季銨鹽雙子表面活性劑的合成及其殺菌性能研究*

毛學(xué)強(qiáng)， 何 帥， 李 君， 唐重莉， 楊璇玉， 王碧清， 馮玉軍

(1. 中國(guó)石油 塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000； 2. 中國(guó)科學(xué)院 成都有機(jī)化學(xué)研究所，四川 成都 610041； 3. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院，北京 100039)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在油田嚴(yán)重的腐蝕破壞中，70%～80%直接由硫酸鹽還原菌(SRB)，鐵細(xì)菌(FB)，腐生菌(TGB)，硫細(xì)菌等引起[1]。目前主要使用十二烷基三甲基芐基氯化銨(1227)等單鏈季銨鹽殺菌劑來(lái)控制這些有害菌的繁殖，其作用機(jī)理是“1227”分子中的正電荷可被表面荷負(fù)電的細(xì)菌選擇性吸附，通過(guò)滲透和擴(kuò)散作用，穿過(guò)細(xì)胞表面進(jìn)入細(xì)胞膜，從而影響細(xì)胞膜的半滲透作用，并進(jìn)一步穿入細(xì)胞內(nèi)部，使細(xì)胞酶鈍化，不能產(chǎn)生蛋白質(zhì)酶，使蛋白質(zhì)變性從而達(dá)到殺死細(xì)菌細(xì)胞的作用[2]。這類(lèi)殺菌劑雖具有高效、低毒、不易受pH值變化影響等特點(diǎn)，但存在易起泡沫、礦化度較高時(shí)殺菌效力降低、容易吸附損失、長(zhǎng)期單獨(dú)使用易產(chǎn)生抗藥性等缺點(diǎn)。

陽(yáng)離子雙子表面活性劑是指通過(guò)一個(gè)連接基將兩個(gè)傳統(tǒng)的陽(yáng)離子表面活性劑在其頭基或接近頭基處而連接在一起的一類(lèi)新型表面活性劑[3]。與單頭單鏈的傳統(tǒng)陽(yáng)離子表面活性劑相比，雙子表面活性劑具有更低的臨界膠束濃度、更強(qiáng)的降低表面張力的能力[4，5]，而且對(duì)金黃色葡萄球菌和白色念珠菌有較明顯的殺菌作用[6]。由于其分子結(jié)構(gòu)中含有兩個(gè)季銨鹽頭基，季銨鹽雙子表面活性劑更容易吸附在細(xì)胞壁表面，抗菌波長(zhǎng)范圍也比一般單鏈銨鹽寬[7～10]，可在175 ℃以下，pH 4～11的淡水、海水和廢水等多種水系統(tǒng)中進(jìn)行殺菌滅藻。

本文以N,N,N′,N′-四甲基乙二胺和溴代烷烴為原料合成了一系列對(duì)稱(chēng)型季銨鹽雙子表面活性劑n-2-n(n=8， 10， 12， 14)(Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR表征。研究了n-2-n對(duì)油田污水中常見(jiàn)的SRB， FB和TGB的殺菌性能。

Scheme1

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Brucker 300 MHz型核磁共振儀(CDCl3為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo))。

N,N,N′,N′-四甲基乙二胺，純度99.5%，上海元吉化工；溴代辛烷、溴代癸烷、溴代十二烷、溴代十四烷，純度均為99%，江蘇鹽城科利達(dá)化工；1227，含量45.0%，勝利油田勝利化工公司；無(wú)水乙醇，純度99.7%，廣東光華化學(xué)廠有限公司。殺菌實(shí)驗(yàn)所用細(xì)菌培養(yǎng)基,北京華興試劑廠。

1．2 n-2-n的合成[3,4，11]

在錐形燒瓶中加入N,N,N′,N′-四甲基乙二胺110 mmol, 溴代烷烴50 mmol和乙醇77 mL,攪拌下回流反應(yīng)48 h。于85 ℃/70 kPa蒸發(fā)除去溶劑得蠟狀固體，用丙酮重結(jié)晶3次，于40 ℃/90 kPa真空干燥24 h得n-2-n。

8-2-8：1H NMRδ： 0.80～0.89(t， 6H， CH3)， 1.20～1.50(m， 20H， CH2)， 1.82(s， 4H， NCCH2)， 3.34(s， 12H， NCH3)， 3.64～3.65(t， 4H， NCH2)， 4.52(s， 4H， NCH2CH2N)。

10-2-10：1H NMRδ： 0.85～0.90(t， 6H， CH3)， 1.25～1.37(m， 28H， CH2)， 1.80(s， 4H， NCCH2)， 3.50(s， 12H， NCH3)， 3.68～3.73(t， 4H， NCH2)， 4.73(s， 4H， NCH2CH2N)。

