新型硫氮杂环修饰萘醌类毛用防蛀剂的研发思路

陈泽潭

（浙江省轻工业品质量检验研究院，浙江杭州 310000）

由羊毛纤维制作的纺织品手感饱满，弹性、悬垂性优良，不易沾污，保暖性及舒适性好，同时具有优良的吸湿透气性、抗皱性及耐磨性［1］。但羊毛属于蛋白质纤维，在储存和运输的过程中易受到虫蛀危害。羊毛制品被蛀蚀后将严重影响使用，对羊毛制品进行防蛀整理非常必要。近年来，随着印花皮毛外衣、羊绒开司米制品、纯毛毛毯、羽毛坐垫等高档制品进入普通家庭，羊毛的防蛀整理越来越受重视［2］。

1 防蛀机理及防蛀剂安全性能

能消化羊毛中角蛋白的蛀虫主要有衣蛾、褐织叶蛾、地毯甲虫和毛皮甲虫。食毛蛀虫的消化系统内含有一种可破坏羊毛纤维二硫键的还原性物质，使二硫键断裂，促使高度交联的羊毛蛋白质分解，并从中吸收营养物质，形成对羊毛的蛀蚀［3］。

常用的防蛀方法包括物理法和化学法。物理法主要通过光纤照射、冷冻、控制氧气含量等手段来达到防蛀效果。化学法是通过阻碍羊毛纤维中二硫键的变性，破坏蛀虫体内消化酶的活性，使蛀虫无法消化，从而达到杀虫防蛀的目的。

常见的防蛀产品有对二氯苯、萘、天然樟脑、氯菊酯等。对二氯苯对人体的肝、肺、肾脏影响较大，同时伴随有浓烈的恶臭气味，对人体有强烈的刺激性。世界卫生组织（WHO）和国际癌症研究中心（IARC）已将对二氯苯确认为“可疑性人类致癌化合物”。萘是从煤焦油里提取的有毒化学物质，会损害眼角膜，引起皮肤发黄、肺的病理性变化；小孩误食萘丸的话，会产生浓血性贫血。鉴于其对人体造成的危害比较严重，国家卫生部、国家经贸委明令禁止将萘作为家庭防蛀产品的原料。天然樟脑防蛀效果差且气味大，氯菊酯高效、低毒但易挥发，且在碱性溶液中不稳定，无法满足织物防蛀的要求。鉴于此，开发新型高效、低毒、绿色、环保的防蛀剂成为当前防蛀剂领域研究的主流，也是必然趋势。随着防蛀机理的深层次研究，新型防蛀剂不断得到开发，接触毒杀和食杀剂的使用使防蛀更简便，防蛀效果也更好。

2 植物源醌类衍生物的杀虫或拒食活性研究

研究发现，部分天然植物具有杀虫或拒食活性，多种植物源醌类化合物有优良的杀虫性能。通过研究醌类化合物与杀虫活性的构效关系，利用有机合成或结构修饰的手段得到的醌类化合物大部分也具有杀虫或拒食活性。

2.1 植物源苯醌类衍生物

Pavunraj 等［4］用乙酸乙酯对乳草叶子进行粗提取，并测试了其对棉铃虫和烟草夜蛾的拒食活性。发现质量分数为1%的该化合物对棉铃虫的拒食活性达到70.30%，对烟草夜蛾的拒食活性达到71.82%。接着用80∶20 的正己烷乙酸乙酯溶液对粗提取产物进行分馏，得到一种新型苯醌类衍生物［6-（4,7-羟基-庚基）醌］，在质量分数为2 000 mg/kg 的条件下，对棉铃虫的拒食活性达到80.22%，对烟草夜蛾的拒食活性达到68.31%。

