結構可控的酯基季銨鹽多功能表面活性劑的研究進展

宋慶業(yè)，周忻宇，王利民，韓建偉

華東理工大學化學與分子工程學院精細化工系，上海 200237

季銨鹽表面活性劑廣泛應用于醫(yī)藥（藥品、消毒劑）、農業(yè)林業(yè)（殺蟲劑、殺菌劑）和生活用品（洗手液、洗頭膏和護發(fā)素）等，在表面活性劑工業(yè)中占據一席之地。傳統(tǒng)季銨鹽表面活性劑的生物和化學降解性比較差，具有一定的環(huán)保問題，一些發(fā)達國家禁用或者限量使用傳統(tǒng)的季銨鹽表面活性劑。因此，綠色可降解成為研究新型表面活性劑的發(fā)展趨勢，而改善其降解性能的策略主要是改變其化學結構，在傳統(tǒng)的季銨鹽表面活性劑基礎上引入降解性較好的基團，如酯基、酰胺基和糖基等能夠被自然界生物酶降解的基團[1]。其中，酯基可以提高季銨鹽表面活性劑的生物降解能力，并且有利于化學修飾和結構選擇性可控，與其他官能團的良好兼容性也將豐富酯鍵季銨鹽的多功能性。近年來，酯基季銨鹽多功能表面活性劑的研究較多，并且應用前景廣闊。

1 酯基季銨鹽表面活性劑

表面活性劑通常是按分子的化學結構進行分類。陽離子表面活性劑的單體季銨鹽具有兩親性結構，主要是由頭部的親水性正電荷(銨陽離子)和尾部的長疏水性烴鏈組成。

通常，季銨鹽表面活性劑由于其特定的化學結構，表現(xiàn)出許多獨特的物理化學性質。疏水鏈的類型、長度和與季銨鹽的間隔位置，都影響季銨鹽表面活性劑在水溶液的表面張力[2]。季銨鹽表面活性劑在水中主要形成單層膠束或脂質體，解離并降低表面張力和界面張力[3-4]，其烷基鏈越長，季銨鹽分子與表界面之間的疏水作用力就越強[5]。當烷基鏈長度縮短時，離子間的相互作用占主導地位，從而使離子被吸附到表界面。鏈較短的季銨鹽表面活性劑分子的疏水作用較弱，更容易穿過生物膜，然后與線粒體膜、核酸或其他細胞結構相互作用[6]，從而在抗菌領域具有明顯的效果。值得指出的是，季銨鹽表面活性劑的化學結構中引入酯基可以使其在環(huán)境中有效地被生物降解，降低季銨鹽化合物的毒性，因此，酯基季銨鹽表面活性劑被歸類為環(huán)境友好型助劑。

1.1 傳統(tǒng)酯基季銨鹽

酯基季銨鹽陽離子表面活性劑，其熱力學穩(wěn)定性較差，無法通過普通羧酸與醇的傳統(tǒng)酯化反應合成。因此，常選擇不同的季銨化試劑與酯化試劑來合成酯基季銨鹽陽離子表面活性劑。不同試劑反應得到的目標產物性能也大為不同。目前大多使用醇胺與脂肪酸進行酯化反應，再將生成的中間體通過季銨化反應得到最終產物，其反應過程如圖1 所示，該方法得到的產物往往為單、雙、三酯的混合物[7]。

圖1 酯基季銨鹽合成路徑Fig.1 Synthesis route of ester quaternary ammonium salts

Jiang 等[8]制備了硅鋁物質的量之比（硅鋁比）為15～50 的Al-SBA-15 介孔分子篩，用于硬脂酸與三乙醇胺酯化的催化過程。研究了硅鋁比和催化劑用量對酯化反應的影響，結果表明，在催化劑質量分數(shù)為0.25%和硅鋁比為25 的條件下，單酯胺和二酯胺的質量分數(shù)提升到84.79%。為了提高酯基季銨鹽的性能，高志農等[9]以氯乙酰氯、乙二醇、長鏈叔胺為原料合成了以酯基作為間隔基的雙子型季銨鹽，如圖2 所示。使用正交實驗法對實驗條件進行了優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)雙子季銨鹽比傳統(tǒng)的酯基季銨鹽（如十二烷基三甲基氯化銨，DTAB）的臨界膠束濃度（CMC）值低了2～3 個數(shù)量級，且隨著碳鏈的增長，CMC 值逐漸減小。

