芐基三苯基季鏻鹽的合成及其晶體結構和抗菌活性測定

葉輝青，李藝苑，吳徐賢, 汪曉鈺，李俊杰，周家容,2，楊樂敏,2，倪春林,2*

(1.華南農業(yè)大學 理學院，廣東 廣州 510642； 2.華南農業(yè)大學 生物材料研究所，廣東 廣州 510642)

復合抗菌材料的研究和應用引起了人們廣泛的關注[1-2]. 由具有抗菌活性的有機陽離子和金屬離子組成的有機-無機復合抗菌劑不但兼具了有機抗菌劑的強斂性、持續(xù)性和無機抗菌劑的安全性、耐熱性的優(yōu)點，而且價格更加低廉、使用時添加量更少、抗菌性能更高、穩(wěn)定性更好[3]. 季鏻鹽中的磷原子位于周期表中的第三周期，其原子半徑較季銨鹽中的氮原子的原子半徑大，因而相應的離子半徑也較大. 而離子半徑更大的優(yōu)勢使其極化作用增大，從而使其外圍的正電性增大，因而更容易殺死微生物，從結構分析上可知季鏻鹽的抗菌活性要比季銨鹽高. 季銨鹽憑著其良好的物理性質及抗菌效果在有機抗菌劑中占據(jù)重要地位[4-5]，并在日常生活多種領域中得到廣泛應用[6-9]. 季鏻鹽作為新一代的高效、廣譜、低毒的抗菌劑[10]，其抗菌性能比季銨鹽高出2個數(shù)量級，并很好地解決了季銨鹽在抗菌領域所累積下來的問題[11-12]. 因此，研究并開發(fā)新型的季鏻鹽殺菌劑已經(jīng)成為人們研究的熱點. 本文作者采用芐氯與三苯基膦反應獲得了氯化芐基三苯基季鏻鹽[BzTPP]Cl(CCDC： 772084), 通過元素分析，紅外光譜，電子噴霧質譜和X-射線單晶衍射等手段進行了組成分析和結構表征，并以大腸桿菌，金葡萄球菌和沙門氏菌為致病菌測定了其抗菌活性，并與另外兩種復合季鏻鹽 [BzTPP]2[CoCl4] 和 [BzTPP]2[MnCl4] 的抗菌活性進行了對比.

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

氯化芐(BzCl)、三苯基膦、丙酮、甲醇和無水乙醚等試劑均為市售分析純試劑；營養(yǎng)肉湯來源于廣州環(huán)凱微生物科技有限公司. 美國Perkin-Elmer公司240C型元素分析儀，美國Nicolet公司Acvatar 360 FT-IR紅外光譜儀，日本Shimadzu LCMS-2010A液相色譜質譜聯(lián)用儀和德國Bruker公司Smart APEX CCD X-射線衍射儀(Mo Kα,λ= 0.071 073 nm).

1.2 季鏻鹽的合成

參考文獻[13]的方法合成氯化芐基三苯基季鏻鹽：稱取氯化芐1.26 g (0.01 mol)和三苯基膦2.62 g (0.01 mol)于100 mL磨口錐形瓶中，加入30 mL丙酮溶解，加熱到60 ℃攪拌回流反應24 h. 自然冷卻至室溫，抽濾，用無水乙醚淋洗2～3次. 得到固體，放進真空干燥器干燥，稱重得3.53 g固體，產(chǎn)率約為91%. 取0.78 g [BzTPP]Cl固體用甲醇溶解，過濾除去不溶物，在室溫下自然揮發(fā)一周后得到0.53 g晶體，產(chǎn)率67%. [BzTPP]2[CoCl4]和[BzTPP]2[MnCl4]參見文獻[14-15]方法合成.

1.3 季鏻鹽的晶體結構測定

選取尺寸為0.12 mm×0.19 mm×0.22 mm 的[BzTPP]Cl晶體置于 Bruker Smart CCD 單晶衍射儀上，在291(2) K 下，采用石墨單色器單色化的 Mo Kα射線，以φ-ω掃描方式在2.2°≤θ≤25.0°范圍內收集，共收集到29 413個衍射點，其中可觀測的獨立衍射點 [I> 2σ(I)] 為3 212個，強度因子用經(jīng)驗吸收校正，晶體結構采用 SHELXS-97程序由直接法解出[16-17]. 對非氫原子坐標及其各向異性溫度因子進行全矩陣最小二乘法精修. 以I> 2σ(I) 的數(shù)據(jù)修正到一致性因子R1= 0.038 4，wR2= 0.113 6，殘余電子密度的最高峰為371 e·nm-3，最低峰為-595 e ·nm-3. 氯化芐基三苯基季鏻鹽的晶體學數(shù)據(jù)和結構精修信息列于表1.

