（化学工程专业论文）反丁烯二酸基离子液体的合成及其抗菌性能研究.pdf

摘要 摘要 反丁烯二酸酯类是广泛使用的一类抗菌剂，它们的特点是抗菌谱广、对其它 生物毒性低、环境相容性好，但其水溶性差，在使用过程中易出现分层，极大地 影响了其使用效果。本论文以反丁烯二酸分子中的抗菌活性官能团a , f l - 不饱和羰 基结构为母体，一方面通过酯化反应形成反丁烯二酸单酯，以保证合成产物的亲 脂性；另一方面通过与季铵碱中和反应生成季铵盐，使其具有亲水性。即在两个 羧基部位分别引入咪唑季铵和单酯基，得到“两亲 反丁烯二酸基离子液体，并 初步研究了其抗菌活性。主要研究工作和结果如下： ( 1 ) 反丁烯二酸单酯的合成和表征 采用顺丁烯二酸酐与醇为原料，用无水三氯化铝为异构剂进行转型，合成一 系列的反丁烯二酸单酯，采用n m r 、f t i r 、熔点测定等方法对产品进行表征。 研究了物料比、异构剂种类、异构温度、异构时间、异构剂的用量等因素对反丁 烯二酸单甲酯和反丁烯二酸单辛酯产率的影响，并通过正交实验进一步优化异构 化工艺。结果表明，合成反丁烯二酸单甲酯的最佳异构化工艺条件为：异构温度 8 0 、异构时间2h 、异构剂三氯化铝0 79 0 1 1 页丁烯二酸酐质量的1 2 9 ) ，此条 件下反丁烯二酸单甲酯的产率为7 2 3 ；合成反丁烯二酸单辛酯的最佳异构化工 艺条件：异构温度1 0 0 、异构时间4h 、异构剂三氯化铝0 2g ( j i r 页丁烯二酸酐质 量的8 1 ) ，此条件下反丁烯二酸单辛酯的产率为6 1 9 。 ( 2 ) 烷基甲基咪唑季铵碱的合成和表征 采用n 甲基咪唑和卤代烷，在n 2 保护下合成烷基甲基咪唑季铵盐，然后过 阴离子交换柱，得到烷基甲基咪唑季铵碱，采用n m r 、f t i r 等方法对产品进行 表征。研究了物料比、反应温度、反应时间等因素对辛基甲基咪唑季铵盐产率的 影响。结果表明，合成辛基甲基咪唑季铵盐的最佳工艺条件：原料摩尔比 n ( c 4 h 7 n 2 ) n ( c s h i 7 8 0 为1 o 1 1 、反应温度6 5 ，反应时间2 5h ，烷基甲基眯唑 季铵碱的产率为9 8 5 。 ( 3 ) 反丁烯二酸基离子液体的合成和表征 反丁烯二酸单酯和烷基甲基咪唑季铵碱以等摩尔比进行中和反应，旋转蒸发 除去水分，得到反丁烯二酸基离子液体，采用n m r 、f t i r 、电导测定等方法对 摘要 产品进行表征，结果表明，所得到产物为反丁烯二酸基离子液体，且纯度较高， 易溶于水。 ( 4 ) 反丁烯二酸基离子液体的抗菌活性 采用光电比浊法和平板法测定反丁烯二酸基离子液体对细菌、霉菌、酵母的 抗菌效果。结果表明，反丁烯二酸基离子液体水溶性强，对供试的细菌、霉菌、 酵母均有较好的抗菌作用，抗菌效果优于常用的防腐抗菌剂山梨酸。其中，以带 有苯环的反丁烯二酸基离子液体效果最好，对金黄色葡萄球菌和枯草芽孢杆菌的 m i c ( 最低抑菌浓度) 为o 2g l ，对大肠杆菌的m i c 值为0 4g l 。对供试毛霉、 青霉、根霉、曲霉的m i c 值为0 4g l ，对啤酒酵母和白假丝酵母的m i c 值分别 为0 4g l 、0 6g l 。 反丁烯二酸基离子液体在p h 为4 9 时具有较好的抗菌活性，且在偏碱性环境 中抗菌能力更强，而常用的山梨酸只能用在酸性条件而不能在碱性条件下使用； 此外，反丁烯二酸基离子液体水溶性好，克服了反丁烯二酸单酯在水中溶解度小 的缺点；急性毒性试验结果为l d 6 0 m l k g 体重，表明该制剂无毒，且过敏性实验 也表明其不会造成皮肤过敏。综上，反丁烯二酸基离子液体有望成为新型抗菌剂。 关键词：反丁烯二酸基离子液体；合成；表征；抗菌性 a b s t r a c t a b s t r a c t t r a n s - b u t e n e d i o i ca c i de s t e r s ( m r f ) a r ew i d e l yu s e da sa n t i m i c r o b i c i d e s ， w h i c hh a v et h ea d v a n t a g e so fb r o a db a c t e r i c i d a ls p e c t r u m ，l o w - t o x i c i t ya n dh i 曲 e n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t y ，b u tt h e i ra n t i m i c r o b i a le f f e c t sa r es e r i o u s l ys h o r t e n e d b e c a u s eo ft h ep o o rs o l u b i l i t yi nw a t e r i nt h i sp a p e r ，伐8 - u n s a t u r a t e dc a r b o n y l ，t h e a n t i m i c r o b i a la c t i v i t yf u n c t i o n a lg r o u po ft r a n s - b u t - e n e d i o i ca c i d ，w a su s e da sm a t r i x o nt h eo n eh a n d ，s y n t h e s i s 谢t hm r fb ye s t e r i f i c a t i o ne n s u r e dl i p o t r o p yo ft h e p r o d u c t s ；o nt h eo t h e rh a n d ，c o m p o u n d i n g 丽t l li m i d a z o l y lm a i n t a i n dh y d r o p h i l i c i t y o ft h ep r o d u c t s t h a tw a s ，q u a t e r n a r ya m m o n i u mi m i d a z o l ea n dm o n o e s t e rw e r e i n t r o d u c e di n t ot h et w os i t e so ft h ec a r b o x y l i ca c i dr e s p e c t i v e l yt oo b t a i nf u m a r a t e b a s e di o n i cl i q u i d s ( r m i m 【m r f ) t h e nt h e i ra n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e sw e r es t u d i e d t h em a i nc o n t e n t sa n ds o m es u c c e s s f u lr e s u l t sh a v eb e e nl i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no fm r f as e r i e so fm r fw e r es y n t h e s i z e dt h r o u g hm i x i n gm a l e i ca n h y d r i d ew i t h a l c o h o la n di s o m e r i z a t i n g 、析t ha i c l 3 t h er e a c t i o nc o n d i t o n si n f l u e n c i n gt h ey i e l do f m m fa n dm o fs u c ha sm a t e r i a l sr a t i o ，t h et y p e so fi s o m e r i z a t i o nc a t a l y s t , i s o m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e ，i s o m e r i z a t i o nt i m e ，d o s a g eo fi s o m e r i z a t i o nc a t a l y s tw e r e i n v e s t i g a t e d o r t h o g o n a ld e s i g ne x p e r i m e n t sw e r ea l s oc a r r i e do u tt oo p t i m i z et h e s y n t h e t i ct e c h n o l o g i e s f u r t h e r m o r e ，d i f f e r e n tt e c h n i q u e s s u c ha s m e l t i n gr a n g e d e t e r m i n a t i o n ，f t i rs p e c t r o s c o p ya n dn m rs p e c t r o s c o p y w e r e a d o p t e d t o c h a r a c t e r i z et h ep r o d u c t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a li s o m e r i z a t i o n c o n d i c t i o n sw e r e ：i s o m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e8 0 ，i s o m e r i z a t i o nt i m e2h ，d o s a g eo f i s o m e r i z a t i o nc a t a l y s t0 7gf o rt h er e a c t i o no fm a l e i ca n h y d r i d ea n dm e t h o l 、砘t ht h e y i e l do fm m f o f7 2 3 ；i s o m e r i z a t i o nt e m p e r