季铵盐双子表面活性剂的合成及其杀菌性能研究*

毛学强， 何 帅， 李 君， 唐重莉， 杨璇玉， 王碧清， 冯玉军

(1. 中国石油 塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000； 2. 中国科学院 成都有机化学研究所，四川 成都 610041； 3. 中国科学院 研究生院，北京 100039)

据统计，在油田严重的腐蚀破坏中，70%～80%直接由硫酸盐还原菌(SRB)，铁细菌(FB)，腐生菌(TGB)，硫细菌等引起[1]。目前主要使用十二烷基三甲基苄基氯化铵(1227)等单链季铵盐杀菌剂来控制这些有害菌的繁殖，其作用机理是“1227”分子中的正电荷可被表面荷负电的细菌选择性吸附，通过渗透和扩散作用，穿过细胞表面进入细胞膜，从而影响细胞膜的半渗透作用，并进一步穿入细胞内部，使细胞酶钝化，不能产生蛋白质酶，使蛋白质变性从而达到杀死细菌细胞的作用[2]。这类杀菌剂虽具有高效、低毒、不易受pH值变化影响等特点，但存在易起泡沫、矿化度较高时杀菌效力降低、容易吸附损失、长期单独使用易产生抗药性等缺点。

阳离子双子表面活性剂是指通过一个连接基将两个传统的阳离子表面活性剂在其头基或接近头基处而连接在一起的一类新型表面活性剂[3]。与单头单链的传统阳离子表面活性剂相比，双子表面活性剂具有更低的临界胶束浓度、更强的降低表面张力的能力[4，5]，而且对金黄色葡萄球菌和白色念珠菌有较明显的杀菌作用[6]。由于其分子结构中含有两个季铵盐头基，季铵盐双子表面活性剂更容易吸附在细胞壁表面，抗菌波长范围也比一般单链铵盐宽[7～10]，可在175 ℃以下，pH 4～11的淡水、海水和废水等多种水系统中进行杀菌灭藻。

本文以N,N,N′,N′-四甲基乙二胺和溴代烷烃为原料合成了一系列对称型季铵盐双子表面活性剂n-2-n(n=8， 10， 12， 14)(Scheme 1)，其结构经1H NMR表征。研究了n-2-n对油田污水中常见的SRB， FB和TGB的杀菌性能。

Scheme1

1 实验部分

1．1 仪器与试剂

Brucker 300 MHz型核磁共振仪(CDCl3为溶剂，TMS为内标)。

N,N,N′,N′-四甲基乙二胺，纯度99.5%，上海元吉化工；溴代辛烷、溴代癸烷、溴代十二烷、溴代十四烷，纯度均为99%，江苏盐城科利达化工；1227，含量45.0%，胜利油田胜利化工公司；无水乙醇，纯度99.7%，广东光华化学厂有限公司。杀菌实验所用细菌培养基,北京华兴试剂厂。

1．2 n-2-n的合成[3,4，11]

在锥形烧瓶中加入N,N,N′,N′-四甲基乙二胺110 mmol, 溴代烷烃50 mmol和乙醇77 mL,搅拌下回流反应48 h。于85 ℃/70 kPa蒸发除去溶剂得蜡状固体，用丙酮重结晶3次，于40 ℃/90 kPa真空干燥24 h得n-2-n。

8-2-8：1H NMRδ： 0.80～0.89(t， 6H， CH3)， 1.20～1.50(m， 20H， CH2)， 1.82(s， 4H， NCCH2)， 3.34(s， 12H， NCH3)， 3.64～3.65(t， 4H， NCH2)， 4.52(s， 4H， NCH2CH2N)。

10-2-10：1H NMRδ： 0.85～0.90(t， 6H， CH3)， 1.25～1.37(m， 28H， CH2)， 1.80(s， 4H， NCCH2)， 3.50(s， 12H， NCH3)， 3.68～3.73(t， 4H， NCH2)， 4.73(s， 4H， NCH2CH2N)。

12-2-12：1H NMRδ： 0.85～0.90(t， 6H， CH3)， 1.26～1.38(m， 36H， CH2)， 1.80(s， 4H， NCCH2)， 3.50(s， 12H， NCH3)， 3.67～3.72(t， 4H， NCH2)， 4.72(s， 4H， NCH2CH2N)。

14-2-14：1H NMRδ： 0.85～0.90(t， 6H， CH3)， 1.25～1.37(m， 44H， CH2)， 1.78(s， 4H， NCCH2)， 3.50(s， 12H， NCH3)， 3.68～3.72(t， 4H， NCH2)， 4.73(s， 4H， NCH2CH2N)。

1．3 杀菌活性测定

选用塔里木油田公司塔中四联合站1#分离器后污水分别培养含菌污水,其菌含量为:SRB=2.5×105个/mL， FB=6．0×103个/mL， TGB=2．5×103个/mL。使用n-2-n或1227处理含菌水样1 h。采用绝迹稀释法[12，13]测定细菌含量(m)，按下式计算杀菌率(%)。