1.4 最低抑菌濃度(MIC)測定

采用二倍稀釋法測定3種季鏻鹽的最小抑菌濃度(MIC)[18]. 取活化后的大腸桿菌，金葡萄球菌和沙門氏菌，接種于肉湯培養(yǎng)基，在37 ℃下培養(yǎng)24 h，將菌液稀釋至濃度均為1.0×106CFU/mL. 在不同的潔凈試管中分別加入1 mL 肉湯，再加入濃度為1 g/mL 的待測藥液，逐級稀釋，每支試管再加入1 mL 菌液，在恒溫恒濕箱中培養(yǎng)24 h. 觀察試液的活菌情況，以不長細菌的試管的殺菌單體計量為該單體的MIC，考察3種季鏻鹽的抗菌性能.

2 結果與討論

2.1 元素分析與電子噴霧質譜

季鏻鹽 [BzTPP]Cl 的元素分析實測值為C： 77.29 %; H： 5.82%; 計算值為C： 77.22 %; H： 5.70%. 由此可見，實驗值與化學式(C25H22PCl)的計算值基本吻合. 正離子的電子噴霧質譜出現(xiàn)在353.2，與[BzTPP]+的理論值353.4基本一致.

表1 季鏻鹽[BzTPP]Cl的晶體學數(shù)據(jù)Table 1 Crystal data of the benzyltriphenylphosphonium salt

2.2 紅外光譜

圖1 季鏻鹽[BzTPP]Cl的分子結構式Fig.1 Molecular structure of [BzTPP]Cl

2.3 季鏻鹽的晶體結構

晶體結構分析表明，季鏻鹽[BzTPP]Cl屬正交晶系，空間群為Pbca ，明顯不同于文獻報道的[BzTPP]ClO4[20]. 季鏻鹽[BzTPP]Cl分子結構如圖1所示，主要的鍵長和鍵角列于表2和表3. 由圖1可見，季鏻鹽[BzTPP]Cl的一個晶胞中含1個Cl-離子和一個[BzTPP]+陽離子. [BzTPP]+陽離子中四個苯環(huán)圍繞著P原子伸向不同的空間，P-C的平均鍵長是0.179 7(2) nm. C-P-C的鍵角在108.25(10)°至111.52(9)°范圍內變化，平均鍵角為109.47(9)° . C(6)-C(7)-P(1)平面和C(1)-C(6)，C(8)-C(13)，C(14)-C(19)和C(20)-C(25)四個苯環(huán)之間的二面角分別100.2°， 59.7°，139.0°和82.3°. 如圖2所示，[BzTPP]+陽離子與Cl-離子通過C-H…Cl的氫鍵[21-21]相連，相應的鍵長和鍵角列于表4.

表2 季鏻鹽[BzTPP]Cl的主要鍵長Table 2 Selected bond lengths of the benzyltriphenylphosphonium salt [BzTPP]Cl

表3 季鏻鹽[BzTPP]Cl的主要鍵角Table 3 Selected bond Angles of the benzyltriphenylphosphonium salt [BzTPP]Cl

表4 季鏻鹽[BzTPP]Cl中氫鍵的鍵長和鍵角Table 4 The bond lengths and angles for the hydrogen bond of [BzTPP]Cl

Symmetry transformations used to generate equivalent atoms: #1= -x+ 1, -y+ 2, -z+ 1; #2 = -x+ 3/2 , -y+ 2,z- 1/2

圖2 季鏻鹽[BzTPP]Cl沿c軸方向的分子堆積Fig.2 The stacking diagram of [BzTPP]Cl as viewed along c-axis

2.4 殺菌活性

3種季鏻鹽的的MIC值列于表5. 從表5可以看出，3種季鏻鹽對大腸桿菌，金葡萄球菌和沙門氏菌均具有一定的抗菌活性. 對大腸桿菌和沙門氏菌的抗菌活性大小順序是：[BzTPP]2CoCl4>[BzTPP]2MnCl4>[BzTPP]Cl；對于金葡萄球菌的抗菌活性大小順序是：[BzTPP]2MnCl4>[BzTPP]2CoCl4>[BzTPP]Cl. 這三種殺菌劑陽離子結構相同，只是陰離子不同，導致其抗菌活性有較大的差異性，這說明陰離子對于該類抗菌劑的抗菌活性具有一定的影響，其中含金屬鈷和錳配陰離子的復合季鏻鹽對菌種的抗菌作用明顯比無金屬配陰離子的強.

表5 三種季鏻鹽的MIC值Table 5 MIC data of three benzyltriphenylphosphonium salts

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