硬脂酸酰胺丙基二甲基烷基季銨鹽的合成及性能研究

高臣臣，許虎君*，陳丹丹，徐源鴻，方銀軍

(1.江南大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院，江蘇 無錫 214122； 2.浙江贊宇科技集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310030)

脂肪酰胺類表面活性劑具有耐水解性強(qiáng)，毒性低、低刺激，良好的生物降解性[1]等優(yōu)點(diǎn)。脂肪酰胺基叔胺廣泛用于表面活性劑中間體的制備，并與季銨化試劑反應(yīng)生成酰胺型季銨鹽陽離子表面活性劑[2]。

陽離子表面活性劑含有帶正電荷的親水基和烷基的疏水基[3]，氮原子上的正電荷與多數(shù)物體表面的負(fù)電荷相互吸引，受靜電作用而穩(wěn)定的附在其表面。疏水鏈纏繞在細(xì)胞膜外形成薄膜，阻礙了微生物的新陳代謝，以及滲透進(jìn)入細(xì)胞膜內(nèi)，與蛋白質(zhì)中的氨基酸相互作用，從而破壞微生物，達(dá)到抑菌的目的[4]。此外，酰胺鍵的加入有利于提高表面活性劑的抗菌活性和生物相容性[5-6,14]。郭志強(qiáng)等[7]通過測(cè)定烷基氯化銨對(duì)微生物的最低抑制濃度(MIC)，確定了烷基氯化銨的最低使用量和最佳殺菌濃度范圍。Cornellas等[8]報(bào)道了含有酰胺基團(tuán)的咪唑和吡啶陽離子表面活性劑能顯著增強(qiáng)其抗菌性。Franklin等[9]和Dizman等[10]研究表明隨著烷基鏈的增長(zhǎng)，抗菌能力增強(qiáng)。但達(dá)到一定程度，抗菌力下降。筆者以硬脂酸、N,N-二甲基-1,3-丙二胺制備了硬脂酸酰胺基叔胺中間體，并與環(huán)氧氯丙烷、芐溴、溴丁烷、芐氯、溴癸烷、氯代甘油等季銨化試劑反應(yīng)，制備得到一系列硬脂酸酰胺型季銨鹽。通過IR，1H NMR，ESI-MS等表征手段確定了中間體及目標(biāo)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，并對(duì)季銨鹽產(chǎn)物的表面化學(xué)性能及抗菌性能等進(jìn)行了測(cè)定。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 主要原料及儀器

硬脂酸、環(huán)氧氯丙烷、芐溴、溴丁烷、芐氯、溴癸烷、氯代甘油，均為化學(xué)純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；N,N-二甲基-1,3-丙二胺，工業(yè)級(jí)，純度≥99.5%，江蘇飛翔化工股份有限公司；氮?dú)?氣體鋼瓶)。IR400紅外光譜儀，加拿大BOMEM公司；WATERS Platform ZMD 400質(zhì)譜儀，美國(guó)Waters公司；核磁共振波譜儀，瑞士Bruker公司；光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x(OCA 40)，北京東方德菲儀器有限公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1硬脂酸酰胺丙基二甲基叔胺的合成[11]

將硬脂酸(20.15 g，70.8 mmol)加入150 mL三口圓底燒瓶中，用氮?dú)獗Ｗo(hù)，升溫至120 ℃，緩慢滴加N,N-二甲基-1,3-丙二胺(10.78 g，105.5 mmol)，并用分水器接收反應(yīng)生成的水，于155 ℃下反應(yīng)8 h。反應(yīng)結(jié)束后，減壓蒸餾，除去過量的N,N-二甲基-1,3-丙二胺，得到淡黃色固體。用丙酮—石油醚多次洗滌產(chǎn)品，真空干燥,即得到白色固體產(chǎn)物硬脂酸酰胺丙基二甲基叔胺(C18AMPM)，合成如圖1所示。

圖1 硬脂酸酰胺丙基二甲基叔胺的合成路線

1.2.2硬脂酸酰胺丙基二甲基烷基季銨鹽的合成[12]

