（药物化学专业论文）n乙酰胺基4乙烯基吡啶聚合物抗菌性能研究.pdf

中文摘要 n 乙酰胺基4 乙烯基吡啶聚合物0 a v p ) ，是季铵盐类抗茵剂中的一种。季 铵盐类抗菌剂灭菌效果好，毒性低，且无味无刺激性，是一类具有广阔前景的抗 菌材料。我们研究的p a v p 由于其吡啶n 上的酰胺侧链可被酶性或非酶性降解， 因此其对环境和生物体的毒性要比一般的季铵盐类抗菌剂更低。我们合成了一系 列p a v p ，并着重研究了p a v p 的构效关系。 文中采用两步合成法，通过控制反应温度，得到了一系列季铵化程度不同的 p a v p 。采用无水乙醚沉淀的方法进行提纯，n m r 谱图证明提纯效果良好。 p a v p 对sa u r e u s 和ec o l i 的抗菌性能研究表明，聚合物抗菌活性随吡啶n 上连接侧链碳数的减少而逐渐增强。并且在本实验所检测的季铵化程度范围内， p a v p 抗菌活性随季铵化率的减少而增强。可以预测，p a v p 的抗菌活性可能会 在某个季铵化程度下达到一个最佳值。这种趋势值得我们进一步研究。 考虑到p a v p 的环境可降解性，它必须具备一定的稳定性来保证其抗菌能力 的实施。n 一乙酰辛胺基4 乙烯基吡啶聚合物( p 8 ) 和n 乙酰十八胺基- 4 乙烯基吡 啶聚合物( p 1 8 ) 在加速降解试验的1 2 小时内展示了良好的酸、热稳定性，因而具 有实际应用价值。 在合成的系列化合物中，p 8 具有最好的抗菌性能和酸热稳定性，其对& a u r e u s 的m i c 为1i t g m l ，抗菌活性与硫酸庆大霉素( g e n t a m y c i ns u l f a t e ) 相似。 关键词：季铵盐毗啶盐聚合物季铵化程度抗菌活性加速降解 a b s t r a c t p o l y ( n a c e t a m i d e 一4 一v i n y l p y r i d i n i u m ) ，d e s i g n a t e dp a v p , i sak i n do fq u a t e r n a r y a m m o n i u mw h i c hi sr e g a r d e da san e wa n t i r n i c r o b i a lp o l y m e rw i t hb r i g h tf u t u r e i t h a ss t r o n ga n t i m i c r o b i a la b i l i t ya g a i n s tb a c t e r i a ，f u n g ia n ds o m ek i n d so fv i r u s w i t h o u th i g ht o x i c i t y , s m e l la n dp u n g e n c y d u et ot h ef a c i l en o n e n z y m a t i ca n d e n z y m a t i cd e g r a d a t a b l en - a c e t a m i d es i d ec h a i n ，t h et o x i c i t yo fp a v p , w h i c hi su n d e r o u rs t u d y , i sm u c hl o w e rt h a no t h e rp y r i d i n i u mp o l y m e r s i nt h i st h e s i s ，at w o s t e pr e a c t i o ni su s e dt os y n t h e s i z ep a v p s b yc h a n g i n gt h e r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，as e r i e sd i f f e r e n tq u a t e m i z a t i o nd e g r e eo fp a v p sa l eh a r v e s t e d f o rp u r i f i c a t i o n ，w eu s e de t h e ra b s o l u t et od e p o s i tp a v p s t h ep u r i t yo fp r o d u c ti s p r o v e db yn m rs p e c t r u m t h ed i f f e r e n c eo fa n t i b a c t e r i a le f f e c to fp a v p sa g a i n s ts a l d r e u sa n de c o l ii s m e a s u r e d i ti sf o u n dt h a tt h el e s sc a r b o na t o m si nt h en a c e t a m i d es i d ec h a i n ，t h e g r e a t e rb a c t e r i c i d a la b i l i t yo fp a v p s i no u re x p e r i m e n tr a n g e ，t h ed e c r e a s eo f q u a t e m i z a t i o nd e g r e ec a u s e dt h ei n c r e a s eo fa n t i b a c t e r i a la c t i v i t yo fp a v p s i tc a nb e p r e d i c t e dt h a tam a x i m u ma n t i b a c t e r i a le f f e c to fp a v pw i l lb es h o wu pi nc e r t a i n q u a t c m i z a t i o nd e g r e e i ti sw o r t hf u r t h e rr e s e a r c h h o w e v e r , t h es t a b i l i t yo fp a v p sh a st ob ea d e q u a t ei no r d e rf o rt h e mt oh a v e a n t i m i c r o b i a le f f e c t s a c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o ns t u d i e ss h o w e dt h a tn o na n t i b a c t e r i a l a c t i v i t y d e c r e a s e dw a so b s e r v e d d u r i n g 1 2 h so i l p o l y ( n a c e t o c t y l a m i d e - 4 一v i n y l p y r i d i n i u m ) c h l o r i d e f p 8 ) a n d p o l y ( n - a c e t o c t a d e c y l a m i d e - 4 - v i n y l p y r i d i n i u m ) c h l o r i d e ( p18 ) p 8i st h em o s te f f e c t i v ep o l y m e ri n t h i ss e r i e so fp a v p s ，w i t hg o o dr e s i s t a n c e a g a i n s th e a ta n da c i d i t sm i ca g a i n s t & a r e u $ w a sa sl o wa s 1i _ t g m l ，w h i c hi s c o m p a r a b l et og e n t a m y c i ns u l f a t e k e yw o r d s ：q u a t e r n a r ya m m o n i u m ，p y r i d i n i u mp o l y m e r , d e g r e eo f q u a t e r n i z a t i o n ，a n t i r n i c r o b i a la c t i v i t i e s ，a c c e l e r a t e dd e g r a d a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：落雪彳 签字日期叩年月 学位论文版权使用授权书 - 7 日 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一躲蒜寓膏 签字隰岬年石月，7 日 导师签名： 签字日期：i g 日 第一章前言 第一章前言 微生物在自然界中分布非常广泛，在空气、土壤、海洋、江湖等环境中，以 及人类、动物的体表、腔道中均有数量不等，种类不一的微生物存在。绝大多数 微生物对人类和动植物是无害的，甚至是有益和必需的。微生物的代谢活动使自 然界中多种元素和物质的循环得以完成。 细菌是微生物中最重要的组成部分之一。它们品种繁多，遍布于自然界的每 个角落。细菌的一般尺寸为长径0 5 5 9 m ，短径o 5 l g m 。大部分细菌在正常情 况下对人体是没有危害的，只有极少部分是能引起人类等宿主致病的病源菌。如 众所周知的s a g s 、艾滋病、禽流感等疾病都是由细菌导致的。每年都有大量的 棉花、橡胶、家具、化妆品等生活必需品因它们而霉变、腐烂和破损。1 9 9 6 年， 中国某行业内部统计，物品的霉变损失价值达5 6 亿元，竟为同期火灾损失的2 3 倍。 因此，在上述情形下，采取措施杀灭或抑制有害微生物是一种无奈而合理的 选择。 1 1 抗菌剂简介 1 1 1 抗菌剂的定义、分类和评价指标 抗菌剂也是消毒灭菌剂，是可以杀灭或除去外环境中除细菌芽孢以外的各种 病原微生物的化学物质。