Tehrani 等[10]合成了疏水基含酯基的雙子型季銨鹽（圖3），并與單體酯基季銨鹽作了物理化學性質、水解速率、生物降解速率以及乳化和泡沫穩(wěn)定性效率的對比，結果表明，陽離子酯基的雙子型表面活性劑比單體表面活性劑更容易發(fā)生堿性水解，其中單體癸基酯基季銨鹽可以歸類為易于生物降解表面活性劑，但相應的雙子型酯基季銨鹽的降解性較差。

圖3 酯基為疏水基的雙子型季銨鹽合成路徑[10]Fig.3 Synthesis route of gemini quaternary ammonium salts with ester group as hydrophobic group[10]

Sun 等[11]通過乙氧基化和酯胺的季銨化得到了一種新型聚醚酯季銨鹽（EQDMS-3EO），測定其柔軟性、抗靜電性、可復濕性和對織物白度的影響，并與未被改性的季銨鹽表面活性劑（EQDMS）進行了比較。結果表明，乙氧基改性后的季銨鹽表面活性劑抗靜電性和可復濕性均優(yōu)于常規(guī)EQDMS，其軟化性能相當或更好。Garcia 等[12]合成了可裂解的低聚陽離子表面活性劑，其化學結構在烴尾和親水部分之間含有易水解的酯基團。與不含酯基的二聚體表面活性劑相比，可裂解的低聚陽離子表面活性劑表現(xiàn)出了較高的生物降解度（31%～52%）。甜菜堿低聚表面活性劑也屬于酯基季銨鹽表面活性劑，其對大水蚤的急性毒性隨著烷基鏈的延長而增加，這意味著分子的疏水性決定了這些可裂解的低聚表面活性劑的水生毒性，且該酯基季銨鹽沒有達到易生物降解化學物質所需的最終降解閾值（60%）。然而，在表面活性劑分子中引入潛在的初級生物降解位點已被證明是提高烷基銨表面活性劑的生物降解性和降低水生毒性的一個有效的途徑[13]。

1.2 酰胺酯類季銨鹽

Pisár?ik 等[14]通過表面張力測試獲得含有可生物降解酰胺基和酯基的各種單鏈和雙子季銨鹽表面活性劑的表面張力數(shù)據，并進行比較。結果表明，結構中帶有酯基的表面活性劑的空氣/水界面面積小于相應的帶有酰胺基表面活性劑的，這是由于酯基具有更高的構象靈活性。相比于酯基，帶有酰胺基的表面活性劑降解性也更符合環(huán)境友好型陽離子表面活性劑的標準。王麗艷等[15]利用苯甲酰氯、氯乙酰氯、N,N-二甲基乙醇胺和長鏈伯胺合成了含酰胺基與酯基的季銨鹽表面活性劑，合成路線如圖4所示。結果表明，同時存在酰胺鍵與酯鍵更易于形成分子間氫鍵，從而更易聚集成膠束，進而具有更低的CMC 值，分子結構中所含酯基和酰胺基的個數(shù)以及取代位置對表面活性均有明顯影響。

圖4 酰胺酯季銨鹽合成路徑[15]Fig.4 Synthesis route of amide ester quaternary ammonium salts[15]

酯基作為雙子型陽離子表面活性劑的間隔基更有利于生物降解[16-17]。潘晨晨等[18]采用長鏈溴代烷烴、氯乙酰氯、乙醇胺和二乙胺合成了同時具有酰胺基和酯基的雙子型陽離子表面活性劑，合成路線如圖5 所示，與結構相似的雙酯基季銨鹽表面活性劑相比，其CMC 值要低1～2 個數(shù)量級,其具有較好的生物降解性，比普通雙子季銨鹽表面活性劑生物降解率高了一倍。

圖5 酰胺酯雙子季銨鹽合成路徑[18]Fig.5 Synthesis route of amide ester gemini quaternary ammonium salts[18]

