一种水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料及其制备方法

一种水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料及其制备方法。在惰性气体条件下，将氧杂环丁烷类单体与催化剂及大分子引发剂，在无水溶剂中发生开环聚合反应，然后通过反复沉淀?溶解?沉淀方法进行提纯得到聚合物前体；在惰性气体条件下，将所得聚合物前体与过量叔胺发生季铵化反应，再通过反复沉淀?溶解?沉淀除去过量叔胺，真空干燥则可得到这种水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料。本发明材料结构新颖，不仅具有聚乙二醇的优良的润滑性、保湿性、分散性及抗静电性等优异的性能，并且具有抗菌谱广、杀菌快速高效、性能稳定、不扩散不渗透、无毒性残留及易加工等优点，在医疗卫生产品、化妆品、制药、化纤、橡胶、塑料、造纸、油漆、电镀、农药、金属加工及食品加工等行业中应用前景极为广泛。
【专利说明】
一种水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料及其制备方法
技术领域
[0001] 本发明属于高分子材料技术领域，具体涉及一种水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料 及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 随着人类社会的快速发展和生活水平的不断提高，越来越多的人发现微生物致病 菌已成为全世界范围内危害人类健康导致疾病甚至死亡的罪魁祸首。季铵盐作为一种广谱 及高效的抗菌剂，在材料、纺织、化妆品、医疗及工业水处理等领域得到了广泛的应用。然而 这些小分子抗菌剂性能不稳定、易挥发及不易加工等缺点，同时易渗透扩散引起毒性残留， 且如果长时间单一使用则易导致微生物致病菌的耐药性。相对而言，聚阳离子季铵盐类高 分子材料性能稳定，不易挥发，而且抗菌活性长效耐久。不仅如此，聚阳离子季铵盐类高分 子材料比小分子季铵盐有更好的抗菌活性，而且使用安全，不会渗入人或动物表皮，选择性 高，使用寿命长、无残留毒性等优点，是高分子抗菌剂的典型代表，因而受到研究者们广泛 的关注和开发。中国专利CN 1394897A公开了一种超支化聚季铵盐及其制备方法，中国专利 CN 1635010A公开了一种高分子杀菌剂及其制备方法，其高分子为一种超支化聚酯季铵盐， 这类超支化聚季铵盐结构新颖，但制备方法复杂，且提纯上有一定难度。中国专利CN 104829748 A公开了一种水溶性壳聚糖季铵盐杀菌剂及其制备方法，江小林等报道了一种 纤维素季铵盐材料的制备及其在处理废水领域的应用[界樣工程学艰，年，第9卷 第兄费]，这类基于天然高分子的改性材料，兼具天然高分子材料本身对环境友好及来源丰 富等优势，然而尽管如此，这类天然高分子改性材料存在加工困难，不同批次分子量及其结 构可控性差等缺点，一定程度上限制了其应用。综合文献及专利，我们未发现有基于生物无 毒、结构可控的聚醚为主链的水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料报道。

【发明内容】

[0003] 本发明的目的在于提供一种水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料及其制备方法。
[0004] 本发明提出的一种水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料，所述材料结构式为式(A)所 示，
其中：R为氢、甲基或乙基中任一种，X为氯、溴或碘中任一种，m为3~6的整数，p为6~18之 间的奇数，z为1~4的整数。
