烷基二甲基苄基季铵盐的合成及应用研究进展

冉开放，徐帅帅，刘彦龙，吴俊延，章亚东

(郑州大学 化工学院 郑州大学济源研究院，河南 郑州 450001)

烷基二甲基苄基季铵盐(BAC)是典型的带苄基的阳离子型季铵盐，是一类重要的季铵化合物。作为一宗重要的工业化学品，烷基二甲基苄基季铵盐广泛应用于从工业到家庭的各种产品中。由于其强阳离子表面活性，季铵化合物主要用作杀菌灭藻剂、金属缓蚀剂、原油破乳剂和控制植物病害制剂等[1]。作为第一代季铵盐阳离子表面活性剂[2]，人们对它已经有了深入的了解，进而开发了几种较为成熟的合成方法。本文对其合成方法进行了详细的阐述和优缺点分析，并对每种方法在工业生产上的适用性进行了评价。首先，烷基二甲基苄基季铵盐主要有氯型(BAC-Cl)、溴型(BAC-Br)和碘型(BAC-I)3种类型[3]，真正决定表面活性的是其阳离子部分，阳离子部分由三个不同的基团组成：长烷基链、短烷基链(两个CH3基团)和苄基。

1 合成方法

由于BAC阳离子由3种特征基团组成，因此存在3种合成方法来制备该分子。这些方法都可以被描述为叔胺与合适的烷基化试剂的季铵化反应，反应类型为亲核取代反应[4]。

1.1 正烷基卤作为烷基化试剂

由N,N-二甲基苄胺和正烷基卤发生季铵化反应一步合成BAC，具体合成路径如下：

图1 正烷基卤作为烷基化试剂合成BACFig.1 Synthesis of BAC by using an alkyl halide as an alkylating agent

Salomé El Hage等[5]系统化的研究了以此路线来合成目标产物，他以丁酮为溶剂，物料比为1∶1，回流搅拌12 h后往反应体系内加入对应定量的BAC水溶液，回流搅拌6 h，之后-30 ℃处理12 h，抽滤干燥后得到目的产物，得到了系列产物的收率，同时对BAC的熔点、对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的最小抑菌浓度(MIC)等基础物性数据进行了检测，表征测试了结构-活性的关系。BAC的合成可以在其他溶剂中进行：如Moss等[6]用N,N-二甲基苄胺和十六烷基溴在回流的丙酮中制备十六烷基二甲基苄基溴化铵，Jaber等[7]以乙醇为溶剂，N，N-二甲基苄胺和十二、十四、十六烷基溴为原料，反应温度100～110 ℃，反应时间12 h，合成了十二、十四、十六烷基二甲基苄基溴化铵。对比发现合成最方便的溶剂是丁酮，使用丁酮整个体系反应后能通过低温处理后使BAC以高纯度结晶，极大简化了提纯过程。对于氯化物和溴化物，向反应混合物中加入定量的水能够获得稳定的、结晶的和非吸湿性的一水合物或二水合物。而对于碘化物而言，则获得无水化合物。

这条路线正烷基卤作为烷基化试剂，其本身活性不高，相应的反应温度高，时间基本在10 h以上，生产成本高，生产效率低，极大限制了其在工业生产上的应用。

1.2 苄基卤作为烷基化试剂

N,N-二甲基-正烷基胺和苄基卤的反应也常用来合成BAC。合成路径如下：

图2 苄基卤作为烷基化试剂合成BACFig.2 Synthesis of BAC by benzyl halide as alkylating agent

Avram等[8]研究了以N，N-二甲基烷基胺(R=辛基、癸基、十二烷基、十四烷基和十六烷基)和苄基氯为原料，以二甲基甲酰胺(DMF)为溶剂合成了5种烷基二甲基苄基氯化铵。通过热重分析，建立了所制备BAC-Cl的热分解的动力学参数，反应级数“n”和活化能“Ea”。

王瑛等[9]用氯代十四烷与二甲胺反应,制得的十四烷基二甲基叔胺再和氯化苄反应合成了十四烷基二甲基苄基氯化铵，具体路线如下图。十四烷基二甲基苄基氯化铵收率为90%，并对化合物的晶胞结构进行了分析。

图3 两步法合成十四烷基二甲基苄基氯化铵Fig.3 Synthesis of tetradecyldimethylbenzylammonium chloride by two-step method

Wang等[10]以水或乙醇作溶剂，N,N-二甲基十二烷胺和氯化苄为原料合成十二烷基二甲基苄基氯化铵，产率达到98%以上，但是由于BAC极易溶解于乙醇和水，分离纯化变得困难，不适合高纯度季铵盐的工业生产。且因为溴化苄活性极高，只能使用中等极性或惰性溶剂，所以水作为强极性溶剂的只适用于氯型季铵盐的合成。

Zhao[11]改用沸点较低，不溶于水的有机溶剂作为反应介质如：石油醚、正己烷、异丙醚等制备BAC-Cl，反应温度80 ℃，反应时间8 h左右，收率为90%。弱极性溶剂和惰性溶剂不利于反应的进行，相应的反应条件升高，而且所用有机溶剂需要减压蒸馏除去。

