（高分子化学与物理专业论文）2溴2硝基13丙二醇的合成研究.pdf

太原理。【大学硕士研究生学位论文 2 一溴。2 一硝基一1 ，3 一丙二醇的合成研究 摘要 2 一溴- 2 一硝基一1 ，3 一丙二醇( 中文简称：溴硝醇，英文名：2 - b r o m o 一2 n i t r o 1 ，3 一 p r o p a n e d i o l ，b r o n o p 0 1 ) 是一种广谱抗菌剂。与其它防腐剂相比，溴硝醇具有 以下优点：( 1 ) 高效；( 2 ) 用量少，价廉；( 3 ) 配伍性能好；( 4 ) 适用p h 范围广； ( 5 ) 水溶性好，使用方便。由于其独特的优点，其应用领域广泛，国内外对 其研究和应用已有大量的报道。随着人们生活水平的提高，健康意识的增 强，人们对防腐的要求越来越高。溴硝醇以其突出的优点，满足了市场的 需要，因此该产品在国内的发展前景乐观，市场潜力巨大。 本论文以硝基甲烷、溴素和甲醛为原料，采用先烷羟基化后溴化的合 成工艺制备溴硝醇，并通过工艺改进和优化，提高了溴硝醇的收率，并对 产品进行了定性和定量分析。研究结果对溴硝醇的工业化应用提供了技术 支持。 1 h 2 0 n a o h 体系中溴硝醇的合成 考察了溶剂用量、反应时间、反应温度和物料配比等因素对溴硝醇合 成收率的影响。研究表明，采用该体系制备溴硝醇时存在反应难控、质量 不稳和收率偏低的缺点。 2 c 2 h s o h - c 2 h s o n a 体系中溴硝醇的合成 用过量无水乙醇和金属钠反应制得c 2 h s o h - c 2 h s o n a 溶液，直接在该 i 太原理工大学硕士研究生学位论文 体系中滴加硝基甲烷和甲醛，采用先烷羟基化后溴化的合成工艺制备溴硝 醇。在考察了乙醇用量、反应时问、反应温度和物料配比等因素对反应影 响的基础上，通过正交实验对反应条件进行了优化，得到了最佳反应条件。 在最佳反应条件下，溴硝醇收率可达9 7 0 0 。 3 溴硝醇的分析与表征 采用熔点仪、红外光谱、高效液相色谱和薄层色谱对产物进行分析表 征，确认其结构和组成。 关键词：溴硝醇，乙醇乙醇钠，硝基甲烷，合成，分析 i i 太原理 二大学硕十研究生学位论文 s t u d yo fs y n t h e s i s0 fb r o n o p o l a b s t r a c t 2 - b r o m o - 2 - n i t r o - i ，3 一p r o p a n e d i o l ( b r o n o p 0 1 ) i sa b r o a d s p e c t r u m p r e s e r v a t i v e c o m p a r e dw i t ho t h e rp r e s e r v a t i v e s ，b r o n o p o lh a st h ef o l l o w e d m e r i t s ：( 1 ) i t sh i 曲e f f i c i e n c y ；( 2 ) l i t t l eu s ea m o u n t ，t h el o wp r i c e ；( 3 ) p r o p e r c o m b i n a t i o n sw i t ho t h e rm a t e r i a l s ；( 4 ) e x t e n s i v ep hs c o p e ；( 5 ) t h eg o o dw a t e r s o l u b i l i t y , t h ec o n v e n i e n tu s e d u et ot h e s es p e c i a l t i e s 。b r o n o p o la sp r e s e r v a t i v e i su s e di nm a n yf i e l d s al o to fs t u d i e sa n da p p l i c a t i o n sh a v eb e e nr e p o r t e di n m a n yc o u n t r i e sf o ry e a r s w i t ht h es t a n d a r do fl i v i n gi m p r o v i n ga n dt h e c o n s c i o u s n e s so fh e a l t he n h a n c i n g ，t h ed e m a n do fp r e s e r v a t i v ei sm o r ea n d m o r eh i g h a sb r o n o p o lh a v eg o o ds p e c i a l t i e s ，i tc a nm e e tt h ed e m a n dw e l l t h u s ，i th a sn o to n l ym u c hr o o mf o rd e v e l o p m e n t , b u ta l s og r e a tp o t e n t i a lo f m a r k e t n i t r o m e t h a n e 、f o r m a l d e h y