新型辣素衍生物的合成及其防污性能研究

安雪莲，董文建，杨祥春，李霞

（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洋生物在浸入海水中的任何固体表面的黏附[1-2]，生物体在海洋设备上的积累会加速表面腐蚀，增加船舶质量和燃料消耗，还可能通过传播入侵物种造成环境问题[3-5]，对经济、环境、生态和安全都产生了不利影响[6]。传统的防止生物污损的方法是涂刷防污涂料，其防污机制是通过释放有毒物质来杀死污损生物，但这会导致环境污染和生态系统的破坏。

20世纪70年代，有机锡自抛光防污涂料因优异的防污性能及减阻性能，占据了90%的市场份额。然而20世纪80年代的研究发现，有机锡的释放会在海水中累积，并导致海洋生物的遗传变异和畸形，甚至可能通过食物链进入人体，危害人类健康[7]。因此，国际海事组织（IMO）于2008年1月1日宣布禁止使用有机锡作为海洋防污涂料的防污剂。随后又不断有研究证明，广泛应用的氧化亚铜、百菌清等防污剂对环境存在着潜在的污染[8-9]，因此开发新型环境友好型防污剂是开发环保型防污涂料的重点内容之一。

目前已有的环境友好型防污剂主要分为天然产物防污剂和人工合成防污剂，天然产物防污剂是从自然界多种陆生植物和海洋生物中提取的并且具有海洋防污活性的物质，其中在辛辣型植物中提取的天然辣素因其抗菌、无毒且环保而备受关注[10]，辣素是一种香草酰胺类生物碱，其衍生物继承了辣素良好的防污性能以及低毒性的特点，将其引入到防污体系中，能满足防污涂料环境友好的要求[11-13]。尽管辣素及其衍生物的性能足够优异，但是并没有在防污涂料中有较大的应用。这是因为天然提取法制备辣素的成本较高，并且不易得到高纯度的辣素产品，而化学合成法可以弥补这一方面的不足。

本研究从天然辣素的结构出发，通过化学合成的方法将功能基团引入到酰胺类化合物中，设计合成了4种辣素衍生物，对其进行了抑菌性能和抑藻性能的研究，并将合成的化合物作为防污剂配制成海洋防污涂料，通过实海挂板实验，测定其海洋防污性能。

1 实验部分

1.1 主要原料与仪器

N-羟甲基丙烯酰胺、丙烯酸树脂、松香、二甲苯：工业级，淄博市临淄颐中森化工有限公司；2，3，5-三甲基苯酚、4-氯间苯二酚、3，5-二甲基苯甲醚、2，4-二羟基二苯甲酮、百菌清、浓硫酸、无水乙醇、氧化铁红、氧化钙：分析纯，国药集团化学试剂有限公司；2216E液体培养基、2216E琼脂：青岛海博生物科技有限公司；海洋假单胞菌、海洋黄杆菌：中国海洋大学生命科学学院微生物实验室；新月菱形藻、三角褐指藻、旋链角毛藻：中国海洋大学水产学院藻种室。

AVATAR-360红 外 光 谱 仪：Nicolet；JUMECP600核 磁 共 振 波 谱 仪：JEOL；B-545熔 点 仪：Buchi；U-2800紫外可见分光光度计：Hitachi；MLS-3750高温灭菌锅：三洋电机株式会社；HZQ-X100震荡培养箱：哈尔滨市东联电子技术开发有限公司；MLR-350H人工气候培养箱：三洋电气公司；超净工作台：苏州净化仪器设备有限公司。

1.2 辣素衍生物的合成

取100 mL乙醇作溶剂，在室温条件下，加入0.1 mol 2，3，5-三甲基苯酚和0.24 molN-羟甲基丙烯酰胺，在电磁搅拌条件下反应0.5 h后，逐滴加入10 mL浓硫酸，20 min后升温至35℃进行反应。反应进程由薄层色谱TLC[展开剂为石油醚和乙酸乙酯混合物，V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）=1∶2]监控，直至出现大量固体，反应结束后将反应产生的淡黄色固体过滤，并用去离子水充分洗涤粗产品至中性，使用无水乙醇重结晶得到纯净产物A，烘干密封保存。

参照上述化合物A的合成方法，将2，3，5-三甲基苯酚依次改为4-氯间苯二酚、3，5-二甲基苯甲醚、2，4-二羟基二苯甲酮，从而得到其他3种化合物（B、C、D）。

合成的4种辣素衍生物产物信息如下。

2，4-二丙烯酰胺基-3，5，6-三甲基苯酚（A）：产率71.56%，淡黄色粉末状，熔点209.8～211.2℃；2，6-二丙烯酰胺基-4-氯间苯二酚（B）：产率61.33%，白色粉末状，熔点：203.8～205.2℃；2，4-二丙烯酰胺基-3，5-二甲基苯甲醚（C）：产率57.42%，白色粉末状，熔点：246.9～248.1℃；3，4-二丙烯酰胺基-2，4-二羟基苯甲酮（D）：产率65.68%，白色粉末状，熔点175.9～177.5℃。

