薄荷醇的新型抗菌聚酯材料

薄荷醇的新型抗菌聚酯材料

崔晓文

南通中蓝工程塑胶有限公司    226017

摘要：聚酯材料作为全球消耗量巨大的高分子材料，在医疗、食品包装及纺织等多个关键领域拥有广泛的应用价值。然而，聚酯材料本身在抗菌性能上存在的天然短板，却悄然成了一个不容忽视的隐患。这种材料缺乏内在的抗菌机制，为微生物——无论是细菌还是真菌——提供了一个理想的繁殖与附着环境。针对聚酯材料的这一缺陷，开发具有抗菌功能的聚酯新材料尤为重要。基于此，文章首先简单概述了薄荷醇，接着分析了传统抗菌聚酯材料的制备方法，最后详细阐述了薄荷醇的新型抗菌聚酯材料，通过探讨薄荷醇的新型抗菌聚酯材料，期望为相关行业提供有益参考。

关键词：薄荷醇；聚酯材料；新型抗菌

引言

随着科技的进步和人们生活水平的提高，对材料性能的要求也日益多样化与严格化。特别是在医疗卫生、食品安全及日常消费品等领域，抗菌性能已成为衡量材料质量的重要指标之一。传统抗菌材料虽在一定程度上满足了市场需求，但抗菌效果、生物相容性及环境友好性等方面仍存在诸多不足。因此，开发新型高效、安全、环保的抗菌材料成为当前材料科学研究的热点之一。薄荷醇作为一种天然存在的化合物，广泛存在于薄荷等植物中，具有独特的清凉感和一定的抗菌活性。近年来，薄荷醇在医药、化妆品及食品保鲜等领域的应用逐渐受到关注。基于其抗菌特性，将薄荷醇引入聚酯材料中，开发出一种新型抗菌聚酯材料，既保留了聚酯材料的优良性能，又赋予其独特的抗菌功能，具有重要的研究意义和应用价值。

一、薄荷醇的概述

薄荷醇（薄荷脑），正式化学命名为5-甲基-2-异丙基环己醇，是一种无色针状或柱状晶体，散发着独特的清新香气，这一特性在多个领域具有广泛的应用潜力。薄荷醇，作为一种独特的有机化合物，呈现为无色针状晶体或细微颗粒是薄荷与欧薄荷精油中不可或缺的精华成分，既可游离存在也常与酯类化合物结合。分子结构的多样性造就了八种不同的异构体，每种异构体在香气表现上各具特色。尤为显著的是，左旋薄荷醇不仅散发出纯正的薄荷芬芳，还具备显著的清凉感受。在消费品领域，薄荷醇因其独特的香气与清凉感，被广泛用作牙膏、香水、清凉饮料及糖果等产品的增香剂，为这些产品增添了清新宜人的风味与体验。而在医药领域，薄荷醇则作为外用刺激剂的独特价值，直接作用于皮肤或黏膜时，能有效带来清凉感并缓解瘙痒，成为许多外用药物中的关键成分。内服时薄荷醇还能发挥祛风功效，对于缓解头痛、改善鼻腔、咽喉等部位的炎症症状有着积极作用。从化学溶解性来看，薄荷脑在水中溶解度较低，但极易溶于如乙醇、环己烷等常见的有机溶剂中，这一性质为其在溶剂体系中的加工与应用提供了便利。薄荷脑的生物合成过程起始于植物体内的初级代谢途径，历经复杂而精确的八步酶促反应，在特定的细胞结构和酶的催化下完成。作为天然手性萜类化合物的一员，薄荷脑与龙脑共享着单萜的基本骨架，这一类别在萜类物质（Terpenoids）自然界中最为庞大的化合物家族之中占据重要地位。萜类物质因广泛的生物活性和药理作用而闻名，（包括但不限于止咳平喘、驱虫祛风、缓解疼痛及促进排汗等），展现出显著的治疗与保健价值[1]。

