结构可控的酯基季铵盐多功能表面活性剂的研究进展

宋庆业，周忻宇，王利民，韩建伟

华东理工大学化学与分子工程学院精细化工系，上海 200237

季铵盐表面活性剂广泛应用于医药（药品、消毒剂）、农业林业（杀虫剂、杀菌剂）和生活用品（洗手液、洗头膏和护发素）等，在表面活性剂工业中占据一席之地。传统季铵盐表面活性剂的生物和化学降解性比较差，具有一定的环保问题，一些发达国家禁用或者限量使用传统的季铵盐表面活性剂。因此，绿色可降解成为研究新型表面活性剂的发展趋势，而改善其降解性能的策略主要是改变其化学结构，在传统的季铵盐表面活性剂基础上引入降解性较好的基团，如酯基、酰胺基和糖基等能够被自然界生物酶降解的基团[1]。其中，酯基可以提高季铵盐表面活性剂的生物降解能力，并且有利于化学修饰和结构选择性可控，与其他官能团的良好兼容性也将丰富酯键季铵盐的多功能性。近年来，酯基季铵盐多功能表面活性剂的研究较多，并且应用前景广阔。

表面活性剂通常是按分子的化学结构进行分类。阳离子表面活性剂的单体季铵盐具有两亲性结构，主要是由头部的亲水性正电荷(铵阳离子)和尾部的长疏水性烃链组成。

通常，季铵盐表面活性剂由于其特定的化学结构，表现出许多独特的物理化学性质。疏水链的类型、长度和与季铵盐的间隔位置，都影响季铵盐表面活性剂在水溶液的表面张力[2]。季铵盐表面活性剂在水中主要形成单层胶束或脂质体，解离并降低表面张力和界面张力[3-4]，其烷基链越长，季铵盐分子与表界面之间的疏水作用力就越强[5]。当烷基链长度缩短时，离子间的相互作用占主导地位，从而使离子被吸附到表界面。链较短的季铵盐表面活性剂分子的疏水作用较弱，更容易穿过生物膜，然后与线粒体膜、核酸或其他细胞结构相互作用[6]，从而在抗菌领域具有明显的效果。值得指出的是，季铵盐表面活性剂的化学结构中引入酯基可以使其在环境中有效地被生物降解，降低季铵盐化合物的毒性，因此，酯基季铵盐表面活性剂被归类为环境友好型助剂。

1.1 传统酯基季铵盐

酯基季铵盐阳离子表面活性剂，其热力学稳定性较差，无法通过普通羧酸与醇的传统酯化反应合成。因此，常选择不同的季铵化试剂与酯化试剂来合成酯基季铵盐阳离子表面活性剂。不同试剂反应得到的目标产物性能也大为不同。目前大多使用醇胺与脂肪酸进行酯化反应，再将生成的中间体通过季铵化反应得到最终产物，其反应过程如图1 所示，该方法得到的产物往往为单、双、三酯的混合物[7]。

图1 酯基季铵盐合成路径Fig.1 Synthesis route of ester quaternary ammonium salts

Jiang 等[8]制备了硅铝物质的量之比（硅铝比）为15～50 的Al-SBA-15 介孔分子筛，用于硬脂酸与三乙醇胺酯化的催化过程。研究了硅铝比和催化剂用量对酯化反应的影响，结果表明，在催化剂质量分数为0.25%和硅铝比为25 的条件下，单酯胺和二酯胺的质量分数提升到84.79%。为了提高酯基季铵盐的性能，高志农等[9]以氯乙酰氯、乙二醇、长链叔胺为原料合成了以酯基作为间隔基的双子型季铵盐，如图2 所示。使用正交实验法对实验条件进行了优化，发现双子季铵盐比传统的酯基季铵盐（如十二烷基三甲基氯化铵，DTAB）的临界胶束浓度（CMC）值低了2～3 个数量级，且随着碳链的增长，CMC 值逐渐减小。

Tehrani 等[10]合成了疏水基含酯基的双子型季铵盐（图3），并与单体酯基季铵盐作了物理化学性质、水解速率、生物降解速率以及乳化和泡沫稳定性效率的对比，结果表明，阳离子酯基的双子型表面活性剂比单体表面活性剂更容易发生碱性水解，其中单体癸基酯基季铵盐可以归类为易于生物降解表面活性剂，但相应的双子型酯基季铵盐的降解性较差。

图3 酯基为疏水基的双子型季铵盐合成路径[10]Fig.3 Synthesis route of gemini quaternary ammonium salts with ester group as hydrophobic group[10]