Burgueno-Tapia等［5］研究了属于倍半萜p-苯醌类的三褶菊酮及其衍生物的拒食性，测试昆虫为草食性灰翅夜蛾、马铃薯甲虫和桃蚜。发现所有衍生物对马铃薯甲虫和桃蚜具有较强的拒食活性，对灰翅夜蛾的拒食活性较低；当羟基由C-3 变换到C-6 位置时，拒食活性明显增强。

2.2 植物源萘醌类衍生物

Akhtar 等［6］研究了从植物中提取的具有拒食活性含1,4-萘醌结构的胡桃醌和蓝雪醌化合物，实验发现胡桃醌和蓝雪醌可有效保护甘蓝植物免受夜蛾幼虫的啃食；并且与几种人工合成的1,4-萘醌衍生物进行对照，测试发现拒食活性的大小与醌结构上羟基和甲氧基的位置有关。同年，Akhtar 等［7］又研究了用浸叶法提取的1,4-萘醌衍生物对棉红蜘蛛和几种蚜虫的毒杀性，并与带苯醌结构的二溴代麝香草醌进行比较。发现胡桃醌、蓝雪醌及二溴代麝香草醌对棉红蜘蛛和桃蚜均有一定的毒杀性。1,4-萘醌结构上添加羟基基团能明显提高杀虫活性，带有甲基基团的1,4-萘醌衍生物对棉红蜘蛛的毒杀性最强，对桃蚜的毒杀性大小取决于溴原子在醌环上的2、5 位置。这些萘醌类化合物可作为有效农作物保护剂。

Tokunaga 等［8］从捕蝇草中提取出蓝雪醌，发现其对肉食性昆虫可以产生拒食作用。比较几种蓝雪醌衍生物的拒食作用发现，高挥发性和高氧化还原作用是其拒食活性较强的关键，萘醌环上同时带甲基和羟基的蓝雪醌衍生物拒食作用最强。Jeon 等［9］用氯仿在柿树的根中提取出天然衍生物，并探究萃取液对褐飞虱和灰飞虱的杀虫性能。光谱分析检测发现，其具有杀虫性的物质主要是5-羟基-2-甲基-1,4-萘醌、2-溴-1,4-萘醌等萘醌类衍生物。Jewes 等［10］从蒲包花属植物中提取出几种天然萘醌类化合物，研究了几种天然萘醌的杀虫性，发现萘醌环碳2 位置上羟基被酰化的结构可有效抑制害虫线粒体呼吸链的反应，从而杀死害虫。

2.3 植物源蒽醌类衍生物

Duraipandiyan 等［11］用乙酸乙酯从腊肠树中提取了大黄酸（1,8-二羟基-3-羧基蒽醌），用棉铃虫和斜纹夜蛾的幼虫测试其杀虫性，并用决明子和印楝素粗提取物进行对照，比较杀虫活性大小。发现用大黄酸处理后，幼虫死亡率偏高，侥幸存活下来的幼虫长大后会变畸形。

Nazari 等［12］研究了茜草提取物的杀虫性，发现茜草提取物中的茜素有一定的杀虫性，在一定程度上能杀死皮蠹虫幼虫。Morimoto 等［13］从植物猪殃殃中提取了一种蒽醌醛类拒食剂，并研究了其对斜纹夜蛾和地毯甲虫的拒食效果，发现醛基的存在会大大提高其拒食活性。Krishnakumari 等［14］从翼核果中提取了翼核果醌，并研究了其结构与拒食活性的关系，发现其蒽醌结构的对位取代基分别为甲氧基、羟基时对斜纹夜蛾的拒食性最好。

