新型辣素衍生物的合成及其防污性能研究

安雪蓮，董文建，楊祥春，李霞

（中國海洋大學海洋化學理論與工程技術教育部重點實驗室，山東青島 266100）

海洋生物污損是指海洋生物在浸入海水中的任何固體表面的黏附[1-2]，生物體在海洋設備上的積累會加速表面腐蝕，增加船舶質量和燃料消耗，還可能通過傳播入侵物種造成環境問題[3-5]，對經濟、環境、生態和安全都產生了不利影響[6]。傳統的防止生物污損的方法是涂刷防污涂料，其防污機制是通過釋放有毒物質來殺死污損生物，但這會導致環境污染和生態系統的破壞。

20世紀70年代，有機錫自拋光防污涂料因優異的防污性能及減阻性能，占據了90%的市場份額。然而20世紀80年代的研究發現，有機錫的釋放會在海水中累積，并導致海洋生物的遺傳變異和畸形，甚至可能通過食物鏈進入人體，危害人類健康[7]。因此，國際海事組織（IMO）于2008年1月1日宣布禁止使用有機錫作為海洋防污涂料的防污劑。隨后又不斷有研究證明，廣泛應用的氧化亞銅、百菌清等防污劑對環境存在著潛在的污染[8-9]，因此開發新型環境友好型防污劑是開發環保型防污涂料的重點內容之一。

目前已有的環境友好型防污劑主要分為天然產物防污劑和人工合成防污劑，天然產物防污劑是從自然界多種陸生植物和海洋生物中提取的并且具有海洋防污活性的物質，其中在辛辣型植物中提取的天然辣素因其抗菌、無毒且環保而備受關注[10]，辣素是一種香草酰胺類生物堿，其衍生物繼承了辣素良好的防污性能以及低毒性的特點，將其引入到防污體系中，能滿足防污涂料環境友好的要求[11-13]。盡管辣素及其衍生物的性能足夠優異，但是并沒有在防污涂料中有較大的應用。這是因為天然提取法制備辣素的成本較高，并且不易得到高純度的辣素產品，而化學合成法可以彌補這一方面的不足。

本研究從天然辣素的結構出發，通過化學合成的方法將功能基團引入到酰胺類化合物中，設計合成了4種辣素衍生物，對其進行了抑菌性能和抑藻性能的研究，并將合成的化合物作為防污劑配制成海洋防污涂料，通過實海掛板實驗，測定其海洋防污性能。

1 實驗部分

1.1 主要原料與儀器

N-羥甲基丙烯酰胺、丙烯酸樹脂、松香、二甲苯：工業級，淄博市臨淄頤中森化工有限公司；2，3，5-三甲基苯酚、4-氯間苯二酚、3，5-二甲基苯甲醚、2，4-二羥基二苯甲酮、百菌清、濃硫酸、無水乙醇、氧化鐵紅、氧化鈣：分析純，國藥集團化學試劑有限公司；2216E液體培養基、2216E瓊脂：青島海博生物科技有限公司；海洋假單胞菌、海洋黃桿菌：中國海洋大學生命科學學院微生物實驗室；新月菱形藻、三角褐指藻、旋鏈角毛藻：中國海洋大學水產學院藻種室。

AVATAR-360紅 外 光 譜 儀：Nicolet；JUMECP600核 磁 共 振 波 譜 儀：JEOL；B-545熔 點 儀：Buchi；U-2800紫外可見分光光度計：Hitachi；MLS-3750高溫滅菌鍋：三洋電機株式會社；HZQ-X100震蕩培養箱：哈爾濱市東聯電子技術開發有限公司；MLR-350H人工氣候培養箱：三洋電氣公司；超凈工作臺：蘇州凈化儀器設備有限公司。

1.2 辣素衍生物的合成

取100 mL乙醇作溶劑，在室溫條件下，加入0.1 mol 2，3，5-三甲基苯酚和0.24 molN-羥甲基丙烯酰胺，在電磁攪拌條件下反應0.5 h后，逐滴加入10 mL濃硫酸，20 min后升溫至35℃進行反應。反應進程由薄層色譜TLC[展開劑為石油醚和乙酸乙酯混合物，V（石油醚）∶V（乙酸乙酯）=1∶2]監控，直至出現大量固體，反應結束后將反應產生的淡黃色固體過濾，并用去離子水充分洗滌粗產品至中性，使用無水乙醇重結晶得到純凈產物A，烘干密封保存。

參照上述化合物A的合成方法，將2，3，5-三甲基苯酚依次改為4-氯間苯二酚、3，5-二甲基苯甲醚、2，4-二羥基二苯甲酮，從而得到其他3種化合物（B、C、D）。

合成的4種辣素衍生物產物信息如下。

2，4-二丙烯酰胺基-3，5，6-三甲基苯酚（A）：產率71.56%，淡黃色粉末狀，熔點209.8～211.2℃；2，6-二丙烯酰胺基-4-氯間苯二酚（B）：產率61.33%，白色粉末狀，熔點：203.8～205.2℃；2，4-二丙烯酰胺基-3，5-二甲基苯甲醚（C）：產率57.42%，白色粉末狀，熔點：246.9～248.1℃；3，4-二丙烯酰胺基-2，4-二羥基苯甲酮（D）：產率65.68%，白色粉末狀，熔點175.9～177.5℃。

