源自噻唑烷-4-酮的新型偶氮化合物：合成、金属配位、颜色性质及生物活性

《ACS Omega》：Novel Azo Compounds Derived from Thiazolidine-4-one: Synthesis, Metal Complexation, Coloristic Properties, and Biological Activity

永久发色剂偶氮化合物的研究：合成、稳定性、毒性及抗菌活性

　　本文探讨了一种新型的偶氮化合物的合成与性质，这些化合物含有2-氰甲基-4-噻唑烷酮结构，具有作为永久性染发剂的潜力。通过一系列独立的物理化学方法，对这些化合物进行了分析，并评估了它们在染发过程中的性能和生物活性。研究发现，这些偶氮化合物在乙醇溶液中能够与3d过渡金属阳离子形成适度稳定的ML?型配合物，表现出一定的酸碱特性，并且在实验条件下显示出良好的染色效果和抗菌活性。

首先，从研究背景来看，噻唑烷酮及其衍生物作为生物活性的杂环化合物，在药物化学中扮演着重要角色。它们不仅是药物开发的重要骨架，还广泛应用于有机合成中，是许多天然产物和药物的关键成分。此外，噻唑烷酮的结构赋予了其在多个高科技领域中的应用潜力，例如太阳能电池、发光二极管（OLEDs）、传感器、荧光探针以及非线性光学元件等。然而，关于偶氮-噻唑烷酮类化合物作为纤维染料的研究相对较少，尤其是其酸碱平衡和配合物形成特性方面的研究更为有限。因此，本文的研究旨在填补这一领域的空白，通过合成新的偶氮化合物，探索其在染发领域的应用潜力。

研究团队采用传统的偶氮合成方法，包括重氮化和偶氮偶联反应，成功合成了五种含有2-氰甲基-4-噻唑烷酮结构的偶氮化合物。这些化合物的合成过程中，使用了多种胺类化合物作为重氮成分，如4-氨基-2,3-二甲基-1-苯基-3-吡唑啉-5-酮、4-甲氧基苯基-3-甲基-1H-吡唑-5-胺、5-氨基-2-羟基苯甲酸、2-氨基-5-硝基苯酚以及2-氨基-4-氯苯酚。合成反应在酸性条件下进行，保持温度不超过5°C，以确保反应的可控性和产物的纯度。通过薄层色谱（TLC）验证了产物的纯度，结果表明所有合成的偶氮化合物均未检测到原始重氮或偶氮成分的杂质。

为了进一步确认这些化合物的结构，研究团队利用了X射线单晶衍射分析。这种方法能够提供分子结构的详细信息，包括晶胞参数、空间群以及分子的排列方式。这些数据不仅有助于理解化合物的分子构型，还为后续的物理化学性质研究提供了基础。此外，通过质谱分析，研究团队验证了所有合成化合物的分子式，确认了它们的化学组成。结合1H NMR和红外吸收光谱（FTIR），研究团队进一步分析了这些化合物的化学结构和官能团分布。例如，在1H NMR谱中，2.50 ppm处的信号被归因于偶氮化合物中2-氰甲基基团的不饱和═CH质子，而3.82和3.20 ppm处的信号则分别对应于L?和L?中的甲基质子。这些分析方法为研究这些化合物的化学特性提供了坚实的基础。

在酸碱平衡和配合物形成方面，研究团队对偶氮化合物在不同pH值下的行为进行了系统分析。通过光谱滴定法，研究了这些化合物在乙醇-水溶液中的酸碱解离常数（pKa值），结果表明它们的pKa值范围在7.83到11.87之间，具体数值取决于重氮成分中的取代基。例如，L?和L?的pKa值较高，说明它们在溶液中更倾向于保持中性，而L?、L?和L?的pKa值较低，表现出更强的酸性。这种酸碱行为的差异可能与其分子结构中取代基的电子效应有关，例如在L?和L?中，羧酸基团和氯原子作为电子受体，显著增加了它们的酸性。相比之下，L?和L?中的吡唑环则具有电子供体特性，降低了它们的酸性。

