CN110627747A - 一种环氧季铵盐的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环氧季铵盐的制备方法，以环氧氯丙烷为季铵化试剂，与烷烃基二甲基叔胺在有机溶剂中反应，反应温度30℃‑45℃，反应时间2‑8h。本发明制备得到的环氧季铵盐具有良好的季铵化率和环氧值，产品纯度≥90％，环氧基含量可高达27％左右，更有利于后续与明胶改性结合。本发明方法，在较低的反应温度下，4‑6小时即可转化80‑90％，反应速率适中。

Description

一种环氧季铵盐的制备方法

技术领域

本发明涉及一种环氧季铵盐的制备方法，尤其是环氧值高、抗菌性能优良的环氧季铵盐的制备方法，属于抗菌材料技术领域。

背景技术

环氧季铵盐是在常规季铵盐结构的基础上，引入了环氧基，由此提高其自身的反应活性。通过环氧季铵盐中的环氧基与天然高分子中的羟基、氨基等活性基团的反应可以得到相应的阳离子化产品。因此，环氧季铵盐既是阳离子表面活性剂，又是良好的功能性阳离子单体改性剂，具有广阔的应用价值。

目前的合成方法基本是以环氧氯丙烷和叔胺盐酸盐为原料合成羟丙基三烷基季铵盐，然后在碱性条件下环化。然而，这种方法反应在水溶液中进行，环氧值很难控制，提纯也较难进行。也有专利文件报道在有机溶剂中制备环氧季铵盐，例如：中国专利文件CN104961639A公开了一类三官能度季铵盐环氧(甲基)丙烯酸酯单体及其制备方法，其中涉及到了环氧季铵盐的制备，在装有磁子的的双口烧瓶中加入环氧氯丙烷和溶剂，冰水浴中边搅拌边滴加三官能度三取代叔胺和溶剂的混合液，1-3h内滴完，滴完后继续反应1-3h，反应结束后立即抽滤，用溶剂洗涤，真空干燥得到环氧季铵盐的白色晶体。冰水浴的温度在通常5-10℃,对季铵化反应来说,低温不利于反应的进行。并且该方法中用到的溶剂均为季铵盐的不良溶剂，因此在反应过程中只要有季铵化反应，产物即从反应体系中沉淀出来，最终得到的是一个单季铵、双季铵和三季铵的混合物。再比如：中国专利文件CN103233366A公开了一种兼具柔软功能的有机硅杀菌剂的制备方法，其涉及到长碳链环氧季铵盐的制备：在装有温度计、回流冷凝管以及电动搅拌器的三口烧瓶中，依次加入0.1mol N,N-二甲基C12-18烷基叔胺、0.1mol环氧氯丙烷以及异丙醇(异丙醇的加入量为N,N-二甲基C12-18烷基叔胺与环氧氯丙烷总质量的30％)，搅拌，通N₂保护，控温50-55℃连续反应4h。反应结束蒸除异丙醇，得浅黄色-浅红色膏状物，即长碳链环氧基季铵盐—2,3-环氧丙基二甲基C12-18烷基氯化铵。在反应中如果不控制加料速度，产生的反应热会使体系温度骤升而导致开环加剧。而且该方法用到的溶剂为异丙醇，由于沸点较高导致后处理困难。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种环氧季铵盐的制备方法，尤其是环氧值高、抗菌性能优良的环氧季铵盐的制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种环氧季铵盐的制备方法，包括步骤如下：

以环氧氯丙烷为季铵化试剂，与烷烃基二甲基叔胺在有机溶剂中反应，反应温度30℃-45℃，反应时间2-8h。

根据本发明，优选的，所述的烷烃基二甲基叔胺为碳链长度为14-16。

根据本发明，优选的，所述的环氧氯丙烷为1-氯-2,3-环氧丙烷。

结构式如下：

根据本发明，优选的，所述的有机溶剂为甲醇或乙醇，最优选甲醇。

根据本发明，优选的，所述的反应温度为35-42℃，最优选40℃。

根据本发明，优选的，反应时间为3-8h，最优选6h。

根据本发明，一种优选的实施方案，包括步骤如下：

(1)准确称取15.51g的N,N-二甲基十六烷基胺加入到装有高纯氮气保护装置、温度计和回流冷凝管的100ml三口烧瓶中，随后加入5ml甲醇，在电磁搅拌下，加热使体系温度缓慢升至35℃；

