CN103224575A - 一种丙烯酰胺甲壳素及其制备方法 - Google Patents

一种丙烯酰胺甲壳素及其制备方法 Download PDF

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施晓文
丁福源
杜予民
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Abstract

本发明公开了一种丙烯酰胺甲壳素及其制备方法，包括步骤：1）将甲壳素溶于NaOH和CO(NH2)2的混合溶液得到甲壳素溶液；2）将丙烯酰胺加入到甲壳素溶液中，于0～20℃下搅拌16～36小时，并用稀盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，其中，甲壳素单体与丙烯酰胺的摩尔比为1:5～20；3）对中性甲壳素溶液进行透析，至其中的氯化钠完全去除，干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。本发明方法反应温和，对甲壳素分子的破坏小，产品的取代度高，所得的丙烯酰胺甲壳素具有pH值和金属离子敏感性，可应用于化妆品、纺织、农业、食品加工、医药、环境保护等领域。

Description

一种丙烯酰胺甲壳素及其制备方法
技术领域
本发明属于材料科学领域，具体涉及一种丙烯酰胺甲壳素及其制备方法。
背景技术
甲壳素(Chitin)又名几丁质、甲壳质、壳蛋白、壳多糖、聚乙酰氨基葡萄糖，化学名为(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖，是以β-1,4糖苷键相连的线性生物高分子，是仅次于纤维素的第二大可再生天然高分子材料。但甲壳素由于分子内及分子间的氢键作用难溶于普通溶剂，这很大程度上限制了甲壳素的进一步推广应用。
丙烯酰胺甲壳素是一种分子结构中有羧基和酰胺基的水溶性阴离子聚合物，具有pH值敏感性、金属离子敏感性、良好的生物相容性、生物降解性、吸附絮凝性、吸湿保湿性、成膜性等优点，广泛应用于医药、化妆品、农业、食品加工、纺织、环境保护等领域。通常丙烯酰胺甲壳素的合成是利用甲壳素6位上羟基的活性与丙烯基通过接枝反应制备，所用的中间体一般为丙烯酰胺，以过硫酸盐作为引发剂，反应介质为碱性异丙醇、高浓度的碱，制备的产品分子量降解严重，反应过程中用到有机试剂，环境污染大。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供了一种丙烯酰胺甲壳素及其制备方法，该制备方法简单易操作、反应温和、产率高、且环境友好。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种丙烯酰胺甲壳素，其结构式为：
Figure BDA00003117253000011
其中，0.4<X+Y<0.95。
上述丙烯酰胺甲壳素的制备方法，包括步骤：
1）将甲壳素溶于NaOH和CO(NH2)2的混合溶液得到甲壳素溶液；
2）将丙烯酰胺加入到步骤1）所制得的甲壳素溶液中，于0～20℃下搅拌16～36小时，并用稀盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，其中，甲壳素单体与丙烯酰胺的摩尔比为1:5～20；
3）对步骤2）所得的中性甲壳素溶液进行透析，至其中的氯化钠完全去除，干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。
上述步骤1）具体为：
将甲壳素加入到NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，并于-40～-18℃下冷冻4～24小时后，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为0.5～10%的甲壳素溶液，其中，NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，NaOH的质量百分比为6～12%，CO(NH2)2的质量百分比为2～8%。
所述的甲壳素溶解到NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中的优选方案为：将甲壳素加入到NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，并于-40～-30℃下冷冻4～10小时后，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为4～10%的甲壳素溶液，其中，NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，NaOH的质量百分比为6～12%，CO(NH2)2的质量百分比为2～8%。
上述步骤3）中，采用冷冻干燥法干燥透析后得到的液体。
上述温敏性甲壳素可用作药物控释剂。
本发明涉及的主要化学反应式如下：
Figure BDA00003117253000022
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明方法反应温和，对甲壳素分子的破坏小，产品的取代度高，所得的丙烯酰胺甲壳素具有pH值和金属离子敏感性。
2、本发明方法简单易操作、产率高、环境友好，适用于工业化生产。
3、本发明的带羧基和酰胺基的丙烯酰胺甲壳素可直接完全溶于水，可广泛应用于医药、化妆品、农业、食品加工、纺织、环境保护等领域。
附图说明
