CN103951765A

CN103951765A - O-富马酯-n-壳聚糖季铵盐及其制法与应用

Info

Publication number: CN103951765A
Application number: CN201410174092.5A
Authority: CN
Inventors: 杨仁党; 李知函; 程峥
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-04-28
Filing date: 2014-04-28
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2034-04-28
Also published as: CN103951765B

Abstract

本发明属于高分子化合材料领域，公开了一种壳聚糖化学改性的功能衍生物O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐及其制备方法与应用。所述的O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的制备方法为：以壳聚糖与2，3-环氧丙基三甲基氯化铵通过微波反应制得N-壳聚糖季铵盐；利用富马酸和氯化亚砜制备的富马酰氯与N-壳聚糖季铵盐反应制得O-富马酰-N-壳聚糖季铵盐。所述O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐不仅具有良好的水溶性，且抗菌性相比壳聚糖有了很大的提高，可以应用到抗菌材料、日用化学产品、工业废水处理等众多应用领域。

Description

O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐及其制法与应用

技术领域

本发明属于高分子化合材料领域，具体涉及一种壳聚糖化学改性的功能衍生物O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐及其制备方法与应用。

背景技术

随着社会的发展和科技的进步，人们对抗菌材料越来越重视，日常生活中常用的抗菌剂主要有三类：无机金属矿物材料、有机杂环抑菌材料和天然抗菌材料。由于天然抗菌防腐剂来源于自然、对人体安全性高、且符合绿色环保要求，近年来受到人们的欢迎。天然抗菌剂的研究和开发利用成了应用化学的一个热点。

壳聚糖在自然界中广泛存在于虾、蟹和昆虫的外壳以及藻类、菌类的细胞壁之中，是一种来源丰富、具有多种生物活性的天然高分子。近年来，壳聚糖良好的生物降解性、生物相容性、成膜特性、吸附缓释和较强的抗菌防腐保鲜能力已引起了广泛的关注和重视，在环境保护、生物医药、食品工业和化工等方面的开发应用研究十分活跃。通过对壳聚糖进行酰基化、烷基化、羟基化、醛亚胺基化、硫酸酯化、羧甲基化、季铵化等化学改性，可以得到具有一定官能团的壳聚糖衍生物，有效的改善其性能。有研究表明，对壳聚糖进行N位的季铵化可以有效改善其水溶性和提高抗菌性能(Domard A，Rinaudo M，TerrassinC.New method for the quaternization of chitosan.[J]Int J Biol Macromol，1986，8:105-107.)。

富马酸又叫反丁烯二酸，它的分子中含有双键和两个羧基，是一种具有抑菌作用的食品级酸味剂(Chikthimmah N,Laborde L F,Beelman R B.CriticalFactors Affecting the Destruction of Escherichia coli O157:H7in Apple CiderTreated with FumaricAcid and Sodium Benzoate[J].Journal of Food Science,2003,68:1438-144)。富马酸及酯类(富马酸二甲酯、富马酸单甲酯单乙酯)衍生物对大肠杆菌、沙门氏菌等多种食品病原菌都有很强的抑制作用，研究表明：当富马酸二甲酯在培养基中的浓度为200ppm时，其对E.coli.具有很强的抑制能力(Rubin,J.Loon.Meat curing compositions and method of us[P].US4,559,234)。

壳聚糖大分子具有不溶于水的特性，限制了其抗菌应用。

发明内容

为了克服现有技术的缺点与不足，本发明的首要目的在于提供一种新型的具有抗菌效果的水溶性壳聚糖衍生物：O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐；

本发明的另一目的在于提供上述O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的制备方法；

本发明的再一目的在于上述O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的应用。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐，其结构如式(1)所示：

式(1)：

其中，R₁为CH₂CH(OH)CH₂N(CH₃)₃Cl，所述O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的分子量为5.0×10⁴～9.9×10⁴，n为100～300的自然数。

上述的O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的制备方法，包括如下步骤：

(1)将壳聚糖与2，3-环氧丙基三甲基氯化铵(ETA)通过微波反应制得N-壳聚糖季铵盐；

(2)将富马酸分散在二氯甲烷(DCM)中，冰浴搅拌条件下滴加氯化亚砜，0℃下搅拌反应0.5h后转移到油浴环境中，逐渐升温到140～160℃回流反应进行蒸馏得到富马酰氯；将步骤(1)制备得到的N-壳聚糖季铵盐在甲烷磺酸溶液中完全溶解后逐滴滴加所述富马酰氯，滴加结束后室温条件下继续反应2.5h，再升温到60～100℃进行回流反应6～48h，反应结束后利用丙酮进行沉淀，将沉淀产物通过G4漏斗过滤，再用无水乙醇洗涤，真空环境下干燥至恒重，透析后冷冻干燥得到O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐。

