（物理化学专业论文）稀土抗菌配合物及其纳米复合抗菌材料的研究.pdf

摘要 生物化学和药物化学方面的研究证明，稀土配合物具有良好的抗菌活性，可以 用来研制新型的抗菌剂和抗菌材料。本论文在大量文献调研基础上，综述了稀土抗 菌配合物以及抗菌剂、抗菌材料的研究进展：合成了稀土羧酸类抗菌配合物以及掺 杂稀土配合物的纳米复合抗菌材料。主要工作如下： l 、采用低热固相法分别合成了8 种水杨酸稀土配合物和8 种稀土水杨酸8 羟基瞳 啉三元混配配合物，并通过元素分析、紫外漫反射光谱、红外光谱、x 射线粉末衍 射、热重差热分析等手段对配合物进行了表征；采用琼脂扩散法( 平板抑菌法) 和最 小抑菌浓度法( m i c ) 试验了配合物的抗菌性能。在实验的基础上，初步探讨了配合物 的抗菌机理和影响稀土配合物抗菌性能的因素。实验结果表明，8 一羟基喹啉的加入， 不仅有利于低热固相反应的迅速发生和完成，而且能够增强配合物的抗菌活性。 2 、以t e o s 为前驱体，在表面活性剂存在的条件，采用溶胶凝胶法原位合成了 掺杂不同稀土配合物的有机无机纳米复合抗菌材料，并通过红外光谱、x 射线粉末 衍射、透射电子显微镜、原子力显微镜、热重差热分析等手段对所得到的纳米复合 材料的组成和结构进行了表征和分析。讨论了表面活性剂的种类f 阳离子、阴离子以 及非离子表面活性剂) 、用量、浓度等因素对纳米复合材料组成和结构的影响。分析 结果表明：表面改性后的纳米复合抗菌材料形状比较规则，尺寸比较均匀，在常见 的溶剂中分散性较好。 3 、讨论了稀土配合物的种类、掺杂量等因素对纳米复合抗菌材料抗菌性能的影 响；探讨了溶胶凝胶法对纳米复合材料的热稳定性和抗菌性能的影响及原因。抗菌 实验结果表明：纳米复合抗菌材料的抗菌活性与掺杂稀土配合物的种类和比例有很 大关系；相同条件下，纳米粒子的大小对抗菌剂的抗菌活性影响不大。最后我们还 对纳米复合材料的形成机理以及表面活性剂的作用进行了讨论。 在论文的最后我们对整个硕士论文工作进行了总结，提出了不足之处及展望。 关键词：稀土配合物；纳米复合抗菌材料；固相反应：水杨酸钠：8 羟基喹啉 溶胶凝胶法；原位；表面活性剂 a b s 竹a c t r a r ee a r t hc o m p l e x e sh a v eag o o da n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e s ，w h i c hi sm a n i f e s t e db y t h eh u g en u m b e ro f p u b l i c a t i o n sr a n g i n gf r o mp h a r m a c e u t i c a lc h e m i s t r yt ob i o c h e m i c a l r e l e v a n ts t u d i e s ，i tc a nb eu s e dt o s y n t h e s i z en o v e la n t i m i c r o b i a la g e n t sa n dm a t e r i a l s b a s e do nd e t a i l e di n v e s t i g a t i o no fag r e a td e a lo fr e l a t e dl i t e r a t u r e s ，t h er e c e n tp r o g r e s si n t h ef i e l do fr a r ee a r t ha n t i m i c r o b i a lc o m p l e x e sa sw e l l 髂a n t i m i c r o b i a ia g e n t sa n d m a t e r i a l sw a sr e v i e w e d m e a n w h i l e ，ag r e a td e a lw o r kh a v eb e e nd o n eo nt h es y n t h e s i so f a n t i m i c r o b i a lr a r ee a r t hc o m p l e x e sa n dn a n o c o m p o s i t ea n t i m i c r o b i a lm a t e r i a l sd o p e dr a r e e a r t hc o m p l e x e s t h em a i na c h i e v e m e n t si nm yw o r ka r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 e i g h ts a l i c y l i cc o m p l e x e s o f r a r ee a r t ha n de i g h tr a r ee a r t ht e m a r yc o m p l e x e sw e r e s u c c e s s f u l l ys y n t h e s i z e db ys o l i d s t a t er e a c t i o