具有抑菌功能的表面活性剂的调研报告
2020-03-04 02:35:09 来源：范文大全收藏下载本文
关于具有杀菌功能的阴离子表面活性剂的合成及
应用研究的调研报告
1.摘要
本文以三聚氯氰、脂肪胺、氨基乙磺酸、2-氨基苯并咪唑为原料，合成了三种具备抑菌性的含三嗪环阴离子型表面活性剂：2-正己氨基-4-（2-磺基乙基）-氨基-6-（苯并咪唑基）-氨基-1,3,5均三嗪（BSC6T），2-正辛氨基-4-（2-磺基乙基）-氨基-6-（苯并咪唑基）-氨基-1,3,5均三嗪（BSC8T）和2-正十二氨基-4-（2-磺基乙基）-氨基-6-（苯并咪唑基）-氨基-1,3,5均三嗪（BSC12T）。
采用表面张力法研究了三种化合物水溶液的表面活性。BSC6T、BSC8T、BSC12T在25℃的水溶液中均具备良好的表面活性，最低表面张力（γcmc）分别为33.1mN/m、29.7mN/m和35.2mN/m，临界胶束浓度（cmc）分别为8.5×10-3mol/L、8.9×10-4mol/L和5.3×10-5mol/L；采用量筒法研究了其乳化性能。BSC6T、BSC8T、BSC12T的乳化稳定时间分别为237s、364s和471s。
2.关键词：抑菌性，阴离子表面活性剂 3.前言
从广义上来讲，杀菌剂（Fungicide）包括杀真菌剂、杀细菌剂、杀病毒剂以及杀线虫剂，通常所说的杀菌剂，往往以杀真菌剂为主。杀菌剂广泛应用于农业、工业、医疗卫生、日常生活等诸多领域，需求量巨大。
我国是一个农业大国，农药作为一种极为普遍使用但是不可或缺的农业生产资料，在防治有害生物，保障农业生产安全等方面发挥着极为重要的作用。植物的病害由于不能轻易察觉，因此会造成巨大的危害，而植物病害的主要病因是致病菌，多数由真菌引起。全世界单是由病原真菌引起的植物病害就达上万种，造成的损失占年度总损失的10%-30%。如果将病毒、线虫引起的植物病害也算在内，损失就更加巨大。我国幅员辽阔，农业发达，作物病害种类也是多种多样，造成粮食严重损失的例子更是不胜枚举，防治植物病害是农作物增产的重大措施之一。近年杀菌剂用量呈逐年递增趋势，在农药中的比重也逐渐加大。随着我国农业种植结构调整，水果、蔬菜种植面积逐年增加，病害的发生更加普遍，国内杀菌剂市场对杀菌剂的需求仍在扩大，其销售额也会继续增加。我国杀菌剂近年发展迅速，在申报登记的产品总数逐年上升：截止2012年8月，杀菌剂共登记344个有效成分，6137个产品，其中原药582个，制剂5555个。登记的使用范围涉及85种作物，302种防治对象。
工业中，杀菌剂是用以杀灭和（或）抑制微生物生长的制剂。许多工业原料和产品，尤其是那些有机物质或含有有机成分的原材料或成品，本身就是微生物很容易利用的营养源（如食品、化妆品、纸张、皮革、纺织品、饲料、涂料以及某些塑料等），一旦环境条件适宜，微生物就会迅速生长和繁殖，破坏材料的物质结构使其劣化变质，造成巨大的经济损失。一些昂贵产品如电子设备、高端仪器等，虽不能直接被微生物利用，但是某些微生物如霉腐微生物，在养分极为匮乏的条件下仍可以繁殖生长，其分泌物或代谢产物对产品造成的腐蚀和破坏，即使是局部范围，也会对高端设备造成严重影响。
对于某一种杀菌剂来说，其归属并不是唯一的，有些杀菌剂既可以用在农业中，又可以用在工业、医疗卫生中，反之亦然；有些杀菌剂开始应用于一个领域，随后也可能拓展到其它领域。
(1) 杀菌剂的研究现状