图1为甲壳素和实施例2所得丙烯酰胺甲壳素的红外光谱对比图，其中，（a）为甲壳素的红外光谱图，（b）为实施例2所得丙烯酰胺甲壳素的红外光谱图；（c）为实施例2所得的羧基以羧酸形式存在的丙烯酰胺甲壳素的红外光谱图；（d）为丙烯酰胺的红外光谱图；
图2为实施例2所得丙烯酰胺甲壳素的氢核磁共振谱1HNMR图；
图3为实施例3所得丙烯酰胺甲壳素的反映其pH值敏感性的流变数据图；
图4为实施例3所得丙烯酰胺甲壳素的反映其金属离子敏感性的流变数据图。
具体实施方式
下面将结合实施例进一步说明本发明。
实施例1.
将0.25g甲壳素加入到49.75g的NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，其中，NaOH的质量百分比为6%，CO(NH2)2的质量百分比为2%，并于-18℃下冷冻24小时，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为0.5%的甲壳素溶液。按甲壳素单体与丙烯酰胺摩尔比为1:5，向甲壳素溶液中加入0.438g丙烯酰胺，并于0℃下搅拌36小时，用1mol/L盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，将中性甲壳素溶液在蒸馏水中透析7天，至其中的氯化钠完全去除，采用冷冻干燥法干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。
实施例2.
将1g甲壳素加入到49g的NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，其中，NaOH的质量百分比为8%，CO(NH2)2的质量百分比为4%，并于-22℃下冷冻18小时，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为2%的甲壳素溶液。按甲壳素单体与丙烯酰胺摩尔比为1:9，向甲壳素溶液中加入3.148g丙烯酰胺，并于15℃下搅拌24小时，用1mol/L盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，将中性甲壳素溶液在蒸馏水中透析7天，至其中的氯化钠完全去除，采用冷冻干燥法干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。图1中（b）曲线和图2中的（a）曲线分别为本实施例所得丙烯酰胺甲壳素的红外光谱图和核磁共振谱图。
从图1（b）中可以看到，红外光谱中甲壳素的特征吸收峰为1660cm-1、1568cm-1和1311cm-1，相对于图1（a）的甲壳素红外光谱图，丙烯酰胺甲壳素在1408cm-1出现吸收峰，这是丙烯酰胺甲壳素中羧基的特征吸收峰。
将本实施例所得丙烯酰胺甲壳素溶于水得到丙烯酰胺甲壳素溶液，调节丙烯酰胺甲壳素溶液pH值为3以下，此时，丙烯酰胺甲壳素的的羧基COO-转变成羧酸COOH，所得羧基以羧酸形式存在的丙烯酰胺甲壳素的红外光谱见图1（c），从图1（c）中可以看到，当丙烯酰胺甲壳素的羧基以羧酸形式存在时，在1730cm-1处出现吸收峰，同样表明羧基的存在，这些都初步表明了甲壳素与改性剂丙烯酰胺发生反应，合成了丙烯酰胺甲壳素。
从图2（a）可以看出，2.283ppm和2.359ppm处的吸收峰分别对应的是丙烯酰胺甲壳素中羧基和酰胺基相连接的亚甲基的特征吸收峰，同红外光谱中的结论一致，表明甲壳素与改性剂丙烯酰胺发生了反应。将本实施例所得丙烯酰胺甲壳素在2mol/L的NaOH溶液中常温水解12小时，水解产物的核磁共振谱图见图2（b），从图2（b）可以看出，2.359ppm处的吸收峰消失，表明酰胺基全部转变为羧基。
实施例3
将1g甲壳素加入到49g的NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，其中，NaOH的质量百分比为8%，CO(NH2)2的质量百分比为4%，并于-22℃下冷冻18小时，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为2%的甲壳素溶液。按甲壳素单体与丙烯酰胺摩尔比为1:7，向甲壳素溶液中加入2.448g丙烯酰胺，并于15℃下搅拌24小时，用1mol/L盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，将中性甲壳素溶液在蒸馏水中透析7天，至其中的氯化钠完全去除，采用冷冻干燥法干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。
将本实施例所得丙烯酰胺甲壳素溶于水得到质量百分百浓度为1%的丙烯酰胺甲壳素溶液，并调节丙烯酰胺甲壳素溶液的pH值为7.4，测试丙烯酰胺甲壳素溶液的pH值敏感的流变数据和金属离子敏感（以加Fe3+为例）的流变数据，结果见图3和4。图3为本实施例所得丙烯酰胺甲壳素的反映其pH值敏感的流变数据图，在60秒时，储能模量高于损耗模量，说明丙烯酰胺甲壳素由溶液变成凝胶。图4为本实施例所得丙烯酰胺甲壳素的反映其金属离子敏感的流变数据图，在1250秒时，储能模量高于损耗模量，说明丙烯酰胺甲壳素由溶液变成凝胶。
实施例4
