結構修飾環(huán)烯醚萜類化合物對真絲綢的染色作用

于 穎

(遼東學院 化工與機械學院，遼寧 丹東 118003)

大宗植物山茱萸、梔子、龍膽等含有大量環(huán)烯醚萜類化合物，這些環(huán)烯醚萜化合物因具有多種藥理活性，被廣泛應用在醫(yī)藥領域。已有研究表明環(huán)烯醚萜類化合物能夠與含伯氨基的蛋白質(zhì)纖維發(fā)生呈色反應[1-2]，但到目前為止，環(huán)烯醚萜類化合物被開發(fā)為染料應用于紡織品染色的相關研究卻很少。本研究嘗試將4種具有代表性的環(huán)烯醚萜化合物——京尼平苷、馬錢苷、獐芽菜苦苷和莫諾苷(結構式見圖1～圖4)進行結構修飾，獲得相應的苷元后用于真絲綢染色，即在原來的分子結構中引入新的助色基團，獲得與天然產(chǎn)物母核結構相似的衍生物，改變蛋白質(zhì)纖維所呈現(xiàn)的顏色[3]。這不僅增加了環(huán)烯醚萜類化合物的種類，同時也拓寬了此類天然環(huán)烯醚萜類活性染料的色譜范圍，為獲取蛋白質(zhì)纖維天然染色材料來源提供了新途徑。

1 試驗

1.1 材料與儀器

織物：12103練白真絲雙縐(16姆米(68.89 g/m2),杭州方大絲綢有限公司)。

藥品：京尼平苷、馬錢苷、獐芽菜苦苷和莫諾苷(上海麥克林生化科技有限公司，純度≥ 98%)；β-葡萄糖苷酶、磷酸鹽緩沖溶液(北京謹明生物科技有限公司)；苯甲酰氯、醋酸、硝酸銀、氫氧化鈉等試劑均為分析純(山西恒泰佳源生物科技有限公司)。

儀器：電噴霧質(zhì)譜儀(日本島津)；UV752N型紫外可見分光光度計(青島精誠儀器儀表有限公司)；FA1004N型電子分析天平、PHSJ-4A型實驗室pH計(上海梅穎浦儀器儀表制造有限公司)；RJ-1180型高溫小樣機(靖江市華夏科技有限公司)；SHA-2低溫水浴恒溫振蕩器(常州冠軍儀器制造有限公司)；Y571B型電動摩擦色牢度儀(常州市雙固頓達機電科技有限公司)；YG611M風冷式日曬氣候色牢度儀(浙江三工匠儀器有限公司)；HB-7117型耐水洗牢度測試儀(東莞市弘寶檢測設備有限公司)。

1.2 試驗方法

1.2.1 4種天然環(huán)烯醚萜類化合物的結構修飾

1)京尼平苷酸結構的修飾——酯水解法

京尼平苷酸的制備：稱取京尼平苷酸1 g，加入200 mL醋酸鹽緩沖溶液(pH=5.0)，溶解后再加入50 mg β-葡萄糖苷酶，在50 ℃水浴中反應6 h，水解液冷卻至室溫后，用乙酸乙酯萃取3次,每次100 mL，合并有機相，再經(jīng)飽和氯化鈉溶液洗滌，無水硫酸鈉干燥，靜置24 h,回收溶劑，得到產(chǎn)物。

京尼平苷酸酶水解為苷元：稱取京尼平苷酸1 g，加入200 mL醋酸鹽緩沖溶液(pH=5.0)，溶解后再加入50 mg β-葡萄糖苷酶，在50 ℃水浴中反應6 h，水解液冷卻至室溫后，用300 mL乙酸乙酯分3次萃取，合并有機相，再經(jīng)飽和氯化鈉溶液洗滌，無水硫酸鈉干燥，靜置24 h,回收溶劑，即得京尼平苷酸苷元。

2)獐芽菜苦苷結構的修飾——苷交換法

將2 g獐芽菜苦苷投入裝有400 mL甲醇的錐形瓶中，充分溶解后，滴加30 mL濃鹽酸，70 ℃水浴回流。反應24 h后 ,終止反應。冷卻至室溫用飽和碳酸氫鈉調(diào)節(jié)pH為7，回收甲醇，剩余水相用150 mL乙酸乙酯分3次萃取，合并有機相，用飽和食鹽水洗滌，無水硫酸鈉進行干燥，濃縮，即得獐芽菜苦苷苷元粗品。將制得的粗品用硅膠柱層析，以CHCl3-MeOH系統(tǒng)作為洗脫劑洗脫，經(jīng)薄層色譜檢測，合并相同流份，濃縮、重結晶得到甲基獐芽菜苦苷苷元。