na tl o wt e m p e r a t u r e t h ec o m p l e x e sw e r e c h a r a c t e r i z e db ye k u v , i r ，x r da n dt g - d t a m o r e o v e r ，t h ea n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e so f t h es a m p l ew e r et e s t e db y p l a n tm e t h o da n dm i c ，t h ea n t i m i c r o b i a lm e c h a n i s mo f r a r e e a r t hc o m p l e x e sa n dt h ef a c t o rw h i c ha f f e c tt h ea n t i m i c r o b i a lp r o p e n i e so ft h es a m p l e w e r ea l s o p r i m i a r i l yd i s c u s s e do nt h e b a s eo fe x p e r i m e n t t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e a d d i t i o no ft h e 8 - h y d r o x y q u i n o l i n eh e l pt h e r e a c t i o nh a p p e na n dc o m p l e t e ，b u ta l s o i n c r e a s ea n t i m i c r o b i a la b i l i t i e so f t h ec o m p l e x e s 2 n o v e lo r g a n i c - i n o r g a n i cn a n o c o m p o s i t ea n t i m i c r o b i a lm a t e r i a l sd o p e dr a r e e a r t hc o m p l e x e sw e r ei n - s i t us y n t h e s i z e db ys o l - g e lp r o c e s so fs i l i c o nt e t r a e t h o x i d e i nt h ep r e s e n c eo fs u r f a c t a n t t h es a m p l e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yi r 、x r d 、t e m 、 a f ma n dt g - d t a ，a n dt h er o l e so fs u r f a c t a n ti nt h ef o r m i n go fs a m p l ew e r ea l s o d i s c u s s e d ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h em o d i f i e ds a m p l eh a dar e g u l a rs h a p e ， u n i f o r ms i z ea sw e l la sg o o dd i s p e r s ei nc o m m o ns o l v e n t s 3 t h ef a c t o r sw h i c ha f f e c ta n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e so ft h es a m p l es u c ha sk i n d s o fr a r ee a r t hc o m p l e x e s ，t h ea m o u n to fd o p e dw e r ed i s c u s s e d m o r e o v e r ，t h ee f f e c t s o fs o l g e l p r o c e s so nt h e h e a ts t a b i l i t ya n da n t i m i c r o b i a lp r o p e r t i e so ft h es a m p l e w e r ea l s od i s c u s s e d t h er e s u l t sd i s p l a y e dt h a tt h ea n t i m i c r o b i a la c t i v i t i e sh a dg r e a t r e l a t i o nt ot h ev a r i e t ya n dp r o p o r t i o no ft h ed o p e dr a r ee a r t hc o m p l e x e s h o w e v e r ，i n t h es a m ec o