3种异斯特维醇衍生物的分子表面活性_傅柯文.pdf

傅柯文，岳旭，赵铮，曹发东，宣集高，郑春玲（南京工业大学食品与轻工学院纺织助剂与生态染整研究所，江苏南京 211816）摘要：借助聚醚链段在天然产物异斯特维醇上连接不同基团，制备了3种异斯特维醇衍生物，对制备产物进行结构表征，测定其临界胶束浓度，并借助分子模拟对产物分子的电荷分布进行定量分析、预测产物分子与水分子产生静电吸引的位点、计算产物分子与水分子作用的结合能，初步探究衍生物临界胶束浓度与分子结构间的构效关系。结果表明：通过表面张力法测定3种衍生物作为表面活性剂时的临界胶束浓度分别为7.6、10.0、10.9 mmol/L，模拟显示对应分子的柔顺性越来越弱、偶极矩越来越大；分子模拟和HLB值定量计算证明，3种衍生物分子均具有与十二烷基磺酸钠相似的表面活性。关键词：异斯特维醇；甲基咪唑；联吡啶；分子模拟中图分类号:O621文献标志码:A文章编号:1004-0439（2023）01-0018-07Molecular surface activities of three isosteviol derivativesFU Kewen,YUE Xu,ZHAO Zheng,CAO Fadong,XUAN Jigao,ZHENG Chunling(Institute of Textile Additives and Ecological Dyeing and Finishing,College of Food Science and Light Industry,Nanjing Tech University,Nanjing 211816,China)Abstract:With the help of polyether chain segments to connect different groups on the natural productisosteviol,three isosteviol derivatives were prepared.The structure of the prepared product was characterized,its critical micelle concentration was measured,and the charge distribution of the product molecules was quantitatively analyzed by molecular simulation,the sites of electrostatic attraction between the product moleculesand water molecules were predicted,and the binding energy of the product molecules and water moleculeswas calculated,the structure-activity relationship between the critical micellar concentration of derivatives andtheir molecular structures was preliminarily explored.The results showed that the critical micelle concentrations of the three derivatives as surfactants determined by surface tension method were 7.6,10.0,10.9 mmol/Lrespectively.The simulation showed that the flexibility of the corresponding molecules became weaker andweaker,and the dipole moment became larger and larger.Molecular simulation and quantitative calculation ofHLB value showed that the three derivatives had similar surface activity as sodium dodecyl sulfonate.Key words:isosteviol;methylimidazole;bipyridine;molecular simulation收稿日期：2022-01-05基金项目：江苏省大学生创新创业训练计划项目（2020DC0774）作者简介：傅柯文（1997），女，硕士在读，研究方向为天然产物的功能化与应用。通信作者：郑春玲（1979），女，副教授，博士，研究方向为轻化工程、功能化学品、高分子材料改性加工，E-mail：。表面活性剂是一种具有强表面活性，能使液体表面张力显著下降的物质，在工农业助剂领域具有广泛应用。用于染整工业的天然产物衍生的表面活性剂种类较为单一，有些高性能的表面活性剂需要使用化学方法合成。这些化学合成的表面活性剂在生产过程中常伴随着环境污染，使用过程中也存在难降解等问题。因此，利用天然产物衍生物制备表面活性剂是扩充绿色表面活性剂种类的有效途径。本实验的研究对象为天然产物异斯特维醇（分子结构如下），该物质通过从甜叶菊中提取的天然成分在酸性条件下水解并重排得到1-2。异斯特维醇是一种含有贝叶烷结构的四环二萜类化合物，分子具3种异斯特维醇衍生物的分子表面活性印 染 助 剂TEXTILE AUXILIARIESVol.40 No.1Jan.2023第40卷第1期2023年1月1期有刚性骨架，两个极性基团（C16上的羰基和 C19上的羧基）在四环中心的同侧构成一个马鞍式空腔，进而形成独特的空腔结构3。