一種含有季銨基團的環(huán)狀鹵胺類高分子抗菌劑及其制備方法和應用
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及高分子抗菌劑的合成以及抗菌技術(shù)領域，尤其是涉及一種含有季銨基 團的環(huán)狀鹵胺類高分子抗菌劑及其合成方法，以及該抗菌劑在制備抗菌材料中的應用。
【背景技術(shù)】
[0002] 人類生存環(huán)境中存在大量細菌、真菌等致病微生物，過多的致病微生物一旦侵入 人體，就會給人類健康帶來嚴重隱患，同時微生物還會引起各種材料的分解、變質(zhì)和腐敗， 帶來嚴重的經(jīng)濟損失。在生物醫(yī)學、組織工程等領域，若接觸人體的物質(zhì)含有一定量的有害 微生物會滋生病菌，導致感染、疾病的發(fā)生。而在食品包裝方面，由于食品含有豐富的營養(yǎng) 成分，是良好的微生物培養(yǎng)基，其在存儲包裝時，若接觸到細菌、霉菌等微生物，只要條件適 宜，微生物就會大量繁殖，加速食品的腐壞變質(zhì)。使用長效安全抗菌材料是有效防止有害微 生物生長、繁殖、蔓延和傳播最為高效的方法，而抗菌材料的核心是其上加載的抗菌劑。
[0003] 目前傳統(tǒng)的抗菌劑有重金屬類、氯苯類、小分子季銨鹽類和納米材料類等。但這些 抗菌劑都存在一些缺點或弱點，如產(chǎn)生有毒副產(chǎn)物、不易降解、環(huán)境污染較大、殺菌效率低、 保護時間短、細菌抗藥性、價格昂貴等。新近發(fā)展起來的鹵胺類抗菌劑彌補了上述抗菌劑的 不足，具有殺菌速度快、抗菌性能持久、抗菌廣譜及可再生等優(yōu)點。
[0004] 但是現(xiàn)有的鹵胺類抗菌劑在實際應用中還存在以下問題：（1)目前鹵胺類抗菌劑 應用范圍較少，主要集中于紡織織物以及涂料方面；（2)小分子鹵胺類抗菌劑性能不穩(wěn)定， 容易滲透入皮膚，在使用過程中存在安全隱患；（3)將含有抗菌前驅(qū)體的材料鹵化后存在增 加材料疏水性的可能，這在某些方面會限制材料的使用范圍；（4)僅有的含季銨基團的鹵胺 類抗菌劑分子中鹵胺結(jié)構(gòu)多為線型，性能不穩(wěn)定，易分解，利用率下降；（5)鹵胺化合物中的 N-C1鍵及其本身在紫外照射下容易發(fā)生斷裂，紫外穩(wěn)定性較差，導致抗菌材料的抗菌性能 在紫外照射條件下維持時間較短，利用率下降；（6)部分氯胺類抗菌劑以N-羥甲基為活性基 團，在使用過程中存在甲醛釋放問題；（7)合成原料價格較昂貴，反應條件苛刻，產(chǎn)率較低， 成本較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本申請人提供了一種含有季銨基團的環(huán)狀鹵胺類 高分子抗菌劑及其制備方法和應用。本發(fā)明反應條件溫和、原料廉價易得、生產(chǎn)成本低，設 備簡便、工藝操作簡單;所得抗菌劑具有優(yōu)越的抗菌性能，穩(wěn)定、安全、無毒。
[0006] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0007] -種含有季銨基團的環(huán)狀鹵胺類高分子抗菌劑，為式(I)所示結(jié)構(gòu)的化合物：
[0008] i /
[0009] 式中，R選自C2~C6亞烷基；
[0010] X選自氯或溴；
[0011] x、y為聚合度。
[0012] 所述含有季銨基團的環(huán)狀鹵胺類高分子抗菌劑的制備方法分為三步：
[0013] (1)首先合成環(huán)狀小分子鹵胺類抗菌劑前驅(qū)體及高分子自聚物，分別為式（II)和 式(ΠΙ)所示結(jié)構(gòu)
