新型有机硅季鏻盐材料及制备方法与抗菌应用与流程

1.本发明涉及功能材料技术领域，具体涉及一种新型有机硅季鏻盐材料及制备方法与抗菌应用。


背景技术：

2.人们在日常生活中不可避免地接触到各种各样的微生物，由于纺织品、家具用品等材料表面具有一定的粗糙度，细菌更容易附着在其上，致使病菌传递至皮肤表面，致病菌大量繁殖并通过皮肤、呼吸道、消化道以及血液对人体健康造成极大的危害。材料的抗菌处理是有效防止各种细菌生长繁殖、杀死细菌和防止细菌传播感染的重要手段。
3.常规型季铵盐类抗菌剂由于成本低而成为抗菌主导产品，国际上已经开发出 4代有典型意义的季铵盐抗菌剂；其中以道康宁公司开发的dc-5700有机硅季铵盐抗菌剂和百灵威公司开发的bv6000e有机硅季铵盐抗菌剂最具代表性。在国内外使用较为广泛，其杀菌速度快，抗菌效能高，稳定性好。
4.季鏻盐和季铵盐有着相似的结构，由于 p 元素在元素周期表中位于n元素的下方，磷原子比氮原子的离子半径大，极化作用强，电负性弱，因此季鳞盐分子结构比较稳定，很难与一般的氧化剂和还原剂以及酸、碱反应，能在 ph=2-12 范围内的水中使用，具有高效、快速、广谱、易降解、低毒和使用方便等优点，能够杀灭藻类，对铁氧菌、异养菌、硫酸盐还原菌有很好的杀菌效果，已被广泛用作工业循环水系统的杀菌灭藻剂、油田注水杀菌剂以及农业杀虫剂等领域。由于其具有低泡沫、强的粘泥剥离能力和宽的ph适用范围，在工业循环水和油田注水系统,被作为传统的季铵盐类杀菌剂的升级产品。但是，目前还未见将季鏻盐与季铵盐进行结合用于抗菌的研究，也未见有将季鏻盐单独或与季铵盐组合用于纺织品的抗菌整理的研究。
5.至今为止，关于有机小分子的抗菌剂已经有了较多的研究，人们发现长链烷基的季铵盐及季鏻盐有很强的抗菌性，但是这些有机小分子抗菌剂存在易挥发、易残留、难加工、稳定性差等缺点。因此开发带有这些抗菌基团的新型抗菌材料是近来研究的方向和热点，这些新型抗菌材料能克服这些缺点，并且不会渗入人体皮肤，更加安全，具有更好的抗菌性能。


技术实现要素：

6.鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明开发了一种新型有机硅季鏻盐材料，其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑制性能优良，本发明还提供了其制备方法，该方法产率高，节约成本，易于操作，利于工业化生产。本发明所要解决的技术问题之一是提供新型有机硅季鏻盐材料，其化学结构如5所示，
式中，x1选自氯、溴、碘、对甲苯磺酰氧基、苯磺酰氧基、甲磺酰氧基，x2选自氯、溴、碘、对甲苯磺酰氧基、苯磺酰氧基、甲磺酰氧基；r1，r2和r3分别独立选自甲基、乙基、c3-c8烷基、苯基、4-氯苯基、4-溴苯基、4-氟苯基、4-碘苯基、4-三氟甲氧基苯基、4-甲氧基苯基、4-乙氧基苯基、4-甲基苯基、4-三氟甲基苯基；r4选自甲基、乙基、c3-c6烷基、苯基、乙烯基、烯丙基；l=1-100， m=1-100，n=1-100。
7.在本发明的一较佳实施例中，上述l，m和n满足和大于或等于3，且小于或等于30。
8.本发明所要解决的技术问题之二是提供一种新型有机硅季鏻盐材料的制备方法，包括如下步骤：包括如下步骤：步骤（a）所述的式1化合物和式2化合物在第二反应溶剂中反应，反应温度为100-200℃，反应时间为12-72小时，制得所述的式3化合物；步骤（b）在隔绝空气情况下，将式3化合物和式4化合物在第一反应溶剂中发生反应，反应温度为100-200℃，反应时间为10-200小时，得化学结构如5所示含有机硅季铵基的复合季鏻盐材料；其中，x1选自氯、溴、碘、对甲苯磺酰氧基、苯磺酰氧基、甲磺酰氧基，x2选自氯、溴、
碘、对甲苯磺酰氧基、苯磺酰氧基、甲磺酰氧基；r1，r2和r3分别独立选自甲基、乙基、c3-c8烷基、苯基、4-氯苯基、4-溴苯基、4-氟苯基、4-碘苯基、4-三氟甲氧基苯基、4-甲氧基苯基、4-乙氧基苯基、4-甲基苯基、4-三氟甲基苯基；r4选自甲基、乙基、c3-c6烷基、苯基、乙烯基、烯丙基；l=1-100， m=1-100，n=1-100。
9.在本发明的一较佳实施例中，上述第一反应溶剂为二甲苯，对二甲苯，甲苯，乙二醇二乙醚或dmf中的至少一种。
10.在本发明的一较佳实施例中，上述第二反应溶剂为二甲苯，对二甲苯，甲苯，乙二醇二乙醚或dmf中的至少一种。
11.在本发明的一较佳实施例中，上述l，m和n满足和大于或等于3，且小于或等于30。
12.在本发明的一较佳实施例中，上述包括如其化学结构如3所示化合物中间体:其中，x1选自氯、溴、碘、对甲苯磺酰氧基、苯磺酰氧基、甲磺酰氧基；r1，r2和r3分别独立选自甲基、乙基、c3-c8烷基、苯基、4-氯苯基、4-溴苯基、4-氟苯基、4-碘苯基、4-三氟甲氧基苯基、4-甲氧基苯基、4-乙氧基苯基、4-甲基苯基、4-三氟甲基苯基；l=1-100， m=1-100，n=1-100。