杀菌剂的发展迄今为止已有200多年的历史，它是由无机物向有机化合物发展的历史。最早使用的杀菌剂是一些无机化合物，如石灰、硫磺及其混合物，这类杀菌剂以天然矿物为原料加工而成，用于防治果树的白粉病；后来，无机汞及无机铜也开始作为杀菌剂使用，最为人们所熟知的就是波尔多液，是由硫酸铜和石灰混合制成，甚至至今仍在使用。但是因其不便运输，又不能贮藏，往往现配现用，难以保证获得组成相同的产品，造成防效上的差异。
1931-1966年是保护性有机杀菌剂大量使用的时期。其中，1931年发现的福美类（二硫代氨基甲酸衍生物）开辟了有机杀菌剂的新纪元。
福美双
1942年出现了四氯苯醌，1943年出现代森类（乙撑二硫代氯基甲酸类衍生物），都是广谱、稳定、价格低廉的保护性有机杀菌剂，在相当长的时间内位于杀菌剂领域的主导地位，至今仍是需求量最大的有机杀菌剂之一。
代森铵（代森类）
四氯苯醌
1952年后，酰酞亚胺类（克菌丹、敌菌丹）、8-羟基喹啉铜以及某些抗生素，如链霉素，放线菌酮等相继问世。
克菌丹
这些保护性杀菌剂的最大缺点：没有内吸性（即不能被植物吸收至体内，只是在植物表面进行保护作用），因此会出现保护不彻底、不全面的情况，因为天气等自然环境的影响，投施频率较大，导致需要量巨大。保护式杀菌剂，相对内吸式也称作非内吸式杀菌剂。 1966年，人们发现萎锈灵的内吸杀菌活性后，有机内吸式杀菌剂以其用量少、毒性低、抗菌谱大、结构多样性等优点得到了迅速的发展，其中品种最多的是三唑类杀菌剂。至1990年，内吸式杀菌剂已经占据很大的市场份额，约占整个杀菌剂市场的60%以上。
萎锈灵
再后来，杀菌剂的发展迅速，种类增多，结构也越来越复杂。从酚类、取代苯衍生物、嘧啶类、有机磷杀菌剂，到酰胺类，Strobilurin类，新三唑类等等。如今，杀菌剂的使用仍以内吸式为主。
嘧啶类杀菌剂通式
肟醚菌胺（Strobilurin类）
在内吸式杀菌剂中，有一类杀菌剂-苯并咪唑类杀菌剂近年来发展迅速，应用领域广，受到人们的广泛关注。
多菌灵
苯菌灵
(2) 苯并咪唑杀菌剂
苯并咪唑类杂环化合物及其衍生物具有杀菌、消炎、抗氧化、抗癌、抗寄生虫等活性，广泛应用于食品的防腐和防虫、动植物病毒的防治、人体疾病如肿瘤的防治等，因此苯并咪唑类化合物的合成具有极大的应用价值。在农业方面，对真菌、细菌、病毒、螨类等具有强的杀菌、抑菌作用，对无性植物有促进子叶和根代谢的作用，此外，也可以作为种子消毒剂；在工业方面，可以作为贵金属缓蚀剂、工业杀菌剂等；在医药方面，由于苯并咪唑所含的咪唑环具有抗菌、抗炎、抗寄生、抗癌、镇静、利尿等药物活性，对协调生理平衡具有重要意义，此外，还具有改善心血管活性、降血压的功效，也可作为动物中毒的解毒剂。由于多菌灵的应用较早，所以，通常也会习惯将苯并咪唑类杀菌剂称为多菌灵类杀菌剂。
在杀菌、抑菌方面，苯并咪唑类杀菌剂越来越为人们所青睐。由于菌体细胞要维持其正常的生命代谢，所以必须进行多种生理作用，总体上可分为能量代谢与物质代谢作用。因此，杀菌剂也可大体分为能量合成抑制剂和生物合成抑制剂。能量合成抑制剂的原理是通过抑制细胞的生物呼吸过程中的某一任意环节，表现出的杀菌效果。生物合成抑制剂是干预菌体维持生命和繁殖所需要的新细胞物质产生的过程。生物合成抑制剂分多种，分别可通过抑制细胞壁（若存在）、细胞膜的合成，也可能是核酸、蛋白质等合成的抑制剂。苯并咪唑类杀菌剂的作用机制就是通过抑制核酸的合成来抑制细胞分裂。苯并咪唑类杀菌剂一般是碱基类似物，作用时，它们或者作为代谢拮抗物质直接抑制核苷酸生物合成有关的酶，或者通过直接掺入合成核酸分子的原料中，使得细胞合成“掺假的核酸”，进而形成异常的DNA或RNA分子，导致合成核酸功能的破坏。如噻菌灵，会抑制真菌线粒体的呼吸作用和细胞增殖，干扰DNA合成；苯菌灵会干扰真菌菌丝的有丝分裂；多菌灵会干扰菌丝体有丝分裂中纺锤体的形成，从而影响细胞分裂。
