双(2-羟基-1-萘甲醛)缩N,N'-二(3-氨基丙基)哌嗪Schiff 碱的合成、表征及抑菌活性

佟 萍，刘泽含，刘春风，王 瑞，李凡凡，杨 杨，杨迎晨,许瑞波,3

（1. 江苏海洋大学药学院，江苏，连云港 222005； 2. 江苏绿源工程设计研究有限公司, 江苏，连云港 222007;3.江苏省海洋资源开发研究院.，江苏，连云港 222005）

Schiff 碱是一类含有亚胺基(-HC=N-)的重要含氮化合物，结构独特而易于合成。Schiff 碱特征官能团结构使其与天然生物体系的结构类似[1-3]，且其氮原子上存在孤对电子, 赋予了Schiff 碱优良的配位性能和生物活性[4]。由于Schiff 碱及其金属配合物具有良好的抑菌、杀菌、抗肿瘤、抗病毒的生物活性及光学、催化活性，使得它们在化学、医药、材料等领域有着广泛的潜在应用前景[5-8]。因此，设计合成结构新颖、性能各异的Schiff 化合物具有重要意义。

含哌嗪环化合物通常显示出广泛生物活性，如抗肿瘤、抗高血压、镇痛、抗炎及抗过敏等[9-10]，它们是医药、农药等药物的重要结构片段。以含有哌嗪环的伯胺为原料，通过与结构各异的含活泼羰基化合物的反应，能制备出含哌嗪环及其他官能团的席夫碱，从而改善化合物的一些理化性质、药理活性[11]。目前，国内外对哌嗪席夫碱的研究较少，国内主要是我们课题组进行含哌嗪环席夫碱及其衍生物的研究工作，并取得了一定的成果[10-17]。近期，课题组首次研究了双(2-羟基-1-萘甲醛)缩N,N'-二(3-氨基丙基)哌嗪Schiff 碱（简称为BNO）的最佳合成工艺条件。本研究报道BNO 合成（见Scheme 1）、结构表征及其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的抑制作用，为设计、开发具有优良生物活性的含哌嗪环化合物提供一定参考。

Scheme 1 Synthesis route for the title compound方案1 标题化合物的合成路线

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

试剂：N,N'-二(3-氨基丙基)哌嗪(BAPP))是由东京化成工业株式会生产，购于北京百灵威化学技术有限公司；2-羟基-1-萘甲醛、无水乙醇、正丁醇等均为市售分析纯，用前皆未做任何处理。

仪器：SGW X-4 型显微熔点测定仪，温度未校正；Nicolet-is10 型傅里叶红外光谱仪（KBr 压片），Thermo Fisher Scientific 公司；UV-Vis 2550 型紫外分光光度计，日本岛津公司；Brucker DRX300 核磁共振仪（CDCl3为溶剂，TMS 为内标）。

1.2 双(2-羟基-1-萘甲醛)缩N,N'-二(3-氨基丙基)哌嗪Schiff 碱(i.e.BNO)的合成

准确称取1.033 g（约6 mmoL）2-羟基-1-萘甲醛于100 mL 三口烧瓶内，加入10 mL 溶剂搅拌溶解；再准确称取0.601 g（3 mmoL）BAPP，用5 mL溶剂溶解在烧杯里。将三口烧瓶置于恒温水浴锅内，持续加热搅拌，同时将烧杯中液体滴加至三口烧瓶中，在某温度范围内反应一段时间，冷却至室温，过滤，滤渣用少量无水乙醇冲洗，烘干后称重。

产物BNO为黄色粉末，产率约92 %；m.p.176～178 ℃; UV (EtOH) λ / nm : 230 (K), 307 (K),400-418(R);1H NMR (500 MHz, CDCl3) δ:14.32 (s,2H),8.73(s,2H),7.82(d,J=8.3 Hz,2H),7.66(d,J=9.3 Hz, 2H), 7.59 (d, J = 7.8 Hz, 2H), 7.41 (s, 2H),7.22(d,J=7.5 Hz,2H),6.90(d,J=9.3 Hz,2H),3.67(d, J=5.2 Hz, 4H), 2.46 (t, J= 6.8 Hz, 12H), 1.90(d,J=6.8 Hz, 4H); IR δ /cm-1:1058,1159,1214, 1 227,1256, 1277, 1346, 1361, 1401, 1417, 1463, 1492,1629, 3439. Anal. calcd for C32H36N4O2: C 75.56, H 7.13,N 11.01;found C 75.67,H 7.38,N 11.32。