[0005] 本发明提出的水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料的制备方法，其合成路线如下： 具体步骤是：
(1) 在惰性气体条件下，将氧杂环丁烷类单体与催化剂及大分子引发剂，在无水溶剂中 发生开环聚合反应，控制反应温度在_30°C~30°C，反应时间控制在15小时~50小时，然后 通过反复沉淀-溶解-沉淀方法进行提纯得到聚合物前体； (2) 在惰性气体条件下，将步骤(1)所得的聚合物前体与过量叔胺发生季铵化反应，控 制反应温度为50°0100°C，反应时间为5小时~15小时。再通过反复沉淀-溶解-沉淀除去过 量叔胺，真空干燥，得到所需产品。
[0006] 本发明中，步骤(2)中所述聚合物前体结构式如式(B)所示：
其中：R为氢、甲基或乙基中任一种，X为氯、溴或碘中任一种，m为3~6的整数，z为1~4的 整数。
[0007] 本发明中，步骤(1)和步骤(2)中所述惰性气体为高纯氩气或高纯氮气中任一种。
[0008] 本发明中，步骤(1)中氧杂环丁烷单体可表示为RXmOx，其结构式如下所示：
其中：R为氢、甲基或乙基中任一种，X为氯、溴或碘中任一种，m为3~6的整数。
[0009] 本发明中，步骤（1)中所述催化剂为BF3 · 0Et2或SnCl4中任一种，催化剂用量为其 摩尔数占氧杂环丁烷单体摩尔数的0.1~15%。
[0010]本发明中，步骤（1)中所述大分子引发剂可以为单臂或多臂羟基聚乙二醇 [(H0)i~4-PEGMn, Mn=200, 400, 600, 800, 1000, 1500, 1900, 4300, 6000, 8000, 10000]不同分子量中一种或几种的混合物，用量为其羟基摩尔数占氧杂环丁烷单体摩尔数 的1~30%。
[0011] 本发明中，步骤（1)中所述无水溶剂为无水二氯甲烷、无水甲苯、无水二甲亚砜或 无水乙腈中任一种。
[0012] 本发明中，步骤⑵中所述叔胺表示为M2NCP+1,，其中p为6~18之间的奇数;结构如式 (2)所示，
其中：p为6~18之间的奇数。
[0013] 本发明的有益效果在于:该水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料结构新颖，不仅具有 类似聚乙二醇聚合物的优良的润滑性、保湿性、分散性及抗静电性等优异的性能，而且具有 抗菌谱广、杀菌快速高效、性能稳定、不扩散不渗透、无毒性残留及易加工等优点，在医疗卫 生产品、化妆品、制药、化纤、橡胶、塑料、造纸、油漆、电镀、农药、金属加工及食品加工等行 业中应用前景极为广泛。
【附图说明】
[0014] 图1为实施例3中MeBrWx单体核磁谱图（CDC13，300MHz ); 图2为实施例3中？（]\^8〇(^)-/^^6-/7-?(]\^8〇(^)聚合物前体核磁谱图[00(：13+ (CF3CO)20, 300MHz]; 图3为实施例3中PWeBnOx-gH^NCu)-沪PEG-ZH^MeBnOx-gH^NCu)嵌段聚季铵盐高 分子材料核磁谱图[DC1/D20，300MHz]; 图 4 为实施例3 中 P(MeBr40x)-沪PEG-沪P(MeBr40x)聚合物前体与P(MeBr40χ-fM2NCl2)-/H?G-/H3(MeBr40χ-g-M2NC 12)水溶性嵌段聚季铵盐高分子材料红外谱图； 图5为实施例5中PWeBnOx-gH^NCu)-沪PEG-ZH^MeBnOx-gH^NCu)水溶性嵌段聚季 铵盐高分子材料的最低抑菌浓度。
【具体实施方式】
[0015]下面通过实施例进一步说明本发明。