2.4 植物源醌类防蛀剂开发存在的问题

植物源醌类化合物具有一定的杀虫或拒食作用，其中部分产品高效低毒，拒食活性或毒杀性能的大小与取代基的种类、位置有关，促使人们对其进行杀虫活性研究。但仍然存在一定的问题：（1）产品都是从天然植物中提取，部分种类的植物不适宜大量种植；（2）部分植物源防蛀产品具有挥发性，持久性差，或有刺激性气味；（3）部分植物源醌类防蛀剂对人体有低毒性，甚至有潜在的致癌性，但受目前的技术限制，检测不出致癌因子；（4）目前植物源醌类防蛀剂仅限于实验室研究，研究成本较高，活性组分非常低，提纯复杂，无法进行大批量产业化生产加工；（5）植物源防蛀产品活性组分的化学全合成非常困难，只能通过模拟天然植物中的防蛀机理与结构的关系，设计出同类别的防蛀剂。提纯手段的好坏、技术设备的先进性将直接影响所提取产品的防蛀性能。

3 具有生物活性的含硫氮杂环化合物的合成研究

杂环化合物具有不同的生物活性和潜在的应用价值，被广泛应用在药物、杀虫剂［15］、除草剂、染料［16］、塑料［17］等方面。其中，同时含硫、氮元素的杂环化合物，例如噻唑类、噻嗪类等，因其独特的硫氮杂环结构，而具有广谱的生物活性，受到杂环化合物研究者的青睐。纵观国内外，有关单独含硫或氮杂环的化合物在合成方面的研究很多，但对同时含硫、氮元素杂环化合物的合成方法报道较少。

3.1 具有噻唑结构的硫氮杂环化合物的合成研究

噻唑类化合物是近年来杂环化学研究的热点，噻唑环内含硫、氮原子，具有丰富的电子效应，可以形成氢键，也可以与金属配位，在噻唑环的2、3、4、5位置引入不同的官能团，再通过结构修饰可生成一系列具有广谱生物活性的杂环化合物［18］。噻唑类化合物包括噻唑、异噻唑、苯并噻唑、噻二唑等，可作为纺织品抗皱剂、性能优良的特效脱醛剂，还是医学领域合成新型药物的原料和中间体，同时可作为农业生产方面的杀菌剂、杀虫剂、杀螨剂、除草剂、植物生长调节剂等。

3.1.1 2,4-取代噻唑化合物的合嗪恶成

Kaur 等［19］以带氨基苄基的 唑烷酮、盐酸为原料，在水浴中反应10 min，加硫氰酸铵回流2 h得到带硫原子的产物，接着加入碳酸氢钠、乙醇、α-溴酮回流3 h，发生成环反应，最终生成一系列2,4-取代噻唑类化合物；并对其活性进行检验，发现一些化合物具有很好的抗菌性能，同时具有紫外线介导性能和DNA 损坏保护性能。该反应条件温和，原料简单易得，但为两步反应，所加反应原料较多，分离提纯较困难、耗时较长。

Satbir 等［20］以2-酰基-茚-1,3-二酮、氨基硫脲、α-溴酮为原料，在甲醇溶液中回流6～7 h，生成带羰基的噻唑衍生物，接着发生Wolff-Kishner 还原反应，去掉氧原子，得到最终的2,4-取代噻唑类衍生物。经检测发现，所合成的化合物具有抗肿瘤活性，可抑制A498 和HT29 癌细胞的扩散。XUE 等［21］以脂肪酸乙酯为原料，合成出含甲酰苯胺结构的噻唑类衍生物，并对其抗菌性能进行评价，发现其有较优良的杀菌性，主要针对立枯丝核菌等细菌，最低杀菌质量浓度为1.28 mg/L。Özkay 等［22］以苯硫酰胺为原料，合成出一系列含噻唑环结构的衍生物，产率在70%左右。此类化合物对癌细胞有抗增殖作用，当R=H、R’=OCH3时，抗癌活性最强。Pirbasti 等［23］以丙酮、氨基硫脲、4-甲氧基苯甲酰甲基溴等为原料，在乙醇溶液中反应1.5～2.0 h，合成出一系列2,4-取代噻唑类化合物，产率为71%～85%。抗菌和抗癌性能检测实验发现，其中的一些产物具有一定的抗菌性，化合物14a 对癌细胞A375具有显著的抗性。