n d i t i o n s ，t h es i z eo ft h e , s a m p l eh a dal o w e re f f e c to na n t i m i c r o b i a l a c t i v i t i e so ft h es a m p l e i nt h ee n d ，f o r m i n gm e c h a n i s mo ft h eu n i f o r mp a r t i c l e sa n d t h er o l eo ft h es u r f a e t a n tw e r ea l s od i s c u s s e d a tl a s t ，t h ew h o l ew o r kh a sb e e ns u m m a r i z e da n dt h ep r o s p e c t i v e f o l l o w i n g t h e s e w o r ki nt h ep r e s e n tt h e s i sa r es u g g e s t e d k e y w o r d s ：r a r ee a r t hc o m p l e x e s ；n a n o c o m p o s i t ea n t i m i c r o b i a lm a t e r i a l s ；s o l i d - s t a t e r e a c t i o n s ；s o d i u ms a l i c y l a t e ；8 一h y d r o x y q u i n o l i n e ；s o l g e l ；i n s i t u ；s u r f a c t a n t v 上海师范大学硕士学位论文 第一章前言 现代科学技术的迅速发展，在给人们生活带来极大方便的同时，也造成了一 定的环境污染和恶化。随着现代人生活水平的不断提高，人们对生活质量的要求 也越来越高，对所处的环境和自身的健康越来越重视，拥有健康、环保的生存空 间和居住环境是每个家庭的梦想。在这种需求之下，抗菌材料的发展如火如荼， 各种抗菌制品例如抗菌家电、抗菌涂料、抗菌纤维、抗菌塑料、抗菌陶瓷以及生 活保健用品等等应运面生，并获得迅速发展。抗菌材料将在人们的日常生活中扮 演着越来越重要的角色。 1 1 抗菌剂和抗茵材料的研究进展 在这里，首先介绍一下经常提到的一些说法。所谓抗菌，实际上指抗各种微 生物的功能，包括抗细菌、真菌甚至病毒等多种微生物，是一种广义的抗菌概念 i ”。在实际应用和操作中( 如行业制定的抗菌性能测试标准) ，往往还将仅具备 抗细菌功能的材料也叫抗菌材料，这是狭义的抗菌概念。实际应用中，对于能够 杀灭和抑制微生物的材料，人们通常都叫抗菌材料，材料自身具有抑制和杀灭微 生物的功能，通常也叫抗菌性能，广义和狭义的抗菌概念往往是混合使用上。 抗菌材料是指自身具有杀灭或者抑制微生物功能的一类新型功能材料【2 l 。在自 然界中有许多物质本身就具有良好的杀菌和抑制微生物的功能，如带有特定基团 的有机化合物，一些无机金属材料及其化合物、部分矿物和天然物质。但是目前 抗菌材料更多的是指通过添加一定的抗菌物质( 称为抗菌剂) 从而使材料具有抑制或 者杀灭其表面细菌能力的一种新型功能材料。抗菌材料的研制和生产的核心是抗 菌剂的研制和生产。 所谓抗菌剂是指一些微生物高度敏感、少量添加到材料中即可赋予材料抗微 生物性能的化学物质，也就是说抗菌剂是能使细菌、真菌等微生物不能发育或能 抑制微生物生长的物质 3 - 5 。 1 1 1 抗菌剂的特征 评价和选择抗菌剂应充分考虑以下因素： a 抗菌性能 目前对于能够杀灭或者抑制微生物，我们都可以总称为具有抗菌性能。抗菌 性能的好坏主要取决于使用的抗菌剂。抗菌剂对微生物的作用与抗菌剂的浓度以 上海师范大学硕士学位论文 及作用时1 1 日j 的长短有密切关系。许多药物在低浓度时只有抑菌作用，浓度增大或 作用时间长时，可体现出杀菌作用。抗菌效果可通过抑菌圈法、抑制微生物发育 繁殖的抗菌剂最低浓度( m i n i m u mi n h i b i t o r yc o n c e n t r m i o n ，m i c ) 和杀灭微生物的最低 浓度( m i n i m u mb a c t e r i c i d a lc o l l c e l l l a - t i o n ，m b c ) 等来体现。抑菌圈越大；m i c 或 m b c 越小，抗菌剂的抗菌效果越好。 b 抗菌谱 微生物的种类很多，抗菌剂一般只能对部分特定的微生物种类表现出抗菌活 性，而对其他微生物没有抗菌性。抗菌剂能表现抗菌活性的微生物种类集合称为 该抗菌剂的抗菌谱( a n t i m i c r o b i a ls p e c t r u m ) 。能对许多种微生物同时表现出抗菌活 性的抗菌剂称为广谱抗菌剂。广谱抗菌性包含两种含义：一是抗菌剂对细菌、霉 菌、真菌等多种微生物种类有抑制作用；二是对每类微生物的各个种属都有抗菌 性。 c 持久性 部分抗菌剂在光、热等作用下可能会逐渐分解或者衰解而逐渐失去抗菌作 用，而且在使用过程中经历洗涤溶出等因素或者逐渐散发到环境中引起抗菌性能 的下降。