將制備好的中間體硬脂酸酰胺丙基二甲基叔胺與環(huán)氧氯丙烷、芐溴、溴丁烷、芐氯、溴癸烷、氯代甘油等季銨化試劑反應(yīng)，得到一系列硬脂酸酰胺型季銨鹽，按順序依次標(biāo)記為C18AMPM-1、C18AMPM-2、C18AMPM-3、C18AMPM-4、C18AMPM-5、C18AMPM-6。

以環(huán)氧氯丙烷和氯代甘油為例，合成路線如圖2所示。具體步驟如下：將硬脂酸酰胺丙基二甲基叔胺(8.37 g，22.7 mmol)，環(huán)氧氯丙烷(2.34 g，25.3 mmol)，甲醇20 mL加入150 mL三口圓底燒瓶中，升溫至甲醇回流，反應(yīng)6～8 h，取量滴定胺值，直至轉(zhuǎn)化率不變時(shí)停止反應(yīng)，旋蒸除去過量甲醇，選用合適的溶劑重結(jié)晶，真空干燥，得到白色固體產(chǎn)物。采用同樣方法制備其他季銨鹽，提純并得到目標(biāo)產(chǎn)物(C18AMPM-1)。

圖2 硬脂酸酰胺季銨鹽的合成路線

1.3 性能測(cè)定

表面張力γ：制備產(chǎn)品均為酰胺型季銨鹽類陽離子表面活性劑，采用光學(xué)接觸角測(cè)量?jī)x(OCA 40)測(cè)定其表面張力。

Krafft點(diǎn)：質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的硬脂酸酰胺型季銨鹽水溶液，邊攪拌邊升溫至溶液透明，記錄此時(shí)溫度。

抗菌性：采用GB 15979-2002測(cè)定硬脂酸酰胺型季銨鹽水溶液(5 mmol/L)對(duì)大腸桿菌EC、金黃色葡萄球菌SA、海氏腸球菌EH、銅綠假單胞菌PA等菌種的抑制效果。

2 結(jié)果與討論

2.1 結(jié)構(gòu)表征

2.1.1C18AMPM的IR、1HNMR譜

圖3為C18AMPM的IR譜。如圖3所示，3 402 cm-1吸收峰為典型的酰胺N—H伸縮振動(dòng)；1 653 cm-1為酰胺中的羰基伸縮振動(dòng)，它比一般的羰基低；1 550 cm-1為酰胺N—H彎曲振動(dòng)。結(jié)果證明了硬脂酸與N,N-二甲基-1,3-丙二胺發(fā)生反應(yīng)生成了中間體C18AMPM。

圖3 C18AMPM的IR譜

圖4為C18AMPM的1H NMR譜。圖4中，δ 4.87，3.31是MeOD的溶劑峰。1H NMR (400 MHz,MeOD) ，δ:3.21 (t,J=6.9 Hz,2H),2.37 (dd,J=8.9,6.7 Hz,2H),2.26 (s,6H),2.19 (t,J=7.5 Hz,2H),1.75～1.65 (m,2H),1.65～1.56 (m,2H),1.32 (d,J=10.0 Hz,28H),0.92 (t,J=6.8 Hz,3H)。

圖4 C18AMPM的1H NMR譜

C18AMPM采用正離子模式進(jìn)行ESI-MS分析(圖5)。其中，C18AMPM(標(biāo)記為M)的理論質(zhì)荷比(m/z)為368.4，[M+H]+為369.3，具體解析結(jié)果與理論預(yù)測(cè)相符。

圖5 C18AMPM的ESI-MS譜

2.1.2系列硬脂酸酰胺型季銨鹽的核磁、質(zhì)譜結(jié)果

C18AMPM-1。1H NMR (400 MHz,CDCl3)，δ：8.29～7.63 (m,1H),7.13～5.84 (m,2H),5.83～4.66 (m,1H),4.59～4.11 (m,2H),4.07～3.75 (m,2H),3.45～3.32 (m,6H),3.22～2.56 (m,2H),2.25 (dd,J=27.2,19.5 Hz,2H),2.16～1.88 (m,2H),1.59 (s,2H),1.24 (dd,J=19.0,5.7 Hz,28H),0.89 (t,J=6.7 Hz,3H)。ESI-MS，m/z：[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2CH2CHCH2O]+([M-Cl]+) 425.2(100%);[C17H35CONH(CH2)3]+([M-N(CH3)2CH2CHCH2OCl]+) 324.2(75%)。

