复合季鏻盐的制备、结构和抗菌性能实验的设计与教学实践

杨乐敏, 周武艺, 倪春林, 刘英菊, 郑文旭, 董先明

(华南农业大学 材料与能源学院, 广东 广州　510642)



复合季鏻盐的制备、结构和抗菌性能实验的设计与教学实践

杨乐敏, 周武艺, 倪春林, 刘英菊, 郑文旭, 董先明

(华南农业大学 材料与能源学院, 广东 广州510642)

设计了一则复合季鏻盐制备、结构表征和抗菌性能研究型实验项目。该实验项目合成步骤简单,涵盖无机和有机合成化学、配位化学、晶体化学和化学生物学等诸多知识点,适合作为农业院校应用化学专业研究型实验项目。通过文献资料查阅与综述、实验方案拟定与实施、小组之间讨论与交流和实验结果表达与总结等,培养学生分析问题和解决问题的能力,提高学生的化学基本操作技能、创新能力和科研能力。

复合季鏻盐实验； 应用化学专业； 研究性实验

华南农业大学应用化学专业是广东省首批名牌专业,并分别于2010年和2014年被评为广东省特色专业和应用型人才培养示范专业。为了培养和提高学生的创新意识和研究能力,应用化学专业实验教学团队在2009年人才培养方案中单独增设了研究性实验,共4个学分,时间安排在第7学期,学生在教师的指导下,自由选择时间到化学开放实验室进行实验。研究性化学实验因为具有前沿性、综合性、应用性和开放性等特点[1-2],在激发学生学习兴趣,培养学生文献检索能力、组织协调能力、文字和语言表达能力、外语阅读和写作能力,提高分析问题和解决问题的能力等多方面发挥重要作用[3-4]。鉴于有机季鏻盐类杀菌剂是新一代阳离子表面活性杀菌剂的代表,具有高效、广谱、低剂量、低毒、配伍性好、pH使用范围宽和化学稳定性好等优点,广泛用于医疗卫生、油田开采、农业和日常生活等诸多领域[5-6]。在课题组科研工作的基础上[7-8],设计了一则关于复合季鏻盐类杀菌剂的合成、组成和结构表征以及抗菌活性测定的研究性实验。该实验涵盖无机和有机合成化学、配位化学、晶体化学和化学生物学等诸多知识点,涉及减压过滤、真空干燥、重结晶、配位滴定等基本化学操作和元素分析、红外光谱、紫外可见光谱和X-射线衍射等现代化仪器的使用,有利于培养化学基本操作技能、创新能力和综合运用知识从事科研研究的能力,适合作为农业院校应用化学专业研究型实验项目。

1　实验仪器和药品

1.1实验仪器

78HW-1型数显恒温磁力搅拌器(江苏金坛市宏华仪器厂),JJ300型精密电子天平(深圳市隆安试验设备有限公司),DHG-9070A电热恒温鼓风烘箱(上海精宏实验设备有限公司),SHZ-D(III)型循环水式真空泵(河南巩义市予华仪器有限责任公司),RE52-3型旋转蒸发仪(上海嘉鹏科技有限公司),恒温恒湿培养箱(广东省医疗器材厂),SW-CJ-TA洁净工作台(上海博迅实业有限公司),WGZ-2-XJ细菌浊度仪(上海昕瑞仪器有限责任公司),YXQ-SG46-280S蒸汽灭菌锅(上海博讯实业有限公司),240C型元素分析仪(美国Perkin-Elmer公司),Acvatar360FT-IR红外光谱仪(美国Nicolet公司),电导率仪(上海雷磁新泾仪器有限公司),UV-Vis2550型紫外-可见分光光谱仪(日本Shimadzu公司),SmartAPEXCCDX-射线衍射仪(德国Bruker公司,MoKa光源λ= 0.071 073nm)。

