脱氢枞胺基含氮杂环化合物的合成及与DNA的作用本科毕业论文 精品.docx

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南京林业大学

本科毕业设计（论文）

题目：

脱氢枞胺基含氮杂环化合物的合成及与DNA的作用

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摘要

脱氢枞胺是一种重要的松香改性产品，其特有的三环二萜结构赋予其抗菌、抗病毒、抗癌等生物活性。

本文的研究目的是对脱氢枞胺的B环进行改性，合成新的脱氢枞胺衍生物，并测试其与DNA的相互作用，希望能将脱氢枞胺衍生物的应用领域拓展到生物制药领域，促进松香产品深加工的发展。

本文以脱氢枞胺为原料，经过乙酰化、铬酸氧化在B环引入羰基，得到氧化乙酰脱氢枞胺，再通过Beckmann重排在B环引入氮原子扩环得到新化合物N-（3-异丙基-8,11a-二甲基-6-氧代-6,7,7a,8,9,10,11,11a-八氢-5H-二苯并[b,d]氮杂卓-8-基甲基）-乙酰胺，氢化铝锂还原得到新化合物乙基-（3-异丙基l-8,11a-二甲基-6,7,7a,8,9,10,11,11a-八氢-5H-二苯并[b,d氮杂卓-8-基甲基）-胺。

将7-氧代乙酰脱氢枞胺溴化，得到新化合物6-溴-7-氧代乙酰脱氢枞胺。

作者还尝试用6-溴-7-氧代乙酰脱氢枞胺构造呋喃、吡咯杂环，却意外地得到了原来的7-氧代乙酰脱氢枞胺和消除产物5,6-烯-7-氧代乙酰脱氢枞胺。

将合成的4种化合物与E.coli质粒DNA作用，经琼脂糖凝胶电泳分析，发现它们都能切割E.coli质粒DNA，形成新的条带。

关键词：

脱氢枞胺；Beckmann重排；DNA切割

Abstract

Dehydroabieticamineisoneoftherosinderivatives.Itscharacteristictricyclicditerpenestructurefeaturethemoleculewithantibacterial,antivirusandanticanceractivities.ThepurposeofthispaperistomodifytheBringofdehydroabieticamine,synthesizenewderivativesofdehydroabieticamineandinvestigateitsinteractionwithDNA.Itishopedthatthefurtherprocessingindustryofrosincanbepromoted,whiletheserosinderivedcompoundsappliedtobiopharmaceuticalfields.

Startingfromdehydroabieticamine,acarbonylgroupisintroducedtoBringbychromicacidoxidation,aketoneisobtained.AnitrogenatomisinsertedtoBringviaBeckmannrearrangementwithringextension,thenreduceittoEthyl-（3-isopropyl-8,11a-dimethyl-6,7,7a,8,9,10,11,11a-octahydro-5H-dibenzo[b,d]azepin-8-ylmethyl）-aminebylithiumaluminumhydride.TheauthoralsoattempttoconstructfuranandpyrroleheterocyclesfusedwithBring,buttheoriginalketoneandaneliminationproductisobtained.

Theinterationofthose4compoundswithDNAisanalysedbygelelectrophoresis.TheyareallabletocleavageplasmidDNAofE.coli.

Keywords:

dehydroabieticamine,Beckmannrearrangement,DNAcleavage

目录

第一章综述1

1.1松香1

1.1.1松香的来源1

1.1.2松香的化学成分1

1.1.3松香的生产状况1

1.1.4歧化松香2

1.2脱氢枞胺3

1.2.1概述3

1.2.2脱氢枞胺的生产和制备3

1.3脱氢枞胺的衍生物4

1.3.1氨基成盐衍生物4

1.3.2C-N衍生物4

1.3.3C=N衍生物5

1.3.4芳环的改性5

1.3.5B环的改性6

1.4脱氢枞胺衍生物的生物活性7

1.4.1抗肿瘤活性8

1.4.2抗病毒活性9

1.4.3抗菌活性10

1.4.4抗氧化10

1.4.5杀虫11

1.5本文研究的目的、意义及主要内容11

第二章脱氢枞胺B环改性的研究12

2.1引言12

2.2实验部分12

2.2.1试剂仪器12

2.2.2分析方法13

2.2.3脱氢枞胺的提纯13

2.2.4脱氢枞胺的乙酰化和氧化13

2.2.5Beckmann重排14

2.2.6氢化铝锂还原15

2.2.7氧化乙酰脱氢枞胺的α溴化16

2.2.8合成呋喃杂环的尝试17

2.2.9合成吡咯杂环的尝试17

2.2.10合成2,4-二硝基苯腙17

2.3结果与讨论18

2.3.1反应条件的选择18

2.3.2产物的分离提纯21

2.3.3产物结构分析22

2.4本章小结36

第三章DNA切割实验37

3.1引言37

3.2实验部分37

3.2.1测试材料37

3.2.2测试步骤37

3.3结果与讨论38

第四章结论39

致谢40

参考文献41

第一章综述

1.1松香

1.1.1松香的来源

松香是松树分泌的粘稠液体经过蒸馏得到的一种天然树脂。

它是松树的二次代谢产物，也是自然界存在的第二大天然产物，其储量仅次于天然橡胶，是一种有待开发的巨大天然资源宝库。

松树具有顽强的生命力，是分布最广的树木之一，据估计松树约占地球上森林面积的三分之一。

松树在我国从南到北都有分布，因此松香是我国林产化学工业中最重要的产品之一。

[1]

1.1.2松香的化学成分

松香是多种树脂酸和少量脂肪酸、中性物质的混合物，其的组成随产地和加工方法的不同而异。

松香的主要成分是树脂酸，树脂酸是一类化合物的总称。

它们都是带有一个羧基和两个共轭的双键的三环二萜。

根据烷基类型和双键位置的差异可以分为枞酸型（abieticacid）、海松酸型（pimaricacid）、异海松酸（isopimaricacid）型3类。

树脂酸中，枞酸型其为主要成分。

现例举各类典型化合物如下。

图1.13种典型的树脂酸

双键的存在赋予松香易氧化、易加成的特性。

羧基使得松香具有酸性，可以通过酯化、酰胺化进行改性。

树脂酸独特的化学结构给有机化学家提供了丰富的想象空间。

因此松香在医药、农药、表面活性剂和胶黏剂等方面都有广泛的应用和广阔的前景。

[1]

1.1.3松香的生产状况

目前松香的世界年产量为110-120万吨。

主要产于中国、美国、巴西、葡萄牙、洪都拉斯、墨西哥等国。

世界松香消费主要在美国、欧洲、中国、日本和非洲。

[2]

美国的松香生产课追溯到1606年。

由于经济发展，产区人口资源发生变化，松香产量在相当长的时间内不断下降，直到20世纪70年代被我国赶超。

美国松香的年平均消耗量为1.78×104t/a。

其松香价格在1968-1980年间上涨到原来的4倍以上。

我国从1953年开始生产松香，每年约产30万吨，最高可达40万吨。

1980年后超过美国居世界第一，占世界松香总产量的40%。

我国松香的主要产地为广西、广东、福建、江西、云南、湖南、海南等省份，其中广西、广东两省的产量占全国松香产量的一半以上。

[2]

我国松香产业发展还存在一些问题。

主要是森林资源支撑能力较弱，原料林基地建设缓慢，质量不高，效益较差；产业整体素质偏低，经济增长方式粗放，科技贡献率不高，落后产能庞大；林产品科技含量低，品牌意识薄弱，国际知名产品缺乏；林业机械制造业水平总体落后，高端林产品加工机械主要依赖进口。