C18AMPM-2。1H NMR (400 MHz,CDCl3)，δ：7.76 (t,J=5.5 Hz,1H),7.58 (d,J=6.6 Hz,2H),7.52～7.39 (m,3H),4.81 (s,2H),3.92～3.77 (m,2H),3.18 (s,6H),2.32～2.26 (m,2H),2.21 (d,J=10.5 Hz,4H),1.57 (dd,J=14.0,6.9 Hz,2H),1.25 (t,J=13.4 Hz,28H),0.86 (t,J=6.8 Hz,3H)。ESI-MS，m/z：[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2CH2C6H5]+([M-Br]+) 459.3(100%); [C17H35CONH(CH2)3]+([M-N(CH3)2CH2C6H5Br]+) 324.3(8%)。

C18AMPM-3。1H NMR (400 MHz,CDCl3)，δ：7.80 (t,J=5.6 Hz,1H),3.85～3.75 (m,2H),3.42～3.33 (m,2H),3.26 (s,6H),2.28 (dd,J=18.3,10.5 Hz,2H),2.06 (d,J=17.0 Hz,4H),1.78～1.65 (m,2H),1.58 (dd,J=14.3,7.0 Hz,2H),1.41 (dq,J=14.7,7.3 Hz,2H),1.22 (t,J=8.9 Hz,28H),0.99 (t,J=7.3 Hz,3H),0.86 (t,J=6.8 Hz,3H)。ESI-MS，m/z：[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2C4H9]+([M-Br]+) 425.5(100%);[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2H]+([M-C4H9Br+H]+) 369.4(18%); [C17H35CONH(CH2)3]+([M-N(CH3)2C4H9Br]+) 324.4(15%)。

C18AMPM-4。1H NMR (400 MHz,MeOD),δ： 8.13 (s,1H),7.69～7.37 (m,5H),4.56 (s,2H),3.32～3.25 (m,4H),3.06 (s,6H),2.24～2.15 (m,2H),2.15～2.01 (m,2H),1.65～1.53 (m,2H),1.30 (s,28H),0.91 (t,J=6.8 Hz,3H)。ESI-MS，m/z：[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2CH2C6H5]+([M-Cl]+) 459.4(100%);[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2H]+([M-CH2C6H5Cl+H]+) 369.4(11%); [C17H35CONH(CH2)3]+([M-N(CH3)2CH2C6H5Cl]+) 324.4(10%)。

C18AMPM-5。1H NMR (400 MHz,MeOD),δ：3.32～3.25 (m,6H),3.09 (s,6H),2.22 (t,J=7.6 Hz,2H),2.03～1.89 (m,2H),1.76 (s,2H),1.62 (s,2H),1.46～1.18 (m,42H),0.91 (t,J=6.6 Hz,6H)。ESI-MS，m/z：[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2C10H21]+([M-Brl]+) 409.6(100%);[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2H]+([M-C10H21Br+H]+) 369.4(16%)。

C18AMPM-6。1H NMR (400 MHz,CDCl3)δ：7.85 (s,1H),4.90 (s,2H),4.32 (s,1H),3.52 (dd,J=69.2,30.3 Hz,6H),3.29 (s,6H),3.22～2.74 (m,1H),2.27 (dd,J=31.5,7.3 Hz,2H),2.11 (d,J=39.5 Hz,2H),1.57 (s,2H),1.24 (s,28H),0.87 (t,J=6.7 Hz,3H)。ESI-MS，m/z：[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2CH2CH(OH)CH2OH]+([M-Cl]+) 443.4(100%);[C17H35CONH(CH2)3N(CH3)2H]+([M-CH2CH(OH)CH2OHCl+H]+) 369.4(30%); [C17H35CONH(CH2)3]+([M-N(CH3)2CH2CH(OH)CH2OHCl]+) 324.4(15%)。