因此抗菌性能的持久性是抗菌剂一个很重要的评价标准。 d 加工适应性和硎候性 一般抗菌剂都需要结合材料才能制备成相应制品使用，所以选择的抗菌剂要 和相应基材有良好的相容性，能够适应基材的加工要求。如塑料加工温度一般在 1 5 0 3 0 0 。c ，用于塑料的抗菌剂就需要能够耐受1 5 0 3 0 0 。c 温度不变性。 另外，抗菌材料和抗菌制品经常是在居室、办公室或露天场合使用，受气候 影响较大，所以抗菌剂需要一定的耐候性，包括耐紫外光、可见光、热、空气等 因素，不能使用一段时间后很快出现抗菌性能的改变或在物理性能、外观等方面 出现明显变化，导致制品无法使用或者功能下降。 e 稳定性和安全性 保持抗菌剂在加工、贮存和使用过程中的稳定性是对抗菌剂的个重要要 求。而抗菌剡的安全性包括两个方面：一方面是抗菌剂在使用过程中的安全性； 另一方面是使用过程中根据使用场合所需的生物安全性。使用过程中安全性要求 抗菌剂在佼用过程中对人和环境无毒无害，加工过程中不产生毒烟、毒雾等物 质，对加工人员的皮肤、眼睛没有刺激作用。生物安全性是抗菌剂本身的个重 上海师范大学硕士学位论文 要性能包括抗菌荆的急性毒性、亚急性毒性、慢性毒性、对皮肤致敏性、致癌 性、遗传毒性等。 f 价格 抗菌剂要有适宜的价格，适宜的价格是针对使用对象的价值和使用价值相对 而言。 当然，要研制或筛选出完全满足上述要求的抗菌剂是困难的。每种抗菌剂都 有自己的特点，可能在一些方面表现出长处，而在另些方面显示出短处，实际 选用时，可以根据具体情况选择合适的抗菌剂。 1 1 2 抗菌剂的分类及作用机理 根据基质材料的不同，现有的抗菌剂可以分为无机抗菌剂、有机抗菌剂两大 类1 6 。7 】。早期的研究主要着眼于有机抗菌剂，但是有机抗菌剂在使用安全性、抗菌 持久性、热稳定性等方面存在不足；近年来许多科研单位以及公司把研究的重点 转移到无机抗菌剂上，希望借助无机材料固有的稳定性、较高的安全性等开发出 比较好的无机抗菌剂。下面我们简要介绍一下这两大类抗菌剂： a 、无机抗菌剂 无机抗菌剂主要是利用银、铜、锌等金属及其离子的杀菌或抑菌能力制得的 一类抗菌剂。人类很早就有利用银、铜、锌金属及其化合物杀菌的事迹记载，最 早明确提出a g + 可以杀菌的是瑞士的植物学家拉克林，他发现】0 8 m o l l 浓度的 a g + 就可以杀灭藻类中的细菌，随后人们发现铜、锌等许多金属离子也有抗菌性 能。但是由于汞、铅等金属及其化合物的毒性较强，不适合作为普通场合的抗菌 剂使用；铜类化合物往往带有较深的颜色，也限制了其作为抗菌荆使用的范围。 在所有的金属离子中银离子是最低抑菌浓度最小的品种之一，而且无毒无 色，十分适合用于制备抗菌剂，所以目前制备无机抗菌剂通常使用的是银离子及 其化合物。但是由于银盐具有很强的光敏反应，遇光或者长期保存都极易变色， 而且有效抗菌成分很难固定，在接触水时银离子很容易析出导致抗菌性能下降， 加上使用银离子及其化合物价格是个很大的问题，很难具有应用价值。为了解决 这些问题，人们采用各种内部有空洞结构而且能牢固负载金属离子的材料或者能 与金属离子形成稳定的螯合物材料作为载体附载金属离子等手段来解决银离子变 色问题，控制离子释放速度，提高离子在材料中的分散性以及离子和材料的相容 性的问题。通过物理吸收或离子交换等方法将无机抗菌成分固定在载体上制成抗 上海师范大学硕士学位论文 菌剂。载体材料主要有沸石 8 1 、蒙脱土【、硅胶m j 、羟基磷扶石“引、复合磷酸 盐【悼i 、磷酸锆【1 7 - 1 9 、硅酸赫【2 0 1 以及无机氧化物1 2 1 等。 另外，同金属离子一样，许多金属氧化物也具有一定抗菌性能。目前常见的 抗菌金属氧化物主要是z n o 和t i 0 2 。z n o 粉末具有一定的抗菌性能，但其抗菌性 能较弱，很少单独用作抗菌剂，一般用作其他金属离子的载体或作为辅助抗菌剂 组分。 t i 0 2 是目前最常见的光催化型抗菌剂。该类抗菌剂毒性低，对人体安全，对皮 肤无刺激。抗菌能力强，抗菌谱广，具有即效抗菌效果，t i 0 2 抗菌作用发挥仅需 l h 左右【i 】。t i 0 2 抗菌作用的发挥是通过催化作用进行的，本身并不象其他抗菌剂 会随着抗菌剂使用逐渐消耗而效果慢慢下降，所以光催化型抗菌剂具有持久抗菌 性能。因此光催化型抗菌剂也成为抗菌材料研究热点之一。 目前光催化型抗菌剂主要为锐钛型t i 0 2 抗菌剂，其抗菌机理是基于光催化反 应，使包括微生物在内的各种有机物分解而具有抗菌性能】。t i 0 2 在光作用f 在 表面可以产生大量的羟基自由基和氧自由基，而这两种自由基都具有很强的化学 活性，能使各种微生物发生有机物质氧化反应。当这些自由基接触到微生物时 也能和微生物内的有机物反应，从而能在较短时间内就能杀灭微生物。因为自由 基和微生物内有机物反应没有特异性，所以光催化型抗菌剂具有广谱抗菌性，对 细菌、霉菌、真菌、病毒等多种微生物都有较好的抑制和杀灭作用。 无机抗菌剂是广谱抗菌剂，属于离子溶出接触型抗菌剂，其抗菌作用是被动 式的。目前对金属离子抗菌的作用机理有以下两种解释。 ( ) 接触反应机理 会属离子接触微生物，使微生物蛋白质结构破坏，造成微生物死亡或产生功 能障碍。