a t u r e10 0 ，i s o m e r i z a t i o nt i m e4l l ， d o s a g eo fi s o m e r i z a t i o nc a t a l y s t0 2g f o rt h er e a c t i o no f m a l e i ca n h y d r i d ea n do c t a n o l 谢t ht h ey i e l do f m o fo f 6 1 9 ( 2 ) s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no f 【r m i m o h 【r m i m xw e r es y n t h e s i z e db ym i x i n gn m e t h y l i m i d a z o l ea n dh a l o h y d r o c a r b o n a b s t r a c t u n d e rt h en 2a t m o s p h e r e ，t h e n 【r m i m o hw e r eo b t a i n e dt h r o u g ha n i o n e x c h a n g e t h er e a c t i o nc o n d i t o n si n f l u e n c i n gt h ey i e l do f 【r m i m b rs u c ha sm a t e r i a l sr a t i o ， r e a c t i o n t e m p e r a t u r e a n dr e a c t i o nt i m ew e r e i n v e s t i g a t e d o r t h o g o n a ld e s i g n e x p e r i m e n t sw e r ea l s oc a r r i e do u tt oo p t i m i z et h es y n t h e t i ct e c h n o l o g i e s d i f f e r e n t t e c h n i q u e ss u c ha sf t i rs p e c t r o s c o p ya n dn m rs p e c t r o s c o p yw e r ea d o p t e dt o c h a r a c t e r i z et h ep r o d u c t s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eo p t i m a ls y n t h e t i cc o n d i t i o n s w e r e n ( c 4 h t n 2 ) n ( c s h i 7 b r ) 1 0 i 1 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e6 5 ，r e a c t i o nt i m e2 5h f o rt h er e a c t i o no fc 4 h 7 n 2a n dc s h l 7 b r 诵t ht h ey i e l do f 【r m i m b ro f9 8 5 ( 3 ) s y n t h e s i sa n dc h a r a c t e r i z a t i o no f r m i m i m r f 】 【r m i m m r f 】w e r es y n t h e s i z e dt h r o u g hn e u t r a l i z a t i o n r e a c t i o nb e t w e e n m r fa n d 【r m i m i o h as e r i e so ft e c h n i q u e ss u c ha sf t i rs p e c t r o s c o p ya n dn m r s p e c t r o s c o p yw e r ea d o p t e dt oc h a r a c t e r i z et h ep r o d u c t s a l lt h ec h a r a c t e r i z a t i o nd a t a w e r ec o n s i s t e n tw i t ht h ee x p e c t e dc o m p o s i t i o n sa n ds t r u c t u r e s ( 4 ) a n t i m i c r o b i a la c t i v i t yo f 【r m i m 】 m r f 】 a n t i m i c r o b i a la c t i v i t ya g a i n s tb a c t e r i a , m o l da n dy e a s tw e r es t u d i e db y e m p l o y i n gt h ep h o t o e l e c t