环境友好型消毒剂PHMB-HCl的合成工艺优化

王贝，王仲，刘桂艳，吴春姗

（武汉华夏理工学院 生物与制药工程学院，湖北武汉 430223）

随着人民群众生活水平的提高，健康话题已成为热点，人们对自身健康更为关注与重视，也越来越关注食品药品的安全问题，以及生存环境的卫生洁净情况。为了保证生活环境的干净、舒适和身体的健康，彻底、规范的清洁消毒是至关重要的。消毒剂的使用应该受到人们的重视，对消毒剂的研究也应该更加深入，这对改善人们的生活环境具有重大的意义[1]。现如今消毒技术日趋成熟，消费者对化学消毒剂的要求也不断提高。传统的消毒剂，例如含氯消毒剂、醛类消毒剂、臭氧等的使用，易造成环境污染或对人体造成伤害，所以能够满足当代人们需求的化学消毒剂，应具有消毒效果佳，不会造成环境污染、机械设备腐蚀，也不会对消毒作业人员造成伤害等基本功能。

聚六亚甲基双胍盐酸盐（PHMB-HCl），属于阳离子表面活性剂，是一种双胍类消毒剂，其胍基结构具有强碱性、高稳定性、较好的生物活性；具有酸碱兼容的特性，在pH值2～11的溶剂中均能正常使用；对金属的腐蚀作用小；具有很好的相容性、耐高温及良好的稳定性，可用冷水或热水以高比例稀释使用。PHMB-HCl属于高分子聚合物，不易被生物组织吸收，并对革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌和酵母菌均有灭菌作用，具有较强的抗菌和杀菌活性，是一种无毒副作用、安全环保性更高、杀菌谱广的多功能消毒剂[2]。同时，稳定性良好的特点也便于运输和储存。目前，PHMB-HCl可应用的领域有日用化学工业、纺织业、农业、水产养殖业、医药卫生等，在国内外已经得到了广泛的应用，但是国内市场上流通的产品大部分来自国外，PHMB-HCl的国内产量较少，对其合成工艺研究也较少。本文以PHMB-HCl的合成工艺为研究内容，筛选得到工艺简单、成本低廉、产品纯度高的合成工艺，具有一定的实际应用价值[3]。

1 合成路线选择

1.1 合成路线一

以双氰胺为起始原料，双氰胺与催化剂氯化铜形成配合物，该配合物和1,6-己二胺反应生成六亚甲基双胍盐-铜离子的配合物，通入硫化氢气体使铜离子沉淀除去，加入盐酸酸化后得到六亚甲基双胍盐，最终在160 ℃下缩聚得到PHMB-HCl。该合成路线工艺比较复杂，收率较低，如图1所示[4]。

图1 以双氰胺为起始原料的PHMB-HCl合成路线

1.2 合成路线二

用二乙二醇（DEG）作为溶剂，二氰基胺钠（SDC）与1,6-己二胺盐酸盐在150 ℃下缩聚15 h，加入乙酸分离得到PHMB-HCl，如图2所示[4]。二氰基胺钠价格较高，使得该合成路线成本较高，且反应过程中会生成氯化钠小分子，不易除去，影响产物的纯度及应用。

图2 以二氰基胺钠为起始原料的PHMB-HCl合成路线

1.3 合成路线三

1,6-双氰基胍基己烷直接与己二胺盐酸盐加聚反应，得到PHMB-HCl，如图3所示[5]。该合成路线中，虽然没有难以除去的小分子产物产生，但是1,6-双氰基胍基己烷合成工艺较为复杂，合成所需原料不易获得。

图3 以1,6-双氰基胍基己烷为起始原料的PHMB-HCl合成路线

1.4 合成路线四

以1,6-己二胺为起始原料，浓盐酸与1,6-己二胺反应先制备生成己二胺盐酸盐，然后将1,6-己二胺盐酸盐再与二氰二胺进行加成反应，最后在170 ℃下发生缩聚反应，得到PHMB-HCl，如图4所示[6]。该合成路线工艺较简单，合成原料较易获得，有比较广阔的应用前景。

