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表兒茶素的碳酰化改性及其紫外吸收和抗氧化活性

時間:2024-11-10 15:30:02 來源:網友投稿

雷響 張閩峰 林輝 王麗麗 鄭德勇

摘要:為增強表兒茶素衍生物的紫外吸收性能、改善其在油脂等非極性溶劑中的溶解度,以甲烷磺酸為溶劑和催化劑,由表兒茶素和對羥基苯甲酸合成了2,2"-二(對羥基苯甲酮基)-表兒茶素,經柱層析分離得到目標產物,采用高效液相色譜(HPLC)驗證純度,運用紫外-可見光(UV-vis)光譜、傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜、液相色譜-質譜聯用(LC-MS)和核磁共振(NMR)波譜等表征手段確證目標產物結構。評價了2,2"-二(對羥基苯甲酮基)-表兒茶素的紫外吸收性能,以及對2,2-聯氮-二(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽陽離子自由基、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼自由基和超氧陰離子自由基清除能力。結果表明,合成的2,2"-二(對羥基苯甲酮基)-表兒茶素與常用紫外線吸收劑4-甲氧基肉桂酸-2-乙基己酯(OMC)具有相似的紫外吸收范圍和相當的摩爾吸光系數,有望成為一種性能優良的UVB波段紫外線吸收劑;
2,2"-二(對羥基苯甲酮基)-表兒茶素具有良好的體外抗氧化活性,其體外抗氧化能力高于維生素C(VC)、略低于表兒茶素,有望應用于化妝品領域。

關鍵詞:表兒茶素;
碳酰化;
改性;
紫外吸收;
化妝品

中圖分類號:S571.1;
Q946.84+1?????????? 文獻標識碼:A?????????? 文章編號:1000-369X(2024)03-493-08

Carbonylation Modification of Epicatechin and Its Activities of UV Absorption and Antioxidant

LEI Xiang1,2, ZHANG Minfeng1, LIN Hui1, WANG Lili1, ZHENG Deyong1,3*

1. College of Material Engineering, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China;

2. Law School, Fujian University of Technology, Fuzhou 350118, China;

3. National Forestry and Grassland Administration Key Laboratory of Plant Fiber Functional Materials, Fuzhou 350002, China

Abstract:
In order to enhance the UV absorption characteristic of epicatechin derivatives and improve their solubility in non-polar solvents such as oils and fats, 2,2"-di(p-hydroxybenzocarbonyl)-epicatechin was synthesized from epicatechin and p-hydroxybenzoic acid using methane sulfonic acid as solvent and catalyst. The target products were separated by column chromatography, and the purity was verified by high performance liquid chromatography (HPLC), and the structure of the target products were verified by UV-vis, FT-IR, 1H NMR, 13C NMR, LC-MS spectroscopy. The UV absorption characteristic of 2,2"-di(p-hydroxybenzocarbonyl)-epicatechin and its ability to scavenge ABTS+·, DPPH· and O2-· were evaluated. The results show that the synthesized 2,2"-di(p-hydroxybenzocarbonyl)-epicatechin had similar UV absorption and comparable molar absorptivity to OMC, the commonly used UV absorber, and is expected to be an excellent UV absorber in the UVB band. 2,2"-di(p-hydroxybenzocarbonyl)-epicatechin had good antioxidant activity in vitro, and its antioxidant capacity in vitro was higher than that of VC and slightly lower than that of epicatechin, which is expected to be used for cosmetic applications.

Keywords:
epicatechin, carbonylation, modification, UV absorption, cosmetic

兒茶素類化合物是茶葉中茶多酚(Tea polyphenols,TP)的主要物質,可以有效清除氧自由基和脂類自由基,是一種理想的天然抗氧化劑[1-2],兒茶素類物質還對紫外線B(Ultraviolet radiation B,UVB,波長280~320 nm)具有一定吸收能力[3],將其添加至護膚品中,可以在起到防紫外線作用的同時,使護膚品兼具保濕、美白、護膚、抗氧化及延緩衰老等多重功效[4-5]。由兒茶素類物質的分子構效關系可知,其對紫外線的吸收能力源于分子結構中的芳香環及其共軛體系,但共軛體系較小,因此其對中長波紫外線的吸收性能不強。若要增強兒茶素類物質對紫外線的吸收性能,需要增大衍生化產物分子的共軛體系,同時保留其獨特酚羥基結構以維持優良的抗氧化特性,從而通過分子設計、合成出兼具良好抗氧化活性、紫外線吸收性能和脂溶性的兒茶素類物質。