1.3 防污涂料樣板的制備

稱取10 g受試化合物、55 g丙烯酸樹脂、15 g百菌清、17 g顏料（氧化鐵紅、氧化鈣）、2 g輔助材料（松香）、12 g二甲苯，制備防污涂料。用240目砂紙對PVC樣板表面進行拋光打磨，擦拭干凈后涂刷自制的防污涂料，約300 μm厚，置于通風處自然晾干。并以不涂任何防污涂料的樣板作為空白組，以不添加辣素衍生物的防污涂料作為對照組，對照組將受試化合物用等量的百菌清替代。

1.4 性能測試與結構表征

1.4.1 辣素衍生物的結構表征

紅外光譜：取少量烘干后的辣素衍生物，采用溴化鉀壓片法，在4 000～380 cm-1范圍內測試辣素衍生物的紅外吸收光譜。

核磁共振氫譜：選擇氘代二甲基亞砜（DMSO）為溶劑，基準物質為TMS，通過核磁共振波譜儀測試，經MestReNova軟件分析數據繪制譜圖。

1.4.2 抑菌性能測試

（1）培養基和菌懸液制備。

用接種環刮取培養基上在37℃下充分活化的菌株，接種到液體培養基中，并培養24 h。

（2）抑菌率的測定。

采用稀釋涂布平板法[14]，將新鮮菌懸液進行稀釋置于試管中，然后加入一定量的3 mg/mL的辣素衍生物的丙酮溶液，置于震蕩培養箱培養18 h，之后將培養樣品的菌液用無菌且過濾后的海水依次進行10倍的稀釋并混合均勻。吸取200 μL樣品菌液于固體培養基上，并用三角涂布棒均勻涂布于固體培養基表面至菌液完全被吸收，各樣品每個濃度均重復實驗3次，37℃下恒溫培養18 h，計算活菌數Tn；以不添加化合物的試管為對照樣，計算活菌數T0，并根據式（1）計算抑菌率[15-16]。

1.4.3 抑藻性能測試

（1）藻液的擴種培養。

實驗時將新鮮海水通過纖維素濾膜進行過濾后置于121℃高溫下滅菌10 min，將受試藻種加入至營養液中，每100 mL營養液含50 μL維生素、50 μL痕量元素、100 μL硝酸鈉、100 μL硅酸鈉、100 μL磷酸鈉。接種后的藻種在人工氣候培養箱內培養，光照強度為4000 lux，光暗比為12 h∶12 h，溫度為21℃，pH約為8.0[17]。

（2）藻液細胞濃度-吸光度線性關系的測定。

取培養到指數生長期的藻液，加入營養液稀釋混合均勻后，在最大吸收波長處對各稀釋藻液的吸光度進行測量。用血球計數板計數得到不同稀釋藻液的藻細胞個數，作藻液細胞濃度-吸光度曲線，得線性回歸方程[11]。

（3）辣素衍生物對藻類生長曲線的影響。

將培養到指數生長期的藻液稀釋至合適細胞濃度，量取200 mL稀釋藻液于錐形瓶中，移取1 mL質量濃度3 mg/mL的受試化合物溶液加入到錐形瓶中，混合均勻。以不加受試化合物的藻液作為空白對照，每隔24 h在最大吸收波長處測量各藻液的吸光度，根據藻液細胞濃度-吸光度曲線繪制藻液細胞濃度-時間曲線，測定化合物對藻類生長曲線的影響，并根據式（2）計算抑藻率[18]。

式中：N0—對照組的藻類細胞濃度；Nx—實驗組的藻類細胞濃度；N—抑藻率。實驗重復3次，取平均值。

1.4.4 防污性能測試

參照GB/T 5370—2007《防污漆樣板淺海浸泡實驗方法》，在海洋生物蓬勃生長的7—9月，將制備好的涂層樣板浸入在中國青島海灣的浮伐上，深度為1 m，樣板表面平行于海水的主潮流，定期對樣板進行觀察。根據樣板上附著生物的物種和數量等評價涂料的防污性能。

指標含義：10（20）千伏接入的新能源消納率=規劃期內已接入電網或完成接入系統方案評審的用戶數/規劃期內申請接入的分布式光伏等新能源用戶總數。新能源消納率要求達到100%。