(2)准确称取8.06g环氧氯丙烷加入恒压滴液漏斗，随后量取5ml甲醇一并加入恒压滴液漏斗中，待步骤(1)中温度达到35℃时控制恒压滴液漏斗的旋塞，在电磁搅拌下将环氧氯丙烷-甲醇溶液缓慢滴加到盛有N,N-二甲基十六烷基胺-甲醇溶液的三口烧瓶中，滴加结束后，将体系温度升至40℃反应6h，整个过程均在高纯氮气保护下进行；

(3)反应结束后，将反应混合物倒入150ml单口烧瓶中，40℃旋转蒸发2h，然后加入石油醚进行沉淀，弃去上清液，继续用石油醚对沉淀进行6-8次的洗涤，随后放入真空干燥箱中40℃干燥24-48h，得到产品N,N-二甲基-环氧丙基十六烷基氯化铵。

本发明以环氧氯丙烷为季铵化试剂，与碳链长度为10-20，优选12、14、16、18的烷烃基二甲基叔胺反应合成一系列环氧季铵盐，通过反应条件的控制使季铵化率和环氧值达到最佳值。本发明对不同长度碳链叔胺的季铵化反应做系统的研究，在优化反应条件的同时，研究碳链的长度对季铵化反应速率、环氧基的保留程度、季铵盐表面性能及抗菌性能的影响，最终找到生物相容性好，抗菌抑菌性能优良的环氧季铵盐，最终确定最大环氧保留值的合成条件。

本发明的反应路线和原理如下：

其中，n＝13,15。

本发明的环氧季铵盐的后续应用过程中，对于生物相容性和抗菌抑菌性能，影响的关键指标为季铵化率和环氧值。本发明通过对合成条件的探索，确定优选的反应条件，最终得到环氧保留值高、具有良好的抗菌性能的环氧季铵盐。

其中：碳链长度对季铵化反应速率、环氧基的保留程度、季铵盐表面性能及抗菌性能有重要影响。碳链过短，所得季铵盐不具备抗菌性能；碳链过长，水溶性变差，不利于应用。本发明最终确定碳链长度为14-16，得到的环氧季铵盐各方面性能优越。

有机溶剂优选甲醇使反应体系始终处于均相状态，甲醇的极性较大，溶剂化效应有利于促进反应进行，并且甲醇的沸点较低，很容易从反应体系中脱除，有利于产品的提纯。

反应温度优选30-45℃，过低的温度需要很长的反应时间，过高的温度会加速环氧的开环，导致环氧率很低，最终确定40℃为最优选的温度。

反应时间优选2-8h，反应时间过短则转化率不高，而时间过长，生成的产物N,N-二甲基-环氧丙基十六烷基氯化铵中会有部分环氧发生开环副反应，导致最终产物的环氧率降低。

本发明的有益效果：

1、本发明制备得到的环氧季铵盐具有良好的季铵化率和环氧值，产品纯度≥90％，环氧基含量可高达27％左右，更有利于后续与明胶改性结合。

2、本发明方法，在较低的反应温度下，4-6小时即可转化80-90％，反应速率适中。

3、本发明在甲醇等有机溶剂中反应，溶剂用量少，蒸出后可重复使用，对环境的影响很小。

4、本发明方法，在相对较低的温度30-45℃下进行，节省了能源消耗。

附图说明

图1为本发明实施例1得到的环氧季铵盐的1HNMR谱。

图2为本发明实施例1得到的环氧季铵盐的FT-IR谱。

图3为本发明试验例2中对金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)进行抑菌圈实验的抑菌图。

图4为本发明试验例2中对大肠杆菌(革兰氏阴性菌)进行抑菌圈实验的抑菌图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1

