3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇的结构鉴定及抗氧化性研究

罗忠明,刘 柳,逯与运,孙元奎,晏日安

(暨南大学食品科学与工程系,广东广州 510632)

3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇的结构鉴定及抗氧化性研究

罗忠明,刘 柳,逯与运,孙元奎,晏日安*

(暨南大学食品科学与工程系,广东广州 510632)

以邻苯二酚、1,3-二溴丙烷为起始原料,在碱性回流条件下经环化反应得到3,4-二氢-2H-1,5-苯并二氧环丙,然后通过Friedel-Crafts酰基化反应得到7-乙酰基-3,4-二氢-1,5-苯并二恶庚,之后经Bayer-Villiger氧化、水解酸化及柱层析分离得到目标产物,总产率28.5%。采用红外光谱(IR)、质谱(MS)以及核磁共振(1H-NMR,13C-NMR)对终产物进行结构鉴定,确定目标产物为3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇。测定其在油脂中的抗氧化能力,结果表明其在动植物油脂中均具有一定的抗氧化性。

芝麻酚,3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇,Friedel-Crafts酰基化,抗氧化

酚类物质具有活泼的羟基,可有效清除羟基自由基、DPPH自由基及超氧阴离子[1],在食品添加剂中是一类重要的抗氧化剂。现阶段,与天然抗氧化剂相比,通过化学法合成的酚类抗氧化剂由于价格便宜、抗氧化效果良好等优点而被更广泛的应用,寻找一些更加高效、无毒、价廉的抗氧化剂也是食品、医药、化工等领域的研究热点[2-3]。

芝麻酚作为一种被广泛研究的天然酚类抗氧化物,具有很强的抗氧化性,其提取、合成及性质方面已有大量研究报告[4-6],但较少有人从其结构出发,探讨比较其类似物的合成及抗氧化能力。近年来,抗氧化剂结构与活性的相关性研究引起了学者们广泛的兴趣,并取得了一定的成果[7],本实验室已完成对芝麻酚及6-羟基-1,4-苯并二恶烷的合成研究,并进行了抗氧化活性测试[8-9],在此基础上,为进一步探究这种构效关系,合成了3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇,并测定了其在油脂中的抗氧化能力。三种化合物的结构如图1所示。

图1 芝麻酚及其类似物的结构Fig.1 Structure of sesamol and analogues

图2 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇合成路线图Fig.2 Synthetic routes of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol

本文研究的3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇,日本有相关文献以1,2,4-苯三酚进行过一步合成[10],但以邻苯二酚为起始原料的合成及完整的结构鉴定数据在国内外均未见报道,对其在油脂中的抗氧化能力测试也未见相关文献。因此,探究这种新型酚类化合物的合成及其抗氧化性,对于更加深入地研究这一类化合物结构与抗氧化活性的构效关系,以及寻找更加安全高效的抗氧化剂,都具有重要的理论及现实意义。

1 材料与方法

1.1 材料与仪器

邻苯二酚、乙酰氯、氯仿、碳酸钠、无水硫酸镁、N-甲基吡咯烷酮、过氧乙酸、亚硫酸钠、硝基苯、石油醚、氢氧化钠 天津市福晨化学试剂厂；无水乙醇、冰醋酸、浓盐酸、1,3-二溴丙烷、无水氯化铝、间氯过氧苯甲酸 天津市富宇精细化工有限公司；玉米油、花生油、葵花籽油 益海(广州)粮油工业有限公司；猪油 市售新鲜板油熬制；薄层层析板 柱层析硅胶(200～300目) 青岛海洋化工厂。

WAY-1型阿贝折光仪 上海市仪表集团供销公司；X-5控温型显微熔点测定仪 北京泰克仪器有限公司；质谱仪 美国菲尼根质谱公司；EQUINOX-55型红外光谱仪 布鲁克光谱仪器公司；AVANCEIII型核磁共振波谱仪(500MHz) 瑞士布鲁克公司；734型氧化稳定测定仪 瑞士Metrohm公司。

1.2 合成路线

以邻苯二酚、1,3-二溴丙烷为起始原料,经环化、Friedel-Crafts酰基化、Bayer-Villiger氧化反应最终得到3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇。邻苯二酚是重要的化工中间体,来源广泛,价格便宜,反应过程中生成的副产物便于分离处理,对环境污染小,合成使用的Friedel-Crafts酰基化反应及Bayer-Villiger氧化反应已被深入研究,有大量文献可供参考[11-13],因此从原料来源、环境保护及合成方法的角度考虑,本合成路线值得参考。

