苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物修飾酪氨酸的耐光穩(wěn)定性能

徐晶晶，王宗乾，彭澤陽(yáng)，張夢(mèng)宇

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物修飾酪氨酸的耐光穩(wěn)定性能

徐晶晶，王宗乾，彭澤陽(yáng)，張夢(mèng)宇

(安徽工程大學(xué) 紡織服裝學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

為提升酪氨酸的耐光穩(wěn)定性能，實(shí)驗(yàn)以鄰氨基苯酚為重氮組分、間苯二胺為耦合組分，通過(guò)氧化閉環(huán)反應(yīng)合成了階段產(chǎn)物(含伯胺基的苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物).在此基礎(chǔ)上，將階段產(chǎn)物與三聚氯氰發(fā)生一氯取代反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物(含一氯均三嗪反應(yīng)基團(tuán)的苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物)，并基于親電取代反應(yīng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物對(duì)酪氨酸的共價(jià)修飾；采用紫外、紅外、質(zhì)譜測(cè)試表征了階段產(chǎn)物、目標(biāo)產(chǎn)物及修飾酪氨酸產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，并對(duì)其紫外光降解性能進(jìn)行了測(cè)試.結(jié)果表明，基于親電取代反應(yīng)可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)物的合成及對(duì)酪氨酸的共價(jià)修飾，經(jīng)過(guò)10 h紫外線光照射，酪氨酸光降解率達(dá)61.03%，而修飾酪氨酸產(chǎn)物的光降解率為26.4%，修飾后酪氨酸的光穩(wěn)定性能得到大幅提升.

苯并三唑；酪氨酸；化學(xué)修飾；光降解

脫膠蠶絲光穩(wěn)定性能差，光照易發(fā)生黃變，現(xiàn)已證實(shí)酪氨酸成分在絲素蛋白光黃變中扮演了重要角色[1].在酪氨酸分子結(jié)構(gòu)中，苯環(huán)酚羥基鄰位具有較高的電子云密度，易發(fā)生親電取代反應(yīng).基于對(duì)蠶絲中酪氨酸殘基結(jié)構(gòu)、分布、反應(yīng)特性及含量的分析[2-4]，假設(shè)基于親電取代反應(yīng)將紫外線吸收結(jié)構(gòu)以共價(jià)鍵形式修飾到酪氨酸分子上，用于提升酪氨酸的耐光穩(wěn)定性能，亦可提高修飾蠶絲耐光穩(wěn)定性能的濕處理牢度.

苯并三唑結(jié)構(gòu)紫外線吸收劑對(duì)290～400 nm的紫外線具有強(qiáng)吸收，是一類高效的光穩(wěn)定劑，同時(shí)具備低毒、高效等特點(diǎn)[5].經(jīng)紫外線光照，苯并三唑結(jié)構(gòu)可生成光互變異構(gòu)體[6]，將吸收的紫外線能量轉(zhuǎn)化為熱能釋放出去，同時(shí)其分子結(jié)構(gòu)回到穩(wěn)定基態(tài).紡織品的常規(guī)抗紫外整理多采用浸漬或浸軋工藝將紫外線吸收劑附著到纖維上，附著到纖維上的紫外線吸收劑分子以離子鍵、氫鍵和范德華力與纖維結(jié)合，無(wú)法形成牢固的共價(jià)鍵，存在濕處理牢度低且耐光穩(wěn)定性不佳等問(wèn)題[7].反應(yīng)性苯并三唑化合物分子可與被整理基體形成共價(jià)鍵，具有較高的濕處理牢度[8].關(guān)于反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)紫外線吸收劑的合成已有較多報(bào)道，文獻(xiàn)[9]將Ⅱ型苯并三唑結(jié)構(gòu)母體與丙烯酸氯反應(yīng)生成含有丙烯?；谋讲⑷?BDHA)結(jié)構(gòu)紫外線吸收劑，文獻(xiàn)[10]向苯并三唑結(jié)構(gòu)中引入不飽和雙鍵賦予其反應(yīng)性，文獻(xiàn)[11]以三嗪為橋基，將含有氨基的苯并三唑紫外線吸收劑依次與三嗪、間位酯或?qū)ξ货ァ岱冗M(jìn)行縮合反應(yīng)，制備了以β-羥乙基砜硫酸酯為反應(yīng)性基團(tuán)的苯并三唑紫外線吸收劑.

