N-辛基-N-O-羧甲基壳聚糖制备及表面活性研究

n- 辛基-n,o- 羧甲基壳聚糖制备及表面活性研究
摘要本论文以天然高分子壳聚糖为原料，对其进行化学改性，制备出了一系列取代度不同的n- 辛基-n,o-羧甲基壳聚糖基表面活性剂。

通过ftir 、ea、tg等对产物进行了表征，表明成功合
成了目标产物；产物的羧甲基取代度为79.4%，辛基取代度分别为 3.47%，17.11%，26.82%，辛基的引入使得壳聚糖的结晶性能下降；改性后壳聚糖溶解性增强。

采用芘荧光探针法以及悬滴法分别测定了壳聚糖基表面活性剂的临界胶束浓度以及表面张力，结果表明羧甲基取代度为79.4%，辛基取代度分别为 3.47%，17.11% ，26.82%时临界胶束浓度分别为
0.7879mg/ml 、0.2609mg/ml 、0.0592mg/ml ；产物能显著降低水的表面张力，最低值为
39.2mn/m,且辛基取代的越大、临界胶束浓度越低，降低水表面张力的效率越高。

其生
物官能性和相容性、安全性、血液相容性、微生物降解性等优良性能被各行各业广泛关注，广泛应用于食品、化妆品、医药、农业及环保等诸方面[5] 。

1.2 壳聚糖的改性壳聚糖以其独特的生物相容性、生物降解性、抗菌性、无毒性、生物活性和物理化学性质引起人们的重视,在化工、纺织、印染、造纸和医药等领域有广泛的应用前景。

然而由于分子内、分子间的氢键作用,使其呈紧密的晶态结构,所以不溶于水和大多数有机溶剂。

只有当脱乙酰度为50%左右时,二次结构破坏最大,结晶度降低,才能较好地溶于水。

溶解性差成为限制壳聚糖应用的主要因素因此,有必要对壳聚糖进行改性,以达到利用其生物活性和生理活性的目的。

壳聚糖的分子结构中含有活性功能基：c3-oh、c6-oh、c2-nh2，特别是c2-nh2
的存在,可以通过引入功能基团,改善壳聚糖的物理化学性能,拓宽其应用范围。

壳聚糖的化学改性方法有多种,其中包括：羧甲基改性、酰化改性、季铵化改性、烷基化改性、羟烷基改性、接枝反应、交联反应、偶联反应等等。

本论文重点研究壳聚糖的羧甲基化改性与烷基化改性。

1.2.1 羧甲基壳聚糖羧甲基壳聚糖是以一氯乙酸为主要改性原料的重要的水溶性壳聚糖,可溶于中性、碱性和弱酸性水中,其成膜性、保湿性也十分优异,在日化、食品、医药、医用生物材料等领域中具有广泛的应用前景[6] 。

羧甲基壳聚糖包括n- 羧甲基壳聚糖(n-cmc) , o- 羧甲基壳聚糖(o-cmc) 和n,o- 羧甲基壳聚糖(n,o-cmc) [7] ,可以通过选择反应物和反应条件来控制产物的类型。

对壳聚糖进行羧甲基化改性可以改善壳聚糖的水溶性。

黄攀等[8] 以壳聚糖、乙醛酸为原料, 制备了羧化度在25〜78%勺水溶性n-cmc，并发现其在62.5卩g/ml〜5000卩g/ml浓度范围内与小鼠成纤维细胞株l929 具有良好的细胞相容性。

lin 等[9] 以2-羧基苯甲醛与壳聚糖通过席夫碱反应并还原得到n-苄氧羰基壳聚糖，用戊二醛交联制得ph响应性的水凝胶。

柯仁
怀等[10] 以甲壳素为原料,采用连续操作、不分离中间产物的方法合成了羧甲基取代度为
1.08 的水溶性n,o- 羧甲基壳聚糖,并通过重构插层法制备羧甲基壳聚糖/mg2al 双层氢氧化物复合物。