然而,兒茶素類物質由于其苯環結構上直接鏈接了多個酚羥基,有較強的還原性,容易被氧氣、高錳酸鉀、過氧化氫等強氧化性物質氧化,或發生分子聚合,增加了對其結構修飾的難度。許多研究者進行了相關的嘗試,王巧娥等[6]通過氧酰化法在茶多酚分子結構中引入脂肪長鏈,制備一系列含不同直鏈脂肪基團的脂溶性茶多酚(Lipid-soluble tea polyphenols,LTP),顯著提高了其在油脂中的溶解度,且抗脂質過氧化性能優于等質量的特丁基對苯二酚(Tertiary butylhydroquinone,TBHQ)[7]。但直接通過茶多酚的酚羥基引入酰基形成酯鍵會減少酚羥基數量,降低了衍生產物的抗氧化性能,為了更好地保護和利用酚羥基,Dutta等[8]在表兒茶素(Epicatechin,EC)的C4位置引入間苯二酚和間苯三酚以增加酚羥基數目,結果顯示,增加了酚羥基數目的衍生物對核糖核酸酶A抑制活性有效增強,并發現4-(2,4,6-間苯三酚)-表兒茶素和4-(2,4-間苯二酚)-表兒茶素兩種化合物可以抑制由血管生長素導致的血管生長。盧聰聰[9]比較了通過碳酰化制備的脂溶性茶多酚、氧酰化LTP和其他脂溶性抗氧化劑的性能,結果表明,碳酰化LTP較氧酰化LTP具有更強的脂溶性,同時由于碳酰化LTP沒有損失酚羥基,使其在具有良好脂溶性的同時,其抑制脂質過氧化作用也優于氧酰化LTP。

通過分析EC分子結構中A環和C環的活性位置,以EC為底物,利用對羥基苯甲酸在酸性條件下的碳酰化反應,經弗里德-克拉夫茨(Friedel-Crafts)反應合成2,2"-二(對羥基苯甲酮基)-表兒茶素[2,2"-di(p-hydroxybenzocarbonyl)

-epicatechin,DHBC-EC],可以達到在延長EC共軛體系長度,同時完全保留EC獨特酚羥基結構的目標。Friedel-Crafts反應常以硫酸為催化劑在有機溶劑中進行,但硫酸是一種強氧化性無機酸,會使高價值的EC發生激烈的氧化、降解和聚合等作用,反應的選擇性很低,難以從反應產物中分離出目標產物。甲烷磺酸對Friedel-Crafts反應有良好催化作用[10],其氧化性低、摩爾質量小,且熱穩定性高,是反應體系的良溶劑,因此將甲烷磺酸用作本反應的溶劑和催化劑,可減少副反應,以提高目標產物得率,此外,甲烷磺酸也容易從反應產物中分離純化出來、可循環使用。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

EC(純度≥95%,HPLC)購自上海融禾醫藥科技發展有限公司;
對羥基苯甲酸、甲烷磺酸、甲醇、L-抗壞血酸、冰醋酸、鄰苯三酚、4-甲氧基肉桂酸-2-乙基己酯(Ethylhexyl methoxycinnamate,OMC)、三羥甲氧氨基甲烷(Tris)、1,1-二苯基-2-三硝基苯肼(DPPH)、2,2-聯氮-二(3-乙基苯并噻唑-6-磺酸)二銨鹽(ABTS)等均為分析純試劑,購自國藥集團化學試劑有限公司;
氘代二甲基亞砜(DMSO-d6)色譜純,購自上海麥克林生化科技有限公司。