苯并咪唑由于其含氮杂环具有活性高、选择性好、毒性低等特点，近十年作为杀菌剂的研究、开发、应用非常活跃，近期更是通过化学结构的变化衍生出种类繁杂的新颖物质，具备功能性良好、高效、用量少、应用范围广、环境友好等优点。此外，它能和几乎所有杀菌剂复配使用，不仅自身成本较低，而且通过复配达到更好的药效，更加降低了使用成本。2008年我国多菌灵年产量已达3万吨以上，还经常出口一些国家如巴西、阿根廷、俄罗斯、韩国等。2009年数据显示，中国的出口量是1.44万吨，2010年后还在逐年增加。这些足可以说明苯并咪唑成熟的产品品质。它也可以用在如造纸、皮革、涂料等工业领域，还常被用作设计工业杀菌剂的母核。此外，有研究表明在苯并咪唑2位取代时．可提高其生理活性，这又为苯并咪唑提供了更加广泛的开发前景。 (3) 表面活性剂及其杀菌、抑菌性
表面活性剂（surface active agent；surfactant）是一类重要的精细化学品，如今，其应用范围几乎覆盖了精细化工的所有范畴，具有在添加量很小的情况下能够显著降低溶液（通常为水）的表面张力或两相间的界面张力的特性，具备良好的增溶、乳化、润湿、起泡和洗涤等作用，在工业领域中也有着“工业味精”的美誉。表面活性剂通常按照离子类型，可分为离子型表面活性剂和非离子型表面活性剂两类，而离子型表面活性剂又可分为阳离子、阴离子、两性离子型表面活性剂。
表面活性剂为人们发现有杀菌性早在1935年。Domagk研究了季铵盐杀菌作用与其化学结构的关系，后来Wetzel进行了临床消毒试验后逐步引起了人们的重视。随着表面活性剂领域的不断发展，其杀菌性也在不断的为人们所利用。我国在1964年研究了一种季铵盐类化合物-苯扎溴铵（新洁尔灭）的杀菌作用，1971年总后药检所进行了进一步研究，并推荐作为消毒剂使用。
苯扎溴铵（新洁尔灭）
目前已知的表面活性剂中，阳离子型表面活性剂的杀菌性应用得最为广泛，特别是分子中带有苄基的季铵盐类阳离子表面活性剂表现出很强的杀菌作用。其他类表面活性剂，如两性离子型表面活性剂，也表现出一定的杀菌性，但是目前应用有限，通常在其他方面如金属缓蚀、个人洗护、食品、制药工业等领域发挥重要作用。而阴离子型及非离子型表面活性剂几乎没有表现出任何的杀菌、抑菌作用。
阳离子型，尤其是季铵盐类表面活性剂是目前应用广泛的一类具备杀菌活性的表面活性剂，通常有单链季铵盐和双链季铵盐两类，它的杀菌机理为：季铵盐离子在水中带正电荷，可以吸附于带负电荷的细菌表面，形成微团，由于菌体细胞的细胞膜为磷脂双分子结构，因此其在生物代谢的过程中，会把表面活性剂的疏水链段“认为”是合成细胞膜结构的原料，因此在疏水链段逐步渗入细胞类脂层的过程中，胞膜通透性随之改变，细胞内容物外渗，导致微生物发生接触死亡。细胞表面的吸附作用同时能使蛋白聚凝，酶和结构蛋白发生变性，抑制微生物的新陈代谢，从而将微生物杀死。可见，季铵盐型表面活性剂的杀菌机理是针对细菌进行吸附，进行接触式杀菌的。
季铵盐类表面活性剂的这种性质，在很多领域如石油开采、循环冷却用水的杀菌处理、钻井液用杀菌剂等领域发挥着举足轻重的作用，甚至在光电磁学、催化以及纳米科学等方面有很多潜在的应用。
