溴化雙鹵取代芐基季鏻鹽制備及其抗菌性能綜合化學實驗

倪春林, 余林梁, 蔡重全, 譚梓欣, 張春梅, 張耀謀, 周武藝

(華南農(nóng)業(yè)大學 材料與能源學院 化學實驗教學中心, 廣東 廣州 510642)

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溴化雙鹵取代芐基季鏻鹽制備及其抗菌性能綜合化學實驗

倪春林, 余林梁, 蔡重全, 譚梓欣, 張春梅, 張耀謀, 周武藝

(華南農(nóng)業(yè)大學 材料與能源學院 化學實驗教學中心, 廣東 廣州 510642)

以2,4-雙鹵代甲苯和三苯基膦為原料,制備了3種溴化雙鹵取代芐基三苯基季鏻鹽。采用元素分析、紅外光譜、電子噴霧質(zhì)譜和電導法對其進行了組成分析和結構表征。利用平板法和二倍稀釋法測定了所制備的季鏻鹽對金葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌性能。結果表明,制備的3種季鏻鹽對金葡萄球菌和大腸桿菌都具有良好的抗菌性能。該實驗作為應用化學、化學生物學和制藥工程等專業(yè)的綜合化學實驗項目,使學生了解取代季鏻類抗菌劑的制備及其應用,激發(fā)學生學習研究興趣,提高學生的綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力，鍛煉學生組織能力和團結協(xié)作的精神。

綜合化學實驗; 雙鹵取代芐基三苯基季鏻鹽; 結構表征; 抗菌性能

2005年,教育部在《關于進一步加強高等學校本科教學工作的若干意見》(教高[2005] 1號)中提出了在實驗教學中增加綜合性與創(chuàng)新性實驗內(nèi)容的具體要求[1]。華南農(nóng)業(yè)大學提出了“提高綜合性、設計性實驗的課程比例,增加創(chuàng)新性實驗內(nèi)容”的具體措施。根據(jù)應用化學、化學生物學和制藥工程等應用性專業(yè)的特點,增開了相關專業(yè)的綜合實驗。天然抗菌劑、有機抗菌劑和有機/無機復合抗菌劑的研究與開發(fā)一直都是科學家感興趣的課題[2-3]。有機季鏻鹽是新一代高效、廣譜、低毒的抗菌劑[4-5],并且應用于催化和材料等領域[6-8]。近幾年來,課題組將取代芐基三苯基季鏻鹽陽離子與某些無機配陰離子組裝、獲得了一些性能優(yōu)良的磁學和光學材料[6-8]。在這些科研工作的基礎上,本文以雙鹵代的甲苯和三苯基膦為主要原料,采用簡單的方法制備了3種溴化雙取代芐基三苯基季鏻鹽,使用元素分析、電導、電子噴霧質(zhì)譜和紅外光譜等手段對季鏻鹽的組成分析和結構進行了表征,并采用平板法和二倍稀釋法測定了它們對金葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性。該綜合實驗包括有機化學、分析化學和微生物學等多個學科的知識,涉及有機溶劑的干燥與重蒸、加熱回流反應、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、減壓過濾、真空干燥、電導率的測定、消毒與滅菌、無菌等基本操作技術,以及有機元素分析儀、紅外光譜儀和液相質(zhì)譜儀等現(xiàn)代化實驗儀器的使用,適合作為應用化學、化學生物學和制藥工程等專業(yè)的綜合化學實驗項目。

1 實驗

1.1 藥品與儀器

藥品:2-氟-4-溴甲苯、4-氟-2-溴甲苯、2,4-二氯甲苯、三苯基膦、N-溴代丁二酰亞胺(NBS)、四氯化碳和過氧化苯甲酰(BPO)等試劑均為市售分析純試劑,未經(jīng)處理直接使用；四氯化碳和丙酮經(jīng)干燥處理。