1.3 防污涂料样板的制备

称取10 g受试化合物、55 g丙烯酸树脂、15 g百菌清、17 g颜料（氧化铁红、氧化钙）、2 g辅助材料（松香）、12 g二甲苯，制备防污涂料。用240目砂纸对PVC样板表面进行抛光打磨，擦拭干净后涂刷自制的防污涂料，约300 μm厚，置于通风处自然晾干。并以不涂任何防污涂料的样板作为空白组，以不添加辣素衍生物的防污涂料作为对照组，对照组将受试化合物用等量的百菌清替代。

1.4 性能测试与结构表征

1.4.1 辣素衍生物的结构表征

红外光谱：取少量烘干后的辣素衍生物，采用溴化钾压片法，在4 000～380 cm-1范围内测试辣素衍生物的红外吸收光谱。

核磁共振氢谱：选择氘代二甲基亚砜（DMSO）为溶剂，基准物质为TMS，通过核磁共振波谱仪测试，经MestReNova软件分析数据绘制谱图。

1.4.2 抑菌性能测试

（1）培养基和菌悬液制备。

用接种环刮取培养基上在37℃下充分活化的菌株，接种到液体培养基中，并培养24 h。

（2）抑菌率的测定。

采用稀释涂布平板法[14]，将新鲜菌悬液进行稀释置于试管中，然后加入一定量的3 mg/mL的辣素衍生物的丙酮溶液，置于震荡培养箱培养18 h，之后将培养样品的菌液用无菌且过滤后的海水依次进行10倍的稀释并混合均匀。吸取200 μL样品菌液于固体培养基上，并用三角涂布棒均匀涂布于固体培养基表面至菌液完全被吸收，各样品每个浓度均重复实验3次，37℃下恒温培养18 h，计算活菌数Tn；以不添加化合物的试管为对照样，计算活菌数T0，并根据式（1）计算抑菌率[15-16]。

1.4.3 抑藻性能测试

（1）藻液的扩种培养。

实验时将新鲜海水通过纤维素滤膜进行过滤后置于121℃高温下灭菌10 min，将受试藻种加入至营养液中，每100 mL营养液含50 μL维生素、50 μL痕量元素、100 μL硝酸钠、100 μL硅酸钠、100 μL磷酸钠。接种后的藻种在人工气候培养箱内培养，光照强度为4000 lux，光暗比为12 h∶12 h，温度为21℃，pH约为8.0[17]。

（2）藻液细胞浓度-吸光度线性关系的测定。

取培养到指数生长期的藻液，加入营养液稀释混合均匀后，在最大吸收波长处对各稀释藻液的吸光度进行测量。用血球计数板计数得到不同稀释藻液的藻细胞个数，作藻液细胞浓度-吸光度曲线，得线性回归方程[11]。

（3）辣素衍生物对藻类生长曲线的影响。

将培养到指数生长期的藻液稀释至合适细胞浓度，量取200 mL稀释藻液于锥形瓶中，移取1 mL质量浓度3 mg/mL的受试化合物溶液加入到锥形瓶中，混合均匀。以不加受试化合物的藻液作为空白对照，每隔24 h在最大吸收波长处测量各藻液的吸光度，根据藻液细胞浓度-吸光度曲线绘制藻液细胞浓度-时间曲线，测定化合物对藻类生长曲线的影响，并根据式（2）计算抑藻率[18]。

式中：N0—对照组的藻类细胞浓度；Nx—实验组的藻类细胞浓度；N—抑藻率。实验重复3次，取平均值。

1.4.4 防污性能测试

参照GB/T 5370—2007《防污漆样板浅海浸泡实验方法》，在海洋生物蓬勃生长的7—9月，将制备好的涂层样板浸入在中国青岛海湾的浮伐上，深度为1 m，样板表面平行于海水的主潮流，定期对样板进行观察。根据样板上附着生物的物种和数量等评价涂料的防污性能。

指标含义：10（20）千伏接入的新能源消纳率=规划期内已接入电网或完成接入系统方案评审的用户数/规划期内申请接入的分布式光伏等新能源用户总数。新能源消纳率要求达到100%。