d ea n db r o m i n ea r eu s e dt os y n t h e s i z eb r o n o p o l b yt h es y n t h e s i sr o u t eo fh y d r o x y a l k y l a t i o nr e a c t i o na n dt h e nb r o m i n a t i n g r e a c t i o n t h et e c h n i c sw a si m p r o v e da n dt h er e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d f i n a l l yt h eh i g hy i e l do fp r o d u c tw a sg a i n e d t h ep r o d u c tw a $ a n a l y z e df r o m i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a m o u n t sa n dt h es t r u c t u r ea tt h es a m et i m e t h er e s e a r c hp r o v i d e st e c h n i c a l s u p p o r to f i n d u s t r i a l i z a t i o n 1 s y n t h e s i so f b r o n o p o li nw a t e r - s o d i u mh y d r o x i d e t h ee f f e c to ft h ea m o u n to ft h es o l v e n t ，r e a c t i o nt i m ea n d t e m p e r a t u r ea n d t h er a t i oo fr a wm a t e r i a lo nt h ey i e l dw e r ei n v e s t i g a t e d b u tt h e r ew e r es o m e s h o r t c o m i n g si nw a t e r - s o d i u mh y d r o x i d e ，w h i c hw e r et h ed i f f i c u l tc o n t r o l ，t h e i n f e r i o rq u a l i t ya n dt h el o wy i e l d 2 s y n t h e s i so f b r o n o p o li ne t h a n o l e t h a n o l s o d i u m s o d i u mw a sp r e p a r e dt or e a c tw i t i le x c e s s i v ee t h a n 0 1 t h es y n t h e s i sr o u t eo f h y d r o x y a l k y l a t i o n r e a c t i o na n dt h e nb r o m i n a t i n gr e a c t i o nw a sc a r r i e dt h r o u g hi n t h es y s t e m o nt h ei n v e s t i g a t i n gt h ee f f e c t so ft h ea m o u n to ft h ee t h a n o l ， r e a c t i o nt i m ea n dt e m p e r a t u r ea n dt h er a t i oo fr a wm a t e r i a lo i lt h ey i e l d ，t h e o p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r eg a i n e db yu s i n go r t h o g o n a le x p e r i m e n t a l d e s i g n t h ey i e l do fb r o n o p o lw a st o9 7 i nt h eo p t i m u mr e a c t i o nc o n d i t i o n s 3 a n a l y s i so f b r o n o p o l b r o n o p o lw a sa n a l y z e db ym e l t i n gp o i n ta n a l y s i s ，i rs p e c t r u m ，i - i p l ca n d t l ct oa s s u r ei t ss t r u c t u r ea n dc o m p o s i t i o n k e y w o r d s ：b r o n o p o l ，e t h a n o l - e t h a n o l s o d i u m ，n i t r o m e t h a n e ， s y n t h e s i s ，a n a l y s i s i v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：叠盈建 e t i 莓i ： 2 盟五：羔! 