儀器:美國Perkin-Elmer公司240 C型元素分析儀,Acvatar 360 FT-IR紅外光譜儀(美國Nicolet公司),日本Shimadzu公司LCMS-2010A液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀,上海雷磁新涇儀器有限公司DDS-11A型電導率儀,廣東省醫(yī)療器材廠恒溫恒濕培養(yǎng)箱,上海博迅實業(yè)有限公司SW-CJ-TA潔凈工作臺,上海博訊實業(yè)有限公司YXQ-SG46-280S蒸汽滅菌鍋,上海昕瑞儀器有限責任公司W(wǎng)GZ-2-XJ細菌濁度儀。

1.2 合成路線

首先利用2,4-雙鹵代甲苯和N-溴代丁二酰亞胺(NBS) 發(fā)生自由基反應,制備2,4-雙鹵代芐基溴中間體,再與三苯基膦發(fā)生SN2 反應,得到目標產(chǎn)物——溴化雙鹵代芐基三苯基季鏻鹽。合成路線見圖1。

圖1 溴化雙取代芐基季鏻鹽的合成路線

1.3 合成步驟

(1) 雙鹵取代芐溴合成:參照文獻[9],分別稱取0.03 moL取代甲苯于150 mL錐形瓶中,加入60 mL干燥過的CCl4,然后將5.34 g(0.03 mol)的N-溴代丁二酰亞胺(NBS)加入其中,并加入少量的過氧化苯甲酰(BPO)作為引發(fā)劑,加熱攪拌回流12 h。隨著反應的進行溶液變成黃色并有白色固體生成。反應完成后,趁熱過濾,將濾液旋轉(zhuǎn)蒸發(fā),得淺黃色黏稠狀液體,直接用于下一步合成。

(2) 溴化雙鹵取代芐基季鏻鹽的合成: 參照文獻[10],取等摩爾量的三苯基膦和步驟(1)得到的雙鹵取代芐溴于100 mL錐形瓶中,加入30 mL丙酮,在60 ℃溫度下加熱攪拌回流6 h后,再在自然條件下冷卻,減壓抽濾,固體用少量乙醚洗滌3次,真空干燥,用甲醇-丙酮重結晶得白色固體,[2F4BrBzTPP]Br、[4F2BrBzTPP]Br和[2Cl4ClBzTPP]Br的產(chǎn)率分別為85%、75%和62%。

1.4 抗菌活性測定

(1) 平板濾紙法: 根據(jù)文獻[11]方法, 取活化后的金葡萄球菌和大腸桿菌,在含瓊脂培養(yǎng)皿中接種,并在37 °C下培養(yǎng)24 h后,制得濃度分別約為1.6×106CFU/mL和1.5×106CFU/mL的金葡萄球菌和大腸桿菌溶液。用季鏻鹽[2Cl4ClBzTPP]Br、[2F4BrBzTPP]Br和[4F2BrBzTPP]Br水溶液(濃度為0.0125 mmol/mL)測定濾紙片周圍抑菌圈大小,平行3次。

(2) 二倍稀釋法:根據(jù)文獻[12]方法, 測定雙取代芐基季鏻鹽[2F4BrBzTPP]Br、[4F2BrBzTPP]Br 和[2Cl4ClBzTPP]Br的最小抑菌濃度(MIC)。所用金葡萄球菌和大腸桿菌的濃度以及雙取代芐基季鏻鹽的濃度與平板濾紙法的一致。

2 結果與討論

2.1 元素分析和摩爾電導率

三種季鏻鹽的元素分析結果見表1, 從元素分析結果來看,實驗數(shù)據(jù)與計算值基本符合。將合成的3種季鏻鹽分別配制成濃度為1.00 × 10-3mol/L的甲醇溶液,在常溫下用電導率儀測得的電導率分別是0.114 9 mS/cm、0.084 8 mS/cm和0.125 7 mS/cm。表1中的摩爾電導率數(shù)據(jù)表明,所合成的3種溴化雙取代芐基季鏻鹽屬于1∶1型電解質(zhì)[13]。