二、传统抗菌聚酯材料的制备方法

（一）物理共混法制备抗菌聚酯材料

在抗菌材料的创新应用中，物理共混技术被广泛视为一种高效且成熟的手段，用于将抗菌剂集成至聚酯基材中。这一方法青睐于利用铜、银、锌等金属离子作为核心成分的无机抗菌剂，因卓越的抗菌性能而备受瞩目。中国在这一领域已展现出强劲的研发实力，众多专利聚焦于开发携带金属离子的抗菌药物，彰显了技术创新的活力。为了进一步增强材料的可持续性与环保特性，科研人员巧妙地设计了纳米杂化体，这是一种将纳米纤维素晶体（NCC）与银离子结合的创新材料。随后，通过先进的溶液共混技术，这些纳米杂化体被均匀地分散到由可再生聚乳酸（PLA）与可生物降解聚丁烯己二酸酯（PBAT）组成的聚合物基质中，从而制备出纳米复合材料。复合材料融合了PLA的生物降解性与PBAT的机械强度优势，还通过纳米杂化体的引入，赋予了材料卓越的抗菌性能。这种均衡的性能组合，使得纳米复合材料在功能性包装领域展现出巨大的应用前景，能够有效延长包装内容物的保质期，同时减少食品浪费[2]。

（二）修饰、改性聚合物法制备抗菌聚酯材料

相较于传统将抗菌剂物理共混于聚合物基质中的方法，一种更为先进且高效的策略是将抗菌物质通过共价键牢固地锚定在材料基底表面。这一方法不仅保证了抗菌成分无需释放即可直接作用于微生物表面，实现即时的杀菌效果，还避免因缓释机制导致的抗菌效力随时间衰减的问题，延长了材料的抗菌持久性。同时，由于抗菌成分与基底表面的化学结合，材料的原有理化性质完好保留，为多功能抗菌材料的开发提供了广阔空间。研究团队采用一种创新的连续整理技术，将环胺单体——3-烯丙基-5,5-二甲基乙内酰脲（ADMH）接枝到聚酯材料的分子链上。这一化学修饰过程不仅赋予聚酯材料表面独特的海因结构，还将这些海因结构在后续处理中能轻松转化为N-卤胺，这是一种已知具有强大、持久且可再生抗菌活性的化学物质，特别是对大肠杆菌等常见致病菌展现出卓越的杀灭能力。通过这种表面化学修饰技术，该材料不仅解决了传统抗菌材料抗菌持久性不足的问题，还保留了聚酯材料原有强度、耐磨性和加工性等优良性能。这一研究成果不仅为抗菌材料的开发提供了新的思路，也为食品包装、医疗器械、纺织品等多个领域提供了更加安全、有效、持久的抗菌解决方案，预示着广阔的应用前景和市场潜力。

三、薄荷醇的新型抗菌聚酯材料

（一）制备薄荷醇单取代的三聚氯氰衍生物 MT

首先，精确称取薄荷醇（0.045 mol，即7.02克）作为反应物之一，并配以稍低摩尔比（1.5当量）以确保充分反应。同时，称取等摩尔量（0.03 mol，即5.53克）的氰脲酰氯，作为另一关键反应物。两者被共同溶解于100毫升的二氯甲烷中，选择该溶剂因其良好的溶解性和反应惰性，有利于反应的平稳进行。随后，在持续搅拌的混合溶液中，通过滴加方式缓慢引入2,4,6-三甲基吡啶（MTP，0.045 mol，对应体积为6.6毫升）。MTP在此反应体系中扮演了重要角色，作为敷酸剂（或更准确地说，作为碱性催化剂的替代物，能调节反应体系的酸碱性），有效促进了薄荷醇与氰脲酰氯之间的取代反应，尽管直接称为“碱性条件”可能不完全准确，但MTP的加入确实改善了反应环境的酸碱度，使之更有利于目标产物的生成。整个反应体系在室温下保持12小时，以确保反应充分进行。这一温度选择既避免了高温可能导致的副反应增多，也减少了能源消耗，同时保证了反应的效率和产物的纯度[3]。

（二）制备基于薄荷醇的三聚氯氰衍生二醇单体 MET

在深入探索乙醇胺与薄荷醇单取代三聚氯氰衍生物（以下简称“衍生物”）的进一步取代反应时，研究团队发现，直接利用过量的乙醇胺作为反应介质中的碱性源，能有效促进反应进程。通过一系列温度条件的优化实验，团队发现当反应温度提升至80℃时，乙醇胺能够充分发挥其碱性催化作用，使衍生物上剩余的两个氯原子几乎完全被乙醇胺取代，实现接近100%的转化率。首先，精确称取1当量的衍生物（0.01 mol，对应质量为3.53克），并将其置于干燥的圆底烧瓶中。随后，向烧瓶中加入40毫升的二氯乙烷（EDC）作为反应溶剂，通过搅拌使衍生物充分溶解于溶剂中，形成一个均一的反应体系。接下来，将5当量的乙醇胺（0.05 mol，对应质量为3.05克）同样溶解于适量的二氯乙烷中，并通过滴加或倾倒的方式，将含有乙醇胺的溶液缓缓加入至已溶解衍生物的混合液中。这一步骤确保了乙醇胺在反应体系中的均匀分布，有利于后续取代反应的顺利进行。然后，将装有反应混合物的圆底烧瓶置于已预热至80℃的油浴中，并开启搅拌装置，使反应体系在恒定的温度下进行回流反应。通过控制油浴温度和时间（本例中为8小时），反应能够充分进行，直至衍生物上的氯原子几乎完全被乙醇胺取代。在整个反应过程中，反应体系的颜色、粘度等物理性质可能会发生变化，这些都是反应进行的直观指示。反应结束后，得到的是包含目标产物的反应混合溶液，需进一步通过分离、纯化等步骤以获得纯净的目标化合物[4]。