3)馬錢苷結構的修飾——?；磻?/p>

馬錢苷結構修飾產(chǎn)物的制備：將馬錢苷、苯甲酰氯和三乙胺按摩爾比1.0∶1.1∶1.1依次投入250 mL錐形瓶中(其中馬錢苷為0.4 g，已用100 mL二氯甲烷溶解)，在冰水浴中磁力攪拌至完全反應后減壓回收溶劑。產(chǎn)物溶解于蒸餾水中，用150 mL二氯甲烷分3次萃取，再用1.5 mol/L的鹽酸溶液洗滌中和有機相體系中的三乙胺，用無水硫酸鈉干燥0.5 h，減壓回收溶劑，即得馬錢苷結構修飾產(chǎn)物。

馬錢苷結構修飾產(chǎn)物酶水解為苷元：稱取馬錢苷結構修飾產(chǎn)物4 g，加入pH=5.0的醋酸鹽緩沖溶液50 mL，溶解后再加入80 mg β-葡萄糖苷酶于50 ℃水浴2 h，用乙醚將水解液萃取3次,每次50 mL，合并有機相，再經(jīng)飽和氯化鈉溶液洗滌，無水硫酸鈉干燥、濃縮、重結晶后得到產(chǎn)物。采用ESI-MS對產(chǎn)物分子質(zhì)量進行測定，如果所測分子質(zhì)量與馬錢苷結構修飾產(chǎn)物苷元分子質(zhì)量吻合，則可以判斷為目標產(chǎn)物。

同法制備莫諾苷結構修飾產(chǎn)物，再經(jīng)酶水解得到修飾產(chǎn)物苷元。

1.2.2 絲素蛋白溶液的制備

將1 g蠶絲放入50 mL 0.5 mg/mL的中性皂溶液中，于100 ℃處理120 min，完全脫膠后，充分洗滌、晾干,再放入5 mL濃度為9 mol/L的溴化鋰溶液，于55 ℃加熱至完全溶解，自然冷卻后透析36 h，去除溴化鋰等雜質(zhì)，經(jīng)硝酸銀檢測合格后，溶液濃度用Brandford法測定。

1.2.3 環(huán)烯醚萜類化合物修飾產(chǎn)物對真絲綢的染色

稱取每份1 g的真絲綢樣品，在50 ℃條件下，用2 g/L的純堿溶液40 mL 處理20 min，充分清洗后，分別置于試管中，各加入7.5 mL的磷酸鹽緩沖溶液(pH=8.0)，再分別加入4種修飾產(chǎn)物25 mg，在50 ℃磁力攪拌2 h。清洗、晾干，測定染色樣品K/S值，以確定顏色產(chǎn)物。

1.2.4 UV-vis分析

稱取修飾產(chǎn)物苷元各15 mg放入試管中，用5 mL蒸餾水溶解后，再加入pH=8.0的磷酸鹽緩沖溶液5 mL，在50 ℃下水浴震蕩20 min后，加入質(zhì)量濃度為1 mg/mL的絲素蛋白水溶液3 mL，繼續(xù)震蕩6 h，觀察顏色變化，用UV-vis測量不同反應時間內(nèi)吸收波長變化情況。

1.2.5 測試方法

1)K/S值測試

利用測色配色儀測定染后樣品的K/S、明度(L*)、紅綠(a*)、黃藍(b*)和彩度(c*)值，D65光源，10°視角。

2)染色蛋白質(zhì)纖維色牢度的測試

分別按照GB/T 3921—2008《紡織品色牢度試驗耐洗色牢度：試驗1》、GB/T 3920—1997《紡織品色牢度試驗耐摩擦色牢度》、GB/T 8426—1998《紡織品色牢度試驗耐光色牢度：日光測試》測定纖維染色牢度。

