氢化诺卜基双子季铵盐的合成及抑菌活性

冯雪贞,肖转泉,范国荣,王宗德*

(1. 江西农业大学 林学院,国家林业草原木本香料(华东)工程技术研究中心,江西 南昌 330045； 2. 江西师范大学 化学化工学院,江西 南昌 330027)

季铵盐化合物是一类阳离子表面活性剂,具有水溶性较好、化学性能稳定、使用方便、低毒高效、广谱抗菌等优点[1],已得到广泛应用,包括用作植物病原菌的抗菌剂[2-3]。双子季铵盐由于分子内含有两个亲水基和亲油基而具有优异的表面性能和水溶性,被誉为新一代阳离子表面活性剂[4]。松香基双子季铵盐表面活性剂亦有报道[5-7]。作者所在课题组长期从事松节油主成分β-蒎烯的深加工研究,合成了氢化诺卜基卤代物[8]、含氢化诺卜基的叔胺[9]以及含氢化诺卜基的单季铵盐[10-12]等,发现部分单季铵盐化合物对植物病原菌有良好的抑制活性。本研究在课题组前期研究的基础上,以松节油主成分β-蒎烯制备的氢化诺卜基二甲基胺(氢化诺卜基的叔胺)为原料,将其与α,ω-二氯烷烃发生亲核取代反应,合成得到含氢化诺卜基的双子季铵盐化合物,并测试其抗植物病原菌活性,旨在为天然可再生优势生物质资源松节油的深度开发利用提供新的途径。

1 实 验

1.1 试剂、菌种与仪器

氢化诺卜基二甲基胺(纯度>95%),参照文献[13]制备；1,4-二氯丁烷、1,5-二氯戊烷、1,6-二氯己烷、石油醚(30～60 ℃)和乙酸乙酯均为市售分析纯；百菌清为标准品(纯度≥98%)。

AmaZon SL质谱仪，德国Bruker Daltonics公司；AVANCE400 型核磁共振仪，瑞士Bruker公司；44X- 6T 显微熔点测定仪，上海光学仪器六厂；LDZX-50KBS立式压力蒸汽灭菌锅，上海申安医疗器械厂；SW-CJ-ID型无菌超净工作台，苏州净化设备有限公司；GHP-250型智能培养箱，上海三发科学仪器有限公司。

植物病原菌:水稻纹枯病菌(Thanatephoruscucumeris),油茶炭疽病菌(Colletotrichumgloeosporioides),枇杷炭疽病菌(Colletotrichumacutatum),松枯梢病病原菌(Sphaeropsissapinea),七叶树壳孢菌(Fusicoccumaesuli),采绒革盖菌(Coriolusversicolor),烟草黑胫病菌(Phytophthoraparasiticavar.nicotianae),绵腐卧孔菌(Poriavaporaria),西瓜枯萎病菌(Fusariumoxysporum),9种菌种均由江西农业大学林学院森林保护教研室提供。

1.2 双子季铵盐的合成

1.2.1合成路线 氢化诺卜基二甲基胺(1)分别与1,4-二氯丁烷、1,5-二氯戊烷、1,6-二氯己烷反应制得3种含氢化诺卜基的双子季铵盐(2a～2c),合成路线见图1。

图1 氢化诺卜基双子季铵盐的合成路线

1.2.2合成方法 在150 mL锥形瓶中加入0.11 mol的氢化诺卜基二甲基胺、0.05 mol的α,ω-二氯代烷和50 mL乙酸乙酯,在65 ℃左右搅拌约3 d,冷却,结晶(10 ℃),过滤并用石油醚洗涤3～5次,滤干后减压干燥,得产物2a～2c。

1.3 结构表征

以TMS为内标,D2O为溶剂,用400 MHz核磁共振仪进行1H NMR和13C NMR分析；采用电喷雾电离源(ESI) 在液相色谱-质谱联用仪上进行 ESI-MS 分析。