[0014] 式中，R選自C2~C6亞烷基；
[0015]
[0016] 又；
[0017] (2)其次使步驟（1)所得兩種產(chǎn)物發(fā)生取代反應，制備得到高分子抗菌劑前驅(qū)體， 為式(IV)所示結(jié)構(gòu)：
[0018]
[0019] 式中，R選自C2~C6亞烷基；
[0020] x、y為聚合度；
[0021 ] (3)最終將步驟(2)得到的產(chǎn)物經(jīng)鹵化得到含有季銨基團的環(huán)狀鹵胺類高分子抗 囷劑成品。
[0022]所述環(huán)狀小分子鹵胺類抗菌劑前驅(qū)體的制備方法為：
[0023] 將5，5_二甲基海因和氫氧化鈉溶于乙醇溶液，80~100 °C反應10~30min后降溫至 75~85°C，加入鹵代烴，冷凝回流反應6~10h;反應結(jié)束，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)去除產(chǎn)物溶液中的溶劑， 經(jīng)分液、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、提純、干燥，得到環(huán)狀小分子鹵胺類抗菌劑前驅(qū)體;所述5,5_二甲基海 因、氫氧化鈉、鹵代經(jīng)摩爾比為1:1:1;每〇. lmol5,5-二甲基海因所需乙醇溶液為50~ lOOmLo
[0024]所述高分子自聚物為聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，其制備方法為：
[0025]將單體甲基丙烯酸二甲氨基乙酯溶于乙醇溶液，以偶氮二異丁氰為引發(fā)劑，通氮 氣15~30min后升溫至65~75°C，在氮氣保護條件下進行自由基反應4~6h;反應完畢，經(jīng)旋 轉(zhuǎn)蒸發(fā)、提純、干燥，得到高分子自聚物聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯;所述引發(fā)劑偶氮二異 丁氰的重量為單體甲基丙烯酸二甲氨基乙酯重量的〇. 1~2%。
[0026] 所述高分子抗菌劑前驅(qū)體為含有季銨基團的環(huán)狀鹵胺類高分子抗菌劑前驅(qū)體，其 制備方法為：
[0027] 將所述高分子自聚物與環(huán)狀小分子鹵胺類抗菌劑前驅(qū)體按照摩爾比為1:1~1: 1.5溶于N，N_二甲基甲酰胺，加入摩爾量與環(huán)狀小分子鹵胺抗菌劑前驅(qū)體相同的KI，80~ 120°C反應24~32h;反應結(jié)束，經(jīng)過濾、旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)、提純、干燥，得到含有季銨基團的環(huán)狀鹵 胺類高分子抗菌劑前驅(qū)體。
[0028] 所述含有季銨基團的環(huán)狀鹵胺類高分子抗菌劑成品的制備方法為：
[0029] 將所述高分子抗菌劑前驅(qū)體加入次氨酸叔丁基酯的二氯甲烷溶液中，室溫鹵化反 應2h;反應結(jié)束，用石油醚洗滌、過濾并烘干，得到高分子抗菌劑成品;所述次氨酸叔丁基酯 與二氯甲烷溶液體積比為1:1~1:10,高分子抗菌劑前驅(qū)體質(zhì)量與次氨酸叔丁基酯二氯的 甲燒溶液體積比為1:100~1:200。
[0030]所述的含有季銨基團的環(huán)狀鹵胺類高分子抗菌劑在制備抗菌材料中的應用:將式 (IV)所示結(jié)構(gòu)的高分子抗菌劑前驅(qū)體溶解于N，N-二甲基甲酰胺，并與基材混合，采用靜電 紡絲技術(shù)或傳統(tǒng)鑄溶法制備出含有抗菌劑前驅(qū)體的膜，浸漬于含有活性鹵素的溶液中進行 鹵化反應，取出水洗并烘干，制得抗菌材料;所述高分子抗菌劑前驅(qū)體的用量為所述待處理 基材重量的3~8 %。