除此之外,羧甲基壳聚糖亦能应用于其他领域,例如絮凝剂、抗菌剂、药物载体等。

刘红娅等[13] 以甲壳素为原料采用两步微波法制备了o- 羧甲基壳聚糖,产物具有良好的絮凝性能,
可作为处理模拟染料废水及实际印染废水的絮凝剂。

ramchandra 等[14] 制备了n,o- 羧甲基壳聚糖与锌的络合物以及壳聚糖与锌的络合物,并用革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌做了抗菌性能测试,结果表明n,o- 羧甲基壳聚糖与锌的络合物的抗菌性要优于壳聚糖与锌的络合物。

anitha等[15]利用离子交联法用tpp和cacl2制备了壳聚糖、o-羧甲基壳聚糖和n,o-羧甲基壳聚糖纳米粒,并对材料的细胞毒性和抗菌性进行了检测,结果表明三种材料对乳腺癌细胞的毒性很小, 而n,o- 羧甲基壳聚糖纳米粒拥有三者中最强的抗菌性。

目前羧甲基壳聚糖的制
备工艺已经相当成熟。

riccardo 等［16］用乙醛酸和壳聚糖通过席夫碱反应以及硼氢化钠还原反映制备出不同取代度的n-cmc。

张贵芹等［17］以壳聚糖与氯乙酸在氢氧化钾-异丙醇介质中，在壳聚糖与氯乙酸、氢氧化钾与氯乙酸质量比分别在2:1 及 2.3:1 时，室温下反应 5 h 制到取代度较高的o-cmc。

1.2.2 烷基化改性主要以环氧丙烷或环氧乙烷为原料，在壳聚糖分子中引入羟丙基或羟乙基，改善分子的空间结构，削弱壳聚糖分子间和分子内的氢键作用从而大大改善壳聚糖的水溶性，拓宽壳聚糖的应用范围。

烷基化分为o-烷基化、n-烷基化、n,o-烷基化。

1) o-烷基化
壳聚糖分子中有氨基和羟基，如果直接进行烷基化反应，在n、o位上都可以发生反应。

为了
选择在o 位上发生烷基化壳聚糖反应，必须先对n 位进行保护，通常保护氨基的方法有希夫碱法。

希夫碱氨基保护法是先将壳聚糖与醛反应形成希夫碱，再用卤代烷进行烷基化反应，
然后在醇酸溶液中脱去保护基，既得到只在o位取代的衍生物。

王爱勤等［18］通过希夫碱中
间体方式合成了o- 丁烷基壳聚糖，董奇志等［19］对壳聚糖的o-烷基化的反应方法条件进行了改进，制备出正丁烷基、正辛烷基、正癸烷基、正十二烷基和正十六烷基: 在微波辐射条件下，用相转移催化剂和以naoh 水溶液为碱性试剂和载体，壳聚糖与溴代烷迅速的发生反应，生成相应的o-烷基化产物。

氧位烷基化壳聚糖衍生物，通常有3种合成方法［20］:(1)希夫碱法：
先将壳聚糖与醛反应形成希夫碱，再用卤代烷进行烷基化反应，然后在醇酸溶液中脱去保护基，即得到只在氧位取代的衍生物；(2) 金属模板合成法：先用过渡金属离子与壳聚糖进行络合反应，使-nh2 和c3-oh 被保护，然后与卤代烷进行反应，之后用稀酸处理得到仅在c6 位上发生取代反应的氧位衍生物；(3)n-邻苯二甲酰化法：采用n-邻苯二甲酰化反应保护壳聚
糖分子中的氨基；烷基化后再用肼脱去n-邻苯二甲酰，由于自由-nh2的存在，该类烷基化壳聚糖衍生物在金属离子吸附方面有较为广泛的用途。

2) n-烷基化
壳聚糖分子上的氨基基团，携带有一对孤对电子，与卤代烷反应可得到相应的n-烷基化产物。

李方［21］用不同碳链长度的卤代烷与壳聚糖反应分别制成了n- 丁基壳聚糖，n- 辛基壳聚糖，
n-十六烷基壳聚糖，并对其进行红外和x射线衍射，实验结果表明壳聚糖引入烷基基团后分
子间氢键和结晶度受到削弱，对于烷基化壳聚糖，在酸性介质中，渗透系数随烷基化壳聚糖的碳链长度增加而降低;碱性介质中情况相反。