MAHMOOD-UL-HASSAN 等［24］以芳氰为原料合成出一系列含1,3,4-二唑结构的噻唑类衍生物，并对其进行生物活性评价。经检测发现，化合物7a-l 具有一定的抗HIV 和抗肿瘤活性，当R=Cl、OCH3时，活性最强。Wu 等［25］用带氯原子的苯甲醛经5 步反应，合成出一类含噻唑结构的苯甲酰胺衍生物。经检测发现，其对神经氨酸酶具有抑制作用，可阻止流感的传播。

张品等［26］对一种主要针对刺吸式和咀嚼式口器害虫的新烟碱类杀虫剂噻虫啉的合成工艺进行了探索，采用二氧化硫、单氰胺、硫酸二甲酯、2-氯-5-氯甲基吡啶等为原料，并对各中间体的合成工艺条件进行了优化。该工艺条件温和、操作简单，大部分原料价廉易得，纯度达到74.6%，且对环境基本无污染，适合工业化生产；缺点是单氰胺成本较高。

3.1.2 噻唑烷酮及1,3,4-噻二唑衍生物的合成

Liesen 等［27］以5-甲基-1-氢-咪唑-4-乙酯为原料，在一定条件下经过一系列反应生成4-噻唑啉酮类衍生物4a-d 和1,3,4-噻二唑类衍生物5a-d。经检测发现，所得衍生物具有抗芽孢杆菌的活性，同时对弓形虫等细胞类寄生虫有一定的抗性。Pandey 等［28］以芳基苯乙酮和对苯甲醛为原料，经一系列反应合成出带噻唑烷酮结构的化合物。对所合成的物质进行生物活性测试发现，其能迅速使电压激活Na+通道失活，限制神经元的持续重复放电，从而起到抗惊阙作用。

3.1.3 噻唑并嘧啶、咪唑并噻唑及苯并噻唑类衍生物的合成

Batool 等［29］采用一锅合成法，以具有取代基的苯甲醛、乙酰乙酸乙酯、2-氨基噻唑及氨基磺酸为原料，在乙醇溶液中回流1.5 h，合成出噻唑并嘧啶类衍生物。经检测，此类化合物具有杀菌和降血糖活性，当R=Cl 时，可有效杀死大肠杆菌等细菌；当R=Br 时，用量为24 μg/mL 即可杀死伤寒杆菌和枯草芽孢杆菌。Karaman 等［30］用4-氯-2-溴苯乙酮和2-氨基噻唑-4-醋酸乙酯为原料，经过4 步反应合成出一种含咪唑并噻唑结构的衍生物。经检测发现，其具有一定的抗癌和抗肿瘤活性。

Awad 等［31］以6-氨基-2-硫脲嘧啶为原料，在一定条件下合成出带苯磺酰胺结构的硫脲嘧啶，在此基础上进行修饰，合成出几种新型嘧啶并噻唑啉酮类和带甲硫基的嘧啶类衍生物。发现所合成的化合物能有效抑制肝癌细胞的增殖。Ha 等［32］报道了2-氨基-4-氯苯-硫醇可在一定条件下与芳醛发生成环缩合反应，生成15 种苯并噻唑类衍生物。该类衍生物能有效抑制络氨酸酶的活性，从而降低细胞内黑色素的浓度。Ahmadi 等［33］以1,3-二氯-4-苯甲酸为原料，合成出5 种苯并噻唑取代苯磺酰脲衍生物。通过检测发现，其能改善人体内胰岛素水平，具有显著的降血糖、血脂功效，可作为降血糖药。

3.2 具有噻嗪结构的硫氮杂环化合物的合成

噻嗪类化合物是另一类重要的硫氮杂环化合物，包括噻嗪、吩噻嗪、噻二嗪等，具有噻嗪结构的化合物具有抗菌、降血脂、降血压、杀虫、抗病毒、抗肿瘤、利尿等生物活性，通常被用作染料、安定药、杀虫剂等，同时还具有除草和防止钢铁腐蚀等作用。

