吲哚衍生物的合成及其海洋防污性能

董 苗, 胡 玥, 陳俊華, 林 強(qiáng), 楊建新*

(1. 海南大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院 海南省精細(xì)化工工程技術(shù)研究中心，海南 海口 570228；2. 海南師范大學(xué) 化學(xué)與化工學(xué)院，海南 海口 571158)

在開發(fā)和利用海洋資源的過程中，常常會面對由海洋生物污損引發(fā)的問題[1]。海洋生物污損是指海洋動物、植物和微生物附著在海洋固體物表面并生長繁殖的現(xiàn)象。這會給海洋設(shè)施和海洋生產(chǎn)科研活動造成嚴(yán)重危害[2]。例如降低航速、增加航行阻力、腐蝕船底和破壞船體等。為了減少海洋生物污損對海洋經(jīng)濟(jì)活動的影響，研究人員開發(fā)了形式多樣的海洋防污技術(shù)，以減少海洋污損生物的危害[3-4]。

有機(jī)錫防污涂料是一種高效、廣譜的海洋防污涂料。然而，這種涂料會在生物體內(nèi)沉積，并可能沿著食物鏈影響人類健康。因此，國際海事組織(IMO)明確禁止在船舶上使用有機(jī)錫防污涂料[5]。除有機(jī)錫防污涂料，氧化亞銅防污涂料的使用率也較高。這種涂料長期使用后會造成銅元素富集效應(yīng)，造成海藻等死亡[6]。

吲哚類化合物具有良好的生物活性和環(huán)境安全性，廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、醫(yī)藥和香料等領(lǐng)域[7-9]。吲哚化合物在海洋船舶防污涂料中也表現(xiàn)出潛在應(yīng)用前景。Olguin等[10]發(fā)現(xiàn)6-溴吲哚-3-甲醛和2,5,6-三溴-1-甲基-3-二甲胺基吲哚對藤壺幼蟲的EC50分別為5 μg/mL和1 μg/mL，其防污活性是三丁基氧化錫的兩倍，5,6-二氯-1-甲基-3-二甲胺基吲哚的防污活性是三丁基氧化錫的4倍[11]。

本文以吲哚為原料，與碳酰氯或磺酰氯反應(yīng)，合成了7個N-酰基取代的吲哚化合物(a～g, Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR和元素分析確證。研究了化合物對球等鞭金藻、亞心形扁藻和舟形藻以及藤壺幼蟲的生長抑制活性。

Scheme 1

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

ZF-1型紫外分光光度計；BRUKER AV-400 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))；Vario Micro cube型元素分析儀；XTS30型體視顯微鏡。

所用試劑均為分析純。

1.2 a～g的合成(以a為例)

在50 mL兩口燒瓶中，依次加入NaH 0.38 g(0.015 mol)和無水DMF 10 mL，氮?dú)獗Ｗo(hù)，攪拌下于室溫反應(yīng)10 min。緩慢滴加0.94 g(0.008 mol)吲哚的DMF(10 mL)溶液，滴畢，攪拌下反應(yīng)30 min。緩慢滴加酰氯，滴畢，攪拌下反應(yīng)4 h。加入60 mL去離子水，用乙酸乙酯(35 mL)萃取，合并有機(jī)相，依次用去離子水洗滌，無水MgSO4干燥，減壓蒸除乙酸乙酯得深黃色黏稠液體，經(jīng)硅膠柱層析(乙酸乙酯/石油醚=1/20)純化得a。

用類似的方法合成b～g。

N-苯甲酰基吲哚(a): 淡黃色液體，產(chǎn)率78.9%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.44(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.78(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.63～7.66(m, 2H), 7.57(t,J=7.6 Hz, 2H), 7.43(t,J=7.6 Hz, 1H), 7.37(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.34(d,J=3.6 Hz, 1H), 6.66(d,J=3.6 Hz, 1H); IRν: 3050(C=C), 1691(C=O), 1537, 1456(C=C), 1339(C—N), 722(C—H) cm-1; Anal. calcd for C15H11NO: C 81.43, H 5.01, N 6.33, found C 81.40, H 4.96, N 6.36。