2 結果與討論

2.1 環(huán)烯醚萜類化合物結構修飾的原理

環(huán)烯醚萜化合物可通過酯水解、苷交換、乙?；确椒ㄟM行結構修飾，獲得與天然產(chǎn)物母核相似的衍生物[3]。不同分子結構的環(huán)烯醚萜類化合物采用的修飾方法也不相同。京尼平苷在堿性條件下酯水解，脫去甲氧基，生成京尼平苷酸，再經(jīng)β-葡萄糖苷酶水解脫去葡萄糖，才能得到修飾產(chǎn)物苷元(見圖5)；獐芽菜苦苷與京尼平苷不同，屬于裂環(huán)烯醚萜類氧糖苷[4]，是環(huán)烯醚萜苷的C-7—C-8斷鍵開環(huán)衍生而成的化合物，含有烯鍵和醚鍵六元環(huán)結構，容易發(fā)生水解轉化，這種特殊的環(huán)烯醚萜結構酶水解為苷元時容易產(chǎn)生副產(chǎn)物，所以獐芽菜苦苷不適合采用酯水解的方法進行結構修飾。而其在進行乙酰化反應時，母核上的羥基周圍位阻較大，糖苷上的羥基被乙?；负松系牧u基卻未被氧化[5]，得不到目標產(chǎn)物苷元，所以也不適合選用這種方法進行結構修飾。獐芽菜苦苷只適合采用“苷交換”的方法進行結構修飾，即獐芽菜苦苷在酸性條件與甲醇反應，利用甲基取代原來的分子結構中的葡萄糖基得到與天然產(chǎn)物母核結構相似的衍生物——甲基獐芽菜苦苷苷元(見圖6)，這種結構修飾衍生物的方法為獐芽菜苦苷這樣結構特殊的環(huán)烯醚萜化合物找到了簡單、無副產(chǎn)物的制備衍生物的新方法；莫諾苷和馬錢苷屬于閉環(huán)環(huán)烯醚萜，同樣含有烯—醚鍵六元環(huán)結構，這兩種化合物結構修飾主要是通過苯甲酰氯酰化反應后分子中引入了一個π—π發(fā)色基團，生成了C-6位的衍生物，再經(jīng)酶水解獲得相應的苷元(見圖7和圖8)。與天然環(huán)烯醚萜母體相比，其結構修飾衍生物的呈色基團的共軛體系會變長，分子能量會降低，所以在同樣的呈色反應體系中，生成色素的顏色卻不相同。通過結構修飾可以達到增加此類化合物的種類、擴充色譜范圍的目的。

2.2 環(huán)烯醚萜類修飾產(chǎn)物染色機理

環(huán)烯醚萜類化合物的染色機理與傳統(tǒng)的天然染料和合成染料有本質(zhì)的區(qū)別：后二者都是有色物質(zhì)，染色時是用自身的顏色覆蓋底物而使其著色，而環(huán)烯醚萜類化合物本身不含發(fā)色基團，卻可以上染真絲綢等蛋白質(zhì)纖維，且染色堅牢度非常高。環(huán)烯醚萜類化合物染色真絲綢的過程較復雜，染色時六元環(huán)上的碳原子受到氨基親核基團的進攻而發(fā)生開環(huán)，即C1—O鍵斷裂、重排后，在C1、C3處形成2個醛基活性基團，再與真絲綢蛋白質(zhì)分子中的氨基反應形成最終的顏色產(chǎn)物[6]。六元環(huán)上的取代基起著助色基團的作用，染色效果比一般的天然染料更好。環(huán)烯醚萜類修飾產(chǎn)物的染色機理與環(huán)烯醚萜類化合物一致，這是因為所有環(huán)烯醚萜類化合物都具有烯鍵和醚鍵的六元環(huán)狀母核的特征結構，其修飾產(chǎn)物只是引入了助色基團，母核結構沒有發(fā)生變化，所以染色機理相同。環(huán)烯醚萜類化合物種類有限，通過掌握其染色機理，可為其作為一類環(huán)境友好的“天然活性染料”，并在蛋白質(zhì)纖維染色這一新領域得以應用。

2.3 修飾產(chǎn)物染色真絲綢

4種修飾產(chǎn)物染色真絲綢樣品皂洗后的顏色特征值測定結果見表1。由表1可以看出，4種修飾產(chǎn)物染色真絲綢的效果很好，色彩鮮艷而純正，這是因為4種修飾產(chǎn)物均可與蛋白質(zhì)纖維中伯氨基直接發(fā)生呈色反應。真絲綢為典型的蛋白質(zhì)纖維，其中含有大量的伯氨基，染料可及區(qū)域大，纖維容易上染。4種修飾產(chǎn)物直接染色樣品皂洗后呈現(xiàn)紫紅色、綠色、橙紅色和亮黃等顏色。其中京尼平苷酸苷元染色樣品的K/S值最大，這是因為京尼平苷是環(huán)烯醚萜類最具代表性的化合物，其衍生產(chǎn)物苷元含有—COOH、—OH等多個活性基團，能夠與氨基酸側鏈基團發(fā)生一系列的聚合、重排反應，生成穩(wěn)定的顏色產(chǎn)物，染色效果更好。