陸小豪等[19]以月桂酸、乙二醇、溴乙酸和N,N-二甲基-1,3-二氨基丙烷為原料三步合成了對稱的酰胺基酯基雙子季銨鹽表面活性劑，結構如圖6 所示，并通過鉑金片測試法、電導率測試法和穩(wěn)態(tài)熒光探針3 種方法測得該結構的CMC 值分別為0.331 1，0.532 8 和0.316 2 mmol/L。與不含酯基的雙子季銨鹽表面活性劑進行對比，結果表明，該表面活性劑化學結構中的極性官能團酯基的存在一定程度上影響了表面化學參數(shù)和膠束化過程的熱力學參數(shù)，促進了表面化學性能的提升和膠束化的穩(wěn)定性。

圖6 對稱的酰胺酯基雙子季銨鹽[19]Fig.6 Symmetrical amide ester gemini quaternary ammonium salts[19]

1.3 糖酯類季銨鹽

糖作為天然可再生資源之一，來源廣闊，價格便宜，而且無論有氧還是無氧環(huán)境下都可以被分解，具有極好的生物降解性。葡萄糖含有多個羥基，有良好的親水性。葡萄糖作為一個結構單元用于表面活性劑會提升表面活性劑的性能。Gan 等[20]合成了糖基酯季銨鹽（圖7），該結構表現(xiàn)出較優(yōu)的性能，其表面張力和CMC 值較低，與陰離子表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SDS）具有良好的相容性，被認為是新的環(huán)境友好陽離子表面活性劑。

圖7 糖基酯季銨鹽合成路徑[20]Fig.7 Synthesis route of glycosyl ester quaternary ammonium salts[20]

Esmaeilia 等[21]合成了糖基酯季銨鹽表面活性劑作為染色助劑（圖8），通過將2 種陽離子染料C.I 堿性藍9（亞甲基藍）和C.I 堿性綠4（孔雀石綠）與市售緩凝劑（Tinegal PAN）進行染色的動力學和熱力學參數(shù)的測量，并評估了所設計和合成的助劑性能。結果表明，糖基酯表面活性劑是良好的染色助劑，環(huán)保并且具有較強生物降解能力。Negm等[22]合成了含有糖基和酯基的雙子型季銨鹽表面活性劑，結構如圖9 所示，該結構在溶液中的性質以及膠束化自由能在界面上的數(shù)據均表現(xiàn)出良好的吸附能力。

圖8 糖基酯季銨鹽[21]Fig.8 Glycosyl ester quaternary ammonium salts[21]

圖9 糖基酯雙子季銨鹽[22]Fig.9 Glycoester gemini quaternary ammonium salts[22]

蔡坤良[23]利用乳糖和葡萄糖分別合成了乳糖基酯雙子季銨鹽[圖10（a）]和葡萄糖基酯雙子季銨鹽[圖10（b）]，并考察乳糖基雙子表面活性劑疏水鏈長度以及葡萄糖基雙子表面活性劑連接基團長度對雙子型季銨鹽表面活性劑的表面活性、聚集行為和與脫氧核糖核酸（DNA）的相互作用帶來的影響。乳糖基酯雙子型季銨鹽的疏水鏈為C16 時，該季銨鹽與DNA 有較強的相互作用，且隨著疏水鏈長度的增長，相互作用具有不斷變強的趨勢。葡萄糖基酯雙子季銨鹽碳鏈越長，其表面活性越好，當n為2，3 和4 時均與DNA 有較強的相互作用。

圖10 乳糖基酯雙子季銨鹽（a）和葡萄糖基酯雙子季銨鹽（b）[23]Fig.10 Lactose ester gemini quaternary ammonium salts (a) and glucosyl gemini quaternary ammonium salts (b)[23]

