壳聚糖，壳聚糖衍生物(研究报告)

HE-Chitosan的合成、结构表征及溶解性

http://www.100md.com 《中国海洋药物》 2000年第2期

     作者：许晨卢灿辉易瑞灶关键词壳聚糖，壳聚糖衍生物

    单位：许晨卢灿辉易瑞灶(国家海洋局第三海洋研究所，厦门 361005)

    关键词：壳聚糖，壳聚糖衍生物

    中国海洋药物000209 摘要以缩水甘油醚三甲基氯化铵、乙基缩水甘油醚为试剂，合成了2-羟丙基三甲基氯化铵、1-乙氧基、2-羟基壳聚糖(HE-Chitosan)。实验表明：HE-Chitosan在甲醇、乙二醇、甘油等溶剂中可以直接溶解，在酸碱水溶液中性能稳定，并用红外光谱及核磁共振谱作了结构表征。

    THE SYNTHESIS、STRUCTURE CHARACTERISTICS AND SOLUBILITY OF HE-CHITOSAN

    Xu Chen，Lu Canhui,Yi Ruizao
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    (The Institute of Polymer Science ,Fujian Normal Univisity,Fuzhou 350007)

    ABSTRACT 2-Hydroxy-3-ethoxypropyl(2-hydroxy)-3-trimethyl(ammonio)propyl chitosan chloride (HE-Chitosan)was prepared by reaction of chitosan with glycidyl trimethyl-ammonium chloride and ethylglcidyl ether and characterized by IR and NMR.The results show that HE-Chitosan are soluble in water methanol,glycol,glyceryl alcohol and are well compatible with non-ionic and cationic surfactants.
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    KEY WORDS Chitosan,Chitosan dirivertives

    壳聚糖是食品加工业中废弃的各种甲壳经提取得到的天然高分子多糖。由于其特有的聚阳离子性质，易成膜、生物学相溶性好，已广泛地应用于生物物质的回收、食品加工、化妆品、医药、生化制品等行业^[1-2]。通过对壳聚糖结构进行化学修饰，制备性能独特的衍生物，扩大壳聚糖的应用范围，提高产品附加值是当今壳聚糖应用领域的一个重要课题。如羧羟甲基化壳聚糖易溶于水具有增稠作用；羟丙基三甲基氯化铵基壳聚糖成膜柔软光滑、具有滋润皮肤、修复发杆的功能；降解的寡聚糖易被吸收，具有抗菌、抗肿瘤和提高植物防御能力等功效^[3]。本文用缩水甘油三甲基氯化铵、乙基缩水甘油醚同时对壳聚糖进行化学改性，合成了带有羟丙基三甲氯化铵与羟丙基乙基醚基的壳聚糖衍生物，不仅具有极好的水溶性与酸碱稳定性，还可直接在甲醇、乙二醇、1、3-丁二醇、丙三醇等多种有机溶剂中溶解。羟丙基乙醚基团的引入进一步增强了羟丙基三甲基氯化铵基壳聚糖的吸湿性与保湿性，可以推断，经过进一步研究，有望合成出性能优异的化妆品保湿、吸湿剂的壳聚糖衍生物。
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    1 材料与方法

    1.1 材料：壳聚糖(脱乙酰度92%)自制;其余合成试剂为化学纯。

    1.2 HE-Chitosan的制备：取2g壳聚糖置于三颈瓶中，加入18ml异丙醇、20ml缩水甘油三甲基氯化铵溶液与10ml乙基缩水甘油醚。恒温60℃反应4h，出料，用85%丙酮洗涤干净、抽滤、置真空干燥器内备用。

    1.3 样品精制:取1.2.合成的HE-Chitosan 1g，加少量蒸馏水溶解，用丙酮沉淀抽滤，反复3次。抽去丙酮后用少量蒸馏水溶解，置透析袋中析2d，浓缩至一定体积后再加丙酮重新沉淀、抽滤、真空干燥，供红外、核磁共振检测用。

    1.4 样品溶解性实验：取0.2g HE-Chitosan于各试管中，分别加入2.0ml各种有机溶剂，搅拌溶解，观察其溶解性。
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    1.5 核磁共振分析

    ¹HNMR光谱测定：将精制过的HE-Chitosan溶于D₂O中，制得重量浓度为5%的溶液，用Vaian Unity 500型光谱仪以DSS为内标，在499.88MHz磁场中，谱线宽度为4268.9Hz，松驰时间为0.2s，于60℃扫描65536次，记录质子去偶的¹HNMR。