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名： 致函建 日期： 趁窆2 j ：! 兰z 导师签名：趣氐銎 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 抗菌防腐剂 第一章文献综述 我们生活的环境中充满了各种各样的微生物，各种致病细菌、真菌、病毒，不仅给人 类带来疾病，甚至使人致命，对社会造成极大的危害。各种消毒剂产品因为能够杀灭病原 微生物而得到广泛使用。典型的受微生物污染的现象有：霉菌和酵母菌经常在产品的边 沿等地方出现霉点；出现浑浊、沉淀、颜色变化、p h 值改变、发泡和变味等；如果是 乳化体则可能出现破乳、成块等；如果防腐剂添加的量不够，则可能出现微生物适应周 围的生长环境，产生抗药性，从而导致防腐失效。 1 1 1 抗菌剂的分类 根据杀灭微生物种类的不同，抗菌剂通常分别称为：杀( 抗) 病毒剂、抗( 细) 菌剂、 杀真菌剂、杀黏液菌剂、杀孢子剂、灭藻剂以及杀线虫剂等，可统称为抗微生物剂。 按照其抗微生物作用程度和方式的不同，则可分为杀菌剂、抑菌剂和治疗剂。可直 接导致微生物死亡的抗微生物剂一般称为杀菌剂，又称铲除剂、杀生剂或杀灭剂。抑菌 剂又称防御剂、保存剂，其主要作用是抑制微生物的生长、繁殖，保护生物和物体不受 微生物导致的损害，包括防腐剂、防霉剂、保鲜剂等。治疗剂是指用于治疗人、畜、禽、 植物等因受微生物感染产生异常病症的医用抗生素、抗菌消炎药及农药。 杀菌剂是可有效杀死微生物的化学物质；抑菌剂是能够抑制微生物的生长繁殖或孢 子萌发而对病毒作用小的物质；抗菌剂是能够有效抑制微生物生长繁殖或可杀死病菌的 物质，包括杀菌剂和抑菌剂；防腐剂是可防止、减缓有机质的腐败变质( 如蛋白质的变 质、糖类的发酵、酯类的酸败等) 的物质；防霉剂是防止材料、物体长霉变质的化学物 质；消毒剂是杀灭繁殖状态的微生物或对芽孢、病毒有杀灭、抑制作用的物质，主要用 于人体皮肤、粘膜腔道、医疗器械、病室和公共环境等；杀生剂是水处理中用于杀灭微 生物以及藻类的化学药剂；保鲜剂是用于防止水果、蔬菜、鱼、肉、蛋等食品及花卉等 鲜活物因受外界条件( 微生物、0 2 、干燥) 的损害而变质的化学物质；抗生素，旧称抗菌 素，是对微生物有杀灭或抑制作用或具有抗肿瘤作用的微生物产物( 次级代谢物) 、化学 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 方法合成的仿制品以及抗生素母核加入不同侧链( 半合成抗生素) 等药物。杀菌与抑菌并 无严格界限，一般统称为抗菌剂。 1 1 2 抗菌剂的作用机理 抗菌剂对微生物的作用只有在足够的浓度与微生物直接接触的情况下才能产生作 用；抗菌剂最先与细胞外膜接触、吸附，穿过细胞膜进入细胞质内，然后才能在各个部 位发挥药效，阻碍细胞繁殖或将其杀死，主要是抗菌剂对细胞壁和细胞膜产生的效应； 另外是对影响细胞新陈代谢的酶的活性或对细胞质部分遗传微粒结构产生影响。 1 1 3 抗菌剂的一般要求 一种理想的抗菌防腐剂应符合下述条件： 高效，即抗菌作用强，用量少且可迅速灭菌； 广谱，即对多种微生物有杀灭或抑制作用； 低毒，即对人、畜、禽、鱼、农作物等安全性高； 长效，即可长期保持药效； 稳定，即对光、热、酸、碱等物理化学因素有较好的稳定性； 便于使用，如易溶、易分散、易吸附、使用工艺简单等，能与材料或制品很好结 合或在其中均匀分布，且不因这种结合而降低药效，也不影响材料或制品的性能； 环境相容性好，如无色、无臭、无刺激性、无腐蚀等，不会造成污染，易生物降 解； 市场潜力大，价格便宜，货源充足，便于推广。 1 2 溴硝醇简介 1 2 1 性质 溴硝醇化学名为2 - 溴2 硝基1 ，3 丙二醇，又名溴硝丙二醇、布罗波尔、拌棉醇、抑 菌醇、皮乐宝等，英文名为2 0 b r o m o - 2 n i t r o 一1 ，3 - p r o p a n e d i o l ，国外商品名为b r o n o p o l 。 它是一种白色至淡黄色结晶性粉末，熔点1 2 0 c 1 2 2 。c ，易溶于水、乙醇和丙二醇等极 性溶剂，难溶于氯仿、丙酮和苯等非极性溶剂【l 】口在p h 大于8 和高温时易分解，在光 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 照下会产生黄色，对铝材有腐蚀作用。溴硝醇是一种溴代硝基醇类广谱杀菌剂，具有很 高的杀菌活性和很低的使用浓度以及较宽的p h 使用范围，对人体皮肤无刺激、无致敏 反应，是美国f d a 批准使用的化妆品防腐剂之一，从全球个人护理品防腐剂的使用频 度统计表可看出它在世界许多国家是广泛使用的，2 0 0 3 年全球化妆品防腐剂使用频度统 计中排名1 8 。 1 2 2 特点 与其它防腐剂相比，溴硝醇有它的优点【2 】：( i ) 高效。