CN108707098A - 结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物，属于有机化合物领域。本发明提供的化合物同时具备了季铵盐和过氧化物的特性，既可以持续使用，腐蚀性小又具有高效消毒剂的消毒性能，当结构中的过氧酸消毒分解以后，还可以作为普通季铵盐消毒剂使用，季铵盐基团上亲脂性烷基的存在，增加了分子穿过细菌细胞壁的能力，使得该消毒剂不仅可以作用于细胞外表面，破坏细胞壁达到消毒的目的，而且可以快速穿过细胞壁，进入细胞内部破坏细胞质，从而大大加快了过氧化物的消毒速度，达到完全灭菌的效果。
Description
技术领域
本发明有机化学技术领域，尤其涉及一种结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物及其制备方法和应用。
背景技术
过氧化物消毒剂一直是消毒剂领域的一个主要研究对象，目前已经用于消毒灭菌的过氧化物消毒剂有过氧乙酸、过氧化戊二酸、过一硫酸氢钾、过碳酸钠、过氧化邻笨二甲酸镁及过氧化氢等。过氧化物以其高效、低毒及基本无残留而得到了广泛的使用。但是一般的过氧化物渗透性不好，在好多领域的应用都受到了很大限制，比如在医疗领域，对于受血污污染的手术服的消毒，一般的过氧化物消毒剂如过氧乙酸都很难实现。
发明内容
鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物及其制备方法和应用。本发明提供的化合物结构中同时含有季铵盐离子和过氧羧酸基团，渗透作用强，季铵盐离子可以协助过氧化物穿过污染的表面进入内部，达到彻底消毒的作用。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物，具有式I所示结构，
当M为一价酸根离子时，n＝1；
当M为二价酸根离子时，n＝2；
R1、R2和R3独立地为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36。
优选地，所述烃基为脂肪烃基或芳香烃基。
优选地，所述R1、R2和R3独立地为含有-OH的烃基衍生物。
优选地，所述R4碳链结构含有羟基、硝基或卤素取代基。
优选地，所述一价酸根离子为卤素阴离子、NO3 -或HCO3 -，所述二价酸根离子为SO4 2-或CO3 -。
本发明还提供了上述技术方案所述化合物的制备方法，包括以下步骤：
将具有式II所示结构的胺类化合物与具有式III所示结构的化合物在溶剂中反应，得到具有式IV所示结构的化合物；
R1、R2和R3为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36；
将无机酸滴加到含有具有式IV所示结构化合物的水溶液中进行酸化，得到具有式V所示结构的化合物；
当M为一价酸根离子时，n＝1；
当M为二价酸根离子时，n＝2；
将具有式V所示结构的化合物与过氧化氢发生氧化反应，得到具有式I所示结构的化合物。
优选地，所述具有式II所示结构的胺类化合物与具有式III所示结构的化合物的摩尔比为1～1.5:1。
本发明还提供了另一种所述化合物的制备方法，包括以下步骤：
将具有式a所示结构的化合物与R1X、R2X和R3X以及水发生取代反应，得到具有式b所示结构的化合物，
R1、R2和R3为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36；
X为卤素；
将无机酸滴加到含有具有式b所示结构化合物的水溶液中进行酸化，得到具有式V所示结构的化合物；
将具有式V所示结构的化合物与过氧化氢发生氧化反应，得到具有式I所示结构的化合物。
本发明还提供了上述技术方案所述化合物或上述技术方案所述制备方法制得的化合物作为消毒剂或灭菌消毒剂的应用。
优选地，所述化合物以水剂、粉剂、颗粒剂、片剂、凝胶、乳液或膏状的形式使用。
本发明提供了一种结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物，具有式I所示结构，
当M为一价酸根离子时，n＝1；
当M为二价酸根离子时，n＝2；
R1、R2和R3为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36。
