CN104910208A

CN104910208A - 季膦盐型卤胺抗菌剂及其制备方法

Info

Publication number: CN104910208A
Application number: CN201510249967.8A
Authority: CN
Inventors: 李令东; 闫超; 陈洪媛
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2015-09-16
Anticipated expiration: 2035-05-15
Also published as: CN104910208B

Abstract

本发明公开一种小分子季膦盐型卤胺抗菌剂及其制备方法。本发明抗菌剂将季膦盐基团与卤胺基团通过化学共价键整合到同一分子中，既解决了卤胺分子亲水性不好的问题，又保留了卤胺单元、季膦盐单元两种抗菌剂各自的优点。该种抗菌剂不但杀菌效果好，而且成本低廉、工艺流程简单。适用于医疗卫生、食品安全、环境保护等诸多领域。

Description

季膦盐型卤胺抗菌剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及抗菌试剂，特别涉及到一类季膦盐型卤胺抗菌剂分子及其制备方法，属于抗菌技术领域。

背景技术

随着时代和科技的进步，人们对环境和健康的要求也越来越高。抗菌剂作为一种对抗致病菌、病毒的有效手段，已被广泛地应用于医疗卫生、食品加工、服装加工、环境治理等诸多方面。

抗菌剂是指一类可以杀死微生物或者抑制微生物生长繁殖的化学物质，对细菌、真菌、孢子等都具有一定的灭活或抑制其生长的作用。其功能分为抗菌和杀菌两种，抗菌即为延缓阻碍微生物的生长，杀菌即为直接杀死微生物。以上两种功能可以随目标菌种、使用浓度、与细菌接触时间、温度、湿度等条件的不同而相互转化，并无严的格界定。

抗菌剂包含的种类众多，大致可分为无机、有机、天然三大类。无机类抗菌剂虽然具有耐热性好、持久性强、连续性高和安全性好等优点，但也存在诸多缺点，如铜离子易使材料变色，银离子型抗菌剂价格昂贵，防霉效果不好，而且添加量较大。上述缺点使得传统无机类抗菌剂的发展空间较为狭窄。天然类抗菌剂虽然有较好的生物相容性，但是它存在原料来源有限、加工难度大、高温易失活等缺点，大大限制了其应用范围。有机类抗菌剂包含种类繁多，如胍类、酚类、卤素取代类、季铵盐季膦盐类等等，其中很多都具有原料廉价易得、容易制备、杀菌效率高、效果持久等特点，正越来越多地被人们发现并加以利用。

季膦盐结构与季铵盐相似，但由于季膦离子半径较季铵离子大，所以季膦盐的极化作用更强，对菌体膜表面的负电荷具有更强的吸引作用，故其杀菌效果比季铵盐更好。但是如果长期使用，会产生微生物耐药性问题，同时也促成了这类抗菌分子在环境中的二次污染问题。

卤胺分子中带有正电荷的卤素原子具有强氧化性，与菌体接触后，会氧化菌体细胞内的一系列受体，从而抑制甚至破坏菌体的代谢过程和酶催化体系，从而导致菌体死亡。由于分子内含有强氧化性卤原子，所以卤胺抗菌剂一般不会使菌体产生耐药性。

发明内容

本发明的目的是制备一种新型抗菌剂：采用化学合成策略将卤胺基团和季膦盐基团整合到同一小分子中，一方面解决了卤胺抗菌剂水溶性不好的问题，另一方面得到活性更高的抗菌分子；本发明的另一目的是提供上述季膦盐型卤胺抗菌剂的制备方法。

本发明的具体技术方案为：本发明提供的一种季膦盐型卤胺抗菌剂，具有以下化学结构式：

其中，n选自2～10的整数，A选自脂肪族三级基膦或芳香族三级基膦。

进一步地，在上述技术方案中，所述的脂肪族三级基膦含有三个C₁～C₁₈烷基链和一个磷原子。

进一步地，在上述技术方案中，所述芳香族三级基膦含有三个苯基和一个磷原子。

本发明还提供了上述季膦盐型卤胺抗菌剂的制备方法，包括3-(n-卤烷基)-5,5-二甲基海因的制备、海因基季膦盐的制备、海因基季膦盐的离子交换和季膦盐的氯化几个步骤：

(1)3-(n-卤烷基)-5,5-二甲基海因的合成：

先将5,5-二甲基海因溶于丙酮中，加入碳酸钾，加热回流0.5h，再向混合物中加入二卤代烷烃，继续回流4～12h，冷却至室温，除去无机盐类后在真空条件下浓缩可得溴烷基海因化合物，柱色谱分离可进一步提高纯度；