r i c i t yt u r b i d i m e t r i cm e t h o da n ds p r e a d p l a t em e t h o d t h e r e s u l t ss h o w e dt h a t r m i m m r f 】c o u l dr e m a r k a b l yi n h i b i tt h eg r o w t ho ft h o s e m i c r o b i a l ，w h i c hw e r eb e t t e rt h a nb e n z o i ca c i da n ds o r b i ca c i d a n t i m i c r o b i a la c t i v i t y o f 【r m i m i m r f 】w i t hp h e n y lw e r eb e t t e rt h a nt h a tw i t h o u tp h e n y l t h em i n i m a l i n h i b i t o r yc o n c e n t r a t i o n ( m i c 、f o rg r a m - p o s i t i v eb a c t e r i a ，g r a m n e g a t i v eb a c t e r i a 。 m o l d ，c e r e v i s i a ea n dca l b i c a n sw e r e0 2 ，0 4 ，0 4 ，0 4a n d0 6g lr e s p e c t i v e l y 【r m i m m r f 】p e r f o r m e ds t r o n g a n t i m i c r o b i a la c t i v i t yi np h 钆9 t h e a n t i m i c r o b i a la c t i v i t yo f 【r m i m 】【m r f 】i np h9w a sb e t t e rt h a nt h a ti np h5o rp h7 ， m e a n t i m e ，【r m i m i m r f 】d e m o n s t r a t e dg o o ds o l u b i l i t yi nw a t e r t o x i c i t yt e s tr e s u l t s s h o w e d 【r m i m i m r f 】w e r en o n - t o x i c ( l d 6 0 m l k gw e i g h t ) a n dt h ea l l e r g i c e x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a ti tw o u l dn o tc a u s es k i na l l e r g i e s t h e r e f o r e ， r m i m i m r f 】 w e r ee x p e c t e dt ob e c o m ean e wp r o m i s i n ga n t i m i c r o b i a la g e n t k e yw o r d s ：f u m a r a t eb a s e di o n i cl i q u i d ；s y n t h e s i s ；c h a r a c t e r i z e ；a n t i m i c r o b i a l a c t i v i t y 附录 符号对照表 符号名称 m l u 反丁烯二酸单酯 m m f 反丁烯二酸单甲酯 m e f 反丁烯二酸单乙酯 m o f 反丁烯二酸单辛酯 m p m f 反丁烯二酸单苄酯 m p e f 反丁烯二酸单苯乙酯 m p p f 反丁烯二酸单苯丙酯 【r m i m o h 咪唑季铵碱 【o m i m o h 辛基甲基咪唑季铵碱 【b m i m o h 丁基甲基咪唑季铵碱 【d c m i m o h 双阳离子咪唑季铵碱 【o m i m b r 溴化辛基甲基咪哗季铵盐 【b m i m c i 氯化丁基甲基咪哗季铵盐 【r m i m i m r f 】 反丁烯二酸基离子液体 【o m i m m r f 辛基甲基咪唑季铵型反丁烯二酸单酯 o m i m m m f 】 辛基甲基咪唑季铵型反丁烯二酸单辛酯 【o m i m m e f 】辛基甲基咪哗季铵型反丁烯二酸单乙酯 【o m i m m p m f 】 辛基甲基咪唑季铵型反丁烯二酸单苯甲酯 【o m i m i m p e f 】 辛基甲基咪哗季铵型反丁烯二酸单苯乙酯 【o m i m m p p f 】 辛基甲基咪唑季铵型反丁烯二酸单苯丙酯 【b m i m m o f 】丁基甲基咪唑季铵型反丁烯二酸单辛酯 【d c m i m m o f 】 双阳离子型反丁烯二酸单辛酯 1 1 9 厦门大学学位论文原创性声明 本人呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体己经发表的研究成果，均 在文中以适当方式明确标明，并符合法律规范和厦门大学研究生学 术活动规范( 试行) 。 