新型壳聚糖季铵盐衍生物的合成与表征

新型壳聚糖季铵盐衍生物的合成与表征
胡章;李思东;李先文;欧春艳;侯婷婷
【摘要】采用甲磺酸作为溶剂兼作氨基保护试剂,对壳聚糖上的羟基选择性酯化,再游离/9,氨基并对其氯乙酰化,最后进行吡啶成盐,得到新型水溶性的壳聚糖季铵盐衍生物,产物的结构通过核磁共振氢谱和红外光谱进行了表征,从而为壳聚糖季铵盐衍
生物的制备提供了一种新途径.
【期刊名称】《广东海洋大学学报》
【年(卷),期】2009(029)001
【总页数】4页(P58-61)
【关键词】壳聚糖;季铵盐;合成;表征
【作者】胡章;李思东;李先文;欧春艳;侯婷婷
【作者单位】广东海洋大学理学院,广东,湛江,524088;广东海洋大学理学院,广东,湛江,524088;广东海洋大学理学院,广东,湛江,524088;广东海洋大学理学院,广东,湛江,524088;广东海洋大学理学院,广东,湛江,524088
【正文语种】中文
【中图分类】S968.25+2
甲壳素（Chitin）在自然界中含量第二，是海洋中含量第一的生物多糖[1]。

经其
脱乙酰基后得到可溶于酸性水溶液的聚氨基葡萄糖，即壳聚糖(Chitosan)，是自然界存在的惟一碱性多糖，具有良好的生物相容性和可降解性，无细胞毒性。

近年来，
壳聚糖及其深加工产品已广泛应用于化工、环保、生物医药、食品等诸多领域[2-3]。

然而，由于壳聚糖的不良溶解性，所以在很大程度上限制了它的推广应用。

对壳聚糖基本骨架进行各种结构修饰可以获得结构独特、生理活性各异的壳聚糖衍生物，如水溶性的壳聚糖季铵盐衍生物具有良好的成膜性、保湿与吸湿性、抗氧化性和抗菌性等[4-7]。

因此，壳聚糖的衍生化及其结构与性能关系的研究已成为拓
展壳聚糖应用领域的重要内容。

本文介绍一种新的壳聚糖季铵盐衍生物的合成并对其结构进行表征。

1 材料与方法
1.1 主要仪器与试剂
1H NMR 采用Brucker Avance DMX500MHz 核磁共振仪测定，四甲基硅烷(TMS) 为内标，氘代试剂为D2O。

红外采用JASCO FT/IR-4100 红外光谱仪测定，溴化钾压片法。

FD-1 台式冷冻干燥机，北京德天佑科技发展有限公司；透析袋（相对分子质量8000-14000），国药集团试剂有限公司；壳聚糖(浙江玉环海洋
生物化学有限公司，脱乙酰度为92%)；N-甲基吡咯烷酮（NMP），化学纯（含
量≥98%），上海化学试剂采购供应五联化工厂；甲磺酸，化学纯（含量≥98%），上海科丰化学试剂有限公司；醋酐（Ac2O）、氯乙酰氯、吡啶均为分析纯，重蒸后使用；其它试剂均为分析纯，直接使用。

1.2 O-酰化壳聚糖CS-3 的合成与表征
壳聚糖1 g 分批次加入15 mL 的甲磺酸中，室温搅拌1 h，待体系澄清透明后将
反应瓶置于冰上，滴加4.7 mL 乙酰氯（10 倍量每壳聚糖的己糖胺单位）于体系中，滴加完毕后于室温搅拌5 h，加入25 g 的碎冰焠灭反应，将混合物于透析袋
中在清水中透析1 d，接着在饱和的碳酸氢钠溶液透析1 d，然后在清水中透析2 d，最后冷冻干燥得到白色片状固体，收率76%。

水中可溶解：1H NMR δ 1.91-2.23(br m,1 H,NHAc和OAc的甲基),2.82(br s,0.18 H,GlcN 残基的H-2),3.48-
3.95 (br m,2.71 H,GlcNAc 的H-2 和 GlcN 与GlcNAc 的H-3,4,5,6),
4.23(s,0.14 H,GlcN 残基的H-1),4.57(br s,0.37 H,GlcNAc 的H-1)。