為此，本研究通過(guò)重氮、偶合、氧化閉環(huán)反應(yīng)合成階段產(chǎn)物(含伯胺基的苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物)，在此基礎(chǔ)上，將階段產(chǎn)物與三聚氯氰發(fā)生一氯取代反應(yīng)合成目標(biāo)產(chǎn)物(含一氯均三嗪反應(yīng)基團(tuán)的苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物)，并基于親電取代反應(yīng)將合成目標(biāo)產(chǎn)物以共價(jià)鍵形式修飾到蛋白質(zhì)模擬物酪氨酸分子上[12].本研究將探究酪氨酸修飾的可行性及修飾后酪氨酸的光穩(wěn)定性能，研究結(jié)果將為解決酪氨酸及蠶絲素蛋白質(zhì)光黃變問(wèn)題提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要化學(xué)藥劑

鄰氨基苯酚、間苯二胺、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%的濃鹽酸、亞硝酸鈉、醋酸鈉、氫氧化鈉、N-N二甲基甲酰胺(DMF)、尿素、硫酸銅、氨水、乙二醇、甲醇、冰乙酸、三聚氯氰，以上均為分析純；淀粉碘化鉀試紙(上海阿拉丁試劑有限公司)；實(shí)驗(yàn)所用水均為超純水，由Basic-Q15純水系統(tǒng)制備(上海和泰儀器有限公司).

1.2 鄰氨基苯酚的重氮化

稱取1.09 g (0.01 mol)鄰氨基苯酚，放入100 mL三口燒瓶中，并加入15 mL超純水和3.5 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%的濃鹽酸，攪拌至鄰氨基苯酚完全溶解.

稱取0.76 g (0.011 mol)亞硝酸鈉，加入3 mL水配成溶液，攪拌下將配成的亞硝酸鈉溶液逐滴加至三口燒瓶中.滴加完畢后繼續(xù)攪拌，維持體系反應(yīng)溫度為0～5 ℃，反應(yīng)30 min后得澄清重氮鹽溶液.用淀粉碘化鉀試紙檢驗(yàn)亞硝酸鈉是否過(guò)量，用尿素破壞過(guò)量亞硝酸鈉，過(guò)濾將所得沉淀去除得澄清重氮鹽溶液，0 ℃存放待用.

1.3 偶合反應(yīng)制備偶氮中間體

以間苯二胺為耦合組分，鄰氨基苯酚重氮鹽為重氮組分，合成偶氮中間體，反應(yīng)式如圖1所示.稱取1.08 g (0.01 mol)間苯二胺，放入250 mL的三口燒瓶中，同時(shí)加入15 mL水和1 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為36%的濃鹽酸，攪拌使其完全溶解.待升溫至5～10 ℃，逐滴交替滴加鄰氨基苯酚重氮鹽及配置的醋酸鈉溶液，維持pH值在4～6.待重氮鹽滴加完畢后，維持溫度在5～10 ℃,反應(yīng)2 h，然后在室溫下繼續(xù)反應(yīng)2 h，最后用濃氨水調(diào)節(jié)pH值至8，過(guò)濾后得偶氮中間體粗品，充分水洗，陰干.

圖1 偶氮中間體制備Fig.1 Preparation of azo intermediate

1.4 氧化閉環(huán)制備伯胺基苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物

采用銅氨溶液氧化閉環(huán)工藝制備苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物，反應(yīng)式如圖2所示.將2.28 g(0.01 mol)偶氮中間體放入250 mL的三口燒瓶中，加5 mL乙二醇到三口燒瓶中溶解偶氮中間體產(chǎn)物，另取6 g硫酸銅溶于20 mL水中，再加入24 mL濃氨水配成銅氨溶液，攪拌使反應(yīng)完全.將所得的深藍(lán)色溶液加到三口燒瓶中，升溫至95 ℃，反應(yīng)2 h，冷卻至室溫,過(guò)濾，水洗至無(wú)色，得到濕濾餅.將濕濾餅加入30 mL濃度為10 mol/L的鹽酸溶液中，攪拌反應(yīng)1 h，過(guò)濾水洗，再將濕濾餅懸浮于15 mL水中，用濃氨水調(diào)節(jié)pH值至8，過(guò)濾，水洗，干燥.將粗產(chǎn)物和乙酸乙酯以100∶1的料液比充分混合，加熱至沸騰，趁熱過(guò)濾，保留濾液，蒸干溶劑，得到最終產(chǎn)物.