将2g甲壳素加入到48g的NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，其中，NaOH的质量百分比为12%，CO(NH2)2的质量百分比为8%，并于-30℃下冷冻10小时，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为4%的甲壳素溶液。按甲壳素单体与丙烯酰胺摩尔比为1:15，向甲壳素溶液中加入10.5g丙烯酰胺，并于20℃下搅拌16小时，用1mol/L盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，将中性甲壳素溶液在蒸馏水中透析7天，至其中的氯化钠完全去除，采用冷冻干燥法干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。
实施例5
将3.5g甲壳素加入到46.5g的NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，其中，NaOH的质量百分比为12%，CO(NH2)2的质量百分比为8%，并于-40℃下冷冻4小时，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为7%的甲壳素溶液。按甲壳素单体与丙烯酰胺摩尔比为1:13，向甲壳素溶液中加入15.932g丙烯酰胺，并于20℃下搅拌36小时，用1mol/L盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，将中性甲壳素溶液在蒸馏水中透析7天，至其中的氯化钠完全去除，采用冷冻干燥法干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。
实施例6
将5g甲壳素加入到50g的NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，其中，NaOH的质量百分比为12%，CO(NH2)2的质量百分比为8%，并于-40℃下冷冻4小时，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为10%的甲壳素溶液。按甲壳素单体与丙烯酰胺摩尔比为1:20，向甲壳素溶液中加入34.975g丙烯酰胺，并于20℃下搅拌36小时，用1mol/L盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，将中性甲壳素溶液在蒸馏水中透析7天，至其中的氯化钠完全去除，采用冷冻干燥法干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。
实施例7
将5g甲壳素加入到50g的NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，其中，NaOH的质量百分比为12%，CO(NH2)2的质量百分比为8%，并于-40℃下冷冻4小时，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为10%的甲壳素溶液。按甲壳素单体与丙烯酰胺摩尔比为1:20，向甲壳素溶液中加入34.975g丙烯酰胺，并于0℃下搅拌36小时，用1mol/L盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，将中性甲壳素溶液在蒸馏水中透析7天，至其中的氯化钠完全去除，采用冷冻干燥法干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。
实施例8
采用下述方法测量实施例1～7所得丙烯酰胺甲壳素的取代度：
称取一定量的丙烯酰胺甲壳素溶解于蒸馏水中，用0.01mol/L标准盐酸溶液滴定丙烯酰胺甲壳素样品中COO-的含量，以一滴0.25wt%靛蓝和一滴0.1wt%甲基橙的混合液作为指示剂，以溶液变成浅灰色为滴定终点。丙烯酰胺甲壳素中羧基的取代度通过直接滴定样品羧基含量得到。丙烯酰胺甲壳素中酰胺基的取代度通过间接法得到，核磁共振谱图证明样品在2M的NaOH中常温下水解12小时，酰胺基全部转变为羧基，所以酰胺基的取代度可以通过水解前后样品中羧基取代度之差获得。总取代度为水解之后的丙烯酰胺甲壳素中羧基的取代度，所以可按下式计算丙烯酰胺甲壳素中酰胺基和羧基的取代度：
DS CO O - = 0.01 &times; V &times; 273 1000 W
DS CON H 2 = DS Total - DS CO O -
式中，
Figure BDA00003117253000063
为羧基的取代度；
Figure BDA00003117253000064
为酰胺基的取代度；
0.01为标准盐酸溶液的摩尔浓度，单位：mol·L-1；
V为滴定所消耗的盐酸体积，单位：mL；
W为样品的质量，273为羧基取代的丙烯酰胺甲壳素单体的分子量。
采用上述方法测量得到实施例1所得丙烯酰胺甲壳素的取代度为0.436；实施例2所得丙烯酰胺甲壳素的取代度为0.802；实施例3所得丙烯酰胺甲壳素的取代度为0.758；实施例4所得丙烯酰胺甲壳素的取代度为0.659。实施例5所得丙烯酰胺甲壳素的取代度为0.907；实施例6所得丙烯酰胺甲壳素的取代度为0.936；实施例7所得丙烯酰胺甲壳素的取代度为0.875；
人体不同部位的pH值是不同的，胃内为强酸性，而肠道中的pH值为碱性。由于丙烯酰胺甲壳素的pH值敏感性，其在强酸中形成凝胶，可以保护一些大分子类蛋白质的活性不被胃酸破坏；而在肠道中时，环境pH值升高，凝胶缓慢溶解，药物在肠道中可以得到释放。由于丙烯酰胺甲壳素的金属离子敏感性，丙烯酰胺甲壳素可以和高价金属离子（例如，Fe3+）形成凝胶，而当高价金属离子被还原成低价离子时，由于丙烯酰胺甲壳素和低价金属离子不能形成凝胶，随着高价金属离子逐渐被还原成低价离子，凝胶缓慢溶解，药物从而可从凝胶中释放。
综上，基于丙烯酰胺甲壳素的pH值敏感性和金属离子敏感性，其可用于药物控释剂。