[0016] 实施例1 HC13 Ox单体的制备： 将1，3-二氯丙烷（10 · 5g, 93mmol)与3-轻甲基氧杂环丁烧（2 · 7g，31mmol)、氢氧化钠 (20g，500mmol)在正己烷与水两相体系中搅拌均匀，以四丁基溴化铵为相转移催化剂，回流 条件下反应0.5小时。反应结束后通过萃取、减压蒸馏进行提纯得到无色液体。产率:55%。咕 NMR(300MHz，CDC13):S 1.74(m，2H，-CH2-CH2-CH2_Cl)，S 3.01(m，lH，-CH-)，S 3.36(m，6H，_ CH2-O-CH2-CH2-CH2-CI)，δ 4 · 34-4 · 51 (dd，4H，四元环上的-CH2-O-CH2-)。
[0017] 聚合物前体制备： 将采用减压蒸馏法精制提纯的HC130x (16.5 g，0.10 mol)，催化剂BF3.OEt2 (1.1 g，7.4 mmol)，聚乙二醇{[H0-PEG(Mn)-0H, Mn=1000], 3.7 g, 3.7 mmol}溶于无水二氯 甲烷，〇°C条件下反应15 h。反应结束后通过沉淀-溶解-沉淀反复提纯，真空干燥24 h即得P (HC130x)_沪PEGi_-/^P(HC130x)聚合物前体。产率：83%</Η [300MHz，CDC1 3+(CF3⑶） 20]:δ 1.74(m，侧链上的-CH2-CH2-CH2-C1)，S 3.01(m，-CH-)，S 3.24-3.75(主链及侧链上 的-CH2-O-CH2-和-〇-CH3，侧链上的-CH2-C1)，δ 4 · 32(s，CF3CO-O-CH2-CH-)。
[0018] 聚阳离子季铵盐高分子材料制备： 将P(HCl3〇X)-fPEG1Q(x)-fP(HCl3〇 X)聚合物前体加入无水乙腈溶剂中，再加入化合物 M2NC8 ( 31.5 g，0.2 mol)，氮气环境下回流15 h。反应完后通过沉淀-溶解-沉淀反复提纯 并真空干燥 24h 得此 Μη=2·0~3.0Xl〇l9P(HCl3〇x-gH\fcNC8)-^PEGi()()()-^P(HCl3〇x-gH\feNC8) 聚垂钫盐高；子材料.??:结抝忒为
产率：85%。咕匪1? (300MHz，D2〇)J 0.91-0.94(m，-N-CH2-(CH2)6-CH3)，S 1.31-1.38(-N-CH2-CH2-(CH2)5-CH3)，δ? .66-1.80(-0-CH2-CH2-CH2-N-CH2-CH2-CH2-)，δ 3.01(m，-CH-)，S 3 · 12-3 · 64(主链及侧链上的-CH2-O-CH2-，-CH2-N-CH2-，CH3-N-CH3)。
[0019] 实施例2 MeBr4〇x单体的制备： 将1,4-二溴丁烧(20g，93mmol)与3-甲基-3-轻甲基氧杂环丁烧(3. lg，31mmol)、氢氧化 钠(20g，500mmol)在正己烷与水两相体系中搅拌均匀，以四丁基溴化铵为相转移催化剂，回 流条件下反应0.5小时。反应结束后通过萃取、减压蒸馏进行提纯得到无色液体。产率:80%。 核磁谱图如图 1 所示，4 NMR(300MHz，CDC13):S 1.30(s，3H，-CH3)，S 1.73(m，2H，-CH2_CH2-ΒΓ)，δ 1.95(m，2H，-CH2-CH2-CH2_Br)，S 3.47(m，6H，-CH2-0-CH2-CH2-CH2-CH2-Br)，S 4.34-4.51(dd，4H，四元环上的-CH2-O-CH2-)。
[0020] 聚合物前体制备： 将采用减压蒸馏法精制提纯的MeBr4〇x (23.7 g，0.10 mol)，催化剂BF3.OEt2 (0.76 g, 4.1 mmol)，聚乙二醇{[H0-PEG(Mn)-0H, Mn=4300], 9.0 g, 2.1 mmol}溶于无水二氯 甲烷，〇°C条件下反应15 h。反应结束后通过沉淀-溶解-沉淀进行提纯，80°C条件下真空干 燥24 h即得P (MeBnOx)-沪PEG43Q()-^P (MeBrWx)聚合物前体。产率:86%。核磁谱图如图2所 示，1H NMR [300MHz，CDC13+(CF3CO)20]:S 1.32(s，-CH3)，S 1.74-1.96(侧链上的-0-CH2- CH2-CH2-CH2-Br)，δ 3 · 24-3 · 75(主链及侧链上的-CH2-〇-CH2-，侧链上的-CH2-Br)，δ 4 · 32 (s，CF3C0-0-CH2-C-)〇