1.4 抑菌活性测试

用菌丝生长速率法[14-16]测定氢化诺卜基双子季铵盐对9种植物病原菌的抑制作用。以不含任何化合物的马铃薯葡萄糖琼脂(PDA)培养基平板作为空白对照组,以百菌清为阳性对照。将季铵盐用无菌水配制成质量浓度为2 g/L的溶液,通过二倍稀释法将溶液配成1、 0.5、 0.25和0.125 g/L浓度梯度,将其与灭菌过的马铃薯葡萄糖琼脂培养液以体积比1 ∶9混合,得到质量浓度为200、 100、 50、 25和12.5 mg/L 的含药培养液,将含药培养液倒入培养皿中,得到含药液的平板,每个处理重复3次。接菌后置于25 ℃恒温培养箱中培养数天,待空白对照组平板的菌落直径生长到整个培养皿的三分之二左右,用十字交叉法测量菌落直径(菌落直径=菌落实际生长直径-菌饼直径),根据菌落直径求抑制率,计算公式如下:

菌丝生长抑制率=(对照组菌落直径-处理组菌落直径)/对照组菌落直径×100%

2 结果与讨论

2.1 合成反应分析

叔胺与α,ω-二氯烷烃反应可得到双子季铵盐。为了保证二氯烷烃两端都发生反应形成季铵盐,叔胺的用量必须过量,以避免产物中夹杂尚有一端仍未季铵化的单季铵盐,从而影响双子季铵盐的结晶和纯度。由于合成过程中用的是氯代烷烃,与叔胺的反应活性不如溴代烷烃,所以有必要延长反应时间,使反应完全。

2.2 3种双子季铵盐的结构表征

化合物2a:四亚甲基-1,4-双(氢化诺卜基二甲基氯化铵),C30H58N2Cl2,白色细粒状结晶体,得率87.6%,m.p.252.9～254.5 ℃。1H NMR (400 MHz,D2O)δH: 3.30(8H,m,H-11,H-11′,H-12,H-12′),3.04(12H,s,H-α),2.33(2H,m,H-2,H-2′),1.99～1.80(20H,m,H-7-a,H-7′-a,H-10,H-10′,H-5,H-5′,H-1,H-1′,H- 4,H- 4′,H-3-a,H-3′-a,H-13,H-13′),1.44(2H,m,H-3-b,H-3′-b),1.17(6H,s,H-9,H-9′),1.01(6H,s,H-8,H-8′),0.87(2H,d,J=9.2 Hz,H-7-b,H-7′-b);13C NMR (100 Hz,D2O)δC:36.94(C-1,C-1′),44.44(C-2,C-2′),20.51(C-3,C-3′),24.81(C- 4,C- 4′),39.94 (C-5,C-5′),37.08(C- 6,C- 6′),28.51(C-7,C-7′),21.76(C-8,C-8′),26.57(C-9,C-9′),37.74(C-10,C-10′),61.98(C-11,C-11′),61.11(C-12,C-12′),18.19(C-13,C-13′),49.90(C-α,C-α,C-α,C-α);ESI-MSm/z:481.5,483.5[M-Cl]+,551.5,553.5,555.5[M+Cl]+。

化合物2b:五亚甲基-1,5-双(氢化诺卜基二甲基氯化铵),C31H60N2Cl2,白色细粒状结晶体,得率84.2%,m.p.258.4～260.7 ℃。1H NMR (400 MHz,D2O)δH:3.30(8H,m,H-11,H-11′,H-12,H-12′),3.04(12H,s,H-α),2.33(2H,m,H-2,H-2′),1.99～1.80(22H,m,H-7-a,H-7′-a,H-10,H-10′,H-5,H-5′,H-1,H-1′,H- 4,H- 4′,H-3-a,H-3′-a,H-13,H-13′,H-14),1.44(2H,m,H-3-b,H-3′-b),1.17(6H,s,H-9,H-9′),1.01(6H,s,H-8,H-8′),0.87(2H,d,J=9.2 Hz,H-7-b,H-7′-b);13C NMR(100 Hz,D2O)δC:37.08(C-1,C-1′),44.61(C-2,C-2′),20.92(C-3,C-3′),25.10(C- 4,C- 4′),40.16(C-5,C-5′),37.31(C- 6,C- 6′),28.52(C-7,C-7′),21.90(C-8,C-8′),26.86(C-9,C-9′),32.07(C-10,C-10′),61.47(C-10,C-11′),61.24(C-12,C-12′),21.53(C-13,C-13′),20.63(C-14),50.31(C-α,C-α,C-α,C-α); ESI-MSm/z:495.5,497.5[M-Cl]+,565.5,567.5,569.5[M+Cl]+。