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，使两者牢固结合，即所谓的微动力效应( o l i g o d y n a m i ce f f e c t ) ， 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反 应。此反应使蛋白质凝固，破坏微生物合成酶的生物活性，并干扰微生物d n a 的 合成，造成微生物丧失分裂增殖能力而死亡。同时金属离子和蛋白质的结合还破 坏了微生物的电子传输系统、呼吸系统和物质传输系统。由于金属离子一般负载 在缓释性载体上，在使用过程中具有抗菌性能的余属离子逐渐释放，而在低浓度 上海师范大学硕士学位论文 下抗菌余属离子就有抗菌效果，因此通过抗菌金属离子的释放，无机抗菌剂可发 挥持久的抗菌效果。 ( 二) 活性氧机理 活性氧机理假说认为，加入抗菌剂后，材料表面分布着微量的金属元素，能 起到催化活化中心的作用。该活性中心能吸收环境的能量，激活吸附在材料表面 的空气或者水中的氧，产生羟基自由基和活性氧离子，它们具有很强的氧化还原 能力，能够破坏细菌细胞增殖能力，抑制或杀灭细菌，产生抗菌性能。 b 、有机抗菌剂 与溶出型无机抗菌剂相比，有机抗菌剂开发应用要旱得多，生产工业也成熟 得多，而且在某些领域中有机抗菌剂有着不可替代的作用，如有机抗菌剂的抗菌 作用速度要比无机抗菌剂快得多，在材料中添加的可操作性也要比无机抗菌剂好 得多，在贮存和使用过程中颜色稳定性也比无机抗菌剂好。有机抗菌剂对微生物 的抑制作用往往具有一定的特异性，可咀根据使用场合和需要的不同选择合适的 有机抗菌剂来提高材料的性能。 有机抗菌剂品种很多，常用的有胺类、季铵盐类有机抗菌剂、酚类有机抗菌 剂、吡啶类有机抗菌剂、三嚷类有机抗菌剂、腈类有机抗菌剂、有机金属抗菌 剂、昧唑类有机抗菌剂等许多类。一种有机抗菌剂对微生物的毒杀和抑制性能一 方顽取决于该抗菌化合物所带的能够发挥毒性的基团；另一方面也与该化合物的 取代基特性( 如亲水性和亲油性等) 、分子中各原子及基团的排列、空削分布、分子 反应性能等密切有关。 有机抗菌剂和无机抗菌剂抑制细菌的作用是不同的，有机抗菌剂的主要作用 机理是通过和微生物细胞膜表面阴离子结合逐渐进入细胞，或与细胞表面的巯基 等基团反应，破坏蛋白质和细胞膜的合成系统，抑制微生物的繁殖。 有机抗菌剂品种繁多，各种微生物的菌体间也各不一样，其作用机理也随着 种类而不同。一般可通过如下途径： ( 1 ) 降低或消除微生物细胞内各种代谢酶的活性，阻碍微生物的呼吸作用。 ( 2 ) 抑制孢子发芽时孢子的膨润，阻碍核糖核酸的合成，破坏孢子的发芽。这 一机理对抑制产生孢子的微生物有重要意义，尤其是对于抑制霉菌生长和繁殖有 重要意义。 ( 3 ) 加速磷酸氧化体系，破坏细胞的正常生理机能。 上海师范大学硕士学位论文 ( 4 ) 阻碍微生物的生物合成，干扰微生物生长和维持生命所需物质产生过程。 ( 5 ) 破坏细胞壁的台成 1 1 3 影响抗菌剂性能的主要因素 ( ) 抗菌剂 1 抗菌剂的组成和性质 抗菌剂本身的结构、性能和状态是决定和影响抗菌剂抗菌性能的最主要因 素。目前使用的抗菌剂种类很多，每个品种对微生物的抗菌作用机理及m i c 、 m b c 都不尽相同，因此抗菌性能也不致。 2 防霉剂的溶鳃度与分散度 抗菌剂在基材中的分散状态也是直接影响抗菌材料抗菌性能的主要因素之 一。抗菌剂本身的存在状态很多，在抗菌材料中以固体形式存在的抗菌莉的颗粒 大小、分布均匀性等因素都直接影响抗菌材料的抗菌性能。一般来说，以固体颗 粒形式分散在抗菌材料中的抗菌剂存在颗粒越小抗菌性能越好。 3 抗菌剂的浓度 一般来说，浓度越高，抗菌剂的抗萄性能越好。 但是在实际应用中抗菌剂在材料中往往不是均匀分布在材料中，而是在材料 中有一定的浓度分布梯度。 ( 二、微生物 i 微生物种类和生理构造 2 微生物生理状态和变异状况 ( 三) 环境因素 1 温度2 气体环境3 p h 值4 营养物质 1 1 4 抗菌剂和抗菌材料的现状和发展趋势 对抗菌剂和抗菌材料的全面研究和应用也仅仅是近几十年的事。1 9 3 4 年， t i s d a l e 与w i l l i a m s ( 美国注册) 和m a r t i n 不约而同地各自报道二硫代氨基甲酸盐 化合物的杀菌能力，标志着近代有机杀菌剂研究的开始1 ，孓5 1 。1 9 3 5 年，德国人 g d o m a r k 采用季铵盐处理军服以防止伤员的伤口感染，从此揭开了现代抗菌材料 研究和应用的序幕。 。 国外抗菌材料的系统大规模研究始于2 0 世纪8 0 年代初，欧美开始主要集中研 究有机抗菌剂，但是总体的规模和影响都不是很大。抗菌材料研制和应用最为发 6 上海师范大学硕士学位论文 达的是同本。门本在2 0 世纪8 0 年代开始集中研究银系无机抗菌剂及其在各种材料 中的应用，并发展迅速。 中国科学家早就注意到抗菌材料的巨大潜在需求和良好的发展前景。2 0 世纪 9 0 年代初期，许多单位开始从事抗菌材料的研究和应用。但由于起点低和研究条 件的限制，这些零星的研究没有在我国形成自己的开发研究体系，进展缓慢，与 国外先进水平相比，还存在较大的距离。另一方面，与发达国家相比，我国人民 的生活水平还不高，对抗菌材料的需求也不多。9 0 年代后期，抗菌材料在我国进 入了一个飞速发展的时期，也取得了一定的成果【8 - ”】。 