13.本发明所要解决的技术问题之三是提供上述新型有机机硅季铵基的复合季鏻盐材料在抗菌材料中的应用。
14.本发明所要解决的技术问题之四是提供一种抗菌剂，包括上述的新型有机硅季鏻盐材料或上述制备方法制得的新型有机硅季鏻盐材料。
15.本发明所要解决的技术问题之五提供一种抗菌织物，包括基底层和抗菌层，所述抗菌层包括上述的新型有机硅季鏻盐材料或者上述的制备方法制得新型有机硅季鏻盐材料。
16.有益效果（1）本发明的抗菌材料具有独特的结合性，能持久性地键合在物质表面形成抗菌层，当细菌等微生物接触到这些物质时，物质表面上的抗菌层便可吸引细菌并破坏其细胞壁，将其迅速消灭，有优异的抗菌性、亲水性和耐洗涤性以及良好的环境安全性能，可用于皮革、纺织、日用卫生品、医疗器具的杀菌消毒领域。
17.（2）与现有抗菌材料的制备方法相比，本发明操作简单，原料来源方便，对环境友好，适合工业化生产，具有良好的应用前景。
具体实施方式
18.下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述地实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技
术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
19.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
20.实施例1实施例1步骤（a）：式3-1化合物的制备保持氮气微正压，向20 l反应瓶中依次加入5l 二甲苯，1.0 mol式1-1化合物和3.0 mol式2-1化合物三苯基膦，加完后，搅匀；反应液升温至130℃反应。保温反应20小时，反应完成。
21.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至0℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.936mol白色固体产品。
22.收率93.6%，产品滴定纯度99.1%核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ2.65(t，6h)，3.42(t，6h)，3.57(t，6h)， 4.02(t，6h)，7.73-7.83（m，45h）。
23.步骤（b）：式5-1化合物的制备保持氮气微正压，向20l反应瓶中依次加入5l二甲苯，0.936 mol式3-1化合物，1.0 mol式4-1化合物氯丙基三甲氧基硅烷，加完后，搅匀；反应液升温至130 ℃反应。保温反应48小时，反应完成。
24.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至-20℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.913 mol白色固体产品。
25.收率97.5%，两步反应总收率91.3%，产品滴定纯度：98.5%，核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ0.63(t，2h)，1.76(m，2h)，3.28(t，6h)，3.37 (t，2h)，3.42(t，6h)，3.56(s，9h)，3.65(t，6h)， 4.02(t，6h)，7.73-7.83（m，45h）。
26.实施例2
步骤（a）：式3-2化合物的制备保持氮气微正压，向20l反应瓶中依次加入5l对二甲苯，1.0 mol式1-2化合物和5.0 mol式2-2化合物三苯基膦，加完后，搅匀；反应液升温至130 ℃反应。保温反应28小时，反应完成。
27.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至0℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.879 mol白色固体产品。
28.收率87.9%，产品滴定纯度97.7%。
29.核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ2.65(t，6h)，3.42(t，6h)，3.55-3.68(m，18h)， 4.02(t，6h)，7.73-7.83（m，45h）。
30.步骤（b）：式5-2化合物的制备保持氮气微正压，向20l反应瓶中依次加入5l对二甲苯，0.879 mol式3-2化合物，1.5 mol式4-2化合物氯丙基三乙氧基硅烷，加完后，搅匀；反应液升温至130 ℃反应。保温反应68小时，反应完成。
31.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至-20℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.824 mol白色固体产品。
