CN103539865B - 一种甲壳素/壳聚糖硫酸酯的简便合成工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在非质子性溶剂中，以SO₃与含甲壳素/壳聚糖的原料直接快速反应，高转化率，高品质合成水溶性甲壳素/壳聚糖硫酸酯的新的清洁生产工艺。本工艺具有工艺简单，条件温和，未反应物料可循环套用，转化率高，产品品质好，无毒副离子和溶剂残留，产品用途广泛，具有巨大的产业化应用前景。

Description

一种甲壳素/壳聚糖硫酸酯的简便合成工艺

技术领域

本发明专利涉及一种甲壳素/壳聚糖硫酸酯的简便通用合成工艺，属改性及应用技术领域。

背景技术

甲壳素(chitin)是地球上仅次于纤维素的第二大可再生资源广泛存在于节肢动物、软体动物、环节动物、原生动物及真菌和藻类的细胞壁中，其中虾、螃蟹等甲壳类的甲壳富含1/4～1/3的甲壳素，每年生物合成量约为1000多亿吨。甲壳素的基本单元是乙酰葡萄糖胺，它是由1000～3000个乙酰葡萄糖胺残基通过β-(1→4)-糖苷键连接而成的聚合物。壳聚糖(chitosan)是甲壳素N-脱乙酰化的产物，是自然界唯一大量存在的含氮碱性多糖。甲壳素不能完全脱乙酰化，甲壳素和壳聚糖的区别在于乙酰化度的不同。从20世纪70年代以来，甲壳素/壳聚糖利用和研究以其独特的物理化学性质和生物活性，备受研究者的青睐，当前已成为环境友好材料领域的研究热点，其制备的膜、纤维、凝胶、微球、海绵等材料在生物医药、化工、食品、环境、农业等诸多领域取得广泛应用。

甲壳素由于分子内和分子间氢键的存在，形成了大分子的二级结构，同时由于分子结构的规整性，使甲壳素分子容易形成结晶区，这导致其在水、稀酸、稀碱以及一般的有机溶剂中难以溶解，因而限制了它的应用和发展。因此，通过甲壳素的衍生化，可使甲壳素物理、化学性质和其他性质显著变化，赋予化合物重要生理功能，这对开发丰富的甲壳素资源，解决后石油时代的原材料保障问题提供了新的方向。

甲壳素硫酸酯是指甲壳素结构中的羟基(胺基)部分或者完全被硫酸酯基取代得到硫酸酯多糖。随着磺酸基团的引入，取代度增加，母体分子水溶性增强，产物由原来的溶于浓盐酸/磷酸/硫酸/乙酸，不溶于水、稀酸、稀碱及其它有机溶剂，取代之后在较宽pH值范围可溶，这种聚电解质结构变得较为紧密，比重增大，同时颜色由原来的白色变为淡黄色或黄色。甲壳素/壳聚糖硫酸酯具有增强肌体免疫力，抑制肿瘤、抑制病毒、降糖降脂、抗凝血、防治血栓、治疗溃疡和肾衰凳面的作用，国内外对其开发十分活跃。

甲壳素糖基分子C3，C6位上的-OH和2位上-NH2的比较活泼，可进行化学修饰，其伯醇基易于硫酸酯化，氨基易于保护或活化，可选择性硫酸酯化。甲壳素硫酸酯合成工艺研究时间早，方法众多。磺化条件的确定主要是以有机硫的含量和收率为标准，其它指标如：粘度、旋光、毒性亦是重要依据。其实验室制备方法有多种，主要包括：浓硫酸法，SO₃/吡啶法，SO₃/SO₂法，SO₃/DMF法，HClO₃S/吡啶法，其中氯磺酸是最常用的磺化试剂。俄罗斯从70年代至今对多糖磺化进行了较多的研究工作，他们常用磺化方法有：H₂SO₄-异丙醇法，HClO₃S/吡啶法，HClO₃S/DMF法，HClO₃S/DMSO法。浓硫酸、浓硫酸/醇非均相酯化的方法存在酯化收率低、碳化严重、纤维易水解、副产物多、分离纯化困难等问题；用改进的DMF/DMSO/离子液体中用三氧化硫直接酯化或用吡啶做缚酸剂酯化均存在溶剂难脱尽、回收套用成本高、产品毒性大等致命问题，难过经济和环保关。因此，虽有小批量工业化产品，但至今尚无具备经济技术可行性的工业应用的技术和产品销售。因此开发质优价廉、绿色环保的甲壳素的硫酸酯化的通用工艺方法极具价值。