N-對甲氧苯甲酰基吲哚(b): 淡黃色液體，產(chǎn)率56.1%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.35(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.77～7.72(m,J=8.0 Hz, 2H), 7.62(d,J=3.6 Hz, 1H), 7.40～7.34(m, 2H), 7.30(t,J=8.0 Hz, 1H), 7.05～6.98(m, 2H), 6.63(d,J=3.6 Hz, 1H), 3.90(s, 3H); IRν: 3056(C=C), 2957(CH3), 1630(C=O), 1556, 1461(C=C), 1380(CH3), 1344(C—N), 759(C—H) cm-1; Anal. calcd for C16H13NO2: C 76.48, H 5.21, N 5.47, found C 76.41, H 5.19, N 5.39。

N-丁酰基吲哚(c): 淡黃色液體，產(chǎn)率67.8%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.52(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.60(d,J=7.6 Hz, 1H), 7.51(d,J=4.0 Hz, 1H), 7.39(t,J=8.0 Hz, 1H), 7.31(t,J=8.0 Hz, 1H), 6.68(d,J=4.0 Hz, 1H), 2.94(t,J=7.2 Hz, 2H), 1.87～1.97(m,J=7.2 Hz, 2H), 1.12(t,J=7.2 Hz, 3H); IRν: 3058(C=C), 2962(CH3), 2924(CH2), 1709(C=O), 1635(C=C), 1537, 1453(C=C), 1384(CH3), 1339(C—N), 750(C—H) cm-1; Anal. calcd for C12H13NO: C 76.98, H 7.00, N 5.48, found C 76.91, H 6.96, N 5.39。

N-丙酰基吲哚(d): 淡黃色液體，產(chǎn)率53.3%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.51(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.60(d,J=8.0 Hz, 1H), 7.52(d,J=4.0 Hz, 1H), 7.39(t,J=8.0 Hz, 1H), 7.32(t,J=7.6 Hz, 1H), 6.68(d,J=4.0 Hz, 1H), 2.98～3.03(m,J=7.2 Hz, 2H), 1.39(t,J=7.2 Hz, 3H); IRν: 3058(C=C), 2960(CH3), 2925(CH2), 1710(C=O), 1634(C=C), 1537, 1454(C=C), 1382(CH3), 1344(C—N), 743(C—H) cm-1; Anal. calcd for C11H11NO: C 76.28, H 6.40, N 5.44, found C 76.33, H 6.32, N 5.39。

N-對甲苯甲酰基吲哚(e): 淡黃色液體，產(chǎn)率57.6%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.42(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.69(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.64(d,J=7.6 Hz, 1H), 7.42(t,J=8.0 Hz, 1H), 7.35(m, 4H), 6.65(d,J=3.6 Hz, 1H), 2.50(s, 3H); IRν: 3052(C=C), 2964(CH3), 1678(C=O), 1607(C=C), 1542, 1450(C=C), 1382(CH3), 1344(C—N), 750(C—H) cm-1; Anal. calcd for C16H13NO: C 81.68, H 5.57, N 5.95, found C 81.62, H 5.54, N 5.93。

N-苯磺酰基吲哚(f): 白色片狀晶體，產(chǎn)率61.9%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 8.04(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.92(d,J=8.0 Hz, 2H), 7.61(d,J=3.6 Hz, 1H), 7.55～7.58(m, 2H), 7.47(t,J=8.0 Hz, 2H), 7.35(t,J=8.0 Hz, 1H), 7.23(t,J=7.6 Hz, 1H), 6.71(d,J=3.6 Hz, 1H); IRν: 3056(C=C), 1633(C=C), 1545, 1445(C=C), 1371(C—N), 1177, 1128(O=S=O), 726(C—H) cm-1; Anal. calcd for C14H11NO2S: C 65.35, H 4.37, N 5.44, found C 65.33, H 4.32, N 5.39。