（三）制备带有薄荷醇侧链的聚酯材料 PMTA

在致力于开发带有薄荷醇侧链的聚甲基薄荷醇对苯二甲酸酯（PMTA）聚酯材料的过程中，针对薄荷醇的三聚氯氰衍生二醇单体（MET）与对苯二甲酸（PTA）的酯化缩聚反应进行了温度条件的细致优化。具体而言，实验首先精确称量了1.06克的MET单体、0.55克毫摩尔，的PTA以及0.35克的4-二甲氨基吡啶对甲苯磺酸盐，并将这些原料置于氮气保护的烧瓶中。随后，根据预定的溶剂用量，向烧瓶中加入了1.5毫升的N,N-二甲基甲酰胺（DMF），并通过注射器缓慢滴加2.35毫升的N,N-二异丙基碳酰亚胺（DIC，3当量）作为酯化反应的促进剂。为了确定最佳反应温度，分别在25℃、45℃、65℃和85℃的恒定温度下进行反应，并持续搅拌以确保反应均匀。反应结束后，将收集到的产物进行分离、纯化和表征，通过核磁共振（NMR）、红外光谱等方法确认其化学结构，并利用凝胶渗透色谱（GPC）等技术测定其分子量分布。基于这些详尽的数据分析，我们将能够确定出制备PMTA聚酯材料的最优温度条件，从而优化整个反应流程，提升产物的质量和产率。

在全面评估带有薄荷醇侧链的新型聚酯材料PMTA的性能时，成功合成了这一创新材料，还深入研究了抗菌特性及实际应用潜力，以传统的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为对比基准。研究结果显示，PMTA聚酯材料在抗菌方面展现出了非凡的能力，不仅能够有效抑制革兰氏阴性菌和革兰氏阳性菌的生长及黏附，还对抗真菌如黑曲霉表现出卓越的抗黏附效果。通过细致的对比分析，包括与PMSA的抗菌效果对比以及材料表面性质测试（如水接触角和抑菌圈实验），进一步揭示了PMTA的抗菌机制，核心在于表面薄荷醇分子的独特立体化学结构，这一结构有效阻断了微生物与材料表面的相互作用。此外，PMTA还兼具优秀的生物相容性和高物理化学稳定性，这些特性使得该材料在医疗、食品包装及多个消费品领域具有广泛的应用前景。PMTA聚酯材料以其独特的抗菌性能和优异的综合性能，为抗菌材料领域的发展注入了新的活力[5]。

结论

总而言之，薄荷醇侧链的聚甲基薄荷醇对苯二甲酸酯（PMTA）新型抗菌聚酯材料。通过优化酯化缩聚反应条件，特别是反应温度，我们制备出了具有优异抗菌性能的PMTA聚酯。实验结果表明，PMTA聚酯材料对革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌以及部分真菌如黑曲霉菌展现出显著的抗菌效果，能够有效抑制这些微生物的生长及在材料表面的黏附。这一抗菌性能主要归功于材料表面薄荷醇分子的独特立体化学结构，该结构能有效干扰微生物与材料表面的相互作用。

参考文献

[1]杨梅. 基于薄荷醇的新型抗菌聚酯材料[D]. 北京化工大学, 2021.

[2]李霁宇. 基于薄荷醇的抗菌高分子材料[D]. 北京化工大学, 2021.

[3]曹欣欣. 聚薄荷醇内酯的有机催化合成及其弹性体的制备与性能研究[D]. 青岛科技大学, 2020.

[4]孙淑丽. 含薄荷醇的偶氮类手性液晶材料的制备[D]. 东北大学, 2018.

[5]范川川. 基于柠檬酸和樟脑的聚酯材料的设计、合成和性能研究[D]. 天津理工大学, 2017.