本发明提供的化合物同时具备了季铵盐消毒剂和过氧化物消毒剂的特性，既可以持续使用，腐蚀性小又具有高效消毒剂的消毒性能，当结构中的过氧酸消毒分解以后，还可以作为普通季铵盐消毒剂使用，季铵盐基团上亲脂性烷基的存在，增加了分子穿过细菌细胞壁的能力，使得该消毒剂不仅可以作用于细胞外表面，破坏细胞壁达到消毒的目的，而且可以快速穿过细胞壁，进入细胞内部破坏细胞质，从而大大加快了过氧化物的消毒速度；由于一般细菌表面带的是负电荷，在过氧化物分子中引入季铵盐基团还可以通过季铵盐阳离子和细菌表面的阴离子的电荷引力，使得消毒剂分子可以快速接近细菌，定向消毒，提高过氧化物的消毒速度，增加消毒剂分子和细菌接触的几率，达到完全灭菌的效果。同时，本发明提供的化合物由于分子内同时具备了阴离子和阳离子，属于两性化合物，从而能够大大降低化合物本身对金属的腐蚀性；化合物的两性结构同时也大大改善了其使用性能，可以用与阴离子、阳离子、非离子和两性的表面活性剂及助剂共同使用。实施例的数据表明，本发明提供的化合物对大肠杆菌(ATCC8099)、金黄色葡萄球菌(ATCC6538)、白色念珠菌(ATCC10231)作用1分钟，杀灭对数值均＞5；对枯草芽孢杆菌(ATCC6633)作用5分钟，可达到灭菌水平；对金属铜铝碳钢是轻度腐蚀；且无毒，贮存有效期高达2年。
具体实施方式
本发明提供了一种结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物，具有式I所示结构，
当M为一价酸根离子时，n＝1；
当M为二价酸根离子时，n＝2；
R1、R2和R3为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36。
在本发明中，所述烃基优选为脂肪烃基或芳香烃基，更优选为乙基。
在本发明中，所述R1、R2和R3独立地优选为含有-OH的烃基衍生物。在本发明中，当所述R1、R2和R3独立地优选为含有-OH的烃基衍生物时，所述结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物的结构如下式所示：
在本发明中，所述R4碳链结构优选含有羟基、硝基或卤素取代基。本发明对所述取代基的种类以及个数没有特殊的限定，R4上可以有结构允许的任意个数的任何取代基，具体的，如含有硝基或卤素的烃基衍生物。
在本发明中，所述一价酸根离子优选为卤素阴离子、NO3 -或HCO3 -等。所述二价酸根离子优选为SO4 2-或CO3 -等。
在本发明中，所述卤素阴离子优选为氯离子。
在本发明中，当所述M为一价酸根离子时，结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物的结构如下式所示：
当所述M为二价酸根离子时，结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物的结构如下式所示：
本发明还提供了上述技术方案所述化合物的制备方法，包括以下步骤：
将具有式II所示结构的胺类化合物与具有式III所示结构的化合物以及溶剂发生反应，得到具有式IV所示结构的化合物；
R1、R2和R3为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36；
将无机酸滴加到含有具有式IV所示结构化合物的水溶液中进行酸化，得到具有式V所示结构的化合物；
当M为一价酸根离子时，n＝1；
当M为二价酸根离子时，n＝2；
将具有式V所示结构的化合物与过氧化氢发生氧化反应，得到具有式I所示结构的化合物。
在本发明中，以M为氯离子为例，所述制备方法反应过程如下式所示：
本发明将具有式II所示结构的胺类化合物与具有式III所示结构的化合物在溶剂中反应，得到具有式IV所示结构的化合物；
R1、R2和R3为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，其上可以带有任意个数、任何结构允许的取代基，R4所含碳原子数为1～36，优选为小于10，更优选为小于5。在本发明中，所述具有式II所示结构的胺类化合物与具有式III所示结构的化合物的摩尔比优选为1～1.5:1，更优选为1～1.2:1。
本发明所述溶剂的种类没有特殊的限定，具体的，如水。
在本发明中，所述反应的温度优选为10～70℃，更优选为40～60℃，所述反应的时间优选为1～20h，更优选为5～15h，最优选为10～12h。