WRS-2微機熔點儀,上海精密科學儀器有限公司;
UVmini-1280紫外-可見光分光光度計,島津儀器(蘇州)有限公司;
Vertex 70型傅里葉變換紅外光譜分析儀、Bruker AVANCE NEO 600型核磁共振譜儀,德國布魯克光譜儀器公司;
KQ-400DE數控超聲波清洗器,昆山市超聲儀器有限公司;
GX-2015型高精度恒溫水浴槽,南京先歐儀器制造有限公司;
SCIENTZ-18N型冷凍干燥機,寧波新芝生物科技股份有限公司;
1260-6520B系列LC-QTOF-MS高效液相色譜質譜聯用儀,安捷倫科技(上海)有限公司。

1.2 目標產物的合成

EC和對羥基苯甲酸在甲烷磺酸作用下反應生成DHBC-EC(圖1)。在帶有溫度計的雙口圓底燒瓶中加入1.451 g EC(5 mmol)、0.828 g對羥基苯甲酸(6 mmol)和4.710 mL甲烷磺酸(70 mmol),混合后磁力攪拌水浴加熱至40 ℃,保溫反應2 h,每30 min通過薄層色譜(Thin layer chromatograhpy,TLC)監測反應情況。反應結束后,冷卻至室溫,將反應液倒入10 mL冰水混合物中,可見析出紅色固體,真空抽濾,濾餅依次用10 mL 5% NaHCO3水溶液洗滌3次、10 mL蒸餾水洗滌3次至pH為中性,再次真空抽濾后冷凍干燥4 h得粗產物。

粗產物經硅膠柱色譜分離純化:取120 g柱層析硅膠(100~200目)濕法裝柱,用10 mL洗脫液溶解上述粗產物(1.47 g),配制成質量濃度為147 g·L-1的溶液,轉移至層析柱石英砂表面,加入洗脫劑(V石油醚∶V乙酸乙酯=75∶25)進行柱層析,每30 mL收集洗脫液。

用TLC追蹤洗脫液組分[6]:粗產物用甲醇溶解,以石油醚和乙酸乙酯(V石油醚∶V乙酸乙酯=

50∶50)為展開劑,經硅膠板(50 mm×100 mm,0.5 mm)層析分離,層析板用新配制的1%香草醛硫酸溶液顯色,測得目標產物DHBC-EC的Rf值為0.478。

將含有目標產物的洗脫液合并,經真空旋轉蒸發回收洗脫劑,得到淡黃色晶狀DHBC-EC。純化產物用甲醇定容,采用HPLC法測定DHBC-EC的純度。

1.3 產物表征

1.3.1 熔點測定

將干燥的樣品研磨成粉末,在毛細管中均勻緊實裝填樣品、高度約為5 mm,用微機熔點儀測定初熔點和終熔點,并計算熔距,每個樣品測量3次。

1.3.2 紅外光譜和核磁共振波譜測定

將干燥的樣品與溴化鉀按質量比1∶100研磨壓片,分析產物的FT-IR透射光譜(掃描范圍400~4 000 cm-1)。將10 mg樣品充分溶解于0.9 mL DMSO-d6中,在25 ℃下測定樣品的1H NMR和13C NMR波譜。測定溫度300 K,1H NMR弛豫延遲時間8 s,采樣時間4 s,13C NMR脈沖延遲時間2.5 s,采樣時間1.7 s。

1.3.3 液相色譜與質譜聯用分析

色譜條件:Agilent SB-C8色譜柱(4.6 mm×

100 mm,5 μm),流動相A為醋酸甲醇溶液(V醋酸∶V甲醇=1∶99),B相為醋酸水溶液(V醋酸∶

V水=1∶99)。流動相程序性變化為0~10 min,A相40%;
10~40 min,A相由40%變為85%;
40~45 min,A相由85%變為90%;
45~50 min,A相由90%變為98%;
50~55 min,A相為98%,55~60 min,A相由98%變為40%。進樣量為 5 μL,流速為0.8 mL·min-1,柱溫為25 ℃,檢測波長為278 nm。

