CN103554367B - 一种含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物及其制备方法和应用，该抗菌剂共聚物为式（Ⅰ）所示结构的化合物；制备方法为：将含有双键的马来酸酐改性β-环糊精和含有双键的卤胺类化合物溶于乙醇和水的混合溶液，加入氧化还原引发剂体系，在氮气保护下于35～70℃反应3～10h，得含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体，卤化得含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物成品；在制备抗菌纳米纤维材料中的应用：将其前驱体与易于纺丝的高分子材料在适当的溶剂中按比例混合，静电纺丝制得纳米纤维材料，卤化得抗菌纳米纤维材料。本发明抗菌剂共聚物具有优越的抗菌性能，合成工艺简单可控，反应时间短，条件温和，所制纳米纤维材料具有良好的抗菌性能，抗菌效率高。

Description

一种含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于卤胺类抗菌剂合成技术领域，具体涉及一种含有β-环糊精的将卤胺类抗菌剂共聚物及其制备方法，以及该抗菌剂共聚物在制备抗菌纳米纤维材料中的应用。

背景技术

人类生存环境中存在大量致病细菌，而抗菌剂和具有抗菌功能的物品的使用，不仅可以有效阻止人与人、人与物、物与物之间的细菌交叉传染，还可以启发人们将事后处理的防病模式转变为事前防范。

理想的抗菌剂应当具备以下特点：原料廉价易得，合成容易，便于存储，有效期长，不易分解或者不易转变成有毒物质，可反复杀菌等。目前常用的抗菌剂主要包括无机抗菌剂、有机抗菌剂、天然抗菌剂等，这些抗菌剂在实际应用中呈现出诸多问题，如抗菌速度慢，不能反复杀菌，易使细菌产生耐药性，甚至具有生物毒性等。

卤胺类化合物是一类新型绿色有机抗菌剂，具有广谱杀菌、杀菌速度快、杀菌效率高、稳定、长效、抗菌功能可再生、不会产生有毒副产物等优点。卤胺化合物抗菌剂水解后氯正离子具有氧化作用，可杀死病原菌，化合物经氯水（有效成分为次氯酸盐）漂洗后，其中的N-H键又可被氧化为N-Cl键，重新获得杀菌功能。经实际测试，其抗菌性能优异，可以在很短的时间内杀死绝大部分葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓假单胞菌等常见病菌，甚至对某些病毒也有杀灭作用。

然而，上述卤胺类抗菌剂在实际应用中也存在一些问题，如：合成原料昂贵；合成反应温度高，条件较为苛刻，工艺复杂；部分氯胺类抗菌剂以N-羟甲基为活性基团，在使用过程中仍存在甲醛释放问题；应用范围窄等。综合考虑目前已有的各种用于抗菌整理的卤胺类抗菌剂存在的问题，开发一款综合性能优越的新型卤胺类抗菌剂具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有卤胺类抗菌剂及其制备工艺存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物，该抗菌剂共聚物分子量大，具有优越的抗菌性能。

一种含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物，为式（Ⅰ）所示结构的化合物：

式中，R选自C₁～C₈烷基，苯基衍生物或酰胺衍生物；具体地，R可根据使用溶剂的不同来选择：如使用溶剂为水，则R可选自C₁～C₄的烷基或者酰胺衍生物；如使用溶剂为有机溶剂，则R可选择C₅～C₈的烷基或者苯基衍生物，其中苯基衍生物可优先选择乙烯基苯、丙烯基苯、以及含有双键的联苯化合物；

R₁选自氟、氯或溴；

m和n分别代表所述共聚物中两种单体的聚合度；

代表

本发明的另一目的在于提供上述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物的制备方法：首先将质量比为1:5～5:1的含有双键的马来酸酐改性β-环糊精和含有双键的卤胺类化合物溶于乙醇和水的混合溶液，充分搅拌溶解；加入氧化还原引发剂体系，在氮气保护下于35～70℃反应3～10h；反应结束，减压蒸馏，过滤，提纯并烘干，得到含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体；将该前驱体溶于质量百分浓度为1～5%的次氯酸钠、次溴酸钠或次氟酸钠溶液中，于室温静置反应1h，过滤并烘干，得到含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物成品；所述含有双键的卤胺类化合物化学结构式如式（II）所示：