本发明对所述水的用量没有特殊的限定，能够将具有式II所示结构的胺类化合物溶解即可。
在本发明中，优选先将具有式II所示结构的胺类化合物与水混合后加热溶解再加入具有式III所示结构的化合物。本发明对所述具有式II所示结构的胺类化合物与水混合后的加热温度没有特殊的限定，根据具有式II所示结构的胺类化合物的具体结构进行加热溶解即可，具体的，如当具有式II所示结构的胺类化合物为三乙胺时，加热溶解的温度优选为50～55℃。
在本发明中，所述具有式III所示结构的化合物优选分批加入。在本发明中，优选平均分为5～10次。
反应完成后，本发明优选通过减压蒸馏除去水。
反应完成后，本发明优选使用甲醇洗涤的反应产物，得到具有式III所示结构的化合物。本发明对所述甲醇的用量以及洗涤的次数没有特殊的限定，能够除去剩余的胺即可。
得到具有式IV所示结构化合物后，本发明将无机酸滴加到含有具有式IV所示结构化合物的水溶液中进行酸化，得到具有式V所示结构的化合物；
在本发明中，所述滴加的速度优选为1～10mL/min，更优选为3～5mL/min。
在本发明中，所述具有式IV所示结构化合物与无机酸中氢离子的摩尔比优选为1:1～1.2。
在本发明中，所述酸化的温度优选为5～80℃，更优选为20～40℃；所述酸化的时间以具有式IV所示结构化合物中的Na完全被取代为止，在本发明的实施例中，所述酸化的时间优选为30min以上。
本发明对所述含有具有式IV所示结构化合物的水溶液的浓度没有特殊的限定，能够得到具有式IV所示结构化合物的近饱和溶液即可。
得到具有式V所示结构的化合物后，本发明将具有式V所示结构的化合物与过氧化氢发生氧化反应，得到具有式I所示结构的化合物。
在本发明中，所述过氧化氢的质量浓度优选为50％。
在本发明中，所述具有式V所示结构的化合物与过氧化氢的摩尔比优选为1:2～1:4。
在本发明中，所述氧化反应的温度优选为室温，不需要额外的加热或降温；所述氧化反应的时间优选为24～48h。
在本发明中，所述氧化反应优选在搅拌的条件下进行，本发明对所述搅拌的转速没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的搅拌条件即可。
氧化反应完成后，本发明优选将氧化反应产物依次减压蒸馏和甲醇洗涤，得到具有式I所示结构的化合物。在本发明中，减压蒸馏的作用是除去水，本发明对所述减压蒸馏的时间和温度没有特殊的限定，能够完全除去水即可。
本发明对所述甲醇洗涤的次数、用量没有特殊的限定，能够完全除去剩余的过氧化氢即可。在本发明的实施例中，每次甲醇洗涤的用量为待洗涤物体积的10倍。
本发明还提供了另一种所述化合物的制备方法，包括以下步骤：
将具有式a所示结构的化合物与R1X、R2X和R3X以及溶剂发生取代反应，得到具有式b所示结构的化合物，
R1、R2和R3为烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36；
X为卤素；
将无机酸滴加到含有具有式b所示结构化合物的水溶液中进行酸化，得到具有式V所示结构的化合物；
将具有式V所示结构的化合物与过氧化氢发生氧化反应，得到具有式I所示结构的化合物。
本发明将具有式a所示结构的化合物与R1X、R2X和R3X以及水发生取代反应，得到具有式b所示结构的化合物，
R1、R2和R3为烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36；
X为卤素。
在本发明中，所述具有式a所示结构的化合物与水的用量比优选为1mol:700mL。
本发明对所述具有式a所示结构的化合物、R1X、R2X和R3X以及水的加入顺序没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的加料顺序即可，在本发明的实施例中，具体的，如先将具有式a所示结构的化合物与水混合加热溶解后，再同时加入R1X、R2X和R3X。本发明对所述具有式a所示结构的化合物与水混合的加热温度没有特殊的限定，根据具有式a所示结构的化合物的具体结构进行加热溶解即可，具体的，如当具有式a所示结构的化合物为2-氨基乙酸钠时，加热溶解的温度优选为50～55℃。
本发明所述溶剂的种类没有特殊的限定，具体的，如水。