12-2-12：1H NMRδ： 0.85～0.90(t， 6H， CH3)， 1.26～1.38(m， 36H， CH2)， 1.80(s， 4H， NCCH2)， 3.50(s， 12H， NCH3)， 3.67～3.72(t， 4H， NCH2)， 4.72(s， 4H， NCH2CH2N)。

14-2-14：1H NMRδ： 0.85～0.90(t， 6H， CH3)， 1.25～1.37(m， 44H， CH2)， 1.78(s， 4H， NCCH2)， 3.50(s， 12H， NCH3)， 3.68～3.72(t， 4H， NCH2)， 4.73(s， 4H， NCH2CH2N)。

1．3 殺菌活性測(cè)定

選用塔里木油田公司塔中四聯(lián)合站1#分離器后污水分別培養(yǎng)含菌污水,其菌含量為:SRB=2.5×105個(gè)/mL， FB=6．0×103個(gè)/mL， TGB=2．5×103個(gè)/mL。使用n-2-n或1227處理含菌水樣1 h。采用絕跡稀釋法[12，13]測(cè)定細(xì)菌含量(m)，按下式計(jì)算殺菌率(%)。

式中：m1為處理后水樣中的細(xì)菌含量，m0為未加殺菌劑處理水樣的細(xì)菌含量

2 結(jié)果與討論

2．1 合成

季銨化反應(yīng)常常由于反應(yīng)不完全而造成產(chǎn)率偏低，成本增加，而且還影響產(chǎn)物的性能。為了讓四甲基乙二胺盡可能地轉(zhuǎn)化成雙子季銨鹽，通常采用鹵代烷適當(dāng)過(guò)量的方法。以合成12-2-12為例，考察r[n(溴代烷烴)∶n(乙二胺)]對(duì)其產(chǎn)率的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，當(dāng)r從2.05∶1.00增加到2.20∶1.00時(shí)，產(chǎn)率未有明顯改變。較佳的r=2.05∶1．00。

表1 r對(duì)12-2-12產(chǎn)率的影響*

*胺50 mmol,無(wú)水乙醇77 mL,回流反應(yīng)48 h,其余反應(yīng)條件同1.2；r=n(溴代烷烴)∶n(乙二胺)

2．2 殺菌性能

(1) 1227

1227用量[c(1227)]對(duì)SRB， TGB和FB殺菌性能的影響見(jiàn)圖1。由圖1可見(jiàn)，c(1227)為20 mg·L-1時(shí)，對(duì)SRB的殺菌率只有72%；為40 mg·L-1時(shí)，對(duì)SRB， FB和TGB的殺菌率均在90%左右。

c(1227)/mg·L-1

(2) n-2-n

n-2-n用量對(duì)SRB， FB和TGB殺菌性能的影響分別見(jiàn)圖2，圖3和圖4。由圖2可見(jiàn)，c(n-2-n)=20 mg·L-1時(shí)，對(duì)SRB有十分優(yōu)異的殺菌能力，殺菌率均大于97%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同用量1227的殺菌率(72%)。這是因?yàn)閚-2-n分子帶有兩個(gè)正電荷頭基和兩條疏水尾鏈，兩個(gè)正電荷能提供更強(qiáng)的靜電吸引力，即吸附力比1227強(qiáng)，更容易吸附在細(xì)胞壁表面；同時(shí)兩條疏水尾鏈對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜的破壞作用也比單尾鏈的1227快速，所以殺菌性能提高。

c(n-2-n)/mg·L-1

從圖2還可看出，c(n-2-n)在20 mg·L-1～40 mg·L-1時(shí)，隨著n的增加，殺菌性能增強(qiáng)[c(n-2-n)為40 mg·L-1時(shí)， 8-2-8， 10-2-10， 12-2-12和14-2-14的殺菌率分別為99.56%， 99.72%， 99.90%和99.98%]。對(duì)于相同碳鏈長(zhǎng)度的雙子季銨鹽和傳統(tǒng)季銨鹽，c(12-2-12)為20 mg·L-1時(shí),其殺菌率達(dá)到99.48%，而40 mg·L-1時(shí)的1227的殺菌率僅為99.00%。要達(dá)到相同殺菌效果，雙子季銨鹽的用量?jī)H為傳統(tǒng)季銨鹽的一半。

c(n-2-n)/mg·L-1

c(n-2-n)/mg·L-1

從圖3和圖4可以看出，4種季銨鹽雙子表面活性劑對(duì)FB和TGB均有殺菌作用。在c(n-2-n)=20 mg·L-1時(shí)，14-2-14與12-2-12對(duì)FB和TGB的殺菌效果最好，顯著高于8-2-8； 10-2-10對(duì)FB的殺菌率與1227相當(dāng)，但對(duì)TGB殺菌率高于1227。在c(n-2-n)=40 mg·L-1時(shí)， 10-2-10， 12-2-12和14-2-14的殺菌率都在99%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于1227。

