CN109608637A - 一种抗菌高分子材料及其制备方法与应用 - Google Patents

一种抗菌高分子材料及其制备方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种抗菌高分子材料及其制备方法。该抗菌高分子材料属于一种具有抗菌作用的三聚氯氰衍生的含薄荷醇侧基的高分子材料。其通过二氨基化合物与三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物中的两个氯原子缩聚合成。该抗菌高分子材料具有高效抗菌作用，成本低廉、结构简单、易于制备，可广泛应用于卫生、环保或医疗产业。

Description

一种抗菌高分子材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明属于功能高分子材料合成技术领域，涉及一种抗菌高分子材料及其制备方法与应用，具体涉及一种基于三聚氯氰衍生的可聚合单体的抗菌高分子材料及其制备方法与应用。
背景技术
近年来，多种抗生素的耐药性在全世界范围内延伸，医疗器械的医院感染控制越来越受到界内人士的普遍关注，然而传统的抗菌方法存在一定的弊端。首先，可浸出的杀菌剂，如抗生素和重金属，被掺入到聚合物表面涂层并随时间的推移逐渐释放，长期使用增加了微生物对抗菌剂的耐受性，产生耐药菌，所以制备出环境友好的、具有高效抗菌性能的高分子材料显得尤为迫切。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种抗菌高分子材料，该抗菌高分子材料环境友好且具有高效抗菌性能，使用过程中不会使得微生物产生抗菌剂耐受性，产生耐药菌。
本发明的目的之二在于提供一种上述抗菌高分子材料的制备方法，采用该方法制备抗菌高分子材料，工艺简单，成本低廉，产品结构简单且具有高效抗菌作用，可广泛应用于卫生、环保或医疗产业。
为此，本发明第一方面一种抗菌高分子材料，其分子结构如式(Ⅰ)所示：
式(Ⅰ)中：
R为连接的单体，其为二氨基化合物去掉两个氨基形成的基团，所述二氨基化合物包括4,4'-二氨基二苯醚、3,4'-二氨基二苯醚、对苯二胺、间苯二胺、9,9双(4-氨基苯基)芴、邻联甲苯胺、2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷和双(4-氨苯基)砜中的一种或几种，优选为4,4'-二氨基二苯醚；
n为聚合物的重复单元数，取值为正整数。
在本发明的一些实施例中，n＝1-5000。
本发明中，所述抗菌高分子材料属于一种三聚氯氰衍生的含薄荷醇侧基的高分子材料，其能够抑制或阻止微生物粘附其表面，形成屏障；优选地，所述微生物包括细菌和/或真菌。因此，采用该抗菌高分子材料制成的产品在使用过程中不会使得微生物产生抗菌剂耐受性，产生耐药菌。
本发明第二方面提供了一种如本发明第一方面所述的抗菌高分子材料的制备方法，其包括制备抗菌高分子材料的步骤：将二氨基化合物与三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物在第Ⅰ溶剂中混合均匀，在第Ⅰ催化剂存在条件下进行缩聚反应，制得抗菌高分子材料粗产品。
本发明中通过二氨基化合物与三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物通过缩合聚合制备分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料的反应流程如图1所示。
在本发明的一些具体实施例中，所述三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物的分子结构如式(Ⅱ)所示：
该化合物可通过分子中的两个氯原子与二氨基化合物缩合聚合生成含薄荷醇侧基的大分子，即分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料。
在本发明的另一些具体实施例中，所述二氨基化合物包括4,4'-二氨基二苯醚、3,4'-二氨基二苯醚、对苯二胺、间苯二胺、9,9双(4-氨基苯基)芴、邻联甲苯胺、2,2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷和双(4-氨苯基)砜中的一种或几种,优选为4,4'-二氨基二苯醚。
本发明中对于第Ⅰ溶剂没有特别的限制，只要能够使原料溶解，且不会妨碍反应进行即可，所述第Ⅰ溶剂包括N-甲基吡咯烷酮；四氢呋喃、二氧六环等醚类，以及二甲基亚砜、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺等，优选为氮甲基吡咯烷酮(NMP)。
在本发明的一些实施例中，所述第Ⅰ催化剂包括氟化铯和/或碳酸钾。