得到具有式b所示结构化合物后，本发明将无机酸滴加到含有具有式b所示结构化合物的水溶液中进行酸化，得到具有式V所示结构的化合物；所述无机酸优选为浓盐酸、浓硫酸。在本发明中，所述酸化反应的条件与前述方案一致，在此不再赘述。
得到具有式V所示结构的化合物后，本发明将具有式V所示结构的化合物与过氧化氢发生氧化反应，得到具有式I所示结构的化合物。在本发明中，所述氧化反应的条件与前述方案一致，在此不再赘述。
本发明还提供了上述技术方案所述化合物或上述技术方案所述制备方法制得的化合物作为消毒剂或灭菌消毒剂的应用。
在本发明中，所述化合物优选以水剂、粉剂、颗粒剂、片剂、凝胶、乳液或膏状的形式使用。
在本发明中，所述化合物可以单独使用，也可以与其他化合物复合使用。在本发明中，所述其他化合物优选为表面活性剂、防锈剂、除垢剂或阻垢剂。
在本发明中，所述化合物可用于医疗器械的消毒灭菌，也可以用于各种餐厅、食品工业、公共卫生及农业养殖场所的消毒，也可以用于工业水处理、油田、日化领域。
下面结合实施例对本发明提供的结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物化合物及其制备方法和应用进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
在配有机械搅拌器、回流冷凝器、温度计和滴液漏斗的1000mL四口烧瓶中，加入1mol三甲胺水溶液(浓度10％)，开始搅拌，升高温度到50℃，分5批加入1mol氯乙酸钠固体，直到完全溶解，加热反应15个小时，减压蒸馏除去溶剂，用甲醇洗涤，得到N,N,N-三甲基氨基乙酸钠盐酸盐备用；
取1molN,N,N-三甲基氨基乙酸钠盐酸盐溶解于水中，形成近饱和溶液，缓慢滴加1.2mol浓盐酸，控制温度为40℃进行酸化1h，然后加入4mol 50％过氧化氢，搅拌下进行氧化反应48小时，减压蒸馏，除去大部分溶剂水，加入10倍甲醇洗涤，得到最终产品。
金属腐蚀性观察试验
根据2002年版《消毒技术规范》消毒产品检验技术规范2.2.4消毒剂对金属腐蚀性的测定，上述实施例1中制备所得的三甲基氨基过氧化乙酸盐酸盐配制为0.23％的水溶液，对铜、铝和不锈钢都是轻度腐蚀。相同浓度的过氧乙酸都是重度腐蚀。
固体成分的稳定性观察试验
根据2002年版《消毒技术规范》消毒产品检验技术规范2.2.3消毒产品稳定性测定，将上述实施例1中制备所得的三甲基氨基过氧化乙酸盐酸盐和市售15％过氧乙酸分别置于试剂瓶中，放置37℃恒温箱内3个月进行加速试验。结果证明，放置前后有效成分含量下降率≤10％，则贮存有效期为2年。市售15％过氧乙酸有效氧含量下降90％。
微生物杀灭试验
根据2002年版《消毒技术规范》进行试验，试验菌种包括大肠杆菌(ATCC8099)、金黄色葡萄球菌(ATCC6538)、白色念珠菌(ATCC10231)、枯草芽孢杆菌(ATCC6633)，将上述实施例1中制备所得的三甲基氨基过氧化乙酸盐酸盐配制为0.23％的水溶液和市售15％过氧乙酸水溶液稀释到0.23％同时进行杀菌效果试验。结果证明，三甲基氨基过氧化乙酸盐酸盐水溶液对大肠杆菌(ATCC8099)、金黄色葡萄球菌(ATCC6538)、白色念珠菌(ATCC10231)作用1分钟，杀灭对数值均＞5；对枯草芽孢杆菌(ATCC6633)作用5分钟，可达到灭菌水平。而市售过氧乙酸稀释液对大肠杆菌(ATCC8099)、金黄色葡萄球菌(ATCC6538)、白色念珠菌(ATCC10231)作用5分钟，杀灭对数值均＞5；对枯草芽孢杆菌(ATCC6633)作用10分钟，方可达到灭菌水平。
急性经口毒试验
根据2002年版《消毒技术规范》进行试验，选用健康昆明种小鼠20只，雌雄各半，体重18～22g。将上述实施例1中制备三甲基氨基过氧化乙酸盐酸盐配置成为0.23％水溶液和市售15％过氧乙酸水溶液稀释到0.23％同时采用一次性限量灌胃法给小鼠一次经口灌胃给药，给药量5000mg/kg体重，给药后连续观察14d。结果证明，实施例1制备的三甲基氨基过氧化乙酸盐酸盐和过氧乙酸都属于实际无毒。
实施例2
在配有机械搅拌器、回流冷凝器、温度计和滴液漏斗的1000mL四口烧瓶中，加入1mol三乙胺水溶液(浓度为50％，开始搅拌；升高温度到50℃，分5批加入1mol氯乙酸钠固体，直到完全溶解，加热反应10个小时，减压蒸馏除去水，用甲醇洗涤，得到N,N,N-三乙基氨基乙酸钠盐酸盐备用；