2 酯基季銨鹽抗菌活性的研究

2.1 抗菌機理的研究

Denyer 等[24-25]指出，抗菌物質主要作用于細菌細胞的細胞壁、細胞膜和細胞質，抗菌作用與細胞外物質、細胞形態(tài)和細胞化學成分相關。根據抗菌的作用機制，抗菌藥物分為5 大類：抑制細胞壁合成、抑制蛋白質合成、抑制核酸合成、抑制代謝途徑以及對細胞膜完整性的干擾。盡管研究人員對抗菌劑進行了大量的研究，但季銨鹽表面活性劑的抗菌活性機制仍尚未完全了解[26]。Tischer 等[27]認為季銨鹽抗菌的作用機制為：第一階段，季銨鹽分子吸附在細胞壁上并穿透細胞壁；第二階段，分子與細胞膜上的脂質和蛋白質發(fā)生反應，導致其結構混亂，低分子組分泄漏出細胞；第三階段，蛋白質和核酸在細胞內降解，自溶酶的釋放導致細胞壁成分的裂解。

當季銨鹽抗菌劑濃度達到最小抑制濃度（MIC）時，發(fā)生抗菌作用。在較高濃度下形成聚集體，溶解細胞疏水膜。細胞膜活性與烷基鏈的長度、表面活性劑極性頭的大小有關[28]。通常，抗菌活性最高的是疏水鏈為10～12 個碳的季銨鹽分子，而疏基鏈長度的延長和減少都會削弱抗菌活性[29]。

2.2 酯基季銨鹽抗菌活性研究

Lu 等[30]以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）為原料，分別與氯化芐（BC）、溴化丁基（BB）、溴化十二烷基（DB）和溴化十六烷基（HB）進行季銨化反應，合成了4 種季銨鹽，結構式如圖11 所示。通過測定DMAEMA 衍生的季銨鹽表面活性劑對革蘭氏陽性菌（金黃色葡萄球菌）和革蘭氏陰性菌（大腸桿菌）的最小殺菌濃度（MBC）值和抑制區(qū)直徑，來評估其殺菌活性。結果表明，單體DMAEMA-DB 和DMAEMA-HB 對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的MBC 值為12～24 μg/mL，而單體DMAEMA-BC 和DMAEMA-BB 對其微生物的MBC值高于50 mg/mL。張淑敏等[31]同樣以DMAEMA 和1-溴十六烷為原料合成了DMAEMA-HB，并用偶氮二異丁腈（AIBN）為引發(fā)劑，采用軋烘焙的整理方式制備出抗菌滌綸織物。實驗表明，原滌綸織物接觸細菌30 min 可使51.76%金黃色葡萄球菌和60.80%的大腸桿菌失活，而DMAEMA-HB 改性滌綸織物與細菌接觸1 min 即可殺死100%金黃色葡萄球菌和100%的大腸桿菌，抗菌性能優(yōu)異。其過程為細菌與織物接觸后迅速被帶正電荷的季銨鹽分子吸附，季銨鹽分子穿透細胞膜使細菌失活。

圖11 DMAEMA 衍生的季銨鹽表面活性劑[30]Fig.11 DMAEMA derived quaternary ammonium surfactants[30]

2.3 雙子型酯基季銨鹽抗菌活性研究

雙子型表面活性劑往往比單體季銨鹽表面活性劑具有更優(yōu)異的生物滅活性能，Koziróg 等[32-33]比較了DTAB 及其雙子類似物對金黃色葡萄球菌的MIC值，發(fā)現(xiàn)DTAB 的MIC 值比雙子表面活性劑衍生物的MIC 值大70 倍。雙子型表面活性劑對銅綠假單胞菌和白色念珠菌的殺菌效果優(yōu)于單體季銨鹽表面活性，Ob??k 等[34]合成了一類雙子型酯基季銨鹽表面活性劑（TMEG，見圖12），并與相應的單體季銨鹽表面活性劑進行對比研究。結果表明：疏水基長度為10～12 個碳的雙子季銨鹽表面活性劑對細菌和微觀真菌具有高生物殺滅活性，間隔基的長度和性質對抗菌有重要影響，圖12 中的溴化物比氯化物有更高的抗菌活性。

圖12 含酯基的雙子型季銨鹽表面活性劑[34]Fig.12 Gemini quaternary ammonium salts containing ester group[34]