2 结果与讨论

2.1 辣素衍生物的结构表征

图1、图2为合成的4种辣素衍生物的红外光谱和核磁共振氢谱。

以辣素衍生物A（2，4-二丙烯酰胺基-3，5，6-三甲基苯酚）为例进行结构分析，由图1（a）可知，在3 307.34 cm-1处出现O—H的伸缩振动吸收峰，在3 075.32 cm-1处出现N—H的伸缩振动吸收峰，在1 649.58 cm-1处出现仲酰胺Ⅰ带C=O的伸缩振动吸收峰，在1 616.60 cm-1、1 531.81 cm-1、1 457.59 cm-1处出现苯环骨架的伸缩振动吸收峰，在1 228.57 cm-1处出现C—O的伸缩振动吸收峰，在1 100.09 cm-1处出现C—N的伸缩振动吸收峰，在803.24 cm-1处出现苯环中CH的面外弯曲伸缩振动吸收峰。由图2（a）可知，除去溶剂峰，各峰的归属都比较容易确定。CH3的δ为2.10、2.15和2.27，CH2的δ为4.30，—CH=的δ是5.61，=CH2的δ是6.19苯环上氢的化学位移为7.98，N—H的δ是9.16，O—H的δ是9.94。结合红外光谱和核磁共振氢谱的数据可以得出合成了预期结构的化合物A。

图1 合成的4种辣素衍生物的红外光谱Fig.1 FT-IR spectra of four derivatives of capsaicin synthesized

图2 合成的4种辣素衍生物的核磁共振氢谱Fig.2 NMR hydrogen spectra of four synthesized capsaicin derivatives

分析红外和核磁其他数据可知，成功制备了辣素衍生物B、C、D。

2.2 化合物的生物活性测试结果

在大型污损生物附着之前，浸水设施的表面往往会附着一层由细菌和单细胞生物组成的微生物黏膜，它会产生一些化学分泌物和增加表面粗糙度，从而对大型污损的附着有促进作用。基于污损生物附着原理，对防污涂料及主要成分进行抑菌抑藻性能测试可以初步评价其防污性能[19]。

2.2.1 抑菌率测试合成的4种辣素衍生物的抑菌率和抑菌效果如表1和图3所示。

图3 含辣素活性结构衍生物对海洋假单胞菌和海洋黄杆菌的抑制作用Fig.3 Inhibition of capsaicin-containing active structure derivatives against Marine Pseudomonas and Marine Flavobacterium

表1 含辣素活性结构衍生物对海洋细菌的抑制率Table 1 Inhibition rates of capsaicin-containing active structure derivatives against marine bacteria

2.2.2 抑藻率测试

藻液细胞浓度-吸光度的线性关系如图4所示。

由图4可知，藻液细胞浓度与吸光度呈线性关系，可以将测得的吸光度转化为藻液细胞浓度。图5为藻液细胞浓度-时间曲线，表2为根据第7天的数据计算得到抑藻率。

表2 含辣素活性结构衍生物对藻类的抑制率Table 2 Inhibition rate of capsaicin-containing active structure derivatives on algae

图4 吸光度-藻液细胞浓度标准工作曲线Fig.4 Standard working curves of concentration versus absorbance

图5 含辣素活性结构衍生物对3种藻类的抑制曲线Fig.5 Inhibition curves of capsaicin-containing active structural derivatives against 3 algaes

由图5和表2可知，4种化合物对3种藻的抑制效果类似，均表现出一定的抑藻活性。其中化合物A和B均表现出良好的抑藻性，化合物B有含氯基团，对藻类有较强的抑制作用；化合物A的电负性大，分子极性和疏水性较大，其特殊的结构特点使其容易进入藻细胞内损坏细胞器的结构功能，抑制藻细胞的生长。

2.3 防污性能测试结果

由抑菌性实验和藻类生长抑制实验可知，4种化合物均有一定的抑制生物活性，以受试化合物作为防污剂添加到海洋防污涂料中，防污涂料的海上挂板实验结果如图6所示。

图6 添加受试化合物的防污涂料海上挂板3个月实验结果Fig.6 Results of the offshore hanging board experiment of antifouling coatings with tested compounds

从图6可以看出，在海洋生物生长旺季挂板3个月后，空白组表面被大量的藻类、动物幼虫和贻贝等海洋污损生物覆盖，污损严重。对照组防污涂层表面附着了藤壶及海藻，而添加了新型辣素衍生物的防污涂层表面光洁，仅有少量污损生物附着，且各涂层表面未出现起泡、脱落等现象，证明新型辣素衍生物作为防污剂与百菌清复配使用，防污性能优于百菌清。

3 结语

以N-羟甲基丙烯酰胺和芳香族化合物为原料，通过傅克烷基化反应合成了4种新型辣素衍生物，产率均在50%以上。抑菌实验结果表明，4种化合物对海洋假单胞菌和海洋黄杆菌均具有一定的抑制能力，其中化合物A和B对2种菌的抑菌率均可达到90%以上。抑藻实验结果表明，化合物A和B对三种受试藻的抑制率均可达到80%以上。将4种化合物作为防污剂，并与百菌清进行复配添加到海洋防污涂料中进行实海挂板，表现出较好的防污效果。由此可见，合成的新型辣素衍生物具有较好的应用发展前景，为进一步研发环保型防污涂料奠定了基础。