优选的，步骤(1)中所述壳聚糖为脱乙酰度为95％、粘均分子量为50000Da的壳聚糖；壳聚糖与2，3-环氧丙基三甲基氯化铵的质量比为1:(3～9)；

优选的，步骤(1)中所述微波反应为：在微波功率为600W～800W、反应温度为40～70℃的条件下搅拌反应60～120min；

优选的，步骤(2)所述的富马酸与氯化亚砜的质量比为1:(2～10)；

优选的，步骤(2)所述的N-壳聚糖季铵盐与甲烷磺酸的质量比为1:(5～20)；

优选的，步骤(2)所述的富马酰氯和N-壳聚糖季铵盐的质量比为(1～6):1。

上述的O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐在抗菌生物材料、日用化工产品和工业废水处理领域中的应用。

本发明内容利用富马酸分子含有两个羧基这一结构特征，通过对富马酸的羧基进行酰氯化反应制得更易发生酯化反应的富马酰氯，与N-壳聚糖季铵盐的C₆上的羟基进行酯化反应，制备得到O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐。

本发明O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的制备过程如图1所示。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

发明所述的壳聚糖衍生物O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐，对壳聚糖N位中进行了季铵化改善了壳聚糖的水溶性和增强了抑菌性，又在O位引入了富马酯基团，进一步增强了壳聚糖的抗菌活性和亲水性，两种活性基团有效的结合在一起，相互产生协同增效性，抗菌性较单一的壳聚糖季铵盐或壳聚糖好，扩大了壳聚糖的应用范围。

附图说明

图1为O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的制备过程示意图。

图2为壳聚糖的IR图谱。

图3为O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的IR图谱。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

本发明制备方法中各起始原料可从市场购得或按照现有技术方法制备获得。在本实施例中，N-壳聚糖季铵盐的合成可以按照现有技术已经报道的方法得到(Liu,B.,Wang,X.Y.,Li,X.Y.,Zeng,X.J.,Sun,R.C.,&Kennedy,J.F.(2012).Rapid exfoliation of rectorite in quaternized carboxymethyl chitosan.[J]CarbohydratePolymers,90,1826–1830.)；富马酰氯可按照现有技术已经报道的方法得到(V.A.Vasnev，A.I.Tarasov，G.D.Markova.Synthesis and properties of acylated chitin andchitosan derivatives[J].Carbohydrate Polymers，2006，64：184-189.)，但N-壳聚糖季铵盐与富马酰氯的获得不限于该种方式。

实施例1

一种O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：

(1)在三口烧瓶中加入3g粘均分子量为5.0×10⁴，脱乙酰度为95％的壳聚糖，加入异丙醇50mL，搅拌并使其润胀0.5h，再加入40wt％的氢氧化钠溶液25mL，搅拌6h使壳聚糖在25℃的碱性条件下形成润胀的碱化中心，再将9g的2，3-环氧丙基三甲基氯化铵分多次加入，转移到微波反应仪器中在40℃，600W的情况下微波反应120min，用95％(v/v)的乙醇溶液洗涤过滤，加入丙酮进行沉淀，在60℃真空条件下干燥得到N-壳聚糖季铵盐。

通过电位滴定法测得N-壳聚糖季铵盐的取代度为61.4％。

(2)取1.16g富马酸分散于10mL二氯甲烷中，冰水浴条件下加入2.32g的氯化亚砜，于0℃搅拌反应0.5h后逐渐升温至160℃进行蒸馏，收集组分得到1g富马酰氯液体；称取1g的N-壳聚糖季铵盐加入到5g的甲烷磺酸中充分溶解后逐滴滴加富马酰氯，滴加结束后室温条件下继续反应2.5h，逐渐升温至100℃，油浴搅拌回流条件下继续反应6h，反应结束后利用丙酮进行沉淀，用G4漏斗过滤，沉淀用无水乙醇多次洗涤，真空环境下干燥至恒重后透析冷冻干燥，得到产物O-富马酰-N-壳聚糖季铵盐。

通过核磁共振1H积分计算测得N-壳聚糖季铵盐中O-位的富马酯的取代度为12.4％；由凝胶渗透色谱(GPC)测得O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的分子量为8.2×10⁴。