32.收率93.7%，两步反应总收率82.4%，产品滴定纯度：98.8%核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ0.63(t，2h)，1.19(q，2h)，1.76(m，2h)，3.28(t，6h)，3.37 (t，2h)，3.42(t，6h)，3.55-3.68(m，18h)，3.81(t，3h)，4.02(t，6h)，7.73-7.83（m，45h）。
33.实施例3
步骤（a）：式3-3化合物的制备保持氮气微正压，向20 l反应瓶中依次加入5l乙二醇二乙醚，1.0 mol式1-3化合物和7.0 mol式2-3化合物三正丁基膦，加完后，搅匀；反应液升温至120 ℃反应。保温反应16小时，反应完成。
34.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至0℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.917 mol白色固体产品。
35.收率91.7%，产品滴定纯度98.7%。
36.核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ0.92(t，27h)，1.42-1.47 (m，36h)，2.27-2.31(m，27h)，2.65(t，6h)，3.42(t，6h)，3.55-3.68(m，18h)， 4.02(t，6h)，7.17(d，6h)，7.53(d，6h)。
37.步骤（b）：式5-3化合物的制备保持氮气微正压，向20 l反应瓶中依次加入5l乙二醇二乙醚，0.917 mol式3-3化合物，10.0 mol式4-3化合物碘丙基三异丙氧基硅烷，加完后，搅匀；反应液升温至120 ℃反应。保温反应72小时，反应完成。
38.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至-20℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.812mol白色固体产品。
39.收率96.0%，两步反应总收率81.2%，产品滴定纯度：99.2%，核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ0.63(t，2h)， 0.92(t，27h)，1.22(d，18h)， 1.42-1.47 (m，36h)，1.76(m，2h)，2.27-2.31(m，27h)，3.28(t，6h)，3.37 (t，2h)，3.42(t，6h)，3.55-3.68(m，18h)，3.80(m，3h)，4.02(t，6h)，7.17(d，6h)，7.53(d，6h)。
40.实施例4
步骤（a）：式3-4化合物的制备保持氮气微正压，向20 l反应瓶中依次加入5l 二甲苯，1.0 mol式1-1化合物和10mol式2-4化合物三乙基磷，加完后，搅匀；反应液升温至130 ℃反应。保温反应30小时，反应完成。
41.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至0℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.959 mol白色固体产品。
42.收率95.9%，产品滴定纯度97.4%。
43.核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ 0.93(t，27h)，2.28(q，18h)，2.65(t，6h)，2.87(s，9h)，3.42(t，6h)，3.55-3.69(m，18h)，4.02(t，6h)。
44.步骤（b）：式5-4化合物的制备保持氮气微正压，向20 l反应瓶中依次加入5l 二甲苯，0.959 mol式3-1化合物，4 mol式4-4化合物氯丙基三甲氧基硅烷，加完后，搅匀；反应液升温至130 ℃反应。保温反应48小时，反应完成。
45.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至-20℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.911 mol白色固体产品。
46.收率95.0%，两步反应总收率91.1%，产品滴定纯度：99.3%，核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ 0.63(t，2h)，0.93(t，27h)，1.76(m，2h)，2.28(q，18h)，2.87(s，9h)，3.28(t，6h)，3.37 (t，2h)，3.42(t，6h)，3.55-3.69(m，27h)，4.02(t，6h)。
47.实施例5
步骤（a）：式3-5化合物的制备保持氮气微正压，向20l反应瓶中依次加入5ldmf，1.0 mol式1-5化合物和4 mol式2-5化合物，加完后，搅匀；反应液升温至104℃反应。保温反应24小时，反应完成。