(2)季膦盐的合成：

将(1)中所得的溴烷基海因化合物溶于适量乙腈，溶解充分后，加入等摩尔量脂肪族三级基膦或芳香族三级基膦，加热回流12～24h，冷却至室温，真空条件下除去溶剂可得溴化季膦盐型海因类化合物；

(3)季膦盐的离子交换：

将步骤(2)所得的溴化季膦盐型海因类化合物用NaOH、NaCl溶液预处理，再将所述季膦盐配制成饱和溶液，过氯离子型阴离子交换树脂，收集相对淋洗液，真空条件下浓缩，可得到氯化季膦盐型海因类化合物；

(4)季膦盐的氯化：

将(3)中制得的氯化季膦盐型海因类化合物用体积比为4：1的叔丁醇水溶液(叔丁醇:水＝4:1)完全溶解，在避光条件下加入次氯酸叔丁酯，常温避光条件下搅拌12～24h，将反应后的混合溶液浓缩即得到通式Ⅰ化合物。

进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)中，碳酸钾与5,5-二甲基海因的摩尔比为3～5:1。

进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)中，二卤代烷烃与5,5-二甲基海因的摩尔比为2～4:1。

进一步地，在上述技术方案中，步骤(4)中，次氯酸叔丁酯与氯化季膦盐型海因类化合物的摩尔比为3～5:1。

进一步地，在上述技术方案中，步骤(1)中所述二卤代烷烃结构式为X₁—(CH₂)n—X₁，其中X₁选自I、Br或Cl，n选自2～10的整数。

发明有益效果

卤胺类抗菌剂虽然杀菌速度极快，但卤胺化合物一般是由酰胺氯化或溴化而来，故其亲水性比酰胺差，从而限制了它的使用范围。该种新型季膦盐型卤胺抗菌剂既有效解决了传统卤胺抗菌剂水溶性不好的问题，又保留了卤胺抗型抗菌剂杀菌速度快、可再生、抗菌谱广、不易产生耐药性等优点。

具体实施例

下面通过实施例进一步说明本发明的特点，但本专利的保护范围不受实施例限制。

实施例1

先将5,5-二甲基海因4g(约为31.2mmol)加入500mL单口烧瓶中，再加入200mL丙酮，将烧瓶置于油浴中预热。待固体溶解后，加入约17g K₂CO₃(约为123.2mmol)，补加40～50mL丙酮，回流0.5h后向反应器中加入1,3-二溴丙烷18.9g(约为9.6mL，93.7mmol)，继续加热回流过夜。用100mL水分数次洗涤，将反应后的混合物除去无机盐杂质后，真空条件下除去溶剂，得到粗产物，柱色谱分离可进一步提高其纯度，产率约为85％，产物结构如下式所示：

先将3.0g(约为12.1mmol)化合物1溶于约50mL乙腈中，向反应器内通入N₂将空气排出，然后用注射器向反应器内注入三丁基膦1.6g(约为2mL，8.0mmol)，加热回流约48h后停止反应，然后在真空条件下浓缩除去溶剂，再经柱色谱法提纯产物。该反应产率大于95％，产物结构如下式所示：

本实验使用的为201×7型阴离子交换树脂，在离子交换前，要先对树脂进行预处理。处理方法为：首先使用饱和食盐水，取其体积约等于被处理树脂体积的两倍，浸泡18～20h然后滤除食盐水，用去离子水漂洗净，直到排出水不带黄色；然后用5％HCl浸泡4～8h，滤除酸液，用去离子水漂洗至中性；再用2％～4％NaOH溶液浸泡4～8h，滤除碱液，用去离子水漂洗至中性待用。用饱和食盐水将树脂中的阴离子交换为Cl^—，然后用去离子水将树脂洗至中性，再将化合物2溶于尽可能少量的水中，缓慢通过阴离子交换树脂，真空条件下将作为溶剂的水除净后得到氯离子型三丁基季膦盐，其结构如下：

先将2.0g化合物3(约为5.0mmol)溶于20mL叔丁醇水溶液(叔丁醇与水的体积比为4:1)中，滴加次氯酸叔丁酯2.2g(约为2.3mL，19.8mmol)，常温下避光搅拌过夜。将反应液在真空条件下浓缩去除溶剂和多余次氯酸叔丁酯，即可得到权利要求1所述的季膦盐型卤胺抗菌剂。其产率大于95％，核磁表征数据为：

¹H NMR(D₂O,500MHz,δ)3.60(t,J＝6.75Hz,2H),2.05-2.14(m,8H), 1.77-1.87(m,2H),1.27–1.49(m,12H),1.40(s,6H),0.82(t,J＝7.25Hz,9H)； ¹³C NMR(D₂O,126MHz,δ)177.0,155.6,66.4,39.8,23.3,22.7,21.0,19.7,17.7,15.7,12.6.