其中n=1～8。

其进一步的技术方案为：

所述乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积比为1：1～4:1。

所述氧化还原引发剂体系为过硫酸铵-亚硫酸氢钠体系或过硫酸钠-亚硫酸氢钠体系。

所述卤胺类抗菌剂共聚物前驱体为（III）所示结构的化合物：

式中，R选自C₁～C₈烷基，苯基衍生物或酰胺衍生物；

m和n分别代表所述共聚物中两种单体的聚合度；

代表

本发明的再一目的在于提供上述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物在制备抗菌纳米纤维材料中的应用：将所述含有β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体与易于纺丝的高分子材料在适当的溶剂中按比例混合，所述含有β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体的用量为所述高分子材料重量的1～10%；调节纺丝条件，通过静电纺丝制得纳米纤维材料；最后将其浸渍于含有活性卤素的溶液中进行卤化反应，取出并烘干，即得抗菌纳米纤维材料。

其进一步的技术方案为：

所述高分子材料选自PAN（聚丙烯腈）、PVA（聚乙烯醇）或CA（醋酸纤维素）。

所述适当的溶剂根据所述卤胺类抗菌剂共聚物及高分子材料本身的溶解性而选择，选自水、乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种或者几种的混合溶液。

所述纺丝条件如下：纺丝液浓度为6～12%，纺丝液流量为0.2ml/h～1.5ml/h，纺丝电位为15kV～27kV，针头和接收屏之间的距离为10～25cm。

所述含有活性卤素的溶液选自次氯酸钠、次氯酸钙、次溴酸钠或次氟酸钠溶液，其质量百分浓度为0.01～1%。

本发明具有如下有益效果：

本发明选用含有双键的马来酸酐改性β-环糊精以及含有双键的卤胺类抗菌剂作为合成原料，在氧化-还原引发剂体系存在的条件下，二者之间发生共聚反应生成含有β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体，再经卤化反应生成含有β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物。

与现有卤胺类抗菌剂及其制备工艺相比，本发明具有如下优点：

1.β-环糊精水溶性较高，并具有环保、可再生、价格低廉、生物相容性好的优点，可提高卤胺类抗菌剂共聚物的生物相容性，环境友好，同时，β-环糊精具有一个疏水内腔，因此可包覆细菌死亡产生的疏水性分子，以免污染环境。

2.根据合成时两种单体的比例和种类的不同，本发明抗菌剂共聚物（或共聚物前驱体）可溶于不同的溶剂，如水、乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种或者几种的混合溶液，因此具有广泛的应用范围。

3.所选合成原料价格低廉，安全无毒无污染，环境友好。

4.本发明合成反应在相对较低温度（35～70℃）下即可进行，合成工艺简单可控，反应时间短，条件温和，制备所得抗菌剂共聚物分子量大，具有优越的抗菌性能，可用于各类纺织品抗菌整理、水净化处理及医疗设备的抗菌处理。

5.将本发明抗菌剂共聚物在制备抗菌纳米纤维材料中的应用：将易于纺丝的高分子材料如PAN、PVA、醋酸纤维素等与含有β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体以一定比例混合，调节纺丝条件制备出纳米纤维，最后经卤化反应制得抗菌纳米纤维；测试表明：所制纳米纤维材料具有良好的抗菌性能，抗菌效率高，其活性氯含量可达0.15～0.40%，与接种细菌接触后，在10min内对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到100%，在30min内对大肠杆菌O157：H7的抗菌率达到100%。

附图说明

图1为本发明实施例1中含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体以及抗菌剂共聚物的合成路线图。

图2为本发明实施例1中含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物杀菌和抗菌性能再生原理示意图。

具体实施方式

以下结合附图，并通过实施例对本发明进行具体说明。

如图1所示，在适当温度条件（45℃）和氧化还原引发剂体系存在的条件下，含有双键的马来酸酐改性β-环糊精和含有双键的卤胺类抗菌剂（对苯乙烯基海因），生成含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体，最后经卤化反应，在上述前驱体上引入氧化性氯原子，生成具有抗菌性能的含有β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物（β-环糊精-对苯乙烯基海因共聚物）。

