CN103709049A - 具有抗菌活性的双羟基季铵盐及其制备方法与应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一类具有抗菌活性的双羟基季铵盐及其制备方法，属于抗菌材料及其制备方法技术领域。制备方法：通过N-R1-二乙醇胺与卤代烃（R2-X）在有机溶剂反应，沉淀剂沉淀后，反复重结晶得到双羟基季铵盐（N-R1-N-R2-N,N-二羟乙基卤化铵）。本发明的季铵盐合成简单、产率高、反应快、成本低、提纯方法简便。本发明的双羟基季铵盐对大肠杆菌等各种细菌和苹果轮纹病菌等各种真菌均具有较好的抗菌能力，具有很好的应用前景。

Description

具有抗菌活性的双羟基季铵盐及其制备方法与应用

技术领域

本发明涉及一类具有抗菌活性的双羟基季铵盐及其制备方法与应用，属于抗菌材料及其制备方法技术领域。 

背景技术

季铵盐（quaternary ammonium salt，QAS，又称四级铵盐）是指铵离子中的四个氢原子都被烃基取代形成的一类有机铵盐化合物，通式R₄N⁺X^-，其中四个烃基R可以相同，也可以不同，X多为卤素负离子（F-、Cl^-、Br^-、I^-），也可以是酸根（HSO₄ ^-、RCOO^-等）^[1]。季铵盐的性质与无机铵盐相似，易溶于水，水溶液导电，并且具有高效低毒、杀菌能力强、粘泥剥离能力强和宽的pH值适用范围等特点^[2]。季铵盐类抗菌剂由于价格低廉，杀菌速度快，刺激性小，不会引起过敏反应等特点，已广泛的被应用到水处理、造纸、抗菌织物、抗菌陶瓷、抗菌玻璃、抗菌聚氨酯及制品和抗菌家电等领域，有效地阻止了致病菌的繁殖和传播，从而减少了疾病的发生和传播^[3,4]。国际上已经开发出烷基季铵盐、双链季铵盐、季铵盐碘和双季铵盐四代具有典型意义的季铵盐抗菌剂^[5,6]。Franklin发现长链烷基季铵盐基团就具有很强的抗菌性能，作为季铵盐类的一个主要品种，这类抗菌剂的抗菌能力和毒性随结构变化的一般规律是：同类季铵盐抗菌剂含短烷基链的毒性要比含长烷基链的大；在烷基链长相同时，带苄基的毒性要比带甲基的小；单烷基的毒性要比双烷基的大。烷基链长短对抗菌力影响较大，随着烷基链的增长，抗菌能力增强；但到一定长度后，抗菌力反而会下降^[7,8]。 

N-甲基二乙醇胺中含有亲水性的双羟基，水溶性增强，如果将其与卤代烷反应，能够得到具有双羟基和季铵基团的亲水基团，以及烷基亲脂基团，表现出双亲性能（亲水性和亲脂性），与吡啶季铵盐和Gemini季铵盐相比，更容易破坏菌类的细胞质膜结构，进入细胞内部，使细胞 酶钝化、破坏，发生蛋白质变性，达到杀死细菌作用。另外，将长链烷基卤代烷接到N-甲基二乙醇胺上，得到具有长链烷基（C12、C14、C16、C18烷基）季铵盐，通过羟基衍生化，制成各种纤维，显示其柔软性、抗静电、杀菌的优势，亦可制成氨纶、聚氨酯、壳聚糖衍生物作为抗菌材料、药物缓释材料等。基于以上原因，我们发明了一类具有抗菌活性的双羟基季铵盐及其制备方法。 

发明内容

本发明的目的之一在于提供一类具有抗菌活性的双羟基季铵盐，它能用于抑制细菌及真菌生长；本发明的目的之二在于提供该类具有抗菌活性的双羟基委铵盐的制备方法；本发明的目的之三在于提供该类具有抗菌活性的双羟基委铵盐的应用。 

