结构修饰环烯醚萜类化合物对真丝绸的染色作用

于 颖

(辽东学院 化工与机械学院，辽宁 丹东 118003)

大宗植物山茱萸、栀子、龙胆等含有大量环烯醚萜类化合物，这些环烯醚萜化合物因具有多种药理活性，被广泛应用在医药领域。已有研究表明环烯醚萜类化合物能够与含伯氨基的蛋白质纤维发生呈色反应[1-2]，但到目前为止，环烯醚萜类化合物被开发为染料应用于纺织品染色的相关研究却很少。本研究尝试将4种具有代表性的环烯醚萜化合物——京尼平苷、马钱苷、獐芽菜苦苷和莫诺苷(结构式见图1～图4)进行结构修饰，获得相应的苷元后用于真丝绸染色，即在原来的分子结构中引入新的助色基团，获得与天然产物母核结构相似的衍生物，改变蛋白质纤维所呈现的颜色[3]。这不仅增加了环烯醚萜类化合物的种类，同时也拓宽了此类天然环烯醚萜类活性染料的色谱范围，为获取蛋白质纤维天然染色材料来源提供了新途径。

1 试验

1.1 材料与仪器

织物：12103练白真丝双绉(16姆米(68.89 g/m2),杭州方大丝绸有限公司)。

药品：京尼平苷、马钱苷、獐芽菜苦苷和莫诺苷(上海麦克林生化科技有限公司，纯度≥ 98%)；β-葡萄糖苷酶、磷酸盐缓冲溶液(北京谨明生物科技有限公司)；苯甲酰氯、醋酸、硝酸银、氢氧化钠等试剂均为分析纯(山西恒泰佳源生物科技有限公司)。

仪器：电喷雾质谱仪(日本岛津)；UV752N型紫外可见分光光度计(青岛精诚仪器仪表有限公司)；FA1004N型电子分析天平、PHSJ-4A型实验室pH计(上海梅颖浦仪器仪表制造有限公司)；RJ-1180型高温小样机(靖江市华夏科技有限公司)；SHA-2低温水浴恒温振荡器(常州冠军仪器制造有限公司)；Y571B型电动摩擦色牢度仪(常州市双固顿达机电科技有限公司)；YG611M风冷式日晒气候色牢度仪(浙江三工匠仪器有限公司)；HB-7117型耐水洗牢度测试仪(东莞市弘宝检测设备有限公司)。

1.2 试验方法

1.2.1 4种天然环烯醚萜类化合物的结构修饰

1)京尼平苷酸结构的修饰——酯水解法

京尼平苷酸的制备：称取京尼平苷酸1 g，加入200 mL醋酸盐缓冲溶液(pH=5.0)，溶解后再加入50 mg β-葡萄糖苷酶，在50 ℃水浴中反应6 h，水解液冷却至室温后，用乙酸乙酯萃取3次,每次100 mL，合并有机相，再经饱和氯化钠溶液洗涤，无水硫酸钠干燥，静置24 h,回收溶剂，得到产物。

京尼平苷酸酶水解为苷元：称取京尼平苷酸1 g，加入200 mL醋酸盐缓冲溶液(pH=5.0)，溶解后再加入50 mg β-葡萄糖苷酶，在50 ℃水浴中反应6 h，水解液冷却至室温后，用300 mL乙酸乙酯分3次萃取，合并有机相，再经饱和氯化钠溶液洗涤，无水硫酸钠干燥，静置24 h,回收溶剂，即得京尼平苷酸苷元。

2)獐芽菜苦苷结构的修饰——苷交换法

将2 g獐芽菜苦苷投入装有400 mL甲醇的锥形瓶中，充分溶解后，滴加30 mL浓盐酸，70 ℃水浴回流。反应24 h后 ,终止反应。冷却至室温用饱和碳酸氢钠调节pH为7，回收甲醇，剩余水相用150 mL乙酸乙酯分3次萃取，合并有机相，用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠进行干燥，浓缩，即得獐芽菜苦苷苷元粗品。将制得的粗品用硅胶柱层析，以CHCl3-MeOH系统作为洗脱剂洗脱，经薄层色谱检测，合并相同流份，浓缩、重结晶得到甲基獐芽菜苦苷苷元。