实施例2

一种O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：

(1)在三口烧瓶中加入3g粘均分子量为5.0×10⁴，脱乙酰度为95％的壳聚糖，加入异丙醇50mL，搅拌并使其润胀0.5h，再加入40wt％的氢氧化钠溶液25mL，搅拌6h使壳聚糖在25℃的碱性条件下形成润胀的碱化中心，再将15g的2，3-环氧丙基三甲基氯化铵分多次加入，转移到微波反应仪器中在50℃，600W的情况下微波反应90min，用95％(v/v)的乙醇溶液洗涤过滤，加入丙酮进行沉淀，在60℃真空条件下干燥得到N-壳聚糖季铵盐。

通过电位滴定法测得N-壳聚糖季铵盐的取代度为69％。

(2)取2.32g富马酸分散于10mL二氯甲烷中，冰水浴条件下加入9.28g的氯化亚砜，于0℃搅拌反应0.5h后逐渐升温至160℃进行蒸馏，收集组分得到2g富马酰氯液体；称取1g N-壳聚糖季铵盐加入到10g的甲烷磺酸中充分溶解后逐滴滴加富马酰氯，滴加结束后室温条件下继续反应2.5h，，加逐渐升温至90℃，油浴搅拌回流条件下继续反应12h，反应结束后利用丙酮进行沉淀，用G4漏斗过滤，沉淀用无水乙醇多次洗涤，真空环境下干燥至恒重后透析冷冻干燥，得到产物O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐。

通过核磁共振¹H积分计算测得N-壳聚糖季铵盐O-位的富马酯的取代度为19.5％；由凝胶渗透色谱(GPC)测得O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的分子量为8.7×10⁴。

实施例3

一种O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：

(1)在三口烧瓶中加入3g粘均分子量为5.0×10⁴，脱乙酰度为95％的壳聚糖，加入异丙醇50mL，搅拌并使其润胀0.5h，再加入40wt％的氢氧化钠溶液25mL，搅拌6h使壳聚糖在25℃的碱性条件下形成润胀的碱化中心，再将21g的2，3-环氧丙基三甲基氯化铵分多次加入，转移到微波反应仪器中在70℃，700W的情况下微波反应60min，用95％(v/v)的乙醇溶液洗涤过滤，加入丙酮进行沉淀，在60℃真空条件下干燥得到N-壳聚糖季铵盐。

通过电位滴定法测得N-壳聚糖季铵盐的取代度为78％。

(2)取3.48g富马酸分散于10mL二氯甲烷中，冰水浴条件下加入20.88g的氯化亚砜，0℃搅拌反应0.5h后逐渐升温至160℃进行蒸馏，收集组分得到3g富马酰氯液体；称取1g N-壳聚糖季铵盐加入到15g的甲烷磺酸中充分溶解后逐滴滴加富马酰氯，滴加结束后室温条件下继续反应2.5h，逐渐升温至80℃，油浴搅拌回流条件下继续反应24h。反应结束后利用丙酮进行沉淀，用G4漏斗过滤，沉淀用无水乙醇多次洗涤，真空环境下干燥至恒重后透析冷冻干燥，得到产物O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐。

通过核磁共振¹H积分计算测得N-壳聚糖季铵盐O-位的富马酯的取代度为28％；由凝胶渗透色谱(GPC)测得O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的分子量为9.4×10⁴。

实施例4

一种O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：

(1)在三口烧瓶中加入3g粘均分子量为5.0×10⁴，脱乙酰度为95％的壳聚糖，加入异丙醇50mL，搅拌并使其润胀0.5h，再加入40wt％的氢氧化钠溶液25mL，搅拌6h使壳聚糖在25℃的碱性条件下形成润胀的碱化中心，再将27g的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵分多次加入，转移到微波反应仪器中在80℃，800W的情况下微波反应60min，用95％(v/v)的乙醇溶液洗涤过滤，加入丙酮进行沉淀，在60℃真空条件下干燥得到N-壳聚糖季铵盐。

通过电位滴定法测得N-壳聚糖季铵盐的取代度为84％。

(2)取6.96g富马酸分散于10mL二氯甲烷中，冰水浴条件下加入69.6g的氯化亚砜，0℃搅拌0.5h后逐渐升温至160℃进行蒸馏，收集组分得到6g富马酰氯液体；称取1g的N-壳聚糖季铵盐加入到20g的甲烷磺酸中充分溶解后逐滴滴加富马酰氯，滴加结束后室温条件下继续反应2.5h，升温至60℃，油浴搅拌回流条件下继续反应48h。反应结束后利用丙酮进行沉淀利，用G4漏斗过滤，得到的沉淀用无水乙醇多次洗涤，真空环境下干燥至恒重后透析冷冻干燥，得到产物O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐。