本发明是通过以下技术方案实现的： 

具有抗菌活性的双羟基季铵盐，命名为N-R1-N-R2-N,N-二羟乙基卤化铵，结构如下： 

上述具有抗菌活性的双羟基季铵盐是通过N-R1-二乙醇胺与卤代烃（R2-X）反应，得到一类双羟基活性基团的季铵盐；其合成路线如下： 

上述结构及合成路线中，R1和R2是下列基团之一：烷基、烯基、炔基、酰基、芳香基、羰基、烷羰基、芳香羰基、羟基烷基、氨基烷基、醚烷基、硫代基、硫代烷基、烷硫代基、取代磺酰基等。结构中X指氟(F)、氯(Cl)、溴(Br)、碘(I)、砹(At)。该类双羟基活性基团的季铵盐 指上述R1与R2的任意组合。 

通过上述合成路线合成的化合物举例如下： 

N-甲基-N-苄基-N,N-二羟乙基氯化铵（BNQAS）、N-甲基-N-十二烷基-N,N-二羟乙基溴化铵（C12QAS）、N-乙酰基-N-十四烷基-N,N-二羟乙基溴化铵（C14QAS）、N-烯丙基-N-十六烷基-N,N-二羟乙基溴化铵（C16QAS）、N-甲硫乙基-N-十八烷基-N,N-二羟乙基溴化铵（C18QAS）。 

具有抗菌活性的双羟基季铵盐的制备方法，其流程如下： 

将N-R1-二乙醇胺和有机溶剂混合均匀后滴加卤代烷，控制反应温度和反应时间，用沉淀剂沉淀，反复重结晶得到高产率的双羟基季铵盐。并通过红外光谱、核磁共振证明其结构的正确性。 

上述制备方法中，所述N-R1-二乙醇胺中的取代基R1是下列基团之一：烷基、烯基、炔基、酰基、芳香基、羰基、烷羰基、芳香羰基、羟基烷基、氨基烷基、醚烷基、硫代基、硫代烷基、烷硫代基、取代磺酰基等。 

上述制备方法中，所述加入的有机溶剂是指N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、丙酮、各种醇（甲醇、乙醇或者异丙醇等）、氯仿、二氯甲烷、乙醚等溶剂中的一种。所述有机溶剂的加入量为每0.01mol的N-R1-二乙醇胺原料加入3-8mL的有机溶剂。 

上述制备方法中，所述卤代烷与所述N-R1-二乙醇胺的摩尔比大于等于1，一般让卤代烷的量稍多5%-30%。 

上述制备方法中，所述的反应温度控制在30-100℃，所述的反应时间控制在4-14小时； 

上述制备方法中，所述沉淀剂是指乙醚、苯、丙酮、石油醚等非极性有机溶剂中的一种； 

上述制备方法中，反复重结晶选择的溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、丙酮、各种醇（甲醇、乙醇或者异丙醇等）、氯仿、二氯甲烷、乙醚等有机溶剂，重结晶时并选择乙醚、苯、丙酮、石油醚等非极性有机溶剂作为沉淀剂。 