1.2实验药品

4-硝基苄氯,三苯基膦,二水氯化铜,丙酮,甲醇,乙腈,浓盐酸,EDTA。所有试剂均为市售分析纯,未经处理直接使用。

2　复合季鏻盐的制备

2.1合成路线

首先利用叔膦——三苯基膦的亲核性,与卤代烃——4-硝基氯化苄发生SN2 反应,再根据反应物和产物溶解性的区别,采用丙酮作为反应溶剂,得到氯化4-硝基苄基三苯基季鏻盐。再在含过量的盐酸的甲醇中,与二水氯化铜浓缩结晶得到目标产物——四氯合铜酸-4-硝基苄基三苯基季鏻盐,合成路线见图1。

图1　复合季鏻盐的合成路线

2.2氯化4-硝基苄基三苯基季鏻盐的合成

称取4-硝基苄氯1.26g(0.01mol)和三苯基膦2.62g(0.01mol)于100mL平底烧瓶中,加入40mL丙酮溶解,温度控制在60～70 ℃加热回流反应6h,析出白色沉淀。停止反应,自然冷却至室温,抽滤,用无水乙醚淋洗2～3次,真空干燥,得到白色固体(3.53g,产率91.0 %)。

2.3四氯合铜酸-4-硝基苄基三苯基季鏻盐的制备

取1.72g(2mmol) 氯化4-硝基苄基三苯基季鏻盐于平底烧瓶中,加入 0.22g(0.1mmol) 的CuCl2·2H2O,以 30mL甲醇为溶剂,再加入 1mL浓盐酸,加热搅拌回流 1h,过滤,滤液浓缩后,放入冰箱冷却,得到黄色晶体(0.82g,产率 74.5 %)。用于X-射线衍射晶体结构测定的复合季鏻盐的单晶，在室温下自然挥发其甲醇溶剂得到。

3　复合季鏻盐的组成和结构表征

3.1组成分析

复合季鏻盐 [4NO2BzTPP]2[CuCl4]中的C、H、N含量采用有机元素分析仪测定,铜的含量采用EDTA配位滴定法分析,元素分析实测值(质量百分数)为：C,59.86%；H,4.29%；N,12.03%；Cu,6.25%。 这些值与通过复合季鏻盐的化学式(C50H42Cl4CuN2O4P2)计算值(C,59.92%；H,4.22%;N,2.79%；Cu,6.34%)吻合。将复合季鏻盐在甲醇中配制成1.010-3mol·L-1的摩尔电导率为208.6S·cm·mol-1,表明所合成的复合季鏻盐为2∶1型的电解质[9]。

3.2晶体结构分析

复合季鏻盐的晶体数据采用德国Bruker公司SmartAPEXCCDX-射线衍射仪收集,晶体结构采用SHELXS-97程序[10]由直接法解出。结果表明,复合季鏻盐属于单斜晶系,空间群为P2(1)/c,其分子结构如图2所示。由图2可见,季鏻盐的一个不对称晶胞中含1个 [CuCl4]2-配阴离子和2个[4NO2BzTPP]+阳离子。复合季鏻盐中阳离子通过C—H…O氢键[11]形成了一维的柱状结构(见图3)。

图2　复合季鏻盐的晶体结构

3.3复合季鏻盐的光谱性质

从图4可以看出,复合季鏻盐 [4NO2BzTPP]2[CuCl4]的紫外-可见吸收光谱中有3个吸收带,其中227nm处的吸收峰属于π→π* 跃迁,268nm处的吸收峰属于L(π)→L(π*) 跃迁,462nm处的弱吸收峰为是中心离子Cu的d电子从dxz分子轨道跃迁到配体π*轨道,属于M→L电荷转移跃迁[12]。

图4　复合季鏻盐的紫外-可见光谱

复合季鏻盐的红外光谱见图5,表征的结果为：在3 053cm-1附近是苯环中的 =C-H的伸缩振动吸收峰；2 992cm-1和2 878cm-1附近的峰为苄基中亚甲基的C-H伸缩振动峰；在1 581cm-1和1 441cm-1处的峰归属于苯环中的C=C的伸缩振动；NO2的强吸收特征峰出现在1 515cm-1和1 346cm-1；在1 115cm-1处的峰是C-P伸缩振动的峰[13]。