此外，国际金融危机也给我国林业产业发展带来了新的挑战。

1.1.4歧化松香

人们发现松香在热处理后，其抗氧化性和耐候性都发生了显著提高。

1937年，Fleck和Palkin[3]首次报道了钯催化下对松香的热处理，并从中分离出脱氢枞酸（dehydroabieticacid）[4]；1938年他们从经过250～275ºC钯催化热处理的松香中分离出脱氢枞酸、二氢枞酸（dihydroabieticacid）和四氢枞酸（tetrahydroabieticacid），首次证明松香受热发生了歧化反应[5]。

图1.2松香的催化歧化

Fleck和Palkin又在1939年证明了无催化剂条件下加热的松香也能够发生歧化反应，生成脱氢枞酸和内酯化的二氢枞酸（lactonizeddihydroabieticacid）[6]。

图1.3松香的热歧化

在钯催化下将歧化松香加热到300ºC，其中的二氢枞酸、四氢枞酸发生脱氢反应，生成脱氢枞酸，最终得到以脱氢枞酸为主要成分的歧化松香（disproportionatedrosin）。

1.2脱氢枞胺

1.2.1概述

脱氢枞胺（dehydroabieticamine），又名去氢枞胺，是歧化松香胺的主要成分。

它是一种具有三环二萜结构的光学活性碱。

脱氢枞胺及其衍生物广泛用于手性拆分、金属离子浮选、表面活性剂、杀菌、制药等领域。

因此开展对脱氢枞胺及其衍生物的研究特别符合我国市场需求。

这不但有助于推动我国松香产品的深加工的发展，而且对我国林业资源的合理开发利用以及生态环境的保护都具有非常重要的意义。

图1.4脱氢枞胺

1.2.2脱氢枞胺的生产和制备

工业上采用腈化-氢化法生产脱氢枞胺。

在催化剂钨酸铵存在下用氨气处理歧化松香，歧化松香中的羧基与氨成盐后，经过两次脱水得到歧化松香腈（dehydroabietylnitrile）。

将歧化松香腈在骨架镍催化剂存在下加压氢化，得到歧化松香胺（disproportionatedabieticamine），其主要成分为脱氢枞胺[1]。

图1.5脱氢枞胺的生产

王道林[7]等将歧化松香胺和对甲苯磺酸在乙醇中作用，歧化松香胺中的脱氢枞胺形成对甲苯磺酸盐析出；再将盐沉淀滤出与氢氧化钠水溶液和甲苯混合搅拌，把释出的脱氢枞胺萃取到甲苯层，旋蒸得到脱氢枞胺纯品。

图1.6脱氢枞胺的提纯

陈泳[8]将上述提纯工艺设计成实验供林化专业学生练习。

1.3脱氢枞胺的衍生物

1.3.1氨基成盐衍生物

作为氨基化合物，脱氢枞胺能够和酸反应成盐。

人们关注较多的是脱氢枞胺的乙酸盐。

它不仅可以用来分离提纯脱氢枞胺，而且能够有效地杀灭藻类、细菌、霉菌、腹足类动物等害虫。

Schertz[9]等合成了脱氢枞胺的五氯酚盐。

该盐具有杀虫活性，能用作防腐剂和木材杀虫剂。

虽然脱氢枞胺对植物有毒性，但脱氢枞胺五氯酚盐在用作杀菌剂时不会伤害植物。

1.3.2C-N衍生物

脱氢枞胺C-N衍生物被人们关注得较多。

Steck[10]等发现脱氢枞胺、脱氢枞胺乙酸盐以及脱氢枞胺和环氧乙烷加成产物可以防止血吸虫的尾蚴穿透，从而避免感染血吸虫病。

Goodson[11]合成了一系列含肽键的脱氢枞胺衍生物。

抑菌活性测试表明，该系列化合物在3-12mg/mL浓度范围内对平板阳性菌及阴性菌具有较好的抑菌效果；系列化合物的位置异构体仍然具有活性。

曾韬等[12]以N,N-聚氧乙烯松香胺为原料，合成了N,N-聚氧乙烯基-N-苄基氯化铵和N,N-聚氧乙烯基-N-甲基硫酸酯季铵盐，并测试了它们的表面活性等物理化学性质，发现它们具有良好的表面特征。