但是，对于某些特殊体系，特别是胶体体系，基于其杀菌机理，想要达到对微生物的杀灭作用，此类表面活性剂必须达到一定的添加剂量，使得被保护体系的每个角落都有表面活性剂的存在。这使得表面活性剂对目标物的保护部位缺乏针对性，对其集中发挥杀菌作用的位点缺乏定位，从而导致需要投加较大的剂量。不仅造成没有必要的浪费，长时间使用还会造成抗药性。此外，由于电荷的原因，其应用领域也必将受到一定的限制。 (4) 本项目的立题依据及意义
基于上述问题，利用苯并咪唑基团，拟合成一种具备抑菌性的阴离子型表面活性剂，并将其利用于天然橡胶胶乳的短期保存中，使得其在胶体中发挥表面活性剂在相界面间的定向吸附作用，针对易发生变质的橡胶粒子进行集中保护，针对性强，达到降低杀菌剂用量的目的。这从根本上区别于阳离子季铵盐型表面活性剂的杀菌机理。阴离子型表面活性剂乳化效果较好，同时使表面活性杀菌剂不仅仅局限于阳离子季铵盐型。
因此，本课题以三聚氯氰、脂肪胺、氨基乙磺酸、2-氨基苯并咪唑为原料，利用三聚氯氰的特殊结构作为骨架，采取三步亲和取代的方式，拟合成三种具备抑菌性的含嗪环阴离子型表面活性剂。三聚氯氰的三嗪环具有较高的稳定性，三个氯原子因受到C=N影响具有较高的反应活性，反应条件易于控制；选取的原料易得，合成路线设计合理；产品状态良好，后处理方法简单。
总之，本项目具有重要的理论及现实意义。
4.具备抑菌性阴离子表面活性剂的合成 在三聚氯氰的结构中，均三嗪环具有很高的稳定性，由于环中氮原子带有一对未成键的孤对电子，碳原子电子云密度较低，极易被供电基团诸如-NH
2、-OH、-SH等官能团进攻而发生亲核取代反应，因此可以制备出多种均三嗪环衍生物。本论文利用三聚氯氰的这种特性，利用不同链段长度的脂肪胺，氨基乙磺酸以及2-氨基苯并咪唑，合成了三种具备抑菌性含三嗪环阴离子型表面活性剂。
表1 实验原料与主要试剂
序号 名称 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
表2 实验主要设备与仪器
序号 名称 1 2 3 4 5 6 7 8 9
（1）实验部分 三用紫外分析仪 低温冷却液循环泵 精密定时电动搅拌器 电热恒温油浴锅 微波催化合成/萃取仪
型号 ZF-7型
生产厂家
太原市顶杰科教仪器 三聚氯氰 正己胺 正辛胺 正十二胺 无水碳酸钠 氨基乙磺酸 2-氨基苯并咪唑 甲苯 无水甲醇
规格
生产厂家
工业品 河北诚信有限责任公司 分析纯 阿拉丁试剂（上海）有限公司 分析纯 阿拉丁试剂（上海）有限公司 分析纯 阿拉丁试剂（上海）有限公司 分析纯 天津市申泰化学试剂有限公司 分析纯 阿拉丁试剂（上海）有限公司 分析纯 阿拉丁试剂（上海）有限公司 分析纯 天津市申泰化学试剂有限公司 分析纯 天津市恒兴化学试剂制造有限公司
氢氧化钠（粒状） 分析纯 天津市恒兴化学试剂制造有限公司 丙酮 茚三酮 浓盐酸 薄层色谱硅胶板
工业
中国石油化工有限公司
分析纯 天津市化学试剂三厂 分析纯 天津市申泰化学试剂有限公司 HF254
于成化工（上海）有限公司
DLSB-10L/10 巩义市予华仪器有限公司 JJ-1型 W-O型 XH-100A
江苏省金坛市荣华仪器制造有限公司 巩义市予华仪器有限公司 北京祥鹄科技发展有限公司 东莞市科桥超声波设备有限公司 河南巩义市英峪予华仪器厂 巩义市予华仪器有限公司 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 中国超声波专业清洗仪器 KQ-200DE 循环水式多用真空泵 旋转蒸发仪 真空干燥箱