IR(KBr)：ν
3418,1739,1631,1598,1384,1350,1155,1068,1031,793。

1.3 N-氯乙酰化-O-酰化壳聚糖CS-4 的合成与表征
称取0.33 g 的O-酰化壳聚糖CS-3 于50 mL 三口瓶中，加入30 mL 的N-甲基吡咯烷酮溶解，滴加0.25 g 氯乙酰氯(2 倍量每游离的己糖胺)，室温搅拌24 h，加入乙醚析出胶状物，抽滤，甲醇、乙醚洗涤，冷冻干燥得到土白色固体，收率81%。

水中可溶解；1H NMR δ 2.05-2.12 (br m,1 H,NHAc和OAc 的甲基),2.81(br s,0.17 H,GlcN 残基的H-2),3.47-3.91(br m,2.70 H,GlcNAc 的H-2 和 GlcN 与GlcNAc 的H-3,4,5,6),4.17(s,0.34 H,氯乙酰基的次甲基),4.23 (s,0.14 H,GlcN 残基的H-1),4.57 (br s,0.38 H,GlcNAc 的H-1)。

IR(KBr)：ν
3421,2929,1739,1650,1555,1378,1349,1245,1155,1068,1031,761,616。

1.4 壳聚糖季铵盐衍生物CS-5 的合成与表征
称取0.2 g 的N-氯乙酰化-O-酰化壳聚糖CS-4于25 mL 的三口瓶中，充氮气条件加入15 mL 吡啶，搅拌溶解，于80℃反应72 h，减压旋蒸溶剂，甲醇洗涤残留物，抽滤，乙醚洗涤，得到褐色粉末固体，收率74%。

水中可溶解：1H NMR δ 1.97-2.09(br m,1 H,NHAc 和OAc 的甲基),2.79 (br s,0.15 H,GlcN 残基的H-2),3.49-3.90 (br m,2.30 H,GlcNAc的H-2和GlcN 与GlcNAc 的H-
3,4,5,6),4.17(s,0.19 H,GlcN 残基的H-1),4.54 (br s,0.35 H,GlcNAc 的H-1),7.42(t,0.55H,吡啶环上的氢),7.84(m,0.25H,吡啶环上的氢),8.47(d,0.53H,吡啶环上的氢)。

IR(KBr)：ν
3421,2929,1739,1650,1555,1468,1378,1349,1245,1155,1068,1031,761,616。

2 讨论
图1 壳聚糖季铵盐衍生物的合成Fig.1 Synthesis of quaternized chitosan
derivativea.CH3SO3H,r.t.1h,Ac2O,r.t.,5h;b.NaHCO3,dialyzed,1d;c.ClCH2COC l,NMP,r.t.,24h;d.Pyridine,80℃,72h
新型季铵盐壳聚糖衍生物的合成路线见图1。

壳聚糖溶解在甲烷磺酸中，在室温条件下醋酐选择性地与壳聚糖上的羟基成酯反应，在弱碱的条件下游离出氨基，接着采用氯乙酰氯进行酰化反应，最后与吡啶成盐得到季铵化的壳聚糖衍生物。

