苯并三唑结构化合物修饰酪氨酸的耐光稳定性能

徐晶晶，王宗乾，彭泽阳，张梦宇

(安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000)

苯并三唑结构化合物修饰酪氨酸的耐光稳定性能

徐晶晶，王宗乾，彭泽阳，张梦宇

(安徽工程大学 纺织服装学院，安徽 芜湖 241000)

为提升酪氨酸的耐光稳定性能，实验以邻氨基苯酚为重氮组分、间苯二胺为耦合组分，通过氧化闭环反应合成了阶段产物(含伯胺基的苯并三唑结构化合物).在此基础上，将阶段产物与三聚氯氰发生一氯取代反应合成目标产物(含一氯均三嗪反应基团的苯并三唑结构化合物)，并基于亲电取代反应实现目标产物对酪氨酸的共价修饰；采用紫外、红外、质谱测试表征了阶段产物、目标产物及修饰酪氨酸产物的结构，并对其紫外光降解性能进行了测试.结果表明，基于亲电取代反应可实现目标产物的合成及对酪氨酸的共价修饰，经过10 h紫外线光照射，酪氨酸光降解率达61.03%，而修饰酪氨酸产物的光降解率为26.4%，修饰后酪氨酸的光稳定性能得到大幅提升.

苯并三唑；酪氨酸；化学修饰；光降解

脱胶蚕丝光稳定性能差，光照易发生黄变，现已证实酪氨酸成分在丝素蛋白光黄变中扮演了重要角色[1].在酪氨酸分子结构中，苯环酚羟基邻位具有较高的电子云密度，易发生亲电取代反应.基于对蚕丝中酪氨酸残基结构、分布、反应特性及含量的分析[2-4]，假设基于亲电取代反应将紫外线吸收结构以共价键形式修饰到酪氨酸分子上，用于提升酪氨酸的耐光稳定性能，亦可提高修饰蚕丝耐光稳定性能的湿处理牢度.

苯并三唑结构紫外线吸收剂对290～400 nm的紫外线具有强吸收，是一类高效的光稳定剂，同时具备低毒、高效等特点[5].经紫外线光照，苯并三唑结构可生成光互变异构体[6]，将吸收的紫外线能量转化为热能释放出去，同时其分子结构回到稳定基态.纺织品的常规抗紫外整理多采用浸渍或浸轧工艺将紫外线吸收剂附着到纤维上，附着到纤维上的紫外线吸收剂分子以离子键、氢键和范德华力与纤维结合，无法形成牢固的共价键，存在湿处理牢度低且耐光稳定性不佳等问题[7].反应性苯并三唑化合物分子可与被整理基体形成共价键，具有较高的湿处理牢度[8].关于反应性苯并三唑结构紫外线吸收剂的合成已有较多报道，文献[9]将Ⅱ型苯并三唑结构母体与丙烯酸氯反应生成含有丙烯酰基的苯并三唑(BDHA)结构紫外线吸收剂，文献[10]向苯并三唑结构中引入不饱和双键赋予其反应性，文献[11]以三嗪为桥基，将含有氨基的苯并三唑紫外线吸收剂依次与三嗪、间位酯或对位酯、吗啡啉进行缩合反应，制备了以β-羟乙基砜硫酸酯为反应性基团的苯并三唑紫外线吸收剂.

为此，本研究通过重氮、偶合、氧化闭环反应合成阶段产物(含伯胺基的苯并三唑结构化合物)，在此基础上，将阶段产物与三聚氯氰发生一氯取代反应合成目标产物(含一氯均三嗪反应基团的苯并三唑结构化合物)，并基于亲电取代反应将合成目标产物以共价键形式修饰到蛋白质模拟物酪氨酸分子上[12].本研究将探究酪氨酸修饰的可行性及修饰后酪氨酸的光稳定性能，研究结果将为解决酪氨酸及蚕丝素蛋白质光黄变问题提供实验基础.

1 实验部分

1.1 主要化学药剂

邻氨基苯酚、间苯二胺、质量分数为36%的浓盐酸、亚硝酸钠、醋酸钠、氢氧化钠、N-N二甲基甲酰胺(DMF)、尿素、硫酸铜、氨水、乙二醇、甲醇、冰乙酸、三聚氯氰，以上均为分析纯；淀粉碘化钾试纸(上海阿拉丁试剂有限公司)；实验所用水均为超纯水，由Basic-Q15纯水系统制备(上海和泰仪器有限公司).