它具有广谱抗菌活性，在 2 5 x 1 0 6 ( 0 0 0 2 5 ) 浓度下就能抑制大多数细菌生长，对革兰氏阴性菌及各类假单胞菌效 果更佳；( 2 ) 用量少，价廉。在化妆品中，布罗波尔用量一般为o 0 1 o 0 5 即可，为化 妆品常用防腐剂尼泊金酯类的十分之一，使用成本比尼泊金酯类便宜一半以上；( 3 ) 配伍 性能好。蛋白质等营养成分及各种阳离子、阴离子、非离子表面活性剂，均不会影响溴 硝醇的抑菌效果；( 4 ) 适宜的p h 值范围。布罗波尔在p h 4 9 范围内均有效，即在弱酸 性、中性和偏碱性对环境中，溴硝醇加入后均能保持有较强的抑菌作用；( 5 ) 水溶性好， 使用方便。溴硝醇在水中易溶解，2 5 c 时在水中溶解度为2 5 9 ，使用极为方便。 1 2 3 抗菌机理 溴硝醇的抗菌活性来源于分子中缺电子的氧化性溴原子 3 1 ，其抗菌作用机理是溴原 予氧化细菌细胞膜表面的硫醇基，使之成为二硫化合物，在细胞壁产生特大突起，使细 胞壁破裂、内溶物外流而杀死细菌。另一可能的途径是释放出的活化溴素，与细胞膜蛋 白质结合，形成氮溴化合物，从而干扰了细胞代谢，最后引起细菌死亡。此外，溴硝 醇分解时释放出的甲醛也可使细菌蛋白凝固，从而起到杀菌作用。 1 2 4 抗菌防腐性 溴硝醇具有广谱抗菌作用，在2 5 1 0 。8 浓度下就能抑制大多数细菌生长，尤其对革 兰氏阴性菌效果更佳，它对细菌比对霉菌和酵母菌更有效，对铜绿假单胞杆菌也有良好 的抑制效果。实验证明，2 4 小时内溴硝醇可将香波中的绿脓杆菌从每毫升l x l 0 4 个减少 至1 0 个。 影响抗菌剂抗菌防腐性能主要有以下几个因素【4 】： 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ) 浓度 抗菌防腐剂浓度越高，其效能越好，防腐剂的浓度应当高于最低抑菌浓度。 2 ) p h 值 每种微生物都有一定的p h 适应范围和最适应的p h 值，大多数细菌最时宜的p h 值 为6 5 7 5 ，即时宜于中性介质。酵母菌和霉菌则适于5 6 的微酸性介质。由表l 一1 可 知，一般微生物在微酸性至中性介质中较时宜。 袁1 - 1 一些微生物生长的p h 范围 t a b l e1 - 1p ho f t h eg r o w t ho f m i c r o o r g a n i s m p h 值 微生物 最低 最 适 最高 痢疾老贺氏菌 4 57 09 6 大肠杆菌 4 3 6 0 8 0 9 5 化脓性链球菌 4 57 89 2 霍乱弧菌 5 6 7 o 7 4 9 6 霉菌 1 5 3 8 6 07 0 1 1 0 黑曲霉 1 5 5 o 6 0 9 0 酵母菌 3 0 5 o 6 0 8 0 如果微生物生活的p h 值超出了所能适应的范围，则微生物的生命活动就会被抑制 或不能生存，即溶液酸碱性对微生物有抑制或致死作用。 根据一些国外文献及国内资料报道，溴硝醇在酸性条件下相当之稳定，提高溶液的 p h 值会加速溴硝醇的分解，其结果显示如表l - 2 所示： 表1 - 2p h 值与分解时间的关系 t a b l ei - 2r e l a t i o n s h i po f p ha n dd e c o m p o s i n gt i m e 但是即使在碱性条件下，溴硝醇仍然有防腐作用，是由于其分解放出甲醛的缘故。 4 太原理工大学硕十研究生学位论文 3 ) 温度及湿度 通常情况下，温度升高时抗菌防腐剂的效能稍有下降。一些微生物的生长温度范围 如表1 3 所示。 表1 - 3 一些微生物的生长温度范围 t a b l e1 - 3t e m p e r a t u r eo f t h eg r o w t ho f m i c r o o r g a n i s m 生长温度范围 微生物 最 低最适 最高 金黄色葡萄球菌 1 53 74 0 枯草芽孢杆菌 1 5 3 0 3 7 5 5 大肠杆菌 1 0 3 0 3 7 4 3 普通变形菌 1 03 74 3 构巢杆菌 52 5 3 73 8 黑曲霉 7 3 0 3 9 4 7 酵母菌 0 5 2 5 3 0 4 0 从表1 - 3 中的数据可以看出，大多数微生物的最适生长温度在2 5 3 7 c 。当温度高 于4 0 。c 时，只适于少数细菌生长，而当温度低于1 0 ( 2 时，只有霉菌、少数酵母菌和少 数细菌生长，但其繁殖速度很低。 空气或环境中相对湿度大，有利于微生物的生长和传播。因此，在干燥的环境中， 微生物细胞因失水而导致代谢活动停止直至死亡。所以干燥也是一种抑制微生物生长、 杀死微生物的方法。 溴硝醇在固体状态，温度低于4 5 c 或湿度小于9 0 时对其抗菌作用毫无影响，但 温度继续升高，会加速其分解。其水溶液分解过程为： b r br i i hoch 2 c c h2 0 h + c h2 0 + h o c h2 c h n i 。： n f o ： 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 也b r 舢一生一h 篡b ， i 4 ) 配方中添加物对其抗菌力的影响 化妆品中的一些营养物质如蛋白质、人参等均不影响溴硝醇的活性。