本發(fā)明屬于可固載型鹵胺抗菌劑前置體的合成及其應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一類可固載型吡啶季銨鹽鹵胺前置體的合成及該類抗菌劑前置體在制備抗菌棉紡織品及其他抗菌材料中的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
目前，有機抗菌劑的類型主要有季銨鹽類、季膦鹽、雙胍類和鹵胺類等，其中研究較多使用較廣的為季銨鹽類抗菌劑和鹵胺類抗菌劑。然而季銨鹽類抗菌劑大量長期的使用產(chǎn)生了環(huán)境二次污染問題并造成了細(xì)菌微生物的耐藥性。鹵胺類抗菌劑是一類含有一個或多個N-X鍵(X一般為Cl,Br)官能團的有機化合物，但N-Br鍵穩(wěn)定性相對較差，容易向水中釋放鹵素而造成環(huán)境污染，故鹵胺再次特指為鍵一般含有N-Cl鍵的化合物。鹵胺類抗菌劑通過具備氧化性的氯原子進行殺菌，殺菌效率提高，抗菌譜廣、并有容易再生的優(yōu)點。但是鹵胺水溶性往往較差，在水溶液中分散性不好，對鹵胺分子的觸殺進程頗為不利。有研究報導(dǎo)，將季銨鹽結(jié)構(gòu)單元引入到鹵胺抗菌劑分子中提高了其親水性，同時提高了鹵胺抗菌劑殺菌效率(Adv.Heathcare Mater.2012,1,609)。中國專利CN 104926787公開了一種吡啶季銨鹽型鹵胺抗菌劑的制備方法，此方法在鹵胺抗菌劑中引入了吡啶季銨鹽，使鹵胺抗菌劑的水溶性增強，并且其抗菌性能優(yōu)于已報導(dǎo)的季銨鹽型鹵胺抗菌劑，屬于有機小分子抗菌劑。
然而，一般有機小分子抗菌劑都存在二次污染以及難以回收利用的問題，所以非溶出型抗菌材料的研發(fā)備受關(guān)注。另一方面，有研究表明部分致病菌可以在材料表面存活數(shù)月，是導(dǎo)致細(xì)菌感染及交叉感染的主要途徑之一。此外棉織物材料具有良好的吸水性透氣性一直頗為人們衷愛，但同時面材料也為各類細(xì)菌等微生物提供了良好的生存和繁殖的環(huán)境，嚴(yán)重威脅了人類的健康。因此研究容易制備、抗菌廣譜、可循環(huán)利用的抗菌棉織物及其他抗菌材料具有重大的意義。
2012年，Li等通過“點擊”化學(xué)反應(yīng)將季銨鹽型鹵胺前置體固載到棉織物表面，制備了可重復(fù)利用的抗菌棉織物(Adv.Heathcare Mater.2012,1,609)。但是，此方法需要預(yù)先在棉織物表面引入炔基，并且“click”反應(yīng)需要以銅離子(Cu2+/抗壞血酸鈉)做催化劑，而Cu2+對水生生物體具有一定的毒性。鑒于此，研制可用于棉織物等材料表面固載的吡啶季銨鹽鹵胺前置體的課題迫在眉睫。本專利申請旨在保護可固載型吡啶季銨鹽鹵胺前置體的合成方法及相應(yīng)抗菌整理工藝。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種可固載型吡啶季銨鹽鹵胺前置體的合成方法并應(yīng)用于抗菌材料的制備。將吡啶季銨鹽及鹵胺前體結(jié)構(gòu)同時固載到棉織物、硅膠等材料表面。吡啶季銨鹽的引入使得抗菌劑前置體水溶性增強，避免了棉織物抗菌整理過程中有機試劑的大量使用。同時，細(xì)胞相容性較好，吡啶結(jié)構(gòu)的引入使得鹵胺殺菌效率提高，并且三乙氧基硅烷基團的引入可以固載于棉織物和硅膠等材料表面?？咕鷦┣爸皿w結(jié)構(gòu)式為(Ⅰ)。
式(Ⅰ)中,R代表Cl,Br或I；n＝2-12。
其中，以對羥基吡啶、間羥基吡啶或者鄰羥基吡啶為鏈接單元將海因環(huán)鹵胺前置體與硅氧烷組合成一分子，同時產(chǎn)生吡啶季銨鹽單元。
羥基吡啶結(jié)構(gòu)如式(Ⅳ)、(Ⅴ)、(Ⅵ)：
本發(fā)明的可固載型吡啶季銨鹽鹵胺前置體的合成及相應(yīng)抗菌材料制備方法為，以5,5-二甲基海因、二溴丙烷以及羥基吡啶為原料，制備化合物(Ⅲ)。然后與γ-氯(溴、碘)代丙基三乙氧基硅烷在乙腈中回流反應(yīng)7～48h，制得抗菌劑化合物前置體(Ⅰ)。將抗菌劑化合物前置體(Ⅰ)配制抗菌劑前置體溶液，固載于材料表面，最后經(jīng)過氯化制得抗菌材料。