图4 以1,6-己二胺为起始原料的PHMB-HCl合成路线

对4条合成路线进行分析对比，最终选定合成路线四来进行工艺条件的优化。文献[6]中第二步反应为单一温度下进行聚合反应，最后蒸除溶剂正丁醇，析出产物。本文对该步反应进行优化，在完成加成反应后，先蒸除溶剂正丁醇，再进行缩聚反应，以提高产物产量。

2 材料与方法

2.1 仪器与试剂

DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，武汉科尔仪器设备有限公司；RY-1型熔点仪，天津市分析仪器厂；101型电热鼓风干燥箱，北京市永光明医疗仪器厂；TENSOR-37傅里叶变换红外光谱仪，德国Bruker公司。

1,6-己二胺、浓盐酸、无水乙醇、正丁醇、二氰二胺，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

2.2 实验步骤

2.2.1 1,6-己二胺盐酸盐的合成

向装有恒压滴液漏斗、搅拌转子的250 mL三口烧瓶中，加入5 g 1,6-己二胺，在冰水浴、搅拌下，用恒压滴液漏斗滴加5 mL浓盐酸，边滴加边调节溶液的pH值为5～6，有大量白色结晶析出，加入25 mL无水乙醇，再继续反应15 min，确保反应完全。反应液冰水浴降温10 min，抽滤，干燥，得白色固体1,6-己二胺盐酸盐5.19 g，收率63.83%，产品熔点为256～258 ℃（文献值[7]256～257 ℃）。

2.2.2 PHMB-HCl的合成

2.2.2.1 反应温度优化

向装有搅拌转子、球形冷凝管的250 mL三口烧瓶中，加入5 g 1,6-己二胺盐酸盐、2.45 g二氰二胺（摩尔比为1.0∶1.1）、20 mL正丁醇，不断搅拌，升温至130 ℃，回流反应10 h。将正丁醇完全蒸馏出后，分别在130 ℃、170 ℃、175 ℃进行缩聚反应，直至氨气放尽，白色粉末逐渐变为浅黄色黏稠液体，反应即可停止。

2.2.2.2 反应物摩尔比优化

向装有搅拌转子、球形冷凝管的250 mL三口烧瓶中，加入5 g 1,6-己二胺盐酸盐，分别加入2.22 g、2.45 g、2.66 g二氰二胺（摩尔比分别为1.0∶1.0、1.0∶1.1、1.0∶1.2），加入20 mL正丁醇，不断搅拌，升温至130 ℃，回流反应10 h。将正丁醇完全蒸馏出后，升温至170 ℃进行缩聚反应，直至氨气放尽，白色粉末逐渐变为浅黄色黏稠液体，反应即可停止。

2.2.2.3 反应溶剂优化

向装有搅拌转子、球形冷凝管的250 mL三口烧瓶中，加入5 g 1,6-己二胺盐酸盐、2.45 g二氰二胺（摩尔比为1.0∶1.1），分别加入0 mL、20 mL、40 mL正丁醇或20 mL N,N-二甲基甲酰胺，不断搅拌，升温至130 ℃，回流反应10 h。将正丁醇（N,N-二甲基甲酰胺）完全蒸馏出后，升温至170 ℃进行缩聚反应，直至氨气放尽，白色粉末逐渐变为浅黄色黏稠液体，反应即可停止。

2.2.2.4 反应时间优化

向装有搅拌转子、球形冷凝管的250 mL三口烧瓶中，加入5 g 1,6-己二胺盐酸盐、2.45 g二氰二胺（摩尔比为1.0∶1.1）、20 mL正丁醇，不断搅拌，升温至130 ℃，分别回流反应7 h、10 h、12 h。将正丁醇完全蒸馏出后，升温至170 ℃进行缩聚反应，直至氨气放尽，白色粉末逐渐变为浅黄色黏稠液体，反应即可停止。

2.2.3 PHMB-HCl红外光谱检测方法

采用全反射红外光谱法（ATR）进行红外测定，先将ATR附件置于红外光谱仪的光路中，扫描空气背景，然后将少量PHMB-HCl涂敷于ATR附件的红外透光晶体面上，扫描范围4 000～450 cm-1，得PHMB-HCl的红外光谱。