与正烷基卤作为烷基化试剂对比，卤化苄的活性要高得多，有利于反应过渡态的形成，从而降低了反应条件。此工艺反应原料来源广泛，价格相对低廉，整个工艺流程结构简单，无需繁琐的过程操作，是工业上制备苯扎氯铵(BAC-Cl)的主流工艺，被国内外生产企业所认可。目前国内具有苯扎氯铵药品批准文号的独家企业(上海金山经纬)采用的工艺为“以N,N-二甲基十二烷基胺为原料,与丁酮、氯化苄反应制得[12]。由于苄基碘的不稳定性和高成本，一般通过用合适的正烷基碘将N，N-二甲基苄胺季铵化得到季铵碘化物[13]。

1.3 甲基卤作为烷基化试剂

N-正烷基-N-甲基苄胺与甲基卤的反应是制备BAC的最后一种方法。这种方法相关的文献报道比较少，属于一种不常用的合成路径。

图4 甲基卤作为烷基化试剂合成BACFig.4 Synthesis of BAC by methyl halide as alkylation reagent

Echols等[14]通过使癸基溴与4倍过量的苄基甲胺反应后用10%HCl进行萃取处理，体系会分为三相，取中间相，溶于Et2O，再用3倍过量的碘甲烷处理来获得最终的碘化物。

Nakamura等[15]将苄基十二烷基甲胺和二甘醇装入耐压玻璃高压釜中，并用氮气在0.2 MPa下吹扫高压釜内部3次后将温度升至95 ℃后，在30 min内从压力管中滴加氯甲烷，并将混合物在相同温度下进一步搅拌2 h，然后冷却至70～75 ℃。使溶液以微小流速流动1 h以除去未反应的甲基氯。冷却至30 ℃后出料。

这种合成方法相比较于前两种合成路径而言生产设备需要满足高温高压的条件，特别对于甲基溴而言，它本身就以气体的形式存在，对设备提出了更高的要求，生产程序更复杂，提高了生产成本和难度，在工业生产上几乎不采用这种合成方法。

1.4 其他

近年来，随着微波技术的发展，微波技术越来越多的被应用于化学合成中，吴伟等[16]使用微波辅助法来合成新洁尔灭(十二烷基二甲基苄基溴化铵)，相对于传统的化学合成，微波合成有产率高、反应速度快、操作简便的优点，但由于技术的限制，微波合成尚不能应用于工业生产，还停留在实验室阶段，适合小批量的产品合成。

2 应用

2.1 杀菌剂

1935年，德国生物化学家Domagk[17]发现含有长链烷基的季铵盐具有强力杀菌性能，并研究了其杀菌性能与化学结构的关系，而且用BAC-Cl处理了军服以防止伤口发生感染。这在季铵盐杀菌领域的研究是具有里程碑意义的。此后，季铵盐类阳离子活性杀菌剂的应用研究一直是杀菌剂领域研究较为活跃的一个方向。烷基二甲基苄基季铵盐的杀菌效果与烷基链长度有关，以BAC-Cl进行的实验研究表明，烷基链上含有12～16个碳原子的化合物具有最强的杀菌活性。因此大部分的烷基二甲基苄基季铵盐主要带有 C12 到 C16 的烷基链，C12和C14 是最常见的。Daoud N N等[18]发现C12同系物对酵母和真菌的杀灭效果显著， C14同系物对革兰氏阳性细菌和C16同系物对革兰氏阴性细菌的杀灭最有效。因此BAC在医学中使用的非常广泛[19]，它们被广泛用作眼科、鼻用和肠胃外产品的防腐剂，也被用作医疗设备的局部防腐剂和消毒剂。这些化合物通常不作为单一组分使用，而是作为由两个或三个烷基二甲基苄基季铵盐成员组成的混合物，仅在烷基链的长度上不同[20]。这是因为上述每种季铵盐对不同病原体的特异性，从而应对复杂的菌落环境。

鉴于它们的优越的两亲性质，BAC显示出强力的抑制微生物活性的作用机制，带正电的烷基二甲基苄基季铵盐阳离子和带负电的细菌细胞膜之间的静电相互作用之后，季铵盐侧链渗透到膜内区域，对细胞膜产生了破坏作用造成细胞膜的破裂，最终导致细胞质材料泄漏和细胞裂解[3]。Azizollah Ebrahimi等[21]研究了苯扎氯铵对沙门氏菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和无乳链球菌的最小抑菌浓度，结果表明沙门氏菌是对苯扎氯铵最敏感的菌株，而且发现了细菌对季铵化合物的细菌耐药性正在增加，进而对细菌的生物膜形成的抑制作用变弱。