Sun 等[11]通过乙氧基化和酯胺的季铵化得到了一种新型聚醚酯季铵盐（EQDMS-3EO），测定其柔软性、抗静电性、可复湿性和对织物白度的影响，并与未被改性的季铵盐表面活性剂（EQDMS）进行了比较。结果表明，乙氧基改性后的季铵盐表面活性剂抗静电性和可复湿性均优于常规EQDMS，其软化性能相当或更好。Garcia 等[12]合成了可裂解的低聚阳离子表面活性剂，其化学结构在烃尾和亲水部分之间含有易水解的酯基团。与不含酯基的二聚体表面活性剂相比，可裂解的低聚阳离子表面活性剂表现出了较高的生物降解度（31%～52%）。甜菜碱低聚表面活性剂也属于酯基季铵盐表面活性剂，其对大水蚤的急性毒性随着烷基链的延长而增加，这意味着分子的疏水性决定了这些可裂解的低聚表面活性剂的水生毒性，且该酯基季铵盐没有达到易生物降解化学物质所需的最终降解阈值（60%）。然而，在表面活性剂分子中引入潜在的初级生物降解位点已被证明是提高烷基铵表面活性剂的生物降解性和降低水生毒性的一个有效的途径[13]。

1.2 酰胺酯类季铵盐

Pisárčik 等[14]通过表面张力测试获得含有可生物降解酰胺基和酯基的各种单链和双子季铵盐表面活性剂的表面张力数据，并进行比较。结果表明，结构中带有酯基的表面活性剂的空气/水界面面积小于相应的带有酰胺基表面活性剂的，这是由于酯基具有更高的构象灵活性。相比于酯基，带有酰胺基的表面活性剂降解性也更符合环境友好型阳离子表面活性剂的标准。王丽艳等[15]利用苯甲酰氯、氯乙酰氯、N,N-二甲基乙醇胺和长链伯胺合成了含酰胺基与酯基的季铵盐表面活性剂，合成路线如图4所示。结果表明，同时存在酰胺键与酯键更易于形成分子间氢键，从而更易聚集成胶束，进而具有更低的CMC 值，分子结构中所含酯基和酰胺基的个数以及取代位置对表面活性均有明显影响。

图4 酰胺酯季铵盐合成路径[15]Fig.4 Synthesis route of amide ester quaternary ammonium salts[15]

酯基作为双子型阳离子表面活性剂的间隔基更有利于生物降解[16-17]。潘晨晨等[18]采用长链溴代烷烃、氯乙酰氯、乙醇胺和二乙胺合成了同时具有酰胺基和酯基的双子型阳离子表面活性剂，合成路线如图5 所示，与结构相似的双酯基季铵盐表面活性剂相比，其CMC 值要低1～2 个数量级,其具有较好的生物降解性，比普通双子季铵盐表面活性剂生物降解率高了一倍。

图5 酰胺酯双子季铵盐合成路径[18]Fig.5 Synthesis route of amide ester gemini quaternary ammonium salts[18]

陆小豪等[19]以月桂酸、乙二醇、溴乙酸和N,N-二甲基-1,3-二氨基丙烷为原料三步合成了对称的酰胺基酯基双子季铵盐表面活性剂，结构如图6 所示，并通过铂金片测试法、电导率测试法和稳态荧光探针3 种方法测得该结构的CMC 值分别为0.331 1，0.532 8 和0.316 2 mmol/L。与不含酯基的双子季铵盐表面活性剂进行对比，结果表明，该表面活性剂化学结构中的极性官能团酯基的存在一定程度上影响了表面化学参数和胶束化过程的热力学参数，促进了表面化学性能的提升和胶束化的稳定性。

图6 对称的酰胺酯基双子季铵盐[19]Fig.6 Symmetrical amide ester gemini quaternary ammonium salts[19]

1.3 糖酯类季铵盐

糖作为天然可再生资源之一，来源广阔，价格便宜，而且无论有氧还是无氧环境下都可以被分解，具有极好的生物降解性。葡萄糖含有多个羟基，有良好的亲水性。葡萄糖作为一个结构单元用于表面活性剂会提升表面活性剂的性能。Gan 等[20]合成了糖基酯季铵盐（图7），该结构表现出较优的性能，其表面张力和CMC 值较低，与阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）具有良好的相容性，被认为是新的环境友好阳离子表面活性剂。

图7 糖基酯季铵盐合成路径[20]Fig.7 Synthesis route of glycosyl ester quaternary ammonium salts[20]

