烷基二甲基芐基季銨鹽的合成及應(yīng)用研究進(jìn)展

冉開放，徐帥帥，劉彥龍，吳俊延，章亞東

(鄭州大學(xué) 化工學(xué)院 鄭州大學(xué)濟(jì)源研究院，河南 鄭州 450001)

烷基二甲基芐基季銨鹽(BAC)是典型的帶芐基的陽離子型季銨鹽，是一類重要的季銨化合物。作為一宗重要的工業(yè)化學(xué)品，烷基二甲基芐基季銨鹽廣泛應(yīng)用于從工業(yè)到家庭的各種產(chǎn)品中。由于其強(qiáng)陽離子表面活性，季銨化合物主要用作殺菌滅藻劑、金屬緩蝕劑、原油破乳劑和控制植物病害制劑等[1]。作為第一代季銨鹽陽離子表面活性劑[2]，人們對(duì)它已經(jīng)有了深入的了解，進(jìn)而開發(fā)了幾種較為成熟的合成方法。本文對(duì)其合成方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述和優(yōu)缺點(diǎn)分析，并對(duì)每種方法在工業(yè)生產(chǎn)上的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。首先，烷基二甲基芐基季銨鹽主要有氯型(BAC-Cl)、溴型(BAC-Br)和碘型(BAC-I)3種類型[3]，真正決定表面活性的是其陽離子部分，陽離子部分由三個(gè)不同的基團(tuán)組成：長(zhǎng)烷基鏈、短烷基鏈(兩個(gè)CH3基團(tuán))和芐基。

1 合成方法

由于BAC陽離子由3種特征基團(tuán)組成，因此存在3種合成方法來制備該分子。這些方法都可以被描述為叔胺與合適的烷基化試劑的季銨化反應(yīng)，反應(yīng)類型為親核取代反應(yīng)[4]。

1.1 正烷基鹵作為烷基化試劑

由N,N-二甲基芐胺和正烷基鹵發(fā)生季銨化反應(yīng)一步合成BAC，具體合成路徑如下：

圖1 正烷基鹵作為烷基化試劑合成BACFig.1 Synthesis of BAC by using an alkyl halide as an alkylating agent

Salomé El Hage等[5]系統(tǒng)化的研究了以此路線來合成目標(biāo)產(chǎn)物，他以丁酮為溶劑，物料比為1∶1，回流攪拌12 h后往反應(yīng)體系內(nèi)加入對(duì)應(yīng)定量的BAC水溶液，回流攪拌6 h，之后-30 ℃處理12 h，抽濾干燥后得到目的產(chǎn)物，得到了系列產(chǎn)物的收率，同時(shí)對(duì)BAC的熔點(diǎn)、對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的最小抑菌濃度(MIC)等基礎(chǔ)物性數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢測(cè)，表征測(cè)試了結(jié)構(gòu)-活性的關(guān)系。BAC的合成可以在其他溶劑中進(jìn)行：如Moss等[6]用N,N-二甲基芐胺和十六烷基溴在回流的丙酮中制備十六烷基二甲基芐基溴化銨，Jaber等[7]以乙醇為溶劑，N，N-二甲基芐胺和十二、十四、十六烷基溴為原料，反應(yīng)溫度100～110 ℃，反應(yīng)時(shí)間12 h，合成了十二、十四、十六烷基二甲基芐基溴化銨。對(duì)比發(fā)現(xiàn)合成最方便的溶劑是丁酮，使用丁酮整個(gè)體系反應(yīng)后能通過低溫處理后使BAC以高純度結(jié)晶，極大簡(jiǎn)化了提純過程。對(duì)于氯化物和溴化物，向反應(yīng)混合物中加入定量的水能夠獲得穩(wěn)定的、結(jié)晶的和非吸濕性的一水合物或二水合物。而對(duì)于碘化物而言，則獲得無水化合物。

這條路線正烷基鹵作為烷基化試劑，其本身活性不高，相應(yīng)的反應(yīng)溫度高，時(shí)間基本在10 h以上，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)效率低，極大限制了其在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用。

1.2 芐基鹵作為烷基化試劑

N,N-二甲基-正烷基胺和芐基鹵的反應(yīng)也常用來合成BAC。合成路徑如下：

圖2 芐基鹵作為烷基化試劑合成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)和芐基氯為原料，以二甲基甲酰胺(DMF)為溶劑合成了5種烷基二甲基芐基氯化銨。通過熱重分析，建立了所制備BAC-Cl的熱分解的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，反應(yīng)級(jí)數(shù)“n”和活化能“Ea”。

王瑛等[9]用氯代十四烷與二甲胺反應(yīng),制得的十四烷基二甲基叔胺再和氯化芐反應(yīng)合成了十四烷基二甲基芐基氯化銨，具體路線如下圖。十四烷基二甲基芐基氯化銨收率為90%，并對(duì)化合物的晶胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

