CN101659710B

CN101659710B - 一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法

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Publication number: CN101659710B
Application number: CN2009100925162A
Authority: CN
Inventors: 马贵平; 聂俊
Original assignee: Beijing University of Chemical Technology
Current assignee: Beijing University of Chemical Technology
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2009-09-17
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2029-09-17
Also published as: CN101659710A

Abstract

本发明涉及一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法。该方法是将壳聚糖加入到2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，配制壳聚糖水溶液为2wt％，其中2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的摩尔数为壳聚糖上胺基摩尔数的0.5-4倍，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数1-3％的对羟基苯甲醚，继续搅拌0.5小时，使壳聚糖充分溶解在水溶液中，迅速升温至30-60℃，反应2-6小时，得到反应型水溶性壳聚糖衍生物。本发明方法反应条件温和、易于控制、步骤简单，取代度易于控制，后续处理环保，反应过程节约。

Description

一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法

技术领域

本发明涉及一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法。

背景技术

甲壳素是自然界中储存量仅次于纤维素的第二大天然生物高分子，壳聚糖是甲壳素经脱乙酰基处理后的产物，是自然界中存在的天然碱性多糖，它是一种环境友好型天然高分子，广泛存在于虾、蟹、昆虫、蛆、蝇等动物的外壳中，是一种取之不尽，用之不竭的可再生资源。壳聚糖不仅具有无毒无害、良好的生物相容性、生物可降解性等优点，还具有抗癌性、抗菌性、止血性、增强人体免疫能力等诸多优异生理性能。因此，壳聚糖在食品、化妆品、环保、纺织、印染、造纸等工业上有较大的应用价值，尤其在生物制药和生物组织工程材料领域得到广泛应用。

但是由于壳聚糖的特殊结构，其分子内和分子间存在氢键作用力，使得壳聚糖不溶解于水和一般有机溶剂中，只溶解于稀酸水溶液，这极大地限制了其在工业上的应用，尤其是作为生物医学材料的应用。为拓宽其应用范围，许多研究对壳聚糖中的羟基和胺基进行了多种化学改性，如醚化、烷基化、酯化、磺化、羧基化、季铵化等，从而得到了溶解于水溶液且性能各异的壳聚糖衍生物。其中，大部分文献和专利是关于水溶性壳聚糖衍生物和油溶性壳聚糖衍生物的制备。这些方法的不足之处在于得到的水溶性壳聚糖衍生物的取代度比较低，反应时间较长，制备的壳聚糖衍生物取代度不容易控制，由于引入的基团亲水性不强，使得衍生物的水溶性不好。

与水溶性壳聚糖衍生物和油溶性壳聚糖衍生物的制备方法相比较，反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法国内外报道较少。Tsai等人(Journal ofApplied Polymer Science，2006，100(3)：1794-1801)报道了丙烯酰氯和邻苯二甲酰壳聚糖的酰氯化反应制备含有不饱和双键的壳聚糖衍生物。KensukeSakurai等人(Carbohydrate Polymers，2007，68(4)：766-772)也报道了壳聚糖和肉桂酰氯反应制备不饱和壳聚糖衍生物，用作紫外吸收剂。Ramb Gupta等人(Journal of Biomaterials Science，Polymer Edition，2005(4)：473-488)报道了壳聚糖和甲基丙烯酸缩水甘油酯在酸性条件下开环反应制备反应性壳聚糖衍生物。中国专利CN1799645(公开日：2006.7.12)公开了制备含有不饱和双键的水溶性甲基丙烯酸和乳酸的壳聚糖衍生物。中国专利CN101225123(公开日：2008.7.23)公开了采用迈克尔加成反应制备水溶性反应型壳聚糖衍生物。中国专利CN101367886(公开日：2009.2.18)公开了采用酰氯化反应制备反应型壳聚糖衍生物。

以上这些方法存在以下缺点：

1、制备方法复杂需催化剂，后处理麻烦，增加了成本；

2、采用有机溶剂，既提高了成本，又引入了有毒物质，降低了壳聚糖衍生物的生物医学应用价值；

3、反应条件剧烈、苛刻，不容易控制；

4、制备的水溶性壳聚糖衍生物取代度较低，水溶性较差；

5、制备过程中消耗能源较多，且后处理引发二次污染，不符合环保型理念。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法。该方法反应条件温和、易于控制、步骤简单，取代度易于控制，后续处理环保型，反应过程节约型。

本发明所提供的一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法，包括以下步骤：

(1)将壳聚糖加入到2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，配制成壳聚糖水溶液；

(2)将对羟基苯甲醚加入到上述壳聚糖水溶液中，室温下继续搅拌0.5小时；

(3)将上述溶液升温至30～60℃，反应2～6小时，得到反应型水溶性壳聚糖衍生物。

上述步骤(1)中的壳聚糖为脱乙酰甲壳素，其脱乙酰度为50～90％，重均分子量为3,000～1,000,000。

上述步骤(1)中的壳聚糖水溶液的重量百分比为2％。

上述步骤(1)中所述的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的加入量为壳聚糖上胺基摩尔数的0.5～4倍。

上述步骤(2)中所述的对羟基苯甲醚的加入量占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数1～3％。

