阅读说明：本技术 含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂及其合成方法与应用 (Gemini type quaternary ammonium salt surfactant containing natural terpene structure, and synthetic method and application thereof ) 是由 蓝虹云 黄道战 霍尚朝 莫君明 于 2020-08-11 设计创作，主要内容包括：本发明属于林产精细化学品合成技术领域,具体公开了一种含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂及其合成方法与应用。该类表面活性剂兼有天然萜烯结构和烯丙基季铵功能基,并且具有如式(Ⅰ)所示结构,<Image he="117" wi="209" file="984462DEST_PATH_IMAGE001.GIF" imgContent="drawing" imgFormat="GIF" orientation="portrait" inline="no"></Image>,其中R<Sup>1</Sup>为疏水基团,是含天然萜烯结构的烯丙基；R<Sup>2</Sup>是桥联基团,为亚乙基、1,3-亚丙基或1,4-亚丁基；X为氯或溴。本发明含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法是以含天然萜烯结构的烯丙基卤化物和二元叔胺为原料,通过季铵化反应制备得到目标产物。该表面活性剂具有较强的表面活性,良好的亲水性和抑菌活性,能够抑制细菌、真菌以及藻类的生长,可用作杀菌剂和灭藻剂。(The invention belongs to the technical field of forest fine chemical synthesis, and particularly discloses a Gemini type quaternary ammonium salt surfactant containing a natural terpene structure, and a synthesis method and application thereof. The surfactant has both a natural terpene structure and an allyl quaternary ammonium functional group and has a structure shown as a formula (I), wherein R is 1 Is hydrophobic group and is allyl containing natural terpene structure; r 2 Is a bridging group which is ethylene, 1, 3-propylene or 1, 4-butylene; x is chlorine or bromine. The invention relates to a method for synthesizing a Gemini type quaternary ammonium salt surfactant containing a natural terpene structure, which takes allyl halide containing a natural terpene structure and dibasic tertiary amine as raw materials and prepares a target product through quaternization reaction. The surfactant has strong surface activity, good hydrophilicity and bacteriostatic activity, can inhibit the growth of bacteria, fungi and algae, and can be used as bactericide and algicide.)

含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂及其合成方法与 应用

技术领域

本发明属于林产精细化学品合成技术领域，具体涉及一种含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂及其合成方法与应用。

背景技术

α-蒎烯、β-蒎烯、莰烯、长叶烯等天然萜烯存在于许多天然植物精油中，也是重要的松节油产品，具有一定的消炎、镇痛、抗菌或抗癌等生物活性，在医药、农药等领域有重要的应用及发展前景。然而，由于它们易挥发、弱亲水性的特征，导致难以直接应用于亲水性体系或环境，发挥其应有的药效。为此，人们利用其化学性质，进行分子结构改造或衍生化，引入并构建增强亲水性、生物活性的功能基，开发天然萜烯衍生物新产品，拓宽新的应用领域。

以莰烯和长叶烯为例，经Prins烯醛缩合反应可分别制备ω-乙酰氧甲基莰烯和ω-乙酰氧甲基长叶烯，然后经水解、卤代反应或者一步卤代反应，分别合成ω-羟甲基莰烯、ω-羟甲基长叶烯、ω-氯甲基莰烯和ω-氯甲基长叶烯（蓝虹云，等. 精细化工，2018，35(7)：1255-1260；霍尚朝, 等. 生物质化学工程，2020, 54(7): 31-36）)；这些莰烯、长叶烯的衍生物在分子结构中均含有天然莰烯或长叶烯的分子结构，其中，ω-氯甲基莰烯和ω-氯甲基长叶烯归属于烯丙基卤化物，具有活泼的化学性质，如ω-氯甲基长叶烯可与有机叔胺进行季铵化反应制备含长叶烯结构的单季铵盐化合物，ω-氯甲基莰烯、ω-氯甲基长叶烯和含长叶烯结构的单季铵盐化合物具有比长叶烯、ω-乙酰氧甲基长叶烯、ω-羟甲基长叶烯更高的抑菌活性。这对探讨天然萜烯结构与含天然萜烯结构衍生物的理化性质、生物活性的关系，具有理论及实际应用研究价值。然而，目前含天然萜烯结构衍生物在品种和数量上不多，尤其在生物活性和应用性能的研究深入不够，限制了其更进一步的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于针对目前传统含天然萜烯结构衍生物研究开发中存在的问题，提供的一种含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂及其合成方法与应用，即基于药物合成设计的活性亚甲基拼接原理，以ω-氯甲基莰烯和ω-氯甲基长叶烯等含天然萜烯结构的烯丙基卤化物为原料，采用一步或两步季铵化反应工艺，构建兼具亲水性、抗菌活性、抑藻活性的季铵功能基，合成兼有天然萜烯结构和烯丙基季铵功能基的Gemini型季铵盐表面活性剂，并提供该类表面活性剂在作为表面活性剂、抑菌剂和杀菌剂的原料或产品方面的应用。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂，该表面活性剂在分子结构中兼有天然萜烯结构和烯丙基季铵功能基，并且具有式(Ⅰ)所示结构，