一种环氧季铵盐的制备方法，包括步骤如下：

(1)在装有N₂保护装置、温度计、回流冷凝管和磁子的三口烧瓶中，加入14.73g的N,N-二甲基十四烷基胺和5ml溶剂甲醇，缓慢升温至38℃。

(2)待体系温度达到38℃后缓慢滴加7.25g环氧氯丙烷与5ml甲醇的混合液，滴加完毕后，保持38℃反应6h后停止反应，降至室温。

(3)将反应混合物旋转蒸发2h以除去溶剂甲醇，用无水石油醚洗脱6-8次，40℃真空干燥24h，得白色产物。

本实施例得到的环氧季铵盐1HNMR谱如图1所示，FT-IR如图2所示。

实施例2

一种环氧季铵盐的制备方法，包括步骤如下：

(1)在装有N₂保护装置、温度计、回流冷凝管的三口烧瓶中，加入一定量的N,N-二甲基十六烷基胺(15.51g)和溶剂甲醇(5ml)，缓慢升温至38℃。

(2)待体系温度达到38℃后缓慢滴加一定量的环氧氯丙烷(8.06g)及甲醇(5ml)混合液，滴加完毕后，保持38℃反应6h后停止反应，降至室温。

(3)将反应混合物旋转蒸发掉溶剂甲醇，用无水石油醚洗脱6-8次以除去杂质，最后真空干燥24h，得到白色18.83g产物。

对比例1

如实施例1所述，不同的是：

有机溶剂为四氢呋喃。

对比例2

一种环氧季铵盐的制备方法，包括步骤如下：

(1)在装有N₂保护装置、温度计、回流冷凝管的三口烧瓶中，加入一定量的N,N-二甲基十二烷基胺(12.44g)和溶剂甲醇(5ml)，缓慢升温至35℃。

(2)待体系温度达到35℃后缓慢滴加一定量的环氧氯丙烷(8.17g)及甲醇(5ml)混合液，滴加完毕后，升温至40℃并保持在此温度下反应6h，停止反应，降至室温。

(3)将反应混合物旋转蒸发掉溶剂甲醇，用无水石油醚洗脱6-8次以除去杂质，最后40℃真空干燥24h，得无色或淡黄色产物17.34g。

对比例3

一种环氧季铵盐的制备方法，包括步骤如下：

(1)在装有N₂保护装置、温度计、回流冷凝管和磁子的三口烧瓶中，加入22.78g的N,N-二甲基十八烷基胺和5ml溶剂甲醇，缓慢升温至38℃。

(2)待体系温度达到38℃后缓慢滴加8.37g环氧氯丙烷与5ml甲醇的混合液，滴加完毕后，保持38℃反应6h，停止反应，降至室温。

(3)将反应混合物旋转蒸发2h以除去溶剂甲醇，用无水石油醚洗脱6-8次，40℃真空干燥24h，得白色固体产物25.13g。

对比例4

如实施例1所述，不同的是：

反应温度为25℃。

对比例5

如实施例1所述，不同的是：

反应温度为55℃。

试验例1

测试实施例1-2和对比例1-5产物的季铵化率和环氧值。

季铵化率的测试方法如下：

分析天平准确称取约0.1g的季铵盐，加入洁净的50mL锥形瓶中，加20mL去离子水，38℃下超声溶解，待完全溶解后降至室温，加入5％的铬酸钾指示剂3-5mL，摇匀后以标定的浓度约为0.1mol/L的AgNO₃进行滴定，溶液颜色由黄色变为砖红色为滴定终点，每个样品平行测3次取平均值。

C为硝酸银标液浓度mol/L，V为滴定消耗的硝酸银标液体积mL，m为试样质量g，m₁为反应所得产品的量g，m₂为反应物叔胺的量mol。

环氧值的测试方法如下：

精确称量质量约为0.5g的季铵盐，加入洁净的50mL锥形瓶中，加入10mL去离子水，38℃下超声溶解，待样品完全溶解后加入10mL约0.1mol/L的稀盐酸超声反应1h；同时做空白样，不加样品只加入10ml去离子水和10ml稀盐酸，封口后放入40℃恒温箱中继续反应24h后取出，滴入1-2滴酚酞指示剂，用标定好的浓度约为0.1mol/L的氢氧化钠溶液进行滴定，溶液由无色变红为滴定终点，每个样品平行测3次取平均值。

