環(huán)境友好型消毒劑PHMB-HCl的合成工藝優(yōu)化

王貝，王仲，劉桂艷，吳春姍

（武漢華夏理工學(xué)院 生物與制藥工程學(xué)院，湖北武漢 430223）

隨著人民群眾生活水平的提高，健康話題已成為熱點(diǎn)，人們對(duì)自身健康更為關(guān)注與重視，也越來(lái)越關(guān)注食品藥品的安全問(wèn)題，以及生存環(huán)境的衛(wèi)生潔凈情況。為了保證生活環(huán)境的干凈、舒適和身體的健康，徹底、規(guī)范的清潔消毒是至關(guān)重要的。消毒劑的使用應(yīng)該受到人們的重視，對(duì)消毒劑的研究也應(yīng)該更加深入，這對(duì)改善人們的生活環(huán)境具有重大的意義[1]?，F(xiàn)如今消毒技術(shù)日趨成熟，消費(fèi)者對(duì)化學(xué)消毒劑的要求也不斷提高。傳統(tǒng)的消毒劑，例如含氯消毒劑、醛類消毒劑、臭氧等的使用，易造成環(huán)境污染或?qū)θ梭w造成傷害，所以能夠滿足當(dāng)代人們需求的化學(xué)消毒劑，應(yīng)具有消毒效果佳，不會(huì)造成環(huán)境污染、機(jī)械設(shè)備腐蝕，也不會(huì)對(duì)消毒作業(yè)人員造成傷害等基本功能。

聚六亞甲基雙胍鹽酸鹽（PHMB-HCl），屬于陽(yáng)離子表面活性劑，是一種雙胍類消毒劑，其胍基結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)堿性、高穩(wěn)定性、較好的生物活性；具有酸堿兼容的特性，在pH值2～11的溶劑中均能正常使用；對(duì)金屬的腐蝕作用??；具有很好的相容性、耐高溫及良好的穩(wěn)定性，可用冷水或熱水以高比例稀釋使用。PHMB-HCl屬于高分子聚合物，不易被生物組織吸收，并對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌、革蘭氏陰性菌、真菌和酵母菌均有滅菌作用，具有較強(qiáng)的抗菌和殺菌活性，是一種無(wú)毒副作用、安全環(huán)保性更高、殺菌譜廣的多功能消毒劑[2]。同時(shí)，穩(wěn)定性良好的特點(diǎn)也便于運(yùn)輸和儲(chǔ)存。目前，PHMB-HCl可應(yīng)用的領(lǐng)域有日用化學(xué)工業(yè)、紡織業(yè)、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生等，在國(guó)內(nèi)外已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上流通的產(chǎn)品大部分來(lái)自國(guó)外，PHMB-HCl的國(guó)內(nèi)產(chǎn)量較少，對(duì)其合成工藝研究也較少。本文以PHMB-HCl的合成工藝為研究?jī)?nèi)容，篩選得到工藝簡(jiǎn)單、成本低廉、產(chǎn)品純度高的合成工藝，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[3]。

1 合成路線選擇

1.1 合成路線一

以雙氰胺為起始原料，雙氰胺與催化劑氯化銅形成配合物，該配合物和1,6-己二胺反應(yīng)生成六亞甲基雙胍鹽-銅離子的配合物，通入硫化氫氣體使銅離子沉淀除去，加入鹽酸酸化后得到六亞甲基雙胍鹽，最終在160 ℃下縮聚得到PHMB-HCl。該合成路線工藝比較復(fù)雜，收率較低，如圖1所示[4]。

圖1 以雙氰胺為起始原料的PHMB-HCl合成路線

1.2 合成路線二

用二乙二醇（DEG）作為溶劑，二氰基胺鈉（SDC）與1,6-己二胺鹽酸鹽在150 ℃下縮聚15 h，加入乙酸分離得到PHMB-HCl，如圖2所示[4]。二氰基胺鈉價(jià)格較高，使得該合成路線成本較高，且反應(yīng)過(guò)程中會(huì)生成氯化鈉小分子，不易除去，影響產(chǎn)物的純度及應(yīng)用。