[0021]聚阳离子季铵盐高分子材料制备： 将此聚合物前体加入无水乙腈溶剂中，再加入化合物跑腸2 (42.7 g，0.2 mol)，氮气 环境下回流15 h。反应结束后通过沉淀-溶解-沉淀反复提纯并真空干燥24h得此，得此Mn= 8 · 5~9 · 5 X 103 的 P(MeBr4〇x_f M2NC12)聚阳离子季铵盐高 分子材料，其结构式为
产率：89%。核磁谱图如图3K*，1HNMR(300MHz，D20):S0.91-0.94(m，-N-CH2-(CH2)i『CH3)，5 1.31_1.38(_CH3, _N_CH2_CH2_(CH2)9_CH3)，5l.66 _1.80(_0_CH2_CH2_CH2 _ CH2-N-CH2-CH2-CH2-)，δ 3 · 12-3 · 64(主链及侧链上的-CH2-O-CH2-，-CH2-N-CH2-，CH3-N-CH3)。图4为P (MeBr4〇x)-/?-PEG43Q()-/7-P (MeBr4〇x)聚合物前体与P (MeBr4〇x-《-M2NCi2)-/?_ PEG43QQ-/J-P (MeBnOx-g^feNCu)聚阳离子季铵盐高分子材料的红外对照图谱，其中δδΟαιΓ1 为P(MeBr40x)-/7-PEG43()()-/7-P(MeBr40x)聚合物前体中C-Br键的特征吸收峰，而在P (MeBr4〇x_g^M2NCi2) -/7-PEG43qq-/?-P (MeBr4〇x_g^M2NCi2)聚阳离子季铵盐高分子材料此峰消 失说明成功的接枝了季铵盐。
[0022] 实施例3 Etl6〇x单体的制备： 将1,6-二碘己烧(31.4g，93mmol)与3-乙基-3-轻甲基氧杂环丁烧(3.6g，31mmol)、氢氧 化钠(20g，500mmol)在正己烷与水两相体系中搅拌均匀，以四丁基溴化铵为相转移催化剂， 回流条件下反应0.5小时。反应结束后通过萃取、减压蒸馏进行提纯得到无色液体。产率： 78%。咕 NMR(300MHz，CDC13):S 0.90(t，3H，-CH2-CH3)，S 1.20-1.50(m，6H，-CH2-CH3，-CH2-CH2-CH2-CH2-I)，δ 1 · 72-1 · 95(m，4H，-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-I)，δ 3 · 47(m，6H，-CH2-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-I)，δ 4 · 34-4 · 51 (dd，4Η，四元环上的-CH2-O-CH2-)。
[0023]聚合物前体制备： 将采用减压蒸馏法精制提纯的Etl60x (23.7 g，0.10 mol)，催化剂BF3.OEt2 (0.76 g，4.1 mmol)，四臂-聚乙二醇{[H0-PEG(4-arm), Mn=1000*4], 4.0 g, 1.0 mmol}溶于 无水二氯甲烷，〇°C条件下反应15 h。反应结束后通过沉淀-溶解-沉淀进行提纯，80°C条件 下真空干燥24 h即得4-arm-[PEG1剛-/7-P(EtI60x)]聚合物前体。产率：82%。 1HNMR [300MHz，CDCl3+(CF3CO)20]: δ 0 · 90(t，-CH2-CH3)，δ 1 · 20-1 · 50(m，-CH2-CH3，-CH2-CH2-CH2- CH2-I)，1 · 72-1 · 95 (m，-CH2-O-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-I)，δ 3 · 24-3 · 75 (主链及侧链上的-CH2-O-CH2-和-0-CH3，侧链上的-CH2-I)，δ 4 · 32(s，CF3CO-O-CH2-C-)。