另外，该学位论文为() 课题( 组) 的研究成果，获得() 课题( 组) 经费或实验室的 资助，在() 实验室完成。( 请在以上括号内填写课 题或课题组负责人或实验室名称，未有此项声明内容的，可以不作特 别声明。) 声明人( 签名) ：了粤毒匆也 2 p 明年c 月_ 7 e l 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人同意厦门大学根据中华人民共和国学位条例暂行实施办 法等规定保留和使用此学位论文，并向主管部门或其指定机构送交 学位论文( 包括纸质版和电子版) ，允许学位论文进入厦门大学图书 馆及其数据库被查阅、借阅。本人同意厦门大学将学位论文加入全国 博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和 摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于： () 1 经厦门大学保密委员会审查核定的保密学位论文， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 () 2 不保密，适用上述授权。 ( 请在以上相应括号内打“”或填上相应内容。保密学位论文 应是已经厦门大学保密委员会审定过的学位论文，未经厦门大学保密 委员会审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认 为公开学位论文，均适用上述授权。) 声明人：了鲁专 匕 川年c 7 月7 日 第一章文献综述 第一章文献综述 在一定时间内，使某些微生物( 细菌、真菌、酵母菌、藻类及病毒等) 的生长 或繁殖保持在必要水平以下的化学物质称为抗菌剂。抗菌剂的研究、开发始于 2 0 世纪8 0 年代初。目前，抗菌剂已在食品、医疗卫生、农业和化工等多个领域 得到广泛的应用。 应用于不同领域的抗菌剂所作用的物质对象可能不同，要杀死或抑制的主要 目标微生物和所达到的的杀菌或抑菌的要求可能也有一定的差异。医用抗菌剂主 要用于空气、器械、皮肤的杀菌，要求杀死所有的病原微生物，而用于食品工业 中生产环境、设备和工具的抗菌剂主要是要杀死致病菌和腐败菌，达到相应的卫 生要求，它们都被称为消毒剂；用于食品、饲料的抗菌n 贝, l j 主要是造成一个抑制 腐败微生物生长繁殖的环境，被称为防腐剂；用于农业的抗菌剂主要是为了杀死 导致植物出现病害的细菌、病毒和真菌，被称为杀虫剂；用于皮革、纺织、造纸、 塑料和橡胶等领域的抗菌剂主要是为了杀死或抑制霉菌，防止产品的霉变，称为 被防霉剂【l 】。 随着生活水平的提高，人们对生存环境的要求也越来越高。抗菌剂和抗菌材 料的生产已成为一个新兴的产业，世界各国对抗菌剂的研究更加重视。我国抗菌。 剂和抗菌材料的研究还处于发展的初期，具有很广阔的研究前景，在经济发展的 趋势下，抗菌剂及抗菌材料必将展现出蓬勃的市场生机。 1 1 抗菌剂的分类和作用 由于抗菌剂的种类很多，且其结构、来源、性质、效果和用途等方面都有很 大的差异，因此其分类方法也很多。根据化学结构，抗菌剂大体可归为：无机抗 菌剂和有机抗菌剂两大类。 1 1 1 无机抗菌剂 第一章文献综述 无机抗菌剂是2 0 世纪8 0 年代中期发展起来的，具有安全性、耐热性、耐久 性等特点，是纤维、塑料、建材等生活制品最适宜的抗菌剂品种。不足之处是价 格较高和抗菌的迟效性，不能像有机抗菌剂那样能迅速杀死细菌。主要应用于纺 织、塑料、涂料和陶瓷等方面。 无机抗菌材料又可进一步细分为含金属离子的材料、光催化材料等【2 】，如表 1 1 所示。 表1 - 1 无机抗菌剂分类 t a b 1 1i n o r g a n i ca n t i b a c t e r i a la g e n t s c l a s s i f i c a t i o n 无机抗菌剂实例 含金属离子材料 光催化材料 银、铜、锌等元素固定在沸石、磷酸 钙、粘土、s i 0 2 、活性碳中。 含t i 0 2 、z n 0 2 、c d s 、w 0 3 、s n 0 2 等无机氧化物。 含金属离子的材料，是指含金属及其化合物，主要是银、铜、锌等元素。应 用最多的是含银离子抗菌剂，原因是金属银的杀菌能力最强。含金属离子材料抗 菌剂的抗菌机理是当微量金属离子接触到微生物的细胞膜时，因细胞膜带负电荷 而与金属离子发生库仑吸引，导致金属离子穿透细胞膜，进入微生物内，与微生 物体内蛋白质上的巯基发生作用，使蛋白质凝固，破坏微生物合成酶的活性，并 可能干扰微生物d n a 的合成，造成微生物死亡1 3 j 。 光催化材料无机抗菌剂是主要有t i 0 2 、z n o 、c d s 、w 0 3 、s n 0 2 、f e 2 0 3 等 n 型半导体的催化材料，其中t i 0 2 的化学性能与光电化学性能稳定，对人体无毒 性，来源丰富，可使某些吸热反应在光照射的t i 0 2 微粒表面得以实现和加速，因 而，t i 0 2 光催化型无机抗菌剂最为常用【4 1 。 1 1 2 有机抗菌剂 有机抗菌剂可分为天然有机抗菌剂和合成有机抗菌剂。 