N-對甲苯磺酰基吲哚(g): 白色針狀晶體，產(chǎn)率66.7%;1H NMR(400 MHz, CDCl3)δ: 7.98(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.76(d,J=8.4 Hz, 2H), 7.57(d,J=3.6 Hz, 1H), 7.53(d,J=8.4 Hz, 1H), 7.31(t,J=7.2 Hz, 1H), 7.21～7.24(m, 3H), 6.66(d,J=3.6 Hz, 1H), 2.34(s, 3H); IRν: 3031(C=C), 2958(CH3), 1632(C=C), 1493, 1444(C=C), 1368(C—N), 1171, 1127(O=S=O), 679(C—H) cm-1; Anal. calcd for C15H13NO2S: C 66.40, H 4.83, N 5.16, found C 66.33, H 4.72, N 5.27。

1.3 抑藻活性測試

參考文獻(xiàn)[12]方法測定稀釋液的吸光值和藻液濃度平均值，繪制藻液濃度(y)和吸光值(x)之間的線性回歸方程。配制0.1 g/mL的測試化合物溶液，取1 mL加入錐形瓶中，每個化合物設(shè)定3組平行樣，以純藻液為陰性對照，吲哚(YD)的藻液為陽性對照。每隔12 h測定各錐形瓶內(nèi)藻液的吸光度值，根據(jù)線性回歸方程換算出對應(yīng)的藻液濃度，繪制時間-藻液濃度曲線[13]。

1.4 抑制藤壺幼蟲生長實驗

參考文獻(xiàn)[14]方法進(jìn)行藤壺幼蟲生長抑制實驗。配制濃度為3.0、 2.5、 2.0、 1.5、 1.0 mg/L的待測化合物溶液，每個培養(yǎng)皿中放置30只新鮮的藤壺幼蟲，分別加入化合物，在12 h、 24 h時用顯微鏡觀察，記錄每個培養(yǎng)皿中藤壺幼蟲的存活情況。藤壺幼蟲停止游動超過15 s，可認(rèn)為已經(jīng)死亡。及時取出已經(jīng)死亡的幼蟲，防止影響實驗的準(zhǔn)確性。

1.5 淺海掛板實驗

按《防污漆樣板淺海浸泡試驗方法》(GB/T 5370-2007)，研究a～g的防污性能[15]。以a～g為防污劑,制備涂料。涂料基料采用丙烯酸磁漆，受試化合物的質(zhì)量濃度為10%，對照組為含相同濃度的YD涂料實驗樣板及空白樣板。將制作好的實驗樣板做好標(biāo)記并以拍照方式記錄初始狀態(tài)，平均浸海深度為1 m，每月觀察一次并記錄。實驗地點為海南省海口市秀英港碼頭。

2 結(jié)果與討論

2.1 表征

以化合物a為例，分析了目標(biāo)化合物的1H NMR譜圖(圖略)。由圖可知，苯環(huán)氫的特征峰位于δ8.43～8.45, 7.77～7.79, 7.63～7.66, 7.57～7.59, 7.33～7.37,五元環(huán)中雙鍵氫的特征峰位于δ7.41～7.44, 6.65～6.66。

2.2 藻類生長抑制活性

以時間(h)為橫坐標(biāo)，根據(jù)藻液濃度(y)-吸光值(x)的線性回歸方程，換算出藻液濃度為縱坐標(biāo)，分析了目標(biāo)化合物a～g在72 h內(nèi)對藻類的生長影響情況(圖1)。

時間/h

時間/h

時間/h圖 1 目標(biāo)化合物a～g在72 h內(nèi)對球等鞭金藻(a)、亞心形扁藻(b)和舟形藻(c)的生長影響情況

由圖1a可知，培養(yǎng)24 h后，苯甲酰基取代的化合物a對球等鞭金藻的抑制作用顯著，隨著時間的延長，化合物a、b、f、g隨時間的增加抑制作用增強(qiáng)。加入苯磺酰基取代化合物f、g的藻液濃度在72 h內(nèi)一直較低，且隨時間的延長持續(xù)下降。說明苯磺酰基取代化合物的抑制作用比苯甲酰基類化合物強(qiáng)。對于苯甲酰基取代的化合物b，藻液培養(yǎng)濃度持續(xù)低于化合物e的濃度，說明苯環(huán)上連接吸電子基團(tuán)的化合物(b)對球等鞭金藻生長抑制作用優(yōu)于連接供電子基的化合物(e)。

