3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇的結構鑒定及抗氧化性研究

羅忠明,劉 柳,逯與運,孫元奎,晏日安

(暨南大學食品科學與工程系,廣東廣州 510632)

3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇的結構鑒定及抗氧化性研究

羅忠明,劉 柳,逯與運,孫元奎,晏日安*

(暨南大學食品科學與工程系,廣東廣州 510632)

以鄰苯二酚、1,3-二溴丙烷為起始原料,在堿性回流條件下經環化反應得到3,4-二氫-2H-1,5-苯并二氧環丙,然后通過Friedel-Crafts酰基化反應得到7-乙?；?3,4-二氫-1,5-苯并二惡庚,之后經Bayer-Villiger氧化、水解酸化及柱層析分離得到目標產物,總產率28.5%。采用紅外光譜(IR)、質譜(MS)以及核磁共振(1H-NMR,13C-NMR)對終產物進行結構鑒定,確定目標產物為3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇。測定其在油脂中的抗氧化能力,結果表明其在動植物油脂中均具有一定的抗氧化性。

芝麻酚,3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇,Friedel-Crafts?；?抗氧化

酚類物質具有活潑的羥基,可有效清除羥基自由基、DPPH自由基及超氧陰離子[1],在食品添加劑中是一類重要的抗氧化劑。現階段,與天然抗氧化劑相比,通過化學法合成的酚類抗氧化劑由于價格便宜、抗氧化效果良好等優點而被更廣泛的應用,尋找一些更加高效、無毒、價廉的抗氧化劑也是食品、醫藥、化工等領域的研究熱點[2-3]。

芝麻酚作為一種被廣泛研究的天然酚類抗氧化物,具有很強的抗氧化性,其提取、合成及性質方面已有大量研究報告[4-6],但較少有人從其結構出發,探討比較其類似物的合成及抗氧化能力。近年來,抗氧化劑結構與活性的相關性研究引起了學者們廣泛的興趣,并取得了一定的成果[7],本實驗室已完成對芝麻酚及6-羥基-1,4-苯并二惡烷的合成研究,并進行了抗氧化活性測試[8-9],在此基礎上,為進一步探究這種構效關系,合成了3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇,并測定了其在油脂中的抗氧化能力。三種化合物的結構如圖1所示。

圖1 芝麻酚及其類似物的結構Fig.1 Structure of sesamol and analogues

圖2 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇合成路線圖Fig.2 Synthetic routes of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol

本文研究的3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇,日本有相關文獻以1,2,4-苯三酚進行過一步合成[10],但以鄰苯二酚為起始原料的合成及完整的結構鑒定數據在國內外均未見報道,對其在油脂中的抗氧化能力測試也未見相關文獻。因此,探究這種新型酚類化合物的合成及其抗氧化性,對于更加深入地研究這一類化合物結構與抗氧化活性的構效關系,以及尋找更加安全高效的抗氧化劑,都具有重要的理論及現實意義。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

鄰苯二酚、乙酰氯、氯仿、碳酸鈉、無水硫酸鎂、N-甲基吡咯烷酮、過氧乙酸、亞硫酸鈉、硝基苯、石油醚、氫氧化鈉 天津市福晨化學試劑廠；無水乙醇、冰醋酸、濃鹽酸、1,3-二溴丙烷、無水氯化鋁、間氯過氧苯甲酸 天津市富宇精細化工有限公司；玉米油、花生油、葵花籽油 益海(廣州)糧油工業有限公司；豬油 市售新鮮板油熬制；薄層層析板 柱層析硅膠(200～300目) 青島海洋化工廠。

WAY-1型阿貝折光儀 上海市儀表集團供銷公司；X-5控溫型顯微熔點測定儀 北京泰克儀器有限公司；質譜儀 美國菲尼根質譜公司；EQUINOX-55型紅外光譜儀 布魯克光譜儀器公司；AVANCEIII型核磁共振波譜儀(500MHz) 瑞士布魯克公司；734型氧化穩定測定儀 瑞士Metrohm公司。

1.2 合成路線

以鄰苯二酚、1,3-二溴丙烷為起始原料,經環化、Friedel-Crafts?；?、Bayer-Villiger氧化反應最終得到3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇。鄰苯二酚是重要的化工中間體,來源廣泛,價格便宜,反應過程中生成的副產物便于分離處理,對環境污染小,合成使用的Friedel-Crafts?；磻癇ayer-Villiger氧化反應已被深入研究,有大量文獻可供參考[11-13],因此從原料來源、環境保護及合成方法的角度考慮,本合成路線值得參考。

1.3 實驗方法

實驗分三步進行,包括3,4-二氫-2H-1,5-苯并二氧環丙的合成、7-乙?；?3,4-二氫-1,5-苯并二惡庚的合成以及目標產物3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇的制備,實驗操作及條件參考實驗室芝麻酚的合成[8-9]。