質譜分析采用Agilent 1260-6520 B,離子源為電噴霧(EIS),含正離子和負離子模式,質荷比為100~1 000 m/z,樣品溶液濃度為1 mmol·L-1。

1.3.4 紫外吸收光譜分析

以溶劑為空白對照,在200~400 nm掃描目標產物的紫外吸收光譜;
配制濃度為1.0 mmol·L-1的EC、DHBC-EC和OMC儲備液,儲備液稀釋10倍后,用1 cm比色皿分別測定最大吸收峰處的吸光度A,根據公式(1)計算摩爾吸光系數ε[11]。

A=ε×l×c··························(1)

式中,A為吸光度;
ε為摩爾吸光系數,單位為L·cm-1·mol-1;
l為吸收層厚度,單位為cm;
c為吸光物質的濃度,單位為mol·L-1。

1.3.5 體外抗氧化活性測定

以維生素C(VC)標準品為對照,評價EC和DHBC-EC清除ABTS+·、DPPH·和超氧陰離子自由基(O2-·)的能力[12-14]。上述不同濃度樣品的抗氧化性能測定重復3次,結果以平均值±標準差(±SD)表示。

2 結果與分析

2.1 結構表征結果

2,2"-二(對羥基苯甲酮基)-表兒茶素:淡黃色晶狀固體(CH3COOC2H5);
0.486 2 g,產率為23.72%,純度為99.76%(HPLC);
熔點為122.9~123.7 ℃;
微溶于乙醚,溶于石油醚(30~60 ℃)、丙酮、甲醇、乙酸乙酯;
UV(MeOH)λmax(log ε):213(18.42),280(15.82),310(15.23)nm;
HR-EI-MS:m/z 531.128 6 [M+H]+(Calculated for C29H22O10,530.479 0);
IR(KBr)νmax:3 491~3 390(b,vs,vO-H)、1 654(vs,vC=O)、1 623(vs)、1 559(s)、1 346(vs)、1 311(vs)、1 250(vs)、1 033(vs) cm-1;
1 H NMR(600 MHz,DMSO-d6)δ:10.29(1H,s),9.68(3H,t),9.48(2H,m),7.46~7.47(4H,dt),6.95(1H,s),6.80(4H,dd),6.75(1H,s),5.89~5.91(1H,d),5.08(1H,s),4.86~4.88(2H,m),2.56~2.81(2H,m);
13C NMR(151 MHz,DMSO-d6)δ:28.13,67.71,85.77,107.69,112.70,115.20,118.53,119.45,125.16,129.48,132.69,139.37,152.46,152.67,157.16,199.49。波譜數據與分子結構相符合。

2.2 紫外吸收性能分析

由圖2可知,DHBC-EC在250~350 nm的較寬波長范圍內有較強紫外吸收,并在280 nm和310 nm處有吸收峰值,其摩爾吸光系數分別為1.58×104、1.52×104 L·cm-1·mol-1。而EC的紫外吸收波長范圍為250~300 nm、最大吸收峰處摩爾吸光系數為1.21×104 L·cm-1·mol-1,說明經衍生化后,產物的紫外吸收光譜的強吸收帶寬顯著展寬、吸收強度顯著提高。與常用紫外吸收劑OMC相比較,二者具有相似的紫外吸收范圍(260~350 nm),均完全覆蓋了對皮膚傷害最大的UVB波段(260~320 nm),DHBC-EC在280 nm和310 nm處的摩爾吸光系數均高于OMC(1.52×104 L·cm-1·mol-1)。可見,EC經衍生化反應,在其分子A環和C環分別接入1個對羥基苯甲酮基團,延長了EC中芳香環的共軛體系,顯著提高了產物的紫外吸收性能,得到的DHBC-EC是一種優良的UVB波段紫外吸收劑。

2.3 體外抗氧化活性分析

2.3.1 ABTS+·清除能力

由圖3所示,EC和DHBC-EC對于清除ABTS+·均具有明顯效果[12],二者清除ABTS+·的半數抑制濃度(IC50)分別為32.16、36.17 μmol·L-1;
當樣品濃度為125 μmol·L-1時,二者對ABTS+·清除率均達到85%以上,而相同濃度下VC對ABTS+·清除率為76.4%,可見,EC和DHBC-EC對于ABTS+·清除能力均強于VC。