抗菌材料作为一种新型功能材料经过十多年的发展，在材料开发和应用方面 都已经取得了很大的进展，而且对抗菌剂和抗菌材料的研制仍在不断进行中，质 优价廉新型抗菌刹和抗茵材料不断地被开发出来。在实际使用过程中，经常需要 集合各种抗菌剂的优点，因此抗菌剂的复合化以及采用复合技术制备抗菌剂和抗 菌材料已经成为个研究热点并成为抗菌材料行业发展的一个重要方向。进行不 同抗菌剂之间复合或者制各复合型抗菌剂时，需要使复合抗菌剂产生协同效应。 抗菌剂之间效果协同具体体现在可以延长抗菌剂有效作用时间，即延长抗菌周 期，在总体低浓度时即可以产生抗菌性能，拓宽抗菌剂的抗菌谱，抑制较任何单 一抗菌剂更多的微生物种类。 抗菌剂发展的另一个方向是结构化。金属离子型无机抗菌剂一般通过溶液中 具有抗菌性能的金属离子和吸附性载体通过离予交换制得抗菌剂。有机抗菌剂的 形态一般是粉末、粉末状微晶或液体，目前通常的抗茵剂形态常处于自然状态， 一般没有特殊的结构设计。但是抗菌剂的结构对抗菌剂抗菌性能的发挥、抗菌剂 和基材材料的亲台性、使用抗菌剂对材料物理性能、力学性能、光学性能的影响 具有重要作用，因此通过抗菌剂结构设计可以明显提高抗菌剂的使用效率，并提 高使用了抗菌剂的抗菌材料和抗菌制品的性能，形成不同领域抗菌剂的个性化 并能在很大程度拓展抗菌剂的应用领域。 1 2 稀土抗菌配合物的研究进展 稀土离子属于硬酸类，即不易极化变形的离子，因而与属于硬碱类的配位原 子0 、n 等有较强的配位能方，对于不同配位数的配位空间结构具有较大的适应 性，同时稀土元素具有比较好的的抗菌、抗肿瘤、抗爱滋病等生物活性【2 7 2 9 ，3 2 o 上海师范大学硕士学位论文 随着生物无机化学、药物化学的发展，稀土配合物的抗菌、抗肿瘤、抗爱滋 病等生物活性一弓 起人们的重视 2 6 - 3 1 l 。目前关于稀土配合物方面的论文已经有很 多，许多学者从稀土配合物的空间结构 3 2 川】、配位数【3 4 。35 1 、生物活性f 2 8 1 等不同角 度对它们进行了总结。将具有特定生理活性的配体与稀土离子配位后，既能增强 生理活性，又能降低稀土离子的毒性。g e d e o n 曾总结了具有消炎作用的稀土化合 物其有机配体部是至少在环上含有羧基、羟基或者磺酸基的芳香化合物，不合任 何碱性基 t 2 s 】。高锦章等【”1 在综述和研究大量文献的基础上，发现具有生理活性 的稀土配合物中参与合成的稀土元素主要镧、镨、钕、钐，其次是铕、钇、镝、 钆、钬、铒、铈、铽。 在稀土配合物的合成过程中，有机配体起着关键作用，配体种类的不同不仅 直接影响到配合物的合成，而且还直接涉及到配合物的空间结构和生物活性。因 此我们按照有机配体种类的不同将有抗菌活性的稀土配合物分为以下几类： 1 、有机羧酸类配体 王流芳等采用液相沉淀法合成了间羟基苯甲酸【3 6 l 、对羟基苯甲酸【3 7 】等系列稀 土配合物，并研究了它们的抗菌、抗肿瘤等生物活性：王则民等先后合成了苯甲 酸】、水杨酸挣”1 等系列稀土配合物，并初步探讨了配合物的抗细菌和霉菌活 性；还有一些工作研究了取代水杨酸系列稀土配合物的抗肿瘤活性【4 h 2 】：我们也 采用沉淀法合成t 问氨基苯甲酸【4 3 】系列稀土配合物，并研究了配合物对常见细菌 如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等的作用。 2 、杂环羧酸类配体 沈旭f 4 4 4 5 1 等报道酰胺酸配体具有许多生理活性，因两引起生物化学家的广泛 注意。陈德福等4 6 1 合成了稀土氮杂大环多羧酸配合物这类配体形成配合物时以 鳌合方式或桥式配位为其特点，配体中的2 个氨基参加配位 3 、s c h i f r 碱类配体 众多的研究表明s c h i f f 碱配合物具有抗菌、抗肿瘤、抗h i vj ：j j f 毙t 4 7 60 1 。此类 配体与稀土形成的配合物分两种类型。一类是以酚基氧原子、s c h i f f 碱的氮原子以 及氨基酸中的氧与氮原子配位，形成六配位的配合物；另一类是由酚基氧原子、 亚氨基的氮原子、桥联羧基氧原子等与稀土离子配位，形成九配位的双核配合 物。 4 、嘧啶、咪唑、喹琳类配体 上海师范大学硕士学位论文 硫代嘧啶衍生物具有抗肿瘤活性f 6 “6 2 1 ，从稀土与这些药物的配合物中有可能 找出低毒、副作用小、具有广谱抗癌活性的药物，为此，吴安心等进行了硫代嘧 啶稀土配合物的合成研究1 6 3 。“1 ，配体中氧原子、氮原子都参与了配位，而硫原子 未参与配位姜宗慧等发现以咪唑衍生物为配体，与稀土配位形成稀土双核配 合物，配合物中稀土离子与氧自由基间存在着弱的铁磁性相互作用。杨一心等1 6 6 1 以稀土氯化物为原料合成了3 种咪唑稀土配合物，并研究了该系列配合物在农业 方面的防治病虫害和促进植物生长作用。 5 、药物类配体 一些药物配体具有抗菌谱广、抗菌能力强等特点，但是同时存在脂溶性较 差，药物穿透能力差等不足之处。药物化学家考虑到这些配体具各很好的配位能 力，期望通过形成配合物这种方式改善药物的溶解性等性质，提高药物的生物利 用度，因而稀土药物配体类配合物的研究也成为了抗菌领域的一个研究热点。目 前药物配体主要集中在喹诺酮类药物配体上。