但其与一般消毒灭菌剂的不同在于它被少量地添加到材 料( 如塑料、纤维或沸石等其它载体) 中，持续地发挥杀菌和或抑菌作用。主 要目的是要保护接触该材料的人不受材料表面的有害微生物的感染，或使材料本 身具有防腐性能。 到目前为止，抗菌剂基本上分成四大类：无机抗菌剂、有机合成抗茵剂、天 然抗菌剂和高分子抗菌剂。现分述如下。 ( 1 ) 无机抗菌剂 利用银、铜、锌、钛等金属及其离子的杀菌或抑菌能力制得的一类抗菌剂。 无机抗菌剂有无机离子溶出型抗菌剂和光催化无机系抗菌剂两种。 无机离子溶出型抗菌剂是广谱抗菌剂，主要通过金属离子溶出接触微生物来 第一章前言 达到杀菌抑菌效果。品种有：银沸石，银活性碳、银硅胶、银羟基磷灰石基抗菌 剂、磷酸锆盐、磷酸钛盐抗菌剂、银陶瓷、z n o 复合抗菌剂等。无机银系抗菌剂 的缺点是易变色、制造困难、在塑料中使用工艺复杂。 光催化抗菌剂均为半导体化合物，目前主要应用的是锐钛矿结构的t i 0 2 半导 体光催化抗菌材料。此类抗菌剂同时具有抗菌和防霉效用，且起效快、杀菌力强、 稳定性好、没有二次污染等特点。但它必须有阳光才能起作用，这一点极大地限 制了它的应用范围。 ( 2 ) 有机合成抗菌剂 有机合成抗茵剂是一类研发应用历史悠久，生产工艺相对成熟的抗菌剂，在 某些领域中，有机合成抗菌剂有着不可替代的作用。根据使用目的的不同，有机 合成抗菌剂又可细分为防腐剂、防霉剂、防藻剂等。根据抗菌功能基团的不同可 主要分为：酚类抗菌剂，如苯酚、邻苯酚、对氯间甲酚、对硝基酚等；胺类、 季铵盐类抗菌剂，如新洁尔灭、烷基二甲基乙酸铵等；咪唑类抗茵剂，如苯并 咪唑氨基甲酸甲酯( b c m 、多菌灵) 、赛菌灵、噻苯咪唑( t b z ) 等；有机金 属类抗菌剂，如8 羟基喹啉铜、双( 三正丁基锡) 氧化物( 丁蜗锡) 等；吡啶 类抗菌剂，如2 ，3 ，5 ，6 - 四氯4 甲磺酰基吡啶等。 有机抗菌剂具有杀菌速度快、抗菌性能高等特点，部分抗菌剂无毒，加工方 便，颜色稳定。其缺点是耐热性差，易在环境中析出、易产生耐药性、分解产物 有毒等。 ( 3 ) 天然抗菌剂 天然抗菌剂包括：壳聚糖，是目前最常用的天然抗茵剂，主要的应用领域 是直接制备具有优异抗菌性能的壳聚糖纤维。如天津大学姚康德n 1 等人发明的壳 聚糖抗菌粘胶纤维等；山梨酸，其抗菌活性和体现的酸碱性相关，在酸性环境 中显示更强的抗菌防霉性能；姜黄根醇，具有良好的抗菌性能和及其优异的安 全性，尤其适用于和人体接触的材料物品以及和人体安全相关的场合；孟宗竹 提取物，一种塑料用天然抗菌剂。 ( 4 ) 高分子抗菌剂 高分子抗菌剂也是通过有机化学基团来杀菌抑菌，但不是将这些基团机械的 混入材料中，而是将其接枝在有机高分子材料的主体上，与材料形成牢固的化学 结合。合成高分子抗菌剂具有长效、广谱、安全无毒的性能，可以克服一般有机 抗菌剂耐热性差，易在环境中析出等缺点。品种有：聚苯乙烯己内酰脲、聚毗啶、 聚噻唑等。本文所研究的吡啶盐类聚合物便属于合成高分子抗菌剂中的一种。 一种好的抗菌剂应符合以下评价要求：( 1 ) 有较低的最低抑菌浓度( m i n i m u m 第一章前言 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 ) 和最低杀菌浓度( m i n i m u mb a c t e r i c i d a lc o n c e n g a t i o n m b c ) 。日本抗菌协会制定的银等无机抗菌剂的自主规格及其抗菌试验法中 规定无机抗菌剂的抗菌性能要求对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的m i c 要小于 8 0 0 r d m l | 2 1 。( 2 ) 有较广的抗菌谱( a n t i m i c r o b i a ls p e c t r u m ) ，能对细菌、霉菌、酵母 菌、放线菌等多种微生物同时表现抗菌活性。应用于不同场合对抗菌剂的抗菌谱 有不同的要求。( 3 ) 抗茵作用的持久性。( 4 ) 稳定性。抗菌剂在其应用的环境中能 保持本身化学性能的稳定，尽量避免见光分解或颜色改变等变化。( 5 ) 安全性。 所用的抗菌剂应对环境和人体无毒无害，无致癌性等。( 6 ) 易于加工。 1 1 2 杀菌机理及其影响因素 具有抗微生物作用的物质，只有在以足够的浓度与微生物直接接触的情况下 才能发挥作用。抗菌抑茵过程实际上是抗菌剂与微生物表面或体内的某些化学物 质反应的过程。大量研究证明，抗菌剂对微生物的作用位点常常不止一个，而且 可以几个位点同时作用。抗菌剂的杀菌机理通常可以分为以下几个方面。 ( 1 ) 破坏茵体结构 抗菌剂对微生物细胞的破坏首先体现在其对细胞壁的作用。细菌的细胞壁表 面带有大量的负电荷，如季铵盐类、银离子等带有正电荷的抗茵剂就会通过静电 作用吸附在细胞壁表面，引起结构性损害，导致细胞内容物的泄漏。 透过细胞壁后，抗菌剂还可以作用于细胞膜和细胞内容物。