一种含有季铵基团的环状卤胺类高分子抗菌剂及其制备方法和应用
【技术领域】
[0001]本发明涉及高分子抗菌剂的合成以及抗菌技术领域，尤其是涉及一种含有季铵基 团的环状卤胺类高分子抗菌剂及其合成方法，以及该抗菌剂在制备抗菌材料中的应用。
【背景技术】
[0002] 人类生存环境中存在大量细菌、真菌等致病微生物，过多的致病微生物一旦侵入 人体，就会给人类健康带来严重隐患，同时微生物还会引起各种材料的分解、变质和腐败， 带来严重的经济损失。在生物医学、组织工程等领域，若接触人体的物质含有一定量的有害 微生物会滋生病菌，导致感染、疾病的发生。而在食品包装方面，由于食品含有丰富的营养 成分，是良好的微生物培养基，其在存储包装时，若接触到细菌、霉菌等微生物，只要条件适 宜，微生物就会大量繁殖，加速食品的腐坏变质。使用长效安全抗菌材料是有效防止有害微 生物生长、繁殖、蔓延和传播最为高效的方法，而抗菌材料的核心是其上加载的抗菌剂。
[0003] 目前传统的抗菌剂有重金属类、氯苯类、小分子季铵盐类和纳米材料类等。但这些 抗菌剂都存在一些缺点或弱点，如产生有毒副产物、不易降解、环境污染较大、杀菌效率低、 保护时间短、细菌抗药性、价格昂贵等。新近发展起来的卤胺类抗菌剂弥补了上述抗菌剂的 不足，具有杀菌速度快、抗菌性能持久、抗菌广谱及可再生等优点。
[0004] 但是现有的卤胺类抗菌剂在实际应用中还存在以下问题：（1)目前卤胺类抗菌剂 应用范围较少，主要集中于纺织织物以及涂料方面；（2)小分子卤胺类抗菌剂性能不稳定， 容易渗透入皮肤，在使用过程中存在安全隐患；（3)将含有抗菌前驱体的材料卤化后存在增 加材料疏水性的可能，这在某些方面会限制材料的使用范围；（4)仅有的含季铵基团的卤胺 类抗菌剂分子中卤胺结构多为线型，性能不稳定，易分解，利用率下降；（5)卤胺化合物中的 N-C1键及其本身在紫外照射下容易发生断裂，紫外稳定性较差，导致抗菌材料的抗菌性能 在紫外照射条件下维持时间较短，利用率下降；（6)部分氯胺类抗菌剂以N-羟甲基为活性基 团，在使用过程中存在甲醛释放问题；（7)合成原料价格较昂贵，反应条件苛刻，产率较低， 成本较高。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种含有季铵基团的环状卤胺类 高分子抗菌剂及其制备方法和应用。本发明反应条件温和、原料廉价易得、生产成本低，设 备简便、工艺操作简单;所得抗菌剂具有优越的抗菌性能，稳定、安全、无毒。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种含有季铵基团的环状卤胺类高分子抗菌剂，为式(I)所示结构的化合物：
[0008] i /
[0009] 式中，R选自C2~C6亚烷基；
[0010] X选自氯或溴；
[0011] x、y为聚合度。
[0012] 所述含有季铵基团的环状卤胺类高分子抗菌剂的制备方法分为三步：
[0013] (1)首先合成环状小分子卤胺类抗菌剂前驱体及高分子自聚物，分别为式（II)和 式(ΠΙ)所示结构
[0014] 式中，R选自C2~C6亚烷基；
[0015]
[0016] 又；
[0017] (2)其次使步骤（1)所得两种产物发生取代反应，制备得到高分子抗菌剂前驱体， 为式(IV)所示结构：
[0018]
[0019] 式中，R选自C2~C6亚烷基；
[0020] x、y为聚合度；
[0021 ] (3)最终将步骤(2)得到的产物经卤化得到含有季铵基团的环状卤胺类高分子抗 囷剂成品。
[0022]所述环状小分子卤胺类抗菌剂前驱体的制备方法为：
[0023] 将5，5_二甲基海因和氢氧化钠溶于乙醇溶液，80~100 °C反应10~30min后降温至 75~85°C，加入卤代烃，冷凝回流反应6~10h;反应结束，旋转蒸发去除产物溶液中的溶剂， 经分液、旋转蒸发、提纯、干燥，得到环状小分子卤胺类抗菌剂前驱体;所述5,5_二甲基海 因、氢氧化钠、卤代经摩尔比为1:1:1;每〇. lmol5,5-二甲基海因所需乙醇溶液为50~ lOOmLo
[0024]所述高分子自聚物为聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯，其制备方法为：
[0025]将单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯溶于乙醇溶液，以偶氮二异丁氰为引发剂，通氮 气15~30min后升温至65~75°C，在氮气保护条件下进行自由基反应4~6h;反应完毕，经旋 转蒸发、提纯、干燥，得到高分子自聚物聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯;所述引发剂偶氮二异 丁氰的重量为单体甲基丙烯酸二甲氨基乙酯重量的〇. 1~2%。