李秉超等1 6 7 1 研究了稀土诺氟沙星配 合物的合成及抗菌活性；曹风歧等f 6 3 6 9 1 研究了稀土氟罗沙星、氧氟沙星配合物的 合成及抗菌性能：杨波等f 7 。1 也研究了轻稀土氧氟沙星类配合物的合成和生物活 性：王国平等【7 1 i 研究了稀土喹诺酮配合物的抗菌活性和抗肿瘤活性。其他药物配 体如乌洛托品f 7 2 4 1 等也有研究。大量的研究表明稀土药物配体类配合物能比较好 的改善药物的脂溶性和药物的穿透能力，同时我们发现药物配体类的稀土配合物 也主要集中在l a 、c e 、p r 、n d 、s m 等几个轻稀土元素。 1 3 低热固相法的研究进展 固相反应不使用溶剂，具有高选择性、高产率、工艺过程简单等优点已成 为人们制备新型固体材料的主要手段之- - 7 5 。8 1 。我们根据固相化学反应发生的 温度将固相化学反应分为三类，即反应温度低于1 0 0 c 的低热固相反应；反应温 度介于1 0 0 。6 0 0 。c 之间的中热固相反应以及反应温度高于6 0 0 。c 的高热固相反 应。相对于前两者丽言，低热固相反应的研究一直末受到重视，几乎处在刚起步 的阶段，许多工作有待进一步开展。 研究低温固相反应并开发其合成应用价值的意义是不言而喻的，正如1 9 9 3 年 m a l l o u k t 7 9 j 教授在s c i e n c e 上的评述中指出：“传统固相化学反应合成所得的是热 力学稳定的产物，而那些介稳中间物或动力学控制的化合物往往只能在较低温度 下存在它们在高温时分解或重组成热力学稳定产物。为了得到介稳态固相反应 上海师范大学硕士学位论文 产物，扩大材料的选择范围，有必要降低固相反应温度”；h s c h a f e r l 8 0 】也在 a n g e w c h e m i n t e d 上撰文突出固相化学反应的地位。可见，降低反应温度不仅 可获得更新的化合物，为人类创造出更加丰富的物质财富，而且可最直接地提供 人们了解固相反应机理所需的实验佐证，为人类尽早地实现能动、合理她利用固 相化学反应进行定向合成和分子装配，最大限度地发掘固相反应的内在潜力创造 了条件。 研究表明：能在室温或近室温下进行的固相反应绝大多数能高产率、高选择 性地进行。忻新泉研究小组弘9 5 】近十年来对室温或近室温下的固相化学反应进行 了较系统的探索，探讨了低热温度固固反应的机理提出并用实验证实了固相反 应的四个阶段，即扩散反应成核生长，每步都有可能是反应速率的决定步骤， 总结了固相反应遵循的特有的规律。 1 3 1 固相反应机理1 8 1 8 3 】 与滚相反应一样，固相反应的发生起始于两个反应物分子的扩散接触，接着 发生化学作用生成产物分子。此时生成的产物分子分散在母体反应物中，只能 当作一种杂质或缺陷的分散存在，只有当产物分子集积到一定大小才能出现产 物的晶核，从而完成成核过程。随着晶核的长大，达到一定的大小后出现产物的 独立晶相。可见，固相反应经历四个阶段即扩散反应成核生长，但由于各阶 段进行的速率在不同的反应体系或同一反应体系不同的反应条件下不尽相同，使 得各个阶段的特征并非清晰可辨，总反应特征只表现为反应的决速步的特征，长 期以来，一直认为高温固相反应的决速步是扩散和成核生长原因就是在很高的 反应温度下化学反应这一步速度极快，无法成为整个固相反应的决速步。在低热 条件下化学反应这一步也可能是速率的控制步。 在固体化学反应中，热力学可以判定一个特定的反应能否发生，而动力学因 素则决定该反应发生的速度。对个具体的固相反应来说，许多在热力学上应该 发生的反应，在室温下实际上反应速度极慢。固相反应的进行取决于两个重要的 因素：成核与扩散。对于前者而言，由于反应中涉及部分化学键的断裂和重组 所以般的无机氧化物只有在很高温度时，原子或离子才可能获得足够的热能， 偏离正常的晶格位置，并发生化学键的断裂。对于后者而言，脱离正常晶格位置 的原子或离子需要透过产物层扩散到新的反应界面，这一过程就更为困难，因为 室温下固体化合物的扩散系数远远低于液体或气体的扩散系数。通常合成反应多 o 上海师范大学硕士学位论文 在高温下进行，因而在人们的观念中室温或近室温下的低热固相反应几乎很难进 行。事实上许多固相反应在低温条件下就可以发生。 另外，固相化学反应能否进行，取决于固体反应物的结构和热力学函数。所 有固相化学反应和溶液中的化学反应一样，必须遵守热力学的跟制，即整个反应 的吉布斯函数改变小于0 。在满足热力学条件下，固体反应物的结构成了固相反应 进行的速率的决定性因素。 1 3 2 固相反应的影响因素p ” 固相反应是通过反应物分子间的接触成核和扩散进行的，所以很多因素，如 反应物的结构、反应温度、均匀程度、颗粒大小、结晶水存在与否、空气湿度、 表面杂质、压力等都会对固相反应速度、产物产生影响。 a 、晶体结构的影响 晶体结构研究表明，固体中原子或分子的排列方式是有限的。根据固体中连 续的化学键作用的分布范围，固体可以分为延伸固体和分子固体既类。所谓延伸 固体是指化学键作用无间断地贯穿整个晶格的固体物质。一般地讲原子晶体、金 属晶体和大多数离子晶体是延伸晶体，因为其中化学键( 共价键、金属键和离子键1 贯穿整个晶格。分子固体是由物质的分子靠比化学键弱得多的分子间力结合而成 的，化学键只在局部范围内( 分子范围内) 是连续的。