2 結果與討論

2.1 辣素衍生物的結構表征

圖1、圖2為合成的4種辣素衍生物的紅外光譜和核磁共振氫譜。

以辣素衍生物A（2，4-二丙烯酰胺基-3，5，6-三甲基苯酚）為例進行結構分析，由圖1（a）可知，在3 307.34 cm-1處出現O—H的伸縮振動吸收峰，在3 075.32 cm-1處出現N—H的伸縮振動吸收峰，在1 649.58 cm-1處出現仲酰胺Ⅰ帶C=O的伸縮振動吸收峰，在1 616.60 cm-1、1 531.81 cm-1、1 457.59 cm-1處出現苯環骨架的伸縮振動吸收峰，在1 228.57 cm-1處出現C—O的伸縮振動吸收峰，在1 100.09 cm-1處出現C—N的伸縮振動吸收峰，在803.24 cm-1處出現苯環中CH的面外彎曲伸縮振動吸收峰。由圖2（a）可知，除去溶劑峰，各峰的歸屬都比較容易確定。CH3的δ為2.10、2.15和2.27，CH2的δ為4.30，—CH=的δ是5.61，=CH2的δ是6.19苯環上氫的化學位移為7.98，N—H的δ是9.16，O—H的δ是9.94。結合紅外光譜和核磁共振氫譜的數據可以得出合成了預期結構的化合物A。

圖1 合成的4種辣素衍生物的紅外光譜Fig.1 FT-IR spectra of four derivatives of capsaicin synthesized

圖2 合成的4種辣素衍生物的核磁共振氫譜Fig.2 NMR hydrogen spectra of four synthesized capsaicin derivatives

分析紅外和核磁其他數據可知，成功制備了辣素衍生物B、C、D。

2.2 化合物的生物活性測試結果

在大型污損生物附著之前，浸水設施的表面往往會附著一層由細菌和單細胞生物組成的微生物黏膜，它會產生一些化學分泌物和增加表面粗糙度，從而對大型污損的附著有促進作用?；谖蹞p生物附著原理，對防污涂料及主要成分進行抑菌抑藻性能測試可以初步評價其防污性能[19]。

2.2.1 抑菌率測試合成的4種辣素衍生物的抑菌率和抑菌效果如表1和圖3所示。

圖3 含辣素活性結構衍生物對海洋假單胞菌和海洋黃桿菌的抑制作用Fig.3 Inhibition of capsaicin-containing active structure derivatives against Marine Pseudomonas and Marine Flavobacterium

表1 含辣素活性結構衍生物對海洋細菌的抑制率Table 1 Inhibition rates of capsaicin-containing active structure derivatives against marine bacteria

2.2.2 抑藻率測試

藻液細胞濃度-吸光度的線性關系如圖4所示。

由圖4可知，藻液細胞濃度與吸光度呈線性關系，可以將測得的吸光度轉化為藻液細胞濃度。圖5為藻液細胞濃度-時間曲線，表2為根據第7天的數據計算得到抑藻率。

表2 含辣素活性結構衍生物對藻類的抑制率Table 2 Inhibition rate of capsaicin-containing active structure derivatives on algae

圖4 吸光度-藻液細胞濃度標準工作曲線Fig.4 Standard working curves of concentration versus absorbance

圖5 含辣素活性結構衍生物對3種藻類的抑制曲線Fig.5 Inhibition curves of capsaicin-containing active structural derivatives against 3 algaes

由圖5和表2可知，4種化合物對3種藻的抑制效果類似，均表現出一定的抑藻活性。其中化合物A和B均表現出良好的抑藻性，化合物B有含氯基團，對藻類有較強的抑制作用；化合物A的電負性大，分子極性和疏水性較大，其特殊的結構特點使其容易進入藻細胞內損壞細胞器的結構功能，抑制藻細胞的生長。

2.3 防污性能測試結果

由抑菌性實驗和藻類生長抑制實驗可知，4種化合物均有一定的抑制生物活性，以受試化合物作為防污劑添加到海洋防污涂料中，防污涂料的海上掛板實驗結果如圖6所示。

圖6 添加受試化合物的防污涂料海上掛板3個月實驗結果Fig.6 Results of the offshore hanging board experiment of antifouling coatings with tested compounds

從圖6可以看出，在海洋生物生長旺季掛板3個月后，空白組表面被大量的藻類、動物幼蟲和貽貝等海洋污損生物覆蓋，污損嚴重。對照組防污涂層表面附著了藤壺及海藻，而添加了新型辣素衍生物的防污涂層表面光潔，僅有少量污損生物附著，且各涂層表面未出現起泡、脫落等現象，證明新型辣素衍生物作為防污劑與百菌清復配使用，防污性能優于百菌清。

3 結語

以N-羥甲基丙烯酰胺和芳香族化合物為原料，通過傅克烷基化反應合成了4種新型辣素衍生物，產率均在50%以上。抑菌實驗結果表明，4種化合物對海洋假單胞菌和海洋黃桿菌均具有一定的抑制能力，其中化合物A和B對2種菌的抑菌率均可達到90%以上。抑藻實驗結果表明，化合物A和B對三種受試藻的抑制率均可達到80%以上。將4種化合物作為防污劑，并與百菌清進行復配添加到海洋防污涂料中進行實海掛板，表現出較好的防污效果。由此可見，合成的新型辣素衍生物具有較好的應用發展前景，為進一步研發環保型防污涂料奠定了基礎。