含氮菊糖衍生物的制备及生物活性研究
陈源
学位类型博士
2020-05-22
学位授予单位中国科学院大学
学位授予地点烟台海岸带研究所
学位名称理学博士
关键词菊糖化学修饰含氮化合物抗氧化抑菌
摘要菊糖是由多个D-呋喃果糖分子之间以β-(2→1)-糖苷键相互连接形成的线型果聚糖，广泛存在于36000余种植物当中。菊糖天然、安全、无毒副作用，具有众多的生理功能，良好的生物相容性和可生物降解性，在医药、生物材料、日化等领域展现出较高的应用潜力。但菊糖分子结构中缺乏活性基团导致生物活性不足，成为限制其应用的重要因素。目前菊糖主要以直接添加的形式应用在食品保健领域，经济附加值低。化学修饰是优化多糖结构和性质的重要途径，具有简单、高效、针对性强等优点。通过化学方法优化菊糖的分子结构，既可以提高菊糖的生物活性，也可以为菊糖的应用引入新的特性。因此，为了实现菊糖的高值化应用，对菊糖进行化学修饰十分必要。相较于壳聚糖、纤维素、淀粉等多糖，菊糖衍生化的研究相对较少，且发展较慢。含氮官能团在生物化学和药物化学中占有重要地位，是许多天然活性物质和高效药物不可或缺的一部分，在很大程度上影响它们的生物活性，常用于多糖的化学修饰。为了提高菊糖的生物活性，本论文依据活性叠加的原理，以亚结构连接的方式将一些具有潜在抑菌、抗氧化活性的含氮活性基团引入菊糖分子中，共制备了23种新型菊糖衍生物。通过红外光谱法和核磁共振波谱法对产物结构进行了表征，然后对其抗氧化和抑菌活性进行了测试和筛选。通过比较衍生物与原料以及各衍生物之间的抑菌、抗氧化活性的差异，得出研究结论，为菊糖的高值化应用奠定理论基础。在菊糖化学修饰过程中，首先针对羟基对其分子进行活化。通过溴代反应、氯乙酰化反应、叠氮化反应等制备了6-溴-6-脱氧菊糖（BIL）、6-叠氮-6-脱氧-3,4-乙酰化菊糖（ADAIL）和叠氮乙酰菊糖（AAIL）三种活性中间体。为了提高菊糖的抗氧化活性，本研究以BIL为反应中间体，利用吡啶N原子的亲核性，按照双分子亲核取代（SN2）反应机理将吡啶或氨基吡啶类化合物以季铵盐的形式接到菊糖分子中，制备了一系列菊糖吡啶季铵盐衍生物。抗氧化测试结果表明，吡啶或氨基吡啶基团的引入可以有效提高菊糖的抗氧化活性。氨基数量、取代位置以及由此引起的正电荷密度的不同共同影响产物的抗氧化活性。在所有衍生物中，3APIL的抗氧化活性最强，主要来源于氨基的供电子能力和较小的空间位阻。Click反应为多糖提供了温和、模块化和高效的修饰途径，帮助合成具有新功能、结构和属性的衍生物，在多糖衍生化中应用十分广泛。本论文以AAIL为反应中间体，与一系列末端炔类化合物通过Click反应制备了4种末端含醇羟基的1,2,3-三氮唑菊糖衍生物。抗氧化研究结果表明衍生物对三种自由基的清除效果明显增强，其中对于超氧阴离子自由基表现出极强的清除能力，它们在0.1 mg/mL时的清除率就能达到100%。各衍生物之间的抗氧化活性差别不大，表明烷基链长对衍生物抗氧化活性影响很小。推测衍生物抗氧化活性的提高主要来源于1,2,3-三氮唑环的较大偶极矩以及环中2、3位N原子的孤对电子。对于多糖的化学修饰，席夫碱是一类研究较多的含氮功能化基团，其修饰后的多糖衍生物在生物活性方面得到较大改善。据此，本论文以ADAIL为反应中间体，通过Staudinger反应和aza-Wittig反应，采用“一锅法”实现了菊糖的席夫碱衍生化，分别得到了含卤素和酚羟基的菊糖席夫碱衍生物。通过红外光谱法和核磁共振波谱法对产物的结构进行了表征。抑菌测试结果表明席夫碱的引入赋予了菊糖明显的抑菌活性，部分衍生物能够完全抑制致病真菌的生长。整体而言，菊糖衍生物对灰葡萄孢病菌的作用效果最佳。卤素的种类，卤素和羟基的数量以及它们的取代位置共同影响衍生物的抑菌活性。对于卤代席夫碱菊糖衍生物，Cl元素对衍生物抑菌活性的提高效果最为显著，并且它的数量越多，抑菌活性越强，在对位取代的效果要强于邻位取代。对于酚类席夫碱菊糖衍生物，单羟基取代时的抑菌效果最佳，它们之间的抑菌活性差别不大。抗氧化测试结果表明席夫碱引入菊糖后表现出明显的抗氧化活性增效作用，衍生物对超氧阴离子和DPPH自由基的清除能力受羟基数量的影响最大，数量越多，抗氧化活性越强。而对于清除羟自由基而言，取代位置成为主导因素。在所有产物中，4CBSDAIL、3,4DCBSDAIL、3HBSDAIL和4HBSDAIL在1.0 mg/mL时几乎都能够完全抑制灰葡萄孢病菌的生长，其中的3HBSDAIL和4HBSDAIL在1.6 mg/mL时还能够完全清除羟自由基。本论文共制备了23种新型含氮菊糖衍生物。通过化学修饰的方法将季铵盐、1,2,3-三氮唑、席夫碱等活性基团引入菊糖分子，针对性地提高了菊糖的抑菌或抗氧化活性，并通过改变取代基的种类获得了同时具有高抑菌和高抗氧化活性的菊糖衍生物。分别讨论了衍生物的结构对生物活性产生的影响，并优化了合成路线，简化了操作流程。最终筛选出了高生物活性的菊糖衍生物，为实现菊糖在生物材料、医药、农药等领域的高值化应用提供了可行的思路、方法以及潜在的活性中间体。
语种中文
文献类型学位论文
条目标识符http://ir.yic.ac.cnhttp://ir.yic.ac.cn/handle/133337/24228
专题中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文
中国科学院烟台海岸带研究所

推荐引用方式
GB/T 7714陈源. 含氮菊糖衍生物的制备及生物活性研究[D]. 烟台海岸带研究所. 中国科学院大学,2020.


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