绝大多数有机化合物、无机分 子形成的固体物质以及许多固态配合物属于分子固体。在有大阴离子或大阳离子 存在的配合物中，由于电荷被分散且被配体分开，因此离子之间的相互作用被大 大地削弱，也就是说，离子键被削弱，因而其性质表现得如同分子固体一样，故 也把它划分到分子固体的范畴内。延伸固体按连续的化学键作用的范围或维数分 为。维、二维和三维固体。一维和二维固体合称低维固体。分子固体中，由于化 学键只在分子内部是连续的，固体中分子之间靠弱得多的分子问力联系，故可看 作零维固体。 固体在结构上的差异对化学性质产生了巨大的影响。由于三维固体具有致密 的结构，所有的原子被强烈的化学键作用紧紧地束缚，导致晶格成份很难移动， 外界物质也很难扩散进去，所以它们的化学反应性是最低的；另一方面，低维固 体中链问或层间距较大，使得链间和层间的相互作用变得十分弱，晶格容易变 形，这使一些分子很容易地插入链间和层间，因此与三维固体相比，低维固体反 应性要强得多。分子固体比所有延伸固体中的作用部弱，分子的可移动性很强， 上海师范大学硕士学位论文 这在物理性质上表现为低硬度和低熔点，因此反应性最强。我们可以得到固体反 应性与结构的关系：零维结构 一维结构 二维结构 三维结构。即分子固体具 有最大的化学反应性。 b 、温度的影响 固体的结构对其化学反应性的影响也可以从反应温度区间看出。这是因为固 体要发生反应反应物的分子必须能够长程移动而且相互碰撞。园此，固体中束 缚力越弱，固体的反应温度越低。固体的熔点实际上表征了固体成份能够摆脱晶 格束缚的温度。因此，固体中的束缚力的大小可以从固体的熔点看出。早期的固 相化学反应研究结果表明，固体成分在低于熔点的温度下就有了一定的长程迁移 ( 即扩散) 能力。在固相合成中，温度的影响尤为重要，对于同一体系采用不同的反 应温度，可能得到不同的反应产物。 一般认为，固相反应能够进行的温度是由反应物的t m 温度较低者决定的。这 罩的t m 温度是指固体中自扩散变得显著时的温度。 c 、结晶水( 晶格水) 的影响 在分子固体的反应中，经常会遇到一些含有结晶水一类的晶格成分的反应 物。由于这类反应物往往可溶于这些品格成分在反应过程中，这些晶格成分被 释放出来，在反应物表面形成液膜并使部分反应物溶解。溶解了的反应物在液膜 中具有较快的传质速度，加快了反应速度。这与高温固相反应中助熔剂的效应类 似，也可以认为与气相传质反应中使用的微量帮助反应物气化的物质的效果类 似。 忻新泉教授等8 6 墙7 1 在固相配位化学反应中探讨了这种释放出的微量溶剂对反 应的影响。结果发现，微量溶剂的存在不改变反应的方向和限度，只起到加速和 降低反应温度的作用。这是因为微量溶剂不能将反应物完全溶剂化，因此溶液中 溶剂的巨大影响不会在此出现。 此外结晶水还是许多金属盐以分子固体形式存在的必要条件。部分脱水的 水合物具有不饱和的配位环境，从而增强了固体的反应性。 另外。充分的研磨是缩短反应时间，促进反应发生的重要手段。为了使固体 的反应物之问有比较好的接触，均匀的混合是必要的。实验中通常使用将事先研 瘩到一定粒度的反应物在玛瑙研钵中研磨的混合方法。 上海师范大学硕士学位论文 在所有因素中，反应物的固体结构是能否发生低热固相反应的关键因素并 不是所有的固体都能发生低热固相反应，只有那些分子晶体类型( 点结构) 或低维 ( 线型和某些面型) 及少数弱键连接的三维网状结构的固体化合物才有可能一般的 有机化合物和多数的低熔点或含水的无机化合物都能发生低热固相反应。 1 3 3 固相配位化学 固相配位化学反应研究的是配合物在低热温度下的固相反应，它是介于固体 化学与配位化学之间的一门边缘学科。传统配位化学主要研究溶液中配位化合物 的合成、结构和性质。无机物的固相反应通常在高温进行，而配合物由于配位键 较弱，配体较易挥发或发生分解，因此大多在低热温度时就能发生固相反应。目 前固相配位化合物见诸报道的主要集中在过渡金属系列明9 5 i 。 配位化合物通常为点结构，金属离子与配体之问主要以配位键结合，键能较 小，较易断裂，因此发生固相反应的温度通常较低。同时，由于配合物的点结 构，配合物之间以范德华引力结合，间隙较大，因而分子间的扩散也相对容易。 此外，大多数有机化合物和配位化合物在高温时不能稳定存在，因此高温固相反 应不能用于配合物的合成，而室温或低热温度的固相反应就有可能用之于配位化 合物的制备，且低热温度固相反应法合成的产物更接近于溶液相产物。 对于固相配位化学反应由于配合物比较容易分解，故即使反应中不存在低 熔点的有机固体，反应同样也能在室温附近进行。这是因为，在固体相变温度( 包 括固体的分解温度) 附近，固体组分通常容易移动，故反应容易进行。 不同的配合物发生固相反应条件不同，与金属离子、配体、配合物结构、结 晶水等有关，也与加入的作用物有关。另外有的周相反应能在室温进行。但也有 许多反应要达到一定温度才能进行，这与配合物生成缺陷的浓度及热稳定性有 关。 1 3 4 固相反应的监测手段 研究溶液反应的实验手段和处理方法很多且较成熟。而固相反应研究手段主 要为红外、紫外漫反射谱、x r d 、m o s s b a u e r 、x p s 、d t a 、t g 、d s c 等用于检测 固相产物，故实验结果的处理方法不如溶液成熟。 用低热固相反应方法进行