有机氮-卤代胺抗菌剂

张新航，耿志刚，常建国，邵晶，陈兆彬

（1.西安长峰机电研究所，西安 710065；2.长春理工大学 化学与环境工程学院，长春 130022；3.中科院长春应用化学研究所 高分子复合材料工程实验室，长春 130022）

目前，微生物引起的各种污染给人类生命健康带来了严重威胁。如何防止微生物，特别是病原微生物引起的污染及交叉感染成为当今微生物研究的话题。大家使用的物理方法有温度、粒子射线、电磁波等方法，化学方法为利用化学药品、调节溶液的酸碱度进行了相关抑菌研究。通过抗菌剂赋予材料抗菌性能是应用较多的有效方法之一。常用的抗菌剂可分为无机抗菌剂、天然抗菌剂及有机抗菌剂三大类，常用无机抗菌剂，如银等添加量大，易变色［1］；天然抗菌剂加工复杂，溶解性不好，耐热性较差［2］；而有机抗菌剂因其抗菌速度快，易操作等，愈来愈受到人们的重视［3］。

氮-卤代胺作为一类含有一个或多个氮-卤键（N-X）的有机抗菌剂，其稳定性好，低毒，低环境污染，具有广谱高效的抗菌性能，且具有可再生性［4］（式1），近来颇受关注。

其中：X=Cl，Br；R1，R2：有机或无机基团或聚合物链段

1 结构及性能

如表1所述，氮-卤代胺抗菌剂是一类含有N-X键的化合物。可以划分为胺氮-卤代胺（amine N-halamine），酰胺氮-卤代胺（amide N-halamine）以及酰亚胺氮-卤代胺（imide N-halamine）三类，上述三类结构中N-X键的键长（以N-Cl键为例）依次变短，极性有所加强，水解能力越来越强。从稳定性方面来看，胺氮-氯代胺类的稳定性最强，其次为酰胺氮-氯代胺类，酰亚胺氮-氯代胺的稳定性较弱。而抗菌能力则与其稳定性呈负比。所以，应该根据这类抗菌剂的稳定性以及抗菌能力，在实际应用过程中做出充分的综合性考虑。例如酰胺氮-氯代胺，其水解常数为10-8，这有利于活性卤素成功转移至细菌的表面，此类抗菌剂最利于满足工业需求，最适合实际需要［5］。此外，氮-卤键的邻位是否有αH，邻位基团的电子效应以及空间效应等因素都会对氮-卤代胺的稳定性产生影响。氮-卤代胺的抗菌性能亦与微生物种类，化合物亲水亲油性，以及材料表面的处理情况［6］等密切相关。

2 抗菌作用机理及其毒性

表1 氮-卤代胺类抗菌剂的结构式和功能

大量的研究指出，氮-卤代胺主要是通过释放游离氧化性卤素来实现其抗菌能力的，或者是通过化合物与微生物之间的相互作用来完成的。对于一般的化学键来说，N-X键的水解常数比较高（表1所示）。带正电的卤素和水结合生成的自由卤素具有氧化性（如HXO，式2），能够使细胞内的蛋白质氧化（巯基或胺基），对酶活性造成不可逆的破坏，使微生物失去活性而起到抗菌作用［7］，该机理得到广泛认可和肯定。但是这一机理也有例外情况，例如Worley等［8］在研究中发现，在 3-溴-4，4-二甲基-2-恶唑烷酮水解出的自由溴被抑制到可忽略不计的状态下，其杀菌能力仍然比3-氯-4，4-二甲基-2-恶唑烷酮的更强，由此结果得出结论：氮-卤代胺的分子也能够直接穿过微生物的外壁或膜，将氧化性卤素移至微生物胞内的相应活性位点，使微生物活性丧失导致死亡。该研究学说认为，在这种机理下，此类物质的抗菌速率与氮-卤键的强度及菌体细胞内的靶位点敏感性有关［9］。有些氮-卤代胺聚合物在其抗菌过程中，可能会是上述两种作用机理同时发挥作用的结果。

