通过UPLC–MS/MS和DFT技术解析传统朱木染料在丝绸上的色移现象及金属配位机制

《Dyes and Pigments》：Elucidating the Hue Shift and Metal Coordination Mechanism of Traditional Sappanwood Mordant Dyeing on Silk via UPLC–MS/MS and DFT

紫草木染料在明矾和硫酸亚铁媒染下的显色机理研究：通过传统染色复现三种色相，结合DFT计算和光谱分析，揭示了Al3+与Fe3+分别通过环A去质子化形成单阴离子和混合电荷转移结构，导致红色（静电场效应）和深紫黑色（光谱拓宽）的色差机制，为丝绸遗产保护和现代植物染色优化提供理论依据。

　　

朱盼盼|陶雅慧|吴慧慧|赵峰

浙江省科学技术研究院生物基纤维材料国家重点实验室，中国杭州，310018

摘要

了解红木（Caesalpinia sappan L.）染色中的显色机制和染料-金属螯合机制对于精确保护丝绸遗产和优化现代植物染色技术至关重要。本文通过传统技术重现了三种不同色调的红木染色丝绸，并系统研究了巴西豆素与两种媒染剂的配位行为。研究发现，引入明矾和硫酸亚铁媒染剂后，染色丝绸的颜色从天然橙色分别转变为鲜艳的红色和深紫黑色。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，在中性溶液中巴西豆素以A环去质子化的单阴离子形式存在。基于此，热力学分析表明，Al³⁺媒染体系同时存在反式-和顺式-构型，而Fe³⁺媒染体系主要以反式-构型为主。空穴-电子分析表明，鲜艳的红色源于封闭壳层Al³⁺的静电场效应，而深紫黑色则源于开放壳层Fe³⁺的电荷转移导致的光谱宽化。此外，提出的配位模型和激发态分析成功解释了媒染后实验UV-vis吸收光谱中的观察趋势。总之，本研究从分子水平阐明了红木染色的金属螯合和显色机制，为保护纺织遗产和推进现代植物染色技术提供了理论基础。

引言

红木（Caesalpinia sappan L.），又称巴西木，是一种红色染料的来源。这种染料从干燥的心材中提取，自2世纪以来在东南亚地区被广泛用于染色[1]，[2]。作为一种具有悠久历史的传统红色染料，其用于“染制深红色”的记载可追溯到中国西晋时期（265–316年）的《南方草木志》[3]，[4]，[5]，[6]，[7]。近年来，在大量考古丝绸文物中发现红木的使用，进一步凸显了它在古代纺织染色中的关键地位。另一方面，随着全球对生态保护和可持续发展的日益重视，现代植物染色被广泛视为合成染料的可持续替代品[8]，[9]。因此，系统研究红木的染色特性对于科学保护珍贵丝绸遗产和推进传统植物染色技术的现代化至关重要。

巴西豆素是红木的主要活性成分，属于新黄酮类化合物。它是一种无色酚类化合物，由两个芳香环、一个含氧的吡酮和一个五元环融合而成[10]，[11]。在染色过程中，该结构中的羟基容易被氧化为羰基，从而形成具有共轭结构的红橙色化合物巴西豆素（图1）。作为红木的关键显色成分，巴西豆素的颜色对化学环境非常敏感[7]，[12]，[13]，[14]。Ngamwonglumlert等人[15]发现巴西豆素的分子结构会随pH值变化发生质子化或去质子化，导致颜色在黄色和红色之间转变。此外，金属媒染剂是调节巴西豆素颜色的另一个关键因素[16]。考古证据和历史记录表明，古代中国的红木染色主要使用明矾（硫酸铝钾）和硫酸亚铁作为媒染剂。这些金属媒染剂与染料分子的羟基或其他功能基团形成配位复合物，从而产生不同的颜色变化，赋予染色丝绸织物多样的色调[17]，[18]。Arshid等人[19]初步提出，巴西豆素主要通过邻位-羟基醌基团与金属离子螯合，生成不溶性金属复合物。具体来说，明矾媒染倾向于形成阳离子红色复合物，而硫酸亚铁媒染则产生深蓝色或紫色复合物。然而，目前的研究主要集中在宏观颜色描述和染色过程优化上，对分子层面的显色机制了解仍然有限。