在步骤季铵盐的制备过程中，所述的产率采用重量法测定，计算方法如下： 

本发明的季铵盐合成产率高，反应时间快，成本低，提纯方法简便。 

附图说明

图1：浓度分别为0.1mg/ml、0.5mg/ml、2.5mg/ml的季铵盐溶液对苹果轮纹病菌，苹果干腐病菌，苹果腐烂病菌，苹果炭疽病菌等真菌的抑菌效果图。 

具体实施方式

以下给出本发明的几个具体实施方式，用来对本发明的构成作进一步的说明，但本发明的具体实施方式并不局限于下述的几个实施例。 

实施例1：BNQAS的合成 

将N-甲基二乙醇胺(1.19g,10mmol)溶于4mLN,N-二甲基甲酰胺，慢慢滴加苄氯(1.71g,10mmol)，并控制反应温度60℃反应6小时，通过薄层分析（TLC）确定反应终点，冷却，加入10ml无水乙醚作为沉淀剂，置于-20℃冰箱中4小时得白色固体，抽滤，粗产品用4ml无水乙醇和30ml乙醚重结晶两次得到N-甲基-N-苄基-N,N-二羟乙基氯化铵（BNQAS）产品2.7g，产率93%。IR(KBr pellet cm^-1):3346(br),3045(m),2985(s),2889(m),1618(br),1498(m),1471(s),1384(s),1076(s),906(s),760(s),711(s).¹H NMR(400MHz,DMSO)δ3.02(s,3H,N-CH₃),3.34-3.40(m,2H,N-CH₂),3.51-3.56(m, 2H,N-CH₂),3.91-3.92(d,4H,2O-CH₂),4.71(s,2H,CH₂),5.53-5.51(s,2H,2OH),7.51-7.65(m,5H,C₆H₅).Anal.Calcd.for C₁₂H₂₀NO₂Br:C49.66,H6.95,N4.82;Found:C49.47,H6.86,N4.90. 

实施例2：C12QAS的合成 

将N-甲基二乙醇胺(1.19g,10mmol)溶于4mLN,N-二甲基乙酰胺，慢慢滴加十二烷基溴(2.49g,10mmol)，并控制反应温度80℃反应6小时，通过薄层分析（TLC）确定反应终点，冷却，加入10ml无水丙酮作为沉淀剂，置于-20℃冰箱中4小时得白色固体，抽滤，粗产品用5ml无水乙醇和30ml丙酮重结晶两次得到N-甲基-N-十二烷基-N,N-二羟乙基溴化铵（C12QAS）产品3.4g，产率92%。IR(KBr pellet cm^-1):3293(s),2921(s),2852(s),2856(m),1618(br),1467(s),1380(m),1057(s),722(s).¹H NMR(400MHz,DMSO)δ0.84-0.87(m,3H,C-CH₃),1.25(m,18H,9CH₂),1.64-1.71(m,2H,CH₂),3.07(s,3H,N-CH₃),3.33-3.37(m,2H,N-CH₂),3.39-3.47(m,4H,2N-CH₂),3.81-3.82(m,4H,2O-CH₂),5.23-5.26(m,2H,2OH).Anal.Calcd.forC₁₇H₃₈NO₂Br:C55.42,H10.40,N3.80;Found:C55.27,H10.47,N3.86. 

实施例3：C14QAS的合成 

将N-乙酰基二乙醇胺(1.19g,10mmol)溶于5mL乙醇，慢慢滴加十二烷基溴(2.77g,10mmol)，并控制反应温度80℃反应8小时，通过薄层分析（TLC）确定反应终点，冷却，加入10ml无水石油醚作为沉淀剂，置于-20℃冰箱中4小时得白色固体，抽滤，粗产品用5ml无水乙醇和30ml石油醚重结晶两次得到N-乙酰基-N-十四烷基-N,N-二羟乙基溴化铵（C14QAS）产品3.2g，产率82%。IR(KBr pellet cm^-1):3289(s),2920(s),2847(s),1618(br),1467(s),1377(s),1047(s),723(s).¹H NMR(400MHz,DMSO):δ0.84-0.87(m,3H, C-CH₃),1.24-1.27(m,22H,11CH₂),1.66-1.67(m,2H,CH₂),3.09(s,3H,N-CH₃),3.35-3.41(m,2H,N-CH₂),3.44-3.45(m,4H,2N-CH₂),3.81-3.82(m,4H,2O-CH₂),5.23-5.26(m,2H,2OH).Anal.Calcd.for C₁₉H₄₂NO₃Br:C57.56,H10.67,N3.53;Found:C57.34,H10.59,N3.59. 