一般说来，溴 硝醇在化妆品中的抗菌力不受阴阳离子和表面活性剂的影响，但也有低浓度的溴硝醇会 与一些表面活性剂产生拮抗，如卵磷脂、硬酯酸钠等。少量的表面活性剂可增强防腐剂 透过细胞膜的能力，有增效作用，但是当表面活性剂浓度增大而形成胶束时，会使防腐 剂增溶，从而降低了防腐杀菌效能。适当的提高溴硝醇浓度即可消除这些影响。 5 ) 其他物质对溴硝醇抗菌力的影响 其他物质与防腐剂形成氢键也会改变防腐剂的性能。溴硝醇抗菌活性高，作用迅速， 但也会受一些物质的影响，如与胺及酰胺会形成亚酰胺及亚硝酰胺。适当使用抗氧剂可 抑制这些物质的形成。另外，含- - s h 基的化合物及半胱胺酸也会抑制其作用。 1 2 5 急性毒性试验 急性毒性【4 】，常被称为半致死量，记做l d 5 0 ，是f d a 规定化妆品及化妆品组分的 毒理指标之一。l d 5 0 是指当受试动物经一次或2 4 小时内多次摄取大剂量试验物质后， 因毒理反应而出现受试动物死亡的数目在5 0 时的试物质量。用试物质量( r a g ) 和受试动 物体重( k g ) 之比，即以m g ! , k 9 1 化妆品的急性毒性评价如表1 - 4 所示。 表1 4 化妆品的急性毒性评价 t a b l e1 - 4t o x i c i t yc r i t e r i o no f c o s m e t i c 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 通常在许多情况下，家兔和豚鼠对刺激物质较人敏感，皮肤刺激试验通常采用家兔 和豚鼠进行试验，从动物试验结果外推到人可提供较重要的依据。 由文献 5 1 可知，溴硝醇大鼠急性经口l d s o 为1 8 0 4 0 0 m g k g ，小鼠l d s o 为2 7 0 4 0 0 m g k g 。 由文献 6 1 可知溴硝醇的小鼠口服l d s o 为3 1 0 3 4 0 m g k g ，皮下l d s o 为1 5 0 0 m g k g ， 浓度为1 5 的试样对家兔皮肤无刺激作用；以3 4 m g k g 试样对豚鼠皮肤注射，发红， 未见水肿和坏死。 1 2 6 应用 1 2 6 1 概况 溴硝醇在1 8 9 7 年被发现，但在很长一段时间内没有找到它的应用领域，直到2 0 世 纪5 0 年代末6 0 年代初，英国化学药学协会才把它作为抗菌剂而加以系统研究 3 1 。 溴硝醇最早在农业上得到应用，最早的含溴农药就是德国b o o t s 公司开发的 7 1 。它 作棉花种子处理剂，能处理因甘蓝黑腐病黄杆菌所引起的棉花黑臂病或细菌性雕枯病5 1 ， 能显著防治棉花细菌性角斑病，对棉花和多种作物无药害；由于它具有广谱抗菌性，在 医药行业中用作消毒剂。 随着溴硝醇优点不断地被发现，它的应用领域也在不断扩大，由于它的广谱抗菌性， 水溶性好，且复配性能优，近年来被大量用作香波、洗面奶、雪花膏及粉蜜等化妆品的 防腐剂。抗菌剂就是可以阻止微生物生长的物质，在化妆品中，抗菌剂的作用是保护产 品，使之免受微生物污染，延长产品的货架寿命；确保产品的安全性，肪止消费者因使 用受微生物污染的产品而引起可能的感染。所谓的理想防腐剂应具备以下几点嗍： 1 ) 无毒、无刺激，尤其对皮肤和眼睛； 2 ) 对广谱微生物活性，既可抗细菌也可抗霉菌，包括革兰氏阴性菌，这是细菌引 起腐败中最常见的； 3 )使用浓度低而效果好； 4 1可溶于水并与其他组分配伍性能好； 5 )在广泛的p h 值和温度范围内稳定： 6 ) 无色、无嗅、无味： 7 ) 有杀菌活性； 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 8 1在所处的配方中不受其他成分影响而失活； 9 )为了有良好的抗细菌和抗霉菌浓度，在各种乳液中应有较小的o w 分配系数。 抗菌防腐剂的抗菌效率一般以培养微生物实验中，微生物未生长所需防腐剂的最低 浓度，即最低抑菌浓度表示，简称m i c 。最低抑菌浓度越小，抗菌活性越大。理想的抗 菌剂应当具有广谱的抗菌活性。溴硝醇对各类微生物的最低抑菌量如表1 5 所示。 表1 5 溴硝醇对各类微生物的最低抑菌量 t a b l e i - 5l o w e s t c o n t r o l l e d a m o u n t o f b a c t e r i a w i t h b r o n o p o l 菌类微生物名称 最低抑菌量嵋m l 。 金黄色葡萄球菌 1 2 5 5 0 革兰氏阳性菌 粪链球菌 5 0 枯草杆菌 1 2 5 绿脓杆菌 2 0 一 恶臭极毛杆菌 2 5 荧光极毛杆菌 2 5 肺炎克氏杆菌 2 5 产气克氏杆菌 2 5 革兰氏阴性菌 大肠杆菌 1 2 5 5 0 鸡沙门氏菌 2 5 鼠伤寒沙门氏菌 2 5 苏耐氏志贺氏菌 2 5 普通变形杆菌 1 2 5 5 0 奇异变形杆菌 2 5 5 0 摩氏变形杆菌 1 2 5 2 5 微白色假丝酵母 2 5 5 0 酵母 卵并酵母 1 2 5 腐败酵母400 须发藓菌 2 0 0 霉菌 娄地青霉400 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 6 2 化妆品杀菌剂 化妆品本身由于含有蛋白质、脂肪、无机盐和维生素等微生物营养成分，为微生物 的生存提供了物质基础。