图5　复合季鏻盐的红外光谱

4　复合季鏻盐的抗菌活性测定

采用2倍稀释法测定复合季鏻盐的最小抑菌浓度(MIC)[14]。所用的大肠杆菌和金葡萄菌浓度均为约7.5×108CFU/mL。在实验中,将复合季鏻盐配成浓度为1g/mL溶液,取1mL逐级稀释,加入1mL菌液,在恒温恒湿箱中培养24h后,观察试液的活菌情况,以测定复合季鏻盐的MIC。为了比较,采取同样的方法测定了CuCl2和中间体[4NO2BzTPP]Cl的MIC,结果见表1。

表1　季鏻盐的抗菌活性MIC/ (mmol/L)

从表1可以看出,季鏻盐[4NO2BzTPP]Cl和[4NO2BzTPP]2[CuCl4]对大肠杆菌和金葡萄球菌均具有一定的抗菌活性.活性大小顺序是：[4NO2BzTPP]2[CuCl4]>[4NO2BzTPP]Cl>CuCl2,即含四氯合铜配阴离子的复合季鏻盐对菌种的抗菌作用明显比氯化铜和无金属配阴离子的季鏻盐强,表明配阴离子的引入可以提高季鏻盐类抗菌剂的活性[15]。

5　结论

(1) 本文的实验内容根据课题组科研成果设计,具有一定的创新性；内容涉及常规的化学基本操作和

现代化仪器的使用,涵盖的知识点多、综合性强,有利于学生综合能力的培养；通过复合季鏻盐晶体结构的测定与分析,拓展了学生有关分子间相互作用的知识。

(2) 该实验操作简单,实验内容体现了化学与生物学的结合、物质的制备与性能测定的结合,激发了学生的实验兴趣；复合季鏻盐制备过程中使用的试剂和产生的废液可以回收再利用,增强了学生的环保意识。

(3) 实验过程中学生分组进行,在查阅季鏻盐研究进展的基础上,自主设计实验方案、自主选择时间完成实验,锻炼了学生独立工作和团结协作的能力。

References)

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Designandteachingpracticeonexperimentsofpreparation,structureandantibacterialpropertiesofcompositequaternaryphosphoniumsalt

YangLemin,ZhouWuyi,NiChunlin,LiuYingju,ZhengWenxu,DongXianming

(CollegeofMaterialsandEnergy,SouthChinaAgriculturalUniversity,Guangzhou510642,China)

Aresearchingexperimentprojectonpreparation,structuralcharacterizationandantibacterialpropertiesofcompositequaternaryphosphoniumsaltisdesigned.Theexperimentprojecthavingsimplesyntheticstepsandcontaininginorganicandorganicsyntheticchemistry,coordinationchemistry,crystalchemistryandchemicalbiologyandotherknowledge,issuitableforappliedchemistryspecialtyasresearchingexperimentprojectinagriculturalcollegesanduniversities.Thestudents’abilitiestoanalyzeandsolveproblemsarecultivated,andtheirbasicoperationskillsinchemistry,thecapacityforinnovationandthescientificresearchabilityareimprovedthroughthesearchandreviewofliterature,theformulatingandimplementingoftheexperimentplan,communicationanddiscussionbetweentheteams,aswellastheexpressionandthesummaryofexperimentalresults.

compositequaternaryphosphoniumsalt；appliedchemistryspecialty;researchingexperiment

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.055

2015- 11- 09修改日期：2016- 01- 05

广东省本科教学质量工程项目(粤教高函[2015]133号)；广东省本科教学质量工程项目(粤教高函[2014]97号)

杨乐敏(1975—),女,广东茂名,本科,实验师,研究方向为无机功能材料

E-mail：yanglemin333@163.com

倪春林(1965—),男,湖北潜江,博士,教授,广东省高校化学类专业教学指导委员会委员,省级化学实验中心负责人,研究方向为无机功能材料和配位化学.

E-mail：scauchemnicl@163.com

O614.12;O627.51;G642.3

A

1002-4956(2016)5- 0209- 03