3)马钱苷结构的修饰——酰化反应

马钱苷结构修饰产物的制备：将马钱苷、苯甲酰氯和三乙胺按摩尔比1.0∶1.1∶1.1依次投入250 mL锥形瓶中(其中马钱苷为0.4 g，已用100 mL二氯甲烷溶解)，在冰水浴中磁力搅拌至完全反应后减压回收溶剂。产物溶解于蒸馏水中，用150 mL二氯甲烷分3次萃取，再用1.5 mol/L的盐酸溶液洗涤中和有机相体系中的三乙胺，用无水硫酸钠干燥0.5 h，减压回收溶剂，即得马钱苷结构修饰产物。

马钱苷结构修饰产物酶水解为苷元：称取马钱苷结构修饰产物4 g，加入pH=5.0的醋酸盐缓冲溶液50 mL，溶解后再加入80 mg β-葡萄糖苷酶于50 ℃水浴2 h，用乙醚将水解液萃取3次,每次50 mL，合并有机相，再经饱和氯化钠溶液洗涤，无水硫酸钠干燥、浓缩、重结晶后得到产物。采用ESI-MS对产物分子质量进行测定，如果所测分子质量与马钱苷结构修饰产物苷元分子质量吻合，则可以判断为目标产物。

同法制备莫诺苷结构修饰产物，再经酶水解得到修饰产物苷元。

1.2.2 丝素蛋白溶液的制备

将1 g蚕丝放入50 mL 0.5 mg/mL的中性皂溶液中，于100 ℃处理120 min，完全脱胶后，充分洗涤、晾干,再放入5 mL浓度为9 mol/L的溴化锂溶液，于55 ℃加热至完全溶解，自然冷却后透析36 h，去除溴化锂等杂质，经硝酸银检测合格后，溶液浓度用Brandford法测定。

1.2.3 环烯醚萜类化合物修饰产物对真丝绸的染色

称取每份1 g的真丝绸样品，在50 ℃条件下，用2 g/L的纯碱溶液40 mL 处理20 min，充分清洗后，分别置于试管中，各加入7.5 mL的磷酸盐缓冲溶液(pH=8.0)，再分别加入4种修饰产物25 mg，在50 ℃磁力搅拌2 h。清洗、晾干，测定染色样品K/S值，以确定颜色产物。

1.2.4 UV-vis分析

称取修饰产物苷元各15 mg放入试管中，用5 mL蒸馏水溶解后，再加入pH=8.0的磷酸盐缓冲溶液5 mL，在50 ℃下水浴震荡20 min后，加入质量浓度为1 mg/mL的丝素蛋白水溶液3 mL，继续震荡6 h，观察颜色变化，用UV-vis测量不同反应时间内吸收波长变化情况。

1.2.5 测试方法

1)K/S值测试

利用测色配色仪测定染后样品的K/S、明度(L*)、红绿(a*)、黄蓝(b*)和彩度(c*)值，D65光源，10°视角。

2)染色蛋白质纤维色牢度的测试

分别按照GB/T 3921—2008《纺织品色牢度试验耐洗色牢度：试验1》、GB/T 3920—1997《纺织品色牢度试验耐摩擦色牢度》、GB/T 8426—1998《纺织品色牢度试验耐光色牢度：日光测试》测定纤维染色牢度。