1.2 邻氨基苯酚的重氮化

称取1.09 g (0.01 mol)邻氨基苯酚，放入100 mL三口烧瓶中，并加入15 mL超纯水和3.5 mL质量分数为36%的浓盐酸，搅拌至邻氨基苯酚完全溶解.

称取0.76 g (0.011 mol)亚硝酸钠，加入3 mL水配成溶液，搅拌下将配成的亚硝酸钠溶液逐滴加至三口烧瓶中.滴加完毕后继续搅拌，维持体系反应温度为0～5 ℃，反应30 min后得澄清重氮盐溶液.用淀粉碘化钾试纸检验亚硝酸钠是否过量，用尿素破坏过量亚硝酸钠，过滤将所得沉淀去除得澄清重氮盐溶液，0 ℃存放待用.

1.3 偶合反应制备偶氮中间体

以间苯二胺为耦合组分，邻氨基苯酚重氮盐为重氮组分，合成偶氮中间体，反应式如图1所示.称取1.08 g (0.01 mol)间苯二胺，放入250 mL的三口烧瓶中，同时加入15 mL水和1 mL质量分数为36%的浓盐酸，搅拌使其完全溶解.待升温至5～10 ℃，逐滴交替滴加邻氨基苯酚重氮盐及配置的醋酸钠溶液，维持pH值在4～6.待重氮盐滴加完毕后，维持温度在5～10 ℃,反应2 h，然后在室温下继续反应2 h，最后用浓氨水调节pH值至8，过滤后得偶氮中间体粗品，充分水洗，阴干.

图1 偶氮中间体制备Fig.1 Preparation of azo intermediate

1.4 氧化闭环制备伯胺基苯并三唑结构化合物

采用铜氨溶液氧化闭环工艺制备苯并三唑结构化合物，反应式如图2所示.将2.28 g(0.01 mol)偶氮中间体放入250 mL的三口烧瓶中，加5 mL乙二醇到三口烧瓶中溶解偶氮中间体产物，另取6 g硫酸铜溶于20 mL水中，再加入24 mL浓氨水配成铜氨溶液，搅拌使反应完全.将所得的深蓝色溶液加到三口烧瓶中，升温至95 ℃，反应2 h，冷却至室温,过滤，水洗至无色，得到湿滤饼.将湿滤饼加入30 mL浓度为10 mol/L的盐酸溶液中，搅拌反应1 h，过滤水洗，再将湿滤饼悬浮于15 mL水中，用浓氨水调节pH值至8，过滤，水洗，干燥.将粗产物和乙酸乙酯以100∶1的料液比充分混合，加热至沸腾，趁热过滤，保留滤液，蒸干溶剂，得到最终产物.

图2 伯胺基苯并三唑结构化合物的合成Fig.2 Synthesis of benzotriazole structural compound containing primary amine group

1.5 氯代反应制备反应性苯并三唑结构化合物

将伯胺基苯并三唑结构化合物与三聚氯氰发生一氯取代反应合成反应性苯并三唑结构化合物，反应式如图3所示.称取1.13 g(0.005 mol)合成的伯胺基苯并三唑结构化合物加至250 mL的三口烧瓶中，同时加30 mL冰醋酸，后称取0.82 g(0.01 mol)醋酸钠和0.915 g(0.005 mol)三聚氯氰化合物于烧杯中，加入 20 mL的冰醋酸,用玻璃棒搅拌使其溶解，然后将烧杯中的溶液在室温条件下慢慢滴加到三口烧瓶中，在半小时内加完，滴加完毕后在室温条件下搅拌反应1 h，过滤，保留滤饼，干燥得粗产物[13]，采用乙醇/水(体积比为1∶1)溶剂对其重结晶提纯.