2 第一章文献综述 1 1 2 1 天然有机抗菌剂 目前对天然抗菌剂的研究也比较广泛，种类也很多。如来自植物的种子、果 实、茎叶、树皮、花蕾等的提取物和香辛料制品；酵母提取物、柞蚕抗菌肽、细 菌所产生的乳链菌肽等细菌素；壳聚糖及其衍生物等海洋天然抗菌剂等，主要用 在食品方面。在食品中加入香辛料防腐有悠久的历史，用水蒸汽蒸馏或挥发性有 机溶剂提取的方法，可得到香辛料提取物，如肉桂提取物、胡椒提取物、丁香提 取物、辣椒提取物、迷迭香提取物、大蒜提取物等，提取物中包含有香辛料的主 要抗菌成分，这些成分多是酚类物质，如肉桂醛、百里香酚、丁香酚、苯甲醛、 水杨醛、香芹酚、香草醛、异龙脑酚，其对革兰氏阳性菌的作用比对革兰氏阴性 菌的作用更型5 1 。 最常用的天然有机抗菌剂是壳聚糖及其衍生物。早在19 7 9 年，就有研究者指 出，壳聚糖具有安全广谱的抗菌性能【6 】，壳聚糖只在酸性条件下显示出抗菌活性， 这使其应用范围受到很大限制。i 四) l l 大学的季莉等【7 l 利用环氧丙烷与壳聚糖反 应制备出的羟丙基壳聚糖，具有良好的溶解性能，添加这种抗菌剂的涤纶织物具 有较好的抗菌和抗静电性能。张艳艳等人【8 】采用异相合成法在壳聚糖分子结构中 的n 上引入季铵盐侧链，制备了壳聚糖衍生物羟丙基三甲基氯化铵( h a c c ) ，室温 下其在水中的溶解度可以达至l j l 0 ，具有较好的水溶性和较高的稳定性。天然抗 菌剂的使用安全性很高、对人体无毒、无刺激，但天然抗菌剂的加工性能极差， 高温下容易分解失效，从而使它的应用受到限制。 1 1 2 2 合成有机抗菌剂 合成有机抗菌剂的研究起步较早，制备工艺较成熟，其研究和应用主要集中 在欧、美等国家。合成有机抗菌剂种类繁多，一般可分为：有机酸类抗菌剂，如 丙酸、脱氢酸钠、山梨酸、苯甲酸等；酚类抗菌剂，如苯酚、对硝基苯酚、邻苯 酚等；季铵盐抗茵剂，如烷基二甲基乙酸铵、新洁尔灭等；有机酸酯类抗菌剂， 如反丁烯二酸二甲酯、反丁烯二酸单甲酯、尼泊金酯类、羟基苯甲酸酯类等。 季铵盐抗菌剂是比较常用的合成有机抗菌剂，结构可以表示为： 第一章文献综述 r n c h 3 r c h 3 c 广 结构式中r l 基链的长短对抗菌能力影响较大，当碳原子数为1 4 时，抗菌剂的抗菌 性能最强。r 2 为苄基及其衍生物时抗菌力比r 2 为甲基时高得多 9 1 。自1 9 3 5 年德 国人d o m a r k 发现烷基二甲基氯化铵的杀菌作用并利用其处理军服以防止伤口 感染以来，季铵盐类抗菌剂的研究一直是研究者关注的重点，目前该类抗菌剂已 经发展到第五代。f r a n k l i n i o j 发现长链烷基季铵盐基团就具有很强的抗菌性能， 这类抗菌剂的抗菌作用随季铵盐结构变化的一般规律是：随着烷基链的增长，抗 菌能力增强；但到一定长度，抗菌力反而下降。d o c h e r t y 等j 对咪唑盐、吡啶 盐离子液体的抗菌活性进行了研究，发现已基、辛基等长链离子液体对细菌、霉 菌和酵母菌均有较强的抗菌活性。2 0 0 0 年，n a g a m u n e 等【1 2 】合成了一系列新的、 对环境友好的双季铵盐抗菌剂。但是，由于季铵盐的大量使用使细菌、真菌等有 害微生物产生了耐药性，抗菌效果明显减弱。 2 0 世纪8 0 年代以后，开发的有机酸酯作为防霉防腐的抗菌剂已被广泛采 用。有机酸酯具有以下优点：( 1 ) 毒性较低，使用安全。( 2 ) 杀菌力极强，且具有 广谱性，对霉菌有特殊抑制效果，特别是对黄曲霉的抑制作用更佳。( 3 ) 一般使 用量仅为有机酸盐类的l 4 1 1 0 。( 4 ) 在p h 值3 8 都有极强的抗菌作用，即在酸性、 中性、碱性条件下都有很好的防霉、防腐效果。 其中有代表性为反丁烯二酸( 富马酸) 酯类防霉防腐抗菌剂，例如反丁烯二酸 二甲酯( d m f ) 、反丁烯二酸二乙酯( d e f ) 、反丁烯二酸二丙酯( d p f ) 、反丁烯二酸 二丁酯( d b f ) 、反丁烯二酸单甲酯( m m f ) 、反丁烯二酸单乙酯( m e f ) 、反丁烯二 酸单丁酯( m b f ) ，这些产品毒性甚低，高效抗菌作用，抗菌能力大于有机酸及其 盐类，且在p h 值3 8 之间均具有良好的抗菌作用，使用不受局限性，具升华特性， 既可直接也可不直接加入原料中，通过升华气体杀菌灭虫，使用方便，无残毒， 生产成本低，价格便宜。 反丁烯二酸二甲酯( d m f ) 是国外8 0 年代开发出来的一种抗菌剂，其抗菌效 果优于尼泊金酯类1 1 3 】。1 9 8 1 年美国食品与药品管理局正式批准反丁烯二酸及其 酯类作为食品添加剂。我国也曾将反丁烯二酸二甲酯列为食品抗菌剂试用种类。 4 第一章文献综述 但反丁烯二酸二甲酯的升华特性使其易沉积于接触部位的细胞间隙中，抑制细胞 呼吸而产生瘙痒、红肿、充血等过敏反应，严重时还会产生皮肤溃烂现象，因此 大大限制了其在食品中的使用。 为开发既能保持反丁烯二酸二甲酯的抗菌活性，又能克服其缺点的新型抗菌 剂，通过对反丁烯二酸二甲酯结构进行修饰得到非对称反丁烯二酸酯，如反丁烯 二酸单甲酯、非对称反丁烯二酸脂肪醇酯【1 耷1 7 1 、富马酸烷3 p g 酯【1 8 1 9 1 、反丁烯 二酸桂醇甘醇酯【2 0 1 、反丁烯二酸单糠醇酯钠【2 i 】、反丁烯二酸蔗糖甲酯【2 2 1 、反丁 烯二酸葡萄糖甲酯【2 3 】、反丁烯二酸淀粉甲酯【2 4 1 等。