有研究表明，这种特殊的结构使异斯特维醇分子具有药用生物活性、手性识别和催化功能4-6，这些性质都源于马鞍式空腔与不同客体分子之间的相互作用。据此推测，这种马鞍式结构在水溶液中可以与水分子产生一定的疏水相互作用，从而发生自聚集。为了使异斯特维醇分子具有更好的表面活性，借鉴常用表面活性剂十二烷基磺酸钠的结构，将异斯特维醇分子C19上的羧基通过聚醚链段修饰，并在链段尾部引入不同基团和阴离子，使异斯特维醇分子形成同时具有亲水性头部和疏水性尾部的结构。表面活性剂分子的结构决定其性能，为了更直观地探寻异斯特维醇类表面活性剂分子表面性能与分子结构的关系，本实验借助分子模拟的方法对其进行量化计算，研究衍生物分子与水分子的相互作用体系，总结异斯特维醇衍生物分子作为表面活性剂使用时的构效关系，为指导合成具有不同表面性能的异斯特维醇衍生物类表面活性剂提供理论依据，同时为进一步研究其他类型的天然表面活性剂分子提供思路。1实验1.1试剂与仪器试剂：石油醚、乙酸乙酯、乙腈、二氯甲烷（化学纯，无锡市亚盛化工有限公司），对甲苯磺酰氯（化学纯）、甲醇（化学纯）、碘化钠（化学纯）、N-甲基咪唑（纯度99%）、4,4-联吡啶 阿拉丁试剂（上海）有限公司，三甘醇（化学纯，上海沪试环保试剂科技有限公司），甜菊糖苷（上海毕得医药科技有限公司），十二烷基磺酸钠 C12H25SO4Na，化学纯，阿拉丁试剂（上海）有限公司。仪器：NEXUS 870傅里叶红外光谱仪（赛默飞世尔科技公司），DDS-307A电导率仪（上海仪电科学仪器股份有限公司），Agilent Cary 60紫外-可见分光光度计（安捷伦科技有限公司），DZF-600真空干燥箱（上海精宏实验设备有限公司），BSA-CW 电子天平（北京赛多利斯仪器有限公司），BZY-201全自动表面张力仪（美国Kino公司），Gaussian09E01软件（美国Gaussian Inc.），DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器（苏州赛恩斯仪器有限公司）。1.2异斯特维醇衍生物的制备取甜菊糖苷5 g至500 mL三口烧瓶中，缓慢加入10%的硫酸溶液250 mL，磁力搅拌，油浴85 反应7h，冷却至室温，重结晶后放置于4 的冰箱，白色晶体析出，过滤后干燥得异斯特维醇1.10 g4。取三甘醇2 g（1.78 mL）至100 mL单口烧瓶中，加入15 mL无水二氯甲烷、5.08 g对甲苯磺酰氯、5.98 g氢氧化钾，磁力搅拌，反应4 h（薄层色谱TLC监测反应完毕），用饱和食盐水洗涤，无水硫酸钠干燥，浓缩，柱层析纯化 V（石油醚）V（乙酸乙酯）=4 1，得化合物,-二乙基三甘醇 5.12 g。异斯特维醇与,-二乙基三甘醇在高温下发生亲核取代反应，得到关键中间体化合物；利用关键中间体化合物与碘化钠反应生成碘化物、与溴化锂发生取代反应生成溴化物的原理，将碘化物与N-甲基咪唑在高温油浴、N2保护条件下反应48 h后制得产物C1，将溴化物分别与N-甲基咪唑和4,4-联吡啶在高温油浴、N2保护条件下反应48 h后制得产物C2、C3。1.3分子模拟实验首先优化实验制备的3种异斯特维醇衍生物分子构型，使用Linux系统下的Gaussian09量子化学程序，采用B3LYP泛函下的def2tzvp基组对产物C1、C2和C3进行结构优化，得到3种分子的最低能量结构。对比实验选择十二烷基磺酸钠分子作为参比分子，在相同的实验条件下进行计算，能量最低结构所对应的构象在化合物中所占成分最多，得到能量最低结构分子的偶极矩信息以及在相应基组下的分子总能量。探究与水分子的相互作用，模拟3种异斯特维醇衍生物分子作为表面活性剂时在水溶液中构象的变化，以及 3 种衍生物分子与水分子的相互作用力强弱。本实验选择在衍生物分子周围放置7个水分子，模拟其在水溶液中的行为，C1+7H2O、C2+7H2O以及C3+7H2O 体系均选用 B3LYP/def2tzvp 基组进行结构优化。为了得到衍生物分子与水分子相互作用时的能量，计算时考虑了色散矫正，同样选用十二烷基磺酸钠和 7 个水分子作为参比，计算完成后再使用Windows 系统下的波函数分析程序 Multiwfn 对输出OCOOH3D结构图化学结构式异斯特维醇分子结构傅柯文，等：3种异斯特维醇衍生物的分子表面活性19印染助剂40卷文件进行分析7-8。1.4测试1.4.1表面张力以蒸馏水作为溶剂，将制得的产物C1、C2和C3分别配制成0.5 mol/L的母液进行梯度稀释，制备15组不同浓度的溶液，在全自动表面张力仪上，采用铂金环法，在恒温 25 下进行测试，每组溶液测试 5次，确保数据之间差值不超过0.2 mN/m。1.4.2电导率以蒸馏水作为溶剂，采用电导率仪对15组梯度浓度C1、C2和C3溶液进行测定。恒温水浴槽保持恒温25，每组溶液测试5次，取平均值。2结果与讨论2.1临界胶束浓度与分子结构的关系在表面活性剂分子形成胶束时，浓度-表面张力关系图中会形成明显的转折点。将实验测定的不同浓度产物的表面张力绘制成曲线（如图1所示），并对转折点两侧的数据点进行线性拟合，两条直线的交点即为表面活性剂分子形成胶束时的临界浓度。经过计算，3种衍生物分子在水溶液中的临界胶束浓度分别为7.6、10.0、10.9 mmol/L。同理，采用电导率法测定3种衍生物分子的临界胶束浓度分别为8.6、16.0、17.7 mmol/L。2.2构型优化以及分子表面性质分析在 B3LYP 泛函下采用 def2tzvp 基组对产物 C1、C2、C3和十二烷基磺酸钠进行构型优化和频率分析，得到分子的基本结构信息，构象图如图2所示，偶极浓度/（molL-1）表面张力/（mNm-1）0650.01700.02 0.03 0.04 0.055560455040电导率/（Scm-1）00.012 5000.02 0.03 0.04 0.0505002 0001 5001 000浓度/（molL-1）C1浓度/（molL-1）表面张力/（mNm-1）00.010.02 0.03 0.04 0.0555604550400