CN105503631A

CN105503631A - 一种可降解的双子季铵盐杀菌剂及其制备方法

Info

Publication number: CN105503631A
Application number: CN201510985682.0A
Authority: CN
Inventors: 林炜; 张卫辉; 王春华; 穆畅道
Original assignee: Sichuan University
Current assignee: Sichuan University
Priority date: 2015-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2016-04-20

Abstract

本发明公开了一种可降解的双子季铵盐杀菌剂及其制备方法。第一步是利用N,N-二甲基甘氨酸和长链脂肪醇（碳原子数为8,10,12,14,16,18）及苯甲醇在缩合试剂下进行酯化反应得到相应的N,N-二甲基甘氨酸酯，第二步是用得到的N,N-二甲基甘氨酸酯和氯化氢、溴化氢或碘化氢生成对应的盐，第三步将前两步得到的产物和环氧氯丙烷进行季铵化，得到一类可降解双子季铵盐。此双子季铵盐因分子中含有两个季氮离子的静电作用及酯基中羰基的诱导作用更有利于杀菌剂分子对细菌表面的吸附，从而改变细胞壁的渗透性使菌体破裂；且更有利于亲水基和疏水基分别伸入细菌细胞的类脂层和蛋白层，导致蛋白变性以及酶失活。以上协同效应使得该杀菌剂具有较强的杀菌能力。本发明提供的双子铵盐杀菌剂高效、低毒，容易降解，是一种环境友好型杀菌剂。

Description

一种可降解的双子季铵盐杀菌剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及环境友好型杀菌消毒剂领域，具体涉及一种可降解的双子季铵盐杀菌剂的制备。

背景技术

季铵盐不仅是一种常用阳离子表面活性剂，还是一种良好的杀菌剂和消毒剂，不但杀菌能力强，起效快，而且对皮肤刺激性小，对金属及橡胶无腐蚀性。因而被广泛应用于（农业杀菌剂、公共场所（医院、游泳池）的杀菌消毒、循环水杀菌灭藻剂、水产养殖杀菌消毒剂、医疗器械的杀菌消毒剂、畜禽舍消毒剂、赤潮杀灭剂、蓝藻杀灭剂等）等杀菌消毒领域。长期使用传统季铵盐杀菌剂会存在一些问题：（1）抗药性；（2）杀菌不均衡，以苯扎氯铵为代表的传统单链季铵盐对革兰氏阳性菌的杀灭能力强于革兰氏阴性菌，对于真菌几乎没有杀灭能力；（3）二次污染，由于耐药性使得季铵盐杀菌剂的用量越来越大，加之传统季铵盐在环境中降解缓慢，使得其对环境有一定的污染。近年来，人们开始设计合成新型季铵盐，其中因双子季铵盐低毒，性能优越（较低的临界胶束浓度和较低表面张力等）而广泛受到关注。双子季铵盐和传统季铵盐（以苯扎氯铵为代表）相比具有更强的杀菌能力，且有些双子季铵盐因引入一些特殊结构使得其不仅对细菌真菌有较强的抑制作用，还对枯草杆菌的芽孢具有很强的抑制作用。另外再在双子季铵盐中引入酯基，不但可以促进双子季铵盐对细菌细胞膜的相容性，而且还可以提高其可生物降解性，较少环境污染。本发明为一种可降解的双子季铵盐杀菌剂及其制备方法，先利用N,N-二甲基甘氨酸和和长链脂肪醇及苯甲醇在缩合试剂和催化剂下进行酯化反应得到相应的N,N-二甲基甘氨酸酯，然后将N,N-二甲基甘氨酸酯和氯化氢、溴化氢或碘化氢反应生成对应的盐，最后将N,N-二甲基甘氨酸酯、N,N-二甲基甘氨酸酯盐和环氧氯丙烷进行季铵化。含酯基的双子季铵盐一方面因分子中含有两个季氮离子通过它们的静电作用及酯基中羰基的诱导作用使得季氮离子上的正电荷密度增大，更有利于杀菌剂分子对细菌表面的吸附，从而改变细胞壁的渗透性，使菌体破裂；另一方面杀菌剂吸附到菌体表面之后，更有利于亲水基和疏水基分别伸入细菌细胞的类脂层和蛋白层，导致蛋白变性以及酶失活，由于这两方面的协同效应，使得该杀菌剂具有较强的杀菌能力。此外，连接基上含有一个亲水的羟基，可以增强其水溶性和化学活性，且酯基的引入还增强了对细菌细胞膜的生物相容性和自身生物降解性。本发明申请的可降解的双子季铵盐的制备方法目前未见文献报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可降解的双子季铵盐杀菌剂及其制备方法。为得到目标产物，本发明的技术方案为：

1.一种可降解的双子季铵盐杀菌剂及其制备方法，该杀菌剂的结构如下式所示:

其中R为苄基或C₈~C₁₈的饱和直链烷基（碳原子数为偶数）,-CH₂-CHOH-CH₂-为连接基，X为Cl、Br或I中的一种;其合成路线和步骤如下：

（1）第一步：N,N-二甲基甘氨酸酯的合成:在反应釜中加入N,N-二甲基甘氨酸和长链脂肪醇（碳原子数为8,10,12,14,16,18）及苯甲醇以及缩合试剂和催化剂，在室温下反应18~28h。反应结束后过滤除掉不溶物，用二氯甲烷洗涤，合并有机相，旋蒸除去溶剂，蒸馏得到产物，路线如下：

其中缩合试剂可为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDCI）、1-羟基苯并三唑（HOBT）或二环己基碳二亚胺（DCC），DMAP（4-二甲氨基吡啶）为催化剂，溶剂为CH2Cl2或THF(四氢呋喃）；

（2）第二步：N,N-二甲基甘氨酸酯盐的合成：取一定量的N,N-二甲基甘氨酸酯溶于乙醇溶液中，在搅拌下通入干燥的卤化氢(HX)气体，直至沉淀完全析出，冷却，真空抽滤，干燥，得到N,N-二甲基甘氨酸酯盐，路线如下：

（3）第三步：双子季铵盐的合成：将上述所制备的N,N-二甲基甘氨酸酯、N,N-二甲基甘氨酸酯盐、环氧氯丙烷置于烧瓶中并加入适量溶剂，回流反应6~18h，路线如下，

然后减压旋蒸除去溶剂，双子季铵盐用己烷洗涤再在丙酮溶液中重结晶，最终得到双子季铵盐。

本发明所述的第一步合成中的缩合试剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDCI）、1-羟基苯并三唑（HOBT）或二环己基碳二亚胺（DCC）一种或几种的混合物，溶剂为二氯甲烷或四氢呋喃中的一种。

本发明所述的第二步合成中的卤化氢(HX)为氯化氢、溴化氢或碘化氢，其N,N-二甲基甘氨酸酯和卤化氢的摩尔比为1.0:1.0~6.0。

本发明其所述的第三步合成中N,N-二甲基甘氨酸酯、N,N-二甲基甘氨酸酯盐和环氧氯丙烷的摩尔比为1.0~6.0:1.0~3.0:1.0，所用的溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇和环氧氯丙烷中的一种或几种的混合物。

本发明具有以下特点：

（1）本发明提供的制备方法，原料廉价易得，反应条件温和，容易操作，产率高；

（2）本发明提供的双子季铵盐中的酯基靠近氮原子通过羰基的诱导作用使氮原子上的正电荷密度增加，从而对细菌有更强的吸附和杀菌能力；两个长链烷基或苄基的引入使季铵盐具有较强的杀菌效果；连接基上的羟基增加了双子季铵盐的化学活性，通过反应可以使其接枝在一些高分子材料上；含酯基双子季铵盐低毒性，且可生物降解。

具体实施方式

下面给出本发明的四个实例，进行说明具体说明双子季铵盐的制备方法。

实施例1

1.N,N-二甲基甘氨酸苄酯的制备：称取N,N-二甲基甘氨酸10.12g（100mmol）、12.98g苯甲醇（120mmol）、23.01gEDCI（120mmol）和1.22gDMAP（10mmol）置于含有50mL的250mL，在室温下反应24h,反应结束后加入适量的饱和食盐水，用CH2Cl2萃取，合并有机相，旋蒸除去溶剂然后蒸馏得到13.53gN,N-二甲基甘氨酸苄酯(70%）。其核磁谱图见附图1;

2.N,N-二甲基甘氨酸苄酯盐酸盐的制备：取6.76g（35mmol）N,N-二甲基甘氨酸苄酯溶于30mL乙醇溶液中，在搅拌下通入干燥的氯化氢气体，直至沉淀完全析出，冷却，真空抽滤，干燥，得到10.17gN,N-二甲基甘氨酸苄酯盐酸盐；

3.双子季铵盐的制备：将上述所制备的6.76gN,N-二甲基甘氨酸苄酯、10.17gN,N-二甲基甘氨酸苄酯盐酸盐、3.24g环氧氯丙烷和30mL异丙醇置于烧瓶中，回流反应8h。然后减压旋蒸除去溶剂，双子季铵盐用己烷洗涤再在丙酮溶液中重结晶，得到14.61g双子季铵盐（81%）。

实施例2

1.N,N-二甲基甘氨酸辛酯的制备：称取N,N-二甲基甘氨酸10.12g（100mmol）、15.63g正辛醇（120mmol）、24.74gDCC（120mmol）和1.22gDMAP（10mmol）置于含有50mL的250mL，在室温下反应24h,反应结束后过滤除掉不溶物，用CH2Cl2洗涤，合并有机相，旋蒸除去溶剂然后蒸馏得到15.50gN,N-二甲基甘氨酸正辛酯(72%）;

2.N,N-二甲基甘氨酸正辛酯盐酸盐的制备：取7.75g（36mmol）N,N-二甲基甘氨酸正辛酯置溶于30mL乙醇溶液中，在搅拌下通入干燥的氯化氢气体，直至沉淀完全析出，冷却，真空抽滤，干燥，得到11.35gN,N-二甲基甘氨酸正辛酯盐酸盐;

