液体培养基中，培养一段时间，用无菌生理盐水依次10倍稀释至所需浓度。

2.1.2 最小抑菌浓度（MIC）的测定方法 采用试管二倍稀释法，将合成的辣素衍生物的浓度依次二倍稀释，然后将稀释到一定浓度的菌液加入到辣素稀释液中进行培养，大肠杆菌与金黄色葡萄球菌震荡培养24h，肉眼观察阳性对照管（不加受试化合物而接种菌的试管）有菌生长，出现混浊，阴性对照管（不加受试化合物也不接种菌的试管）无菌生长，呈现透明状态，以此确定待测物对3种试验菌株的最小抑菌浓度。

2.2 海洋挂板实验

关于防污剂应用性能的研究并无切实可行的实验室评价方法，仍完全依赖海上实际的考察结果，其中实海挂板被公认为最方便、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 实验方法 参照国家标准《防污漆样板浅海浸泡试验方法》（GB 5370－85）进行。

试验地点：青岛大港海上浮筏。

样板试片的制备：将250mm×150mm×1mm的低碳钢板用120目的砂纸打磨除锈，用棉纱擦净后涂刷两道环氧底漆，然后涂刷两道所制备的防污涂料，放在通风处自然晾干。

将按上述配方制备好分别含有HMOBA、BMA和HMMBA防污剂的防污涂料试片、仅含氧化亚铜作为防污剂的防污涂料试片与不含防污涂层而仅涂刷环氧底漆的空白试片的试验样板分别固定在带槽的木框中，两端用螺栓固定，样板浸海深度为1m。

3 结果与讨论

3.1 最小抑菌浓度

在最小抑菌浓度（MIC）的测定中，以试管中明显无菌生长的化合物最小浓度为该化合物的最小抑菌浓度。据此判断，3种待测物对2种细菌的检测结果如表2所示：

表2 受试化合物对3种菌的MIC值Table 2 MIC of three testing compounds with two bacteria ／mg·mL－1

从表2中可以看出，3种化合物对2种受试菌株均表现出较好的抑制效果，其抑菌活性为BMA＞HMOBA＞HMMBA，这是由于BMZ上氧的电负性比较强，电荷密度高，增强了其抑菌的效果，而对于HMMBA来说，处于邻位的羟基和甲硫基可能生成了分子内氢键，弱化了羟基在辛醇分配系数中的作用，使得其抑菌性能较低。

3.2 实海挂板结果

将制备好的试片浸入海水中186d，结果如图1所示：

图1 防污涂料海上挂板结果Fig.1 Antifouling properties of three compounds

从图1可以看出，挂板186d后，空白板已经完全被的大型藻类附着，仅含氧化亚铜防污剂的试片也有近80%的面积被污损生物覆盖，而添加辣素衍生物的防污板则仅附着有少量的生物粘膜［8］和污泥。由此可证明，添加了辣素衍生物防污剂的涂料能明显抑制海洋污损生物的附着，具有良好的防污效果，防污期效至少可达6个月。其中以含BMA防污剂的防污涂料效果最好，6个多月的实海挂板几乎没有任何生物附着。总体防污效果为BMA＞HMOBA＞HMMBA，与抑菌试验结果一致。

4 结语

本文以N－羟甲基丙烯酰胺和芳香醛（酮）为原料，通过Fridel－Crafts烷基化反应合成了HMOBA、BMA和HMMBA 3种含辣素衍生结构化合物。以自然界最常见的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌为受试菌种，探讨了合成的辣素衍生物对它们的抑制性能，研究结果表明3种化合物对2种菌均具有良好的抑制能力，其中以BMA的抑菌效果最好，对2种菌的MIC均为0.062 5mg／mL。以合成的3种含辣素衍生结构化合物为防污剂制备的海洋防污涂料，在生物生长的旺期实海挂板186d仍无明显的生物附着，说明了该3种防污剂均具有防污期效长的特点，加上辣素类化合物自身所具有环境友好的特性充分说明了此3种化合物作为防污剂具有高效、低毒、药效持续时间长、对环境安全的特点，是1种有机锡防污剂的优良替代品。

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