E为产物的环氧值％，V_o为空白滴定消耗氢氧化钠标准溶液体积mL，V为试样消耗氢氧化钠标准溶液的体积mL，c为氢氧化钠标准溶液的浓度mol/L，m为试样的质量g，M为所测试样的分子量g/mol。

结果如表1所示。

表1

通过表1可知，对于碳链的长度，本发明选择碳链为14、16的长度，使季铵化率和环氧值都能达到较高的水平。碳链长度在12时，尽管环氧值较高，但是季铵化率较低；碳链长度在18时，尽管季铵化率较高，但是环氧值较低。无法同时保证较高的季铵化率和环氧值。进而无法保证后续的抗菌性能和交联性能。

本发明选择甲醇作为溶剂，可同时保证季铵化率和环氧值在较高水平。选择四氢呋喃溶剂，使得季铵化率和环氧值都处于较低水平。

反应温度对于季铵化率和环氧值也有重要影响。温度过低无法保证较高的季铵化率，温度太高，无法保证较高的环氧值。本发明选择合适的碳链长度、溶剂和反应温度，最终制备得到的环氧季铵盐同时具备较高的季铵化率和环氧值，更有利于后续与明胶改性结合。

试验例2

测试实施例1-2和对比例1-5产物的抗菌性能，分别选取革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌作为测试菌种，应用固体平板和液体培养方法测定环氧季铵盐的抗菌性。

采用环氧季铵盐浓度为7.096×10^-3mol/L，对金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性菌)进行抑菌圈实验，以不添加环氧季铵盐为对照，抑菌图如图3所示。

采用环氧季铵盐浓度为7.096×10^-3mol/L，对大肠杆菌(革兰氏阴性菌)进行抑菌圈实验，以不添加环氧季铵盐为对照，抑菌图如图4所示。

抑菌结果如表2所示。

表2抑菌圈实验结果

由图3、4和表1可知，环氧季铵盐对革兰氏阳性菌的抗菌性优于革兰氏阴性菌，烷烃链最长的N,N-二甲基十八烷基胺环氧季铵盐的抗菌性最差，碳链长度为十二、十四、十六的抗菌性相差不大。

Claims (7)

1.一种环氧季铵盐的制备方法，包括步骤如下：

以环氧氯丙烷为季铵化试剂，与烷烃基二甲基叔胺在有机溶剂中反应，反应温度30℃-45℃，反应时间2-8h。

2.根据权利要求1所述的环氧季铵盐的制备方法，其特征在于，所述的烷烃基二甲基叔胺为碳链长度为14-16。

3.根据权利要求1所述的环氧季铵盐的制备方法，其特征在于，所述的环氧氯丙烷为1-氯-2,3-环氧丙烷。

4.根据权利要求1所述的环氧季铵盐的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂为甲醇或乙醇。

5.根据权利要求1所述的环氧季铵盐的制备方法，其特征在于，所述的反应温度为35-42℃。

6.根据权利要求1所述的环氧季铵盐的制备方法，其特征在于，反应时间为3-8h。

7.根据权利要求1所述的环氧季铵盐的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)准确称取15.51g的N,N-二甲基十六烷基胺加入到装有高纯氮气保护装置、温度计和回流冷凝管的100ml三口烧瓶中，随后加入5ml甲醇，在电磁搅拌下，加热使体系温度缓慢升至35℃；

(2)准确称取8.06g环氧氯丙烷加入恒压滴液漏斗，随后量取5ml甲醇一并加入恒压滴液漏斗中，待步骤(1)中温度达到35℃时控制恒压滴液漏斗的旋塞，在电磁搅拌下将环氧氯丙烷-甲醇溶液缓慢滴加到盛有N,N-二甲基十六烷基胺-甲醇溶液的三口烧瓶中，滴加结束后，将体系温度升至40℃反应6h，整个过程均在高纯氮气保护下进行；

(3)反应结束后，将反应混合物倒入150ml单口烧瓶中，40℃旋转蒸发2h，然后加入石油醚进行沉淀，弃去上清液，继续用石油醚对沉淀进行6-8次的洗涤，随后放入真空干燥箱中40℃干燥24-48h，得到产品N,N-二甲基-环氧丙基十六烷基氯化铵。