媒染剂对巴西豆素颜色的影响取决于形成的稳定配位复合物的分子结构。这一结构涉及多种化学因素，包括电子密度分布、配位几何结构和空间兼容性。然而，通过传统光谱技术直接表征这些因素仍然具有挑战性。近年来，理论化学的进步使得在分子水平上分析染料微观结构成为可能，从而促进了对其显色和配位机制的进一步研究[20]，[21]，[22]。Amat等人[23]利用时间依赖密度泛函理论（TD-DFT）阐明了结构修饰和分子去质子在电子跃迁层面引起的染料颜色和光谱特性的变化机制。此外，在复杂的铝媒染体系中，通过DFT计算和模拟UV-vis吸收光谱，揭示了木犀草素与铝离子之间的1:1双齿配位模式及红移机制[24]。同时，Anouar等人[25]通过广泛计算研究建立了多酚类染料的分子骨架与光谱特性之间的关联。尽管已有大量关于黄酮类染料的理论研究，但作为重要的古代红色染料，巴西豆素的系统理论研究仍然有限。特别是，其与各种金属离子形成的精确螯合几何结构及着色电子跃迁机制尚未得到系统阐明。

因此，为了阐明红木染色过程中的显色和染料-金属螯合机制，本文采用古代传统方法，利用明矾和硫酸亚铁作为媒染剂，科学地重现了三种不同色调的红木染色丝绸。通过比色分析系统比较了未媒染、Al³⁺媒染和Fe³⁺媒染样品的颜色特性。同时，使用UPLC-QTOF-MS/MS技术鉴定固定在丝绸纤维上的染料分子。此外，进行DFT计算以研究巴西豆素在中性溶液中的脱质子位点及其与金属离子的优先螯合位点。随后应用热力学分析和激发态计算确定精确的配位几何结构和着色背后的电子跃迁机制。总体而言，这项工作为传统染色技术的科学理解提供了新的见解，并为现代植物染色技术提供了宝贵的指导。

部分摘录

化学试剂

二甲基亚砜（DMSO，HPLC级，纯度≥99.8%）、甲醇（MeOH，HPLC级，纯度≥99.9%）、乙腈（ACN，HPLC级，纯度≥99.9%）、甲酸（HPLC级，纯度≥99.9%）、草酸二水合物（分析级，纯度≥99.5%）和丙酮（分析级，纯度≥99.5%）均购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。硫酸铝钾十二水合物（分析级，纯度≥99.5%）和硫酸亚铁七水合物

不同浓度和媒染条件下的颜色变化

通过整合考古纺织品中发现的红木染料和明矾/硫酸亚铁媒染剂以及中国古代文献中记载的染色技术，科学地重现了传统的染色过程（图2a）[18]。该技术包括浸煮、过滤、重新提取、混合提取物进行染色以及后媒染等步骤。值得注意的是，虽然不同媒染技术的具体步骤有所不同，但核心的显色机制是一致的

结论

本研究通过结合传统染色实验（无媒染、明矾媒染和硫酸亚铁媒染）和DFT计算，系统研究了红木染色丝绸的显色机制以及金属离子与巴西豆素之间的具体螯合结构。通过UPLC-QTOF-MS/MS分析确定主要发色团为巴西豆素。理论计算表明，巴西豆素A环间苯二酚羟基的脱质子化导致了

CRediT作者贡献声明

吴慧慧：撰写——审稿与编辑、方法学、实验设计、资金获取。陶雅慧：撰写——审稿与编辑、方法学、实验设计。朱盼盼：撰写——初稿撰写、方法学、实验设计、数据管理。赵峰：撰写——审稿与编辑、指导、方法学、概念构思

利益冲突

作者声明没有竞争性财务利益。

利益冲突声明

? 作者声明没有已知的可能影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号：LY22E030005）、宁波市自然科学基金（项目编号：202003N4076、2023J096）以及宁波大学的K. C. Wong Magna基金的支持。