在本发明的一些实施例中，三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物与二氨基化合物的摩尔比为(1-2):1，优选为1:1。
在本发明的一些实施例中，所述催化剂与二氨基化合物的摩尔比为(1-2.2):1，优选为2.2:1。
在本发明的一些实施例中，所述缩聚反应的温度为100-180℃，优选为120-150℃，进一步优选为120℃。
在本发明的一些实施例中，所述缩聚反应的时间为4-12h，优选为6-12h，进一步优选为6h。
根据本发明的一些实施方式，在制备抗菌高分子材料的步骤之后还包括分离纯化抗菌高分子材料的步骤：先通过物理吸附法从所制得抗菌高分子材料粗产品中脱除第Ⅰ催化剂，再在第Ⅱ溶剂中沉降提纯制得抗菌高分子材料纯品。
在本发明的一些具体实施例中，在制备抗菌高分子材料的步骤结束后，先通过物理吸附方法除去抗菌高分子材料粗产品中的催化剂，例如K2CO3，然后再将除去了催化剂的除去抗菌高分子材料粗产品在大量第Ⅱ溶剂中沉降提纯至少3次，制得抗菌高分子材料纯品。
本发明中对于第Ⅱ溶剂没有特别的限制，例如，所述第Ⅱ溶剂为甲醇和/或乙醇。
根据本发明的一些具体实施方式，采用本发明方法制备抗菌高分子材料的包括以下步骤：
(1)按照三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物与二氨基化合物的摩尔比为(1-2):1的量将三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物和二氨基化合物溶于第Ⅰ溶剂，例如氮甲基吡咯烷酮(NMP)中得到第Ⅰ反应混合物，再催化剂与二氨基化合物的摩尔比为(1-2.2):1的量向反应混合物中加入第Ⅰ催化剂，例如碳酸钾，加热到100-180℃，优选为120-150℃，进一步优选为120℃，缩聚反应4-12h，优选为6-12h，进一步优选为6h，得到抗菌高分子材料固体粗产品。
(2)在制备抗菌高分子材料的步骤结束后，先通过物理吸附方法除去抗菌高分子材料粗产品中的催化剂，例如K2CO3，然后再将除去了催化剂的抗菌高分子材料粗产品在大量第Ⅱ溶剂，例如甲醇和/或乙醇中沉降提纯3次，制得分子结构如式(Ⅰ)所示抗菌高分子材料纯品，其分子量，例如为9800-12000Da。
在上述合成反应结束后，采用核磁共振仪(Bruker AVANCE300MHz型核磁共振仪，Bruker公司，瑞士)对制得抗菌高分子材料纯品进行核磁共振分析，所述三聚氯氰衍生的高分子抗菌材料的1H NMR图谱如图2所示。
根据本发明的一些具体实施方式，分子结构如式(Ⅱ)所示的三聚氯氰衍生的可聚合单体的制备方法包括：
按照摩尔比为(1-2):1将薄荷醇与三聚氯氰溶于第Ⅲ溶剂，例如四氢呋喃中得到第Ⅱ反应混合物，按照缚酸剂与三聚氯氰的摩尔比为(1-2.2):1向第Ⅱ反应混合物中加入缚酸剂，例如碳酸钾和/或N,N-二异丙基乙胺，加热到60-100℃，优选60-80℃，进一步优选80℃，回流反应12-36h，优选20-30h，进一步优选24-30h，更进一步优选为24h；反应结束后，旋转蒸发蒸出溶剂，得到三聚氯氰衍生的可聚合单体油状物产品。
本发明中对于第Ⅲ溶剂没有特别的限制，只要能够使原料溶解，且不会妨碍反应进行即可，所述溶剂包括苯、甲苯等芳香族烃类；四氢呋喃、二氧六环等醚类，以及二甲基亚砜、二甲基甲酰胺和二甲基乙酰胺中的一种或几种，优选所述第Ⅲ溶剂为四氢呋喃。
本领域技术人员应该了解的是，由于上述制备三聚氯氰衍生的可聚合单体的过程中涉及氯原子的取代反应，该取代反应需要使用缚酸剂来维持碱性环境，以促进醚化反应快速进行，并获得稳定的产物。
在本发明的一些实施例中，所述薄荷醇包括L-薄荷醇、D-薄荷醇、L-新薄荷醇、D-新薄荷醇、L-异薄荷醇、D-异薄荷醇、L-新异薄荷醇和D-新异薄荷醇中的一种或几种，优选为L-薄荷醇。
本发明第三方面提供了一种如本发明第一方面所述的抗菌高分子材料或如第二方面所述的方法制备的抗菌高分子材料在制备抗菌产品中的应用。
本发明中所述用语“重复单元”是指聚合物中化学组成相同的最小单位，是构成高分子链并决定高分子以一定方式连接起来的原子组合。
本发明中所述“R为连接的单体”是指R为以-NH-为连接键的连接的单体，所述R为二氨基化合物去掉两个氨基形成的基团，其与两端的-NH-连接键组成本发明中的抗菌高分子材料的分子结构[式(Ⅰ)]的中的二氨基化合物单体结构单元。
本发明中所述用语“含薄荷醇侧基的高分子材料”与“三聚氯氰衍生的聚合物”、“三聚氯氰衍生的含薄荷醇侧基的高分子材料”、“含薄荷醇侧基的大分子”和“三聚氯氰衍生的高分子抗菌材料”可以互换使用，均是指分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料。
本发明中所述用语“三聚氯氰”与“三聚氰氯”可以互换使用。
薄荷醇是一种天然存在的植物来源的有机化合物，广泛用于普通感冒药，牙膏，糖果，化妆品等产品，在西方已被用于医药领域已有一百多年的历史。