如果化妆品被微生物污染，不仅影响到产品的功能和稳定性， 更为严重的是会引起对消费者的损害、致病、中毒，甚至死亡。 化妆品中的微生物按微生物分类，可分为： 1 ) 病源细菌 革兰氏阳性细菌 链球菌、葡萄球菌、双球菌、芽孢及梭状芽孢杆菌、棒状杆菌 革兰氏阴性细菌 沙门氏菌、绿脓杆菌、奈瑟氏菌、弧菌、嗜血杆菌、大肠杆菌、结核杆菌、痢疾杆 菌、产气杆菌 2 ) 致病真菌 青霉、曲霉、根霉、毛霉、白色念珠菌、表皮藓菌、新型隐球酵母 溴硝醇对细菌、霉菌、酵母菌均有抑杀作用，但对霉菌和酵母菌抑制活性差，和尼 泊金酯配合使用可增强对霉菌和酵母菌的抑杀作用。它在化妆品中的推荐使用浓度为 o 0 2 9 1 。在化妆品中，作为防腐剂它主要可用于含药皮肤雪花膏、含药洗发剂、婴儿 浴液、须后水、须前水、脚软化洗液、液体皂、收敛性化妆水、婴儿洗发剂、泡沫浴液、 手和体用乳液、护肤膏、卷发定型剂、蛋白质浴液、防垢霜、颜后化妆水、晒黑制剂、 护发素、染发剂、健肤水、发乳和浴用凝胶。 1 2 6 3 水处理杀菌剂 溴硝醇可以分别和n 烷基二甲基苄基氯化铵1 0 1 、四癸基二甲基硫- n 甲硫酸酯n 1 、 次氯酸盐、阳离子聚季铵化合物等杀菌剂进行复配形成一类新型杀菌剂，将其加入工业 冷却水、纸浆及纸张制造中的水处理中，提高了杀菌效果，能够完全阻止肺炎克氏杆菌 的生成，这类新型杀菌剂效果很好；将溴硝醇和乙烯基单甲基醚组成的杀菌剂加到处理 有机无水的污泥中可以有效抑制污泥的膨胀；溴硝醇和聚【2 一羟基乙烯( 双甲基亚胺) 乙烯 ( 二甲基亚氨基) 1 亚甲基氯化物组成的杀菌剂可有效控制冷却水中的军团杆菌，故可 做空调循环水的杀菌剂。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 6 4 石油工业杀菌剂 将溴硝醇和表面活性剂做成条状和块状的固体杀菌剂，能控制油井水中微生物的生 长，且能在水中分散溶解而不溶于油中，因此可进入石油系统底部的水层中杀灭细菌， 从而有效抑制金属工件的腐蚀。有一种在石油装置、工业冷却水、纸浆中均可以使用的 组合杀菌剂，它是由氧化杀菌剂过硫酸钾等、溴硝醇、表面活性剂、抗腐蚀剂和抗锅垢 材料等组成。 1 2 6 5 除味剂 以溴硝醇为主的厕所空气除味剂既可在很低浓度下杀灭真菌、介壳虫，也可有效除 去厕所空气和水中的氨气、硫化氢和硫醇，且由于溴硝醇无味，价格低廉，用它做杀菌 剂的除昧剂不仅可用于家庭厕所，还可用于垃圾处理中难闻气味的脱味液。由溴硝醇作 杀菌剂及脱味剂、金属硫酸盐或金属氯化物作填料、吡咯化合物作防腐蚀剂组成的脱臭 剂，可用于火车、公共汽车、飞机及轮船的粪便冲洗脱臭。 1 2 6 6 医药工业 溴硝醇在医药工业上除了可作外用杀菌剂，还可作口服用药的防腐剂，用于治疗胃 炎；由溴硝醇作为乳腺炎配方中的杀菌剂能够有效杀灭葡萄球菌，从而控制乳腺炎；以 溴硝醇作杀菌剂的手用清洗剂，其优点在于该清洗剂容易使用，使用后不用漂洗，且对 皮肤没有刺激性和发干性。随着对溴硝醇毒理性的深入研究，它在医药工业的应用范围 将会继续扩大。 1 2 6 7 其他领域 除了以上广泛的应用领域外，溴硝醇还可作为纺织品的柔软剂组分、皮革防腐剂、 润滑冷却液体的防腐剂、切花防腐剂、蔬菜储存的防腐剂、杀菌泡沫聚氯酯原料等。 作为一种抗菌剂，国外专利对其应用也有大量的研究和报道【1 2 2 4 】。随着表面活性剂 及有机物质使用量的增加，对防腐要求越来越高，溴硝醇以其突出的优点，满足了市场 的需要。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 合成方法 目前国内外溴硝醇的合成方法主要有两种：一种是先羟烷基化，后溴化反应( 以下 简称方法一) ，另一种是先溴化后羟烷基化反应( 以下简称方法二) 。 1 3 1 方法一概述 硝基甲烷与甲醛生成2 一硝基1 ，3 丙二醇，2 硝基1 ，3 丙二醇继续和氢氧化钠反应得 到醇钠中间体，该中间体和溴素反应得到溴硝醇。其反应式如下所示： 烷羟基化反应： n p 2 i h o c h 2 c h c h 2 0 h v 0 2n 0 2 h 。c h ：h c h ：。h ! ! 兰! ! o 【h 。c h ：2 h 三h ：。h 】- n a + + h ：6 溴化反应； 瞰。c h ：c h c h ：。h ，一n 。+ 呈! ：+ h 。c h ：2 n h o 三h ：。h + n 。b ， 2 i 1 9 7 2 年r i c h a r dw e s s e n d o r f l 2 5 1 通过溴化硝基醇盐制得溴硝醇，较佳的盐为钙盐，由 于钙盐在中性溶液中溶解性很小，可直接分离，操作简单；溴化过程将溴滴加入盐中， 这样可避免副产物的产生。 1 9 7 3 年r i c h a r dw e s s e n d o f f t 2 6 1 延续了上个专利的思路，制备硝基醇盐后进行溴化， 对加料方式进行了研究，并得出了它的反应最佳条件。 1 9 9 1 年w u e s t 等人f 2 7 l 在低于3 0 。c 条件下将硝基醇盐滴入溴和氢溴酸的混合液中，该 反应使用了有机溶剂。