圖3 兩步法合成十四烷基二甲基芐基氯化銨Fig.3 Synthesis of tetradecyldimethylbenzylammonium chloride by two-step method

Wang等[10]以水或乙醇作溶劑，N,N-二甲基十二烷胺和氯化芐為原料合成十二烷基二甲基芐基氯化銨，產(chǎn)率達(dá)到98%以上，但是由于BAC極易溶解于乙醇和水，分離純化變得困難，不適合高純度季銨鹽的工業(yè)生產(chǎn)。且因?yàn)殇寤S活性極高，只能使用中等極性或惰性溶劑，所以水作為強(qiáng)極性溶劑的只適用于氯型季銨鹽的合成。

Zhao[11]改用沸點(diǎn)較低，不溶于水的有機(jī)溶劑作為反應(yīng)介質(zhì)如：石油醚、正己烷、異丙醚等制備BAC-Cl，反應(yīng)溫度80 ℃，反應(yīng)時(shí)間8 h左右，收率為90%。弱極性溶劑和惰性溶劑不利于反應(yīng)的進(jìn)行，相應(yīng)的反應(yīng)條件升高，而且所用有機(jī)溶劑需要減壓蒸餾除去。

與正烷基鹵作為烷基化試劑對(duì)比，鹵化芐的活性要高得多，有利于反應(yīng)過渡態(tài)的形成，從而降低了反應(yīng)條件。此工藝反應(yīng)原料來源廣泛，價(jià)格相對(duì)低廉，整個(gè)工藝流程結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無需繁瑣的過程操作，是工業(yè)上制備苯扎氯銨(BAC-Cl)的主流工藝，被國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)所認(rèn)可。目前國(guó)內(nèi)具有苯扎氯銨藥品批準(zhǔn)文號(hào)的獨(dú)家企業(yè)(上海金山經(jīng)緯)采用的工藝為“以N,N-二甲基十二烷基胺為原料,與丁酮、氯化芐反應(yīng)制得[12]。由于芐基碘的不穩(wěn)定性和高成本，一般通過用合適的正烷基碘將N，N-二甲基芐胺季銨化得到季銨碘化物[13]。

1.3 甲基鹵作為烷基化試劑

N-正烷基-N-甲基芐胺與甲基鹵的反應(yīng)是制備BAC的最后一種方法。這種方法相關(guān)的文獻(xiàn)報(bào)道比較少，屬于一種不常用的合成路徑。

圖4 甲基鹵作為烷基化試劑合成BACFig.4 Synthesis of BAC by methyl halide as alkylation reagent

Echols等[14]通過使癸基溴與4倍過量的芐基甲胺反應(yīng)后用10%HCl進(jìn)行萃取處理，體系會(huì)分為三相，取中間相，溶于Et2O，再用3倍過量的碘甲烷處理來獲得最終的碘化物。

Nakamura等[15]將芐基十二烷基甲胺和二甘醇裝入耐壓玻璃高壓釜中，并用氮?dú)庠?.2 MPa下吹掃高壓釜內(nèi)部3次后將溫度升至95 ℃后，在30 min內(nèi)從壓力管中滴加氯甲烷，并將混合物在相同溫度下進(jìn)一步攪拌2 h，然后冷卻至70～75 ℃。使溶液以微小流速流動(dòng)1 h以除去未反應(yīng)的甲基氯。冷卻至30 ℃后出料。

這種合成方法相比較于前兩種合成路徑而言生產(chǎn)設(shè)備需要滿足高溫高壓的條件，特別對(duì)于甲基溴而言，它本身就以氣體的形式存在，對(duì)設(shè)備提出了更高的要求，生產(chǎn)程序更復(fù)雜，提高了生產(chǎn)成本和難度，在工業(yè)生產(chǎn)上幾乎不采用這種合成方法。

1.4 其他

近年來，隨著微波技術(shù)的發(fā)展，微波技術(shù)越來越多的被應(yīng)用于化學(xué)合成中，吳偉等[16]使用微波輔助法來合成新潔爾滅(十二烷基二甲基芐基溴化銨)，相對(duì)于傳統(tǒng)的化學(xué)合成，微波合成有產(chǎn)率高、反應(yīng)速度快、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)，但由于技術(shù)的限制，微波合成尚不能應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，還停留在實(shí)驗(yàn)室階段，適合小批量的產(chǎn)品合成。

