CN109400871B - 单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐及其制备方法 - Google Patents

单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐的制备方法和应用。从溴代十八烷基醇出发，在碱的作用下通过与三臂聚乙二醇对甲苯磺酸酯的一次取代反应得到溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚，溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚与三甲胺发生取代反应得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵，酸化得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐。该方法可用于单分散三臂聚乙二醇的长链烷基醚及其季铵盐的制备中。本发明以单一分子量三臂聚乙二醇对甲苯磺酸酯为原料实现了溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚的高效合成，合成中没有用保护基，步骤简便，适于工业化生产，得到的产品相对于现有制备的脂肪族季铵盐具有明显的优势。

Description

单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐及其制备方法
技术领域
本发明属于医药化工领域，具体涉及一种单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐的制备方法和应用。
背景技术
阳离子表面活性剂中的极性基团带有正电荷，可以容易在带负电的物质表面形成具有独特性能的吸附膜：固体表面疏水化、柔软、抗静电以及杀菌等性能，这些性能不仅是阳离子表面活性剂在传统应用领域中的应用基础，而且扩宽了其应用领域，在近年来快速发展的一些高新技术中也获得了广泛的应用。离子表面活性剂最初就是被用做杀菌剂研究发展起来的，我们知道细菌的表面有多层结构，由蛋白卵磷质、细胞质组成。其杀菌机理有两种：一，阳离子表面活性剂的由于有带正电荷的极性基团，可以与带负电荷的细菌的细胞壁发生较强的吸附作用，阳离子表面活性剂分子透过细胞膜进入细胞内部，完成半渗透作用，与细胞内部的蛋白质相互作用，将蛋白质改性沉降而起到杀菌作用；二，由于阳离子表面活性剂与细胞壁的强烈吸附作用，可以在细菌细胞壁与水或空气的界面上形成一层排列紧密的独特吸附膜，以此来阻断细菌有机体的呼吸或者切断细菌的营养物质来源，抑制或杀灭细菌的生物活性而致使细菌死亡。杀菌能力取决于阳离子表面活性剂分子对细胞的渗透性以及对蛋白质的变性沉降能力，应用领域广泛，主要用于杀菌、消毒、除藻、防霉等领域。
所有的季铵盐都具有生物降解性，只是降解的程度不同而已。烷基链中引入酯基和酰胺基可以提高季铵盐的生物降解性，尤其是引入酯基对降解性的影响更为有效；短链的烷基链通常比长烷基链的季铵盐降解的更快，直链的比支链的季铵盐降解的快。
传统的阳离子表面活性剂，如氯化长链烷基三甲基铵和氯化双烷基二甲基铵，会降低表面活性剂体系的泡沫性，其生物降解性和水溶性较差，应用范围受到了限制。
现有技术中，中国专利CN201610274764.9公开：三臂星型聚乙二醇醛基、三臂星型聚乙二醇琥珀酸酯、三臂星型聚乙二醇琥珀酸亚胺酯和丙交酯-聚乙二醇醚共聚物(PEG-b-PLA)、己交酯-聚乙二醇醚共聚物(PEG-b-PCL)、丙交酯-乙交酯-聚乙二醇醚共聚物(PEG-b-PLGA)、丙交酯-己内酯-聚乙二醇醚共聚物(PEG-b-PLC)和乙交酯-己内酯-聚乙二醇醚共聚物(PEG-b-PGC)。
中国专利CN201410226045.0公开：在B类三臂星型苯胺齐聚物衍生物基础上，再引入了聚乙二醇醚链，中间以三苯胺的同系物连接，三臂为苯胺齐聚物－聚乙二醇醚(PEG)链的嵌段共聚物；
中国专利CN201510166925.8公开一种三臂聚乙二醇衍生物及其制备方法，其结构为
Figure BDA0001882695950000021
R取自十八烷基；
中国专利CN201711422744公开：单分散聚乙二醇单甲醚修饰的丙泊酚；
中国专利CN201410476873公开：一种制备分离单分散聚乙二醇的方法；
上述现有技术中聚乙二醇单分散的解决方案都是通过物理分离，例如柱层析。现有技术中没有教导多臂聚乙二醇单分散的解决方案。且，现有技术中的三臂PEG都是星形结构。
发明内容
本发明的目的在于针对聚乙二醇的多分散性问题，提供了一种单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐的制备方法和应用。并且，以苯环为内核结构的三臂PEG，相对其他结构来说，结构更稳定，具有较强的荧光性，在产品表征上面会更精确和方便。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
从溴代十八烷基醇出发，在碱的作用下通过与三臂聚乙二醇对甲苯磺酸酯的一次取代反应得到溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚，溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚与三甲胺发生取代反应得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵，酸化得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐。
所述的碱包括叔丁醇钾、碳酸钾等。