嘧啶、咪唑、吡 啶等结构的抗菌剂能阻碍对膜的组成和机能其重要作用的麦角甾醇的合成，进而 抑制茵体细胞膜的合成。无机溶出型抗菌剂能穿透细胞膜进入微生物体内与蛋白 质上的巯基发生反应，使蛋白质凝固，破坏微生物酶蛋白的活性。 ( 2 ) 影响遗传物质 多菌灵、t b z 等苯并咪唑类杀菌剂的化学结构与嘌呤很相似，容易冒充腺 嘌呤或鸟嘌呤影响d n a 的生物合成。 酮类、酚类等抗菌剂可以和d n a 分子上的羟基或氨基反应，影响d n a 作 为模板的使用。 ( 3 ) 影响酶代谢体系 、 含有重金属离子或醛、酚、乙醇等抗菌剂可以破坏酶蛋白的立体构型，使酶 丧失活力。 以上所述是抗菌剂作用机理的几个主要方面，还有其他一些作用方面在这里 不再赘述。杀菌剂的作用机理往往是错综复杂的，许多机理仍有待人们的深入研 究。 第一章前言 抗菌剂所使用的环境会对其抗菌效果造成很大的影响。如：所作用的微生物 不同，对抗菌剂的敏感度会有很大的不同：抗菌剂使用的浓度越高和作用时间越 长，杀菌效果就越好；抗茵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。一般来说，以固体颗粒分散在材料中的抗茵剂存在颗粒越小 抗茵性能越好；环境中有机物( 血液、痰等) 的存在，可以降低杀菌效果；环境 的温度、湿度和酸碱度等对抗菌效果都有影响。 因此，在研究开发抗茵材料时必须全面考察材料应用时所处的周围环境对其 抗茵性能的影响，尽量使材料达到最佳的抗菌状态。 1 1 3 抗菌材料的发展 随着人们生活水平的提高，对抗菌材料的研究和发展越来越受到人们的关 注，将具有抗菌活性的材料应用于人们日常中经常接触到的物品( 如电话，键盘， 门把手等) ，即可永久性或半永久性地持续发挥抗菌作用，适应了现代生活的需 要，成为近年来消毒杀菌剂的主要发展方向之一。 国外抗菌材料的研究始于2 0 世纪8 0 年代初。欧美开始主要集中研究有机抗 菌剂，到目前其主要的应用还仅集中于普通日常用品和玩具中，但总体的规模和 影响都不是很大。抗菌材料，尤其是无机抗茵剂的研制和应用最为发达的是日本。 1 9 8 3 年日本品川燃料株式会社首先实现了含银无机抗菌剂的工业化。目前品川 燃料、钟纺、松下电器、石冢硝子及东亚合成等都是世界上规模较大的无机抗菌 剂生产企业。2 0 0 1 年，日本生产各种无机抗菌剂的生产厂家就有1 0 0 多家，无 机抗菌剂的市场年销售额达到2 8 0 亿日元，而抗菌制品的销售额达6 0 0 0 亿日口1 。 2 0 世纪9 0 年代后期，海尔集团在国内率先提出健康冰箱的概念，随后各个家电 公司都先后推出了自己的具有环保，抗细菌效果的冰箱和其他电器。科龙集团用 日本抗菌剂做冰箱内衬、抽屉、透明托架等，厂家计划将来微波炉、冰箱、空调 等塑料配件都使用抗菌材料；北京雪花集团1 9 9 9 年初曾试用中科院抗菌母粒制 造了抗菌冰箱5 0 0 刨制。今后，抗菌家电的应用范围将更加广阔，扩展到电话， 空调等各个领域，所以，对抗菌材料的开发是一个很有价值和前途的课题。 目前开发的有机无机复合抗菌剂充分发挥了各种抗菌剂各自的特点，避免 了短处，是目前和未来抗菌材料发展的一个重要方面。 抗菌剂发展的另一个方向是拓宽现有抗菌剂的应用领域，进一步开发目前现 有抗菌材料的用途。 第一章前言 1 2 含氮阳离子型抗菌剂的介绍及其应用发展概述 迄今，凭借着低毒无害的特点，多种具有优良抗菌性能的含氮阳离子型抗菌 剂已广泛应用于医疗卫生、食品工业、农业、水处理和日常生活等。含氮阳离子 型抗菌剂主要包括季铵盐型和吡啶鲶盐、咪唑鲶盐、异喹啉鲻盐等含氮杂环的鲻 盐。 1 2 1 含氮阳离子型抗菌剂的作用机理 目前公认的含氮阳离子型抗菌剂的作用机理主要是通过与细菌细胞壁相吸 附，进而破坏细胞膜，使内容物泄漏导致细菌死亡。 细菌属于原核细胞，其细胞结构为：包围在外层的是细胞壁，内层是细胞膜， 细胞膜内部是原生质。 细胞壁是原核细胞中最重要的部分之一。它通常相当坚硬，可以维持细菌的 形状并保护细胞免遭渗透作用的破坏。而细胞壁的形状和强度则主要取决于肽聚 糖。 肽聚糖为细菌细胞壁成分之一，其结构是n 一乙酰基葡萄糖和n 一乙酰基氨 基糖酸在p ( 1 4 ) 结合的聚糖链上，肽把氨基酸的乳酸基引入而形成的强固三级 构造。肽聚糖随细菌种类的不同而不同，赋与细菌特有的形态。使用革兰氏染色 法可以对细菌进行分类，这种分类反映了其细胞壁的组成及结构的不同：革兰氏 阳性菌细胞壁主要由肽聚糖组成，而在革兰氏阴性茵细胞壁中肽聚糖含量则不超 过5 1 0 。革兰氏阳性和阴性细菌细胞壁成分差别如表1 1 所示哺1 ： 表1 1g + 与g 的结构区别 t a b l e1 1s t r u c t u r a ld i f f e r e n c eb e t w e e ng + a n dg b a c t e r i a 在革兰氏阳性细胞壁中还含有大量的磷壁酸( t e i c h o ea c i d ) 。磷壁酸可以延伸 至肽聚糖表面，且由于其带有负电荷，赋予了革兰氏阳性细胞壁的负电荷性。 革兰氏阴性菌细胞壁没有磷壁酸，所含的肽聚糖层很薄，但在肽聚糖层的外 第一章前言 侧，还有一层外膜。