2.3.2 DPPH·清除能力

由圖4可知,EC和DHBC-EC對DPPH·都有較好的清除能力,二者清除DPPH·的IC50分別為28.31 μmol·L-1和39.16 μmol·L-1。對比而言,EC清除DPPH·的能力稍強于DHBC-EC,均明顯好于VC的清除效果。當樣品濃度為125 μmol·L-1時,二者對DPPH·清除率均能達到90%以上[14]。

2.3.3 O2-·清除能力

鄰苯三酚(Pyrogallol)在弱堿性環境下會發生自氧化,產生O2-·及有色中間物質。通過測量鄰苯三酚的自氧化速率,可間接得到抗氧化劑對O2-·的清除率。如圖5所示,EC對鄰苯三酚(25 μmol·L-1)自氧化的抑制作用比DHBC-EC和VC更明顯,對O2-·清除率清除能力最強。經測定(圖6),EC、DHBC-EC和VC清除O2-·的IC50值分別為23.66、46.86 μmol·L-1和59.78 μmol·L-1,說明清除O2-·的能力由強到弱排序為EC>DHBC-EC>VC。當樣品濃度為

125 μmol·L-1時,EC和DHBC-EC清除O2-·的效果更好[15]。

3 討論

本研究對EC分子修飾合成了DHBC-EC。目標產物經HPLC驗證純度,利用IR、LC-MS、1 H NMR和13 C NMR等技術確定了目標產物結構。

研究表明,EC的紫外吸收波長范圍為250~300 nm、最大吸收峰處摩爾吸光系數為1.21×104 L·cm-1·mol-1。而通過分別在EC分

子中的A環和C環引入苯酰基,目標產物DHBC-EC的分子中含有兩個類似二苯甲酮的結構,延長了其共軛體系的長度,使DHBC-EC在波長為250~350 nm有較強紫外吸收,并在280 nm和310 nm處有吸收峰值,其摩爾吸光系數分別為1.58×104、1.52×104 L·cm-1·mol-1,可見經衍生化得到的目標產物的紫外吸收光譜的強吸收帶寬顯著展寬、吸收強度顯著提高。DHBC-EC與常用紫外吸收劑OMC相比,具有相似的紫外吸收范圍(260~350 nm),均完全覆蓋了對皮膚傷害最大的UVB波段(260~320 nm)。EC經衍生化反應,在其分子A環和C環分別接入1個對羥基苯甲酮基團,延長了EC中芳香環的共軛體系,顯著提高了產物的紫外吸收性能,衍生化反應得到的DHBC-EC是一種優良的UVB波段紫外吸收劑。基于對ABTS+·、DPPH·和O2-·等的清除能力,研究了VC、EC和DHBC-EC的體外抗氧化活性。結果表明,DHBC-EC具有良好的體外抗氧化活性,其體外抗氧化能力高于VC、略低于EC,有望在化妝品領域開發應用。研究發現,二苯甲酮類化合物結構中酚羥基的數目和位置對其清除自由基的能力有決定性影響,與EC相比,雖然通過碳酰化改性增加了DHBC-EC分子中酚羥基數目,但DHBC-EC分子中新增的酚羥基以孤立形式存在于芳香環上、酚羥基間的相互作用降低,使其抗氧化性能較EC略為降低[16]。

EC分子結構中含有多個羥基,還原性很強,與氧氣接觸容易被氧化、聚合,在本研究的試驗反應條件下,并沒有排除氧氣的影響,因此,合成產物中含有一定量的因EC氧化生成的醌類物質和EC的聚合物。由于對DHBC-EC相關分子結構和性能的研究是基于純化產物的,對本研究結果和結論并無影響,但副反應的存在會降低目標產物的得率,還可能造成分離純化的困難,在未來的研究中,可優化反應條件以進一步抑制副反應的發生、提高目標產物得率,以降低生產成本。

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