48.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至0℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.939 mol白色固体产品。
49.收率93.9%，产品滴定纯度97.4%。
50.核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ2.65(t，6h)，3.42(t，6h)，3.55-3.73(m，42h)， 4.02(t，6h)，7.73-7.83（m，45h）。
51.步骤（b）：式5-5化合物的制备保持氮气微正压，向20 l反应瓶中依次加入5l dmf，0.939 mol式3-5化合物，6 mol式4-5化合物氯丙基三苯氧基硅烷，加完后，搅匀；反应液升温至104℃反应。保温反应48小时，反应完成。
52.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至-20℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.901 mol白色固体产品。
53.收率96.0%，两步反应总收率90.1%，产品滴定纯度：99.1%，核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ0.63(t，2h)，1.76(m，2h)， 3.28(t，6h)，3.42(t，6h)，3.55-3.73(m，42h)， 4.02(t，6h)，6.81-7.22（m，15h），7.73-7.83（m，45h）。
54.实施例6
步骤（a）：式3-6化合物的制备保持氮气微正压，向20 l反应瓶中依次加入5l甲苯，1.0 mol式1-6化合物和8 mol式2-6化合物三甲基膦，加完后，搅匀；反应液升温至140 ℃反应。保温反应24小时，反应完成。
55.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至0℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.945 mol白色固体产品。
56.收率94.5%，产品滴定纯度98.6%。
57.核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ1.85(s，27h)，2.29(s，9h)，2.65(t，6h)，3.42(t，6h)，3.55-3.79(m，178h)，4.02(t，6h) ，7.17(d，6h) ，7.53(d，6h)。
58.步骤（b）：式5-6化合物的制备保持氮气微正压，向20l反应瓶中依次加入5l甲苯，0.945 mol式3-6化合物，8mol式4-6化合物氯丙基三苄氧基硅烷，加完后，搅匀；反应液升温至140 ℃反应。保温反应30小时，反应完成。
59.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至-20℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.879 mol白色固体产品。
60.收率93.0%，两步反应总收率87.9%，产品滴定纯度：98.5%，核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ0.63(t，2h)，1.76(m，2h)，1.85(s，27h)，2.29(s，9h)，3.28(t，6h)，3.37(t，2h)，3.42(t，6h)，3.51-3.79(m，178h)，4.02(t，6h)，5.06(s，6h)，7.17(d，6h)，7.31-7.46(m，15h)，7.53(d，6h)。
61.实施例7
步骤（a）：式3-7化合物的制备保持氮气微正压，向20l反应瓶中依次加入5l dmf，1.0 mol式1-7化合物和8 mol式2-7化合物三苯基膦，加完后，搅匀；反应液升温至104 ℃反应。保温反应50小时，反应完成。
62.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至0℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.935 mol白色固体产品。
63.收率93.5%，产品滴定纯度97.8%。
64.核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ2.65(t，6h)，3.42-3.86(m，1080h)， 4.02(t，6h)，7.73-7.83（m，45h）。
65.步骤（b）：式5-7化合物的制备保持氮气微正压，向20l反应瓶中依次加入5ldmf，0.935 mol式3-7化合物，9mol式4-7化合物3-甲磺酰氧基丙基三烯丙氧基硅烷，加完后，搅匀；反应液升温至104 ℃反应。保温反应60小时，反应完成。