Sumitomo 等[35]針對吡啶雜環(huán)化合物衍生的雙子型季銨鹽表面活性劑，提出其生物殺滅作用機制：第一階段為將Mg2+離子從細胞膜外層置換，由于表面活性劑分子的大小遠遠大于Mg2+離子的大小，導致細胞膜表面形成凸起；第二階段是抑制呼吸酶活性和細胞膜成分[如脂多糖（LPS）和外膜孔蛋白E（OmpE）]；第三階段為細胞膜表面的氣泡、凸起的形成以及肽聚糖的破壞會對細胞膜結構造成不可逆的損傷，并導致細胞內部成分的泄漏。季銨鹽抗菌研究工作不僅為開發(fā)一種能永久破壞生物膜的殺菌劑，更致力于利用季銨鹽分子及其雙子型衍生物修飾生物或非生物表面，并用于醫(yī)療設備（如導管和內假體）內外表面的修飾，以抑制微生物的粘附現(xiàn)象[36]。

2.4 聚合類兩性離子酯基季銨鹽抗菌活性研究

兩性離子表面活性劑是一種在同一分子中具有2 個不同電荷離子中心的呈電中性的鹽。對于大多數(shù)兩性離子表面活性劑，陽離子基團由陽離子季銨鹽基團組成，而陰離子結構單元包括羧酸、磺酸、硫酸酯或磷酸酯等?；腔鸩藟A表面活性劑屬于兩性離子表面活性劑，分子中帶正電荷的部分是季銨陽離子，帶負電荷的部分是磺酸基，分子的疏水部分是烷基鏈[37]?；腔鸩藟A對革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌具有良好的抗菌活性[38]?；腔鸩藟A衍生物可抑制表皮葡萄球菌、惡臭假單胞菌和銅綠假單胞菌等細菌生物膜的形成[39-40]，研究表明，磺基甜菜堿的抗菌活性取決于結構和與其相互作用的細菌類型，烷基鏈中含有10 個碳原子的磺基甜菜堿對大多數(shù)的菌株沒有抗菌活性，而含有12，14 和16個碳原子的同系物則具有廣泛的抗菌活性。在Wieczorek 等[41-42]所檢測的革蘭氏陰性菌中，嗜水氣單胞菌、大腸桿菌、變形桿菌和銅綠假單胞菌對所檢測的磺基甜菜堿兩性離子化合物更具耐藥性。而所有檢測的革蘭氏陽性菌的生長均受到磺基甜菜堿的抑制，但各類陽性菌所表現(xiàn)出來的抑制效果各不相同。含12，14 和16 個碳原子的磺基甜菜堿對黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和巨大芽孢桿菌的抑制作用最強。Mrlík等[43]合成了一種含酯基的聚合磺基甜菜堿共聚物，并通過金屬鹽使其凝膠化，結構如圖13 所示，實驗結果表明，在Fe3+和Ti3+存在的條件下，磺基甜菜堿聚合物和金屬交聯(lián)劑的混合溶液可以在增加pH 值后轉變?yōu)槟z狀態(tài)。同時考察了Ag+加入量對該化合物抗菌性能的影響，結果表明，隨著水凝膠中Ag+含量的增多，其抗菌能力會明顯增強。

圖13 含酯基的磺基甜菜堿聚合物[43]Fig.13 Sulfobetaine polymer containing ester group[43]

目前兩性離子表面活性劑的應用研究主要集中在其衍生出的聚合物。聚合物材料具有高度的離子特性，每個單體單元中的陰離子基團和陽離子基團之間具有平衡電荷，并與水發(fā)生強烈的靜電作用。兩性離子聚合物沿著其聚合物鏈具有均勻分布的陰離子和陽離子基團，帶相反電荷的組合賦予聚合物超高的親水性，同時保持整體電荷中性，因此具有更廣泛的化學多樣性和更大的分子設計自由度。同時，兩性離子聚合物由于其具有高密度的離子基團而成為滲透活性最高的大分子之一。因此，基于兩性離子聚合物的材料自然會在界面處產生高滲透壓區(qū)域，對細菌生理學和基因表達（包括毒力因子的產生）產生影響，從而展現(xiàn)出一定的抗菌能力[44]。