2 應(yīng)用

2.1 殺菌劑

1935年，德國(guó)生物化學(xué)家Domagk[17]發(fā)現(xiàn)含有長(zhǎng)鏈烷基的季銨鹽具有強(qiáng)力殺菌性能，并研究了其殺菌性能與化學(xué)結(jié)構(gòu)的關(guān)系，而且用BAC-Cl處理了軍服以防止傷口發(fā)生感染。這在季銨鹽殺菌領(lǐng)域的研究是具有里程碑意義的。此后，季銨鹽類陽離子活性殺菌劑的應(yīng)用研究一直是殺菌劑領(lǐng)域研究較為活躍的一個(gè)方向。烷基二甲基芐基季銨鹽的殺菌效果與烷基鏈長(zhǎng)度有關(guān)，以BAC-Cl進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究表明，烷基鏈上含有12～16個(gè)碳原子的化合物具有最強(qiáng)的殺菌活性。因此大部分的烷基二甲基芐基季銨鹽主要帶有 C12 到 C16 的烷基鏈，C12和C14 是最常見的。Daoud N N等[18]發(fā)現(xiàn)C12同系物對(duì)酵母和真菌的殺滅效果顯著， C14同系物對(duì)革蘭氏陽性細(xì)菌和C16同系物對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌的殺滅最有效。因此BAC在醫(yī)學(xué)中使用的非常廣泛[19]，它們被廣泛用作眼科、鼻用和腸胃外產(chǎn)品的防腐劑，也被用作醫(yī)療設(shè)備的局部防腐劑和消毒劑。這些化合物通常不作為單一組分使用，而是作為由兩個(gè)或三個(gè)烷基二甲基芐基季銨鹽成員組成的混合物，僅在烷基鏈的長(zhǎng)度上不同[20]。這是因?yàn)樯鲜雒糠N季銨鹽對(duì)不同病原體的特異性，從而應(yīng)對(duì)復(fù)雜的菌落環(huán)境。

鑒于它們的優(yōu)越的兩親性質(zhì)，BAC顯示出強(qiáng)力的抑制微生物活性的作用機(jī)制，帶正電的烷基二甲基芐基季銨鹽陽離子和帶負(fù)電的細(xì)菌細(xì)胞膜之間的靜電相互作用之后，季銨鹽側(cè)鏈滲透到膜內(nèi)區(qū)域，對(duì)細(xì)胞膜產(chǎn)生了破壞作用造成細(xì)胞膜的破裂，最終導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)材料泄漏和細(xì)胞裂解[3]。Azizollah Ebrahimi等[21]研究了苯扎氯銨對(duì)沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和無乳鏈球菌的最小抑菌濃度，結(jié)果表明沙門氏菌是對(duì)苯扎氯銨最敏感的菌株，而且發(fā)現(xiàn)了細(xì)菌對(duì)季銨化合物的細(xì)菌耐藥性正在增加，進(jìn)而對(duì)細(xì)菌的生物膜形成的抑制作用變?nèi)酢?/p>

隨著人們對(duì)季銨鹽的深入了解，發(fā)現(xiàn)BAC可以與其他材料配合使用，這極大的擴(kuò)展了其應(yīng)用面。如Xie等[22]將封裝的CaCl2置于Na2CO3和十二烷基二甲基芐基溴化銨水溶液的水熱反應(yīng)器中，通過改進(jìn)的水熱法合成了碳酸鈣樣品。結(jié)果表明，水熱法制備的常規(guī)立方膠囊輔助碳酸鈣摻雜十二烷基二甲基芐基溴化銨。在碳酸鈣樣品中，膠囊輔助碳酸鈣對(duì)黃芪有較好的抗菌作用：抑制后48 h，區(qū)域直徑12.3 mm。Li等[23]發(fā)現(xiàn)十二烷基二甲基芐基氯化銨(DDBAC)當(dāng)與殺蟲劑毒死蜱(氯吡硫磷)合用時(shí)對(duì)甜菜夜蛾的滅殺具有增強(qiáng)作用，DDBAC不影響甜菜夜蛾的角質(zhì)層超微結(jié)構(gòu)。DDBAC通過加速殺蟲劑穿透角質(zhì)層可以獲得協(xié)同作用。在濃度為90 mg/L和810 mg/L時(shí)，增強(qiáng)因子為1.50和1.57，毒死蜱的滲透率急劇增加。

自從它們進(jìn)入市場(chǎng)以來，商業(yè)烷基二甲基芐基季銨鹽的高效力，相對(duì)低毒性，簡(jiǎn)單性和易于制備的特性讓它在殺菌消毒領(lǐng)域扮演著舉足輕重的角色。Floris A Groothuis等[24]發(fā)現(xiàn)苯扎氯銨的毒性效力隨著烷基鏈長(zhǎng)度的增加而增加。這些環(huán)境友好的抗菌劑在發(fā)揮所需效果后，會(huì)相對(duì)快速地降解成無毒和無活性的產(chǎn)品。Oh Seungdae等[25]研究報(bào)道了苯扎氯銨的微生物降解，具體而言，是幾種假單胞菌菌株如Pnitroreducens和嗜水氣單胞菌和芽孢桿菌通過胺氧化酶和相關(guān)酶通過脫烷基化將苯扎氯銨降解到無毒的芐基二甲胺。降解機(jī)制見圖5。