圖2 以二氰基胺鈉為起始原料的PHMB-HCl合成路線

1.3 合成路線三

1,6-雙氰基胍基己烷直接與己二胺鹽酸鹽加聚反應(yīng)，得到PHMB-HCl，如圖3所示[5]。該合成路線中，雖然沒(méi)有難以除去的小分子產(chǎn)物產(chǎn)生，但是1,6-雙氰基胍基己烷合成工藝較為復(fù)雜，合成所需原料不易獲得。

圖3 以1,6-雙氰基胍基己烷為起始原料的PHMB-HCl合成路線

1.4 合成路線四

以1,6-己二胺為起始原料，濃鹽酸與1,6-己二胺反應(yīng)先制備生成己二胺鹽酸鹽，然后將1,6-己二胺鹽酸鹽再與二氰二胺進(jìn)行加成反應(yīng)，最后在170 ℃下發(fā)生縮聚反應(yīng)，得到PHMB-HCl，如圖4所示[6]。該合成路線工藝較簡(jiǎn)單，合成原料較易獲得，有比較廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 以1,6-己二胺為起始原料的PHMB-HCl合成路線

對(duì)4條合成路線進(jìn)行分析對(duì)比，最終選定合成路線四來(lái)進(jìn)行工藝條件的優(yōu)化。文獻(xiàn)[6]中第二步反應(yīng)為單一溫度下進(jìn)行聚合反應(yīng)，最后蒸除溶劑正丁醇，析出產(chǎn)物。本文對(duì)該步反應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，在完成加成反應(yīng)后，先蒸除溶劑正丁醇，再進(jìn)行縮聚反應(yīng)，以提高產(chǎn)物產(chǎn)量。

2 材料與方法

2.1 儀器與試劑

DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，武漢科爾儀器設(shè)備有限公司；RY-1型熔點(diǎn)儀，天津市分析儀器廠；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器廠；TENSOR-37傅里葉變換紅外光譜儀，德國(guó)Bruker公司。

1,6-己二胺、濃鹽酸、無(wú)水乙醇、正丁醇、二氰二胺，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)步驟

2.2.1 1,6-己二胺鹽酸鹽的合成

向裝有恒壓滴液漏斗、攪拌轉(zhuǎn)子的250 mL三口燒瓶中，加入5 g 1,6-己二胺，在冰水浴、攪拌下，用恒壓滴液漏斗滴加5 mL濃鹽酸，邊滴加邊調(diào)節(jié)溶液的pH值為5～6，有大量白色結(jié)晶析出，加入25 mL無(wú)水乙醇，再繼續(xù)反應(yīng)15 min，確保反應(yīng)完全。反應(yīng)液冰水浴降溫10 min，抽濾，干燥，得白色固體1,6-己二胺鹽酸鹽5.19 g，收率63.83%，產(chǎn)品熔點(diǎn)為256～258 ℃（文獻(xiàn)值[7]256～257 ℃）。

2.2.2 PHMB-HCl的合成

2.2.2.1 反應(yīng)溫度優(yōu)化

向裝有攪拌轉(zhuǎn)子、球形冷凝管的250 mL三口燒瓶中，加入5 g 1,6-己二胺鹽酸鹽、2.45 g二氰二胺（摩爾比為1.0∶1.1）、20 mL正丁醇，不斷攪拌，升溫至130 ℃，回流反應(yīng)10 h。將正丁醇完全蒸餾出后，分別在130 ℃、170 ℃、175 ℃進(jìn)行縮聚反應(yīng)，直至氨氣放盡，白色粉末逐漸變?yōu)闇\黃色黏稠液體，反應(yīng)即可停止。

2.2.2.2 反應(yīng)物摩爾比優(yōu)化

向裝有攪拌轉(zhuǎn)子、球形冷凝管的250 mL三口燒瓶中，加入5 g 1,6-己二胺鹽酸鹽，分別加入2.22 g、2.45 g、2.66 g二氰二胺（摩爾比分別為1.0∶1.0、1.0∶1.1、1.0∶1.2），加入20 mL正丁醇，不斷攪拌，升溫至130 ℃，回流反應(yīng)10 h。將正丁醇完全蒸餾出后，升溫至170 ℃進(jìn)行縮聚反應(yīng)，直至氨氣放盡，白色粉末逐漸變?yōu)闇\黃色黏稠液體，反應(yīng)即可停止。