随着人们对季铵盐的深入了解，发现BAC可以与其他材料配合使用，这极大的扩展了其应用面。如Xie等[22]将封装的CaCl2置于Na2CO3和十二烷基二甲基苄基溴化铵水溶液的水热反应器中，通过改进的水热法合成了碳酸钙样品。结果表明，水热法制备的常规立方胶囊辅助碳酸钙掺杂十二烷基二甲基苄基溴化铵。在碳酸钙样品中，胶囊辅助碳酸钙对黄芪有较好的抗菌作用：抑制后48 h，区域直径12.3 mm。Li等[23]发现十二烷基二甲基苄基氯化铵(DDBAC)当与杀虫剂毒死蜱(氯吡硫磷)合用时对甜菜夜蛾的灭杀具有增强作用，DDBAC不影响甜菜夜蛾的角质层超微结构。DDBAC通过加速杀虫剂穿透角质层可以获得协同作用。在浓度为90 mg/L和810 mg/L时，增强因子为1.50和1.57，毒死蜱的渗透率急剧增加。

自从它们进入市场以来，商业烷基二甲基苄基季铵盐的高效力，相对低毒性，简单性和易于制备的特性让它在杀菌消毒领域扮演着举足轻重的角色。Floris A Groothuis等[24]发现苯扎氯铵的毒性效力随着烷基链长度的增加而增加。这些环境友好的抗菌剂在发挥所需效果后，会相对快速地降解成无毒和无活性的产品。Oh Seungdae等[25]研究报道了苯扎氯铵的微生物降解，具体而言，是几种假单胞菌菌株如Pnitroreducens和嗜水气单胞菌和芽孢杆菌通过胺氧化酶和相关酶通过脱烷基化将苯扎氯铵降解到无毒的苄基二甲胺。降解机制见图5。

图5 BAC生物降解机制模型Fig.5 BAC biodegradation mechanism model

2.2 除藻剂

近年来，水环境的污染使藻类在水体的过度生长极大的威胁到水体生态平衡，造成了极大的经济损失。目前有多种除藻方法，如物理除藻法、生物除藻法和化学除藻法。其中化学除藻法是应急除藻方法，该法具有投加药剂量少、见效快等优点，但容易引起水体二次污染。最早用于治理藻类污染的化学药剂是硫酸铜，因其毒性大，且对水生生物有极大的危害，现已禁止使用[26]。后来人们发现季铵盐阳离子在作用于藻类时发挥着类似于对细菌的杀灭机制。仉春华等[27]发现十二烷基二甲基苄基氯化铵在25 mg/L时，灭藻率在90%以上，达到了工业水处理的要求，用2 mg/L的NaClO与2 mg/L的季铵盐复配后灭藻率达到100%，且需要的时间更短，说明季铵盐与NaClO在灭藻方面具有协同效应，因此BAC作为一种高效、低毒的灭藻剂被广泛用于水体的灭藻处理。

2.3 原油破乳剂

大部分的原油从油田开采出来时是油水乳液状，组分比较复杂，因此需要对原油进行破乳脱水处理，常规的破乳剂存在破乳时间长且效率不高的缺点，郭东红等[28]通过在常规的非离子型破乳剂基础上，通过酯化反应，在破乳剂分子中引入阳离子基团，合成出季铵盐阳离子型破乳剂 PNT-05作原油破乳剂，它能够改变原油破乳脱水过程中形成的乳化中间层里的絮状物的极性和电性，使这种絮状物壁膜变形乃至破裂，从而破坏乳化中间层，加快原油的破乳脱水速度和提高破乳率。Mirvakili,Azadeh等[29]发现了阳离子表面活性剂在油田酸化操作中能够减少操作过程中的乳液和淤渣形成。相对于传统操作过程要使用去除剂和抗污剂，在这项研究中，引入的阳离子表面活性剂能够同时具有抗淤渣和破乳性能。

2.4 金属缓蚀剂

BAC卓越的吸附性能和抗生物腐蚀性让它在油气田管道的防腐蚀中具有很广泛的应用。工业废水在环境的作用下，水中的无机盐达到饱和状态而析出晶体成垢附着在金属管道或容器上难以除去，而BAC良好的吸附性能和与金属离子的螯合能力能够有效的减少污垢的产生。Qi等[30]对比研究了硫酸盐还原菌(SRB)在含有和不含BAC-Cl的循环冷却水系统SS316L不锈钢表面的生物膜性质和腐蚀行为，结果表明BAC-Cl可以在SS316L不锈钢表面形成吸附膜，动电位极化表明SS316L的腐蚀电位从-0.495 V增加到-0.390 V，延缓了腐蚀的发生，同时BAC-Cl改变了金属表面附着的生物膜中C∶O的值，抑制了SRB对金属的腐蚀。

3 结束语

随着科技手段的发展和人们对季铵盐的深入研究和探索，烷基二甲基苄基季铵盐的合成工艺愈发简便清洁，同时社会对环境污染预防和治理方面越来越重视，烷基二甲基苄基季铵盐作为强阳离子表面活性剂的代表，除在上述方面的应用外，在污水处理、纺织、相转移催化等方面也被大量使用，但过度的使用给人们带来了新的问题，特别是抗菌方面，细菌表现出了对季铵盐的抗性行为，这需要人们更深入的了解季铵盐从而解决抗性难题。