綜上所述，合成的4種雙子季銨鹽表面活性劑在油田循環(huán)水中的殺菌能力均優(yōu)于1227，其中14-2-14與12-2-12對(duì)細(xì)菌的殺滅能力明顯強(qiáng)于8-2-8和10-2-10。由于雙子季銨鹽表面活性劑都帶有相同的正電荷密度，故影響殺菌率高低的原因應(yīng)是疏水尾鏈的變化。細(xì)菌的細(xì)胞膜主要由磷脂雙分子層及其表面附著的蛋白質(zhì)構(gòu)成，其中磷脂雙分子以含12個(gè)碳鏈的分子居多，當(dāng)季銨鹽類(lèi)殺菌劑的正電荷頭基吸附在細(xì)胞壁后，疏水尾鏈插入細(xì)胞膜內(nèi)遇到的帶有12個(gè)碳鏈磷脂雙分子的幾率最大。根據(jù)空間位阻效應(yīng)與相似相容原理，含碳鏈數(shù)為12的疏水尾鏈與帶有12個(gè)碳鏈磷脂雙分子的化學(xué)物理性質(zhì)最相似，空間匹配性好，結(jié)合的所需能量最小，含碳鏈數(shù)相近的更易結(jié)合[14]，故12-2-12與14-2-14的殺菌能力比8-2-8強(qiáng)得多。10-2-10的疏水尾鏈數(shù)雖然接近12，但是疏水作用力比12-2-12和14-2-14弱，插入同樣是疏水環(huán)境的細(xì)胞膜能力差，因而殺菌率較低。

3 結(jié)論

合成了4個(gè)陽(yáng)離子雙子表面活性劑n-2-n(n=8， 10， 12， 14)，研究了它們對(duì)油田污水中常見(jiàn)的SRB， FB和TGB的殺菌性能。結(jié)果表明，與1227相比，n-2-n電荷密度更大，對(duì)SRB， FB和TGB具有更強(qiáng)的殺菌能力。碳鏈較長(zhǎng)的12-2-12和14-2-14以較少用量(20 mg·L-1)對(duì)SRB， FB和TGB的殺菌率就可達(dá)99%以上。

本文合成的n-2-n具有收率高、反應(yīng)周期短、殺菌率高等優(yōu)點(diǎn)，在油田殺菌領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。

[1] 苑海濤，弓愛(ài)君，高瑾，等． 硫酸鹽還原菌的微生物腐蝕及其防護(hù)研究進(jìn)展[J]．化學(xué)與生物工程，2009，26(1)：11-14．

[2] Denyer S P． Mechanisms of action of antibacterial biocides[J]．Int Biodeterior Biodegrad， 1995，36(34)：227-245．

[3] 孫玉海，董宏偉，馮玉軍，等． 系列陽(yáng)離子雙子表面活性劑的合成及其表面活性的研究[J]．化學(xué)學(xué)報(bào)，2006，64(18)：1925-1928．

[4] 陳志，馮玉軍，王碧清． 季銨鹽陽(yáng)離子型雙子表面活性劑的合成及其表面活性[J]．合成化學(xué)，2009，17(1)：74-76．

[5] 陳志，馮玉軍，周麗梅． 聯(lián)接基對(duì)雙子表面活性劑12-s-12表面活性的影響[J]．化學(xué)研究與應(yīng)用，2009，21(5)：721-725．

[6] 蘇鑫， 王碧清， 趙曉蕾，等． 一種雙鏈季銨鹽消毒劑殺菌效果與毒性觀察[J]．中國(guó)消毒學(xué)雜志，2010，27(4)：383-385．

[7] 杜丹華，王全杰，朱先義． Gemini表面活性劑的研究進(jìn)展及應(yīng)用[J]．皮革與化工，2010，27(1)：18-23．

[8] 高志農(nóng)，魏俊超，呂波． 不對(duì)稱(chēng)Gemini表面活性劑研究進(jìn)展[J]．化學(xué)試劑，2006，28(7)：403-407．

[9] 鐘聲，王偉，朱建民． Gemini表面活性劑的研究進(jìn)展[J]．鞍山科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，29(2)：124-128

[10] 趙劍曦． 雜雙子表面活性劑的研究進(jìn)展[J]．化學(xué)進(jìn)展，2005，17(6)：987-993．

[11] Sun Y， Feng Y， Dong H，etal. Adsorption of dissymmetric cationic gemini surfactants at the silica/water interface[J]．Surf Sci，2007，601(9)：1988-1995．

[12] SY/T 0532-93． 油田注入水細(xì)菌分析方法絕跡稀釋法[S]．

[13] SY/T5329-94． 碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法[S]．

[14] Kanazawa A， Ikeda T． Multifunctional tetracoordinate phosphorus species with high self-organizing ability[J]．Coord Chem Rev，2000，198(1)：117-131．