溴化双卤取代苄基季鏻盐制备及其抗菌性能综合化学实验

倪春林, 余林梁, 蔡重全, 谭梓欣, 张春梅, 张耀谋, 周武艺

(华南农业大学 材料与能源学院 化学实验教学中心, 广东 广州 510642)



溴化双卤取代苄基季鏻盐制备及其抗菌性能综合化学实验

倪春林, 余林梁, 蔡重全, 谭梓欣, 张春梅, 张耀谋, 周武艺

(华南农业大学 材料与能源学院 化学实验教学中心, 广东 广州 510642)

以2,4-双卤代甲苯和三苯基膦为原料,制备了3种溴化双卤取代苄基三苯基季鏻盐。采用元素分析、红外光谱、电子喷雾质谱和电导法对其进行了组成分析和结构表征。利用平板法和二倍稀释法测定了所制备的季鏻盐对金葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌性能。结果表明,制备的3种季鏻盐对金葡萄球菌和大肠杆菌都具有良好的抗菌性能。该实验作为应用化学、化学生物学和制药工程等专业的综合化学实验项目,使学生了解取代季鏻类抗菌剂的制备及其应用,激发学生学习研究兴趣,提高学生的综合素质和创新能力，锻炼学生组织能力和团结协作的精神。

综合化学实验; 双卤取代苄基三苯基季鏻盐; 结构表征; 抗菌性能

2005年,教育部在《关于进一步加强高等学校本科教学工作的若干意见》(教高[2005] 1号)中提出了在实验教学中增加综合性与创新性实验内容的具体要求[1]。华南农业大学提出了“提高综合性、设计性实验的课程比例,增加创新性实验内容”的具体措施。根据应用化学、化学生物学和制药工程等应用性专业的特点,增开了相关专业的综合实验。天然抗菌剂、有机抗菌剂和有机/无机复合抗菌剂的研究与开发一直都是科学家感兴趣的课题[2-3]。有机季鏻盐是新一代高效、广谱、低毒的抗菌剂[4-5],并且应用于催化和材料等领域[6-8]。近几年来,课题组将取代苄基三苯基季鏻盐阳离子与某些无机配阴离子组装、获得了一些性能优良的磁学和光学材料[6-8]。在这些科研工作的基础上,本文以双卤代的甲苯和三苯基膦为主要原料,采用简单的方法制备了3种溴化双取代苄基三苯基季鏻盐,使用元素分析、电导、电子喷雾质谱和红外光谱等手段对季鏻盐的组成分析和结构进行了表征,并采用平板法和二倍稀释法测定了它们对金葡萄球菌和大肠杆菌的抗菌活性。该综合实验包括有机化学、分析化学和微生物学等多个学科的知识,涉及有机溶剂的干燥与重蒸、加热回流反应、旋转蒸发、减压过滤、真空干燥、电导率的测定、消毒与灭菌、无菌等基本操作技术,以及有机元素分析仪、红外光谱仪和液相质谱仪等现代化实验仪器的使用,适合作为应用化学、化学生物学和制药工程等专业的综合化学实验项目。

1 实验

1.1 药品与仪器

药品:2-氟-4-溴甲苯、4-氟-2-溴甲苯、2,4-二氯甲苯、三苯基膦、N-溴代丁二酰亚胺(NBS)、四氯化碳和过氧化苯甲酰(BPO)等试剂均为市售分析纯试剂,未经处理直接使用；四氯化碳和丙酮经干燥处理。

仪器:美国Perkin-Elmer公司240 C型元素分析仪,Acvatar 360 FT-IR红外光谱仪(美国Nicolet公司),日本Shimadzu公司LCMS-2010A液相色谱质谱联用仪,上海雷磁新泾仪器有限公司DDS-11A型电导率仪,广东省医疗器材厂恒温恒湿培养箱,上海博迅实业有限公司SW-CJ-TA洁净工作台,上海博讯实业有限公司YXQ-SG46-280S蒸汽灭菌锅,上海昕瑞仪器有限责任公司WGZ-2-XJ细菌浊度仪。

1.2 合成路线

首先利用2,4-双卤代甲苯和N-溴代丁二酰亚胺(NBS) 发生自由基反应,制备2,4-双卤代苄基溴中间体,再与三苯基膦发生SN2 反应,得到目标产物——溴化双卤代苄基三苯基季鏻盐。合成路线见图1。