如图2所示，一方面，共混于纳米纤维中的含有β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物通过其氯原子发挥抗菌功效，另一方面，由于杀菌而消耗掉的氯原子可由含活性氯的溶液补充从而再生。

含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物及其前驱体合成实施例

实施例1绿色部分确认，不合适请修改。

β-环糊精-对苯乙烯基海因共聚物的制备

称取质量比1:5的含有双键的马来酸酐改性β-环糊精和对苯乙烯基海因，将其溶解于10ml乙醇和水的混合溶液（乙醇和水的体积比为4:1），在氮气保护下加入0.5g过硫酸钠和0.05g亚硫酸氢钠，于35℃反应7h；反应结束，将所得产物在60℃条件下减压蒸馏，得到固体产物，将固体产物用蒸馏水反复洗涤，用真空泵抽干，所得产物在50℃真空条件下干燥48h，得到含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体；将该前躯体溶解于质量百分浓度为1%的次氯酸钠溶液中，于室温静置反应1h，反应结束，按照常规操作方法进行过滤、烘干（同上），得到含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物（β-环糊精-对苯乙烯基海因共聚物）成品。

实施例2

β-环糊精-丙烯基海因共聚物的制备

称取质量比为5:1的含有双键的马来酸酐改性β-环糊精和丙烯基海因，将其溶解于8ml乙醇和水的混合溶液（乙醇和水的体积比为1:1），在氮气保护下加入0.5g过硫酸钠和0.05g亚硫酸氢钠，于70℃反应3h；反应结束，将所得产物在60℃条件下减压蒸馏，得到固体产物，将固体产物用丙酮反复洗涤，用真空泵抽干，所得产物在50℃真空条件下干燥48h，得到含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体；将该前躯体溶解于质量百分浓度为5%的次氯酸钠溶液中，于室温静置反应1h，反应结束，按照常规操作方法进行过滤、烘干（同上），得到含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物（β-环糊精-丙烯基海因共聚物）成品。

抗菌剂应用实施例

应用实施例1

称取一定量实施例1所制卤胺类抗菌剂共聚物前驱体（β-环糊精-对苯乙烯基海因共聚物）和醋酸纤维素（β-环糊精-对苯乙烯基海因共聚物为醋酸纤维素质量的2%），并将其完全溶解于10ml丙酮和N,N-二甲基甲酰胺的比例为2：1的混合溶剂中，调节纺丝电压为20kV，纺丝液流速为0.5ml/h，接收屏与针头之间的距离为15cm，制备出纳米纤维；最后将烘干后的纤维材料浸渍于质量百分浓度为0.1%的次氯酸钠溶液中，1h后取出该纤维材料，于45℃在烘干机中烘干2h，制得抗菌纳米纤维材料。用碘量法测定该抗菌纳米纤维材料的活性氯含量为0.36%。

应用实施例2

称取一定量实施例2所制卤胺类抗菌剂共聚物前驱体（β-环糊精-丙烯基海因共聚物）和PVA（β-环糊精-丙烯基海因共聚物为PVA质量的8%），并将其完全溶解于10ml乙醇和水的比例为1：1的混合溶剂中，调节纺丝电压为20kV，纺丝液流速为0.5ml/h，接收屏与针头之间的距离为15cm，制备出纳米纤维。最后将烘干后的纤维材料浸渍于质量百分浓度为0.1%的次氯酸钠溶液中，1h后取出该纤维材料，于45℃在烘干机中烘干2h，制得抗菌纳米纤维材料。用碘量法测定该抗菌纳米纤维材料的活性氯含量为0.28%。

纳米纤维材料抗菌性能测试

根据修正AATCC100-1999抗菌性能测试标准所述方法进行测试。

取上述应用实施例1中的纳米纤维材料，按照应用实施例1所述方法进行抗菌整理，但不经过氯化反应来作为空白样品；对该空白样品和应用实施例1所制抗菌纳米纤维材料进行抗菌性能测试，接种细菌为金黄色葡萄球菌和大肠杆菌O157：H7，测试结果分别见表1和表2。