SHZ-CD型 RE-201D型 DZF-6050型 以2-正己氨基-4-（2-磺基乙基）-氨基-6-（苯并咪唑基）-氨基-1,3,5均三嗪（BSC6T）为例： BSC6T的合成可通过三步亲核取代完成。合成路线如图所示。
图1 BSC6T合成路线
（2）实验步骤
1、4,6-二氯-2-正己氨基-1,3,5-均三嗪（C6T）的合成
将18.45g（0.1mol）三聚氯氰溶于150mL甲苯中，移入1000mL四口烧瓶，在不断搅拌条件下维持冰水浴环境20分钟。准确称取12.14g（0.12mol）正己胺溶于250mL甲苯，在恒压状态下缓慢滴入反应体系中，保持平均2~3秒1滴。滴加完毕后，将10.6g（0.1mol）无水碳酸钠固体溶于300mL去离子水中配成溶液，在恒压状态下缓慢滴入反应体系中，平均3~4秒1滴。利用TLC跟踪反应监测终点，展开体系为甲苯：丙酮=1:1（V/V）。反应完毕，滤去体系不溶物，将滤液移入分液漏斗中，静置分层，弃去水层后将甲苯溶液用稀盐酸充分洗涤除去过量的胺，饱和碳酸氢钠溶液充分洗涤至水层pH=7~8，最后用去离子水洗涤至中性。将甲苯溶液用无水硫酸钠干燥静置6~8h后，减压浓缩，结晶得到第一步中间体C6T。
2、2-正己氨基-4-（2-磺基乙基）-氨基-6-氯-1,3,5均三嗪（SC6T）的合成
将29.88g（0.12mol）C6T溶于150mL干燥的丙酮中，移入1000mL四口烧瓶，在40~45℃恒温水浴加热并不断搅拌的条件下，恒压滴入12.52g（0.1mol）氨基乙磺酸的水溶液（加入少许碳酸钠助溶，溶液pH=7~8），平均2秒1滴。滴加完毕后，将无水碳酸钠10.6g（0.1mol）溶于300mL去离子水中配成溶液，在恒压状态下缓慢滴入反应体系中，平均3~4秒1滴。利用TLC跟踪反应监测终点，展开体系为丙酮：甲苯：水=6:1.5:0.5（V/V/V）。反应完毕，将反应液冷却后，在不断搅拌下缓慢加入稀盐酸至上清液pH=2-3，不断搅拌20分钟，减压抽滤后弃去滤液，将滤饼在温度45℃情况下反复用去离子水洗涤，再用丙酮充分洗涤，干燥后得第二步中间体SC6T。
3.、2-正己氨基-4-（2-磺基乙基）-氨基-6-（苯并咪唑基）-氨基-1,3,5均三嗪（BSC6T）的合成
将SC6T33.75g（0.1mol）与8g（0.2mol）氢氧化钠混合溶于250mL水，移入微波反应器中，不断向反应器中通入氩气并升温至90℃保持20分钟。将11.22g（0.1mol）三乙烯二胺溶于150mL去离子水恒压状态滴入微波反应器中。20min后将15.98g（0.12mol）2-氨基苯并咪唑溶于水，恒压状态滴入微波反应器中，平均1秒1滴。利用TLC跟踪反应监测终点，展开体系为甲醇：甲苯=3:2（V/V）。反应完毕，向反应体系中滴加稀盐酸至pH=7-8，随后减压浓缩，再将混合物静置冷藏，随后趁冷在不断搅拌下用稀盐酸将pH调至2-3，减压抽滤，将滤饼烘干，用丙酮在45℃情况下充分洗涤得终产物BSC6T。在使用时，应用摩尔比1:1的氢氧化钠将产品中和成钠盐形式方可使用。
利用同样的方法，以正辛胺，正十二胺为原料合成不同疏水链段长度的产品，分别标记为BSC8T、BSC12T，对应第
一、第二中间体分别标记为C8T、SC8T和C12T、SC12T。 （3）产品的表面活性
BSC6T、BSC8T、BSC12T的γ-lgc曲线如图2所示：