我们在成功开发的以SO₃作为酯化试剂，利用容易脱尽的非质子溶剂作为分散剂的酯化方法合成纤维素硫酸酯的基础上，将该体系运用于甲壳素/壳聚糖硫酸酯的制备，取得了理想的效果。该方法很好的克服了现有方法存在的问题，具有产品品质好、得率高、生产成本低、工艺简便、经济环保，既可适用于不同乙酰度的甲壳素原料，也可适用于虾壳粉等含有甲壳素及蛋白质的混合原料，可根据需要得到较高取代度的甲壳素硫酸酯产品及衍生物。可以根据农林、食品、化妆品、涂料、材料等领域的不同需要，大规模、低成本的生产。该工艺技术具有投资少、生产成本低、原料丰富、产品用途广、经济环保和生态效益显著的特点，是一项具有经济性、先进性、实用性的又一重大发明成果。

发明内容

本发明提出了一种以甲壳素/壳聚糖及富含甲壳素的原料，在非质子性溶剂中，以SO₃为硫酸酯化试剂，高转化率，高品质合成甲壳素/壳聚糖硫酸酯的简便通用工业方法：即将含一定浓度SO₃的非质子性溶剂溶液直接与甲壳素/壳聚糖原料接触混合，在一定温度下反应一定时间，再经脱溶、过滤等简单处理即得到甲壳素/壳聚糖硫酸酯，可进一步制备其衍生物，残余的溶剂和原料可回收循环套用于下一批合成体系。本研究者在研究中发现，SO₃的分散性和浓度对酯化效果的影响很大。向甲壳素/壳聚糖中直接通SO₃气体的方式存在酯化效果不理想，反应仅在甲壳素/壳聚糖表面进行，热量难以移除，容易吸水脱水碳化，酯化度难以提升等问题。而非质子性溶剂能促进固、液、气态的SO₃溶解分散，在不添加缚酸剂的条件下形成SO₃溶液。由于溶剂化作用弱，SO₃在卤代烃等非质子溶剂中活性高。所以需保证SO₃以气体、固体形式加入溶剂分散的纤维体系，或先配制成SO₃溶液，或边通入SO₃气体边反应。优选的方案是：让甲壳素/壳聚糖原料悬浮在溶剂中，在缓慢通入三氧化硫或滴加预先配制成的一定浓度的SO₃溶液，反应过程中可以补充或套用回收的溶剂和SO₃原料。