具體過程包括如下步驟：
合成抗菌劑前置體(Ⅰ)的步驟為：
a.將羥基吡啶置于有機溶劑中，加入堿性物質(zhì)，85℃攪拌30～60min，再向體系中加入溴丙基海因溴化合物(Ⅱ)，82～110℃反應(yīng)1～12h，反應(yīng)結(jié)束后，除去有機溶劑，再加入水和乙酸乙酯，洗滌后萃取2～3次，收集乙酸乙酯相，濃縮并柱層析提純得到化合物，結(jié)構(gòu)如式(Ⅲ)
b.將化合物(Ⅲ)置于乙腈中，再將硅氧烷加入體系中，回流反應(yīng)7～48h，經(jīng)過柱色譜分離提純得到化合物，結(jié)構(gòu)如式(Ⅰ)。
c.將待處理材料浸沒在有機溶劑中30～60min，除去材料表面的油性物質(zhì)及其他雜質(zhì)，之后將材料浸沒在抗菌劑前置體Ⅰ質(zhì)量濃度為1～5wt％的溶液中，其中乙醇與水的體積比為1:1～1:5。隨后取出材料，置于90～120℃下固化30～60min。用蒸餾水洗滌多次，并浸泡在飽和氯化鈉溶液中10～60min，再次洗滌。
d.將涂覆后的材料浸漬于含有活性鹵素的溶液中10～40min，最后用去離子水洗滌多次。最后在45～65℃下干燥，并儲存于黑暗條件下。
進一步地，在上述技術(shù)方案中，步驟a所述的羥基吡啶為2-羥基吡啶、3-羥基吡啶、4- 羥基吡啶中的一種。
進一步地，在上述技術(shù)方案中，步驟a所述的有機溶劑為丙酮、乙腈、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺一種或多種。
進一步地，在上述技術(shù)方案中，步驟a所述的堿性物質(zhì)為無水碳酸鉀、氫氧化鈉、氫氧化鉀、乙醇鈉一種或多種。
進一步地，在上述技術(shù)方案中，步驟b所述的硅氧烷為γ-氯丙基三乙氧基硅烷、γ-溴丙基三乙氧基硅烷、γ-碘丙基三乙氧基硅烷的一種。
進一步地，在上述技術(shù)方案中，步驟c所述的有機溶劑為丙酮、乙醇一種或混合物。
進一步地，在上述技術(shù)方案中，步驟d中活性鹵素溶液為稀釋10～100倍的家用漂白水，pH值為7.0～11.0。
合成反應(yīng)式如下：
本發(fā)明的有益效果在于，以羥基吡啶為連接單元，將硅氧烷及海因環(huán)鹵胺前置體以共價鍵的形式鍵合到棉織物、二氧化硅等材料表面，具有良好的抗菌效果。吡啶季銨鹽單元的引入一方面加快了鹵胺結(jié)構(gòu)的殺菌效率，有望解決目前季銨鹽類抗菌劑造成的細(xì)菌等微生物的耐藥性問題，另一方面使得鹵胺前置體水溶性增強，避免了制備抗菌材料過程中有機溶劑的大量使用，同時固載修飾后的抗菌材料并且經(jīng)稀漂白水浸泡洗滌可實現(xiàn)抗菌性能的再生。
附圖說明
圖1是實施例3制備的抗菌棉織物的紅外譜圖。
具體實施方式
下面通過實施例進一步說明本發(fā)明的特點，但本專利的保護范圍不受實施例限制。
實施例1
稱取3-羥基吡啶(1.52g,16mmol)置于100mL乙腈中，攪拌溶解。稱取無水碳酸鉀(6.63g,48mmol)加入體系中加熱回流4h。在將由5,5-二甲基海因，溴丙基海因(4.98g,20mmol)加入體系中，回流反應(yīng)4h后，過濾除去無水碳酸鉀后，減壓蒸餾除去乙腈。以甲醇/二氯甲烷為洗脫劑，收集含有產(chǎn)物的有機相，減壓除溶劑后，得到化合物2。
1H NMR(500 MHz,Chloroform-d)δ8.30(dd,J＝2.7,1.0 Hz,1H),8.21(dd,J＝4.2,1.8 Hz,1H),7.26–7.13(m,2H),4.06(t,J＝6.0 Hz,2H),3.73(t,J＝6.8 Hz,2H),2.23-2.09(m,2H),1.43(s,6H).13C NMR(126 MHz,Chloroform-d)δ177.13,156.00,154.93,142.31,138.10,123.83,121.19,66.09,58.71,36.05,27.88,25.12.HRMS calcd.for C13H17N3O3[M+H]+264.1270，found:264.1343.