表1 元素分析和摩爾電導率

2.2 紅外光譜

將適量季鏻鹽固體樣品和KBr混勻,研磨成細粉并用液壓壓片機壓成透明薄片,然后用Acvatar 360 FT-IR紅外光譜儀掃描化合物在400～4 000 cm-1的紅外吸收,測得3種季鏻鹽的紅外光譜的主要振動頻率見表2,表中ν為波數(shù)。

表2 主要紅外光譜數(shù)據(jù)

注: w表示強度弱,m表示中等強度,s表示強。

從表2可以看出,3種季鏻鹽在3 006～3 075 cm-1范圍內(nèi)出現(xiàn)了3個苯環(huán)上的C—H的伸縮振動峰；亞甲基中C—H伸縮振動吸收分別出現(xiàn)在2 988、2 940、2 834、2 988、2 941、2 836 cm-1和2 982、2 926、2 842 cm-1[14]；苯環(huán)上CC骨架伸縮振動分別出現(xiàn)在1 602、1 601、1 604 cm-1； 1 483、1 485、1 488 cm-1分別為飽和C—H鍵的變形振動吸收峰；1 438、1 441、1 438 cm-1分別為P—CH2鍵伸縮振動吸收峰; P—Ph伸縮振動分別出現(xiàn)在1 111、1 113、1 113 cm-1處[5, 15]。 在858、831、799、754 cm-1,884、837、798、750 cm-1,866、825、801、739 cm-1處的吸收分別歸屬為3種季鏻鹽中苯環(huán)C—H面外變形振動[14]。1 230 cm-1和531 cm-1,1 224 cm-1和528 cm-1分別為1和2的苯環(huán)上C—F和C—Br的伸縮振動峰[14, 16],而694 cm-1和617 cm-1為季鏻鹽3的苯環(huán)上C—Cl的伸縮振動峰[14]。

2.3 電子噴霧質(zhì)譜

[2F4BrBzTPP]Br和[4F2BrBzTPP]Br的陽離子電子噴霧質(zhì)譜最大峰均出現(xiàn)在質(zhì)量m與電荷z比m/z為449.3(豐度為100%)處,對應于碎片離子[2F4BrBzTPP-H]+(理論值為449.3) 和[2Br4FBzTPP-H]+(理論值為449.3)；[2Cl4ClBzTPP]Br的陽離子的電子噴霧質(zhì)譜最大峰出現(xiàn)在m/z為421.3(豐度為100%)處,對應于碎片離子[2Cl4ClBzTPP-H]+(理論值為421.27)。其中季鏻鹽[2F4BrBzTPP]Br和[2Cl4ClBzTPP]Br陽離子電子噴霧質(zhì)譜見圖2。

圖2 [2F4BrBzTPP]Br和[2Cl4ClBzTPP]Br的 陽離子電子噴霧質(zhì)譜

2.4 抗菌活性

表3列出了3種季鏻鹽對金葡萄球菌和大腸桿菌的抑菌圈直徑和MIC值。從表中數(shù)據(jù)可看出,3種季鏻鹽對金葡萄球菌和大腸桿菌均具有較好的抗菌活性；對于取代基為氟和溴的季鏻鹽[2F4BrBzTPP]Br和[4F2BrBzTPP]Br,取代基位置的變化沒有明顯改變季鏻鹽對大腸桿菌和金葡萄球菌抗菌活性；在這3種雙取代的芐基三苯基季鏻鹽中,雙取代的氯代芐基三苯基季鏻鹽[2Cl4ClBzTPP]Br對大腸桿菌和金葡萄球菌抗菌活性最高。

表3 季鏻鹽的抑菌圈直徑和MIC值

3 實驗教學安排與要求

(1) 實驗前預習與準備。通過查閱文獻,了解天然抗菌劑、有機抗菌劑和有機/無機復合抗菌劑的研究進展,重點了解有機季鏻鹽的制備方法及其應用領域；熟悉本實驗所用有機溶劑的處理方法,有機季鏻鹽的表征方法和消毒與滅菌、無菌等基本操作的相關要求；熟悉有機元素分析儀、紅外光譜儀和液相質(zhì)譜儀等現(xiàn)代化儀器的原理和使用方法。