在O-
酰化壳聚糖CS-3 中，壳聚糖必须分批次加入甲磺酸中，否则壳聚糖聚成一团，很难溶解。

刚开始时很难搅动，可超声几分钟，这样壳聚糖更易溶解。

在壳聚糖的活性基团中，游离氨基活性最大，一般的化学改性均在此位点进行。

C6—OH 与
C3—OH也是改性位点，但其活性相对较低，其中C3—OH由于空间位阻比较大，因此其化学活性小于C6—OH。

甲磺酸在此反应中既充当溶剂作用，又与己糖氨
基成盐发挥保护基的效应。

因此，该酰化反应主要发生在C6—OH。

由图2中
CS-3 氢谱可以看出，δ1.91-2.23 为乙酰基上的甲基位移，说明壳聚糖上的活性位点已经部分发生酯化反应。

据文献[8]报道，将脱乙酰度大于85%以上壳聚糖的羟基进行部分酯化，能有效地减弱分子内氢键的作用，以致形成的产物能在中性水中溶解。

本文所制备的壳聚糖CS-3 可溶入水中，与文献所报道的性质相一致。

另外，由图3中CS 和CS-3 红外谱可以看出，壳聚糖进行酯化反应前后的主要吸收峰大部分都相同，在1 631 cm-1 和1 598 cm-1 附近处都出现了酰胺带的吸收峰和氨基的N-H 伸缩振动峰；稍有不同的是CS-3 红外谱图上多出了1 739 cm-1 的酯峰。

图2 壳聚糖衍生物的核磁共振氢谱Fig.2 1H NMR of chitosan derivatives
图3 壳聚糖及其衍生物的红外光谱Fig.3 FT-IR spectra of chitosan and its derivatives
在合成N-氯乙酰化-O-酰化壳聚糖CS-4 的反应中，壳聚糖CS-3 在溶剂NMP 中室温条件下很难溶解，可适当加热助溶。

由图2中CS-4 氢谱可以看出，δ4.17 为
氯乙酰基上的次甲基位移，说明壳聚糖上已经引入氯乙酰基团。

由图3中CS-4 红外谱可以看出，在1 598 cm-1 附近处氨基的N—H 伸缩振动峰消失，而在1 650 和1 550 cm-1处出现酰胺I、II 谱带峰，说明氯乙酰基团是引入在壳聚糖的氨基上。

在壳聚糖季铵盐衍生物CS-5 的合成中，反应需要在通氮气的条件下进行，否则反应收率会降低，同时所得到的产物颜色会加深。

由图2中CS-5氢谱可以看出，δ 7.42、7.84 和8.47 处出现芳香氢峰，且比值为2∶1∶2，说明吡啶基团引入；同时，由图3中CS-5 红外谱可以看出，在1 468 cm-1 附近处出现吡啶环伸缩振动峰。

3 结论
通过以上实验研究，得出以下结论：
1）新型壳聚糖季铵盐衍生物的制备可采用甲磺酸溶解壳聚糖并对游离的氨基进行保护，对壳聚糖上的羟基选择性酯化，再游离出氨基并对其氯乙酰化，最后进行吡啶成盐；
2）新型壳聚糖季铵盐衍生物的结构通过核磁共振氢谱和红外光谱得以表征，产物符合结构特征；
3）为壳聚糖季铵盐衍生物的制备提供了一种新途径。

参考文献
【相关文献】
[1]蒋挺大.甲壳素[M].北京:化学工业出版社，2003：171-173.
[2]张凯，郝晓东，黄渝鸿，等.甲壳素及壳聚糖的应用[J].应用化工，2004,33(3): 6-8.
[3]王学东，辛锋，夏文水，等.壳聚糖在食品工业中应用的研究进展[J].武汉工业学院学
报,2005,24(3):18-23.
[4]Holappa J,Nevalainen T,Soininen P,et al.Synthesis of n ovel quaternary chitosan de rivatives via N -chloroacyl-6- O -triphenyl- methylchitosans
[J].Biomacromolecules,2006,7(2): 407-410.
[5]Bayat A,Sadeghi A M M,Avadi M R,et al.Synthesis of N,N-dimethyl N-ethyl chitosan as a carrier for oral delivery of peptide drugs [J]pat.Polym,2006,21: 433-444. [6]Guo Z,X ing R,L iu S,et al.T he influence of m olecular weight of quaternized chitosan on antifungal activity [J].Carbohydrate Polymers 2008,71: 694-696.
[7]Jia Z,She n D,Xu W.Sy nthesis and a ntibacterial a ctivities of quaternary a mmonium salt of chitosan [J].C arbohydrate Research,2001,333: 1-6.
[8]Sashiwa H,Kawasaki N,Nakayama A,et al.Chemical modification of chitosan: Synthesis of water-soluble chitosan derivatives by simple acetylation [J].Biomacromolecules,2002,3: 1126-1128.。