外膜最重要的功能是作为保护屏障，有助于细菌逃避宿主的 防御系统。外膜中最不寻常的组分可能是脂多糖( 1 i p o p o l y s a c c h a r i d e s ，l p s s ) 。l p s 通常包括带电荷的糖类和磷酸，所以脂多糖可使革兰氏阴性菌表面呈负电荷。 细胞质膜通常含2 0 3 0 的脂质，它的强度很低，它主要控制菌体细胞新 陈代谢过程中细胞内外物质的交换，具有半透性。 在细胞壁和细胞膜( 质膜) 的内部是原生质。原生质体中有细胞核、线粒体 和核糖体等细胞器，这些组分都承担着维持微生物生命活动的重要功能。 在多数细菌中，细胞质膜的外膜有粘液状物质所包围。当这个边界层能在光 学显微镜上直接看到时，称为荚膜。如果该膜很薄，无法用光学显微镜明确辨认， 但可得到血清学的或电子显微镜的证明时，称为粘液层( s l i m el a y e r ) 。荚膜或粘 液层大多以多糖类或多肽组成，被认为能与那些具有溶菌作用而不具杀菌作用的 因子发生作用，因此对菌体有防卫性能。 只要其中任何一个组分受到破坏，整个细胞的生命活动就可能受到损伤。一 般来讲，革兰氏阴性茵比革兰氏阳性菌更难杀死，主要是由于革兰氏阴性菌具有 的脂多糖外膜构造不同，药物分子难以到达作用部位。 卢滇楠等人研究发现旧1 ，加入含氮阳离子型单体抗菌剂后的大肠杆菌茵液中 可测得大肠杆菌胞内酶b 半乳糖苷酶，证实该单体对菌的细胞壁的裂解作用。表 面活性剂抗微生物作用疏水基中必需有一定的碳链长度的这一事实，反映了其与 膜上受体具有亲和性，即分子会向细胞膜脂质相侵入与蓄积。阳离子活性剂的抗 微生物活性与在水一辛醇体系中的分配系数的相关分析，表明其活性强烈地依赖 于疏水性川。 根据这些试验结果，以季铵盐为代表的阳离子表面活性剂抗微生物作用的机 理推测为t 抗茵物质由于静电作用发生在细胞膜表面上的吸附，然后由细胞壁及 细胞膜的破坏及蛋白质的变性作用而导致溶茵。 该灭菌过程可分为6 步饵1 ： ( 1 ) 抗菌物质吸附到菌体表面 ( 2 ) 穿透细胞壁 ( 3 ) 与细胞膜相结合 ( 4 ) 扰乱细胞膜组成 ( 5 ) 胞内物质如k + 、d n a 、r n a 等的泄漏 ( 6 ) 菌体死亡 高分子化后的季铵盐接触抗菌剂，包括本文所研究的吡啶盐类聚合物，它们 的抗菌机理尚不十分清楚，但一般认为，其作用过程也服从以上步骤。季铵盐分 子带正电，经聚合后，分子量增大，电荷密度提高。由于微生物细胞表面带负电， 而且细胞膜内含的磷脂以及一些膜蛋白在溶液中也带有负电，因此抗菌剂分子量 第一章前言 的增大使所带电荷密度提高，有利于上述过程第1 、3 、4 步的进行。但同时，由 于分子量增大，分子变大，在扩散穿透细胞壁时阻力也增大，过程2 将受到阻抑。 但其综合效果，聚合后的消毒剂比相同结构单体的抗菌性能和稳定性均有大幅度 提高。 1 2 2 含氮阳离子型抗菌剂的构效研究 阳离子抗菌剂中研究和应用得最广泛的是季铵盐。小分子季铵盐，以洁尔灭 和新洁尔灭为代表，已经成为工业产品被广泛用于医疗卫生，食品工业，及日常 生活等各个领域。对季铵盐作为抗菌基团的抗菌剂研究较多，这类抗菌剂的抗菌 能力和毒性随结构( 1 ) 中r l 和r 2 变化的规律是阳1 ：同 fr 、，c h 。 + 类季铵盐抗菌剂含短烷基链的毒性要比长的大；在烷基 ln ：i c r 链长相同时，带苄基的毒性要比带甲基的小；单烷基的 l r ，h a 毒性要比双烷基的大。r l 链长短对抗菌力影响较大，当 1 j r 1 链中碳原子数少于1 0 或大于1 6 时，抗菌剂对细菌的杀伤力不大；而当碳原子数 为1 4 时，抗菌剂的抗菌能力最大。r 2 为苄基及其衍生物时抗菌力要比为甲基时高 得多。 吡啶盐是季铵盐类抗菌材料中一个重要组成部分，此类化合物抗菌效果好， 且有多个位点可以加以改造，有较广阔的研究前景。因此此类物质构效关系研究 受到很大重视。 对于n 上连接的侧链，t h o r s t e i n nt h o r s t c i n s s o n n 0 1 等在2 0 0 3 年总结出了酯类和酰胺类侧链的部分构效关 系。他将此类化合物分为头部，中间部分，烷基长链 三部分，如结构( 2 ) ，并合成了一系列化合物。此类侧链宜于被 人体和环境降解，有很大的发展前景。其抗茵效果如表1 2 。 表1 - 2 部分不同结构吡啶盐抗菌性能 t a b l cl - 2a n f i b a c t e f i ma b i l i t yo fs o m ep y r i d i n i u ms a l t 第一章前言 可以看到，吡啶盐单体抗菌效果与亲脂侧链的长度是直接相关的，当侧链含 1 2 1 8 个碳原子时有较好的抗菌效果。同时它们在6 0 ，p h 6 0 溶液中的半衰期要 大于3 d 时才能较好地展示它们的抗菌效果。 对于吡啶环上的取代基对吡啶盐单体抗茵效果的影响，j u l i u s zp e m a k n l l 等发 现，吡啶环结构( 3 ) 上r 3 为o h 基取代时，抗茵活性竟消失了，而r 3 为二甲基胺基 取代时，则有很好的抗菌防霉效果。 