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 9 9 3 年胥治杰、刘江口8 1 采用此合成工艺合成溴硝醇，将第一步反应制得的钠盐溶液 滴入溶有溴的乙酸乙酯溶液中，产品经过盐析、抽滤、烘干得到。 2 0 0 1 年谭世语、汤波等人1 2 9 使用水和乙醇混合溶剂，采用此工艺对其实验条件进行 考察得出了最佳的反应温度和反应时间，产品收率为7 8 。 2 0 0 1 年肖建国3 川使用了低浓度的氢氧化钠溶液，将醇钠盐滴入溶有溴的四氯化碳 中，产率为9 2 。 2 0 0 5 年美国专利【3 1 】：使用硝基甲烷、甲醛、氢氧化钠和溴素做原料制备溴硝醇，对 该过程的具体反应设备和条件做了详细介绍，不论从经济角度还是产品角度而言，该法 可能适于工业化连续生产的，具有操作简单和反应易控制等优点。 1 3 2 方法二概述 将硝基甲烷和溴素在碱性条件下反应得到溴代硝基甲烷，溴代硝基甲烷继续与甲醛 反应得到溴硝醇。其反应式如下所示： 溴化反应： c h 3 n 0 2 + b r 2 竺里：，b r c hn och3n02b r c h 2 n 0 2+ b r 2 + 烷羟基化反应： b r o h i br c h 2 n 0 2 + 2 h c h o h o c h 2 c h c h 2 0 h i 1 9 8 7 年日本专利报道【3 2 】了溴硝基甲烷和醛在强碱条件下制备溴硝醇的工艺，该方 法需用硫酸处理，以避免产品分离，酸化过程将水引入体系，且会产生硫酸盐，反应因 产生单羟基烷烃使反应难以完全，以致收率不高。 1 9 9 0 年v i n c e n tn o c i t o 【3 3 1 等人用碱和硝基烷烃生成的硝基盐和溴素反应生成一溴代 硝基烷烃，继续和甲醛在碱性条件下反应得到溴硝醇。该工艺有较高的收率和纯度，后 处理过程操作简单。 1 9 9 1 年j a m e se w i l l i a m s3 2 等人报道了溴硝基甲烷和醛在酸性条件下制备溴硝醇的 工艺方法，该工艺中无需使用强酸对产品进行处理，产品中无机盐少，反应温和，易控 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 制，收率高，纯度高。 1 9 9 7 年袁军、曾鹰等人3 4 】用氢氧化钾和硝基甲烷生成的硝基盐和溴素反应生成一 溴代硝基甲烷，继续和甲醛在碱性条件下反应得到澳硝醇，总收率可达9 1 2 。 2 0 0 1 年汤波【35 】采用此合成工艺对实验条件进行了考察，使用乙酸乙酯和氯仿混合 溶剂进行重结晶。 2 0 0 5 年杨辉琼、苏娇莲等人口6 】在v i n c e n tn o c i t o 的专利( u s 4 9 2 2 0 3 0 ) 的工艺基础 上，对实验条件进行了考察，得出了优化条件，纯度较高，总收率为8 3 5 。 1 3 3 其它合成方法 1 9 8 9 年k u p p e r 等人发明了一种新的合成方法鲫。首先将lm ol 硝基甲烷与3m ol 甲醛，在碱溶液催化下缩合得到2 硝基2 羟甲基1 ，3 丙二醇，继而经过环缩合、溴化、 水解而制得溴硝醇，产物2 硝基一2 羟甲基1 ，3 丙二醇很稳定，克服了以往专利中生成硝 基丙二醇金属盐的危险和分离的麻烦，但其步骤繁琐，不利于工业化生产。 1 9 9 4 年，日本专利【3 8 , 3 9 1 先后报道了分别以三羟甲基硝基甲烷和三溴代硝基甲烷为 原料合成2 溴2 一硝基1 ，3 丙二醇的方法，收率分别为8 9 3 和9 4 。这两种方法工艺简 单，操作方便，但强碱性条件下醇盐不稳定，且生成无机盐较多，给后处理带来许多麻 烦。 1 4 分析与表征 1 9 9 0 年黄北鸥介绍了沉淀滴定法测定溴硝醇的含量f 4 0 l ，用无机的方法进行测定。将 溴硝醇中的溴水解出转化成溴化银通过滴定定量计算得出含量。 1 9 9 4 年贾凤聪介绍了溴硝醇的薄层层析法1 4 ”。溴硝醇在碱和甲醛存在下生成a 羟甲 基- 2 硝基1 ，3 丙二醇和溴化钠，加入硝酸银进行沉淀反应，后用硫氰酸反滴定，使用 氯仿和乙酸乙酯作为展开剂对溴硝醇进行定性和定量分析。 1 9 9 6 年s a i l y a l 等人【4 2 】介绍了运用紫外分光光度法测定溴硝醇，该方法简单快速，并 对溴硝醇的降解研究也有很大作用。 1 9 9 7 年h z l i a n 等人【4 3 】利用离子对反相高效液相色谱法对溴硝醇应用的洗剂中的溴 硝醇含量及稳定性作了详细研究与分析，提出了一种溴硝醇检验的方法。 1 9 9 7 年王萍 4 4 1 采用薄层层析法测定了化妆品中包含溴硝醇在内的多种防腐剂的含 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 量。本实验只用一种展开剂而无需使用显色剂即同时测定了苯甲酸、水杨酸和溴硝醇等 8 种防腐剂。 1 9 9 9 年胡俊明等人【4 5 1 采用反相离子对色谱法测定化妆品中溴硝醇等1 1 种防腐剂，以 z o r b a xc 8 为固定相，此方法样品预处理简单，且分辨率、精密度及灵敏度均令人满意。 2 0 0 0 年李洁采用高效液相色谱法h 6 对化妆品中的溴硝醇进行测定，此方法能同时测 定化妆品中的凯松和溴硝醇含量，这给化妆品检验提供了理论基础，并确定了溴硝醇的 测定条件。 