1.3 BNO 的表征

主要采用熔点测定、红外光谱、紫外可见光谱、核磁共振氢谱进行产物结构表征。

1.4 BNO 最佳合成工艺条件的考察

本研究通过单因素实验分别考察了溶剂、反应温度和反应时间对BNO产率的影响，获得了最佳合成工艺条件。

1.5 抑菌活性实验方法

参考文献[10]的抑菌实验步骤和方法，测定了产物BNO对二种受试细菌大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抑制作用。取34 g营养琼脂，加1.0 L蒸馏水，溶解后置于高压灭菌锅内，120℃灭菌30 min。冷却至50～60℃制成平板，取0.1 mL活化菌液，在平板上涂抹均匀，以等距离均匀、垂直放置牛津杯。在牛津杯中加入0.1 mL样品液，盖好平皿，置于37℃生化培养箱中培养24 h。取出后，测量每个牛津杯周围所产生的透明抑菌圈直径(mm)。

2 结果与讨论

2.1 最佳合成工艺条件的的确定

2.1.1 溶剂的影响

称取5 份2-羟基-1-萘甲醛1.033 g，溶剂分别使用无水乙醇、正丁醇、乙酸乙酯、四氢呋喃和丙酮，按照1.2 的操作步骤，在60℃下反应2.5 h，考察溶剂对BNO 产率的影响，结果见表1。

从表1 可以看出，以四氢呋喃作为反应溶剂时，BNO 的产率最低，为13%。可能是因为产物在四氢呋喃中具有良好的溶解度，故析出的固体产物较少；当乙醇、乙酸乙酯作溶剂时，BNO 的产率分别为89%、87%，相差很少，考虑到乙醇价格低，故本实验选择乙醇作为最佳反应溶剂。

表1 溶剂对BNO 产率的影响Table 1 The effect of solvents on the yield of BNO

2.1.2 温度的影响

按照1.2 的操作步骤，以乙醇为溶剂，在一定温度下（50、55、60、65、70℃）加热反应2.5 h，考察反应温度对BNO 产率的影响，结果见图1。

图1 温度对BNO 产率的影响Fig.1 The effect of temperature on the yield of BNO

由图1 可知，随着反应温度的升高，BNO 的产率先增大后降低，在60 ℃时产率最高，继续升高反应温度，BNO 的产率逐渐减小。有可能是因为温度较高，反应原料发生了氧化反应，同时有利于亚胺水解的副反应进行，导致产率降低。故确定60 ℃为最佳反应温度。

2.1.3 时间的影响

以乙醇为溶剂，按照1.2 的操作步骤，在60℃加热反应一定时间（分别是2、2.5、3、3.5、4、4.5、5 h），考察反应时间对BNO 产率的影响，结果见图2。

从图2 可以看出，随着反应时间的延长，BNO的产率先逐渐增加，然后迅速减少，当反应为4 h时收率达到最高，约为92%。因为随着反应时间的延长，原料转化率增加，产物增多，反应时间为4 h时，基本达到反应平衡，再延长反应时间，促进原料的氧化和产物的水解，使产率下降，故确定4 h为最佳反应时间。

图2 反应时间对BNO 产率的影响Fig.2 The effect of time on the yield of BNO

2.2 BNO 的表征

2.2.1 熔点测定

常温常压下BAPP 为液体，原料2-羟基-1-萘甲醛的熔点为82～85 ℃，经测定得固体产物的熔点为176～178 ℃，与固体原料2-羟基-1-萘甲醛的熔点不同，由此，初步判断生成物可能是目标产物BNO。

2.2.2 红外光谱分析

BNO 的红外光谱如图3。从图中可以看出，在3439 cm-1处存在一个较宽的吸收峰，可归属为O-H的特征峰[18]；在1629 cm-1处有一个强吸收峰，可归属为Schiff 碱典型的C = N 伸缩振动峰；1300-1544 cm-1吸收峰可能是萘环骨架C=C 的伸缩振动引起[19]；在2941、2814、1463 cm-1附近的峰可能是由于-CH2-伸缩振动、变形振动引起的；1200-1300 cm-1的吸收峰可归属为萘环C-O 的伸缩振动[18]；在1159 cm-1和1058cm-1处的吸收峰可归属为哌嗪环C-N 的伸缩振动。此外图中没有出现氨基NH2-、醛基CHO-典型吸收峰，说明该产物红外光谱符合目标产物的结构特征，且反应比较彻底。