cmc为表面活性剂在溶液中形成胶束时所需的最低浓度。如图显示，随着溶液浓度不断减小，表面张力在开始时维持一定值，当稀释至某一浓度时，溶液的表面张力突然增大，曲线出现转折点，而后随着稀释的不断进行，表面张力不断增大，直至没有显著变化为止。曲线转折点前后两直线交叉点对应浓度为产品在25℃下的cmc值，此处对应的表面张力为最低表面张力γcmc。结果如表3所示：
表3 产品的cmc与γcmc数据
cmc（mol/L）
8.5×10-3 8.9×10-4 5.3×10-5
γcmc(mN/m)
33.1 29.7 35.2
BSC6T
BSC8T
BSC12T 结果表明，产品在25℃的水溶液中均具备良好的表面活性，cmc较低。不同产品比较，cmc随着疏水链段的增长表现出减小的趋势，这是因为，疏水链段是驱使离子型表面活性剂在水中形成胶束的因素，随着疏水链段中碳原子数增加，憎水效应增加，因此在水溶液中更容易发生聚集，因此易于形成胶束，cmc下降。γcmc从理论上没有明显的趋势。 （4）产品的乳化性能
从广义上讲，在两种不互溶的液体中，一种液体以微滴形式分散于另一种液体中所形成的多相分散体系，称为乳状液。这种形成乳状液的作用称为乳化作用。
实验得出，BSC6T、BSC8T、BSC12T的乳化稳定时间分别为237s、364s和471s，三种产品中BSC12T的乳化效果最佳，BSC8T次之，BSC6T最差。这是因为，水与液体石蜡充分混合形成的乳状液为“O/W”的分散体系，表面活性剂在其中会发挥在界面间的定向吸附作用，疏水链段吸附于石蜡一相，将两相界面转化为致密的分子态的界面膜，降低界面能，阻止了液滴间的聚集。因此，疏水链段越长，在相界面间的定向吸附能力越强，越容易形成稳定的界面膜，破乳时间越长。因此，随着疏水链段的增长，乳化稳定时间越长。
5.结论
本文以三聚氯氰、脂肪胺（包括正己胺、正辛胺和正十二胺）、氨基乙磺酸、2-氨基苯并咪唑为原料，合成了三种具备抑菌性的含三嗪环阴离子型表面活性剂（分别标记为BSC6T、BSC8T、BSC12T）。对三种产品的表面活性、乳化性能进行了研究。实验得到以下结论：
（1）反应原料易得，条件温和，后处理工艺简单。产率比较理想，合成第一步中间体CT的产率为85%以上，第二步中间体SCT可达90%以上，虽然第三步反应全程使用氩气保护，但是由于在强碱性、高温条件下原料2-氨基苯并咪唑易氧化变质，导致终产品的产率较低，
（2）采用吊片法测量了三种产品水溶液在25℃下的表面张力，并计算出cmc。结果表明，BSC6T、BSC8T、BSC12T均具备良好的表面活性，临界胶束浓度（cmc）分别为8.5×10-3mol/L、8.9×10-4mol/L和5.3×10-5mol/L，最低表面张力(γcmc)分别为33.1mN/m、29.7mN/m和35.2mN/m。说明随着疏水链段的增长，产品的cmc减小，而最低表面张力没有表现出明显的规律。
（3）采用量筒法研究了三种产品的乳化性能。BSC6T、BSC8T、BSC12T的乳化稳定时间分别为237s、364s和471s，说明乳化效果顺序为BSC12T＞BSC8T＞BSC6T。
（4）基于本产品的抑菌机理，在表面活性剂的选择上，可尝试一些改进，比如适当增长疏水链段长度或选择非离子型表面活性剂，如聚氧乙烯醚型表面活性剂作为抑菌基团的载体等。但是，在胶乳后续的凝固过程中，要保证所选择的表面活性剂破乳性能良好，还要从凝固用酸量、凝固时间等因素综合考虑其可行性。
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