其中前者可以用于抗菌剂、防霉剂方面，后者可以用在工业助剂方面。

梁梦兰等[13]研究了以脱氢枞胺为原料合成N,N-二甲基-N-脱氢枞基氯化铵和N,N,N-三甲基-N-脱氢枞基单甲酯胺两种阳离子表面活性剂的合成工艺，并测定了它们的界面性能等物化性质，发现它们具有良好的表面活性。

曾韬等[14]研究了醛酸法合成N,N-二甲基脱氢枞胺的方法，并对合成产物进行了表征。

产物的分析结果表明，醛酸法合成N,N-二甲基脱氢枞胺是可行的。

何曼等[15]以脱氢枞胺为原料，合成了脱氢枞胺键合交联的聚苯乙烯树脂，并将该产物初步用于对映体的分离。

王延等[16]以脱氢枞胺为原料，合成了三种N-脱氢枞基-N,N-二羟乙基季铵盐类阳离子表面活性剂，表征了产品的结构，测定了产品的表面物理化学性质，并对产品的抗菌缓蚀性能进行了应用研究。

王延等[17]采用酸碱二步催化乙氧基化反应，以脱氢枞胺位原料，合成了一系列具有不同EO加和数的脱氢枞胺聚氧乙烯醚，并对产物的表面物化性质、缓蚀性能及产品结构与性能的关系进行了研究。

结果表明该产品可以作为阳离子表面活性剂及金属缓蚀剂使用。

王延等[18]以脱氢枞胺为原料，合成了6种脱氢枞基季铵盐，对合成化合物通过UV、IR、NMR及元素分析手段进行确认。

抗菌实验测试发现，该产品对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌具有一定抗菌活性。

1.3.3C=N衍生物

1864年，Schiff[19]首次合成了具有碳氮双键结构的化合物，称作Schiff碱或亚胺。

其氮原子上的孤对电子赋予其重要的化学和生物学性质。

Schiff碱能够参与氨基酸代谢，如L-谷氨酸的氧化脱氨途径，嘌呤核苷酸循环等，碳氮双键是其生物活性的效应基团。

Schiff碱的合成可以自由选择反应物，改变取代基的种类和位置，便于开发大量结构新颖的产品。

脱氢枞胺水杨醛Schiff碱及其铜配合物的分子既有一定的刚性，又有一定的柔性，且在不对称合成中表现出高的立体选择性。

配合物对漆酚的氧化聚合及松香的氧化反应均具有一定的催化性能，并且对铜有缓蚀作用。

姚绪杰等[20]以脱氢枞胺为原料，合成了5种脱氢枞胺水杨醛类Schieff碱，用IR、1HNMR确证其结构，并用静态失重法研究了它们在酸性介质中对铜的缓蚀性能，发现脱氢枞胺-5,6-二羟基水杨醛Schiff碱对铜的缓蚀性能最强。

饶小平[21]在乙醇溶剂中合成了脱氢枞胺水杨醛Schiff碱，以及脱氢枞胺（5-硝基）水杨醛Schiff碱，通过IR进行表征，UV-Vis研究了它们在有机溶剂中的光至变色和溶致变色性能。