甲壳素上硫酸酯基的引入可大大增强分子内的氢键作用，削弱甲壳素/壳聚糖分子间氢键作用，溶液中的SO₃可以不断的与晶体表面及溶液中的甲壳素/壳聚糖分子反应，使得甲壳素/壳聚糖硫酸酯可以不断从甲壳素/壳聚糖结晶体中解离，在温和的条件下迅速高转化率、高取代度的获得甲壳素/壳聚糖硫酸酯。采用向非质子性溶剂分散的甲壳素/壳聚糖中直接通入SO₃气体的方法也可进行酯化，但酯化效率低，这是由于SO₃的浓度不够导致酯化产物持续不断的从甲壳素/壳聚糖表面脱落的推动力不足。所以，该反应过程中需保证SO₃以气体、固体形式边通入溶剂分散的甲壳素/壳聚糖体系边反应，或先配制成SO₃溶液，保证SO₃的浓度是关键。因此，让甲壳素/壳聚糖原料与一定浓度的SO₃溶液反应效果更佳，反应过程中可以补充或套用回收的溶剂和SO₃原料。硫酸酯化新工艺使得以纤维素、甲壳素/壳聚糖为代表的生物大分子的解聚、分散、溶解变得简便易行，可以推广为经济实用的工业化路线，具有巨大的应用前景。大量实验结果表明：该工艺可适用于各种甲壳素/壳聚糖原料，优化方案为在室温或较低温度下(不超过35℃为宜，其中优选0～30℃)，适量(n_U∶n_SO3为1∶0.8～6.4，其中优选1∶0.8～3.2)，预先配制一定浓度(浓度范围0.5mol/L～4mol/L，其中优选0.5mol/L～2mol/L)的SO₃溶液与纤维充分混合，反应0.5～20h(其中优选1～5h)，可高转化率的生成甲壳素/壳聚糖硫酸酯，且产物碳化少，品质和外观好。根据不同的磺化度要求，其配比、温度、时间等条件还可以调整。

本工艺方法的合适溶剂是能促进SO₃溶解、不与SO₃反应、易从反应体系中分离的非质子性溶剂，例如二氯乙烷、二氯丙烷、二氯甲烷等小分子脂肪族卤代烃都是较为合适的甲壳素/壳聚糖硫酸酯化溶剂。本工艺原料是甲壳素、壳聚糖或者是虾壳粉等含甲壳素的粉体，或者是回收的反应中未溶解的原料。该体系对乙酰度较低的壳聚糖和乙酰度达到0.92的甲壳素均能很好的硫酸酯化。反应结束后脱除溶剂和SO₃后的固体混合物，经溶解(或溶解中和)、过滤、浓缩可得到甲壳素/壳聚糖硫酸酯(盐)粗品。酯化产物在纯度要求不高的情况下也可以不经纯化直接作为下一步反应原料或通过加入亲核试剂等直接生成下游甲壳素衍生物。本工艺的突出优点如下：①工艺简单，条件温和，投资少，可实现清洁生产；②可高转化率和高收率获得产物，并直接的转化为下游衍生物；③溶剂沸点适中，易与SO₃一起脱除，进行循环套用；④基本不碳化，产品中无毒副离子和溶剂残留，副产物少，纯度高；⑤原料来源丰富、产品成本低、用途广泛、市场潜力大，具有很好的产业化前景。

具体实施步骤

1.SO₃溶液的配制

将SO₃的固体或气体在冷却下加入或通入指定溶剂中，搅拌下使其充分互溶，配成所需反应量的SO₃溶液。

2.甲壳素原料的准备

将甲壳素/壳聚糖烘干或将虾壳粉粹烘干备用。

3.甲壳素/壳聚糖的硫酸酯化

准确称取烘干的物料在室温或冷却搅拌下，慢慢投入定量的SO₃溶液中，保持合适的反应温度，搅拌反应一定时间。相关实验内容如下：

A.SO₃/1，2-二氯乙烷溶液不同用量(n_U∶n_SO3＝1∶6.4，1∶4.8，1∶3.2，1∶1.6，1∶0.8)下的甲壳素转化率。

B.SO₃/1，2-二氯乙烷溶液不同浓度(C＝4mol/L，3mol/L，2mol/L，1mol/L，0.5mol/L)下甲壳素转化率。

C.不同反应温度(T＝-2℃，8℃，18℃，28℃，38℃，48℃，58℃)下的甲壳素转化率。

D.不同反应时间(t＝0.5h，1h，2h，3h，5h，10h)下甲壳素转化率。

E.虾壳粉等含甲壳素的粉体的硫酸酯化效果。

F.H₂SO₄/1，2-二氯乙烷体系与SO₃/1，2-二氯乙烷体系对甲壳素硫酸酯化效果的对比实验。

鉴于SO₃/有机卤化合物硫酸酯化体系对甲壳素纯品良好的酯化效果，我们选用了虾壳粉等含甲壳素粉体进行了硫酸酯化实验。实验条件为：n_U∶n_SO3＝1∶0.8～6.4，SO₃的浓度为0.5～4mol/L，反应时间0.5～20h，反应温度0～30℃。采用下述后处理方法得所需产品。其中虾壳粉等含甲壳素粉体由于含有一定量的蛋白质等其它成分，在SO₃硫酸酯化的过程中更易变色，可通过对硫酸酯化条件的调整解决。