2.2 性能研究

2.2.1表面化學(xué)性能

圖6為系列硬脂酸酰胺型季銨鹽的表面張力。根據(jù)圖6可以求出系列硬脂酸酰胺型季銨鹽的cmc、γcmc及pC20。

圖6 系列硬脂酸酰胺型季銨鹽的表面張力

表面最大吸附量Γmax及平均每個(gè)分子占有的最小面積Amin可以用下式計(jì)算[13-14]：

(1)

(2)

式中：γ為表面張力，mN/m；c為表面活性劑溶液濃度，mol/L；T為熱力學(xué)溫度，K；R=8.314 J/(mol·K)；NA為阿伏加德羅常數(shù)。Γmax、Amin的單位分別為μmol/m2、nm2。n為常數(shù)(受反離子影響)，未添加NaCl時(shí)n=2，NaCl摩爾濃度較高時(shí)，反離子濃度視為不變，n=1。

如表1所示，對(duì)比C18AMPM-1和C18AMPM-6發(fā)現(xiàn)，環(huán)氧基開環(huán)后降低了其cmc和γcmc，這可能是由于環(huán)氧基開環(huán)后羥基數(shù)目增加，親水性增強(qiáng)，更容易與水結(jié)合[15]。降低表面張力的效能受到界面飽和吸附量的影響，由于疏水基等條件相同，親水基不同，C18AMPM-6在界面上的吸附量大于C18AMPM-1，表明C18AMPM-6具有更強(qiáng)的降低表面張力的能力。C18AMPM-3的結(jié)構(gòu)類似雙子表面活性劑，因而具有較低的cmc和γcmc，而C18AMPM-5因?yàn)榧句@化試劑為溴癸烷，krafft點(diǎn)較高，兩側(cè)的疏水鏈增大了界面吸附的空間位阻，吸附量減少，故具有較低的γcmc。C18AMPM-2與C18AMPM-4因?yàn)榉措x子的不同，而且還是同一主族元素，故相差不大。

2.2.2抗菌性

采用GB 15979—2002 《一次性使用衛(wèi)生用品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)制備的硬脂酸酰胺型季銨鹽做抗菌性能測(cè)試。統(tǒng)一配制5 mmol/L的水溶液。并與同濃度下的殺菌劑1227(十二烷基二甲基芐基氯化銨)作對(duì)照,結(jié)果見表2、表3。

表1 系列酰胺型季銨鹽的表面化學(xué)性能(T=25 ℃)

對(duì)比C18AMPM-1與C18AMPM-6，可以得到環(huán)氧基具有較強(qiáng)的殺菌性，開環(huán)后殺菌性減弱。對(duì)比C18AMPM-2與C18AMPM-4，得到當(dāng)季銨鹽中正離子均一致時(shí)，負(fù)離子為Br-和Cl-，結(jié)果顯示Cl-具有較強(qiáng)的殺菌效果。硬脂酸酰胺型季銨鹽中正離子強(qiáng)烈吸附在細(xì)胞膜上，負(fù)離子Br-和Cl-破壞了膜的選擇滲透性。具有酰胺基團(tuán)的C18AMPM-4殺菌效果堪比1227，但硬脂酸酰胺型季銨鹽具有較好的生物降解性，這是1227無法取代的。對(duì)比C18AMPM-3與C18AMPM-5，可以得到隨著季銨化試劑疏水鏈的增長(zhǎng)，抗菌活性降低，這個(gè)結(jié)果與Shaban等[16]得出的結(jié)論一致。可能是由于靜電吸引附著在細(xì)胞壁上，長(zhǎng)鏈?zhǔn)杷蓴_細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏而死亡[17]。