表1 染色真絲綢的顏色特征值

2.4 修飾產(chǎn)物與絲素蛋白呈色反應UV-vis分析結果

幾種修飾產(chǎn)物苷元與絲素蛋白水溶液呈色反應UV-vis光譜分析結果如圖9～圖12所示。反應前，絲素蛋白溶液在215和280 nm處具有肽鍵吸收峰及典型的蛋白質(zhì)吸收峰，可見光區(qū)均無吸收[7]；幾種修飾產(chǎn)物苷元與其反應后，原來的各自吸收峰發(fā)生了變化，色素呈色也不相同。

圖9為京尼平苷酸苷元與絲素蛋白溶液反應后的紫外可見光譜。未反應前，京尼平苷酸苷元水溶液只在238 nm處具有最大特征光吸收值；反應初期，290及380 nm處出現(xiàn)了新的吸收峰，為反應的中間產(chǎn)物；隨后原來各自的紫外吸收峰降低，在552 nm處出現(xiàn)一個新的特征光吸收峰，并且隨著反應時間的延長吸收峰不斷增高；直至2 h后，特征光吸收峰不變，色素最終呈現(xiàn)紫紅色。結果說明所生成的顏色產(chǎn)物的最大特征光吸收值在552 nm處。

圖10為甲基獐芽菜苦苷苷元與絲素蛋白溶液反應后的紫外可見光譜。反應前，甲基獐芽菜苦苷苷元的特征吸收峰在237和242 nm處；反應進行30 min后，原來各自的紫外吸收峰明顯降低，反應液由無色變?yōu)闇\黃色；90 min后反應液在237和242 nm處的特征吸收峰完全消失，在417 nm處出現(xiàn)新的特征吸收峰，并且隨著時間的延長特征吸收峰不斷增高，反應液呈現(xiàn)亮黃色；當反應進行至2 h后，甲基獐芽菜苦苷苷元在417 nm處的吸收峰和溶液顏色不再變化，這說明呈色反應生成色素的最大特征吸收峰在417 nm處。

圖11為莫諾苷修飾產(chǎn)物苷元與絲素蛋白溶液反應后的紫外可見光譜。反應前，莫諾苷修飾產(chǎn)物苷元的特征吸收峰在241 nm處；隨著反應時間的增長，反應液的顏色由淺黃色逐漸加深；60 min后240 nm處特征吸收峰消失，并在360 nm和530 nm處有新的特征吸收峰；在2 h后形成最終的橙紅色色素，吸收峰再無變化。

圖12為馬錢苷修飾產(chǎn)物苷元與絲素蛋白溶液反應后的紫外可見光譜。反應前，馬錢苷結構修飾產(chǎn)物苷元的特征吸收峰在241 nm處；反應進行30 min后，原來各自的紫外吸收峰降低，反應液由無色變?yōu)闇\黃色；40 min后241 nm處的特征吸收峰完全消失，反應液呈現(xiàn)黃色；當反應進行至60 min后，在465 nm處出現(xiàn)新的吸收峰，反應液呈現(xiàn)橙黃色；1.5 h后，在670 nm處出現(xiàn)新的特征吸收峰，溶液呈現(xiàn)綠色；2 h后，465和670 nm處的2個吸收峰不再變化，溶液仍然為綠色。

2.5 修飾產(chǎn)物染色真絲綢的色牢度

色牢度是評價染料染色最重要的質(zhì)量指標。各修飾產(chǎn)物染色真絲綢樣品的色牢度如表2所示：染色樣品各項色牢度很好，均達到4～5級。這是由于常見的天然染料染色蛋白質(zhì)纖維，主要靠分子間作用力，上染率較低，化學合成的活性染料只是用染料自身的顏色去遮蓋底物的顏色[7]，而作為天然活性染料的環(huán)烯醚萜類修飾產(chǎn)物染色真絲綢，是通過其與纖維中的伯氨基反應而形成纖維-染料-顏色的“三位一體”[8]，所以染色牢度更高，完全符合染色要求。

表2 染色真絲綢色牢度

3 結論

1)幾種環(huán)烯醚萜化合物結構修飾產(chǎn)物染色真絲綢呈現(xiàn)紫紅、綠色、橙紅色、亮黃等鮮艷的顏色，與原有的各種染料相比這類染料染色重現(xiàn)性好，具有更高的色牢度，均能達到4～5級。

2)通過對環(huán)烯醚萜類化合物進行結構修飾，掌握其染色機理，可以為一類全新的蛋白質(zhì)材料專用天然活性染料的創(chuàng)制提供思路，有利于提高天然染料的規(guī)?；a(chǎn)，而且此類天然活性染料對環(huán)境無污染，滿足了染整綠色環(huán)保的要求，具有很好的應用前景。