CN115304528A - 一种可降解的双子季铵盐及其制备方法、杀菌剂 - Google Patents

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Abstract

本发明属于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，其特征在于，具有如式Ⅰ所示的结构通式：
Figure DDA0003767150730000011
式Ⅰ中，R1、R2为C6‑C12饱和直链烷基，R3为桥接基团，X为Cl、Br或I中的一种。本发明的有益效果是：本发明提供的双子季铵盐通过迈克尔加成和季铵化一步合成法即可制得所需产物，产率高。该消毒剂分子结构中引入酯键和硫醚键，可以在氢氧根离子或重金属离子存在的环境下快速降解，并且降解产物对环境无毒害作用。

Description

一种可降解的双子季铵盐及其制备方法、杀菌剂
技术领域
本发明属于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及其制备方法、杀菌剂。
背景技术
季铵盐型表面活性剂由于其优异的性质和低廉的成本，在制药、造纸、浮选矿、化妆品及油田等多个领域得到广泛的应用，同时季铵盐型表面活性剂具有广谱的杀菌效果，在环境消毒、皮肤消毒等领域也具有广泛的应用。市面上常用的季铵盐如苯扎氯铵和双癸基二甲基氯化铵等结构稳定，容易在环境中富集，导致细菌产生耐药性，对生态和人类具有潜在的风险。
随着杀菌剂行业的发展及民众环保意识的增强，探索合成性能优良、环境友好的新型表面活性剂愈来愈成为研究的热点。双子季铵盐类杀菌剂是所有季铵盐杀菌剂中被研究最多的一类，研究者们通过将不同的官能团包括酯基、羟基、羧基、酰胺基团和醚等引入到这类杀菌剂的疏水烷基链或联结基中以提高其在某些方面的性能。双子季铵盐杀菌剂中引入酯基或酰胺基团后具有更好的生物降解性、温和性以及热稳定性，在一定程度上更加符合绿色化学的发展理念。
现有报道中，通常将季铵盐的疏水基团先酯化或酰胺化，然后再季铵化得到设定结构的化合物。然而该过程操作步骤繁琐，且通常存在后处理复杂，产率低等问题。刘学民等以脂肪酸、N,N-二甲基-1,3-丙二胺、环氧氯丙烷为原料成功合成了酰胺型双子季铵盐：第一步：将等摩尔的脂肪酸和N,N-二甲基-1,3-丙二胺混合反应生成脂肪酰胺丙基二甲胺；第二步：在脂肪酰胺丙基二甲胺中不断通入HCl气体，反应获得脂肪酰胺丙基二甲胺盐酸盐中间体；第三步：将脂肪酰胺丙基二甲胺、脂肪酰胺丙基二甲胺盐酸盐和环氧氯丙烷混合反应可获得白色膏状固体，即为酰胺型双子季铵盐。以环氧氯丙烷为原料合成双子季铵盐存在以下问题：1、纯化困难：反应体系通常需要加入部分过量环氧氯丙烷来提高转化率，这将导致后续产品纯化存在困难，同时残留的未反应环氧氯丙烷存在极大毒性，这都严重影响了产品的实际应用；2、反应工艺中HCl的使用对设备腐蚀性较大，不利于大规模工业化应用。本发明中提供了一种一锅法合成路线，且无需加入其它参与反应的试剂，反应产率更高，后处理简单，工艺更绿色化。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种可降解的双子季铵盐及其制备方法、杀菌剂，该分子引入硫醚键和酯键并且拥有更多的电荷，能够更好的和细菌结合，杀菌效率高；并且硫醚键和酯键在水中的重金属离子和氢氧根的作用下，快速降解，降解产物对环境无害。本发明的原料廉价易得，且反应条件简单，通过一步合成法即可制得双子季铵盐，且反应后不需复杂提纯工艺即可得到产物，产率高。
本发明提供了如下的技术方案：
一种可降解的双子季铵盐，具有如式Ⅰ所示的结构通式：
Figure BDA0003767150710000021
式Ⅰ中，R1、R2为C6-C12饱和长链烷烃，X为Cl、Br或I中的一种，R3为以下结构中的的任意一种：
Figure BDA0003767150710000031
优选的，具有如式Ⅱ所示的结构式：
Figure BDA0003767150710000032
本发明还提供一种可降解的双子季铵盐的制备方法，将丙烯酸二甲氨基乙酯、长链硫醇、卤代桥接基团、溶剂混合，加热加压搅拌反应，待反应完成，进行后处理得到双子季铵盐。
优选的，所述长链硫醇选自1-己硫醇、1-辛硫醇、1-癸硫醇、正十二硫醇中的任意一种。