66.反应液冷却至室温，向其中加入适量石油醚，冷却至-20℃，析出大量固体，过滤，收集滤饼得到0.884 mol白色固体产品。
67.收率93.1%，两步反应总收率88.4%，产品滴定纯度：98.9%，核磁数据：1h nmr (400mhz，cdcl3)：δ0.63(t，2h)，1.76(m，2h)，2.87(s，3h)，3.28(t，6h)，3.42-3.86(m，1080h)， 4.02(t，6h)，4.15(m，6h)，16(m，3h)，5.29(m，3h)，5.99(m，3h)，7.73-7.83（m，45h）。
68.化合物抗菌性能测试：mic (最低抑制浓度) 的测定: 采用微量肉汤稀释法将实施例1-7制得的化合物（3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6，3-7，5-1，5-2，5-3，5-4，5-5，5-6，5-7）混合在lb 营养肉汤中做系列的二倍稀释，加入定量的受试菌经过一定时间培养后，观察到无细菌生长的最低化
6538，大肠杆菌atcc 25922，白色念球菌atcc 10231，黑曲霉菌atcc 16404）的抑菌效果都很优异，最低抑菌浓度都在10mg/l以下；尤其是当化合物分子式中l，m和n满足的和大于或等于6，且小于或等于30时，抑菌效果尤其优异，其最低抑菌浓度都在2mg/l以下，效果最好的甚至低至0.1mg/l。
74.同时，制备有机硅季鏻盐材料的中间体化合物（化合物3-1、化合物3-2、化合物3-3、化合物3-4、化合物3-5、化合物3-6、化合物3-7）也表现出了很好的抑菌效果，对常见菌种的最低抑菌浓度也都在100mg/l以下，但总体来说，都要比相应的有机硅季鏻材料差不少。通过与有机硅试剂反应引入有机硅基团和季铵盐基团，取得了意料之外的技术效果，使抗菌效果有了5倍以上的提升。按照行业里的普遍认知，单个季鏻盐基团的抗菌活性会显著高于季铵盐基团，如果在3个抗菌活性明显更高的季鏻盐基团的基础上加上1个抗菌活性较弱的季铵盐基团和1个明显无抗菌活性的有机硅基团，其总体抗菌活性应该会只是比3个季鏻盐基团的抗菌活性提高34%以下，而本发明则发现其总体抗菌活性提升了5倍以上，非常意外。造成这一意外技术效果的原因暂时还不明了，还在继续研究中。
75.化合物在织物抗菌整理上的性能测试：将实施例1-7制得的化合物（3-1，3-2，3-3，3-4，3-5，3-6，3-7，5-1，5-2，5-3，5-4，5-5，5-6，5-7）分别与99份水配成抗菌整理剂溶液1-7。浴比1:15，将纯棉织物放入该抗菌整理剂溶液中浸泡10分钟，然后通过压辊，轧余率80%，再将织物放入150℃烘房焙烘5分钟，将织物从烘房取出，分别得到相应的抗菌织物。
76.抗菌织物抗菌性测试： 参考gb/120944.3-2008《纺织品抗菌性能的评价第3部分：振荡法》，菌种选择金黄色葡萄球菌（atcc 6538），大肠杆菌（atcc 25922），白色念球菌（atcc 10231），黑曲霉菌（atcc 16404），具体结果如表2所示。
77.表2 实施例1-7中化合物所制得抗菌织物的抑菌率
从上述实验结果可以看出，使用本发明的有机硅季鏻盐抗菌材料对棉质织物进行抗菌整理后所制得的抗菌织物具有非常优异的抗菌性能，对常见菌种（金黄色葡萄球菌atcc 6538，大肠杆菌atcc 25922，白色念球菌atcc 10231，黑曲霉菌atcc 16404）的抑菌效果都很好，抑菌率均有99.9%。并且，这些抗菌织物都具有良好的耐洗性，都能耐洗涤，50次洗涤后的抑菌率都在80%以上。更优异的是，当化合物分子式中l，m和n满足的和大于或等于6，且小于或等于30时，耐洗性尤其好，50次洗涤后的抑菌率都保持在99.9%，100次洗涤后的抑菌率都在60%以上，200次洗涤后的抑菌率也都还在50%以上。
78.同时，使用本发明的中间体化合物对棉质织物进行抗菌整理后所制得的抗菌织物也都具有非常优异的抗菌性能，对常见菌种（金黄色葡萄球菌atcc 6538，大肠杆菌atcc 25922，白色念球菌atcc 10231，黑曲霉菌atcc 16404）的抑菌效果都很好，抑菌率均有99.9%。不过，这些抗菌织物的耐洗性会相对来说要差一些，100次和200次洗涤后都已经基
本上没有了抗菌性，50次洗涤后大部分抗菌织物的抑菌率也有较大幅度的下降。由此可见，通过与有机硅试剂反应引入有机硅基团和季铵盐基团，使有机硅季鏻盐抗菌材料的耐洗性有了显著提升。
79.上述实例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人是能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围；凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。