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.江南大學化學與材料工程學院，江蘇 無錫 214122； 2.浙江贊宇科技集團股份有限公司，浙江 杭州 310030)

脂肪酰胺類表面活性劑具有耐水解性強，毒性低、低刺激，良好的生物降解性[1]等優(yōu)點。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。疏水鏈纏繞在細胞膜外形成薄膜，阻礙了微生物的新陳代謝，以及滲透進入細胞膜內(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]。郭志強等[7]通過測定烷基氯化銨對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]報道了含有酰胺基團的咪唑和吡啶陽離子表面活性劑能顯著增強其抗菌性。Franklin等[9]和Dizman等[10]研究表明隨著烷基鏈的增長，抗菌能力增強。但達到一定程度，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，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產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)，并對季銨鹽產(chǎn)物的表面化學性能及抗菌性能等進行了測定。

1 實驗部分

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，均為化學純，國藥集團化學試劑有限公司；N,N-二甲基-1,3-丙二胺，工業(yè)級，純度≥99.5%，江蘇飛翔化工股份有限公司；氮氣(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Waters公司；核磁共振波譜儀，瑞士Bruker公司；光學接觸角測量儀(OCA 40)，北京東方德菲儀器有限公司。

1.2 實驗方法

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，用氮氣保護，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生成的水，于155 ℃下反應8 h。反應結(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，得到一系列硬脂酸酰胺型季銨鹽，按順序依次標記為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6～8 h，取量滴定胺值，直至轉(zhuǎn)化率不變時停止反應，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，采用光學接觸角測量儀(OCA 40)測定其表面張力。

Krafft點：質(zhì)量分數(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，記錄此時溫度。

抗菌性：采用GB 15979-2002測定硬脂酸酰胺型季銨鹽水溶液(5 mmol/L)對大腸桿菌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；1 653 cm-1為酰胺中的羰基伸縮振動，它比一般的羰基低；1 550 cm-1為酰胺N—H彎曲振動。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采用正離子模式進行ESI-MS分析(圖5)。其中，C18AMPM(標記為M)的理論質(zhì)荷比(m/z)為368.4，[M+H]+為369.3，具體解析結(jié)果與理論預測相符。

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及平均每個分子占有的最小面積Amin可以用下式計算[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n=2，NaCl摩爾濃度較高時，反離子濃度視為不變，n=1。

如表1所示，對比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，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因為季銨化試劑為溴癸烷，krafft點較高，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因為反離子的不同，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)生標準》對制備的硬脂酸酰胺型季銨鹽做抗菌性能測試。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)作對照,結(jié)果見表2、表3。

表1 系列酰胺型季銨鹽的表面化學性能(T=25 ℃)

對比C18AMPM-1與C18AMPM-6，可以得到環(huán)氧基具有較強的殺菌性，開環(huán)后殺菌性減弱。對比C18AMPM-2與C18AMPM-4，得到當季銨鹽中正離子均一致時，負離子為Br-和Cl-，結(jié)果顯示Cl-具有較強的殺菌效果。硬脂酸酰胺型季銨鹽中正離子強烈吸附在細胞膜上，負離子Br-和Cl-破壞了膜的選擇滲透性。具有酰胺基團的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。對比C18AMPM-3與C18AMPM-5，可以得到隨著季銨化試劑疏水鏈的增長，抗菌活性降低，這個結(jié)果與Shaban等[16]得出的結(jié)論一致?？赡苁怯捎陟o電吸引附著在細胞壁上，長鏈疏水基干擾細胞膜，導致細胞內(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)即為目標產(chǎn)物。

b.測定了系列硬脂酸酰胺型季銨鹽的表面化學性能，對比了不同季銨化試劑下反應產(chǎn)物的性能，均具有較好的表面化學性能。

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做對比，C18AMPM-3與C18AMPM-4均滿足殺菌要求；C18AMPM-1與C18AMPM-6對大腸桿菌EC效果不佳，對其他三種菌種均有效；C18AMPM-2對海氏腸球菌EH效果不佳，對其他菌種有效；當干擾物濃度在3.0%時，C18AMPM-5對金黃色葡萄球菌SA和海氏腸球菌EH效果變?nèi)酢?/p>

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