实施例4：C16QAS的合成 

将N-烯丙基二乙醇胺(1.19g,10mmol)溶于5mL异丙醇，慢慢滴加十二烷基溴(3.05g,10mmol)，并控制反应温度70℃反应10小时，通过薄层分析（TLC）确定反应终点，冷却，加入10ml无水乙醚作为沉淀剂，置于-20℃冰箱中4小时得白色固体，抽滤，粗产品用6ml无水乙醇和30ml乙醚重结晶两次得到N-烯丙基-N-十六烷基-N,N-二羟乙基溴化铵（C16QAS）产品3.4g，产率80%。IR(KBr pellet cm^-1):3416(br),2919(s),2850(s),1618(br),1471(s),1385(s),1043(s),721(s).¹H NMR(400MHz,DMSO)δ0.84-0.87(m,3H,C-CH₃),1.24-1.27(m,26H,13CH₂),1.65-1.67(m,2H,CH₂),3.08(s,3H,N-CH₃),3.34-3.38(m,4H,N-CH₂),3.43-3.44(m,4H,2N-CH₂),3.81-3.82(m,4H,2O-CH₂),5.23-5.26(m,2H,2OH).Anal.Calcd.for C₂₃H₄₈NO₂Br:C61.41,H10.92,N3.30;Found:C61.56,H10.87,N3.37. 

实施例5：C18QAS的合成 

将N-甲硫乙基二乙醇胺(1.19g,10mmol)溶于5mLN,N-二甲基乙酰胺，慢慢滴加十二烷基溴(3.33g,10mmol)，并控制反应温度80℃反应12小时，通过薄层分析（TLC）确定反应终点，冷却，加入15ml无水苯作为沉淀剂，置于-20℃冰箱中4小时得白色固体，抽滤，粗产品用6ml无水甲醇和25ml苯重结晶两次得到N-甲硫乙基-N-十八烷基-N,N-二羟乙基溴化铵（C18QAS）产品3.66g，产率81%。IR(KBr pellet cm^-1):3387(br),2918(s),2850(s), 1618(br),1468(s),1381(s),1051(s),721(s).¹H NMR(400MHz,DMSO)δ0.84-0.87(m,3H,CH₃),1.24-1.27(m,30H,15CH₂),1.67(m,2H,CH₂),3.07(s,3H,S-CH₃),3.33-3.37(m,8H,N-CH₂),3.43(m,4H,2N-CH₂),3.81-3.82(m,4H,2O-CH₂),5.23-5.26(m,2H,2OH).Anal.Calcd.forC₂₅H₅₄NO₂BrS:C61.04,H11.14,N3.10;Found:C61.15,H11.07,N3.15. 

本发明的双羟基季铵盐抗菌性能测试： 

1、季铵盐的抗菌性能的测试分为定性测试方法和定量测试方法 

（1）定性测试方法—抑菌圈法 

抑菌圈法是定性测试所合成的季铵盐的抗菌性能的方法。抗菌性能测定：将滤纸剪成圆片(1cm×1cm)，浸入不同浓度的季铵盐溶液（0、0.1mg/ml、0.5mg/ml、2.5mg/ml）中，灭菌，备用；再取0.1ml菌液置于固体培养基上；然后用镊子将滤纸片小心地平铺在固体培养基上；最后将培养皿翻转，使底向上，置于37℃的恒温培养箱中培养。24h后测定滤纸片周围抑菌圈直径的大小,以抑菌圈直径的大小作为评价季铵盐抑菌性能的依据。 

表1：季铵盐BNQAS、C12QAS、C14QAS、C16QAS和C18QAS在0.1mg/ml、0.5mg/ml、2.5mg/ml浓度时对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抑菌圈直径（单位：mm）。 

由表1可知，所合成的季铵盐BNQAS、C12QAS、C14QAS、C16QAS和C18QAS浓度在0.1mg/ml、0.5mg/ml、2.5mg/ml时对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌时，滤纸片周围均有抑菌圈，说明这五种季铵盐对大肠杆菌、 金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌均具有一定的抗菌能力，且抗菌率随着溶液浓度的增加而明显增大。其中，C12QAS对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抗菌率均大于其它四种双羟基季铵盐。 