取1molN,N,N-三乙基氨基乙酸钠盐酸盐溶解与水中，形成近饱和溶液，缓慢滴加0.6mol浓硫酸，控制温度为5℃进行酸化2h，然后加入4mol 50％过氧化氢，搅拌下反应48小时，减压蒸馏除去大部分溶剂水，加入10倍甲醇洗涤得到最终产品。
对实施例2制得的最终产品进行金属腐蚀性观察试验、固体成分的稳定性观察试验、微生物杀灭试验以及急性经口毒试验，结果与实施例1结果类似。
实施例3
在配有机械搅拌器、回流冷凝器、温度计和滴液漏斗的2000mL四口烧瓶中，加入1mol2-氨基乙酸钠和700g去离子水，开始搅拌，升高温度到55℃至2-氨基乙酸钠全部溶解，滴加3.2mol 1-氯乙烷，加热反应10个小时，减压蒸馏除去溶剂水和剩余2-氨基乙酸钠，用甲醇洗涤，得到N,N,N-三乙基氨基乙酸钠盐酸盐备用；
取1molN,N,N-三乙基氨基乙酸钠盐酸盐溶解与水中，形成近饱和溶液，缓慢滴加1.2mol浓盐酸，控制温度为80℃进行酸化2h，然后加入4mol 50％过氧化氢，搅拌下反应48小时，减压蒸馏除去大部分溶剂水，加入10倍甲醇洗涤得到最终产品。
对实施例3制得的最终产品进行金属腐蚀性观察试验、固体成分的稳定性观察试验、微生物杀灭试验以及急性经口毒试验，结果与实施例1结果类似。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.结构中含有季铵盐离子和过氧羧酸基团的化合物，具有式I所示结构，
当M为一价酸根离子时，n＝1；
当M为二价酸根离子时，n＝2；
R1、R2和R3为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36。
2.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，所述烃基为脂肪烃基或芳香烃基。
3.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，所述R1、R2和R3独立地为含有-OH的烃基衍生物。
4.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，所述R4碳链结构含有羟基、硝基或卤素取代基。
5.根据权利要求1所述的化合物，其特征在于，所述一价酸根离子为卤素阴离子或NO3 -，HCO3 -，所述二价酸根离子为SO4 2-或CO3 -。
6.权利要求1～5任意一项所述化合物的制备方法，包括以下步骤：
将具有式II所示结构的胺类化合物与具有式III所示结构的化合物在溶剂中进行反应，得到具有式IV所示结构的化合物；
R1、R2和R3为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36；
将无机酸滴加到含有具有式IV所示结构化合物的水溶液中进行酸化，得到具有式V所示结构的化合物；
当M为一价酸根离子时，n＝1；
当M为二价酸根离子时，n＝2；
将具有式V所示结构的化合物与过氧化氢发生氧化反应，得到具有式I所示结构的化合物。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述具有式II所示结构的胺类化合物与具有式III所示结构的化合物的摩尔比为1～1.5:1。
8.权利要求1～5任意一项所述化合物的制备方法，包括以下步骤：
将具有式a所示结构的化合物与R1X、R2X和R3X在溶剂中发生取代反应，得到具有式b所示结构的化合物，
R1、R2和R3为氢原子、烃基或者烃基衍生物，R1、R2和R3中所含碳原子总和为1～100；
R4为碳链结构，R4所含碳原子数为1～36；
X为卤素；
将无机酸滴加到含有具有式b所示结构化合物的水溶液中进行酸化，得到具有式V所示结构的化合物；
将具有式V所示结构的化合物与过氧化氢发生氧化反应，得到具有式I所示结构的化合物。
9.权利要求1～5任意一项所述化合物或权利要求6～8任意一项所述制备方法制得的化合物作为消毒剂或灭菌消毒剂的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述化合物以水剂、粉剂、颗粒剂、片剂、凝胶、乳液或膏状的形式使用。
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