其中R¹为疏水基团，是含天然萜烯结构的烯丙基； R²是桥联基团，为亚乙基、1,3-亚丙基或1,4-亚丁基；X为氯或溴。所述的含天然萜烯结构的烯丙基来源于含天然萜烯结构的烯丙基卤化物。

本发明还提供了所述的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂在作为表面活性剂、抑菌剂和杀菌剂的原料或产品方面的应用。

本发明另一方面还提供了所述的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法，该方法包括如下步骤：按物质的量之比含天然萜烯结构的烯丙基卤化物:二元叔胺为2～2.1:1的比例，将含天然萜烯结构的烯丙基卤化物和二元叔胺，投加到反应器，添加原料质量0～3倍的有机溶剂，于60～90℃下加热回流搅拌反应2～6h，冷却至室温，加入适量有机溶剂，充分搅拌，静置，使产物沉淀析出，沉淀物经过滤收集、提纯、真空干燥得产品。

上述的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法中，所述的含天然萜烯结构的烯丙基卤化物，包括ω-氯甲基莰烯(1)、ω-氯甲基长叶烯(2)、ω-溴甲基莰烯(3)和ω-溴甲基长叶烯(4)，其相应的分子结构如下所示：

所述的含天然萜烯结构的烯丙基卤化物，是以莰烯、长叶烯等天然萜烯为原料，按文献[Nayak U. R. ,等. Tetrahedron, 1963, 19(12): 2281-2292; 霍尚朝, 等. 生物质化学工程, 2020, 54(3): 31-36; 姚丹姝. 合成化学, 1998, (3): 315-318; Snyder E I.J. Org. Chem., 1972, 37, 212]中的方法，经 Prins烯醛缩合、水解、卤代等反应制备得到的；所述的天然萜烯包括莰烯、β-蒎烯、α-蒎烯等单萜烯和长叶烯等倍半萜烯。

上述的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法中，所述的二元叔胺包括四甲基乙二胺、N,N,N,N-四甲基-1,3-丙二胺以及N,N,N,N-四甲基-1,4-丁二胺。

上述的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法中，所述的有机溶剂为乙酸乙酯、乙酸丁酯和丙酮中的任意一种或二种及以上组成的混合物。

本发明提供的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂兼有天然萜烯结构和烯丙基季铵功能基，表现出较强的表面活性，能够抑制细菌、真菌以及藻类的生长，可用作表面活性剂、抑菌剂和灭藻剂的原料或产品。

按照本发明所述的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法合成得到的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂，其中合成得到的部分含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂Ia-Id 的分子结构如下所示：

上述含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂Ia-Id的名称分别为：Ia，N₁,N₂-双(莰烯基甲基)-N₁,N₁,N₂,N₂-四甲基乙烷-1,2-二氯化铵；Ib，N₁,N₂-双(长叶烯基甲基)-N₁,N₁,N₂,N₂-四甲基乙烷-1,2-二氯化铵；Ic，N₁,N₃-双(莰烯基甲基)-N₁,N₁,N₃,N₃-四甲基丙烷-1,3-二氯化铵；Id，N₁,N₄-双(长叶烯基甲基)-N₁,N₁,N₄,N₄-四甲基丁烷-1,2-二溴化铵。

本发明合成得到的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂，其分子结构经红外光谱（FT-IR）、核磁共振谱（¹H-NMR 和 ¹³C-NMR） 的波谱分析手段确证，所用的仪器及方法如下： Magna IR550(Ⅱ)型傅里叶变换红外光谱(FT-IR)仪，美国Nicolet公司；600M核磁共振波谱(NMR)仪（CDCl₃为溶剂，内标为 TMS），日本电子株式会社。

本发明含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂，其表面活性以对水的表面张力表示，通过吊环法测定；乳化性能测定采用分水法；抑菌、杀菌活性评价采用 96 孔板微量肉汤二倍稀释法。

本发明与现有技术相比较，具有以下优点：

（1）本发明提供的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂具有良好的亲水性、表面活性和抑菌活性，能够抑制常见致病性细菌（大肠杆菌、肺炎克雷伯菌、金黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌等）、真菌（白色念珠菌、热带念珠菌和黑曲霉等）和藻类（淡水藻、海洋藻）的生长，可用作抗菌或抑藻剂。