圖1b為目標(biāo)化合物對亞心形扁藻的生長影響。由圖可知，含有待測化合物的藻液在培養(yǎng)12 h后，所有測試的化合物作用均不明顯，說明該種藻類對這種化合物表現(xiàn)出較好的耐受性。培養(yǎng)時間延長到24 h，測試化合物開始表現(xiàn)出對亞心形扁藻的抑制作用。其中，磺酰基取代的化合物f和g的藻液在72 h內(nèi)，藻液濃度一直處于較低水平，且隨著時間的增長逐漸降低，明顯優(yōu)于苯甲酰基取代的化合物及對照組YD。

圖1c為目標(biāo)化合物對舟形藻的生長影響。由圖可知，培養(yǎng)時間超過24 h，化合物f、g與其它化合物的差異非常明顯：隨著培養(yǎng)時間增長顯示出明顯的抑制作用，且連接供電子基團(tuán)(CH3)時，對藻類生長抑制作用增強(qiáng)。

綜上可知，化合物f、g對3種藻類的抑制活性最好。整體而言，各化合物對球等鞭金藻的抑制活性較高，舟形藻較低，亞心形扁藻居中。

2.3 藤壺幼蟲生長抑制實驗結(jié)果

圖2為目標(biāo)化合物溶液對藤壺幼蟲的抑制率。由圖2可知，化合物對藤壺幼蟲均有一定的生長抑制作用，且效果均優(yōu)于對照組YD。其中，以1.0 mg/L待測化合物溶液培養(yǎng)藤壺幼蟲12 h，苯磺酰基取代的吲哚化合物f和g的溶液中藤壺幼蟲死亡率較高(80%和67.78%)，其次為苯甲酰基取代的化合物a和b(37.78%和47.78%)，說明在此濃度下化合物f和g的抑制作用較強(qiáng)。

表1為化合物的半致死濃度(LC50)[16]。由表1可知，目標(biāo)化合物在 12 h和24 h的LC50均低于對照組YD，說明目標(biāo)化合物對藤壺幼蟲生長抑制作用均強(qiáng)于YD。

濃度/mg/L

濃度/mg/L圖 2 藤壺幼蟲12 h(a)和24 h(b)的死亡率

表 1 化合物a～g對網(wǎng)紋藤壺二期無節(jié)幼蟲的LC50

2.4 淺海掛板實驗

圖3為海洋掛板90 d后，實驗板的變化情況。圖4為生物統(tǒng)計數(shù)據(jù)圖，橫坐標(biāo)為藤壺的平均密度。由圖可知，以合成的系列吲哚類化合物作為防污劑，涂料漆膜表面成體藤壺生長平均密度為98～574個/m2，遠(yuǎn)低于對照組YD的平均生長密度(1288個/m2)和空白實驗樣板的平均密度(2111個/m2)。其中以化合物f為防污劑的實驗樣板表面光滑，幾乎沒有藻類沉積，僅有少量藤壺及牡蠣等污損生物附著，藤壺附著平均密度均小于100個/m2，防污性能最好。

圖 3 浸海實驗樣板照片

個/m2圖 4 藤壺的平均密度

3 結(jié)論

以吲哚為底物，合成了系列N-酰基取代吲哚衍生物并測試了它們對部分海洋藻類和藤壺幼蟲的生長抑制活性。結(jié)果表明，當(dāng)吲哚結(jié)構(gòu)連接電負(fù)性較高的基團(tuán)時，化合物對藻類和藤壺幼蟲的生長抑制性較好，其中以連接苯磺酰基化合物的抑制效果最佳。目標(biāo)化合物對藤壺幼蟲12 h和24 h的半致死濃度(LC50)明顯低于底物吲哚，其中以苯磺酰基取代的化合物最低。采用目標(biāo)化合物制備的海洋防污涂料，淺海掛板90 d后，對海洋污損生物的附著表現(xiàn)出明顯的抑制作用。