优选的，所述卤代桥接基团选自以下结构中的任意一种：
Figure BDA0003767150710000041
X为Cl、Br或I中的一种。
优选的，所述溶剂选自异丙醇、正丙醇、乙醇、乙腈中的任意一种或几种。
优选的，所述反应条件具体为：加热温度为60-150℃，时间4-12h，压力为100kPa-600kPa。
优选的，所述后处理的步骤为先减压蒸馏除去溶剂，然后用丙酮洗涤，真空干燥得到双子季铵盐。
本发明还提供一种杀菌剂，所述杀菌剂的有效杀菌成分包括如权利要求1所述的双子季铵盐。
本发明的有益效果是：
1、本发明提供的双子季铵盐通过迈克尔加成和季铵化一步合成法即可制得所需产物，原料廉价易得，且反应条件简单，通过一步合成法即可制得所需产物，产率高。
2、本发明中提供的双子季铵盐具有酯基和硫醚键，能够对自然水体中的氢氧根离子和重金属离子的双重响应，在水体中能够快速降解，降解产物对环境无毒害作用，能够大大降低其生物毒性和环境富集性，是一种绿色环保的新型季铵盐。
3、本发明制备的双子季铵盐化合物具有高效广谱抑菌作用，对大肠杆菌、金黄葡萄球菌、白色念珠菌、绿脓杆菌和黑曲霉菌均产生了明显的抑制作用，而且具有很低的溶血活性，安全稳定性好。
本发明的双子季铵盐化合物在碱性条件下可以快速的降解，且降解产物无毒害作用，避免细菌产生生理适应，发生基因表达增加或突变，降低细菌的耐药性。
4、本发明还提供了一种杀菌剂，该杀菌剂的有效杀菌成分包括双子季铵盐，安全高效，适用面广。
附图说明
图1实施例1所得化合物的质谱图。
图2实施例1所得化合物的核磁图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做具体说明。
双子季铵盐的合成路线
Figure BDA0003767150710000051
实施例1
在单口烧瓶中加入丙烯酸二甲氨基乙酯0.02mol、1-己硫醇0.02mol、1,3-二溴丙烷0.01mol、乙醇10mL，60℃常压搅拌12h，然后减压蒸馏除去溶剂，用丙酮洗涤2-3次后冻干得到双子季铵盐化合物1，产率为98.0％。
实施例2
在单口烧瓶中加入丙烯酸二甲氨基乙酯0.02mol、辛硫醇0.02mol、1,4-二溴丁烷0.01mol、乙醇10mL，60℃常压搅拌12h，然后减压蒸馏除去溶剂，用丙酮洗涤2-3次后冻干得到双子季铵盐化合物2，产率为97.5％。
实施例3
在单口烧瓶中加入丙烯酸二甲氨基乙酯0.02mol、癸硫醇0.02mol、1,5-二溴戊烷0.01mol、乙醇10mL，60℃常压搅拌12h，然后减压蒸馏除去溶剂，用丙酮洗涤2-3次后冻干得到双子季铵盐化合物3，产率为98.2％。
实施例4
在单口烧瓶中加入丙烯酸二甲氨基乙酯0.02mol、正十二硫醇0.02mol、1,3-二氯-2-丙醇0.01mol、乙醇10mL，150℃600KPa搅拌4h，然后减压蒸馏除去溶剂，用丙酮洗涤2-3次后冻干得到双子季铵盐化合物4，产率为98.5％。
实施例5
在压力罐中加入丙烯酸二甲氨基乙酯0.02mol、1-辛硫醇0.02mol、1,4-二氯-2-丁醇0.01mol、异丙醇10mL，140℃600KPa搅拌5h，然后减压蒸馏除去溶剂，用丙酮洗涤2-3次后冻干得到双子季铵盐化合物5，产率为92.3％。
实施例6
在单口烧瓶中加入丙烯酸二甲氨基乙酯0.02mol、1-辛硫醇0.02mol、DL-1,4-二氯-2,3-丁二醇0.01mol、乙醇10mL，140℃600KPa搅拌5h，然后减压蒸馏除去溶剂，用丙酮洗涤2-3次后冻干得到双子季铵盐化合物6，产率为95.6％。
实施例7
在单口烧瓶中加入丙烯酸二甲氨基乙酯0.02mol、1-己硫醇0.01mol、1-辛硫醇0.01mol、1,3-二溴丙烷0.01mol、乙醇10mL，60℃常压搅拌12h，然后减压蒸馏除去溶剂，用丙酮洗涤2-3次后冻干得到双子季铵盐化合物7，产率为97.8％。
实施例8
在单口烧瓶中加入丙烯酸二甲氨基乙酯0.02mol、1-己硫醇0.01mol、1-癸硫醇0.01mol、1,3-二溴丙烷0.01mol、乙醇10mL，60℃常压搅拌12h，然后减压蒸馏除去溶剂，用丙酮洗涤2-3次后冻干得到双子季铵盐化合物8，产率为96.9％。
实施例9