图3 BNO 的红外图谱Fig.3 IR spectrum of BNO

2.2.3 紫外光谱分析

图4 是产物BNO 与原料2-羟基-1-萘甲醛（简写为HNA）的紫外光谱图。从图中可以看出，NHA和BNO 在200～280 nm 区间出现较为复杂吸收峰，峰形比较相似，可归属为萘环骨架π-π*跃迁[18-19]；二者在300～380 nm 出现的较强宽峰可归属为萘环C=C、醛基C=O 或亚胺基C=N 引起的π-π*跃迁，可能是由于助色基团-OH 的存在导致波长红移[18-19]；此外HNA 在大于400 nm 有一弱吸收，而BNO 在400、418 nm 处有较强宽峰，可分别归属为醛基HC=O、亚胺基C=N 的n-π*跃迁产生的R 带，二者峰强的显著差别可能是以下二个原因引起的：一是杂原子不同，O 的电负性比N 强，给电子能力要弱；二是N-上的烃基与共轭体系产生较强的超共轭效应。

图4 BNO 和HNA 的紫外光谱Fig.4 UV-Vis spectra of BNO and HNA

2.2.4 核磁共振氢谱分析

由1H NMR 图谱(见图5)可以看出，在14.32 处有一单峰，可归属于萘环的羟基；在8.73 处的双峰为亚胺CH=N 上的质子；萘环上12 个质子峰出现在6.89～7.83 区间；3.67 处的峰可归属为C10上的质子；1.90 处的峰可归属为C11上的质子；2.46 处的三重峰可归属为C12上的质子。该1H NMR 进一步证明产物与目标产物BNO 结构一致。

图5 BNO 的核磁共振氢谱图Fig.5 1H NMR spectrum of BNO

2.3 BNO 的抑菌活性

初步研究了产物BNO 浓度为1、5 mg/mL 时对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制作用，实验发现：BNO 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都具有一定的抑制作用，对大肠杆菌后续实验的抑菌活性略好（见表2）。有关抑菌活性的进一步实验正在后续实验进行中。

表2 BNO 的抑菌实验结果Table 2 The results of antibacterial activities of BNO

2.4 溶解度测试

称取7 份BNO，每份100 mg，加入7 只试管。在每只试管中分别加入氯仿、二氯甲烷、丙酮、乙醚、甲醇、乙醇、乙酸乙酯各1.0 mL，发现BNO在氯仿中全部溶解，在乙醚中几乎不溶，其他溶剂中少量溶解；加热后，在二氯甲烷中全部溶解，乙醚中仍旧几乎不溶，其他溶剂中溶解度有所增加；再在试管中分别加入1 mL 相应溶剂，丙酮中全部溶解，乙醇、甲醇中部分溶解，乙酸乙酯中少数溶解，而乙醚依旧几乎不溶，故可以得到BNO 在个溶剂中的溶解性难易顺序为：三氯甲烷> 二氯甲烷> 丙酮> 乙醇> 甲醇> 乙酸乙酯> 乙醚。

3 小结

以N,N'-二(3-氨基丙基)哌嗪和2-羟基-1-萘甲醛为原料，采用简单易行的加成-消除反应，设计合成了一个Schiff 碱化合物即双(2-羟基-1-萘甲醛)缩N,N'-二(3-氨基丙基哌嗪)Schiff 碱。由于2-羟基-1-萘甲醛分子中的羟基、醛羰基与萘环会分别发生p-π、π-π共轭效应，使得羰基碳正电性减弱，反应活性降低，因此，至少需要对反应温度和反应时间二个因素进行考察。结合有关参考文献，本研究选取了反应温度、反应时间、溶剂种类三个因素进行了单因素实验，并且获得了目标化合物的最佳合成工艺条件，产率高达92%。利用熔点、红外光谱、紫外光谱、核磁共振氢谱等手段对产物结构进行表征，证明为目标化合物。

该Schiff 碱分子中含有6 个配位原子，分别是2 个羟基O、2 个亚氨基N 和哌嗪环上的2 个N，由于哌嗪环可以以船式和椅式二种构象存在，以及哌嗪环上的柔性手臂丙基，使得该分子是一个很好的配体。下一步我们将对该席夫碱的金属配合物的合成、性质及活性等展开深入研究，为设计具有良好生物活性、光学性能的哌嗪等杂环衍生物[20-21]提供一定的理论和实验经验。