1.3 实验方法

实验分三步进行,包括3,4-二氢-2H-1,5-苯并二氧环丙的合成、7-乙酰基-3,4-二氢-1,5-苯并二恶庚的合成以及目标产物3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇的制备,实验操作及条件参考实验室芝麻酚的合成[8-9]。

1.3.1 3,4-二氢-2H-1,5-苯并二氧环丙的合成 在500mL圆底三口烧瓶中依次加入150mL N-甲基吡咯烷酮,26.30g 1,3-二溴丙烷,电热套加热至回流温度。在机械搅拌下,缓慢滴加含有11.00g邻苯二酚的30mL浓度50% NaOH溶液混合液,滴加完成后,反应温度设定为100℃,反应10～12h后,抽滤除去反应中生成的盐,水蒸气蒸馏收集100℃下的共沸物,取下层液体,以无水Na2SO4干燥,抽滤得滤液,称重12.18g,产率81.2%。

1.3.2 7-乙酰基-3,4-二氢-1,5-苯并二恶庚的合成 在250mL三口圆底烧瓶中依次加入100mL硝基苯、22.20g无水氯化铝,冰浴条件下再加入20mL乙酰氯,持续搅拌45min后再缓慢滴加溶有12.10g 3,4-二氢-2H-1,5-苯并二氧环丙的硝基苯溶液,滴完后使其在室温下反应16～18h；反应结束后,将反应液加入到100mL含有10%浓盐酸的冰水中,充分水解后用二氯甲烷萃取,有机层依次用水、5% NaOH溶液、水洗涤有机层至中性,旋蒸除去二氯甲烷,最后得到油状液体9.41g,产率61.3%。

1.3.3 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇的制备 在250mL圆底烧瓶中加入含1.92g 7-乙酰基-3,4-二氢-1,5-苯并二恶庚的二氯乙烷溶液50mL,冰浴冷却至0～10℃,机械搅拌下缓慢滴加溶有2.80g间氯过氧苯甲酸的二氯乙烷溶液。滴加完毕,TLC跟踪反应,室温下搅拌反应10～12h后,过滤除去不溶物。滤液依次用饱和亚硫酸钠溶液、稀碱溶液、蒸馏水洗至中性。旋蒸除去溶剂,向得到的油状液体中加入100mL 15%的NaOH溶液,室温下搅拌至油状物全部溶解皂化。以15% H2SO4调溶液pH约为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、蒸馏水洗至中性。旋蒸除去溶剂,得到深黄色油状液体,硅胶柱层析分离,洗脱剂为氯仿/乙酸乙酯/冰乙酸(100∶5∶1,V/V/V),最终得到无色液体0.94g,产率57.2%。

1.3.4 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇在油脂中的抗氧化性测定 采用瑞士Metrohm公司的Rancimat734型氧化稳定测定仪对化合物在动植物油脂中的抗氧化性进行测试,平行测定三次,取氧化诱导时间平均值。测定条件:加热温度120℃,空气流速10L/h,油脂添加量3.00g,其中空白组油脂中未添加抗氧化物,A、B组油脂中分别添加3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇和芝麻酚,添加量150mg/kg。

2 结果与讨论

2.1 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇结构鉴定

2.1.1 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇红外分析 如图3所示,波数为3289. 35cm-1的吸收峰是酚羟基中O-H的伸缩振动吸收峰；2971.53、2922.32、2883.05cm-1处的吸收峰为亚甲基的C-H伸缩振动吸收峰；1619.42、1501.75、1469.94cm-1处的吸收峰是苯环中C=C伸缩振动吸收峰；1311.93cm-1为C-H的弯曲振动吸收峰；1267.86cm-1为Ar-O伸缩振动吸收峰；1193.68、1150.07、1101.83、1034.63cm-1的吸收峰是杂氧环中C-O-C伸缩振动吸收峰；899.26、858.15、816.36cm-1处的吸收峰为苯环上Ar-H的面外弯曲振动吸收峰,667.85cm-1的吸收峰为O-H面外弯曲振动吸收峰。由此可知,所得产物红外数据符合3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇的结构特点。

图3 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4] 二氧杂环庚-7-醇的红外谱图Fig.3 IR of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4] dioxepin-7-ol