圖5 BAC生物降解機(jī)制模型Fig.5 BAC biodegradation mechanism model

2.2 除藻劑

近年來，水環(huán)境的污染使藻類在水體的過度生長(zhǎng)極大的威脅到水體生態(tài)平衡，造成了極大的經(jīng)濟(jì)損失。目前有多種除藻方法，如物理除藻法、生物除藻法和化學(xué)除藻法。其中化學(xué)除藻法是應(yīng)急除藻方法，該法具有投加藥劑量少、見效快等優(yōu)點(diǎn)，但容易引起水體二次污染。最早用于治理藻類污染的化學(xué)藥劑是硫酸銅，因其毒性大，且對(duì)水生生物有極大的危害，現(xiàn)已禁止使用[26]。后來人們發(fā)現(xiàn)季銨鹽陽離子在作用于藻類時(shí)發(fā)揮著類似于對(duì)細(xì)菌的殺滅機(jī)制。仉春華等[27]發(fā)現(xiàn)十二烷基二甲基芐基氯化銨在25 mg/L時(shí)，滅藻率在90%以上，達(dá)到了工業(yè)水處理的要求，用2 mg/L的NaClO與2 mg/L的季銨鹽復(fù)配后滅藻率達(dá)到100%，且需要的時(shí)間更短，說明季銨鹽與NaClO在滅藻方面具有協(xié)同效應(yīng)，因此BAC作為一種高效、低毒的滅藻劑被廣泛用于水體的滅藻處理。

2.3 原油破乳劑

大部分的原油從油田開采出來時(shí)是油水乳液狀，組分比較復(fù)雜，因此需要對(duì)原油進(jìn)行破乳脫水處理，常規(guī)的破乳劑存在破乳時(shí)間長(zhǎng)且效率不高的缺點(diǎn)，郭東紅等[28]通過在常規(guī)的非離子型破乳劑基礎(chǔ)上，通過酯化反應(yīng)，在破乳劑分子中引入陽離子基團(tuán)，合成出季銨鹽陽離子型破乳劑 PNT-05作原油破乳劑，它能夠改變?cè)推迫槊撍^程中形成的乳化中間層里的絮狀物的極性和電性，使這種絮狀物壁膜變形乃至破裂，從而破壞乳化中間層，加快原油的破乳脫水速度和提高破乳率。Mirvakili,Azadeh等[29]發(fā)現(xiàn)了陽離子表面活性劑在油田酸化操作中能夠減少操作過程中的乳液和淤渣形成。相對(duì)于傳統(tǒng)操作過程要使用去除劑和抗污劑，在這項(xiàng)研究中，引入的陽離子表面活性劑能夠同時(shí)具有抗淤渣和破乳性能。

2.4 金屬緩蝕劑

BAC卓越的吸附性能和抗生物腐蝕性讓它在油氣田管道的防腐蝕中具有很廣泛的應(yīng)用。工業(yè)廢水在環(huán)境的作用下，水中的無機(jī)鹽達(dá)到飽和狀態(tài)而析出晶體成垢附著在金屬管道或容器上難以除去，而BAC良好的吸附性能和與金屬離子的螯合能力能夠有效的減少污垢的產(chǎn)生。Qi等[30]對(duì)比研究了硫酸鹽還原菌(SRB)在含有和不含BAC-Cl的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)SS316L不銹鋼表面的生物膜性質(zhì)和腐蝕行為，結(jié)果表明BAC-Cl可以在SS316L不銹鋼表面形成吸附膜，動(dòng)電位極化表明SS316L的腐蝕電位從-0.495 V增加到-0.390 V，延緩了腐蝕的發(fā)生，同時(shí)BAC-Cl改變了金屬表面附著的生物膜中C∶O的值，抑制了SRB對(duì)金屬的腐蝕。

3 結(jié)束語

隨著科技手段的發(fā)展和人們對(duì)季銨鹽的深入研究和探索，烷基二甲基芐基季銨鹽的合成工藝愈發(fā)簡(jiǎn)便清潔，同時(shí)社會(huì)對(duì)環(huán)境污染預(yù)防和治理方面越來越重視，烷基二甲基芐基季銨鹽作為強(qiáng)陽離子表面活性劑的代表，除在上述方面的應(yīng)用外，在污水處理、紡織、相轉(zhuǎn)移催化等方面也被大量使用，但過度的使用給人們帶來了新的問題，特別是抗菌方面，細(xì)菌表現(xiàn)出了對(duì)季銨鹽的抗性行為，這需要人們更深入的了解季銨鹽從而解決抗性難題。