此外，研究还评估了这些偶氮化合物与过渡金属离子（如Ni2?、Cu2?、Co2?、Cd2?和Zn2?）形成配合物的能力。结果表明，所有偶氮化合物都能与这些金属离子形成2:1的ML?型配合物，其稳定性符合Irving-Williams系列，即Fe2? < Co2? ≈ Ni2? < Cu2? > Zn2?。这表明这些偶氮化合物在形成金属配合物时具有一定的选择性，其中铜离子的配合物表现出更高的稳定性。配合物的形成不仅改变了化合物的光谱特性，还增强了其在染发过程中的稳定性，使其能够更好地附着在毛发表面，提高染色效果的持久性。

在染发性能测试中，研究团队使用了乙醇溶液和金属盐的混合物对漂白的天然毛发进行了染色实验。结果表明，这些偶氮化合物能够在短时间内改变毛发的颜色，且染色后的样品在经过六次洗发后仍能保持颜色不褪，显示出良好的耐洗性。此外，染色后的毛发在紫外灯（255 nm）照射一小时后，其颜色依然稳定，表明这些偶氮化合物在光照条件下具有良好的稳定性。这种性能使其在实际应用中具有很大的潜力，尤其是在需要长时间保持颜色的永久性染发剂中。

为了进一步验证这些偶氮化合物的染发效果，研究团队还将其引入到工业常用的永久性染发霜基质中，模拟了实际的染发条件。结果表明，L?和其与金属盐的混合物在染发过程中能够产生明亮的黄褐色调，显示出良好的色彩表现力。这种颜色稳定性不仅适用于实验条件，还可能适用于实际的染发产品，为消费者提供更持久的染发效果。

在生物活性方面，研究团队通过体外抗菌测试评估了这些偶氮化合物的抗菌能力。实验选择了四种常见的细菌菌株，包括两种革兰氏阴性菌（大肠杆菌和铜绿假单胞菌）和两种革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌和粪肠球菌）。结果表明，这些偶氮化合物对革兰氏阴性菌表现出中等水平的抗菌活性，尤其在12.5 μg/mL的最低浓度下，对某些菌株表现出显著的杀菌效果。相比之下，它们对革兰氏阳性菌的抗菌活性较弱，主要表现为抑菌作用。这种差异可能与细菌细胞壁的结构有关，革兰氏阴性菌由于缺乏外膜，使得偶氮化合物更容易渗透到细胞内部，从而发挥杀菌作用。而革兰氏阳性菌由于具有较厚的细胞壁，可能对偶氮化合物的渗透性产生一定的限制。

在毒性评估方面，研究团队结合了计算机模拟和动物实验，对这些偶氮化合物的急性毒性进行了分析。计算机模拟使用了GUSAR程序，该程序能够预测化合物的毒性等级。结果显示，所有化合物在口服和皮下注射途径下均属于低毒或无毒类别，符合化妆品行业的安全标准。动物实验进一步验证了这些化合物的毒性特征，发现L?在不同剂量下对小鼠的急性毒性较低，且未观察到100%的死亡率。实验还评估了这些化合物对胃肠道黏膜的局部刺激作用，发现它们在体内可能引起轻度的炎症反应，但整体毒性较低，表明其在实际应用中具有较高的安全性。

为了进一步了解这些偶氮化合物在人体内的潜在影响，研究团队使用了BOILED-Egg模型预测其口服生物利用度和脑渗透性。结果显示，只有L?和L?可能被胃肠道吸收，而其他化合物则不具备进入血液或脑组织的能力。这一发现表明，这些偶氮化合物在人体内的分布较为有限，减少了其对人体造成潜在毒性的可能性。同时，它们的生物利用度较低，也降低了其在体内产生不良反应的风险。

综合来看，这些偶氮化合物不仅具有良好的染发性能，还表现出一定的抗菌活性和较低的毒性，使其在化妆品行业具有广阔的应用前景。特别是在永久性染发剂领域，它们能够提供稳定的颜色效果，同时减少对皮肤和身体的潜在危害。此外，这些化合物的合成方法简单，具有较高的产率，且在实验条件下表现出良好的兼容性和稳定性，为后续的工业化生产提供了可能性。未来的研究可以进一步优化这些化合物的合成工艺，提高其染色效果和抗菌活性，同时探索其在其他领域的应用潜力，如药物开发或材料科学。这些研究结果不仅有助于推动染发剂技术的发展，也为相关领域的基础研究提供了新的思路和方向。