中国专利CN107930412A涉及一种耐酸型聚(酰胺-三嗪-胺)纳滤复合膜的制备方法。以三聚氯氰和多元胺为原料，经亲核取代反应得到聚(三嗪)胺类前驱体，再经界面聚合反应，在支撑膜上制备所述耐酸型聚(酰胺-三嗪-胺)纳滤复合膜，有效的改善聚(三嗪)胺钠滤复合膜分离性能差、界面聚合水相单体局限于线性多元活性胺类、耐酸性不好等问题。
中国专利CN107057026A涉及一种含有功能化石墨烯调控聚乙二醇的聚氨酯相变材料。该复合相变材料具有氮系有机阻燃分子，以氧化石墨、三聚氯氰，二苯基甲烷二异氰酸酯化合物和及PEG为原料，利用聚合法制备得到一种含功能化石墨烯复合聚氨酯PEG相变材料。
本发明方法通过薄荷醇单取代的1,3,5-三嗪可聚合单体化合物中的两个氯原子与作为连接单体的二氨基化合物发生缩合聚合反应所合成含薄荷醇侧基的高分子材料与上述现有的薄荷醇衍生物不同。采用本发明方法所制备得到的高分子抗菌材料对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌具有较好的抑制粘附和抑制生长作用，同时该高分子材料具有良好的生物相容性、无毒性特点，可作为抗菌材料用于包括医学、食品、卫生、及环保领域，发展潜力巨大。
附图说明
下面结合附图来对本发明作进一步详细说明：
图1为本发明实施例1中分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料的制备流程图。
图2为本发明实施例1中制备的分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料的1HNMR图。
图3为本发明实施例1中制备的分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料在实施例6的黑曲霉菌抗菌实验中的抑真菌扩散效果图(10天)。
具体实施方式
为使本发明容易理解，下面将结合附图详细说明本发明。但在详细描述本发明前，应当理解本发明不限于描述的具体实施方式。还应当理解，本文中使用的术语仅为了描述具体实施方式，而并不表示限制性的。
实施例
以下通过具体实施例对于本发明进行具体说明。下文所述实验方法，如无特殊说明，均为实验室常规方法。下文所述实验材料，如无特别说明，均可由商业渠道获得。
实施例1：
本实施例中分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料的制备流程图如图1所示。
称取1mmol三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物和1mmol的4,4'-二氨基二苯醚于反应瓶中，加入2ml的氮甲基吡咯烷酮(NMP)提供溶剂环境，再加入2.2mmol的氟化铯(CsF)作为催化剂，120℃条件下反应6h，产物在大量甲醇中沉降提纯3次，制得三聚氯氰衍生的聚合物[(即分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料)]纯品，其产率60％，分子量为10000。该聚合方法具有操作简单，提纯简便。
采用核磁共振仪(Bruker AVANCE 300MHz型核磁共振仪，Bruker公司，瑞士)对所制得三聚氯氰衍生的聚合物纯品进行核磁共振分析，三聚氯氰衍生的聚合物的1H NMR图如图2所示。从图2中的从1H NMR图分析看出，所合成的三聚氯氰衍生的聚合物合成成功。
实施例2：
称取1mmol三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物和1mmol的4,4'-二氨基二苯醚于反应瓶中，加入2ml的氮甲基吡咯烷酮(NMP)提供溶剂环境，再加入2.2mmol的氟化铯(CsF)作为催化剂，150℃条件下反应6h，产物在大量甲醇中沉降提纯3次，制得三聚氯氰衍生的聚合物[(即分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料)]纯品，其产率50％，分子量为13500，该聚合方法具有操作简单，提纯简便的优点。
实施例3：
称取1mmol三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物和1mmol的4,4'-二氨基二苯醚于反应瓶中，加入2ml的氮甲基吡咯烷酮(NMP)提供溶剂环境，再加入2.2mmol的K2CO3作为催化剂，100℃条件下反应6h。通过物理吸附方法除去K2CO3。产物在大量甲醇中沉降提纯3次，制得三聚氯氰衍生的聚合物[(即分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料)]纯品，其产率50％，分子量为9800，该聚合方法具有操作简单，提纯简便的优点。
实施例4：