图3 反应性苯并三唑结构化合物合成Fig.3 Synthesis of reactive benzotriazole structural compound

1.6 酪氨酸的化学修饰

将合成的反应性苯并三唑化合物对酪氨酸进行修饰，反应式如图4所示.称取0.91 g(0.005 mol)酪氨酸放入100 mL的三口烧瓶中，加30 mL水，用NaOH溶液调节pH值至9～10，同时称取合成的反应性苯并三唑结构化合物1.885 g(0.005 mol)加至体系中，升温至60 ℃，反应2 h，反应结束后用稀盐酸溶液调节体系pH值至4～5，过滤，水洗，阴干，制得产物.

图4 酪氨酸化学修饰反应Fig.4 Chemical modification of tyrosine

1.7 紫外光降解

分别对合成伯胺基苯并三唑结构产物、酪氨酸修饰产物的紫外线光降解率进行测试，同时与酪氨酸的光降解率进行对比.光降解实验在XPA型光化学反应仪(南京胥江机电厂)中进行，紫外线光源为500 W汞灯(飞利浦)，光降解样品溶于N-N-二甲基甲酰胺，浓度均为3.0×10-3mol/L.光降解实验中，采用PE膜密封各石英试管.依据光照过程中各光照样品在特征波长下吸光度的变化，计算其光降解率，如式(1)所示:

(1)

式中：Ai为光照一定时间后，待测样品最大吸收波长下的吸光度值；A0为光照前待测样品最大吸收波长下的吸光度值.

1.8 测试部分

1.8.1紫外(UV)光谱测试

采用UV-2600型紫外分光光度计(上海天美仪器公司)分别对邻氨基苯酚及其重氮盐、偶氮中间体、阶段产物、目标产物及修饰酪氨酸产物的紫外光谱进行测试，测试溶剂为DMF，测试波段为200～700 nm.

1.8.2红外光谱(FTIR)测试

采用IRPrestige-21型傅里叶变换红外光谱仪(日本岛津)，用KBr压片法测试偶氮中间体、阶段产物、目标产物及修饰酪氨酸产物的红外谱图，扫描次数为32 s-1，分辨率为 4 cm-1.

1.8.3质谱(MS)测试

采用Shimadzu LCMS-8030型液相色谱质谱仪(日本岛津)，测试偶氮中间体、阶段产物及修饰酪氨酸产物，以乙腈为溶剂，测试过程使用正态模式；目标产物以乙酸铵为溶剂，测试过程使用负态模式.

2 结果与讨论

2.1 产物的合成与表征

测试了实验合成的偶氮中间体、伯胺基苯并三唑化合物、反应性苯并三唑化合物的紫外光谱，结果如图5所示.

图5 各阶段产物紫外谱图Fig.5 UV spectra of each stage products

图5中偶氮中间体因共轭体系的增长，在可见光波段具有特征吸收，最大吸收波长为457 nm；氧化闭环反应后，共轭体系被破坏，生成的伯胺基苯并三唑结构化合物在可见光波段没有特征吸收，其特征吸收波段为270～380 nm，是一类性能优良的紫外线吸收剂.三嗪环在UVB波段具有特征吸收，苯并三唑结构在UVA具有特征吸收，而反应性苯并三唑结构化合物兼具三嗪环和苯并三唑环的紫外特征吸收，属双母体紫外线吸收结构，可判定实验合成的反应性苯并三唑结构化合物理论上具有更广谱的紫外线吸收功能.

实验对各合成产物的红外、质谱进行了测试，结果如图6至图8所示.

图6 伯胺基苯并三唑结构化合物Fig.6 FTIR spectra of compounds of primary amino benzotriazole

图7 反应性苯并三唑结构化合物Fig.7 FTIR spectra of compounds of reactive benzotriazole

图8 阶段产物与目标产物质谱图Fig.8 MS spectra of stage product and target product

2.2 酪氨酸的化学修饰及修饰酪氨酸的光降解

依据1.6所述，完成了反应性苯并三唑结构化合物对酪氨酸的化学修饰，采用红外、质谱测试表征了酪氨酸修饰产物的结构，结果分别如图9和图10所示.

图9 酪氨酸修饰产物红外谱图Fig.9 FTIR spectra of modified tyrosine product

图10 酪氨酸修饰产物质谱图Fig.10 MS spectra of modified tyrosine product

图11 伯胺基苯并三唑结构化合物及酪氨酸修饰产物光降解率曲线Fig.11 Photodegradation rate curve of benzotriazole compound containing primary amino group

依据1.7所述，测试了合成伯胺基苯并三唑结构化合物及酪氨酸修饰产物的光降解性能，结果如图11所示.