j u l i u s zp e m a k n 列等还报道了结构为( 4 ) 和( 5 ) 的一系列烷氧基吡啶盐类抗菌 剂，并系统地研究了此类化合物的构效关系。其抗菌效果如表1 3 。 ( 3 )( 4 ) - 8 第一章前言 表1 3 烷氧基吡啶盐单体抗菌活性 ! 垒! ! ! ! ：j 垒坐i q 璺! 兰：i 呈! 苎i 韭壁1 o fs o m eo x y la l k y ml p l 匕m 翌丛竺巴巴2 里2 三璺竺! _ _ _ _ _ _ _ 一_ _ i _ l - _ - - _ - m i c ( um ) s t r u c t u r erg r o u pa n i o n e c o l is a t o e l d $c a l b i c a n s c 1 0 i - 1 2 1 c l i h 2 3 c 1 2 h 2 s c 1 2 h 2 3 c i 2 h 2 5 c 1 2 h 2 s c 1 2 1 - 1 2 5 c i 2 1 1 2 5 c 1 2 1 - 1 2 5 c 1 2 h 2 5 c i o h 2 l c i o h 2 1 c i o h z l c 1 0 1 1 2 1 c l o h 2 1 c 1 h 1 5 c 8 h 1 7 c 9 h 1 9 c i o h 2 1 c l - c 1 c l 。 c 1 b r i n 0 3 。 c l o d - b f f c h 3 c o o c o c h 2 。 c u c l 4 2 。 z n c l 4 2 m g c h 2 - f e c h c l 。 c l - b e n z a l k o n i u mc h l o r i d e c r c l - 3 8 1 3 6 5 3 5 1 1 4 1 0 1 5 6 2 7 9 1 6 3 1 4 9 1 5 3 8 2 2 5 5 0 2 5 2 6 8 8 3 5 1 7 3 l 4 7 3 1 1 9 5 2 3 4 4 1 7 6 7 8 2 7 9 8 2 1 4 9 3 0 6 8 2 6 3 6 2 2 5 3 2 4 4 9 4 4 2 3 7 6 3 8 l 9 l 4 4 7 0 5 7 8 7 0 8 2 7 4 1 5 3 8 2 6 3 1 3 2 5 o 5 4 4 3 5 3 3 1 6 5 9 1 1 见上页结构( 4 ) 和( 5 ) 。 由数据可见，此类带有烷氧基结构的吡啶盐单体对球菌和真菌有着优良的抗 菌能力，但对杆菌杀灭能力很低，1 0 2 0 1 2 个碳长度的亲脂侧链对抗菌效果起着十 分重要的作用。而且，化合物阴离子结构对抗菌活性也有非常大的影响。无机离 子对m i c 增加的影响如下：c h 3 c o o 。 b r = n 0 3 】 c i c 1 0 4 b f 4 r ；金属离 子的对m i c 的影响：m g c h = c o c h 2 。 z n c h 2 。 c u c h 小 f e c h 。 j u l i u s zp e m a k 3 1 等还报道了另外一大类含多个n 原子的吡啶盐类抗菌剂。他 们发现分子量大于4 4 5 的吡啶盐在拥有4 5 个n 原子时有优异的杀菌效果。 9 卿卿卿卿渤 第一章前言 1 2 3 含氮阳离子型抗菌材料的应用与发展 迄今，小分子阳离子抗菌剂已经在抗菌、灭菌药品中占有重要地位。但是， 这些产品在水处理、医疗卫生、包装材料等领域的广泛使用，往往存在着毒性和 残留期长等问题。为了改善抗菌剂功效，进一步降低其毒性和刺激性，研制具有 缓释，长效，高效，低毒安全的抗菌剂十分重要。目前人们正在设法通过抗菌剂 单体和化合物的聚合，或将抗菌剂分子固定在高分子载体上形成聚合物抗菌剂， 包括水溶性和水不溶性聚合物抗茵剂n 卜1 5 1 。这些抗茵高分子可以克服一般有机抗 菌剂的上述缺点，又可以直接通过合成得到具有不同力学性能和生物性能的新型 抗菌材料。 试验证明，将季铵盐聚合后，其毒性会进一步降低，而抗菌活性和化学物理 稳定性等性能会有大幅度提高n 引，且对有抗生素抗药性的细菌也可杀灭n 。 s a u v e t 等刚通过用带3 氯丙基或3 溴丙基的线性硅氧烷与n 庚基二甲胺或n 十二烷基二甲胺反应制得带季铵盐侧基的硅氧烷。当带季铵盐侧基的硅氧烷接入 硅氧烷网络结构中时，对大肠杆菌有较好的抗菌性。值得注意的是这种含季铵盐 的抗菌硅树脂在水中浸泡6 6 天后，抗菌性能比浸泡前还要好。浸泡后抗菌性能 提高可能是亲水性的含季铵盐硅氧烷在浸泡过程中迁移到样品表面的缘故。这种 接枝抗茵材料也是目前比较受重视的研究方向j 可溶性吡啶类聚合物( s o l u b l ep y d d i n i u m - t y p ep o l y m e r ) 是一种新型的有机 表面抗菌材料。它具有一些独特的性能可使微生物等吸附到其表面，也可以从气 体或液体中捕获细菌，从而发挥抗菌的性能。