现有的研究表明，非对称富 马酸酯是一类具有良好防霉抗菌性能的化合物，对霉菌、酵母具有较好的抗菌效 果。 综上，两大类抗菌剂的主要优缺点列于表1 2 中。 表1 2 各类抗菌剂优缺点的比较 t a b 1 - 2c o m p a r i s o no fd i f f e r e n ta n t i m i c r o b i a la g e n t s 1 2 抗菌剂的作用机理 按照抗菌剂对微生物的主要作用性质，可将它们大致分为具有杀菌作用的 杀菌剂和仅具有抑菌作用的抗菌剂。实际上，抑菌和杀菌只是相对而言，并无绝 对界限。它与抗菌剂的性质、使用浓度及作用时间的长短有着密切的关系。抑菌 和杀菌常常不容易区分，同一物质，浓度高时可杀菌，浓度低时只能抑菌，作用 时间长可杀菌，作用时问短时只能抑菌。 第一章文献综述 另外，对微生物作用的物质，只有在以足够的浓度与微生物细胞直接接触的 情况下，才能产生作用，抗菌剂对微生物的作用主要表现为影响菌体的生长、孢 子的萌发、各种子实体的形成、细胞膜的通透性、有丝分裂、呼吸作用、细胞膨 胀、细胞原生质体的解体和细胞壁的受损等，实质上与微生物细胞相关的生理、 生化反应和代谢活动均受到了干扰和破坏，最终导致微生物的生长繁殖被抑制， 甚至死亡。 大量的实验证明，抗菌剂可以作用于菌体的许多部位，从细胞膜直至核糖体。 一种抗菌剂常常不仅作用于一个部位，而且还经常同时作用于几个部位，如不同 的抗菌剂对腐败菌的作用机理可能不同( 见表l - 3 ) 。 表1 - 3 不同的抗菌剂对腐败菌的作用机理 t a b 1 3t h em e c h a n i s mo fd i f f e r e n ta n t i m i c r o b i a la g e n t so ns p o i l a g eo r g a n i s m s 抗菌剂作用机理 乙醇 卤素 季铵盐 银 g 丙酸醇内酯 溶菌、蛋白质变性 破坏细胞膜、与酶蛋白反应 细胞膜受损、酶蛋白变性 阻碍电子传送系统、细胞膜损伤、与d n a 相结合 破坏细胞膜、与核酸成分反应 一般认为无机抗菌剂的作用机理是金属离子可与细菌或霉菌细胞中的s h 、 - n h 2 、c o o h 等基团发生化学反应，改变蛋白质的性质，破坏细胞合成酶的活 性，从而抑制细菌的繁殖能力。 有机抗菌剂的作用机理可以归纳为三个方面【2 5 】：( 1 ) 作用于微生物的细胞壁 和细胞膜系统，导致细胞结构受损，致使胞内物质外泄，或影响与膜有关的呼吸 链电子传递系统。如季铵盐因革兰氏阳性菌表面含磷壁酸( 酸性基团带负电荷) 而 极易吸附在其上面，引起该菌结构性损伤，导致细胞内含物露出。( 2 ) 作用于遗 传物质或遗传微粒结构，进而影响到遗传物质的复制、转录、蛋白质的翻译等。 如地茂散( 有效成分为二氯2 ，5 二甲氧基苯) 可以阻止8 5 9 0 的胸腺嘧啶加入 到立枯丝核菌菌丝体中去，也可阻止8 5 9 0 的尿苷加入到r n a 中去。( 3 ) 作 用于酶或功能蛋白，干扰正常代谢。例如甲醇、酚、乙醇等的抗菌剂都可破坏酶 6 第一章文献综述 蛋白的立体构型，使酶变性失活。 总之，抗菌剂对微生物的抑制作用是通过影响细胞亚结构而实现的，这些亚 结构包括细胞壁、细胞膜、与代谢有关的酶、蛋白质合成系统及遗传物质。由于 每个亚结构对细胞都是必需的，因此抗菌剂只要作用于其中的一个亚结构便能达 到杀菌或抑菌的目的。 1 3 抗菌效果的主要影响因素 d e n y e r 2 6 】认为抗菌剂与菌之间的作用可分为下面几个阶段：( 1 ) 抗菌剂被细 胞吸收。这是抗菌剂起作用的启动步骤，这一过程受到细胞与抗菌剂的物理化学 性质所影响。( 2 ) 抗菌剂接近作用部位。在接近作用部位的过程中，抗菌剂将遇 到来自不同菌的不同敏感性和不同结构的干扰。( 3 ) 抗菌剂起破坏作用。抗菌剂 集中在预期的目标的浓度并成功地和目标相互作用情况是抗菌剂发挥效果的重 要因素。 影响抗菌剂抗菌效果的主要因素有以下几个方面： 1 3 1 抗菌剂的结构 抗菌剂的种类不同，其化学结构存在差异。抗菌剂抑杀微生物的特性是由其 化学结构决定的，具有对微生物起毒害作用的活性基团( 或) 元素是抗菌剂的基本 条件。 宁正祥等【27 】对食品防腐抗菌剂的抗菌机理进行了研究，发现抗菌效果好的 的抗菌剂含有a , f l - 不饱和羰基结构，如图1 1 所示。这些防腐抗菌剂主要是抑制 微生物的呼吸作用，导致所有的合成代谢受阻，活性的动态膜结构不能维持，代 谢方向趋于水解，最后产生细胞自溶。他们对抗菌剂的抗菌机理及构效关系也进 行了探讨，指出：电子容纳( 接受) 中心和电子供给中心组成的中继系统是抗菌剂 体现强抗菌活性的反应活性中心的必备分子结构条件。最常见的有醛基、羧基和 醇基等，负电中心原子醇基氧或醛基氧原子在亲核反应中供给电子的能力与其相 连的正电中心原子醇基碳或羰基碳原子在亲电反应中容纳电子的能力越高，则抗 7 第一章文献综述 菌剂的抗菌活性越强。