结构如下式所示：

实施例2

将5,5-二甲基海因3.2g(约为25.3mmol)溶于约200mL丙酮中，待溶解完全后向反应器中加入K₂CO₃13.8g(约为101.2mmol)，加热回流0.5h后向反应器中加入1,12-二溴十二烷24.9g(约为75.9mmol)，继续回流约24h后停止反应。除去无机盐杂质后，在真空条件下浓缩除去溶剂，经柱色谱法提纯后即可得化合物17，其产率在70％以上，结构如下式所示：

将2.5g化合物5(约为6.7mmol)溶于40mL乙腈中。待溶解完全后，向反应器中通入N₂将空气完全排净。再向反应器中注入三丁基膦1.2g(约为1.5mL，6.0mmol)，继续加热回流48h后停止反应。将反应液在真空条件下浓缩除去溶剂，经柱色谱法提纯即可得到化合物6，其产率大于80％，结构如下式所示：

化合物7为化合物6经离子交换后得到的，其结构如下式所示：

化合物7

将1.5g(约为2.8mmol)化合物7溶于溶于15mL叔丁醇水溶液(叔丁醇与水的体积比为4:1)中，待溶解完全后向反应器中滴加次氯酸叔丁酯1.2g(约为1.3mL，11.2mmol)，常温避光条件下搅拌约24h后停止反应，真空条件下浓缩反应液，除去溶剂和多余的次氯酸叔丁酯后得到化合物8，该反应产率大于95％，核磁表征数据为：

¹H NMR(D₂O,500MHz,δ)3.44(t,J＝6.75Hz,2H),2.05-2.17(m,8H),1.12-1.56(m,32H),1.37(s,6H),0.85(t,J＝7.25Hz,9H)；¹³C NMR(D₂O,126MHz,δ)175.6,155.0,66.0,39.5,30.3,29.7,29.3,29.3,29.0,28.5,27.6,26.3,23.5,23.0,21.6,21.1,21.0,18.2,17.8,12.9.

产物结构如下式所示：

抗菌测试：

杀菌实验以0.57×10⁶CFU大肠杆菌ATCC 25922为目标菌种，以上述方法制备的季膦盐型卤胺抗菌剂即化合物4的溶液(活性氯含量为20ppm)对其进行杀灭，结果在5min之内，大肠杆菌ATCC 25922被全部杀死。而已经报道过的化合物9在同样条件下5min内仅可杀死90.6％的大肠杆菌。

而后以1.66×10⁶CFU大肠杆菌ATCC 25922为目标菌种，用活性氯含量为20ppm的溶液对比了不同碳链长度的季膦盐型卤胺抗菌剂的杀菌效果。结果发现化合物4在5min内杀死95.96％的大肠杆菌，而化合物8在相同时间内杀死99.33％的大肠杆菌。通过杀菌实验证明，所合成的不同碳链长度的季膦盐型卤胺抗菌剂中，以化合物8杀菌效果最好。

Claims

1.一种季膦盐型卤胺抗菌剂，其特征在于具有通式Ⅰ结构：

2.根据权利要求1所述的季膦盐型卤胺抗菌剂，其特征在于所述的脂肪族三级基膦含有三个C₁～C₁₈烷基链和一个磷原子。

3.根据权利要求1所述的季膦盐型卤胺抗菌剂，其特征在于所述芳香族三级基膦含有三个苯基和一个磷原子。

4.如权利要求1所述的季膦盐型卤胺抗菌剂的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)3-(n-卤烷基)-5,5-二甲基海因的合成：

(2)季膦盐的合成：

(3)季膦盐的离子交换：

(4)季膦盐的氯化：

将(3)中制得的氯化季膦盐型海因类化合物用体积比为4:1的叔丁醇水溶液完全溶解，在避光条件下加入次氯酸叔丁酯，常温避光条件下搅拌12～24h，将反应后的混合溶液浓缩即得到通式Ⅰ化合物。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，碳酸钾与5,5-二甲基海因的摩尔比为3～5:1。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中，二卤代烷烃与5,5-二甲基海因的摩尔比为2～4:1。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，次氯酸叔丁酯与氯化季膦盐型海因类化合物的摩尔比为3～5:1。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述二卤代烷烃结构式为X₁—(CH₂)n—X₁，其中X₁选自I、Br或Cl，n选自2～10的整数。