3.2.1 1,3-噻嗪及1,4-噻嗪类衍生物的合成

Matysiak 等［34］在一定条件下通过一步合成法合成出3 种1,3-噻嗪酮类衍生物；并对其抗癌活性进行评价，发现该类化合物在一定程度上能阻止肺癌和结肠癌细胞的扩散。Li 等［35］以1,1-双（甲硫基）-2-亚硝基乙烯、3-巯基-1-丙胺为原料，室温下在乙醇溶液中搅拌18 h，生成硝虫噻嗪，接着加入氰基乙酸乙酯、对甲氧基苯甲醛，反应20 h，最终合成出一种硝虫噻嗪类衍生物；并研究了其对蚜虫的杀虫性能。发现在质量浓度为500 mg/L 时，蚜虫致死率达到56%，杀虫效果优良。Edayadulla 等［36］以硫代二乙酸乙酯为原料，合成出一系列1,4-噻嗪类衍生物；并对其抗菌活性进行评价。发现该类化合物对所检测的5 种细菌和真菌均具有一定的抗性，当噻嗪环1、4 位置所连基团为噻吩时，抗菌性能最强。

3.2.2 吩噻嗪类衍生物的合成

Sarmiento 等［37］通过微波合成法，以10H-吩噻嗪和酰氯为原料，在甲苯溶剂中反应，合成出吩噻嗪类衍生物。对该化合物进行生物活性测试发现，其与传统的抗真菌药物相比，在低浓度下就表现出优良的抗真菌作用。Zieba 等［38］用喹啉类化合物通过5 步反应合成出吩噻嗪类衍生物，经检测发现该类化合物具有一定的抗细胞增殖活性，当X 基团为甲基且在苯并噻嗪环上11 位置时，抗细胞增殖活性最弱。Morak-Mlodawska 等［39］用3-氨基吡啶并硫醇盐和2-氯代-3-硝基吡啶在二甲基甲酰胺作为溶剂的条件下合成出噻嗪类衍生物。经检测发现，其具有良好的抗癌性能。

4 新型毛用防蛀剂的研发思路

硫氮杂环化合物因独特的结构而具有广谱生物活性，其活性大小一般与官能团的位置、数量等关系密切［40］。各种合成方法合成出的硫氮杂环化合物的生物活性各异，反应复杂程度、产率及环境污染问题均不相同。研究硫氮杂环化合物的生物活性和合成方法，可以为新型产品的开发提供借鉴和依据。随着硫氮杂环化合物研究的深入，各种具有不同结构性能的硫氮杂环衍生物被开发出来，并广泛应用在生产生活当中。开发经济、环保、安全无害的硫氮杂环化合物必将成为新时期杂环化学研究的主题。

醌类化合物因结构不同，在不同的条件下对不同害虫表现出的拒食活性和毒杀性能各异，总体上萘醌效果最好［41］。硫氮杂环化合物因独特的硫氮杂环结构，大多具有一定的生物活性，其中的部分化合物具有杀虫功能。研究萘醌类化合物与硫氮杂环化合物的结构与活性关系，可以为新型含硫氮杂环萘醌类防蛀剂的合成提供参考。

硫氮杂环化合物例如噻唑类、噻嗪类等，一般具有较强的杀虫活性，对哺乳动物低毒，但稳定性相对较差。探索醌类化合物及硫氮杂环化合物的防蛀机理、利用结构修饰的手段，用经过筛选的带特定官能团的萘醌类衍生物与具有杀虫功能的硫氮杂环化合物进行反应，生成含硫氮杂环萘醌类防蛀剂。该领域的相关研究对新型含硫氮杂环结构的萘醌类衍生物在防蛀方面的研究有潜在的意义，具有良好的市场前景。