表2 殺菌劑1227抗菌條件及抗菌效果

表3 硬脂酸酰胺型季銨鹽的抗菌結(jié)果

3 結(jié) 論

a.通過IR光譜，1H NMR，ESI-MS等表征手段確定了合成物質(zhì)即為目標(biāo)產(chǎn)物。

b.測(cè)定了系列硬脂酸酰胺型季銨鹽的表面化學(xué)性能，對(duì)比了不同季銨化試劑下反應(yīng)產(chǎn)物的性能，均具有較好的表面化學(xué)性能。

c.合成得到的硬脂酸酰胺型季銨鹽具有較好的殺菌效果。與殺菌性1227做對(duì)比，C18AMPM-3與C18AMPM-4均滿足殺菌要求；C18AMPM-1與C18AMPM-6對(duì)大腸桿菌EC效果不佳，對(duì)其他三種菌種均有效；C18AMPM-2對(duì)海氏腸球菌EH效果不佳，對(duì)其他菌種有效；當(dāng)干擾物濃度在3.0%時(shí)，C18AMPM-5對(duì)金黃色葡萄球菌SA和海氏腸球菌EH效果變?nèi)酢?/p>

[1] 常致成. 脂肪酰胺和脂肪酸酯類非離子表面活性劑的開發(fā)與應(yīng)用[J]. 表面活性劑工業(yè),2000(2):5-8.

[2] 郭祥峰. 陽離子表面活性劑及應(yīng)用[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社,2002：102-106.

[3] 趙國(guó)璽,朱步瑤. 表面活性劑作用原理[J]. 日用化學(xué)工業(yè)信息,2003(17):16-16.

[4] Castillo J A,Pinazo A,Carilla J,et al. Interaction of antimicrobial arginine-based cationic surfactants with liposomes and lipid monolayers[J]. Langmuir,2004,20(8): 3379-3387.

[5] Zhang S,Ding S,Yu J,et al. Antibacterial Activity,in Vitro Cytotoxicity,and Cell Cycle Arrest of Gemini Quaternary Ammonium Surfactants[J]. Langmuir,2015,31(44): 12161-12169.

[6] Hoque J,Akkapeddi P,Yarlagadda V,et al. Cleavable cationic antibacterial amphiphiles: synthesis,mechanism of action,and cytotoxicities[J]. Langmuir,2012,28(33): 12225-12234.

[7] 郭志強(qiáng). 烷基氯化銨季銨鹽的抗菌性能研究[J]. 日用化學(xué)品科學(xué),2004,27(2):20-22.

[8] Cornellas A,Perez L,Comelles F,et al. Self-aggregation and antimicrobial activity of imidazolium and pyridinium based ionic liquids in aqueous solution[J]. Journal of Colloid and Interface Science,2011,355(1): 164-171.

[9] Franklin T J,Snow G A. Biochemistry of antimicrobial action[M]. Springer,2013.

[10] Dizman B,Elasri M O,Mathias L J. Synthesis and antibacterial activities of water-soluble methacrylate polymers containing quaternary ammonium compounds[J]. Journal of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry,2006,44(20): 5965-5973.

[11] Chu Z,Feng Y. Empirical correlations between Krafft temperature and tail length for amidosulfobetaine surfactants in the presence of inorganic salt[J]. Langmuir,2011,28(2): 1175-1181.

[12] 王一塵. 陽離子表面活性劑的合成[M]. 輕工業(yè)出版社,1984：51-58.

[13] Li F，Rosen M J，Sulthana S B．Surface properties of cationic gemini surfactants and their interaction with alkylglucoside or -maltoside surfactants [J]． Langmuir ，2001，17(4)：1037-1042．

[14] 趙國(guó)璽.表面活性劑物理化學(xué)[M].修訂版.北京:北京大學(xué)出版社,1984：85-88．

[15] 趙國(guó)璽,朱步瑤. 表面活性劑作用原理[M].北京:中國(guó)輕工業(yè)出版社,2003：250-252.

[16] Shaban S M,Fouda A S,Elmorsi M A,et al. Adsorption and micellization behavior of synthesized amidoamine cationic surfactants and their biological activity[J]. Journal of Molecular Liquids,2016,216:284-292.

[17] Garcia M T,Ribosa I,Perez L,et al. Self-assembly and antimicrobial activity of long-chain amide-functionalized ionic liquids in aqueous solution[J]. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces,2014,123: 318-325.