式中：m1为处理后水样中的细菌含量，m0为未加杀菌剂处理水样的细菌含量

2 结果与讨论

2．1 合成

季铵化反应常常由于反应不完全而造成产率偏低，成本增加，而且还影响产物的性能。为了让四甲基乙二胺尽可能地转化成双子季铵盐，通常采用卤代烷适当过量的方法。以合成12-2-12为例，考察r[n(溴代烷烃)∶n(乙二胺)]对其产率的影响，结果见表1。由表1可见，当r从2.05∶1.00增加到2.20∶1.00时，产率未有明显改变。较佳的r=2.05∶1．00。

表1 r对12-2-12产率的影响*

*胺50 mmol,无水乙醇77 mL,回流反应48 h,其余反应条件同1.2；r=n(溴代烷烃)∶n(乙二胺)

2．2 杀菌性能

(1) 1227

1227用量[c(1227)]对SRB， TGB和FB杀菌性能的影响见图1。由图1可见，c(1227)为20 mg·L-1时，对SRB的杀菌率只有72%；为40 mg·L-1时，对SRB， FB和TGB的杀菌率均在90%左右。

c(1227)/mg·L-1

(2) n-2-n

n-2-n用量对SRB， FB和TGB杀菌性能的影响分别见图2，图3和图4。由图2可见，c(n-2-n)=20 mg·L-1时，对SRB有十分优异的杀菌能力，杀菌率均大于97%，远远高于相同用量1227的杀菌率(72%)。这是因为n-2-n分子带有两个正电荷头基和两条疏水尾链，两个正电荷能提供更强的静电吸引力，即吸附力比1227强，更容易吸附在细胞壁表面；同时两条疏水尾链对细菌细胞膜的破坏作用也比单尾链的1227快速，所以杀菌性能提高。

c(n-2-n)/mg·L-1

从图2还可看出，c(n-2-n)在20 mg·L-1～40 mg·L-1时，随着n的增加，杀菌性能增强[c(n-2-n)为40 mg·L-1时， 8-2-8， 10-2-10， 12-2-12和14-2-14的杀菌率分别为99.56%， 99.72%， 99.90%和99.98%]。对于相同碳链长度的双子季铵盐和传统季铵盐，c(12-2-12)为20 mg·L-1时,其杀菌率达到99.48%，而40 mg·L-1时的1227的杀菌率仅为99.00%。要达到相同杀菌效果，双子季铵盐的用量仅为传统季铵盐的一半。

c(n-2-n)/mg·L-1

c(n-2-n)/mg·L-1

从图3和图4可以看出，4种季铵盐双子表面活性剂对FB和TGB均有杀菌作用。在c(n-2-n)=20 mg·L-1时，14-2-14与12-2-12对FB和TGB的杀菌效果最好，显著高于8-2-8； 10-2-10对FB的杀菌率与1227相当，但对TGB杀菌率高于1227。在c(n-2-n)=40 mg·L-1时， 10-2-10， 12-2-12和14-2-14的杀菌率都在99%以上，远远优于1227。

综上所述，合成的4种双子季铵盐表面活性剂在油田循环水中的杀菌能力均优于1227，其中14-2-14与12-2-12对细菌的杀灭能力明显强于8-2-8和10-2-10。由于双子季铵盐表面活性剂都带有相同的正电荷密度，故影响杀菌率高低的原因应是疏水尾链的变化。细菌的细胞膜主要由磷脂双分子层及其表面附着的蛋白质构成，其中磷脂双分子以含12个碳链的分子居多，当季铵盐类杀菌剂的正电荷头基吸附在细胞壁后，疏水尾链插入细胞膜内遇到的带有12个碳链磷脂双分子的几率最大。根据空间位阻效应与相似相容原理，含碳链数为12的疏水尾链与带有12个碳链磷脂双分子的化学物理性质最相似，空间匹配性好，结合的所需能量最小，含碳链数相近的更易结合[14]，故12-2-12与14-2-14的杀菌能力比8-2-8强得多。10-2-10的疏水尾链数虽然接近12，但是疏水作用力比12-2-12和14-2-14弱，插入同样是疏水环境的细胞膜能力差，因而杀菌率较低。

3 结论

合成了4个阳离子双子表面活性剂n-2-n(n=8， 10， 12， 14)，研究了它们对油田污水中常见的SRB， FB和TGB的杀菌性能。结果表明，与1227相比，n-2-n电荷密度更大，对SRB， FB和TGB具有更强的杀菌能力。碳链较长的12-2-12和14-2-14以较少用量(20 mg·L-1)对SRB， FB和TGB的杀菌率就可达99%以上。

本文合成的n-2-n具有收率高、反应周期短、杀菌率高等优点，在油田杀菌领域具有应用潜力。

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