3.双子季铵盐的制备:将上述所制备的7.75gN,N-二甲基甘氨酸正辛酯、11.35gN,N-二甲基甘氨酸正辛酯盐酸盐、3.33g环氧氯丙烷和30mL异丙醇置于烧瓶中，回流反应8h。然后减压旋蒸除去溶剂，双子季铵盐用己烷洗涤再在丙酮溶液中重结晶，得到15.71g双子季铵盐（78%）。

实施例3

1.N,N-二甲基甘氨酸癸酯的制备：称取N,N-二甲基甘氨酸10.12g（100mmol）、18.99g正癸醇（120mmol）、23.01gEDCI（120mmol）和16.28gHOBT（120mmol）置于含有50mL的250mL，在室温下反应24h,反应结束后加饱和食盐水洗，然后用CH2Cl2萃取，合并有机相，旋蒸除去溶剂然后蒸馏得到16.55gN,N-二甲基甘氨酸癸酯(68%）;

2.N,N-二甲基甘氨酸正癸酯盐酸盐的制备：取8.28g（39mmol）N,N-二甲基甘氨酸正癸酯溶于30mL乙醇溶液中，在搅拌下通入干燥的氯化氢气体，直至沉淀完全析出，冷却，真空抽滤，干燥，得到12.18gN,N-二甲基甘氨酸正癸酯盐酸盐;

3.双子季铵盐的制备：将上述所制备的8.28gN,N-二甲基甘氨酸正癸酯、12.18gN,N-二甲基甘氨酸正癸酯盐酸盐、3.61g环氧氯丙烷和30mL异丙醇置于烧瓶中，回流反应8h。然后减压旋蒸除去溶剂，双子季铵盐用己烷洗涤再在丙酮溶液中重结晶，得到19.69g双子季铵盐（82%）。

实施例4

1.N,N-二甲基甘氨酸十二酯的制备：称取N,N-二甲基甘氨酸10.12g（100mmol）、22.36g十二醇（120mmol）、23.01gEDCI（120mmol）和1.22gDMAP（10mmol）置于含有50mL的250mL，在室温下反应24h,反应结束后加入适量的饱和食盐水，用CH2Cl2萃取，合并有机相，旋蒸除去溶剂然后蒸馏得到18.72gN,N-二甲基甘氨酸十二酯69%）；

2.N,N-二甲基甘氨酸十二酯盐酸盐的制备：取9.36g（34.5mmol）N,N-二甲基甘氨酸十二酯溶于30mL乙醇溶液中，在搅拌下通入干燥的氯化氢气体，直至沉淀完全析出，冷却，真空抽滤，干燥，得到12.81gN,N-二甲基甘氨酸十二酯盐酸盐；

3.双子季铵盐的制备：将上述所制备的9.36gN,N-二甲基甘氨酸十二酯、12.81gN,N-二甲基甘氨酸十二酯盐酸盐、3.19g环氧氯丙烷和30mL异丙醇置于烧瓶中，回流反应8h。然后减压旋蒸除去溶剂，双子季铵盐用己烷洗涤再在丙酮溶液中重结晶，得到17.62g双子季铵盐（76%）。

附图说明

图1为N,N-二甲基甘氨酸苄酯的核磁谱图（¹H-NRM）:δ=2.393（6H）、δ=3.268（2H）、δ=5.174（2H）、δ=7.357（5H）。

Claims

其中R为苄基或C₈~C₁₈的饱和直链烷基（碳原子数为偶数）,-CH₂-CHOH-CH₂-为连接基，X为Cl、Br或I中的一种；其合成路线和步骤如下：

（1）第一步：N,N-二甲基甘氨酸酯的合成:在反应釜中加入N,N-二甲基甘氨酸和长链脂肪醇（碳原子数为8,10,12,14,16,18）及苯甲醇以及缩合试剂和催化剂，在室温下反应18~28h,

反应结束后过滤除掉不溶物，用二氯甲烷洗涤，合并有机相，旋蒸除去溶剂，蒸馏得到产物，路线如下：

（3）第三步：双子季铵盐的合成：将上述所制备的N,N-二甲基甘氨酸酯、N,N-二甲基甘氨酸酯盐、环氧氯丙烷置于烧瓶中并加入适量溶剂，回流反应6~18h，合成路线如下：

2.一种可降解的双子季铵盐杀菌剂及其制备方法,其所述的第一步合成中的缩合试剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐（EDCI）、1-羟基苯并三唑（HOBT）或二环己基碳二亚胺（DCC）一种或几种的混合物，溶剂为二氯甲烷或四氢呋喃中的一种。

3.一种可降解的双子季铵盐杀菌剂及其制备方法,其所述的第二步合成中的卤化氢(HX)为氯化氢、溴化氢或碘化氢，N,N-二甲基甘氨酸酯和卤化氢的摩尔比为1.0:1.0~6.0。

4.一种可降解的双子季铵盐杀菌剂及其制备方法，其所述的第三步合成中N,N-二甲基甘氨酸酯、N,N-二甲基甘氨酸酯盐和环氧氯丙烷的摩尔比为1.0~6.0:1.0~3.0:1.0，所用的溶剂为乙醇、正丙醇、异丙醇和环氧氯丙烷中的一种或几种的混合物。