2.1.2 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇EI质谱分析 从图4看出EI质谱数据m/e为:167,166,137,125,110,96,79,68,55。其中167为M+1峰,166为分子离子峰,因此确定了产物分子量为166,与3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇分子量相符合。其可能裂解方式如下:分子离子峰首先脱去-C3H6自由基得到m/e=125质谱信号；然后苯环再经i裂解重排脱去CO得到m/e=96离子峰；五元环再脱除CO重排得到m/e=68离子峰；最后再脱去-CH,得到m/e=55离子峰。另一种裂解可能为:分子离子首先脱去一个质子,再裂解脱掉-C2H4得到m/e=137离子,再断裂掉-CO得到m/e=110离子峰信号,最后苯环再经i裂解重排得到m/e=79离子峰。

图4 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4] 二氧杂环庚-7-醇的EI质谱图Fig.4 EI-MS of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4] dioxepin-7-ol

2.1.3 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇核磁分析 产物的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),其中化学位移为39.81-40.31的峰为DMSO的溶剂峰。苯的13C-NMR化学位移δ为128.50,由于受到酚羟基取代影响,-OH上的孤对电子离域到苯环的π电子体系上,使得邻位(C-1)和对位(C-4)电子云密度增大,屏蔽增加,从而使化学位移向高场移动,另外,由于杂氧环取代的推电子效应,使得其与氧原子相邻的苯环碳原子(C-3,C-4)电子云密度增大,屏蔽增大,进而引起碳原子的化学位移向高场移动。

图5 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4] 二氧杂环庚-7-醇13C-NMR谱图Fig.5 13C-NMR of 3,4-Dihydro-2H-benzo [b][1,4]dioxepin-7-ol

图6 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇1H-NMR谱图Fig.6 1H-NMR of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol

产物的1H NMR(500MHz,DMSO)分析如下:化学位移δ 9.13处单峰为酚羟基-OH上的质子峰,δ6.72、6.36、6.32处的伪双重峰分别为苯环上C-5,C-6,C-2位置所对应的质子峰,δ4.05、3.96处的三重峰分别对应C-7,C-9上的质子峰,δ3.34处的单峰为水峰,δ2.51处的多重峰为溶剂DMSO的溶剂峰,δ2.03处的多重峰为C-8上-CH2-的质子峰。

综合以上红外、质谱以及核磁共振谱图数据,最终确定本实验合成了化合物3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇。

2.2 3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇与芝麻酚的抗氧化性

由表1可知,A、B组分别添加了3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇和芝麻酚的油脂氧化诱导时间长于空白组,特别是猪油中,添加抗氧化物之后氧化诱导时间明显延长,这表明3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇在动植物油脂中都具有一定的抗氧化性,并且在猪油中的抗氧化效果更佳。

表1 油脂的氧化诱导时间(h)Table 1 Induced oxidation time of oil(h)

酚类化合物主要是通过抽氢反应产生较稳定的苯氧自由基来终止链式反应,苯氧自由基越稳定,清除自由基活性越强[14]。同芝麻酚一样,3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇具有酚羟基结构,能产生苯氧自由基,且其酚羟基对位取代的氧原子p型孤对电子轨道可能与苯氧自由基的单占分子轨道重叠,从而使苯氧自由基更加稳定[15],因此3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇在油脂中能表现出一定抗氧化性。同时,其在动植物油脂中表现出的抗氧化性的差异,可能是由于动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剂与添加抗氧化剂之间的相互作用,这其中的具体机理尚不明确,有待做进一步的研究。

3 结论

以邻苯二酚为起始原料,经环化反应、Friedel-Crafts酰基化反应、Bayer-Villiger氧化反应最终得到3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]二氧杂环庚-7-醇,采用IR,EI,NMR方法,确定该化合物的结构。通过将其添加在油脂中的加速氧化实验得出结论:新合成的芝麻酚类似物在动植物油脂中都具有一定的抗氧化性,但相比较芝麻酚其抗氧化能力较弱。

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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

罗忠明(1988-)，男，硕士在读，研究方向：食品添加剂的制备与应用。

*通讯作者:晏日安(1962-)，男，博士，教授，研究方向：食品添加剂的制备与应用。

广州市科技计划项目(11C12070753)资助。

TS202.3

B

1002-0306(2015)11-0214-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.11.035