2.2.2.3 反應(yīng)溶劑優(yōu)化

向裝有攪拌轉(zhuǎn)子、球形冷凝管的250 mL三口燒瓶中，加入5 g 1,6-己二胺鹽酸鹽、2.45 g二氰二胺（摩爾比為1.0∶1.1），分別加入0 mL、20 mL、40 mL正丁醇或20 mL N,N-二甲基甲酰胺，不斷攪拌，升溫至130 ℃，回流反應(yīng)10 h。將正丁醇（N,N-二甲基甲酰胺）完全蒸餾出后，升溫至170 ℃進(jìn)行縮聚反應(yīng)，直至氨氣放盡，白色粉末逐漸變?yōu)闇\黃色黏稠液體，反應(yīng)即可停止。

2.2.2.4 反應(yīng)時(shí)間優(yōu)化

向裝有攪拌轉(zhuǎn)子、球形冷凝管的250 mL三口燒瓶中，加入5 g 1,6-己二胺鹽酸鹽、2.45 g二氰二胺（摩爾比為1.0∶1.1）、20 mL正丁醇，不斷攪拌，升溫至130 ℃，分別回流反應(yīng)7 h、10 h、12 h。將正丁醇完全蒸餾出后，升溫至170 ℃進(jìn)行縮聚反應(yīng)，直至氨氣放盡，白色粉末逐漸變?yōu)闇\黃色黏稠液體，反應(yīng)即可停止。

2.2.3 PHMB-HCl紅外光譜檢測(cè)方法

采用全反射紅外光譜法（ATR）進(jìn)行紅外測(cè)定，先將ATR附件置于紅外光譜儀的光路中，掃描空氣背景，然后將少量PHMB-HCl涂敷于ATR附件的紅外透光晶體面上，掃描范圍4 000～450 cm-1，得PHMB-HCl的紅外光譜。

3 結(jié)果與分析

3.1 1,6-己二胺鹽酸鹽合成工藝要點(diǎn)

用1,6-己二胺和濃鹽酸作為反應(yīng)原料，在冰浴條件下，濃鹽酸由恒壓滴液漏斗緩慢滴加到裝有1,6-己二胺的三口燒瓶中，需要注意的是，當(dāng)燒瓶?jī)?nèi)的液體有大量白色結(jié)晶析出時(shí)，關(guān)閉恒壓滴液漏斗。然后加入適量乙醇，繼續(xù)反應(yīng)，并保證溶液pH為5左右，有利于產(chǎn)物1,6-己二胺鹽酸鹽更好地結(jié)晶析出。在抽濾前，要將燒瓶靜置于冰水中降溫，保持燒瓶?jī)?nèi)的溫度一直處于0 ℃左右。此步反應(yīng)中應(yīng)控制好冰浴條件、無(wú)水乙醇的使用以及pH值約為5，可使1,6-己二胺鹽酸鹽的產(chǎn)率更高。

3.2 PHMB-HCl合成工藝優(yōu)化

3.2.1 反應(yīng)溫度的優(yōu)化

縮聚反應(yīng)溫度對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量的影響如表1所示。由表1可知，縮聚反應(yīng)溫度為130 ℃時(shí)無(wú)法得到產(chǎn)品，并且當(dāng)縮聚反應(yīng)溫度高于170 ℃時(shí)，對(duì)產(chǎn)物的產(chǎn)量提高影響不大，故適宜的縮聚反應(yīng)溫度為170 ℃。