汪敏等［22］采用溴化十六烷基三甲基铵作相转移催化剂(ptc)，在氢氧化钠水溶液进行低聚水溶性壳聚糖双亲性n-十六烷基化修饰改性反
应，代昭等［23］在碱性条件下通过卤代烃的n-烷基取代反应制备得到烷基壳聚糖衍生物，表
明烷基取代反应主要发生在壳聚糖的氨基上，衍生物在水中可自动形成粒径在10〜200 nm
范围的纳米微粒。

3) n,o- 烷基化
在碱性条件下，壳聚糖与卤代烷直接反应，可制备在n、o 位同时取代的衍生物。

反应条件不同，产物的溶解性能有较大的差别, 该类衍生物也有较好的生物相容性，有望在生物医用材料方面得到应用。

1.2.3 其他改性壳聚糖的化学改性还包括酰基化改性、季铵化改性、羟烷基改性、水解反应、降解反应。

开环聚合反应、成盐反应、螯合反应等等。

应国清等［25］通过酰化反应，制备一系列取代度不同的n-马来酰化壳聚糖。

研究发现高取代度高相对分子质量高黏度产物的产物的吸湿保湿性、抑菌性均优于透明质酸，有望替代昂贵的透明质酸。

muzzarelli 等［25］将壳聚糖与水合甲醛利用席夫碱反应再经氰基硼化钠还原制的n,n- 二甲基壳聚糖，再与碘甲烷发生反应，生成非水溶的n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐 (tmc)。

许晶等［26］以壳聚糖和环氧丙烷反应将亲水基团
羟乙基引入壳聚糖主链上，制备出在中性水溶液中可溶的高分子量和高脱乙酰度的羟乙基壳聚糖。

aoki 等［27］以壳聚糖作为骨架，通过与琥珀酸酐的酰化反应使琥珀酸酐开环并接枝于壳聚糖主链上，末端游离羧基在edc 的催化下与氨基环糊精反应，可制得环糊精接枝率为0.27 环糊精接枝壳聚糖。

zhang等［28］用类似方法将3 -环糊精接枝于壳聚糖主链上，并运载释放
了胰岛素，有望成为蛋白类药物的缓释载体。

1.3 表面活性剂简介表面活性剂是能显著降低溶剂（一般为水）液－液界面张力和表面张力，且具有一定结构、具有亲水亲油特性及特殊吸附性能的物质。

表面活性剂的分子结构有两亲性：一端为憎水基团，另一端为亲水基团。

憎水基团多为非极性烃链，如8 个碳原子以上的链，而亲水基团常
为极性的基团，如硫酸、羧酸、磺酸、氨基或胺基及其盐，亦可是羟基、酰胺基、醚键等。

最早的表面活性剂是皂，公元前2500 年苏美尔人和腓尼基人用羊油和草木灰制造肥皂。

1.3.1 表面活性剂的结构特点表面活性剂分子结构由与油有亲和性的憎水基（也称亲油基）和与水有亲和性的亲水基（也称憎油基）组成。

憎水基受水分子的排斥或与非极性溶剂作用，使表面活性剂分子伸向非极性溶剂或空气；而亲水基则与水分子作用，使表面活性剂分子伸向水。

两种作用互相影响，使表面活性剂在界面（空气/ 水和油/ 水）上吸附。

根据所需要的性质和具体应用场合的区别，有时要求表面活性剂具有不同的相对密度和亲水亲油结构。

可通过变换亲水基或憎水基种类、所占份额及其在分子结构中的位置，以达到所需亲水亲油平衡的目的。

经过了多年研究和生产，派生出种类繁多表面活性剂，而每一种类又包含许多品种，这给识别与挑选某个具体品种带来困难。

故必须针对成千上万种表面活性剂作出一科学分类，以进一步研究和生产新品种，并为筛选和应用表面活性剂提供方便。

1.3.2 表面活性剂的分类方法
（1）按离子型分类表面活性剂溶于水后，按离解或不离解分为离子型表面活性剂和非离子型
表面活性剂。

离子型表面活性剂又可按产生电荷的性质分为阴离子型、阳离子型和两性型表面活性剂。

（ 2 ）按溶解性分类按在水中的溶解性表面活性剂可分为水溶性表面活性剂和油溶性表面活性剂两类，前者占大多数，油溶性表面活性剂日显重要，但其品种仍不是很多。

（3）分子量在100〜1000的称为低分子表面活性剂。