上述步骤(3)中所述的反应型水溶性壳聚糖衍生物具有以下结构通式(I)，取代度为0.2～0.8，

通式(I)

其中，R为HO₃SCH₂C(CH3)₂NHCOCH＝CH₂，x为0.5～0.9。

与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果：

1、2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸是一种重要的化工原料，尤其被广泛应用在生物医药、医用材料和日用化妆品中，其取代基团含有磺酸基团，保留了壳聚糖原有的生物活性和生物相容性，这为壳聚糖衍生物的生物医学应用垫定了良好的应用基础。采用其制备的壳聚糖衍生物可以在紫外230-240nm处吸收，可以用作紫外吸收剂和日用化妆品防晒霜。

2、此方法可以在温和的反应条件下进行，在后续处理上不需要任何有机溶剂，只是通过透析和冷冻干燥就得到产物；并且还可以通过调整反应条件来控制壳聚糖衍生物的取代度。

3、反应型水溶性壳聚糖衍生物由于在壳聚糖上胺基位置和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸发生季铵盐化反应，打破了壳聚糖分子中原有的氢键结晶结构，磺酸基团的引入不仅具有亲水性能，还能够溶解壳聚糖衍生物。

4、制备过程中采用无毒无害无污染的后处理提纯工序，为环保型提纯工艺，反应过程可控性强，设备简单，反应过程易于操作，节约了原料和成本，降低了生产成本，为节能型生产工艺；有利于该产品工业化。

5、将本发明制备的反应型水溶性壳聚糖衍生物溶解在水里，配制成20wt％的衍生物溶液，再加入1wt％自由基光引发剂，在紫外光强30mw/m²的条件下照射30秒即可引发聚合。采用的自由基引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮(1173)、1-[4-(2-羟基羟乙基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷(2959)或1-羟基-环己基-苯基甲酮(184)。

具体实施方式

实施例1

将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP＝90％，重均分子量Mw＝500,000)加入到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸1wt％的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数1％的对羟基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至50℃，反应4小时后过滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24小时，得到取代度为0.6的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。

其中，R＝HO₃SCH₂C(CH3)₂NHCOCH＝CH₂，x为0.9。

配置浓度为0.1wt％壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外236nm处有吸收峰。

实施例2

将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP＝50％，重均分子量Mw＝1,000,000)加入到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸4wt％的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数2％的对羟基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至55℃，反应3小时后过滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24小时，得到取代度为0.7的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。

其中，R＝HO₃SCH₂C(CH3)₂NHCOCH＝CH₂，x为0.5。

配置浓度为0.1wt％壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外240nm处有吸收峰。

实施例3

将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP＝70％，重均分子量Mw＝5,000)加入到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸2wt％的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数1％的对羟基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至45℃，反应2小时后过滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24小时，得到取代度为0.3的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。

其中，R＝HO₃SCH₂C(CH3)₂NHCOCH＝CH₂，x为0.7。

配置浓度为0.1wt％壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外234nm处有吸收峰。

实施例4

将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP＝70％，重均分子量Mw＝200,000)加入到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸3wt％的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数3％的对羟基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至30℃，反应5小时后过滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24小时，得到取代度为0.65的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。

其中，R＝HO₃SCH₂C(CH3)₂NHCOCH＝CH₂，x为0.7。

配置浓度为0.1wt％壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外230nm处有吸收峰。

实施例5

将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP＝85％，重均分子量Mw＝100,000)加入到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸2wt％的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数2％的对羟基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至60℃，反应4小时后过滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24小时，得到取代度为0.5的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。

其中，R＝HO₃SCH₂C(CH3)₂NHCOCH＝CH₂，x为0.85。

配置浓度为0.1wt％壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外237nm处有吸收峰。

实施例6

将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP＝80％，重均分子量Mw＝50,000)加入到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸3wt％的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数2％的对羟基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至40℃，反应6小时后过滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24小时，得到取代度为0.6的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。

其中，R＝HO₃SCH₂C(CH3)₂NHCOCH＝CH₂，x为0.8。

实施例7

将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP＝85％，重均分子量Mw＝80,000)加入到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸5wt％的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数3％的对羟基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至50℃，反应6小时后过滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24小时，得到取代度为0.8的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。

其中，R＝HO₃SCH₂C(CH3)₂NHCOCH＝CH₂，x为0.85。

配置浓度为0.1wt％壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外238nm处有吸收峰。

实施例8

将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP＝60％，重均分子量Mw＝3,000)加入到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸5wt％的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数2％的对羟基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至50℃，反应6小时后过滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24小时，得到取代度为0.4的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。

其中，R＝HO₃SCH₂C(CH3)₂NHCOCH＝CH₂，x为0.6。

Claims

1.一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(3)将上述溶液升温至30～60℃，反应2～6小时，得到反应型水溶性壳聚糖衍生物；

其中，步骤(1)中所述的壳聚糖为脱乙酰甲壳素，其脱乙酰度为50～90％，重均分子量为3,000～1,000,000；步骤(1)中所述的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的加入量为壳聚糖上胺基摩尔数的0.5～4倍；步骤(2)中所述的对羟基苯甲醚的加入量占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数1～3％。

2.根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤(1)中所述的壳聚糖水溶液的重量百分比为2％。