2 0 0 2 年陈文利等人 4 7 1 采用反相高效液相色谱技术，以l i c h r o s o r bc 1 8 作固定相测定 溴硝醇含量，此方法快速，重现性好。 1 5 本课题研究思路 通过文献综述发现，溴硝醇的合成工艺存在以下几个问题：1 、收率较低：2 、工艺 复杂；3 、缺少中间控制；4 、粗产品精制方法不当；5 、产品纯度低。针对以上问题， 本课题拟在大量总结和评价文献工作的基础上，通过筛选新的催化剂、改变溶剂体系、 选择合适的后处理方法和优化合成工艺，最终推出一条路线短、步骤简、收率高和产品 质量高的溴硝醇合成新工艺。具体研究内容如下： 1 ) 筛选新的催化剂体系，考察其活性和选择性； 2 ) 选取合适的溶剂种类及其用量： 3 ) 考察反应温度、时间、配料等因素对目标产品收率的影响，最终得出反应优化条件； 4 ) 确定产品分离和纯化方法，提高产品质量。 1 4 太原理1 ：大学硕士研究生学位论文 2 1 实验原料和试剂 第二章实验内容 表2 1 实验原料和试荆 t a b l e2 1e x p e r i m e n t a lm a t e r i a l sa n dr e a g e n t s 2 2 实验仪器 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 表2 - 2 实验仪器 t a b l e2 - 2e x p e r i m e n t a li n s t r u m e n t s 2 3 实验原理 硝基甲烷与甲醛生成2 硝基1 ，3 丙二醇，2 硝基1 ，3 - 丙二醇继续和氢氧化钠反应得 到醇钠中间体，该中间体和溴素反应得到溴硝醇。其反应式如下所示： 烷羟基化反应： n 0 2 i c h 3 n 0 2 + 2 h c h o h o c h 2 c h c h 2 0 h n 0 2n o ， h 。c h ：2 h c h ：。h ! 坚! ! 量 h 。c h ：h 三h ：。h r n 。+ + h ：。 溴化反应： n 0 2 h o c h 2 c h c h 2 0 h 一n a + 旦! 兰+ h o c h 2 c ih c h 2 0 h + n a b r i 1 6 太原理t 大学硕士研究生学位论文 2 4 实验步骤 在四口烧瓶中加入溶剂和甲醛，控温， 时间，滴加溴，控温，搅拌后蒸馏反应液， 法精制，干燥，即得白色溴硝醇产品。 2 5 实验结果与讨论 同时滴加硝基甲烷和催化剂，继续搅拌一段 冷却结晶，析出晶体，过滤，粗品以重结晶 在文献工作的基础上，通过验证实验初步得到烷羟基化反应和溴化反应的基本工艺 条件，本实验拟在此基础上继续细化工艺，通过单因素实验和正交实验确定其最佳工艺 条件。 2 5 1 溶剂及催化剂确定 2 5 1 1 溶剂 在四口烧瓶中加入溶剂和甲醛，控温1 0 4 c ，同时滴加硝基甲烷和2 5 的氢氧化钠溶 液，硝基甲烷和甲醛摩尔比为1 ：2 ，硝基甲烷与氢氧化钠摩尔比为l ：1 ，继续搅拌1 5 h 后 滴加溴，硝基甲烷与溴素摩尔比为l ：1 ，控温2 0 c ，继续搅拌0 5 h 。分别选择水、甲醇、 乙醇和乙醇+ 水四种溶剂，考察溶剂种类对收率的影响，结果如表2 3 所示。 表2 3 溶剂种类对收率的影响 t a b l e2 - 3e f f e c to f d i f f e r e n ts o l v e n t so nt h ey i e l d 乙醇与水的体积比为1 ：l 从表2 - 3 可以看出，用水做溶剂时产物的收率最高为7 5 0 0 。用水做溶剂能使反应 中间产物较好的溶解，利于下一步溴化反应的进行，且实验最终产物在水中有很好的溶 解性。从经济性考虑，水作溶剂也可大大降低制造成本。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 5 1 2 溶剂用量 在四口烧瓶中加入水和甲醛，控温1 0 ，同时滴加硝基甲烷和2 5 的氢氧化钠溶液， 硝基甲烷和甲醛摩尔比为1 ：2 ，硝基甲烷与氢氧化钠摩尔比为1 ：l ，继续搅拌1 5 h 后滴加 溴，硝基甲烷与溴素摩尔比为1 ：1 ，控温2 0 ，继续搅拌0 5 h 。考察溶剂量对收率的影响， 结果如表2 4 和图2 1 所示。 表2 4 溶剂量与收率的关系 t a b l e2 - 4r e l a t i o n s h i po f a m o u n to f s o l v e n ta n dy i e l d 注：体积比为加入的溶剂与反应物料的体积比，反应物料体积为硝基甲烷，甲醛和 溴素总的体积和。 芒 静 掣 0 体积比m l ：m l 图2 1 溶剂量对收率的影响 f i g 2 - 1e f f e c to f a m o t m to f s o l v e n to l lt h ey i e l d 由图2 1 可知，随着溶剂量的增加，收率开始增加，当溶剂量为反应原料体积的1 5 倍时，收率达到最高点，虽然在3 倍时收率有升高的趋势，但溶剂量太大，结晶不易析 出，增a n t 后处理难度，也提高了合成成本，对它进行考察没有太大意义。因此，本实 验选择水反应原料( v ，v )