所述的取代反应的过程具体为：溴代十八烷基醇在碱的作用下与单分散三臂对甲苯磺酸酯在有机溶剂中进行取代反应得到单分散溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚。所述的有机溶剂优选为乙腈或丙酮。
优选的，所述的单分散十二聚乙二醇单十八烷基醚的季铵盐的制备方法，包括如下步骤：从溴代十八烷基醇出发，在碱的作用下通过与十二聚乙二醇对甲苯磺酸酯的取代反应得到溴代十八烷基三臂十二聚乙二醇醚，溴代十八烷基三臂十二聚乙二醇醚与三甲胺发生取代反应得到十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的季铵。
一种单分散三臂十二聚乙二醇单十八烷基醚的制备方法，包括如下步骤：按照上述方法得到十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的季铵，然后在氢溴酸的作用下水解得到十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的季铵盐。
上述方法在制备单分散三臂十二聚乙二醇单十八烷基醚的季铵盐中的应用，所述的溴代十八烷基三臂十二聚乙二醇醚及十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的季铵盐的结构分别如式I和式II所示：
Figure BDA0001882695950000031
式I和式II中，n为大于或等于1，小于或等于23正整数。
—种单分散聚乙二醇的长链烷基醚或其季铵盐的制备方法，包括如下步骤：从长链溴代烷基醇出发，首先在碱的作用下通过与单一分子量三臂聚乙二醇对甲苯磺酸酯的取代反应得到溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚，然后溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚与三甲胺反应并通过氢溴酸作用下得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐。根据所需制备的聚乙二醇的长链烷基醚或其季铵盐的链长重复上述的反应得到一定PEG链长的单分散聚乙二醇的长链烷基醚或其季铵盐。
有益技术效果：
本发明相对于现有技术具有如下优点和效果：本发明以单一分子量三臂聚乙二醇对甲苯磺酸酯为原料实现了二聚以上乙二醇的长链烷基醇醚以及其季铵盐的高效合成，合成中没有使用保护基，步骤简便，适于工业化生产，而且产品为高纯度的单分散性聚乙二醇的长链烷基醚及其季铵盐，在工业实践上相对于现有制备的季铵盐类阳离子表面活性剂具有明显的优势。以苯环为内核结构的三臂PEG，相对其他结构来说，结构更稳定，具有较强的荧光性，在产品表征上面会更精确和方便。
以聚乙二醇为基础的季铵盐类阳离子表面活性剂解决了生物降解性和水溶性较差，应用范围受到了限制的问题，并在日用化工行业得到了广泛应用。本发明所研究的单分散三臂聚乙二醇单十八烷基醚的季铵盐阳离子表面活性剂有以下优点：有更好的乳化、杀菌、抗静电等性能。刺激性小，与其他表面活性剂的复配性能好，应用广泛。为绿色表面活性剂，生物降解性好于传统的季铵盐阳离子表面活性剂。与其他阴离子表面活性剂复配性好，可用于个人洗护用品中；亦可用作织物的柔软剂，两者都具有较好的效果。其较好的生物降解性和使用性能，推动了它的快速发展。
具体实施方式
实施例一
单分散十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的季铵盐的合成
合成过程含三个步骤：(1)三臂十二聚乙二醇对甲苯磺酸酯的合成2)溴代十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的合成；(3)十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的季铵盐的合成。
(1)三臂十二聚乙二醇对甲苯磺酸酯的合成
0℃下，向三臂十二聚乙二醇(3mmol)和三乙胺(3mmol)的二氯甲烷(30ml)溶液中缓慢滴加对甲苯磺酰氯(10mmol)，滴加结束后继续搅拌6小时。反应通过饱和碳酸氢钠(100mL)淬灭，然后分液，有机相减压浓缩后，粗产物直接投入下一步反应。
(2)溴代十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的合成
按如下反应式进行反应，具体为：0℃下，向溴代十八烷基醇(6mmol)的乙腈(150mL)溶液中加入叔丁醇钾(12mmol)，室温搅拌120分钟后，加入三臂十二聚乙二醇对甲苯磺酸酯(2mmol)，反应液在室温下反应24小时，用水淬灭反应。将反应液分液，收集水相，有机相用少量水反萃取，合并水相，浓缩水相得到溴代十八烷基三臂十二聚乙二醇醚。
(3)十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的季铵盐的合成
常温下，向溴代十八烷基三臂十二聚乙二醇醚(2mmol)的乙腈(100mL)溶液中加入三甲胺(10mmol)，室温搅拌30分钟后，升温至60度，反应液在60度下反应24小时，TLC跟踪反应结束后，往反应体系中再加入30％氢溴酸(10ml)和水(10mL)，室温继续反应2小时。有机溶剂减压蒸除，水相用乙酸乙酯洗涤多次，浓缩水相得到十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的季铵盐。1HNMR(400MHz,CDCl3):1H NMR(300MHz,CHCl3):δ1.29(m,42H),1.40(m,6H)1.46(m,6H),2.28(s,27H),2.36(m，6H),3.38(m,6H),3.52-3.54(m,264H),3.80(m,6H),4.12(m,6H),5.85(m,3H).