1.3.1 3,4-二氫-2H-1,5-苯并二氧環丙的合成 在500mL圓底三口燒瓶中依次加入150mL N-甲基吡咯烷酮,26.30g 1,3-二溴丙烷,電熱套加熱至回流溫度。在機械攪拌下,緩慢滴加含有11.00g鄰苯二酚的30mL濃度50% NaOH溶液混合液,滴加完成后,反應溫度設定為100℃,反應10～12h后,抽濾除去反應中生成的鹽,水蒸氣蒸餾收集100℃下的共沸物,取下層液體,以無水Na2SO4干燥,抽濾得濾液,稱重12.18g,產率81.2%。

1.3.2 7-乙?；?3,4-二氫-1,5-苯并二惡庚的合成 在250mL三口圓底燒瓶中依次加入100mL硝基苯、22.20g無水氯化鋁,冰浴條件下再加入20mL乙酰氯,持續攪拌45min后再緩慢滴加溶有12.10g 3,4-二氫-2H-1,5-苯并二氧環丙的硝基苯溶液,滴完后使其在室溫下反應16～18h；反應結束后,將反應液加入到100mL含有10%濃鹽酸的冰水中,充分水解后用二氯甲烷萃取,有機層依次用水、5% NaOH溶液、水洗滌有機層至中性,旋蒸除去二氯甲烷,最后得到油狀液體9.41g,產率61.3%。

1.3.3 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇的制備 在250mL圓底燒瓶中加入含1.92g 7-乙酰基-3,4-二氫-1,5-苯并二惡庚的二氯乙烷溶液50mL,冰浴冷卻至0～10℃,機械攪拌下緩慢滴加溶有2.80g間氯過氧苯甲酸的二氯乙烷溶液。滴加完畢,TLC跟蹤反應,室溫下攪拌反應10～12h后,過濾除去不溶物。濾液依次用飽和亞硫酸鈉溶液、稀堿溶液、蒸餾水洗至中性。旋蒸除去溶劑,向得到的油狀液體中加入100mL 15%的NaOH溶液,室溫下攪拌至油狀物全部溶解皂化。以15% H2SO4調溶液pH約為3～4,用二氯乙烷溶液萃取3次,合并萃取液并依次用15% NaHCO3溶液、蒸餾水洗至中性。旋蒸除去溶劑,得到深黃色油狀液體,硅膠柱層析分離,洗脫劑為氯仿/乙酸乙酯/冰乙酸(100∶5∶1,V/V/V),最終得到無色液體0.94g,產率57.2%。

1.3.4 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇在油脂中的抗氧化性測定 采用瑞士Metrohm公司的Rancimat734型氧化穩定測定儀對化合物在動植物油脂中的抗氧化性進行測試,平行測定三次,取氧化誘導時間平均值。測定條件:加熱溫度120℃,空氣流速10L/h,油脂添加量3.00g,其中空白組油脂中未添加抗氧化物,A、B組油脂中分別添加3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇和芝麻酚,添加量150mg/kg。

2 結果與討論

2.1 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇結構鑒定

2.1.1 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇紅外分析 如圖3所示,波數為3289. 35cm-1的吸收峰是酚羥基中O-H的伸縮振動吸收峰；2971.53、2922.32、2883.05cm-1處的吸收峰為亞甲基的C-H伸縮振動吸收峰；1619.42、1501.75、1469.94cm-1處的吸收峰是苯環中C=C伸縮振動吸收峰；1311.93cm-1為C-H的彎曲振動吸收峰；1267.86cm-1為Ar-O伸縮振動吸收峰；1193.68、1150.07、1101.83、1034.63cm-1的吸收峰是雜氧環中C-O-C伸縮振動吸收峰；899.26、858.15、816.36cm-1處的吸收峰為苯環上Ar-H的面外彎曲振動吸收峰,667.85cm-1的吸收峰為O-H面外彎曲振動吸收峰。由此可知,所得產物紅外數據符合3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇的結構特點。

圖3 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4] 二氧雜環庚-7-醇的紅外譜圖Fig.3 IR of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4] dioxepin-7-ol

2.1.2 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇EI質譜分析 從圖4看出EI質譜數據m/e為:167,166,137,125,110,96,79,68,55。其中167為M+1峰,166為分子離子峰,因此確定了產物分子量為166,與3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇分子量相符合。其可能裂解方式如下:分子離子峰首先脫去-C3H6自由基得到m/e=125質譜信號；然后苯環再經i裂解重排脫去CO得到m/e=96離子峰；五元環再脫除CO重排得到m/e=68離子峰；最后再脫去-CH,得到m/e=55離子峰。另一種裂解可能為:分子離子首先脫去一個質子,再裂解脫掉-C2H4得到m/e=137離子,再斷裂掉-CO得到m/e=110離子峰信號,最后苯環再經i裂解重排得到m/e=79離子峰。

圖4 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4] 二氧雜環庚-7-醇的EI質譜圖Fig.4 EI-MS of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4] dioxepin-7-ol