这些特性使其具有以下的用途： 1 、固定型生物催化剂载体 2 、生物传感器 3 、水体消毒试剂 4 、抗菌材料添加剂 吡啶聚合物与季铵盐一样通过破坏细胞膜达到抗菌的作用，当聚合物与细胞 接触时，n 烷基会吸附到细胞壁上，聚阳离子链穿过细胞壁，并在细胞膜中扩散； 阳离子与细胞膜上的阴性离子( 如酸性磷脂，一些带负电荷的膜蛋白) 发生反应， 使细胞膜缺损。在强烈的渗透压作用下，细胞器和营养物质、电解质外泻，造成 细胞死亡。 这些年来，这种化合物受到国内和国际的广泛重视，最著名的是日本科学家 k a w a b a t a 及其合作者们的研究成果。他们以4 乙烯基吡啶为原料，以a i b n 为引 发剂，合成了一系列不同分子量的聚合物。发现合成的吡啶型主链的高分子具有 杀灭细菌的功能，并证实了吡啶高分子的杀菌机制也是通过分子链吸附微生物的 第一章前言 功能扑捉细菌，并通过分子链所带的电荷和微生物起作用，从而使微生物失去活 性，完成杀菌过程。用不同的卤代物对该聚合物进行季铵化，发现聚合后的吡啶 盐毒性明显减弱而抗菌性能增强。文章中测试的聚合度1 3 0 0 的溴化n 苄基4 乙 烯基吡啶，简称p b v p ( p o l y ( n b e n z y l - 4 - v i n y l p y r i d i n i u mb r o m i d e ) ) ，在5m g l 的 浓度下，可在1 0m i n 内使浓度4 6 x 1 0 5 的大肠杆菌减少9 9 9 ，而相同条件下氯 化苄叉毒芹( c h l o r o b e n z a l c o n i u m ) 可杀死9 8 8 ，苯酚可杀死8 9 1 。 j o e r gc t i l l e r 幢叫等，以共价键将p b v p 连接到氨基玻璃表面，通过一系列试 验，证实了p b v p 杀灭细菌并不需要液体环境的存在，这种干态空气中捕捉和杀 灭细菌的能力是p b v p 所独有的，有着广阔的应用前景。 在国内，华南理工大学材料学院的李光吉教授进行了大量研究，并在国际性 杂志“j o u r n a lo f a p p l i e dp o l y m e r ss c i e n c e ”上发表了大量文章。他研究了以a i b n 为引发剂进行4 乙烯基吡啶与苯乙烯进行共聚后吡啶含量( c q ) 对产物的电荷密 度( a ) 和产物黏度的影响，而产物黏度决定了聚合度。此外，他对以不同比例进 行进行配比的聚合物的抗菌效果作了测试，并提出其抗菌谱乜。 李光吉等还使用了化学方法和辐射方法乜2 1 将聚合物接枝到聚丙烯无纺布上， 并申请了专利1 。这种方法得到的抗菌材料性能良好，成本低廉，机械性能好。 e t k a n g 他仰印等使用了一种用氩等离子体轰击p e t 膜、棉布和滤纸表面，然 后将表面暴露在氧气中形成过氧化物结构，用此表面在紫外线辐射作用下引发吡 啶盐共聚从而形成固化的抗茵表面的方法( 如图1 1 ) 。固化后的抗茵表面有良好 的稳定性和抗茵活性。 美国专利u s 6 1 8 0 5 8 4 发明了一种由复合抗菌剂形成的高分子膜。双胍盐类 聚合物与a 出、k i 等配伍制成的复合剂涂在固体表面后，能形成不溶于水的，透 明的高分子膜，可长期发挥抗菌作用。 第一章前言 p tf j i mo r f i l l e rp a p e r 。m m m m m m 。 a ir lp 1 a s l m a i a l r 叩 一兰兰些兰兰唑竺擘匕：生：蔓： - = = = = = = = = = ：= 二亡：= ： u v - i n d u c e dg r a n c o p o l y m e r i z a t i o n m = v i n y l p y r i d i n e d e c o m p o s i t i o n h e x y l b r o m i d e d e r i v a t i z a t i o n 图1 1 表面接枝化步骤 f i g 1 - 1s c h e m eo f t h es u l 匝a c ef u n c t i o n a l i z a t i o n 1 3 本课题的目的和意义 一4 v pp o l y m e r s i d ec h a i n n h e x v i - c h a i n s 目前，吡啶聚合物抗菌材料的比较完整的构效关系还没有建立起来，吡啶聚 合物中只有少数几种被广泛研究，而此类化合物可改造的位点相当多，因此还有 广阔的发展空间。 本文以t h o r s t e i n nt h o r s t e i n s s o n 所报道的环境友好性的n - 乙酰胺基吡啶盐单 体为基础，合成了一系列n 一乙酰胺基一4 一乙烯基吡啶聚合物( p a v p ) ，并研究了 p a v p 侧链碳数的多寡和季铵化程度对其抗菌活性的影响。同时，由于p a v p 侧 链含酰胺基团，对酸、热有一定的敏感度，因此我们对p a v p 进行了加速降解实 验，以确定p a v p 的实用性。 抗菌剂的共聚或者固化到固体表面是目前具有抗菌活性的工程材料的发展 方向之一。