Esmaeilia 等[21]合成了糖基酯季铵盐表面活性剂作为染色助剂（图8），通过将2 种阳离子染料C.I 碱性蓝9（亚甲基蓝）和C.I 碱性绿4（孔雀石绿）与市售缓凝剂（Tinegal PAN）进行染色的动力学和热力学参数的测量，并评估了所设计和合成的助剂性能。结果表明，糖基酯表面活性剂是良好的染色助剂，环保并且具有较强生物降解能力。Negm等[22]合成了含有糖基和酯基的双子型季铵盐表面活性剂，结构如图9 所示，该结构在溶液中的性质以及胶束化自由能在界面上的数据均表现出良好的吸附能力。

图8 糖基酯季铵盐[21]Fig.8 Glycosyl ester quaternary ammonium salts[21]

图9 糖基酯双子季铵盐[22]Fig.9 Glycoester gemini quaternary ammonium salts[22]

蔡坤良[23]利用乳糖和葡萄糖分别合成了乳糖基酯双子季铵盐[图10（a）]和葡萄糖基酯双子季铵盐[图10（b）]，并考察乳糖基双子表面活性剂疏水链长度以及葡萄糖基双子表面活性剂连接基团长度对双子型季铵盐表面活性剂的表面活性、聚集行为和与脱氧核糖核酸（DNA）的相互作用带来的影响。乳糖基酯双子型季铵盐的疏水链为C16 时，该季铵盐与DNA 有较强的相互作用，且随着疏水链长度的增长，相互作用具有不断变强的趋势。葡萄糖基酯双子季铵盐碳链越长，其表面活性越好，当n为2，3 和4 时均与DNA 有较强的相互作用。

图10 乳糖基酯双子季铵盐（a）和葡萄糖基酯双子季铵盐（b）[23]Fig.10 Lactose ester gemini quaternary ammonium salts (a) and glucosyl gemini quaternary ammonium salts (b)[23]

2.1 抗菌机理的研究

Denyer 等[24-25]指出，抗菌物质主要作用于细菌细胞的细胞壁、细胞膜和细胞质，抗菌作用与细胞外物质、细胞形态和细胞化学成分相关。根据抗菌的作用机制，抗菌药物分为5 大类：抑制细胞壁合成、抑制蛋白质合成、抑制核酸合成、抑制代谢途径以及对细胞膜完整性的干扰。尽管研究人员对抗菌剂进行了大量的研究，但季铵盐表面活性剂的抗菌活性机制仍尚未完全了解[26]。Tischer 等[27]认为季铵盐抗菌的作用机制为：第一阶段，季铵盐分子吸附在细胞壁上并穿透细胞壁；
第二阶段，分子与细胞膜上的脂质和蛋白质发生反应，导致其结构混乱，低分子组分泄漏出细胞；
第三阶段，蛋白质和核酸在细胞内降解，自溶酶的释放导致细胞壁成分的裂解。

当季铵盐抗菌剂浓度达到最小抑制浓度（MIC）时，发生抗菌作用。在较高浓度下形成聚集体，溶解细胞疏水膜。细胞膜活性与烷基链的长度、表面活性剂极性头的大小有关[28]。通常，抗菌活性最高的是疏水链为10～12 个碳的季铵盐分子，而疏基链长度的延长和减少都会削弱抗菌活性[29]。

2.2 酯基季铵盐抗菌活性研究

Lu 等[30]以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）为原料，分别与氯化苄（BC）、溴化丁基（BB）、溴化十二烷基（DB）和溴化十六烷基（HB）进行季铵化反应，合成了4 种季铵盐，结构式如图11 所示。通过测定DMAEMA 衍生的季铵盐表面活性剂对革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）和革兰氏阴性菌（大肠杆菌）的最小杀菌浓度（MBC）值和抑制区直径，来评估其杀菌活性。结果表明，单体DMAEMA-DB 和DMAEMA-HB 对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的MBC 值为12～24 μg/mL，而单体DMAEMA-BC 和DMAEMA-BB 对其微生物的MBC值高于50 mg/mL。张淑敏等[31]同样以DMAEMA 和1-溴十六烷为原料合成了DMAEMA-HB，并用偶氮二异丁腈（AIBN）为引发剂，采用轧烘焙的整理方式制备出抗菌涤纶织物。实验表明，原涤纶织物接触细菌30 min 可使51.76%金黄色葡萄球菌和60.80%的大肠杆菌失活，而DMAEMA-HB 改性涤纶织物与细菌接触1 min 即可杀死100%金黄色葡萄球菌和100%的大肠杆菌，抗菌性能优异。其过程为细菌与织物接触后迅速被带正电荷的季铵盐分子吸附，季铵盐分子穿透细胞膜使细菌失活。