研究发现这两种Schiff碱都能在氯仿溶液中发生光至变色，后者能在DMF中发生溶致变色，并讨论了变色的机理。

姜大炜[22]以无水乙醇为溶剂，在回流条件下，将系列取代水杨醛的乙醇溶液加入脱氢枞胺的乙醇溶液中，合成了9种Schiff碱，并对产物进行了结构表征。

他还用得到的Schiff碱进一步合成了8个铜系配合物和6个镍系配合物，并对产物进行了结构表征。

1.3.4芳环的改性

1938年，Fieser和Campbell[23]系统地研究了脱氢枞酸的取代反应。

它们利用脱氢枞酸的苯环能够被磺化的性质，用浓硫酸在低温下处理歧化松香，用水浸提得到脱氢枞酸磺酸的晶体，将其水解去磺化得到纯净的脱氢枞酸。

此法一直被用来分离提纯脱氢枞酸，直到1966年被Halbrook和Lawrence[24]报道的乙醇胺盐法替代。

此外，他们还制得了12,14-二硝基脱氢枞酸、12-乙酰脱氢枞酸，并通过衍生物的制备确定了结构。

同年，Littmann[25]制得了12,14-二氨基脱氢枞酸及其盐酸盐。

Wada等[26]在研究脱氢松香衍生物抗溃疡时发现，脱氢枞酸的磺化只发生在12位。

得到的12位磺酸不但具有显著的抗癌活性，而且没有类似醛甾酮的副作用。

Esteves等[27]在12,14-二氨基脱氢枞酸的氮原子上连接甲氧基苯基，制得一系列化合物。

通过测定各化合物的氧化势能和清除自由基的能力大小，确定了清除自由基效果最佳的3种化合物为12-N-对甲氧基苯氨基-14-氨基脱氢枞酸甲酯，12-N-对甲氧基苯氨基脱氢枞酸甲酯，和12,14-N,N-二（对甲氧基苯氨基）脱氢枞酸甲酯。

这三种具有最低的氧化势能，且都含有对甲氧基苯基。

Jipa等[28]把12-N-苯氨基-14-氨基脱氢枞酸甲酯用于低密度聚乙烯的抗老化试验。

考察了三种温度下化学荧光强度随热降解时间的变化，计算了聚合物的动力学稳定参数、氧化率、活化能等，并且与常用的抗老化剂A4010（苯胺类化合物）和Irganox1010、1070（酚类化合物）比较。

结果表明，化合物12-N-苯氨基-14-氨基脱氢枞酸甲酯的抗老化作用机理与Irganox1010相同，但抗老化性能优于Irganox1070和A4010。

Gigante小组[29]分别利用它们自己得到的12-溴-13-硝基-脱异丙基脱氢枞酸甲酯和12-溴-13,14-二硝基-脱异丙基脱氢枞酸甲酯相继合成了脱氢松香的喹恶啉、苯并咪唑、吲哚衍生物，并测试了它们的抗病毒活性。

结果表明，这三种化合物都有抗病毒活性，且有望通过继续修饰进一步提高。

1.3.5B环的改性

脱氢枞胺的B环是个饱和环，缺乏官能团，不能进行亲电取代反应。

因此对B环进行改造的报导很少。

1955年，Barnes和Beachem[30]对一种和脱氢枞胺极其类似的环系进行了改造。

他们从B环中处于A环苄基位的亚甲基入手，通过氧化反应在B环引入羰基，并在此基础上合成了肟和2,4-二硝基苯腙，并将肟进行Beckmann重排反应，得到七员环内酰胺，氢化铝锂还原得到氮杂卓。

他们通过结晶分离了肟的两种顺反异构体，并分别进行Beckmann重排，发现反式肟重排的收率大于顺式肟。

图1.7Barnes和Beachem对B环的修饰

脱氢枞胺的氨基容易氧化，事先必须进行酰化保护。

用乙酰基保护，操作方便成本低，但乙酰基几乎不能脱除[31]。

三氟乙酰基的引入要用到剧毒强腐蚀性的三氟乙酸酐，但三氟乙酰基可以很容易地通过碱性水解脱除。

B环在引入羰基后，出现了一个有α氢的芳酮结构。

这是一个非常有用的合成砌块。

由此可通过Hantzsch吡啶合成反应构造吡啶环或Fischer吲哚合成反应构造吡咯环；也可先制成α卤代酮，再通过Feist-Benary反应构造呋喃环，或Hantzsch吡咯合成反应构造吡咯环[32]。