3 酯基季銨鹽在潛香體上的研究

基于季銨鹽表面活性劑的結構可修飾性，研究人員對其進行特定的結構改造，用于香氣的控制釋放，也就是潛香體。香料分子按照官能團可分為醇類、酯類、羧酸類和醛類等多種結構。Bhadani 等[45]用法尼醇、酰乙酰溴和吡啶合成了一系列以法尼醇的碳鏈作為表面活性劑的疏水基的酯基季銨鹽潛香體（圖14）?；诜岽嫉碾s環(huán)陽離子表面活性劑的結構，設計使其能夠通過形成陽離子絡合物在水溶液中被水汽激活，法尼醇單元中與酯官能團相鄰的雙鍵與親水性季銨陽離子頭基上的正電荷相互作用，發(fā)生酯鍵的斷裂而釋放不飽和醇的香料分子。通過頂空氣相色譜-質譜分析，確定了其可在空氣/水界面以及膠束核心內部產生揮發(fā)性有機分子。

圖14 法尼醇基潛香體季銨鹽表面活性劑[45]Fig.14 Farnesol based latent fragrance quaternary ammonium salt surfactants[45]

近期，Zhou 等[46]利用吡啶衍生物、溴代長鏈烷烴、溴乙酰溴與醇類香精作為原料合成了酯基季吡啶銨鹽類的表面活性劑，合成路線如圖15 所示，其中香料醇與季吡啶銨鹽通過酯基連接，合成路線簡潔高效。經過測試，該類結構的酯基季吡啶銨鹽化合物成功地在堿性環(huán)境下釋放出香料醇，且在相同的測試環(huán)境下，其香氣釋放量比純香精高出5 倍。同時，酯基季吡啶銨鹽具有較低的表面張力和臨界膠束濃度，對革蘭氏陽性菌表現(xiàn)出優(yōu)異的殺菌活性。因此，該陽離子表面活性劑具有抗菌活性和可控的香氣緩釋能力，并且具有很好的生物可降解性，是一類良好的酯基季銨鹽多功能表面活性劑。酯基季銨鹽在潛香體上的應用研究，進一步擴大了季銨鹽表面活性劑的應用空間，可用作家用香氣傳遞產品。

圖15 酯基季銨鹽潛香體合成路徑[45]Fig.15 Synthesis route of ester quaternary ammonium salt latent fragrance[45]

4 總結和展望

在綠色發(fā)展的背景下，酯基季銨鹽表面活性劑作為一種環(huán)保友好型表面活性劑，展現(xiàn)出極其廣闊的應用潛力。這類表面活性劑因其結構具有可修飾性，可通過合成特定結構的分子來優(yōu)化或擴展其性能，進而在表面活性、抗菌效果及香精等領域發(fā)揮更大作用。然而，受限于原料成本高昂且符合國家環(huán)保標準的產品較少，目前這一領域的研究大多局限于實驗室階段，僅有少數(shù)成果實現(xiàn)了工業(yè)化生產。因此，新型酯基季銨鹽表面活性劑的研發(fā)具有巨大的研究價值和預期經濟效益，有望在不久的將來在日化產業(yè)中實現(xiàn)規(guī)?；瘧茫瑸槿藗兊纳顜砀啾憷?。

該領域的研究重點應轉向合成具有更佳生物降解性的酯基季銨鹽表面活性劑，實現(xiàn)多功能合一的化學結構，在功能最大化的同時使用最少的化學物質。通過化學結構設計創(chuàng)新，不僅要保持酯基季銨鹽的多重功能及其固有性質，還要考察其在環(huán)境中的可再生性、無毒性和可降解性。積極探索新的合成路徑，以期開發(fā)出更多實用的酯基季銨鹽表面活性劑產品。未來在表面活性劑分子的基礎上，設計復雜而非理想態(tài)的混合物，而不僅僅是依靠合成單個分子來實現(xiàn)某種功能。從動態(tài)化學體系而不是簡單地靜態(tài)了解分子狀態(tài)，通過控制局部化學結構和反應的相互作用，從功能和可持續(xù)性兩方面同時擴展精細化工產品性能的新定義。