3 结果与分析

3.1 1,6-己二胺盐酸盐合成工艺要点

用1,6-己二胺和浓盐酸作为反应原料，在冰浴条件下，浓盐酸由恒压滴液漏斗缓慢滴加到装有1,6-己二胺的三口烧瓶中，需要注意的是，当烧瓶内的液体有大量白色结晶析出时，关闭恒压滴液漏斗。然后加入适量乙醇，继续反应，并保证溶液pH为5左右，有利于产物1,6-己二胺盐酸盐更好地结晶析出。在抽滤前，要将烧瓶静置于冰水中降温，保持烧瓶内的温度一直处于0 ℃左右。此步反应中应控制好冰浴条件、无水乙醇的使用以及pH值约为5，可使1,6-己二胺盐酸盐的产率更高。

3.2 PHMB-HCl合成工艺优化

3.2.1 反应温度的优化

缩聚反应温度对产品产量的影响如表1所示。由表1可知，缩聚反应温度为130 ℃时无法得到产品，并且当缩聚反应温度高于170 ℃时，对产物的产量提高影响不大，故适宜的缩聚反应温度为170 ℃。

3.2.2 反应物摩尔比的优化

考虑反应物1,6-己二胺盐酸盐和二氰二胺的摩尔比对产品产量的影响，结果如表2所示。在170 ℃下进行缩聚反应时，三个摩尔比条件下反应均有氨气产生，大约反应90 min后，氨气释放完毕，反应结束，白色粉末变为淡黄色黏稠液体，冷却后凝固，产品外观上无太大差别。由表2可知，在反应温度、反应时间和反应溶剂均相同的情况下，1,6-己二胺盐酸盐与二氰二胺的摩尔比为1.0∶1.1时产量更高，继续增加二氰二胺的用量，产量增加不明显，故最适宜的摩尔比为1.0∶1.1。

表2 反应物摩尔比对产物产量的影响

3.2.3 反应溶剂的优化

考虑反应溶剂对产品产量的影响，结果如表3所示。由表3可知，当使用N,N-二甲基甲酰胺作为反应溶剂时未得到产品，可能是因为N,N-二甲基甲酰胺与聚合反应的中间产物发生了反应，影响了产品的生成。故应选择正丁醇作为反应溶剂，且正丁醇的用量对产品产量的影响不大，使用20 mL正丁醇为宜。

表3 反应溶剂对产物产量的影响

3.2.4 反应时间的优化

考虑130 ℃下加成反应时间对产品产量的影响，结果如表4所示。由表4可知，当反应时间增加时，产品产量增加，考虑到生产实际及经济效益，选择较优的反应时间为10 h。

表4 反应时间对产物产量的影响

3.3 PHMB-HCl红外光谱分析

PHMB-HCl属于高分子聚合物，是一种难粉碎的、黏性较大的样品，ATR法广泛用于测定不易溶解、熔化、难粉碎的、具有弹性或黏性的样品，故本研究使用ATR法测定产物，如图5所示。其红外光谱数据分析如表5所示。通过红外光谱分析可知，吸收峰显示了胍基化合物的特征，证明产物中含有胍基结构。

图5 PHMB-HCl的红外光谱图

表5 PHMB-HCl的红外吸收峰归属

4 结论

本文以1,6-己二胺、盐酸为原料，制备己二胺盐酸盐，再与二氰二胺先后发生加成反应、缩聚反应，生成PHMB-HCl。本文对第二步聚合反应过程进行了改进，在加成反应完成后先将正丁醇蒸出，再进行缩聚反应，提高了PHMB-HCl的产量。

合成PHMB-HCl的过程中，主要研究了反应温度、反应物摩尔比、反应溶剂及反应时间对第二步聚合反应的影响。在投入反应物时，1,6-己二胺盐酸盐和二氰二胺摩尔比为1.0∶1.1时最适宜；在油浴温度为130 ℃的条件下加热回流的时间越长产量越高，但不宜超过12 h，以10 h为最佳；在蒸出正丁醇后，反应温度调至170 ℃为宜，超过170 ℃对产量影响不大；反应中加入适量的正丁醇作为反应溶剂，使反应更充分。

目前PHMB-HCl是所有双胍盐消毒剂中性能较好、应用较广泛的一种环境友好型消毒剂，具有深入研发的价值。本文通过对PHMB-HCl的合成工艺优化，进一步提升PHMB-HCl的收率，合成路线操作简单，适合工业化生产。