（2）定量测试方法—振荡培养法 

振荡培养法是定量测试季铵盐的抗菌性能的方法。抗菌性能测定：先在250ml三角瓶中加入50ml蒸馏水，高压蒸汽灭菌备用；再于上述三角瓶中，加入季铵盐及2ml菌液，使季铵盐溶液的浓度为0.1mg/ml、0.5mg/ml、2.5mg/ml时；然后，空白样不加季铵盐，其它步骤与待测样相同；最后将上述三角瓶固定于振荡摇床上，37℃恒温振荡一段时间后，取0.1ml三角瓶内的试样经两次稀释后再取0.1ml加入固体培养基，迅速轻轻摇动混匀，翻转培养皿，使底向上，置37℃恒温箱内培养。18h后观察菌落数(即剩余的活菌数量)，测出培养后待测样品的菌落数与空白样品的进行比较，计算抗菌率。 

表2：在0.1mg/ml浓度下，季铵盐BNQAS、C12QAS、C14QAS、C16QAS和C18QAS对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的抗菌率。 

由表2可见，所合成的季铵盐BNQAS、C12QAS、C14QAS、C16QAS和C18QAS抗菌率随着溶液浓度的增加而明显增大；当浓度为0.1mg/ml时，对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌均具有较好的抗菌能力，其中BNQAS、C12QAS、C14QAS的抗菌效果最好，均能超过89%。另外，短时间内（1～2h）抗菌率迅速增大（即活菌数迅速下降）；在接触3h后，抗菌率基本达到最大值。 

2.抗真菌性质研究：选择真菌（苹果轮纹病菌，苹果干腐病菌，苹果腐烂病菌，苹果炭疽病菌等各种真菌）为研究对象，在平板培养基上涂抹细菌菌悬液，然后贴上浸药的滤纸片。如果有抑菌效果，会在滤纸片周围有一无菌圈，根据无菌圈直径的大小判断杀菌(或抑菌)效果，越大杀菌效果越好。方法采用生长速率法，即含毒介质法。将样品混入培养基中，使培养基中浓度分别为上述浓度。将培养基倒入培养皿中，冷凝后接入直径为5mm的菌饼，每个浓度设三次重复。置入27±1℃的恒温培养箱中，48h后检查结果。测量菌落直径大小，十字交叉测两个数据，取其平均值为菌落直径的大小。 

根据图1中季铵盐对苹果轮纹病菌，苹果干腐病菌，苹果腐烂病菌，苹果炭疽病菌等真菌的抑菌效果图结果显示，BNQAS显示了较差的抗菌活性，当浓度达到2.5mg/ml时，才能对苹果腐烂病菌有77%的抑制作用，而对苹果轮纹病菌、苹果干腐病菌、苹果炭疽病菌等无明显效果。相比之下，C18QAS显示了稍强的抗菌活性，0.5mg/ml浓度下，对苹果腐烂病菌、苹果轮纹病菌、苹果干腐病菌抗菌率均能超过75%。更有趣的是，C12QAS的抗菌效果更好，在0.1mg/ml浓度时，对苹果腐烂病菌、苹果轮纹病菌、苹果干腐病菌抗菌率均能超过80%，而当浓度达到0.5mg/ml时，抗菌率可达到100%，显示出了较好的抗菌效果。从以上几个季铵盐对苹果轮纹病菌，苹果干腐病菌，苹果腐烂病菌，苹果炭疽病菌等真菌的抑菌效果来看，长链烷基的季铵盐的抗菌效果要好于苄基季铵盐的抗菌活性，十二烷基季铵盐的抗菌活性要比十八烷基季铵盐的抗菌活性好。 

以上所述仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明，其他如以二乙醇胺形成的双羟基季铵盐，均在本专利的保护范围内。凡在本发明的基础之上的任何改动、修改、替换等，均应包含在本发明的保护范围内。 

参考文献 

[1]朱玉璘,王淑荣.聚氨酯用季铵盐类抗静电剂[J].聚氨酯工业,1994,(4):11-15. 