在单口烧瓶中加入丙烯酸二甲氨基乙酯0.02mol、1-辛硫醇0.01mol、1-癸硫醇0.01mol、1,3-二氯-2-丙醇0.01mol、乙醇10mL，60℃600KPa搅拌12h，然后减压蒸馏除去溶剂，用丙酮洗涤2-3次后冻干得到双子季铵盐化合物9，产率为97.5％。
结果与检测
一、最小抑菌浓度测定试验
根据《消毒技术规范》(2002年版)
原理
将不同浓度的抑菌剂混合溶解于营养肉汤培养基中，然后接种细菌，通过细菌的生长与否，确定抗(抑)菌剂抑制受试菌生长的最低浓度，即最小抑菌浓度(MinimalInhibitoryConcentration MIC)。
试验器材
试验菌株：大肠杆菌(Escherichia coli)8099、金黄色葡萄球菌(Staphylococcusaureus)ATCC6538、绿脓杆菌(Pseudomonasaeruginosa)ATCC15442、白色念珠菌(Candidaalbicans)ATCC10231、黑曲霉菌(Aspergillus niger)ATCC16404购自广东省微生物种质资源库。
营养肉汤培养基：蛋白胨10g、牛肉膏5g、氯化钠5g、蒸馏水1000mL，将各成分溶解于蒸馏水中，调pH至7.2-7.4分装，于121℃压力蒸汽灭菌20min备用。
稀释液：胰蛋白胨生理盐水溶液(TPS)
胰蛋白胨1.0g、氯化钠8.5g，先用900mL以上蒸馏水溶解，并调节pH至7.0±0.2，最终用蒸馏水加至1000mL，分装后，经121℃压力蒸汽灭菌20min备用。
操作步骤
1、配制金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿脓杆菌、白色念珠菌、黑曲霉菌菌悬液。
2、将实施例1-9制备的双子季铵盐化合物用蒸馏水进行对倍稀释，稀释后取质量浓度为0.1％，0.05％，0.025％，0.0125％，0.00625％，0.003125％，0.0015625％，0.00078125％，0.000390625％的供试液5mL于无菌空试管中,取各稀释度受试液2.5ml加入到含2.5mL双倍浓度营养肉汤的试管中。
3、按照步骤2的方法配置相同浓度的苯扎氯铵试液，试液2.5ml加入到含2.5mL双倍浓度营养肉汤的试管中。
4、取0.1ml含菌量约为108cfu/ml菌悬液接种于含实施例1-16制备的双子季铵盐化合物营养肉汤的试管中，作为试验组样本。
5、取0.1ml含菌量约为108cfu/ml菌悬液接种于苯扎氯铵营养肉汤的试管中，作为对照组样本。
6、将试验组样本、对照组样本放置37℃培养箱中，培养48h观察结果。
评判规定：试验组无菌生长的最高稀释度所对应的双子季铵盐化合物浓度为该样品对受试菌的MIC，苯扎氯铵对照组判定规定同试验组。得到表1。
表1双子季铵盐化合物1-9的最小抑菌浓度
Figure BDA0003767150710000081
Figure BDA0003767150710000091
从表1中可知，从表1中可知，化合物1-9对5种细菌的最小抑菌浓度均小于0.025％，化合物1对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度达到了0.000390625％，化合物2对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度达到了0.00078125％，化合物3对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度达到了0.00078125％，化合物4对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度达到了0.00078125％，化合物5对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度达到了0.0015625％，化合物6对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度达到了0.0015625％。化合物7对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度达到了0.0015625％，化合物8对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度达到了0.00078125％，化合物9对金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度达到了0.00078125％。