2.1.3 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇核磁分析 產物的13C-NMR(126 MHz,DMSO)分析如下:δ 153.73(C-1),152.32(C-3),144.38(C-4),122.31(C-5),110.24(C-6),108.47(C-2),71.07(C-7,C-8),39.97(dt),32.66(C-8),其中化學位移為39.81-40.31的峰為DMSO的溶劑峰。苯的13C-NMR化學位移δ為128.50,由于受到酚羥基取代影響,-OH上的孤對電子離域到苯環的π電子體系上,使得鄰位(C-1)和對位(C-4)電子云密度增大,屏蔽增加,從而使化學位移向高場移動,另外,由于雜氧環取代的推電子效應,使得其與氧原子相鄰的苯環碳原子(C-3,C-4)電子云密度增大,屏蔽增大,進而引起碳原子的化學位移向高場移動。

圖5 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4] 二氧雜環庚-7-醇13C-NMR譜圖Fig.5 13C-NMR of 3,4-Dihydro-2H-benzo [b][1,4]dioxepin-7-ol

圖6 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇1H-NMR譜圖Fig.6 1H-NMR of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol

產物的1H NMR(500MHz,DMSO)分析如下:化學位移δ 9.13處單峰為酚羥基-OH上的質子峰,δ6.72、6.36、6.32處的偽雙重峰分別為苯環上C-5,C-6,C-2位置所對應的質子峰,δ4.05、3.96處的三重峰分別對應C-7,C-9上的質子峰,δ3.34處的單峰為水峰,δ2.51處的多重峰為溶劑DMSO的溶劑峰,δ2.03處的多重峰為C-8上-CH2-的質子峰。

綜合以上紅外、質譜以及核磁共振譜圖數據,最終確定本實驗合成了化合物3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇。

2.2 3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇與芝麻酚的抗氧化性

由表1可知,A、B組分別添加了3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇和芝麻酚的油脂氧化誘導時間長于空白組,特別是豬油中,添加抗氧化物之后氧化誘導時間明顯延長,這表明3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇在動植物油脂中都具有一定的抗氧化性,并且在豬油中的抗氧化效果更佳。

表1 油脂的氧化誘導時間(h)Table 1 Induced oxidation time of oil(h)

酚類化合物主要是通過抽氫反應產生較穩定的苯氧自由基來終止鏈式反應,苯氧自由基越穩定,清除自由基活性越強[14]。同芝麻酚一樣,3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇具有酚羥基結構,能產生苯氧自由基,且其酚羥基對位取代的氧原子p型孤對電子軌道可能與苯氧自由基的單占分子軌道重疊,從而使苯氧自由基更加穩定[15],因此3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇在油脂中能表現出一定抗氧化性。同時,其在動植物油脂中表現出的抗氧化性的差異,可能是由于動植物油脂中不同的成分含量所引起,也包括油脂中本身存在的抗氧化劑與添加抗氧化劑之間的相互作用,這其中的具體機理尚不明確,有待做進一步的研究。

3 結論

以鄰苯二酚為起始原料,經環化反應、Friedel-Crafts?；磻ayer-Villiger氧化反應最終得到3,4-二氫-2H-苯并[b][1,4]二氧雜環庚-7-醇,采用IR,EI,NMR方法,確定該化合物的結構。通過將其添加在油脂中的加速氧化實驗得出結論:新合成的芝麻酚類似物在動植物油脂中都具有一定的抗氧化性,但相比較芝麻酚其抗氧化能力較弱。

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Structure identification and antioxidation activity of 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol

LUO Zhong-ming,LIU Liu,LU Yu-yun,SUN Yuan-kui,YAN Ri-an*

(Department of Food Science and Engineering,Jinan University,Guangzhou 510632,China)

With catechol and 1,3-Dibromopropan as starting materials,3,4-Dihydro-2H-1,5-benzodioxepin was prepared by cyclization reaction under the condition of alkaline reflux,then through Friedel-Crafts acylation to get 1-(3,4-dihydro-2H-1,5-benzodioxepin-7-yl)ethan-1-one. Followed by Bayer-Villiger oxidation,hydrolytic acidification and column chromate graphy separation,the final product was obtained and the yield was 28.5%. Using Infrared spectroscopy,mass spectrometry and nuclear magnetic resonance spectroscopy(1H-NMR,13C-NMR)for structure identification and characterization,the final product was identified as 3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol. Antioxidation activity in oils was evaluated. Results showed that the product had a certain antioxidation activity in both animal and vegetable oils.

sesamol;3,4-Dihydro-2H-benzo[b][1,4]dioxepin-7-ol;Friedel-Crafts acylation;antioxidation

2014-09-16

羅忠明(1988-)，男，碩士在讀，研究方向：食品添加劑的制備與應用。

*通訊作者:晏日安(1962-)，男，博士，教授，研究方向：食品添加劑的制備與應用。

廣州市科技計劃項目(11C12070753)資助。

TS202.3

B

1002-0306(2015)11-0214-05

10.13386/j.issn1002-0306.2015.11.035