氮-卤代胺抗菌剂抑菌效果明显，但其具有一定的毒性，其副作用也吸引了广大学者。实验结果表明，三卤甲烷类似物由游离状态下的卤素与水中含有的有机化合物生成，生成的物质可以导致癌症的发生［10］。氮-卤代胺类化合物用作水处理剂时，是通过产生游离状态的、具有氧化性质的卤素，利用卤素的氧化性完成对微生物的处理，但不会生成三卤甲烷类似物。Burkett等［11］研究人员以白鼠和肉鸡为实验对象，对其投食并且将浓度不同的3-氯-4，4-二甲基-2-恶唑烷酮水溶液利用注射器注入动物体内，实验结果表明被注射的器官和组织没有受到损伤；张天宝等［12］研究人员对家兔的皮肤和眼睛分别进行贴敷和滴眼，利用的溶液为复方消毒剂，由表面活性剂及二氯二甲基乙内酰脲构成，实验结果为家兔没有受到不良影响，对小鼠的灌胃试验显示此类化合物属低毒性。迄今为止，研究学者研究证明氮-卤代胺不具有明显的毒性。

3 表征

氮-卤代胺抗菌剂是其胺类化合物前驱体中的N-H键，经化学反应转化为N-X键后形成的，因此可以通过二者的物理或化学性质差异进行分析和表征。目前该类化合物常用的物理表征方法有：核磁共振谱（NMR）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、热分析（DSC，TG等）、紫外-可见吸收光谱（UV/vis）等；以氧化还原反应为基础的碘/硫代硫酸钠滴定则是较为普遍采用的定性和定量的化学分析方法；以菌落计数法和抑菌环法为主的生物分析方法。

3.1 物理方法表征

核磁共振谱（NMR）可以显示原子核附近的化学环境改变。氮-氢键向氮-卤键转化时，质子数量减少。随着氮-卤键的强吸电子作用，相邻位置的碳或/和官能团的电子云发生显著变化，使NMR谱峰的数量、位移和面积发生改变。就乙内酰脲氮-卤代胺衍生物而言（图1），MPm与N原子相连的H原子的峰值是7.84ppm处，PPm与N原子相连的H原子的峰值是8.43ppm处，氯代后（Cl-MPm和Cl-PPm），MPm和PPm在共振谱上的峰值消失。并且，新合成的N-Cl具有更加强大的吸收电子的能力，苯环中邻位的质子共振峰转移到高场，转移到低场的则是间、对位质子［13］。同样道理，当N-Cl官能团形成时，对应邻近位置的碳原子13CNMR的共振峰向高场移动。

图1 MPm（R1为甲基，R2为苯基）、PPm（R1、R2均为苯基）氯代前后的1H NMR谱图［13］

物质中有机官能团发生改变，常常会使红外光谱中相应的特征吸收峰的强度和位置发生改变，所以，红外光谱分析技术常用来对氮-卤代胺形成前后的化学结构进行表征。在氮-卤键形成的同时，氮-氢键在3200～3500cm-1范围内的特征吸收峰会消失。其邻位官能团的吸收峰也会由于氮-卤键的强吸收而产生改变。图2所示，氮-氯代-5，5-二甲基乙内酰脲（Cl-DDMH）生成的同时，其前驱体DDMH的N-H键振动峰（3280cm-1）发生消失，在758cm-1和735cm-1处各形成了新的吸收峰，分子间的氢键断裂使乙内酰脲环羰基的特征吸收峰红移［14］。

图2 DMH，BD，DDMH（X=H）和Cl-DDMH（X=Cl）的红外光谱图［14］

除了上述两种方法以外，DSC和TGA也是对氮-卤代胺类化合物进行表征的常用手段。与N-H键相比，N-Cl键键强较弱，在低温下易发生分解，同时有热量的改变［14］。以改性棉纤维2-胺基-4氯-6-羟基三嗪（ACHT）为例（图3a，DSC曲线），氯代处理后，其在180°C左右出现一放热峰，在温度为230°C时进行分解（图3b，TG曲线），这是因为N-Cl键在相对较低的温度下发生了分解［15］。

图3 ACHT改性棉纤维氯代前后DSC（a）和TG曲线（b）［15］

紫外检测也可以用来分析氮-卤代胺类化合物的结构。在200～400nm的紫外光线照射下，化合物中的氮-卤键会产生中断/离解和/或从一个成键到反键轨道的过渡，重新形成紫外吸收峰。以氯代后的双（2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基）癸二酸酯（Cl-BTMP）紫外分析为例（图4），其在270nm处产生了新的吸收峰［16］。

图4 BTMP和Cl-BTMP的紫外可见光谱图［16］

3.2 化学方法表征

对氮-卤代胺类化合物进行表征的化学方法，主要是由N-X键中卤元素的氧化性，根据氧化还原，采用滴定、紫外以及电流检测［6］等方式进行的。如碘/硫代硫酸钠滴定法，其反应如式（3）和（4）所示。在KI过量的前提下，氮-卤代胺被还原为胺类化合物，相对应的，I-被氧化成单质碘（I2），并与过量的I-形成I3-，溶液表现为红棕色或淡黄色。最后采用标准浓度的Na2S2O3进行滴定至无色，便可计算出此类化合物中氧化性卤素的含量。此方法操作简便，定量准确，重复性好［5］，是经常采用的化学分析方法。