图1 溴化双取代苄基季鏻盐的合成路线

1.3 合成步骤

(1) 双卤取代苄溴合成:参照文献[9],分别称取0.03 moL取代甲苯于150 mL锥形瓶中,加入60 mL干燥过的CCl4,然后将5.34 g(0.03 mol)的N-溴代丁二酰亚胺(NBS)加入其中,并加入少量的过氧化苯甲酰(BPO)作为引发剂,加热搅拌回流12 h。随着反应的进行溶液变成黄色并有白色固体生成。反应完成后,趁热过滤,将滤液旋转蒸发,得浅黄色黏稠状液体,直接用于下一步合成。

(2) 溴化双卤取代苄基季鏻盐的合成: 参照文献[10],取等摩尔量的三苯基膦和步骤(1)得到的双卤取代苄溴于100 mL锥形瓶中,加入30 mL丙酮,在60 ℃温度下加热搅拌回流6 h后,再在自然条件下冷却,减压抽滤,固体用少量乙醚洗涤3次,真空干燥,用甲醇-丙酮重结晶得白色固体,[2F4BrBzTPP]Br、[4F2BrBzTPP]Br和[2Cl4ClBzTPP]Br的产率分别为85%、75%和62%。

1.4 抗菌活性测定

(1) 平板滤纸法: 根据文献[11]方法, 取活化后的金葡萄球菌和大肠杆菌,在含琼脂培养皿中接种,并在37 °C下培养24 h后,制得浓度分别约为1.6×106CFU/mL和1.5×106CFU/mL的金葡萄球菌和大肠杆菌溶液。用季鏻盐[2Cl4ClBzTPP]Br、[2F4BrBzTPP]Br和[4F2BrBzTPP]Br水溶液(浓度为0.0125 mmol/mL)测定滤纸片周围抑菌圈大小,平行3次。

(2) 二倍稀释法:根据文献[12]方法, 测定双取代苄基季鏻盐[2F4BrBzTPP]Br、[4F2BrBzTPP]Br 和[2Cl4ClBzTPP]Br的最小抑菌浓度(MIC)。所用金葡萄球菌和大肠杆菌的浓度以及双取代苄基季鏻盐的浓度与平板滤纸法的一致。

2 结果与讨论

2.1 元素分析和摩尔电导率

三种季鏻盐的元素分析结果见表1, 从元素分析结果来看,实验数据与计算值基本符合。将合成的3种季鏻盐分别配制成浓度为1.00 × 10-3mol/L的甲醇溶液,在常温下用电导率仪测得的电导率分别是0.114 9 mS/cm、0.084 8 mS/cm和0.125 7 mS/cm。表1中的摩尔电导率数据表明,所合成的3种溴化双取代苄基季鏻盐属于1∶1型电解质[13]。

表1 元素分析和摩尔电导率

2.2 红外光谱

将适量季鏻盐固体样品和KBr混匀,研磨成细粉并用液压压片机压成透明薄片,然后用Acvatar 360 FT-IR红外光谱仪扫描化合物在400～4 000 cm-1的红外吸收,测得3种季鏻盐的红外光谱的主要振动频率见表2,表中ν为波数。

表2 主要红外光谱数据

注: w表示强度弱,m表示中等强度,s表示强。

从表2可以看出,3种季鏻盐在3 006～3 075 cm-1范围内出现了3个苯环上的C—H的伸缩振动峰；亚甲基中C—H伸缩振动吸收分别出现在2 988、2 940、2 834、2 988、2 941、2 836 cm-1和2 982、2 926、2 842 cm-1[14]；苯环上CC骨架伸缩振动分别出现在1 602、1 601、1 604 cm-1； 1 483、1 485、1 488 cm-1分别为饱和C—H键的变形振动吸收峰；1 438、1 441、1 438 cm-1分别为P—CH2键伸缩振动吸收峰; P—Ph伸缩振动分别出现在1 111、1 113、1 113 cm-1处[5, 15]。 在858、831、799、754 cm-1,884、837、798、750 cm-1,866、825、801、739 cm-1处的吸收分别归属为3种季鏻盐中苯环C—H面外变形振动[14]。1 230 cm-1和531 cm-1,1 224 cm-1和528 cm-1分别为1和2的苯环上C—F和C—Br的伸缩振动峰[14, 16],而694 cm-1和617 cm-1为季鏻盐3的苯环上C—Cl的伸缩振动峰[14]。