4.后处理方法

1)甲壳素硫酸酯后处理方法：

反应结束后脱溶剂脱SO₃的固体混合物，经溶解或溶解中和、过滤、浓缩可到甲壳素/壳聚糖硫酸酯或甲壳素/壳聚糖硫酸酯盐粗品，或在酯化产物纯度要求不高的情况下不经纯化直接作为下一步反应原料，通过加入亲核试剂等直接生成甲壳素/壳聚糖硫酸酯衍生物。脱溶剂脱SO₃的固体混合物具体处理方式如下：

①用水洗，过滤掉未反应完的不溶性甲壳素。烘干称重，利用失重法计算可溶性甲壳素的转化率。

②直接碱中和过滤掉未反应完的不溶性甲壳素，可以得到甲壳素硫酸盐水溶液。

③用于结构测定的甲壳素硫酸酯后处理方法：加入一定量二氯乙烷旋蒸带出残留的SO₃，必要时可重复此操作。再用乙醇沉淀分离出甲壳素硫酸酯，根据需要可再用无水乙醇溶液洗涤产品多次，以除去残余的SO₃和溶剂等。60℃真空干燥12h，得到NaCS固体。记重，计算甲壳素硫酸酯得率。

④用于结构测定的甲壳素硫酸盐后处理方法：将③中精制的纤维素硫酸酯用0.3ml/L的NaOH调pH到8～10，加入大量乙醇沉淀出NaCS，5000rad/min离心得到凝胶状NaCS，用乙醇再次洗涤产品两次，60℃真空干燥12h，得到NaCS固体。记重，计算甲壳素硫酸盐得率。

⑤将②③④中所得产品通过加入亲核试剂等直接生成甲壳素/壳聚糖硫酸酯衍生物。

5.收率判断与产品的分析

因为甲壳素/壳聚糖不溶于水，甲壳素/壳聚糖硫酸酯或其盐均易溶于水中，因此可通过减量法简便推算出可溶于水的甲壳素的转化率。甲壳素原料添加量记为M，反应结束后反应混合物经脱溶脱SO₃，乙醇洗涤数次后，加水溶解，0.3mol/L的NaOH中和，离心取上清液，剩余固体烘干记重为M_余，乙醇沉淀出产品，50℃真空干燥所得产品，称重，其质量记为M_产。水溶性产品得率为M_产/M，甲壳素转化率为M_余/M。产品的相关检验和分析方法参见表一。

表一：产品分析项目及分析方法

附图说明：

附图1为实施例4中水溶性产品的核磁碳谱谱。

附图2为实施例4中水溶性产品的FT-IR谱图。

具体实施方式

本发明可用下文中的非限定性实施例作进一步的说明。以下的实施例反映了不同配比、SO₃浓度、温度、时间、原料、溶剂的条件下的实施效果。

实施例1

将固体或气体SO₃，加入或通入冷却的1，2-二氯乙烷中配成4mol/L的SO₃/1，2-二氯乙烷溶液。然后将甲壳素按表中的用量加入反应器中，在不同SO₃溶液浓度、用量、反应时间和反应温度等条件下对甲壳素转化率的相关实验与对照实验结果参见表二、表三、表四、表五。

表二：不同SO₃浓度下甲壳素转化率结果统计

注：＊甲壳素转化率为可溶性甲壳素硫酸酯的转化率(下同)

n_U∶n_SO3为甲壳素单元结构的摩尔数和SO₃摩尔数的比值(下同)