    ¹³ CNMR光谱测定：将精制过的HE-Chitosan溶于D₂O中使其浓度为10%，以环已烷为内标，样品放于125.706MHz磁场中，谱线宽度为19002.4Hz，松驰时间为0.2s，于60℃扫描65536次，记录质子去偶的¹³CNMR。

    1.6 红外光谱测定：将精制的HE-Chitosan与壳聚糖分别和KBr混合压片，以KBr为参比，用岛津红外分光光度计分析。
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    2 结果与讨论

    2.1.1 红外光谱分析

    图1为HE-Chitosan与壳聚糖的红外光谱分析图。曲线A为壳聚糖的红外光谱分析图，曲线B为HE-Chitosan的红外光谱分析图。比较壳聚糖衍生物化前后谱图的特征吸收可知：二者谱图图形相似，典型的差别是曲线B中的1595cm^-1处由伯胺基的N-H变形振动引起的中强吸收峰消失，而在1480cm^-1处出现甲基的强吸收峰。可以认为是缩水甘油三甲基氯化铵与乙基缩水甘油醚已经在壳聚糖分子的亲核中心——氨基上发生了取代。1480cm^-1处的强吸收峰是由壳聚糖衍生物分子中的季铵基团与乙基的-CH3的C-H变形振动所引起。这一结果也为后面的核磁共振谱所支持。

    图1 Chitosan,HE-Chitosan红外光谱图
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    A：Chitosan B:HE-Chitosan

    2.1.2 核磁共振分析

    图2为HE-Chitosan的¹³CNMR谱图。从谱图中对HE-Chitosan中各碳进行归属。δ65.657、δ67.225分别对应于壳聚糖衍生物侧基C^*₂、C^*₃，δ54.754则对应于季铵盐支链3个甲基(C^*₄)最大吸收峰。δ69.924、δ69.352两个十分接近的峰对应于羟丙基乙基醚基中与醚氧连接的C^₅、C^*₆。δ14.532则是C^*₇的吸收峰。谱图中未显示取代基中C^*₁的共振吸收峰，可能重叠于δ54.754处的最强峰中。

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图2 HE-Chitosan¹³CNMR谱图

图3为HE-Chitosan的¹HNMR谱图。谱图显示δ3.231处有一最强峰，是侧基羟丙基三甲基季铵基C^*₄上9个质子的共振吸收峰；δ3.697处的次强峰由壳聚糖环上质子的重叠吸收峰；δ=4.311、2.899、3.595则分别对应于6元糖环上C₁、C₂、C₃上质子的信号；δ2.747、δ3.935为HE-Chitosan两个侧基中C^*₁、C^*₂上质子的信号；δ2.214为C^*₃上质子的信号；δ3.362则为C^₅、C^*₆上4个质子的重叠吸收；δ1.190则为羟丙基乙基醚基中甲基C^*₇上3个质子的共振吸收峰。而δ2.054可能是原料壳聚糖残余的乙酰胺基上甲基质子的杂质峰。

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    图3 HE-Chitosan¹HNMR谱图

    综上所述可以得出：δ100.594、4.311是C₁、H₁的信号；δ64.536、2.899是C₂、H₂的信号；δ72.291、3.595是C₃、H₃的信号；δ74.837、79.326、61.131、3.697、3.697、3.697分别是C₄、C₅、C₆、H₄、H₅、H₆的信号；δ54.754、54.754、3.231、2.747分别是C^*₄、C^*₁、H^*₄、H^*₁的信号；δ65.657、3.935是C^*₂、H^*₂的信号；δ67.225、69.352、3.362、3.362分别是C^*₅、C^*₆、H^*₅、H^*₆的信号；δ14.532、1.190则是C^*₇、H^*₇的信号。
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    可以推断:HE-Chitosan的分子结构如下式所示：

    2.2 HE-Chitosan的性能

    2.2.1 溶解性

    表1为HE-Chitosan在各溶剂中的溶解性能表。实验数据表明：各溶剂对HE-Chitosan 的溶解能力顺序为水>甲醇、乙二醇>丙三醇、1，3-丁二醇>乙醇、氯乙醇>二甲亚砜、甲酰胺>N、N-二甲酰胺基甲