图11 DMAEMA 衍生的季铵盐表面活性剂[30]Fig.11 DMAEMA derived quaternary ammonium surfactants[30]

2.3 双子型酯基季铵盐抗菌活性研究

双子型表面活性剂往往比单体季铵盐表面活性剂具有更优异的生物灭活性能，Koziróg 等[32-33]比较了DTAB 及其双子类似物对金黄色葡萄球菌的MIC值，发现DTAB 的MIC 值比双子表面活性剂衍生物的MIC 值大70 倍。双子型表面活性剂对铜绿假单胞菌和白色念珠菌的杀菌效果优于单体季铵盐表面活性，Obłąk 等[34]合成了一类双子型酯基季铵盐表面活性剂（TMEG，见图12），并与相应的单体季铵盐表面活性剂进行对比研究。结果表明：疏水基长度为10～12 个碳的双子季铵盐表面活性剂对细菌和微观真菌具有高生物杀灭活性，间隔基的长度和性质对抗菌有重要影响，图12 中的溴化物比氯化物有更高的抗菌活性。

图12 含酯基的双子型季铵盐表面活性剂[34]Fig.12 Gemini quaternary ammonium salts containing ester group[34]

Sumitomo 等[35]针对吡啶杂环化合物衍生的双子型季铵盐表面活性剂，提出其生物杀灭作用机制：第一阶段为将Mg2+离子从细胞膜外层置换，由于表面活性剂分子的大小远远大于Mg2+离子的大小，导致细胞膜表面形成凸起；
第二阶段是抑制呼吸酶活性和细胞膜成分[如脂多糖（LPS）和外膜孔蛋白E（OmpE）]；
第三阶段为细胞膜表面的气泡、凸起的形成以及肽聚糖的破坏会对细胞膜结构造成不可逆的损伤，并导致细胞内部成分的泄漏。季铵盐抗菌研究工作不仅为开发一种能永久破坏生物膜的杀菌剂，更致力于利用季铵盐分子及其双子型衍生物修饰生物或非生物表面，并用于医疗设备（如导管和内假体）内外表面的修饰，以抑制微生物的粘附现象[36]。

2.4 聚合类两性离子酯基季铵盐抗菌活性研究

两性离子表面活性剂是一种在同一分子中具有2 个不同电荷离子中心的呈电中性的盐。对于大多数两性离子表面活性剂，阳离子基团由阳离子季铵盐基团组成，而阴离子结构单元包括羧酸、磺酸、硫酸酯或磷酸酯等。磺基甜菜碱表面活性剂属于两性离子表面活性剂，分子中带正电荷的部分是季铵阳离子，带负电荷的部分是磺酸基，分子的疏水部分是烷基链[37]。磺基甜菜碱对革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌具有良好的抗菌活性[38]。磺基甜菜碱衍生物可抑制表皮葡萄球菌、恶臭假单胞菌和铜绿假单胞菌等细菌生物膜的形成[39-40]，研究表明，磺基甜菜碱的抗菌活性取决于结构和与其相互作用的细菌类型，烷基链中含有10 个碳原子的磺基甜菜碱对大多数的菌株没有抗菌活性，而含有12，14 和16个碳原子的同系物则具有广泛的抗菌活性。在Wieczorek 等[41-42]所检测的革兰氏阴性菌中，嗜水气单胞菌、大肠杆菌、变形杆菌和铜绿假单胞菌对所检测的磺基甜菜碱两性离子化合物更具耐药性。而所有检测的革兰氏阳性菌的生长均受到磺基甜菜碱的抑制，但各类阳性菌所表现出来的抑制效果各不相同。含12，14 和16 个碳原子的磺基甜菜碱对黄色葡萄球菌、枯草芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌的抑制作用最强。Mrlík等[43]合成了一种含酯基的聚合磺基甜菜碱共聚物，并通过金属盐使其凝胶化，结构如图13 所示，实验结果表明，在Fe3+和Ti3+存在的条件下，磺基甜菜碱聚合物和金属交联剂的混合溶液可以在增加pH 值后转变为凝胶状态。同时考察了Ag+加入量对该化合物抗菌性能的影响，结果表明，随着水凝胶中Ag+含量的增多，其抗菌能力会明显增强。