二、降解性能测试
通过验证实施例中所合成产物在水体中加速实验测得的杀菌率来证明其降解性能，所述结构的酯键断裂之后的降解产物不具有杀菌性能，通过杀菌率的下降验证其降解性能。
设计实验：将所述合成结构及苯扎氯铵(BAC)、双癸基二甲基氯化铵(DDAC)配置成1％浓度自然水体水溶液，水体采集至31°48′05.13″北纬117°08′04.30″，pH＝7.62，放置在54℃烘箱加速实验，按照《消毒技术规范》2002年版测试大肠杆菌5min杀菌率。
表2双子季铵盐化合物1-9及BAC、DDAC杀菌率
Figure BDA0003767150710000101
Figure BDA0003767150710000111
从表2中可知，在1-7天内化合物1-3，6-9杀菌率均>99.999％，而在第九天迅速降低至50％-80％，这可能是因为其双链结构在前期仅有一端长链降解仍然具有杀菌性能，而后当双长链降解后才不具有杀菌性能，随后在第13天杀菌率<10％，表明双链基本完全降解，几乎没有杀菌活性，化合物4、5在3-5天迅速降低至50％-80％，在第7天杀菌率<10％，表明双链基本完全降解，几乎没有杀菌活性，而BAC及DDAC由于其结构稳定性能一直保持99.999％的杀菌率。
三、溶血活性实验
取新鲜的白鼠红细胞用生理盐水洗2次，2000rpm，离心30分钟，4％重悬到生理盐水中。取1mL红细胞混悬液分别加入5种不同浓度的季铵盐化合物1-9溶液，轻混后置37℃的恒温箱中温浴。阴性对照组用生理盐水，阳性对照组用蒸馏水，处理同上。3h后离心，取上清，测545nm处吸光值，溶血率(％)＝(试验管吸光度-阴性对照管吸光度)/(阳性对照管吸光度-阴性对照管吸光度)×100％，结果如表9所示。
表3双子季铵盐化合物1-9的溶血率
Figure BDA0003767150710000112
Figure BDA0003767150710000121
从表3中可知，双子季铵盐化合物1-9的溶血活性非常低，在试剂浓度远超样品最小杀菌浓度的情况下，溶血率依旧很低，表明其具有较好的安全性，尤其是实施例4、5效果最好，浓度为100ug/ml，其溶血率只有0.05％以下。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可降解的双子季铵盐，其特征在于，具有如式Ⅰ所示的结构通式：
Figure FDA0003767150700000011
式Ⅰ中，R1、R2为C6-C12饱和长链烷烃，X为Cl、Br或I中的一种，R3为以下结构中的的任意一种：
Figure FDA0003767150700000012
2.根据权利要求1所述的一种可降解的双子季铵盐，其特征在于，具有如式Ⅱ所示的结构式：
Figure FDA0003767150700000013
3.一种可降解的双子季铵盐的制备方法，其特征在于，将丙烯酸二甲氨基乙酯、长链硫醇、卤代桥接基团、溶剂混合，加热加压搅拌反应，待反应完成，进行后处理得到双子季铵盐。
4.根据权利要求3所述的一种可降解的双子季铵盐的制备方法，其特征在于，所述长链硫醇选自1-己硫醇、1-辛硫醇、1-癸硫醇、正十二硫醇中的任意一种。
5.根据权利要求3所述的一种可降解的双子季铵盐的制备方法，其特征在于，所述卤代桥接基团选自以下结构中的任意一种：
Figure FDA0003767150700000021
X为Cl、Br或I中的一种。
6.根据权利要求3所述的一种可降解的双子季铵盐的制备方法，其特征在于，所述溶剂选自异丙醇、正丙醇、乙醇、乙腈中的任意一种或几种。
7.根据权利要求3所述的一种可降解的双子季铵盐的制备方法，其特征在于，所述反应条件具体为：加热温度为60-150℃，时间4-12h，压力为100kPa-600kPa。
8.根据权利要求3所述的一种可降解的双子季铵盐的制备方法，其特征在于，所述后处理的步骤为先减压蒸馏除去溶剂，然后用丙酮洗涤，真空干燥得到双子季铵盐。
9.一种杀菌剂，其特征在于，所述杀菌剂的有效杀菌成分包括如权利要求1所述的双子季铵盐。
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