Claims (6)

1.一种丙烯酰胺甲壳素，其特征在于，结构式如下：
Figure FDA00003117252900011
其中，0.4<X+Y<0.95。
2.如权利要求1所述的丙烯酰胺甲壳素的制备方法，其特征在于，包括步骤：
1）将甲壳素溶于NaOH和CO(NH2)2的混合溶液得到甲壳素溶液；
2）将丙烯酰胺加入到步骤1）所制得的甲壳素溶液中，于0～20℃下搅拌16～36小时，并用稀盐酸调节甲壳素溶液的pH值至中性，其中，甲壳素单体与丙烯酰胺的摩尔比为1:5～20；
3）对步骤2）所得的中性甲壳素溶液进行透析，至其中的氯化钠完全去除，干燥透析后得到的液体，即得到海绵状丙烯酰胺甲壳素。
3.如权利要求2所述的丙烯酰胺甲壳素的制备方法，其特征在于：
步骤1）具体为：
将甲壳素加入到NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，并于-40～-18℃下冷冻4～24小时后，经充分搅拌，制得质量百分比浓度为0.5～10%的甲壳素溶液，其中，NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中，NaOH的质量百分比为6～12%，CO(NH2)2的质量百分比为2～8%。
4.如权利要求3所述的丙烯酰胺甲壳素的制备方法，其特征在于：
所述的甲壳素加入到NaOH和CO(NH2)2的混合溶液中进行溶解的条件为：于-40～-30℃下冷冻4～10小时，制得质量百分比浓度为4～10%的甲壳素溶液。
5.如权利要求2所述的丙烯酰胺甲壳素的制备方法，其特征在于：
步骤3）中，采用冷冻干燥法干燥透析后得到的液体。
6.如权利要求1所述的丙烯酰胺甲壳素用作药物控释剂的应用。
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