2 结果与讨论

2.1 环烯醚萜类化合物结构修饰的原理

环烯醚萜化合物可通过酯水解、苷交换、乙酰化等方法进行结构修饰，获得与天然产物母核相似的衍生物[3]。不同分子结构的环烯醚萜类化合物采用的修饰方法也不相同。京尼平苷在碱性条件下酯水解，脱去甲氧基，生成京尼平苷酸，再经β-葡萄糖苷酶水解脱去葡萄糖，才能得到修饰产物苷元(见图5)；獐芽菜苦苷与京尼平苷不同，属于裂环烯醚萜类氧糖苷[4]，是环烯醚萜苷的C-7—C-8断键开环衍生而成的化合物，含有烯键和醚键六元环结构，容易发生水解转化，这种特殊的环烯醚萜结构酶水解为苷元时容易产生副产物，所以獐芽菜苦苷不适合采用酯水解的方法进行结构修饰。而其在进行乙酰化反应时，母核上的羟基周围位阻较大，糖苷上的羟基被乙酰化，母核上的羟基却未被氧化[5]，得不到目标产物苷元，所以也不适合选用这种方法进行结构修饰。獐芽菜苦苷只适合采用“苷交换”的方法进行结构修饰，即獐芽菜苦苷在酸性条件与甲醇反应，利用甲基取代原来的分子结构中的葡萄糖基得到与天然产物母核结构相似的衍生物——甲基獐芽菜苦苷苷元(见图6)，这种结构修饰衍生物的方法为獐芽菜苦苷这样结构特殊的环烯醚萜化合物找到了简单、无副产物的制备衍生物的新方法；莫诺苷和马钱苷属于闭环环烯醚萜，同样含有烯—醚键六元环结构，这两种化合物结构修饰主要是通过苯甲酰氯酰化反应后分子中引入了一个π—π发色基团，生成了C-6位的衍生物，再经酶水解获得相应的苷元(见图7和图8)。与天然环烯醚萜母体相比，其结构修饰衍生物的呈色基团的共轭体系会变长，分子能量会降低，所以在同样的呈色反应体系中，生成色素的颜色却不相同。通过结构修饰可以达到增加此类化合物的种类、扩充色谱范围的目的。

2.2 环烯醚萜类修饰产物染色机理

环烯醚萜类化合物的染色机理与传统的天然染料和合成染料有本质的区别：后二者都是有色物质，染色时是用自身的颜色覆盖底物而使其着色，而环烯醚萜类化合物本身不含发色基团，却可以上染真丝绸等蛋白质纤维，且染色坚牢度非常高。环烯醚萜类化合物染色真丝绸的过程较复杂，染色时六元环上的碳原子受到氨基亲核基团的进攻而发生开环，即C1—O键断裂、重排后，在C1、C3处形成2个醛基活性基团，再与真丝绸蛋白质分子中的氨基反应形成最终的颜色产物[6]。六元环上的取代基起着助色基团的作用，染色效果比一般的天然染料更好。环烯醚萜类修饰产物的染色机理与环烯醚萜类化合物一致，这是因为所有环烯醚萜类化合物都具有烯键和醚键的六元环状母核的特征结构，其修饰产物只是引入了助色基团，母核结构没有发生变化，所以染色机理相同。环烯醚萜类化合物种类有限，通过掌握其染色机理，可为其作为一类环境友好的“天然活性染料”，并在蛋白质纤维染色这一新领域得以应用。

2.3 修饰产物染色真丝绸

4种修饰产物染色真丝绸样品皂洗后的颜色特征值测定结果见表1。由表1可以看出，4种修饰产物染色真丝绸的效果很好，色彩鲜艳而纯正，这是因为4种修饰产物均可与蛋白质纤维中伯氨基直接发生呈色反应。真丝绸为典型的蛋白质纤维，其中含有大量的伯氨基，染料可及区域大，纤维容易上染。4种修饰产物直接染色样品皂洗后呈现紫红色、绿色、橙红色和亮黄等颜色。其中京尼平苷酸苷元染色样品的K/S值最大，这是因为京尼平苷是环烯醚萜类最具代表性的化合物，其衍生产物苷元含有—COOH、—OH等多个活性基团，能够与氨基酸侧链基团发生一系列的聚合、重排反应，生成稳定的颜色产物，染色效果更好。