实施例二
单分散十八烷基三臂二聚乙二醇醚的季铵盐的合成
合成过程含三个步骤：(1)三臂二聚乙二醇对甲苯磺酸酯的合成2)溴代十八烷基三臂二聚乙二醇醚的合成；(3)十八烷基三臂二聚乙二醇醚的季铵盐的合成。
(1)三臂二聚乙二醇对甲苯磺酸酯的合成
常温下，向三臂二聚乙二醇(3mmol)和三乙胺(3mmol)的二氯甲烷(30ml)溶液中缓慢滴加对甲苯磺酰氯(10mmol)，滴加结束后继续搅拌6小时。反应通过饱和碳酸氢钠(100mL)淬灭，然后分液，有机相减压浓缩后，粗产物直接投入下一步反应。
(2)溴代十八烷基三臂二聚乙二醇醚的合成
按如下反应式进行反应，具体为：常温下，向溴代十八烷基醇(6mmol)的丙酮(150mL)溶液中加入叔丁醇钾(12mmol)，室温搅拌120分钟后，加入三臂二聚乙二醇对甲苯磺酸酯(2mmol)，反应液在室温下反应24小时，用水淬灭反应。将反应液分液，收集水相，有机相用少量水反萃取，合并水相，浓缩水相得到溴代十八烷基三臂二聚乙二醇醚。
(3)十八烷基三臂二聚乙二醇醚的季铵盐的合成
常温下，向溴代十八烷基三臂二聚乙二醇醚(2mmol)的丙酮(100mL)溶液中加入三甲胺(10mmol)，室温搅拌30分钟后，升温至60度，反应液在60度下反应24小时，TLC跟踪反应结束后，往反应体系中再加入30％氢溴酸(10ml)和水(10mL)，室温继续反应4小时。有机溶剂减压蒸除，水相用乙酸乙酯洗涤多次，浓缩水相得到十八烷基三臂二聚乙二醇醚的季铵盐。1HNMR(400MHz,CDCl3):1H NMR(300MHz,CHCl3):δ1.29(m,42H),1.40(m,6H)1.46(m,6H),2.28(s,27H),2.36(m，6H),3.38(m,6H),3.52-3.54(m,12H),3.80(m,6H),4.12(m,6H),5.85(m,3H).
实施例三
单分散十八烷基三臂二十四聚乙二醇醚的季铵盐的合成
合成过程含三个步骤：(1)三臂二十四聚乙二醇对甲苯磺酸酯的合成2)溴代十八烷基三臂二十四聚乙二醇醚的合成；(3)十八烷基三臂二十四聚乙二醇醚的季铵盐的合成。
(1)三臂二十四聚乙二醇对甲苯磺酸酯的合成
0℃下，向三臂二十四聚乙二醇(3mmol)和三乙胺(3mmol)的二氯甲烷(30ml)溶液中缓慢滴加对甲苯磺酰氯(10mmol)，滴加结束后继续搅拌6小时。反应通过饱和碳酸氢钠(100mL)淬灭，然后分液，有机相减压浓缩后，粗产物直接投入下一步反应。
(2)溴代十八烷基三臂二十四聚乙二醇醚的合成
按如下反应式进行反应，具体为：0℃下，向溴代十八烷基醇(6mmol)的乙腈(150mL)溶液中加入碳酸钾(12mmol)，室温搅拌120分钟后，加入三臂二十四聚乙二醇对甲苯磺酸酯(2mmol)，反应液在室温下反应24小时，用水淬灭反应。将反应液分液，收集水相，有机相用少量水反萃取，合并水相，浓缩水相得到溴代十八烷基三臂二十四聚乙二醇醚。
(3)十八烷基三臂二十四聚乙二醇醚的季铵盐的合成
常温下，向溴代十八烷基三臂二十四聚乙二醇醚(2mmol)的乙腈(100mL)溶液中加入三甲胺(10mmol)，室温搅拌30分钟后，升温至60度，反应液在60度下反应24小时，TLC跟踪反应结束后，往反应体系中再加入30％氢溴酸(10ml)和水(10mL)，室温继续反应2小时。有机溶剂减压蒸除，水相用乙酸乙酯洗涤多次，浓缩水相得到十八烷基三臂二十四聚乙二醇醚的季铵盐。1HNMR(400MHz,CDCl3):1H NMR(300MHz,CHCl3):δ1.29(m,42H),1.40(m,6H)1.46(m,6H),2.28(s,27H),2.36(m，6H),3.38(m,6H),3.52-3.54(m,564H),3.80(m,6H),4.12(m,6H),5.85(m,3H).