3.3 生物学方法表征

氮-卤代胺抗菌剂及其复合材料抗菌性能的生物学检测方法中，菌落计数法和抑菌环法（ZOI）因操作简便、测量结果重复性好而应用较为普遍。如Li等［17］用菌落计数法表征2，2，6，6-四甲基-4-哌啶酚（TMP）自由基共聚生成的氮-卤代胺微球的抗菌性能，结果显示大肠杆菌溶液经过胺氮-卤代胺微球处理后，形成的菌落数量明显减少，表明胺氮-卤代胺微球能够明显抑制大肠杆菌。又如Alideertu Dong等［18］通过抑菌环法测试氮-卤代胺纳米粒子BAMNH NPs（D）的抗菌性能，结果显示粉末状氮-卤代胺样品具有一定的抗菌活性，而纳米尺寸的粒子样品产生了直径为26mm的抑菌环，说明该氮-卤代胺纳米粒子具有更为显著的抗菌性能。

图5 与空白参比和胺氮-卤代胺微球接触40分钟后，大肠杆菌培养基板的照片［17］

图6 参照（A），MS NPS（B），氮-卤代胺粉末（C）和BAMNH NPS纳米粒子（D）对大肠杆菌抑菌环的光学图片［18］

4 应用及前景

目前，越来越多的氮-卤代胺抗菌剂被不断合成出来，应用于水净化、聚合物、纺织纤维和涂料等多个领域。

4.1 水体的杀菌、消毒

有机高分子氮-卤代胺抗菌剂不溶于水，在水处理过程中造成二次污染并不容易，且具有显著的消毒和杀菌能力，是一种非常优越的水处理材料。尤其是多孔微球状高度交联的氮-卤代胺聚合物，一般具有多孔道结构和超大比表面积，在与细菌、病毒等微生物接触的几秒内，就可以将其杀灭［19］。2007年，美国Halosource公司首次实现了氮-卤代胺树脂在饮用水杀菌消毒方面的商业化应用。

4.2 织物

通过化学反应将氮-卤代胺前驱体接枝到纤维织物表面，经处理后即可得到具有广谱、高效、抗菌性能强的织物。例如美国Halosource公司建立了一种抗菌纺织品制备技术，这种技术以氮-卤代胺为基础，最终获得有高效抗菌能力的手巾、厨房清洁布、内衣、儿童及成人尿不湿、袜子、军用防护服等；而来自于美国UMF Corporation公司生产的一种基于氮-卤代胺的高性能的抗菌纤维纺织品能将物体表层的病原体有效的消灭和清除，它更适合用于学校、保健和其他医疗机构的环境清洁和维护［20］。

4.3 涂料

Worley等［21］将氮-卤代胺前体与水性丙烯酸多元醇、异氰酸酯等共聚合成了聚氨酯涂料，经漂白剂处理后抗菌性能良好，可用于医疗设施、污染防治等领域。Bisquera等［22］成功将单羟甲基乙内酰脲通过共价键接枝到由蓖麻油和甲苯二异氰酸酯合成的聚氨酯涂料上。经卤化处理后的涂料，对噬肉菌、大肠杆菌和白假丝酵母菌等菌种都具有良好的抗菌活性。Cao等［23］首次采用先合成氮-卤代胺单体，再聚合形成聚合物的思路，制备出聚（氮-氯代-2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基）甲基丙烯酸甲酯乳液，不仅能够抑制涂料表面霉菌的生长和菌膜形成，还不会对涂料的覆盖力和外观造成不良影响。

4.4 聚合物

近来关于氮-卤代胺抗菌改性聚氨酯的研究不断浮出水面。2011年，Luo等［24］采用自由基引发的方式，将甲基丙烯酰胺（MAA）接枝到牙科治疗机中的聚氨酯供水管的内表面上，可防止菌膜形成。同时，对化学稳定性较好的聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）［25］等聚合物的抗菌改性也在不断进行中。

5 结语

氮-卤代胺抗菌剂的研究取得了许多骄人的成绩，形成了跨学科以及多层次的研究现状。随着先进检测仪器设备的开发应用，以及材料学与生物学及医学领域科研人员的合作研究，在医疗卫生，保健机构，水处理，环境污染及治理控制和食物加工处理等领域，这些抗菌剂将会有越来越大的应用前景和市场。

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