称取2mmol的三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物和1mmol的4,4'-二氨基二苯醚于反应瓶中，加入2ml的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)提供溶剂环境，再加入2.2mmol(334mg)的氟化铯(CsF)作为催化剂，120℃条件下反应10h，产物在大量乙醇中沉降提纯3次，制得三聚氯氰衍生的聚合物[(即分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料)]纯品，其产率55％，分子量为12000。
实施例5：
称取1mmol三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物和1mmol的4,4'-二氨基二苯醚于反应瓶中，加入2ml的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)提供溶剂环境，再加入2.2mmol的氟化铯(CsF)作为催化剂，120℃条件下反应12h，产物在大量乙醇中沉降提纯3次，制得三聚氯氰衍生的聚合物[(即分子结构如式(Ⅰ)所示的抗菌高分子材料)]纯品，其产率55％，分子量为11500。
实施例6：
将实施例1中制得的三聚氯氰衍生的高分子抗菌材料压成直径为1.3cm的片层，在紫外灯下照射40min进行灭菌处理，然后将该抗菌材料片层置于固体培养基上，在片层中间放上少量黑曲霉孢子，37℃下培养，结果如图3所示。
从图3可以看出，当培养时间达到10天时，片层上没有霉菌的生长。
按照实施例6中的黑曲霉菌抗菌实验方法对实施例2-5中制得的三聚氯氰衍生的高分子抗菌材料进行抗菌试验，结果表明当培养时间达到10天时，片层上均没有霉菌的生长。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明做出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。

Claims (10)

1.一种抗菌高分子材料，其分子结构如式(I)所示：
式(I)中：
R为连接的单体，其为二氨基化合物去掉两个氨基形成的基团，所述二氨基化合物包括4，4′-二氨基二苯醚、3，4′-二氨基二苯醚、对苯二胺、间苯二胺、9，9双(4-氨基苯基)芴、邻联甲苯胺、2，2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷和双(4-氨苯基)砜中的一种或几种；
n为聚合物的重复单元数，取值为正整数。
2.根据权利要求1所述的抗菌高分子材料，其特征在于，n＝1-5000。
3.根据权利要求1或2所述的抗菌高分子材料，其特征在于，所述抗菌高分子材料能够抑制或阻止微生物粘附于其表面，优选地，所述微生物包括细菌和/或真菌。
4.一种如权利要求1-3中任意一项所述的抗菌高分子材料的制备方法，其包括：制备抗菌高分子材料的步骤：将二氨基化合物与三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物在第I溶剂中混合均匀，在第I催化剂存在条件下进行缩聚反应，制得抗菌高分子材料粗产品。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物的分子结构如式(II)所示：
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述二氨基化合物包括4，4′-二氨基二苯醚、3，4′-二氨基二苯醚、对苯二胺、间苯二胺、9，9双(4-氨基苯基)芴、邻联甲苯胺、2，2-双(4-氨基苯基)六氟丙烷和双(4-氨苯基)砜中的一种或几种；和/或，所述第I催化剂包括氟化铯和/或碳酸钾。
7.根据权利要求4-6中任意一项所述的方法，其特征在于，三聚氯氰衍生的可聚合单体化合物与二氨基化合物的摩尔比为(1-2)∶1；和/或，所述催化剂与二氨基化合物的摩尔比为(1-2.2)∶1。
8.根据权利要求4-7中任意一项所述的方法，其特征在于，所述缩聚反应的温度为100-180℃，优选为120-150℃；和/或，所述缩聚反应的时间为4-12h，优选为6-12h。
9.根据权利要求4-8中任意一项所述的方法，其特征在于，在制备抗菌高分子材料的步骤之后还包括分离纯化抗菌高分子材料的步骤：先通过物理吸附法从所制得抗菌高分子材料粗产品中脱除第I催化剂，再在第II溶剂中沉降提纯制得抗菌高分子材料纯品；优选所述第II溶剂为甲醇和/或乙醇。
10.如权利要求1-3中任意一项所述的抗菌高分子材料或如权利要求4-9中任意一项所述的方法制备的抗菌高分子材料在制备抗菌产品中的应用。
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