(2) 實驗教學安排與分組。由于本實驗涉及3種雙取代芐基三苯基季鏻鹽的制備和表征,并用2種方法測定所合成的季鏻鹽對2種致病菌的抗菌活性,實驗工作量大,因此將學生分成3個大組,若干個3人小組。每個大組負責用1種方法測定抗菌活性,每個小組完成1種季鏻鹽的制備和表征,用1種方法測定季鏻鹽對1種致病菌的抗菌活性。

(3) 實驗結果表達與要求。通過有機元素分析結果與根據(jù)所制備的季鏻鹽的可能的化學式計算的理論值對照；根據(jù)紅外光譜圖,對照文獻分析季鏻鹽的主要官能圖的歸屬, 分析3種季鏻鹽紅外光譜的差異性；將測定的電導率、換算成摩爾電導率，并與文獻值對比,確定所合成季鏻鹽的類型；根據(jù)電子噴霧質(zhì)譜圖結果與季鏻鹽的陽離子的式量對比；根據(jù)抗菌實驗結果,比較所合成季鏻鹽的結構抗菌活性,分析季鏻鹽中苯環(huán)上取代基對其抗菌活性的影響,撰寫實驗報告。

4 結論

該綜合實驗包括文獻查閱、季鏻鹽的制備和表征、抗菌性能測定和實驗結果的處理與分析等過程,涉及有機化學、分析化學和微生物學等多個學科的知識,涵蓋多種有機化學和微生物基本操作技術和現(xiàn)代化儀器的使用。應用化學、化學生物學和制藥工程等專業(yè)的學生通過該實驗項目的訓練,學會文獻的檢索方法,培養(yǎng)科學的態(tài)度和團隊精神,提高了分析問題和解決問題的能力,為完成后續(xù)專業(yè)實驗課程、畢業(yè)論文(或設計)和從事科學研究工作打下良好基礎。

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A comprehensive chemical experiment of preparation and antibacterial activity of disubstituted benzyltriphenyl quaternary phosphonium salts bromide

Ni Chunlin, Yu Linliang, Cai Zhongquan, Tan Zixin, Zhang Chunmei, Zhang Yaomou, Zhou Wuyi

(Chemical Experimental Teaching Center, College of Materials and Energy, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

Three disubstituted benzyl triphenyl quaternary phosphonium salts are synthesized by taking 2,4-dihalogenated toluene and triphenylphosphine as the starting materials. Their composition and structure are characterized by elemental analysis, electrospray mass spectra, infrared spectra and conductivity. The antimicrobial activities oncolibacillusand staphylococcusaureusare determined by the flat method and double dilution method. The antibacterial experiment shows that three phosphonium salts have good antibacterial performance oncolibacillusandstaphylococcusaureus. This experiment could be used as a comprehensive chemical experiment for applied chemistry, chemical biology and pharmaceutical engineering majors, which can help students to understand the syntheses and application of quaternary phosphonium salts, to stimulate their research interest, and promote their comprehensive quality and innovative ability. Students’ organization abilities as well as the spirit of solidarity and collaboration are improved.

comprehensive chemical experiment; disubstituted triphenyl quaternary phosphonium salts; structural characterization; antibacterial activities

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.011

實驗技術與方法

2016-04-10 修改日期：2016-06-02

廣東省科技計劃項目(2014A010105037);廣東省本科教學質(zhì)量工程項目“應用化學專業(yè)實驗教學團隊”(粵教高函[2015]133號)；廣東省本科教學質(zhì)量工程項目“具有農(nóng)科特色的化學和材料類人才培養(yǎng)模式創(chuàng)新實驗區(qū)”(粵教高函[2014]97號)

倪春林(1965—)，男，湖北潛江，博士，教授，廣東省高校化學類專業(yè)教學指導委員會委員，研究方向為無機功能材料和配位化學.

E-mail：scauchemnicl@163.com

G642.423;O627.51

A

1002-4956(2016)11-0041-04