將化合物2(0.5 g,1.90 mmol)置于乙腈中，再將γ-碘丙基三乙氧基硅烷硅烷化合物3(0.90g)加入到反應(yīng)體系中，回流反應(yīng)過夜。然后經(jīng)過柱色譜分離提純，以甲醇/二氯甲烷為洗脫劑，收集含有產(chǎn)物的有機相，減壓除溶劑后，即得到化合物4。
1H NMR(500 MHz,Chloroform-d)δ9.10(dd,J＝2.6,1.4 Hz,1H),8.65(m,1.2 Hz,1H),8.08–8.04(m,1H),8.00(dd,J＝8.8,5.8 Hz,1H),6.51(s,1H),4.96(t,J＝7.1 Hz,2H),4.42(t,J＝5.5Hz,2H),3.84(q,J＝7.0 Hz,6H),3.71(t,J＝6.3 Hz,2H),2.24-2.07(m,4H),1.47(s,6H),1.23(t,J＝7.0 Hz,9H)；13C NMR(126 MHz,Chloroform-d)δ177.53,158.23,155.91,136.60,132.38,131.91,128.25,69.42,63.77,58.88,58.79,35.13,27.57,25.93,25.24(d,J＝2.4 Hz),18.35,6.62.
HRMS calcd.for C22H38N3O6Si[M-I]+468.2530,found:468.2528.
可固載型吡啶季銨鹽鹵胺前置體合成如下：
實施例2
將棉織物浸沒在丙酮中60 min，除去棉織物表面的油性物質(zhì)及其他雜質(zhì)，將退漿后的棉織物浸沒在含有抗菌劑前置體化合物4溶液中并放置15 min(質(zhì)量濃度4 wt％，1:1乙醇/水混合溶劑)，之后在105℃下固化60 min。然后將棉織物用蒸餾水洗滌多次，并浸泡在飽和氯化鈉溶液中30 min，隨后蒸餾水洗滌多次，并浸漬于稀釋100倍的漂白水中40 min，再用去離子水多次洗滌，保證織物游離態(tài)的鹵素離子徹底除去。最后在45℃下干燥，并儲存于黑暗條件下。
抗菌棉織物的制備及應(yīng)用過程如下：
表征：
紅外圖的分析：如附圖1，與未處理的棉織物相比，固載抗菌劑前置體化合物4的紅外譜圖，在1698.89cm-1、1763.71cm-1出現(xiàn)是C＝O的伸縮振動吸收峰；在1579.83cm-1出現(xiàn)N-H的變形振動。并且經(jīng)過漂白水氯化后，C＝O峰由于N-Cl鍵的誘導(dǎo)作用，波數(shù)移動至1706.37cm-1
棉織物的抗菌測試：
對空白棉織物、接枝抗菌劑前置體化合物4并氯化的抗菌棉織物分別進行了大腸桿菌(E.coli ATCC25922)、金黃色葡萄球菌(S.aureus ATCC 25923)的抗菌性能測試。具體方法為：將0.25mL濃度約為107～108的細(xì)菌懸浮液滴加到三塊直徑為2.54cm的圓形棉織物上，使其均勻分布，然后將相同大小棉織物置于最上方，用重物壓緊使得菌液與纖維充分接觸。分別5和10min后，以一定量硫代硫酸鈉溶液猝滅材料上可能殘存的活性氯，然后逐級稀釋并置于營養(yǎng)瓊脂平板培養(yǎng)16～24h，最后以平板計數(shù)法確定活菌的數(shù)量，抗菌測試結(jié)果如表1所示。
表1是發(fā)明實施例2制備的表面修飾有吡啶季銨鹽鹵胺分子的棉織物材料對大腸桿菌(E.coli ATCC25922)及金黃色葡萄球菌(S.aureus ATCC 25923)的抗菌活性測試結(jié)果。
表1.抗菌棉織物抗菌測試結(jié)果
a)大腸桿菌菌濃度為7.50×106CFU/mL(Colony-Forming Units)；b金黃色葡萄球菌菌濃度為8.30×107CFU/mL 。