[2]赵春兰,王传壁,张福娥,宋晖.微溶出性含季铵盐复方消毒剂杀菌效果的检测[J].中国消毒学杂志,2002,2:21-23. 

[3]王炳魁.皮肤和粘膜的消毒[M].北京:人民军医出版社,1986:506-508. 

[4]佟会,邱树毅.季铵盐类抗菌剂及其应用研究进展[J].贵州化工,2006,31(5):1-7. 

[5]Block S S.Disinfection,sterilization and preservation[M].5thed Philadelphia:Lippincott USA Williums&Wilkins,2001:320-382. 

[6]张朝武.应用广泛的季铵盐类消毒剂[J].现代预防医学,2006,33(5):855. 

[7]Franklin T J,Snow G A.Biochemistry of antimicrobial action[M].London:Chapman and Hall,1981. 

[8]张长荣,金聪玲.阳离子活性杀菌剂的合成进展及其结构与杀菌力的关系[J].陕西化工,1997,9(3):1-7。 

Claims (10)

1.具有抗菌活性的双羟基季铵盐，命名为N-R1-N-R2-N,N-二羟乙基卤化铵，结构如下： 

其合成路线如下： 

。

2.如权利要求1所述具有抗菌活性的双羟基季铵盐，其特征在于 

所述R1和R2是下列基团之一：烷基、烯基、炔基、酰基、芳香基、羰基、烷羰基、芳香羰基、羟基烷基、氨基烷基、醚烷基、硫代基、硫代烷基、烷硫代基、取代磺酰基； 

所述X指氟、氯、溴、碘、砹中的一种； 

所述双羟基活性基团的季铵盐指所述R1与R2的任意组合。 

3.具有抗菌活性的双羟基季铵盐的制备方法，特征在于 

其制备流程如下： 

将N-R1-二乙醇胺和有机溶剂混合均匀后滴加卤代烷，控制反应温度和反应时间，用沉淀剂沉淀，反复重结晶得到高产率的双羟基季铵盐。 

4.如权利要求3所述具有抗菌活性的双羟基季铵盐的制备方法，特征在于 

所述N-R1-二乙醇胺中的取代基R1是下列基团之一：烷基、烯基、炔 基、酰基、芳香基、羰基、烷羰基、芳香羰基、羟基烷基、氨基烷基、醚烷基、硫代基、硫代烷基、烷硫代基、取代磺酰基。 

5.如权利要求3所述具有抗菌活性的双羟基季铵盐的制备方法，特征在于 

所述加入的有机溶剂是指N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、氯仿、二氯甲烷、乙醚中的一种，所述有机溶剂的加入量为每0.01mol的N-R1-二乙醇胺原料加入3-8mL的有机溶剂。 

6.如权利要求3所述具有抗菌活性的双羟基季铵盐的制备方法，特征在于 

所述卤代烷与所述N-R1-二乙醇胺的摩尔比大于等于1。 

7.如权利要求3所述具有抗菌活性的双羟基季铵盐的制备方法，特征在于 

所述的反应温度控制在30-100℃，所述的反应时间控制在4-14小时。 

8.如权利要求3所述具有抗菌活性的双羟基季铵盐的制备方法，特征在于 

所述沉淀剂是指乙醚、苯、丙酮、石油醚中的一种。 

9.如权利要求3所述具有抗菌活性的双羟基季铵盐的制备方法，特征在于 

所述反复重结晶选择的溶剂包括N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺、丙酮、甲醇、乙醇、异丙醇、氯仿、二氯甲烷、乙醚中的一种，重结晶时选择乙醚、苯、丙酮或石油醚作为沉淀剂。 

10.具有抗菌活性的双羟基季铵盐用于抑制大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、 枯草芽孢杆菌以及苹果轮纹病菌，苹果干腐病菌，苹果腐烂病菌，苹果炭疽病菌。 

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