图13 含酯基的磺基甜菜碱聚合物[43]Fig.13 Sulfobetaine polymer containing ester group[43]

目前两性离子表面活性剂的应用研究主要集中在其衍生出的聚合物。聚合物材料具有高度的离子特性，每个单体单元中的阴离子基团和阳离子基团之间具有平衡电荷，并与水发生强烈的静电作用。两性离子聚合物沿着其聚合物链具有均匀分布的阴离子和阳离子基团，带相反电荷的组合赋予聚合物超高的亲水性，同时保持整体电荷中性，因此具有更广泛的化学多样性和更大的分子设计自由度。同时，两性离子聚合物由于其具有高密度的离子基团而成为渗透活性最高的大分子之一。因此，基于两性离子聚合物的材料自然会在界面处产生高渗透压区域，对细菌生理学和基因表达（包括毒力因子的产生）产生影响，从而展现出一定的抗菌能力[44]。

基于季铵盐表面活性剂的结构可修饰性，研究人员对其进行特定的结构改造，用于香气的控制释放，也就是潜香体。香料分子按照官能团可分为醇类、酯类、羧酸类和醛类等多种结构。Bhadani 等[45]用法尼醇、酰乙酰溴和吡啶合成了一系列以法尼醇的碳链作为表面活性剂的疏水基的酯基季铵盐潜香体（图14）。基于法尼醇的杂环阳离子表面活性剂的结构，设计使其能够通过形成阳离子络合物在水溶液中被水汽激活，法尼醇单元中与酯官能团相邻的双键与亲水性季铵阳离子头基上的正电荷相互作用，发生酯键的断裂而释放不饱和醇的香料分子。通过顶空气相色谱-质谱分析，确定了其可在空气/水界面以及胶束核心内部产生挥发性有机分子。

图14 法尼醇基潜香体季铵盐表面活性剂[45]Fig.14 Farnesol based latent fragrance quaternary ammonium salt surfactants[45]

近期，Zhou 等[46]利用吡啶衍生物、溴代长链烷烃、溴乙酰溴与醇类香精作为原料合成了酯基季吡啶铵盐类的表面活性剂，合成路线如图15 所示，其中香料醇与季吡啶铵盐通过酯基连接，合成路线简洁高效。经过测试，该类结构的酯基季吡啶铵盐化合物成功地在碱性环境下释放出香料醇，且在相同的测试环境下，其香气释放量比纯香精高出5 倍。同时，酯基季吡啶铵盐具有较低的表面张力和临界胶束浓度，对革兰氏阳性菌表现出优异的杀菌活性。因此，该阳离子表面活性剂具有抗菌活性和可控的香气缓释能力，并且具有很好的生物可降解性，是一类良好的酯基季铵盐多功能表面活性剂。酯基季铵盐在潜香体上的应用研究，进一步扩大了季铵盐表面活性剂的应用空间，可用作家用香气传递产品。

图15 酯基季铵盐潜香体合成路径[45]Fig.15 Synthesis route of ester quaternary ammonium salt latent fragrance[45]

在绿色发展的背景下，酯基季铵盐表面活性剂作为一种环保友好型表面活性剂，展现出极其广阔的应用潜力。这类表面活性剂因其结构具有可修饰性，可通过合成特定结构的分子来优化或扩展其性能，进而在表面活性、抗菌效果及香精等领域发挥更大作用。然而，受限于原料成本高昂且符合国家环保标准的产品较少，目前这一领域的研究大多局限于实验室阶段，仅有少数成果实现了工业化生产。因此，新型酯基季铵盐表面活性剂的研发具有巨大的研究价值和预期经济效益，有望在不久的将来在日化产业中实现规模化应用，为人们的生活带来更多便利。

该领域的研究重点应转向合成具有更佳生物降解性的酯基季铵盐表面活性剂，实现多功能合一的化学结构，在功能最大化的同时使用最少的化学物质。通过化学结构设计创新，不仅要保持酯基季铵盐的多重功能及其固有性质，还要考察其在环境中的可再生性、无毒性和可降解性。积极探索新的合成路径，以期开发出更多实用的酯基季铵盐表面活性剂产品。未来在表面活性剂分子的基础上，设计复杂而非理想态的混合物，而不仅仅是依靠合成单个分子来实现某种功能。从动态化学体系而不是简单地静态了解分子状态，通过控制局部化学结构和反应的相互作用，从功能和可持续性两方面同时扩展精细化工产品性能的新定义。

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