化合物2c:六亚甲基-1,6-双(氢化诺卜基二甲基氯化铵),C32H62N2Cl2,白色细粒状结晶体,得率90.4%,m.p.264.2～265.3 ℃。1H NMR (400 MHz,D2O)δH: 3.26(8H,m,H-11,H-11′,H-12,H-12′),3.06(12H,s,H-α),2.33(2H,m,H-2,H-2′),2.04～1.77(20H,m,H-7-a,H-7′-a,H-10,H-10′,H-5,H-5′,H-1,H-1′,H- 4,H- 4′,H-3-a,H-3′-a,H-13,H-13′),1.43(6H,m,H-3-b,H-3′-b,H-14,H-14′),1.20(6H,s,H-9,H-9′),1.04(6H,s,H-8,H-8′),0.92(2H,d,J=9.6 Hz,H-7-b,H-7′-b);13C NMR (100 Hz,D2O)δC:36.97(C-1,C-1′),44.57(C-2,C-2′),20.89(C-3,C-3′),24.98(C- 4,C- 4′),40.07(C-5,C-5′),37.21(C- 6,C- 6′),28.49(C-7,C-7′),21.82(C-8,C-8′),26.74(C-9,C-9′),31.93(C-10,C-10′),61.67(C-11,C-11′),61.29(C-12,C-12′),24.27(C-13,C-13′),20.58(C-14,C-14′),50.18(C-α,C-α,C-α,C-α);ESI-MSm/z:509.5,511.5[M-Cl]+,579.6,581.6,583.6[M+Cl]+。

2.3 双子季铵盐的抑菌活性

3种含氢化诺卜基的双子季铵盐化合物在5种浓度下对9种植物病原菌的抑制率数据列于表1。从表中所列的抑制率数据可以看出,3种双子季铵盐化合物对绵腐卧孔菌的抑制率均为100%,抑菌率和百菌清相同；2b、2c在质量浓度为12.5 mg/L时和2a在25 mg/L时对松枯梢病病原菌、七叶树壳孢菌、烟草黑胫病菌和西瓜枯萎病菌的抑制率,均高于百菌清在200 mg/L时的抑制率；2a和2c在质量浓度为25 mg/L时对枇杷炭疽病菌的抑制率也高于百菌清质量浓度为200 mg/L时的抑制率；3种化合物在5个不同质量浓度下对采绒革盖菌的抑制率高于相应浓度下百菌清的抑制率；3种化合物在质量浓度200 mg/L时对油茶炭疽病菌的抑制率高于百菌清；在质量浓度为50 mg/L及以上时,3种化合物对水稻纹枯病菌的抑制率高于百菌清。

表1 氢化诺卜基双子季铵盐的抑菌活性1)

从表中数据还可以看出,对9种植物病原菌的抑制率均以化合物2c为最高；对油茶炭疽病菌、松枯梢病病原菌、七叶树壳孢菌和西瓜枯萎病菌的抑制率,化合物2b又高于2a。说明此类双子季铵盐化合物分子中两个阳离子之间的碳链越长越能增加其对这些病原菌的抑制效果。

3 结 论

3.1由氢化诺卜基二甲基胺分别与3种α,ω-二氯代烷反应制得四亚甲基-1,4-双(氢化诺卜基二甲基氯化铵)(2a)、五亚甲基-1,5-双(氢化诺卜基二甲基氯化铵)(2b)和六亚甲基-1,6-双(氢化诺卜基二甲基氯化铵)(2c)，并通过NMR和MS对其结构进行了确认和表征。

3.23种化合物2a～2c对所试9种植物病原菌均具有优良的抑制活性,其中2c的抑制效果最好。质量浓度为12.5～200 mg/L时，2c对松枯梢病病原菌、七叶树壳孢菌、烟草黑胫病菌、西瓜枯萎病菌和枇杷炭疽病菌的抑制率都大大高于相同质量浓度的百菌清。