N、N-二甲基乙酰胺

异丙醇、丙酮。这个顺序与溶剂的介电常数的大小没有对应关系，但与各溶剂的电离常数大小相关联。溶剂的酸式电离常数越大，表现出对HE-Chitosan的溶解能力越强。Pka越大，溶剂酸性越强，给出质子的倾向越大，越容易使HE-Chitosan产生溶剂化作用使HE-Chitosan分子间或分子内的H键被削弱而溶解。当溶剂只能呈碱式离解时，给出质子的倾向很弱，难于使HE-Chitosan产生溶剂化而溶解。但溶剂的电离常数的大小还未能完全反映出其对HE-Chitosan的溶解能力的强弱。如乙醇的PKa与氯乙醇的PKa分别为15.9、14.3，与水、甲醇等的PKa值相接近，HE-Chitosan不能直接在这两类溶剂中完全溶解。必须添加少量的水以增大溶剂极性，才能完全溶解。因此HE-Chitosan不能直接在这两类溶剂中完全溶解。必须添加少量的水以增大溶剂极性，才能完全溶解。因此HE-Chitosan在有机溶剂中的溶解过程是一较为复杂的溶剂化作用过程，其影响因素也较复杂，有待进一步研究探讨。另一现象应该指出的是：HE-Chitosan在PKa较小的有机溶剂中如二甲亚砜、甲酰胺等非质子性溶剂中的溶解是表层的溶解或溶胀。HE-Chitosan的功能基化反应为非均相反应，遵循固——液壳层反应机理^[4]，即反应由表及里地进行。表层的功能基化程度高于内部，可见提高功能基化程度也有利于HE-Chitosan在各有机溶剂中的溶解性。
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    表1 HE-Chitosan在各溶剂中的溶解性溶剂

    溶解性

    介电常数

    电离常数

    水

    乙二醇

    甲醇

    1，3-丁二醇

    丙三醇

    完全溶解

    完全溶解

    完全溶解

    完全溶解
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    完全溶解

    80.103

    38.66

    31.2

    42.5

    15.7

    15.5

    15.5

    14

    乙二醇

    氯乙醇

    部分溶解

    部分溶解
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    25.7

    25.8

    15.9

    14.3

    二甲亚砜

    甲酰胺

    N，N-二甲基甲酰胺

    表层可溶

    表层可溶

    表层可溶

    48.9

    111.0

    36.71
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    -2.6

    -0.01

    -0.48

    N，N-二甲基乙酰胺

    溶胀

    37.78

    -0.48

    异丙醇

    丙酮

    不溶

    18.3

    20.70

    -3.2
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    -7.2

    2.2.2 配伍性及盐溶限

    表2为HE-Chitosan与各种表面活性剂的配伍性表。表2的结果说明HE-Chitosan显示出强聚阳离子的性质，它与非离子表面活性剂、阳离子表面活性剂配伍性良好，混合溶液既不产生沉淀也不分层，但与聚阴离子的十二烷基硫酸钠等不能配伍，加入少量时即产生沉淀。在2ml 1%的HE-Chitosan溶液中加入0.2g的NaCl，溶液依然澄清透明，无盐析现象。表2 HE-Chitosan与各表面活性剂配伍性表配伍试剂

    现象

    配伍试剂

    现象

    40%椰油酰胺二乙醇胺

    40%甜菜碱
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    十六烷基三甲基氯化铵

    40%十六醇聚乙二醇醚

    二甲基苄基十八烷基氯化铵

    澄清

    澄清

    澄清

    澄清

    澄清

    10%月桂基醚硫酸盐

    10%十二烷基硫酸钠

    10%十二烷基苯磺酸钠

    沉淀
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    沉淀

    沉淀

    2.2.3 酸、碱稳定性

    配制10%重量浓度的HE-Chitosan若干份，用柠檬酸或氢氧化钠溶液调pH，在pH2～12的范围内，HE-Chitosan溶液均保持溶解、透明，放置1w后仍保持不沉淀、不絮凝，说明HE-Chitosan pH适应范围广。

    3 结论

    用缩水甘油三甲基氯化铵、乙基缩水甘油醚同时对壳聚糖进行化学改性，可以制得在壳聚糖氨基N上的取代产物HE-Chitosan,合成产物不仅具有极好的水溶性还能在甲醇、乙二醇、丙三醇等醇溶剂中溶解。HE-Chitosan与非离子、阳离子表面活性剂可以配伍并在pH2～12的范围内稳定不沉淀、不分层，其盐容限大于10%。但不能与阴离子表面活性剂配伍。
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    国家自然科学基金资助项目(批准号为：29474167，B0404)

    参考文献

    [1]Leslie L.Balassa,Tomahawk Lake.US Patent, 3914413,1975.

    [2]小见山登，佐野浩史，等.Japan patent,142927,1985.

    [3]井上腾博.Japan Patent,125908,1984.

    [4]徐和德，刘鳞书，杨辉荣，陆乾生，等译.现代离子交换专论，广州：广东科技出版社，1981：3

    收稿：1999-01-25, http://www.100md.com

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