[0026] 所述高分子抗菌剂前驱体为含有季铵基团的环状卤胺类高分子抗菌剂前驱体，其 制备方法为：
[0027] 将所述高分子自聚物与环状小分子卤胺类抗菌剂前驱体按照摩尔比为1:1~1: 1.5溶于N，N_二甲基甲酰胺，加入摩尔量与环状小分子卤胺抗菌剂前驱体相同的KI，80~ 120°C反应24~32h;反应结束，经过滤、旋转蒸发、提纯、干燥，得到含有季铵基团的环状卤 胺类高分子抗菌剂前驱体。
[0028] 所述含有季铵基团的环状卤胺类高分子抗菌剂成品的制备方法为：
[0029] 将所述高分子抗菌剂前驱体加入次氨酸叔丁基酯的二氯甲烷溶液中，室温卤化反 应2h;反应结束，用石油醚洗涤、过滤并烘干，得到高分子抗菌剂成品;所述次氨酸叔丁基酯 与二氯甲烷溶液体积比为1:1~1:10,高分子抗菌剂前驱体质量与次氨酸叔丁基酯二氯的 甲烧溶液体积比为1:100~1:200。
[0030]所述的含有季铵基团的环状卤胺类高分子抗菌剂在制备抗菌材料中的应用:将式 (IV)所示结构的高分子抗菌剂前驱体溶解于N，N-二甲基甲酰胺，并与基材混合，采用静电 纺丝技术或传统铸溶法制备出含有抗菌剂前驱体的膜，浸渍于含有活性卤素的溶液中进行 卤化反应，取出水洗并烘干，制得抗菌材料;所述高分子抗菌剂前驱体的用量为所述待处理 基材重量的3~8 %。
[0031 ]所述基材是高分子材料，能够被有机溶剂溶解或具有成膜性;所述高分子材料溶 液的质量百分浓度为5~15%。
[0032]所述含有活性卤素的溶液包括次氯酸钠、次溴酸钠或次氯酸钙溶液，其质量百分 浓度为0.1~1.0%。
[0033] 所述静电纺工艺参数为：电压15~20kV，接收距离10~20cm，纺丝液供给速率0.5 ~1 · 5mL/h，滚筒转速60~120rpm。
[0034] 其进一步的技术方案为：
[0035] 所述卤代烃选自含有溴、氯元素卤代烃，R优选为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与环状小分子卤胺类抗菌剂前驱 体的摩尔比优选为1:1.3。
[0037] 所述环状小分子卤胺类抗菌前驱体、高分子自聚物、含有季铵基团的环状卤胺类 高分子抗菌剂前驱体优选为式(V)、（III)和(VI)所示结构的化合物：
[0038]
[0039] 式中，η为聚合度。
[0040]
[0041]
[0042] 式中，x、y为聚合度。
[0043] 所述基材优选为聚丁酸酯类生物可降解材料。
[0044] 所述高分子材料溶液质量百分浓度优选为10%。
[0045]所述高分子抗菌剂前驱体的用量优选为所述待处理基材重量的3~5%。
[0046]本发明有益的技术效果在于：
[0047] 本发明制备的抗菌剂产品含有季铵基团，本身具有一定的杀菌效果，还可以提高 材料的亲水性，扩大材料使用范围；该抗菌剂又含有卤胺基团，具有杀菌速度快、抗菌性能 持久、抗菌广谱及可再生等优点；此外，该抗菌剂又是高分子抗菌剂，相比于小分子抗菌剂 抗菌效果好、性能稳定、不易渗入人或动物体内，安全无毒。
[0048] 本发明合成的高分子抗菌剂为水溶性，在制备某些抗菌材料时可避免使用有机溶 剂;在使用时也可直接添加，利用率高，简单便利，不易渗出，无甲醛释放，安全可靠。本发明 所制的抗菌材料具有良好的细胞相容性，安全无毒。
[0049]将本发明抗菌剂应用于生物可降解材料的抗菌改性，可得到具有优异抗菌性能、 高效抗菌效率、稳定性好的抗菌材料。所制抗菌材料具有优异的抗菌性能，抗菌效率高，未 经氯化前30min即可杀死1.61Log的金黄色葡萄球菌和0.42Log的大肠杆菌;氯化后活性氯 含量可达0.22%，显示出更加优异的抗菌性能。与接种细菌接触后，抗菌材料在lmin即可杀 死1.94Log的金黄色葡萄球菌和0.48Log的大肠杆菌，30min杀死2.92Log的金黄色葡萄酒菌 和1 .OOLog的大肠杆菌。紫外稳定性测试得出该抗菌材料的稳定性远远优于其他卤胺类抗 菌剂。储存稳定性测试结果显示该高分子抗菌剂在储存条件下是很稳定的。
[0050] 本发明方法所用原料廉价易得，反应条件温和、能耗低，工艺操作简单，产品收率 高。所得高分子分子量高、分子量分布窄，生产成本低，产率高、性能好、安全无毒。
【附图说明】
[0051] 图1为实施例1中高分子抗菌剂前驱体以及高分子抗菌剂的合