表1抗菌纺织品对金黄色葡萄球菌的抗菌性能

注：金黄色葡萄球菌的接种浓度：2.46×10⁶cfu。

表2抗菌纺织品对大肠杆菌O157：H7的抗菌性能

注：大肠杆菌O157:H7的接种浓度：2.72×10⁶cfu

由表1和表2测试数据表明，将本发明抗菌剂共聚物（实施例1）应用于制备抗菌纳米纤维，所制抗菌纳米纤维具有良好的抗菌性能，抗菌效率高；与接种细菌接触后，应用实施例1抗菌纳米纤维材料在10min内对金黄色葡萄球菌的抗菌率达到100%，在30min内对大肠杆菌O157：H7的抗菌率达到100%，而空白样品无抗菌能力，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别增殖到1.13×10⁷cfu和3.16×10⁶cfu。

以上实施例和应用实施例所涉及原料和试剂均为市售产品，所使用生产设备均为本领域常规设备。其中，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌O157：H7购自美国模式培养物集存库（ATCC）。

上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物，其特征在于为式(Ⅰ)所示结构的化合物：

式中，R选自C₁～C₈亚烷基，亚苯基衍生物或酰胺衍生物；

R₁选自氟、氯或溴；

m和n分别代表所述共聚物中两种单体的聚合度；

代表。

2.权利要求1所述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物的制备方法，其特征在于：首先将质量比为1:5～5:1的含有双键的马来酸酐改性β-环糊精和含有双键的卤胺类化合物溶于乙醇和水的混合溶液，充分搅拌溶解；加入氧化还原引发剂体系，在氮气保护下于35～70℃反应3～10h；反应结束，减压蒸馏，过滤，提纯并烘干，得到含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体；将该前驱体溶于质量百分浓度为1～5％的次氯酸钠、次溴酸钠或次氟酸钠溶液中，于室温静置反应1h，过滤并烘干，得到含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物成品；所述含有双键的卤胺类化合物化学结构式如式(II)所示：

式中，R选自C₁～C₈亚烷基，亚苯基衍生物或酰胺衍生物；

m和n分别代表所述共聚物中两种单体的聚合度；

代表。

3.根据权利要求2所述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物的制备方法，其特征在于：所述乙醇和水的混合溶液中，乙醇和水的体积比为1:1～4:1。

4.根据权利要求2所述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物的制备方法，其特征在于：所述氧化还原引发剂体系为过硫酸铵-亚硫酸氢钠体系或过硫酸钠-亚硫酸氢钠体系。

5.根据权利要求2所述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物的制备方法，其特征在于：所述卤胺类抗菌剂共聚物前驱体为(III)所示结构的化合物：

其中n＝1～8。

6.权利要求1所述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物在制备抗菌纳米纤维材料中的应用，其特征在于：将所述含有β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体与易于纺丝的高分子材料在适当的溶剂中按比例混合，所述含有β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物前驱体的用量为所述高分子材料重量的1～10％；调节纺丝条件，通过静电纺丝制得纳米纤维材料；最后将其浸渍于含有活性卤素的溶液中进行卤化反应，取出并烘干，即得抗菌纳米纤维材料。

7.根据权利要求6所述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物在制备抗菌纳米纤维材料中的应用，其特征在于：所述高分子材料选自PAN、PVA或醋酸纤维素。

8.根据权利要求6所述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物在制备抗菌纳米纤维材料中的应用，其特征在于：所述适当的溶剂根据所述卤胺类抗菌剂共聚物及高分子材料本身的溶解性而选择，选自水、乙醇、丙酮、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜中的一种或者几种的混合溶液。

9.根据权利要求6所述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物在制备抗菌纳米纤维材料中的应用，其特征在于所述纺丝条件如下：纺丝液浓度为6～12％，纺丝液流量为0.2ml/h～1.5ml/h，纺丝电位为15kV～27kV，针头和接收屏之间的距离为10～25cm。

10.根据权利要求6所述含β-环糊精的卤胺类抗菌剂共聚物在制备抗菌纳米纤维材料中的应用，其特征在于：所述含有活性卤素的溶液选自次氯酸钠、次氯酸钙、次溴酸钠或次氟酸钠溶液，其质量百分浓度为0.01～1％。