谷文和王石发[33]将该化合物与苯肼缩合得到苯腙，经过Fischer吲哚合成反应，构造了一个吡咯环，合成了一个松香基吲哚化合物。

1.4脱氢枞胺衍生物的生物活性

脱氢枞胺具有三环二萜的结构，与具有强生物活性的甾类化合物较为接近，其同系物和衍生物具有生物活性。

韩宏星[34]报道了60多个具有生物活性且含树脂酸结构的衍生物。

这些化合物的生物活性主要表现为抗氧化、抗菌、抗病毒和抗肿瘤作用。

其中生物活性较好的是二萜酚类化合物。

研究发现，大部分化合物都具有一定的生物活性，值得进一步开发利用。

在抗氧化作用方面，现在已经成功开发了食品防腐剂和抗氧化剂。

陈泳[35]在其文献综述里报道了52个树脂酸及其衍生物的抗菌、抗病毒、抗肿瘤等方面的生物活性，并展望了它们未来在生物医学及其他领域的应用。

树脂酸及其衍生物现在已经得到广泛应用，可以作为渔网和轮船的防腐剂和农作物、木材、纸张、牙膏、糖果等产品的杀虫剂[36]。

而树脂酸衍生物作为抗动脉硬化、抗癌药物在很多国家申请了专利[37-38]。

1.4.1抗肿瘤活性

Kwang-HeeSon等[37]从红杉的球果中分离得到了具有脱氢枞烷骨架的化合物，其中化合物1和2在GI50=1.42-3.98mg/L时，对结肠癌、乳腺癌、肺癌等具有强烈的抑制作用。

Iwamoto等[38]从日本香柏（Thujastandishii）中分离出两个三环二萜化合物，化合物3对TPA诱导EBV-EA具有很强的抑制作用。

化合物4对TPA诱导EBV-EA具有中等的抑制作用。

Ukiya等[39]研究了脱氢枞酸甲酯对TPA诱导EBV-EA活性的抑制作用。

实验结果表明：

1000molratio/TPA时，达到100%抑制；500molratio/TPA时，达到76.8%抑制。

Gigante等[40]以5种癌细胞为实验对象，研究了4种化合物对癌细胞生长的抑制作用。

这5种癌细胞分别是：

MCF-7（breast），NCI-H460（lung），SF-268（CNS），TK-10（renal）以及UACC-62（melanoma）。

当浓度超过20μmol/L时，化合物5和6对癌细胞的生长表现中等的抑制作用；化合物7和8表现出最大的抑制作用。

1.4.2抗病毒活性

Paris等[41]从迷迭香（rosemary）中提取出鼠尾草酸9，具有很强的HIV-1蛋白酶抑制活性（IC90=0.08mg/L），并且可以抑制HIV-1病毒的复制（IC90=0.32mg/L）。

对于H9淋巴细胞的毒性，90%毒性浓度（TC90）为0.36mg/L。

在小于10mg/L的质量浓度范围内，不会抑制细胞中天冬氨酸酶、组织蛋白酶D和胃蛋白酶的活性。

Fonseca等[42]以人胚肺细胞为实验对象，研究发现一些树脂酸的衍生物10-11在浓度低于细胞毒素浓度（MCC或CC50）5-10倍的情况下能够抑制CMV（巨细胞病毒）和VZV（水痘-带状疱疹病毒）的复制。

1.4.3抗菌活性

Tapia等[43]通过对脱氢枞酸的微生物转化，得到一种新化合物12，并研究了脱氢枞酸和该新化合物的抗菌活性。

结果表明，新化合物只对沙雷氏菌和枯草杆菌有抗菌活性，脱氢枞酸对除沙雷氏菌和绿脓杆菌以外所研究的其他细菌都有抗菌活性。

王延等[44]以脱氢枞胺为原料，合成了6种脱氢枞基季铵盐。

它们对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有一定的抗菌活性，其MIC分别为7.18-31.25mg/L和250-500mg/L。

梁梦兰等[45]由脱氢枞胺制备出2种松香基季铵盐型阳离子表面活性剂，对金黄色葡萄球菌具有灭杀作用。

1.4.4抗氧化

Justino等[46]对一种脱氢枞酸的衍生物13（MDTO）进行了研究，发