[0024] 聚阳离子季铵盐高分子材料制备： 将此聚合物前体加入无水乙腈溶剂中，再加入化合物M2NC18 (71.4 g，0.24 mol)，氮 气环境下回流15 h。反应结束后通过高真空度减压蒸馏精制提纯出料，得此Mn=2.5~3. OX 104的4-arm-[PEG1Qm-/H3(EtI60x-g-M 2NC18)]支化聚阳离子季铵盐高分子材料，其结构式为
产率：88%</Η MMR (300ΜΗζ，?2〇):δ 0.9卜0.94(m，-CH2-CH3，-N-CH2-(CH2)i6-CH3)，S 1 ·31_1 ·38(πι，_CH2_CH3，_N_CH2 _CH2_(CH2)i6_CH3)，δ 1 ·60_1 ·93(_CH2_0_CH2_CH2_CH2 _CH2_ CH2-CH2-N-CH2-CH2-CH2-)，δ 3 · 12-3 · 64(主链及侧链上的-〇12-〇-〇12-，-〇-〇13，-〇12，-CH2-, CH3-N-CH3) 〇
[0025] 实施例4 聚合物前体制备： 将采用减压蒸馏法精制提纯的MeBr4〇x (23.7 g，0.10 mol)，催化剂BF3.OEt2 (0.76 g，4.1 mmol)，聚乙二醇{[mPEG-0H，Mn=1900], 1.9 g, 1.0 mmol}溶于无水二氯甲烧，0 °C条件下反应15 h。反应结束后通过沉淀-溶解-沉淀进行提纯，80°C条件下真空干燥24 h 即得mPEGi9〇()-^P(MeBr4〇x)聚合物前体。产率：82%。4 MMR [300MHz，CDCI3+ (CF3CO)2O]: δ 1 · 32(s，-CH3)，δ 1 · 74-1 · 96(侧链上的-〇-CH2-CH2-CH2-CH2_Br)，δ 3 · 24-3 · 75(主链及侧链 上的-CH2-〇-CH2-，-〇-CH3及侧链上的-CH2_Br)，δ 4 · 32(s，CF3C〇-〇-CH2-C_)。
[0026]聚阳呙子季铵盐尚分子材料制备： 将此聚合物前体加入无水乙腈溶剂中，再加入化合*M2NC12 (42.7 g，0.2 mol)，氮气 环境下回流15 h。反应结束后通过沉淀-溶解-沉淀反复提纯并真空干燥24h得此，得此Mn= 3.5~5.0 X 103的ι?ΡΕΟ^οο-ΖΗ3 (MeBnOx-g^feNCu)聚阳离子季铵盐高分子材料，其结构式为
产率jSQ/oc/HNMR (300MHz，D2〇)J 〇.91-〇.94(m，-N-CH2-(CH2)i〇-CH3)，S 1.3卜 1.38 (-CH3，-N-CH2-CH2-(CH2)9-CH3)，δ1·66-1·80(-O-CH2-CH2-CH2-CH2-N-CH2-CH2-CH2-)，δ 3 · 12-3 · 64(主链及侧链上的-CH2-O-CH2-，-〇-CH3，-CH2-N-CH2-，CH3-N-CH 3) 实施例5 水溶性嵌段聚阳离子季铵盐高分子材料的抑菌实验： 以 P (MeBr4〇x_f M2NC12) (MeBr4〇x_f M2NC12)水溶性嵌段聚阳离子季铵盐 高分子为例，考察了此材料对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（似），革兰氏阴性菌大肠杆菌 (五Ο的杀菌效果。
[0027] 最低抑菌浓度测定(MIC): 参照国家《消毒技术规范》中测定方法进行测定。