圖2 伯胺基苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物的合成Fig.2 Synthesis of benzotriazole structural compound containing primary amine group

1.5 氯代反應(yīng)制備反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物

將伯胺基苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物與三聚氯氰發(fā)生一氯取代反應(yīng)合成反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物，反應(yīng)式如圖3所示.稱取1.13 g(0.005 mol)合成的伯胺基苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物加至250 mL的三口燒瓶中，同時(shí)加30 mL冰醋酸，后稱取0.82 g(0.01 mol)醋酸鈉和0.915 g(0.005 mol)三聚氯氰化合物于燒杯中，加入 20 mL的冰醋酸,用玻璃棒攪拌使其溶解，然后將燒杯中的溶液在室溫條件下慢慢滴加到三口燒瓶中，在半小時(shí)內(nèi)加完，滴加完畢后在室溫條件下攪拌反應(yīng)1 h，過(guò)濾，保留濾餅，干燥得粗產(chǎn)物[13]，采用乙醇/水(體積比為1∶1)溶劑對(duì)其重結(jié)晶提純.

圖3 反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物合成Fig.3 Synthesis of reactive benzotriazole structural compound

1.6 酪氨酸的化學(xué)修飾

將合成的反應(yīng)性苯并三唑化合物對(duì)酪氨酸進(jìn)行修飾，反應(yīng)式如圖4所示.稱取0.91 g(0.005 mol)酪氨酸放入100 mL的三口燒瓶中，加30 mL水，用NaOH溶液調(diào)節(jié)pH值至9～10，同時(shí)稱取合成的反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物1.885 g(0.005 mol)加至體系中，升溫至60 ℃，反應(yīng)2 h，反應(yīng)結(jié)束后用稀鹽酸溶液調(diào)節(jié)體系pH值至4～5，過(guò)濾，水洗，陰干，制得產(chǎn)物.

圖4 酪氨酸化學(xué)修飾反應(yīng)Fig.4 Chemical modification of tyrosine

1.7 紫外光降解

分別對(duì)合成伯胺基苯并三唑結(jié)構(gòu)產(chǎn)物、酪氨酸修飾產(chǎn)物的紫外線光降解率進(jìn)行測(cè)試，同時(shí)與酪氨酸的光降解率進(jìn)行對(duì)比.光降解實(shí)驗(yàn)在XPA型光化學(xué)反應(yīng)儀(南京胥江機(jī)電廠)中進(jìn)行，紫外線光源為500 W汞燈(飛利浦)，光降解樣品溶于N-N-二甲基甲酰胺，濃度均為3.0×10-3mol/L.光降解實(shí)驗(yàn)中，采用PE膜密封各石英試管.依據(jù)光照過(guò)程中各光照樣品在特征波長(zhǎng)下吸光度的變化，計(jì)算其光降解率，如式(1)所示:

(1)

式中：Ai為光照一定時(shí)間后，待測(cè)樣品最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度值；A0為光照前待測(cè)樣品最大吸收波長(zhǎng)下的吸光度值.

1.8 測(cè)試部分

1.8.1紫外(UV)光譜測(cè)試

采用UV-2600型紫外分光光度計(jì)(上海天美儀器公司)分別對(duì)鄰氨基苯酚及其重氮鹽、偶氮中間體、階段產(chǎn)物、目標(biāo)產(chǎn)物及修飾酪氨酸產(chǎn)物的紫外光譜進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試溶劑為DMF，測(cè)試波段為200～700 nm.

1.8.2紅外光譜(FTIR)測(cè)試

采用IRPrestige-21型傅里葉變換紅外光譜儀(日本島津)，用KBr壓片法測(cè)試偶氮中間體、階段產(chǎn)物、目標(biāo)產(chǎn)物及修飾酪氨酸產(chǎn)物的紅外譜圖，掃描次數(shù)為32 s-1，分辨率為 4 cm-1.

1.8.3質(zhì)譜(MS)測(cè)試

采用Shimadzu LCMS-8030型液相色譜質(zhì)譜儀(日本島津)，測(cè)試偶氮中間體、階段產(chǎn)物及修飾酪氨酸產(chǎn)物，以乙腈為溶劑，測(cè)試過(guò)程使用正態(tài)模式；目標(biāo)產(chǎn)物以乙酸銨為溶劑，測(cè)試過(guò)程使用負(fù)態(tài)模式.

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)物的合成與表征

測(cè)試了實(shí)驗(yàn)合成的偶氮中間體、伯胺基苯并三唑化合物、反應(yīng)性苯并三唑化合物的紫外光譜，結(jié)果如圖5所示.