量子化学的计算还发现由相距约o 2 5a m 左右的电子供 纳中心组成的中继系统最有效。因此，巩伊不饱和羰基结构是抗菌剂表现抗菌活 性的最有效功能性结构。羟基苯甲酸酯类、山梨酸类、苯甲酸类、富马酸酯类等 都含有a , f l - 不饱和羰基结构，分子中由羰基氧和a 碳组成相距约o 2 5n l n 左右的 中继系统，羰基p 电子与相邻烯键7 1 ：电子间形成的共轭效应具有强的电子缓冲能 力，具有强的抗菌活性。 r ，一之一。 r ， 一 7 时会离解成负离子，失去抗菌活性。 1 4 反丁烯二酸基离子液体的合成 反丁烯二酸基离子液体的合成方法目前尚未见报导，但其前体反丁烯二酸单 酯和烷基甲基咪唑季铵盐( 离子液体) 早有所见。 1 4 1 反丁烯二酸单酯的合成 反丁烯二酸单酯和反丁烯二酸二酯的合成都属于酯化反应。酯化的方法很 多，如：羧酸与醇或酚作用；酯与另一种醇作用，进行醇的交换一醇解；酯与另 一种酸作用进行酸的交换一酸解；酯与另一种酯作用，在两种酯间进行烷基的交 换；酸酐、酰氯与醇或酚作用；羧酸赫与卤代烷或卤代芳烃作用；烯酮与醇发生 加成作用等【3 。 目前合成反丁烯二酸单( 二) 酯的工艺主要有以下两种： 一种是用反丁烯二酸与醇在催化剂( 硫酸3 2 。4 1 、杂多酸3 5 3 7 】、对甲苯磺酬3 8 , 3 9 1 、 固体超强酸【4 0 4 2 1 、结晶氯化铁【4 3 】、硫酸氢钠【4 4 】等) 作用下酯化制得，合成路线如 下： o 0 ho c ， h c c h c o h l o o i l ho c ， h c c 珏 c o r l o 要得到反丁烯二酸单酯，要注意原料的配比，由于反应可逆，醇量不能过多( 易 生成反丁烯二酸二酯) ，致使反应的收率较低。 另一种是先以顺丁烯二酸酐与醇作用制取顺丁烯二酸单酯( 可用的催化剂有 硫酸【4 5 1 、固体杂多酸4 6 1 、磷酸 4 5 - 4 7 】，再异构化为反丁烯二酸单酯，采用的异构 1 0 第一章文献综述 剂( 碘【4 8 1 、盐酸【4 9 - 5 、吡啶【5 2 1 、反丁烯二酸单酯单酰氯【5 3 5 4 】及氯化铝【5 4 ，5 5 】等) ，有 的合成反应在微波条件下进行【5 6 。5 7 1 。合成路线如下： h c = c t i i c c o v 。h 。一葛一c 芝一。r h 。一三0 一c 三二二r _ a h 可 、( i _ 。r 因为顺丁烯二酸酐活性较大，易与醇生成马来酸单酯，位阻效应使得副反应 难以发生，所以此种方法的应用更为广泛。 1 4 2 烷基甲基咪唑季铵碱的合成 离子液体( i o n i cl i q u i d ) 又称为室温离子液体、室温熔融盐、有机离子液体等， 目前还无统一的名称，但倾向于简称离子液体【5 引。离子液体由有机阳离子或无 机和有机阴离子构成，在室温或室温附近温度下呈液态，蒸汽压低，不易挥发， 所以不会逃逸损失，不会造成污染。 离子液体具有以下优点：( 1 ) 与传统的有机溶剂相比，其蒸气压极小，不挥发， 不易燃易爆，不易氧化，是一种理想的有机溶剂；( 2 ) 对许多无机和有机材料表 现出良好的溶解能力；( 3 ) 可以通过改变组成，调节酸性和其它物理化学性质；( 4 ) 导电性好，具有较宽的电化学窗口，对于电化学具有独特的作用和意义；( 5 ) 有 些离子液体具有对空气和水均稳定，便于反应操作处理和易于回收的优点。咪唑 类离子液体以其对水和空气的稳定性、对有机溶剂和无机盐的特殊溶解性，广泛 应用于分离过程【5 9 。6 1 1 、电化掣6 2 - 6 4 、化学反应( 烷基化反应【6 5 1 、d i e l s - a l d e r 反应 6 6 】、f r i e d e l c r a f t s 反应【6 7 1 、b e c k m 猢重排反应【6 8 】) 等领域。 当前研究的离子液体，阳离子主要有三类季铵：咪唑离子、吡啶离子、季铵 离子( 也可是季鳞，但用得极少) ；其中最稳定的是烷基取代的咪唑阳离子。许多 离子液体用系统命名时名称很长，为叙述方便，通常用简记法，正离子的记法： n ，n ( 或l ，3 ) 取代的咪唑离子记为 r l r 3 i m + ，如n 乙基n 甲基咪唑离子记为 e m i m 】+ ，若2 位上还有取代基则记为 r l r 2 r 3 i m 】+ ；吡啶离子的n 原子上有取代 第一章文献综述 基r 则记为【i 冲y 】+ 。 足k 跌r 1 l m w r 掣rr 絮r r 2 n r 烷基铵阳离子 烷基鳞阳离子n ，n - 一二烷基咪唑阳离子n 一烷基毗啶阳离子 图1 2 阳离子离子液体【6 9 】 f i g 1 - 2 c a t i o ns t r u c t u r eo fi o n i cl i q u i d 阴离子主要分成两类【7 0 1 ，一类是多核阴离子，如a 1 2 c 1 7 - 、a 1 3 c i l o - 、a u 2 c 1 7 - 、 f e 2 c b - 、s b 2 f l l 一、c u 2 c 1 3 一，这类阴离子是由相应的酸制成的，一般对水和空气不 稳定；另一类是单核阴离子，如b f 4 - 、p f 6 - 、n 0 3 - 、n 0 2 - 、s 0 4 2 、c