阐明p a v p 的季铵化程度( 即接枝率) 、侧链结构与抗茵性能之间的 关系，可以为将来新聚合物的研发提供有价值的参考。p a v p 的高抗菌性能，低 毒、可降解性，使其在涂料、食品包装等方面拥有光明的应用前景。 量 第二章p a v p 样品的合成 第二章p a v p 样品的合成 样品的合成分两步进行。第一步参考文献【2 刚方法，以氯乙酰氯和长链脂肪胺 为原料，合成甜氯代乙酰脂肪胺。然后我们以重均分子量1 6 0 ，0 0 0 的p v p 以及第 一步的反应产物为原料，通过改变反应温度，合成了不同季铵化程度的n 乙酰胺 基一4 一乙烯基吡啶聚合物用于抗茵能力测试。 2 1 实验部分 2 1 1 试剂与仪器 表2 - 1 原料名称、规格及生产厂家 ! 生! 呈兰：! 坠鹜i i e n t ，is t a n d a r d sa n dp | 1 2 堂! 垒：曼! 垒堂皇宝i _ _ _ _ _ 一_ _ _ _ _ _ _ _ 一 原料来源级别附注 聚( 4 - 乙烯基吡啶) 灿赫c hc h e m i c a lc r o p c p重均分子量1 6 万 氯乙酰氯北京偶合科技有限公司c p 正十八胺华北特种化学试剂厂c p 正十二胺上海试剂三厂c p 正辛胺天津北联精细化学品c p 氮气北京京高气体有限公司 d m f天津化学试剂一厂 a l l 乙醇天津化学试剂一厂 a r 无水乙醚天津江天化工a r 甲醇天大科威公司a r 无水n a 2 s 0 4天大科威公司a r 硅胶g f 2 s 4 青岛海洋化工厂c p c d ，o d北京崇熙科技孵化器有限公司 g r c d c l ，北京崇熙科技孵化器有限公司g r 第二章p a v p 样品的合成 表2 2 试验设备一览表 t a b l e2 - 2e x p e f i m e n m la p p a r a t u s 2 1 2q 一氯代乙酰脂肪胺的合成 砂c - 一a l k 刚z 叫+ h c i n = 8 ，1 2 ，1 8 图2 1a 一氯代乙酰脂肪胺的合成 f i g 2 - 1s y n t h e s i so ff a t t ya c e t a m i d ec h l o r i d e 2 1 2 1o 氯代乙酰十八胺的合成 称取约1 6 1 7 9 正十八胺原料放入三口烧瓶中，溶于1 0 r a l - - 氯甲烷，往溶液 中通氮气。室温搅拌下用恒压滴液漏斗缓慢滴加氯乙酰氯( 过量5 ，p - , p o 5 n 正) 的二氯甲烷溶液，约半分钟滴完。烧瓶的另一口接气体吸收装置。把烧瓶移至恒 温水浴中，继续通氮气直到反应液温度升至4 0 c 时停止，回流反应4 h 。反应完毕， 体系呈无色透明状。待反应液冷至室温后，用水多次洗涤反应液至中性，最后用 饱和食盐水洗涤，于分液漏斗中摇匀静置，取下层有机相。在有机相中加入无水 n a 2 s 0 4 干燥，过滤。滤液3 0 。c 旋蒸除溶剂后得白色固体，测熔点和1 h 、c - n m r 。 第二章p a v p 样品的合成 2 1 2 2q 氯代乙酰十二胺的合成 称取约1 1 1 2 9 正十二胺原料放入三口烧瓶中，溶于1 0 m l - - 氯甲烷，往溶液通 氮气。室温搅拌下用恒压滴液漏斗缓慢滴加氯乙酰氯( 过量5 ，h p 0 5 m l ) 的 二氯甲烷溶液，约半分钟滴完。烧瓶的另一口接气体吸收装置。把烧瓶移至恒温 水浴中，继续通氮气直到反应液温度升至4 0 c 时停止，回流反应4 h 。反应完毕， 体系呈无色透明状。待反应液冷至室温后，用水多次洗涤反应液至中性，最后用 饱和食盐水洗涤，于分液漏斗中摇匀静置，取下层有机相。在有机相中加入无水 n a 2 s 0 4 干燥，过滤。滤液3 0 。c 旋蒸除溶剂后得白色固体，测熔点和1 h 、1 3 c - n m r 。 2 12 3q 一氯代乙酰正辛胺的合成 用精密移液器取l m l 正辛胺于三口烧瓶中，溶于1 0 m l - - 氯甲烷，往溶液通 氮气。室温搅拌下用恒压滴液漏斗缓慢滴加氯乙酰氯( 过量5 ，即0 5 m l ) 的 二氯甲烷溶液，约半分钟滴完。烧瓶的另一口接气体吸收装置。把烧瓶移至恒温 水浴中，继续通氮气直到反应液温度升至4 0 c 时停止，回流反应4 h 。反应完毕， 体系呈无色透明状。待反应液冷至室温后，用水多次洗涤反应液至中性，最后用 饱和食盐水洗涤，于分液漏斗中摇匀静置，取下层有机相。在有机相中加入无水 n a 2 s 0 4 干燥，过滤。滤液3 0 旋蒸除溶剂后，冷却至室温得白色半透明针状固 体，测熔点和1 h 、1 3 c - n m r 。 2 1 3n 乙酰胺基一4 乙烯基吡啶聚合物( p a v p ) 的合成 + c i h n c n h 2 n + 1 - c n h 2 n + 1 图2 - 2 聚( n 一乙酰胺基- 4 - 乙烯基吡啶) 氯化物的合成 f i g 2 - 2s y n t h e s i so fp o l y ( n a c e t a m i d e -