圖5 各階段產(chǎn)物紫外譜圖Fig.5 UV spectra of each stage products

圖5中偶氮中間體因共軛體系的增長(zhǎng)，在可見(jiàn)光波段具有特征吸收，最大吸收波長(zhǎng)為457 nm；氧化閉環(huán)反應(yīng)后，共軛體系被破壞，生成的伯胺基苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物在可見(jiàn)光波段沒(méi)有特征吸收，其特征吸收波段為270～380 nm，是一類性能優(yōu)良的紫外線吸收劑.三嗪環(huán)在UVB波段具有特征吸收，苯并三唑結(jié)構(gòu)在UVA具有特征吸收，而反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物兼具三嗪環(huán)和苯并三唑環(huán)的紫外特征吸收，屬雙母體紫外線吸收結(jié)構(gòu)，可判定實(shí)驗(yàn)合成的反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物理論上具有更廣譜的紫外線吸收功能.

實(shí)驗(yàn)對(duì)各合成產(chǎn)物的紅外、質(zhì)譜進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖6至圖8所示.

圖6 伯胺基苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物Fig.6 FTIR spectra of compounds of primary amino benzotriazole

圖7 反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物Fig.7 FTIR spectra of compounds of reactive benzotriazole

圖8 階段產(chǎn)物與目標(biāo)產(chǎn)物質(zhì)譜圖Fig.8 MS spectra of stage product and target product

2.2 酪氨酸的化學(xué)修飾及修飾酪氨酸的光降解

依據(jù)1.6所述，完成了反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物對(duì)酪氨酸的化學(xué)修飾，采用紅外、質(zhì)譜測(cè)試表征了酪氨酸修飾產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，結(jié)果分別如圖9和圖10所示.

圖9 酪氨酸修飾產(chǎn)物紅外譜圖Fig.9 FTIR spectra of modified tyrosine product

圖10 酪氨酸修飾產(chǎn)物質(zhì)譜圖Fig.10 MS spectra of modified tyrosine product

圖11 伯胺基苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物及酪氨酸修飾產(chǎn)物光降解率曲線Fig.11 Photodegradation rate curve of benzotriazole compound containing primary amino group

依據(jù)1.7所述，測(cè)試了合成伯胺基苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物及酪氨酸修飾產(chǎn)物的光降解性能，結(jié)果如圖11所示.

3 結(jié)論

(1)實(shí)驗(yàn)以鄰氨基苯酚、間苯二胺、三聚氯氰為主要反應(yīng)物，通過(guò)一系列反應(yīng)合成了含一氯均三嗪基團(tuán)的反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物.

(2)基于親電取代反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了合成反應(yīng)性苯并三唑結(jié)構(gòu)化合物對(duì)酪氨酸的化學(xué)修飾，修飾后酪氨酸的耐光穩(wěn)定性能得到了大幅提升，原因在于酪氨酸修飾產(chǎn)物分子中含有苯并三唑結(jié)構(gòu)，苯并三唑結(jié)構(gòu)在紫外線光照過(guò)程中生成了互變異構(gòu)體，將吸收的紫外線能量轉(zhuǎn)化為熱能釋放出去，避免了紫外線能量直接作用于酪氨酸破壞其分子結(jié)構(gòu)，從而提升了其耐光穩(wěn)定性能.

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Photostabilityoftyrosinemodifiedbybenzotriazolestructure

XUJingjing,WANGZongqian,PENGZeyang,ZHANGMengyu

(CollegeofTextileandClothing,AnhuiPolytechnicUniversity,Wuhu241000，China)

In order to enhance the photostability of tyrosine, a stage benzotriazole structural compound containing primary amine group was synthesized by oxidative ring closure reaction with o-aminophenol as diazo component and m-phenylenediamine as coupling component. On the basis of this, the target benzotriazole structural compound containing monosodium triazine reactive group was synthesized by stage compound and cyanuric chloride through chlorine substitution reaction. And the covalent modification of the target compound to tyrosine was achieved based on the electrophilic substitution reaction. UV, FTIR and MS methods were used to character the structure of stage product, target product and tyrosine modified product, and light degradation of these products were tested at the same time. The results showed that the covalent modification of the target product to tyrosine can be achieved based on the electrophilic substitution reaction. The degradation rate of tyrosine and modified tyrosine was 61.03% and 26.4% respectively after exposure to UV radiation for 10 h. So the light stability of tyrosine will be improved significantly after modification using this method.

benzotriazole；tyrosine；chemical modification；photo-degradation

TS190.2

A

1674-330X(2017)04-0009-06

2017-06-28

國(guó)家自然科學(xué)基金(51503002)；安徽省自然科學(xué)基金(1608085QB43)；安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A796)；安徽工程大學(xué)中青年拔尖人才項(xiàng)目(2016BJRC007)

徐晶晶(1993-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要研究生態(tài)紡織品及加工技術(shù).

王宗乾(1982-)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)楣δ芑w維的結(jié)構(gòu)調(diào)控與成型技術(shù).E-mail:wzqian@ahpu.edu.cn.