3 结论

(1)实验以邻氨基苯酚、间苯二胺、三聚氯氰为主要反应物，通过一系列反应合成了含一氯均三嗪基团的反应性苯并三唑结构化合物.

(2)基于亲电取代反应实现了合成反应性苯并三唑结构化合物对酪氨酸的化学修饰，修饰后酪氨酸的耐光稳定性能得到了大幅提升，原因在于酪氨酸修饰产物分子中含有苯并三唑结构，苯并三唑结构在紫外线光照过程中生成了互变异构体，将吸收的紫外线能量转化为热能释放出去，避免了紫外线能量直接作用于酪氨酸破坏其分子结构，从而提升了其耐光稳定性能.

[1] WANG Z,CHEN W,CUI Z,et al.Studies on photoyellowing of silk fibroin and alteration of its tyrosine content[J].The Journal of the Textile Institute,2016,107(4):413-419.

[2] SALMEEN A,ANDERSEN J N,MYERS M P,et al.Redox regulation of protein tyrosine phosphatase 1B involves a sulphenyl-amide intermediate[J].Nature,2003,423(6941):769-773.

[3] CSEREP G B,HERNER A,WOLFBEIS O S,et al.Tyrosine specific sequential labeling of proteins[J].Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters,2013,23(21):5776-5778.

[4] 龙国徽,纪媛,潘洪斌,等.大豆球蛋白的红外和Ra一氯均三嗪型染料与蚕丝纤维键合的HPLC研究man光谱分析[J].吉林大学学报(理学版),2014(4):840-846.

[5] 郭振宇,周淑静,丁著明.苯并三唑类紫外线吸收剂的研究进展[J].精细与专用化学品,2007,15(10):1-13.

[6] CRAWFORD J C.2(2-hydroxyphenyl)2H-benzotriazole ultraviolet stabilizers[J].Progress in Polymer Science,1999,24(1):7-43.

[7] 王宗乾,郦金炯,张胡林.苯并三唑结构紫外线吸收剂对蚕丝耐光稳定性能的影响[J].纺织学报,2016,37(7): 109-114.

[8] CHEN W,WANG Z,CUI Z,et al.Improving the photostability of silk using a covalently-bound UV absorber[J].Polymer Degradation & Stability,2015(121):187-192.

[9] 陈立新,郑水蓉.反应型光稳定剂的合成[J].化工新型材料,2000,28(7):20-21.

[10]MIYABAYASHI T,KATO S.Thermoplastic Ethylene-vinyl Acetate Copolymer functions as dispersant;emulsion/catalytic polymerization; improved lightfastness,waterfastness,color development,and rubbing/scratch resistance:6972303[P].2005-12-06.

[11]王芳.苯并三唑类活性紫外线吸收剂的合成研究[D].沈阳：沈阳化工学院,2003.

[12]王海峰,陈建村,杨静新,等.一氯均三嗪型染料与蚕丝纤维键合的HPLC研究[J].纺织学报,2007,28(4):64-68.

[13]BOJINOV V B,GRABCHEV I.Synthesis of new combined 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-2-hydroxyphenylbenzotriazole 1,3,5-triazine derivatives as stabilizers for polymers[J].Polymer Degradation & Stability,2001,74(3):543-550.

[14]王锦艳,刘程,卢冬明,等.主链含芳基均三嗪环结构杂萘联苯共聚芳醚腈的结构与性能[J].高分子学报,2012(11):1283-1288.

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

国家自然科学基金(51503002)；安徽省自然科学基金(1608085QB43)；安徽省高校自然科学研究重点项目(KJ2016A796)；安徽工程大学中青年拔尖人才项目(2016BJRC007)

徐晶晶(1993-)，男，安徽安庆人，硕士研究生，主要研究生态纺织品及加工技术.

王宗乾(1982-)，男，副教授，博士，研究方向为功能化纤维的结构调控与成型技术.E-mail:wzqian@ahpu.edu.cn.