[0031 ]所述基材是高分子材料，能夠被有機溶劑溶解或具有成膜性;所述高分子材料溶 液的質(zhì)量百分濃度為5~15%。
[0032]所述含有活性鹵素的溶液包括次氯酸鈉、次溴酸鈉或次氯酸鈣溶液，其質(zhì)量百分 濃度為0.1~1.0%。
[0033] 所述靜電紡工藝參數(shù)為：電壓15~20kV，接收距離10~20cm，紡絲液供給速率0.5 ~1 · 5mL/h，滾筒轉(zhuǎn)速60~120rpm。
[0034] 其進一步的技術(shù)方案為：
[0035] 所述鹵代烴選自含有溴、氯元素鹵代烴，R優(yōu)選為1-溴-2-氯乙烷。
[0036] 所述高分子自聚物聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯與環(huán)狀小分子鹵胺類抗菌劑前驅(qū) 體的摩爾比優(yōu)選為1:1.3。
[0037] 所述環(huán)狀小分子鹵胺類抗菌前驅(qū)體、高分子自聚物、含有季銨基團的環(huán)狀鹵胺類 高分子抗菌劑前驅(qū)體優(yōu)選為式(V)、（III)和(VI)所示結(jié)構(gòu)的化合物：
[0038]
[0039] 式中，η為聚合度。
[0040]
[0041]
[0042] 式中，x、y為聚合度。
[0043] 所述基材優(yōu)選為聚丁酸酯類生物可降解材料。
[0044] 所述高分子材料溶液質(zhì)量百分濃度優(yōu)選為10%。
[0045]所述高分子抗菌劑前驅(qū)體的用量優(yōu)選為所述待處理基材重量的3~5%。
[0046]本發(fā)明有益的技術(shù)效果在于：
[0047] 本發(fā)明制備的抗菌劑產(chǎn)品含有季銨基團，本身具有一定的殺菌效果，還可以提高 材料的親水性，擴大材料使用范圍；該抗菌劑又含有鹵胺基團，具有殺菌速度快、抗菌性能 持久、抗菌廣譜及可再生等優(yōu)點；此外，該抗菌劑又是高分子抗菌劑，相比于小分子抗菌劑 抗菌效果好、性能穩(wěn)定、不易滲入人或動物體內(nèi)，安全無毒。
[0048] 本發(fā)明合成的高分子抗菌劑為水溶性，在制備某些抗菌材料時可避免使用有機溶 劑;在使用時也可直接添加，利用率高，簡單便利，不易滲出，無甲醛釋放，安全可靠。本發(fā)明 所制的抗菌材料具有良好的細胞相容性，安全無毒。
[0049]將本發(fā)明抗菌劑應用于生物可降解材料的抗菌改性，可得到具有優(yōu)異抗菌性能、 高效抗菌效率、穩(wěn)定性好的抗菌材料。所制抗菌材料具有優(yōu)異的抗菌性能，抗菌效率高，未 經(jīng)氯化前30min即可殺死1.61Log的金黃色葡萄球菌和0.42Log的大腸桿菌;氯化后活性氯 含量可達0.22%，顯示出更加優(yōu)異的抗菌性能。與接種細菌接觸后，抗菌材料在lmin即可殺 死1.94Log的金黃色葡萄球菌和0.48Log的大腸桿菌，30min殺死2.92Log的金黃色葡萄酒菌 和1 .OOLog的大腸桿菌。紫外穩(wěn)定性測試得出該抗菌材料的穩(wěn)定性遠遠優(yōu)于其他鹵胺類抗 菌劑。儲存穩(wěn)定性測試結(jié)果顯示該高分子抗菌劑在儲存條件下是很穩(wěn)定的。
[0050] 本發(fā)明方法所用原料廉價易得，反應條件溫和、能耗低，工藝操作簡單，產(chǎn)品收率 高。所得高分子分子量高、分子量分布窄，生產(chǎn)成本低，產(chǎn)率高、性能好、安全無毒。
【附圖說明】
[0051] 圖1為實施例1中高分子抗菌劑前驅(qū)體以及高分子抗菌劑的合