(2)本发明提供了一种新的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂产品，该表面活性剂含有天然萜烯的分子结构，可作为植物源抗菌或抑藻剂，具有很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中合成得到的N₁,N₂-双(莰烯基甲基)-N₁,N₁,N₂,N₂-四甲基乙烷-1,2-二氯化铵（Ia） 的红外光谱（FT-IR）图；

图 2是本发明实施例1中合成得到的N₁,N₂-双(莰烯基甲基)-N₁,N₁,N₂,N₂-四甲基乙烷-1,2-二氯化铵（Ia） 的 ¹H 核磁共振谱（¹H-NMR）图；

图 3是本发明实施例1中合成得到的N₁,N₂-双(莰烯基甲基)-N₁,N₁,N₂,N₂-四甲基乙烷-1,2-二氯化铵（Ia）的 ¹³C 核磁共振谱（¹³C-NMR）图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例 1

一种含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法，其合成方法包括如下步骤：

在50 ml圆底烧瓶中，加入 3.68 g（20 mmol）ω-氯甲基莰烯和 1.16 g（10 mmol）四甲基乙二胺，在85℃下磁力搅拌加热回流反应6h。反应结束后，冷却至室温，加入10 ml乙酸乙酯，充分搅拌，使产物沉淀析出，倾析法过滤收集得到灰色粗产物。粗产物以乙酸乙酯为溶剂进行重结晶提纯，45℃真空干燥4 h后，即可得到灰白色N₁,N₂-双(莰烯基甲基)-N₁,N₁,N₂,N₂-四甲基乙烷-1,2-二氯化铵（Ia）3.50g，收率72.2%。

化合物Ia 的FT-IR、¹H-NMR 及 ¹³C-NMR 谱学数据及归属如下：

FT-IR υ/cm^-1：2960, ν _as (C-H); 2868, ν _s (C-H); 1672, ν(C=C); 1467, δ (C-H);1108, ν (C-N); 881, γ (=C-H).

¹H NMR (600 MHz, D₂O) δ : 5.05-5.08 (t, J = 6 Hz, 2H, H-10, H-10′), 3.82– 3.92 (m, 4H, H-11, H-11′), 3.70 – 3.80 (m,4H,N(CH ₂)₂N′)， 2.97(s, 12H, N(CH ₃)₄), 1.84 (s, 2H, H-1, H-1′)，1.51 – 1.58 (m, 6H, H-6ax, H-6′ax,H-5ax, H-5′ax, H-7ax, H-7′ax),1.25-1.30(t,2H, H-4, H-4′),1.18 – 1.22 (t, J = 12Hz, 2H,H-6eq, H-6′eq), 0.91 – 0.93 (m, 2H, H-5eq, H-5′eq, H-7eq, H-7′eq), 0.93 (s,6H, H-9, H-9′), 0.91 (s, 6H, H-8, H-8′).

¹³C NMR (150 MHz, D₂O) δ : 174.38(C-2, C-2′), 100.00(C-10, C-10′), 64.79(C-11), 64.49(C-11′), 54.89(N(CH₂CH₂)N′), 54.85((N(CH₂ CH₂)N′)), 49.91(N(CH₃)₂),49.70(N′(CH₃)₂), 47.16(C-4, C-4′), 43.84(C-1), 42.67(C-1′), 41.87(C-3′), 41.75(C-3), 36.77(C-7), 36.74(C-7′), 28.14(C-6), 28.11(C-6′), 27.05(C-8), 26.95(C-9), 24.80(C-8′), 24.77(C-9′), 23.01(C-5), 22.98(C-5′).

实施例 2

含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法，其合成方法包括如下步骤：

在50 ml圆底烧瓶中， 加入5.29g（21 mmol）ω-氯甲基长叶烯和1.16g（10 mmol）四甲基乙二胺，在85℃下磁力搅拌加热回流反应6h。反应结束后，冷却至室温，加入10 ml乙酸乙酯，充分搅拌，静置，使产物沉淀析出，倾析法过滤收集得到灰色粗产物。粗产物以乙酸乙酯为溶剂进行重结晶提纯，45℃真空干燥4 h后，即可得到灰白色固体N₁,N₂-双(长叶烯基甲基)-N₁,N₁,N₂,N₂-四甲基乙烷-1,2-二氯化铵（Ib）4.35g，收率 70.0%。

实施例 3

含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法，其合成方法包括如下步骤：

在50 ml圆底烧瓶中， 加入 3.68 g（20 mmol）ω-氯甲基莰烯和 1.30 g（10 mmol）N,N,N,N-四甲基-1,3-丙二胺，在90℃下磁力搅拌加热回流反应5.5h。反应结束后，冷却至室温，加入10 ml丙酮，充分搅拌，使产物沉淀析出，倾析法过滤收集得到灰色粗产物。粗产物以丙酮为溶剂进行重结晶提纯，45℃真空干燥4 h后，即可得到灰白色N₁,N₃-双(莰烯基甲基)-N₁,N₁,N₃,N₃-四甲基丙烷-1,3-二氯化铵（Ic）3.75g，收率75%。