表1 染色真丝绸的颜色特征值

2.4 修饰产物与丝素蛋白呈色反应UV-vis分析结果

几种修饰产物苷元与丝素蛋白水溶液呈色反应UV-vis光谱分析结果如图9～图12所示。反应前，丝素蛋白溶液在215和280 nm处具有肽键吸收峰及典型的蛋白质吸收峰，可见光区均无吸收[7]；几种修饰产物苷元与其反应后，原来的各自吸收峰发生了变化，色素呈色也不相同。

图9为京尼平苷酸苷元与丝素蛋白溶液反应后的紫外可见光谱。未反应前，京尼平苷酸苷元水溶液只在238 nm处具有最大特征光吸收值；反应初期，290及380 nm处出现了新的吸收峰，为反应的中间产物；随后原来各自的紫外吸收峰降低，在552 nm处出现一个新的特征光吸收峰，并且随着反应时间的延长吸收峰不断增高；直至2 h后，特征光吸收峰不变，色素最终呈现紫红色。结果说明所生成的颜色产物的最大特征光吸收值在552 nm处。

图10为甲基獐芽菜苦苷苷元与丝素蛋白溶液反应后的紫外可见光谱。反应前，甲基獐芽菜苦苷苷元的特征吸收峰在237和242 nm处；反应进行30 min后，原来各自的紫外吸收峰明显降低，反应液由无色变为浅黄色；90 min后反应液在237和242 nm处的特征吸收峰完全消失，在417 nm处出现新的特征吸收峰，并且随着时间的延长特征吸收峰不断增高，反应液呈现亮黄色；当反应进行至2 h后，甲基獐芽菜苦苷苷元在417 nm处的吸收峰和溶液颜色不再变化，这说明呈色反应生成色素的最大特征吸收峰在417 nm处。

图11为莫诺苷修饰产物苷元与丝素蛋白溶液反应后的紫外可见光谱。反应前，莫诺苷修饰产物苷元的特征吸收峰在241 nm处；随着反应时间的增长，反应液的颜色由浅黄色逐渐加深；60 min后240 nm处特征吸收峰消失，并在360 nm和530 nm处有新的特征吸收峰；在2 h后形成最终的橙红色色素，吸收峰再无变化。

图12为马钱苷修饰产物苷元与丝素蛋白溶液反应后的紫外可见光谱。反应前，马钱苷结构修饰产物苷元的特征吸收峰在241 nm处；反应进行30 min后，原来各自的紫外吸收峰降低，反应液由无色变为浅黄色；40 min后241 nm处的特征吸收峰完全消失，反应液呈现黄色；当反应进行至60 min后，在465 nm处出现新的吸收峰，反应液呈现橙黄色；1.5 h后，在670 nm处出现新的特征吸收峰，溶液呈现绿色；2 h后，465和670 nm处的2个吸收峰不再变化，溶液仍然为绿色。

2.5 修饰产物染色真丝绸的色牢度

色牢度是评价染料染色最重要的质量指标。各修饰产物染色真丝绸样品的色牢度如表2所示：染色样品各项色牢度很好，均达到4～5级。这是由于常见的天然染料染色蛋白质纤维，主要靠分子间作用力，上染率较低，化学合成的活性染料只是用染料自身的颜色去遮盖底物的颜色[7]，而作为天然活性染料的环烯醚萜类修饰产物染色真丝绸，是通过其与纤维中的伯氨基反应而形成纤维-染料-颜色的“三位一体”[8]，所以染色牢度更高，完全符合染色要求。

表2 染色真丝绸色牢度

3 结论

1)几种环烯醚萜化合物结构修饰产物染色真丝绸呈现紫红、绿色、橙红色、亮黄等鲜艳的颜色，与原有的各种染料相比这类染料染色重现性好，具有更高的色牢度，均能达到4～5级。

2)通过对环烯醚萜类化合物进行结构修饰，掌握其染色机理，可以为一类全新的蛋白质材料专用天然活性染料的创制提供思路，有利于提高天然染料的规模化生产，而且此类天然活性染料对环境无污染，满足了染整绿色环保的要求，具有很好的应用前景。