表三不同SO₃用量下甲壳素转化率结果统计

表四不同反应温度下甲壳素转化率结果统计

表五不同反应时间下甲壳素转化率结果统计

实施实例2

将固体或气体SO₃，加入或通入冷却的1，2-二氯乙烷中配成4mol/L的SO₃/二氯乙烷溶液。然后以虾壳粉等含甲壳素的粉体为原料，按表七中的实验条件进行反应，相关实验与对照实验结果参见表六。

表六不同甲壳素的硫酸酯化效果探究

实施实例3

用98％浓硫酸直接与甲壳素反应或者98％浓硫酸在1，2-二氯乙烷分散条件下与甲壳素反应，相关实验与对照实验结果参见表七。

表七H₂SO₄的硫酸酯化效果

实施实例4

以实验110为例，将0.5g甲壳素与1.00mol/L的SO₃溶液在24℃条件下反应2h。反应结束后旋蒸出剩余的SO₃和溶剂，加无水乙醇洗涤数次，然后加水溶解，0.3mol/L的NaOH中和至pH＝8～10，离心取上清液，透析48h，浓缩透析液，加入大量乙醇沉淀出产品，50℃真空干燥得产品。

产品元素分析、核磁、红外表征，均证明产品为甲壳素硫酸酯，表征数据如下：

表八水溶性产品取代度表征

随着磺酸基的引入，产品水溶性增加。水溶性产品核磁碳谱谱图见附图1，从中分析可知：产品以6-O取代产品为主，通过积分可得产品的6-O取代度约为0.5，与元素分析表征结果基本一致。

水溶性产品FT-IR谱图见附图2，从中分析可知：较原料甲壳素而言，产品中出现了800～820cm^-1的新峰，此为C-O-S的伸缩振动峰；同时也出现明显的1258cm^-1的-O-SO₂-O-Na的伸缩振动峰。

Claims (9)

1.一种合成甲壳素/壳聚糖硫酸酯的方法，其特征在于，将含一定浓度SO₃的非质子性溶剂溶液直接与甲壳素/壳聚糖原料接触混合，在一定温度下反应一定时间，再经脱溶、过滤处理，即得到甲壳素/壳聚糖硫酸酯，可进一步制备其衍生物，残余的溶剂和原料可回收循环套用于下一批合成体系；其中，非质子性溶剂选自1，2-二氯乙烷、二氯甲烷或二氯丙烷。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，甲壳素/壳聚糖原料选自甲壳素、壳聚糖、虾壳粉或者是回收的反应中未溶解的原料。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，制取甲壳素/壳聚糖硫酸酯的SO₃使用量n_U∶n_SO3mo摩尔比为1∶0.8～6.4，其中SO₃的浓度为0.5～4mol/L。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，SO₃使用量n_U∶n_SO3为1∶0.8～3.2，SO₃浓度0.5～2mol/L。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，反应温度不超过35℃，反应时间为0.5～20h。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，反应温度为0～30℃，反应时间为1～5h。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，需保证SO₃以气体、固体形式加入溶剂分散的纤维体系，或先配制成SO₃溶液，或边通入SO₃气体边反应。

8.根据权利要求1所述的方法，其中，将甲壳素/壳聚糖原料悬浮在溶剂中，在缓慢通入三氧化硫或滴加预先配制成的一定浓度的SO₃溶液，反应过程中可以补充或套用回收的溶剂和SO₃原料。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，反应结束后脱溶剂脱SO₃的固体混合物，经溶解或溶解中和、过滤、浓缩可到甲壳素/壳聚糖硫酸酯或甲壳素/壳聚糖硫酸酯盐粗品，或在酯化产物纯度要求不高的情况下不经纯化直接作为下一步反应原料，通过加入亲核试剂直接生成甲壳素/壳聚糖硫酸酯衍生物。