实施例 4

含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的合成方法，其合成方法包括如下步骤：

在50 ml圆底烧瓶中， 加入5.94g（20 mmol）ω-溴甲基长叶烯和1.44g（10 mmol）四甲基-1,4-丁二胺，在85℃下磁力搅拌加热回流反应2h。反应结束后，冷却至室温，加入10 ml乙酸乙酯，充分搅拌，使产物沉淀析出，倾析法过滤收集得到灰色粗产物。粗产物以乙酸乙酯为溶剂进行重结晶提纯，45℃真空干燥4 h后，即可得到N₁,N₄-双(长叶烯基甲基)-N₁,N₁,N₄,N₄-四甲基丁烷-1,2-二溴化铵（Id）5.60g，收率 76.0%。

实施例 5

含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂在水溶液中的表面张力采用吊环法测定。

将实施例1-2制备得到的莰含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂Ia-Ib分别以超纯水溶解、配成系列浓度溶液，在 25℃下，在 BZY-2型全自动表面张力仪上测量不同浓度溶液的表面张力γ，重复测量 5 次，取其平均值，制作 γ～ln（C）关系曲线，根据曲线转折点，推算其临界胶束浓度（CMC），数据结果如表1所示。

实施例 6

含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂的乳化性能采用分水法测定。即在室温下，量取 40mL 质量分数为 0.1%的样品水溶液倒入 100mL 的具塞量筒中，再加入 40mL苯或α-蒎烯，塞紧塞子，上下振荡 50 次，静置，记录分出 10mL 水的时间，每个样品重复 3次，取其平均值，分水时间越长，表示乳化能力越强，将实施例1-2制备得到的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂Ia-Ib进行测定，测定结果如表2所示。由表 2 可知，化合物Ia-Ib对α-蒎烯和苯均有乳化作用。

实施例 7

含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂对细菌、真菌的抑菌活性采用 96 孔板微量稀释法测定，具体方法如下：

分别称取0.05 g实施例1-2制备得到的含天然萜烯结构Gemini型季铵盐表面活性剂Ia-Ib、利福平、酮康唑于装有1 mL DMSO的无菌离心管中，摇匀，得到50 mg·mL^-1的溶液。取20 μL溶液于装有0.98 mL无菌培养基的离心管中，摇匀，得到浓度为1000 μg·mL^-1含2%DMSO的样品溶液，高压蒸汽灭菌（121 ℃，30 min）备用。

用无菌微量移液器往无菌的 96 孔平板1号孔和 2 号孔中注入 100μL样品溶液，往 2-12号孔中依次注入 100 μL含 2% DMSO 的无菌液体培养基，并混匀。从 2 号孔中取100 μL 样品溶液注到第 3 个孔中，从 3 号孔取 100 μL 样品溶液加到4 号孔中，依次类推进行二倍稀释，最终把 12 号孔的 100μL 舍去，便得到 1-12 孔的浓度依次为 1000、500、250、125、62.5、31.25、15.625、7.8125、3.9063、1.9531、0.9766、0.4833 μg/mL 的样品溶液，最后往 1-12 号孔依次打入 100 μL 菌悬液，在 1-12 孔的样品最终浓度依次为500、250、125、62.5、31.25、15.625、7.8125、3.9063、1.9531、0.9766 、0.4833和 0.2417 μg·mL^-1。以 100μL 2% DMSO 的液体培养基和 100μL 菌悬液的混合液作为阴性对照，其中细菌以利福平作为阳性对照，真菌以酮康唑作为阳性对照。细菌于37℃、真菌于30℃的生化培养箱中各生长 24 h。培养结束后，观察结果，阴性对照组全部变浑浊，再通过比较待测组的浑浊度，没有变浑浊的孔的最低浓度即为 MIC，每个样品做 3 个平行实验，测试结果列见表 3。

如表 3 所示，化合物 Ia-Ib 对常见致病性细菌和真菌都表现出较好的抑菌活性，其中化合物 Ib对所有测试细菌和真菌的生长均具有最强的抑制作用，其对所有测试细菌和真菌的最小抑菌浓度均在0.241～1.95μg·mL^-1之间，也小于或接近阳性对照品和两种市售单季铵盐（十六烷基氯化吡啶和十六烷基二甲基苄基氯化铵）对相应细菌和真菌的最小抑菌浓度，表现出一定的广谱抑菌活性。