3.2.2 反應(yīng)物摩爾比的優(yōu)化

考慮反應(yīng)物1,6-己二胺鹽酸鹽和二氰二胺的摩爾比對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量的影響，結(jié)果如表2所示。在170 ℃下進(jìn)行縮聚反應(yīng)時(shí)，三個(gè)摩爾比條件下反應(yīng)均有氨氣產(chǎn)生，大約反應(yīng)90 min后，氨氣釋放完畢，反應(yīng)結(jié)束，白色粉末變?yōu)榈S色黏稠液體，冷卻后凝固，產(chǎn)品外觀上無(wú)太大差別。由表2可知，在反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溶劑均相同的情況下，1,6-己二胺鹽酸鹽與二氰二胺的摩爾比為1.0∶1.1時(shí)產(chǎn)量更高，繼續(xù)增加二氰二胺的用量，產(chǎn)量增加不明顯，故最適宜的摩爾比為1.0∶1.1。

表2 反應(yīng)物摩爾比對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)量的影響

3.2.3 反應(yīng)溶劑的優(yōu)化

考慮反應(yīng)溶劑對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量的影響，結(jié)果如表3所示。由表3可知，當(dāng)使用N,N-二甲基甲酰胺作為反應(yīng)溶劑時(shí)未得到產(chǎn)品，可能是因?yàn)镹,N-二甲基甲酰胺與聚合反應(yīng)的中間產(chǎn)物發(fā)生了反應(yīng)，影響了產(chǎn)品的生成。故應(yīng)選擇正丁醇作為反應(yīng)溶劑，且正丁醇的用量對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量的影響不大，使用20 mL正丁醇為宜。

表3 反應(yīng)溶劑對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)量的影響

3.2.4 反應(yīng)時(shí)間的優(yōu)化

考慮130 ℃下加成反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)量的影響，結(jié)果如表4所示。由表4可知，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間增加時(shí)，產(chǎn)品產(chǎn)量增加，考慮到生產(chǎn)實(shí)際及經(jīng)濟(jì)效益，選擇較優(yōu)的反應(yīng)時(shí)間為10 h。

表4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)產(chǎn)物產(chǎn)量的影響

3.3 PHMB-HCl紅外光譜分析

PHMB-HCl屬于高分子聚合物，是一種難粉碎的、黏性較大的樣品，ATR法廣泛用于測(cè)定不易溶解、熔化、難粉碎的、具有彈性或黏性的樣品，故本研究使用ATR法測(cè)定產(chǎn)物，如圖5所示。其紅外光譜數(shù)據(jù)分析如表5所示。通過(guò)紅外光譜分析可知，吸收峰顯示了胍基化合物的特征，證明產(chǎn)物中含有胍基結(jié)構(gòu)。

圖5 PHMB-HCl的紅外光譜圖

表5 PHMB-HCl的紅外吸收峰歸屬

4 結(jié)論

本文以1,6-己二胺、鹽酸為原料，制備己二胺鹽酸鹽，再與二氰二胺先后發(fā)生加成反應(yīng)、縮聚反應(yīng)，生成PHMB-HCl。本文對(duì)第二步聚合反應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)，在加成反應(yīng)完成后先將正丁醇蒸出，再進(jìn)行縮聚反應(yīng)，提高了PHMB-HCl的產(chǎn)量。

合成PHMB-HCl的過(guò)程中，主要研究了反應(yīng)溫度、反應(yīng)物摩爾比、反應(yīng)溶劑及反應(yīng)時(shí)間對(duì)第二步聚合反應(yīng)的影響。在投入反應(yīng)物時(shí)，1,6-己二胺鹽酸鹽和二氰二胺摩爾比為1.0∶1.1時(shí)最適宜；在油浴溫度為130 ℃的條件下加熱回流的時(shí)間越長(zhǎng)產(chǎn)量越高，但不宜超過(guò)12 h，以10 h為最佳；在蒸出正丁醇后，反應(yīng)溫度調(diào)至170 ℃為宜，超過(guò)170 ℃對(duì)產(chǎn)量影響不大；反應(yīng)中加入適量的正丁醇作為反應(yīng)溶劑，使反應(yīng)更充分。

目前PHMB-HCl是所有雙胍鹽消毒劑中性能較好、應(yīng)用較廣泛的一種環(huán)境友好型消毒劑，具有深入研發(fā)的價(jià)值。本文通過(guò)對(duì)PHMB-HCl的合成工藝優(yōu)化，進(jìn)一步提升PHMB-HCl的收率，合成路線操作簡(jiǎn)單，適合工業(yè)化生產(chǎn)。