2.3 电子喷雾质谱

[2F4BrBzTPP]Br和[4F2BrBzTPP]Br的阳离子电子喷雾质谱最大峰均出现在质量m与电荷z比m/z为449.3(丰度为100%)处,对应于碎片离子[2F4BrBzTPP-H]+(理论值为449.3) 和[2Br4FBzTPP-H]+(理论值为449.3)；[2Cl4ClBzTPP]Br的阳离子的电子喷雾质谱最大峰出现在m/z为421.3(丰度为100%)处,对应于碎片离子[2Cl4ClBzTPP-H]+(理论值为421.27)。其中季鏻盐[2F4BrBzTPP]Br和[2Cl4ClBzTPP]Br阳离子电子喷雾质谱见图2。

图2 [2F4BrBzTPP]Br和[2Cl4ClBzTPP]Br的 阳离子电子喷雾质谱

2.4 抗菌活性

表3列出了3种季鏻盐对金葡萄球菌和大肠杆菌的抑菌圈直径和MIC值。从表中数据可看出,3种季鏻盐对金葡萄球菌和大肠杆菌均具有较好的抗菌活性；对于取代基为氟和溴的季鏻盐[2F4BrBzTPP]Br和[4F2BrBzTPP]Br,取代基位置的变化没有明显改变季鏻盐对大肠杆菌和金葡萄球菌抗菌活性；在这3种双取代的苄基三苯基季鏻盐中,双取代的氯代苄基三苯基季鏻盐[2Cl4ClBzTPP]Br对大肠杆菌和金葡萄球菌抗菌活性最高。

表3 季鏻盐的抑菌圈直径和MIC值

3 实验教学安排与要求

(1) 实验前预习与准备。通过查阅文献,了解天然抗菌剂、有机抗菌剂和有机/无机复合抗菌剂的研究进展,重点了解有机季鏻盐的制备方法及其应用领域；熟悉本实验所用有机溶剂的处理方法,有机季鏻盐的表征方法和消毒与灭菌、无菌等基本操作的相关要求；熟悉有机元素分析仪、红外光谱仪和液相质谱仪等现代化仪器的原理和使用方法。

(2) 实验教学安排与分组。由于本实验涉及3种双取代苄基三苯基季鏻盐的制备和表征,并用2种方法测定所合成的季鏻盐对2种致病菌的抗菌活性,实验工作量大,因此将学生分成3个大组,若干个3人小组。每个大组负责用1种方法测定抗菌活性,每个小组完成1种季鏻盐的制备和表征,用1种方法测定季鏻盐对1种致病菌的抗菌活性。

(3) 实验结果表达与要求。通过有机元素分析结果与根据所制备的季鏻盐的可能的化学式计算的理论值对照；根据红外光谱图,对照文献分析季鏻盐的主要官能图的归属, 分析3种季鏻盐红外光谱的差异性；将测定的电导率、换算成摩尔电导率，并与文献值对比,确定所合成季鏻盐的类型；根据电子喷雾质谱图结果与季鏻盐的阳离子的式量对比；根据抗菌实验结果,比较所合成季鏻盐的结构抗菌活性,分析季鏻盐中苯环上取代基对其抗菌活性的影响,撰写实验报告。

4 结论

该综合实验包括文献查阅、季鏻盐的制备和表征、抗菌性能测定和实验结果的处理与分析等过程,涉及有机化学、分析化学和微生物学等多个学科的知识,涵盖多种有机化学和微生物基本操作技术和现代化仪器的使用。应用化学、化学生物学和制药工程等专业的学生通过该实验项目的训练,学会文献的检索方法,培养科学的态度和团队精神,提高了分析问题和解决问题的能力,为完成后续专业实验课程、毕业论文(或设计)和从事科学研究工作打下良好基础。

References)

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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

实验技术与方法

2016-04-10 修改日期：2016-06-02

广东省科技计划项目(2014A010105037);广东省本科教学质量工程项目“应用化学专业实验教学团队”(粤教高函[2015]133号)；广东省本科教学质量工程项目“具有农科特色的化学和材料类人才培养模式创新实验区”(粤教高函[2014]97号)

倪春林(1965—)，男，湖北潜江，博士，教授，广东省高校化学类专业教学指导委员会委员，研究方向为无机功能材料和配位化学.

E-mail：scauchemnicl@163.com

G642.423;O627.51

A

1002-4956(2016)11-0041-04