[0028]取活化后的菌株，接种于液体营养培养基上，于37°C摇床培养18 h.取1 mL原菌悬 液，采用逐级稀释法制成不同梯度的菌液，然后进行平板活菌记数，测得原菌悬液的活菌浓 度（以菌落形成数表示，cfu/ml);依据同法测定不同P(MeBr4〇x-g-M2NCi2)-/7-PEG43〇()-/7-P (MeBr4〇x-g-M2NC12)聚合物溶液浓度作用下及不同接触时间下菌悬液试液的杀菌效果。其 抑菌效果如图5所示，材料对革兰氏阳性菌如金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌如大肠杆菌 的最低抑菌浓度分别达到了 3μg/ml和12.5μg/ml，显示了极佳的抑菌能力。因此，此种水溶 性嵌段聚阳离子季铵盐高分子材料因其抗菌谱广、杀菌快速高效、性能稳定、不扩散不渗 透、无毒性残留及易加工等优点，在医疗卫生产品、化妆品、制药、化纤、橡胶、塑料、造纸、油 漆、电镀、农药、金属加工及食品加工等行业中应用前景极为广泛。
【主权项】
1. 一种水溶性嵌段聚季锭盐高分子材料，其特征在于所述材料结构式为式(A):其中：R为氨、甲基或乙基中任一种，X为氯、漠或舰中任一种，m为3~6的整数，P为6~18之 间的奇数，z为レ4的整数。2. -种如权利要求1所述的水溶性嵌段聚季锭盐高分子材料的制备方法，其特征在于 具体步骤是： (1) 在惰性气体条件下，将氧杂环下烧类单体与催化剂及大分子引发剂，在无水溶剂中 发生开环聚合反应，控制反应溫度在-30°C~30°C，反应时间控制在15小时~50小时，然后 通过反复沉淀-溶解-沉淀方法进行提纯得到聚合物前体； (2) 在惰性气体条件下，将步骤（1)所得的聚合物前体与过量叔胺发生季锭化反应，控 审IJ反应溫度为50°C~10(rC，反应时间为5小时~15小时;再通过反复沉淀-溶解-沉淀除去过 量叔胺，真空干燥，得到所需产品。3. 根据权利要求2所述的水溶性嵌段聚季锭盐高分子材料的制备方法，其特征在于步 骤(2)中所述聚合物前体结构式如式(B)所示：其中：R为氨、甲基或乙基中任一种，X为氯、漠或舰中任一种，m为3~6的整数，Z为1~4的 整数。4. 根据权利要求2所述的水溶性嵌段聚季锭盐高分子材料的制备方法，其特征在于步 骤(1)和步骤(2)中所述惰性气体为高纯氣气或高纯氮气中任一种。5. 根据权利要求2所述的水溶性嵌段聚季锭盐高分子材料的制备方法，其特征在于步 骤(1)中所述氧杂环下烧单体表示为RXmOx，其结构式如下所示：其中：R为氨、甲基或乙基中任一种，X为氯、漠或舰中任一种，m为3~6的整数。6. 根据权利要求2所述的水溶性嵌段聚季锭盐高分子材料的制备方法，其特征在于步 骤(1)中所述催化剂为BF3 · 0Et2或SnCU中任一种，催化剂用量为其摩尔数占氧杂环下烧单 体摩尔数的0.^15%。7. 根据权利要求2所述的水溶性嵌段聚季锭盐高分子材料的制备方法，其特征在于步 骤（1)中所述大分子引发剂为单臂径基聚乙二醇或多臂径基聚乙二醇[化0)1~4-PEGm。]，Μη 为200，400，600，800，1000，1500，1900，4300，6000，8000或 10000不同分子量中 一种或几种的混合物，大分子引发剂用量为其径基摩尔数占氧杂环下烧单体摩尔数的1~ 30〇/〇。8. 根据权利要求2所述的水溶性嵌段聚季锭盐高分子材料的制备方法，其特征在于步 骤(1)中所述无水溶剂为无水二氯甲烧、无水甲苯、无水二甲亚讽或无水乙腊中任一种。9. 根据权利要求2所述的水溶性嵌段聚季锭盐高分子材料的制备方法，其特征在于步 骤口）中所述叔胺将化合物叔胺表示为M2NCp+i，其中Ρ为6~18之间的奇数，结构式如式(2)所 示；其中：P为6~18之间的奇数。
【文档编号】C08G65/28GK106084203SQ201610437159
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月20日
【发明人】赵鹏, 吴亮亮, 刘静, 文学军
【申请人】苏州睿研纳米医学科技有限公司