实施例四
泡沫性能的测定
泡沫是一种分散体系，气体作为分散相分散在液体介质中。泡沫存在两种聚集态，一种是以微小球型存在的气体均匀分散在比较粘稠的液体中，被称为稀泡；一种是气泡间只有一层液膜相互隔开的浓泡。泡沫虽然与洗涤没有直接的关系，但是在某些条件下，泡沫对污垢的去除有促进作用，泡沫对盥洗用品是很重要的，洗发或者洗浴时产生的细腻泡沫可以使人感到舒适爽滑，所以，对于表面活性剂来说，有必要了解其起泡作用和泡沫的特性。表面活性剂的泡沫性能有两个评价标准：起泡力和泡沫稳定性。在实验室中，泡沫一般按照GB/T7462-1994改进Ross-Miles法测定：表面活性剂样品以及硬水浓度分别按照GB/T13173.1和QB/T1325配制，表面活性剂浓度为2.5g/L，硬水浓度为150mg/L(准确称取无水硫酸镁(MgSO4)0.0772g，无水氯化钙(CaCl2)0.132g，于1000ml容量瓶中溶解定容)，在(40±1)℃实验温度下，记录200mL试样溶液完全注入罗氏泡沫仪时泡沫的高度，同时开动秒表，记录5分钟后的泡沫高度。重复上述实验2～3次，实验的平均值作为最终结果，允许误差应小于5mm。
表1十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐的泡沫高度测定结果(313.15±1K)
Figure BDA0001882695950000081
从表1可以看出，对于十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐表面活性剂，其起泡力和泡沫的稳定性都比较好。此外，从对比我们可以看出，十八烷基三臂十二聚乙二醇醚的季铵盐的起泡能力及稳泡性能均强于其它种类季铵盐，这是因为十二聚乙二醇的适当长度的存在可以恰好与溶液中水分子更容易形成氢键，增强了膜弹性，增强了泡沫的稳定性。

Claims (5)

1.一种单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：从溴代十八烷基醇出发，在碱的作用下通过与三臂聚乙二醇对甲苯磺酸酯的一次取代反应得到溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚，溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚与三甲胺发生取代反应得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵化产物，酸化得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐，所述的取代反应为：溴代十八烷基醇在碱的作用下与单分散三臂聚乙二醇对甲苯磺酸酯在有机溶剂中进行取代反应得到单分散溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚；从溴代十八烷基醇出发，在碱的作用下通过与三臂聚乙二醇对甲苯磺酸酯的取代反应得到溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚，在碱的作用下，溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚与三甲胺进行取代反应得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵化产物，并通过氢溴酸酸化得到单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐，所述的溴代十八烷基三臂聚乙二醇醚及十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐的结构分别如式I和式II所示：
Figure FDA0002527518170000011
式I和式II中，n为大于或等于1，小于或等于23正整数，所述三臂PEG的内核是苯环结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的碱包括叔丁醇钾或碳酸钾。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的有机溶剂为乙腈或丙酮。
4.一种单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐制备方法，其特征在于：包括如下步骤：按照权利要求1-3任一项所述的方法中制备得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵化产物，然后在氢溴酸的作用下得到十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐。
5.权利要求1-4任一项所述的方法制备的单分散十八烷基三臂聚乙二醇醚的季铵盐在制备阳离子表面活性剂中的应用。
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