通过核磁共振¹H积分计算测得N-壳聚糖季铵盐O-位的富马酯的取代度为32％；由凝胶渗透色谱(GPC)测得O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的分子量为9.87×10⁴。

对实施例4的所用原料壳聚糖及所得产物O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐进行红外光谱分析，壳聚糖的红外图谱(IR图谱)如图2所示，O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的红外图谱(IR图谱)如图3所示。由图2、图3分析可知，图2壳聚糖的红外光谱中3425cm^-1的宽峰为壳聚糖的氨基和羟基以及他们之间形成的分子内和分子间氢键的特征吸收，1650cm^-1为C＝O伸缩振动(酰胺I)，1599cm^-1为N-H的面内弯曲振动(酰胺Ⅱ)，1375cm^-1为N-H的面外弯曲振动(酰胺III)，1093^-1为糖环骨架的伸缩振动峰。与壳聚糖的红外图谱不同，图3的O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的红外图谱中在1650和1599cm^-1处的酰胺I和酰胺Ⅱ消失，而在1477cm^-1出现甲基伸缩振动峰，可以归属为壳聚糖在C₂上的氨基发生了甲基化反应得到N-三甲基壳聚糖，同时在1723cm^-1出现一个新的峰，是酯键中的C＝O的特征吸收，1187和1053cm^-1处出现C-O-C特征峰，由此可以归属为C₆发生了酯化反应。以上结果表明本发明所述制备方法生成得到目标产物O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐。

实施例5、O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐抗菌性能的测试

对实施例1～4制备得到的O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐抗菌性能进行检测，测试方法为AATCC100，测试结果如表1所示。

取适量的10mg/mL的O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐溶液，置于100mL无菌带塞三角瓶中，加入液体琼脂培养基，混合均匀，配制得到浓度分别为0.025mg/mL、0.050mg/mL、0.125mg/mL、0.25mg/mL、1.0mg/mL的实验样品。然后划线接种大肠杆菌和金黄色葡萄球菌，在一定温度(大肠杆菌为30℃，金黄色葡萄球菌为37℃)下培养24h后，观察菌落的生长情况并用平板菌落计数法记录菌落数。样品抗菌作用菌数下降的百分率为：

R＝(B-A)/B×100％

式中：R为下降百分率，即抑菌率；A为24h后加入O-富马酰-N-壳聚糖季铵盐中的菌数；B为未加O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐(空白样)的菌数。一般认为，抑菌率大于26％时，可判定该实验样品具有抗菌性。

表1.O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的抑菌效果

由表1可见，当O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐加入量为0.25mg/mL时，已经具备较强的抑菌效果。随着O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐浓度的增加，抑菌率逐渐提高最终实现100％抑制细菌的生长。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐，其特征在于结构如式(1)所示：

式(1)：

2.一种根据权利要求1所述的O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将壳聚糖与2，3-环氧丙基三甲基氯化铵通过微波反应制得N-壳聚糖季铵盐；

(2)将富马酸分散在二氯甲烷中，冰浴搅拌条件下滴加氯化亚砜，0℃下搅拌反应0.5h后转移到油浴环境中，升温到140～160℃回流反应进行蒸馏得到富马酰氯；将步骤(1)制备得到的N-壳聚糖季铵盐在甲烷磺酸溶液中完全溶解后逐滴滴加所述富马酰氯，滴加结束后室温条件下继续反应2.5h，再升温到60～100℃进行回流反应6～48h，反应结束后利用丙酮进行沉淀，将沉淀产物通过G4漏斗过滤，再用无水乙醇洗涤，真空环境下干燥至恒重，透析后冷冻干燥得到O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐。

3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述壳聚糖为脱乙酰度为95％、粘均分子量为50000Da的壳聚糖；壳聚糖与2，3-环氧丙基三甲基氯化铵的质量比为1:(3～9)。

4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述微波反应为：在微波功率为600W～800W、反应温度为40～70℃的条件下搅拌反应60～120min。

5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的富马酸与氯化亚砜的质量比为1:(2～10)。

6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的N-壳聚糖季铵盐与甲烷磺酸的质量比为1:(5～20)。

7.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述的富马酰氯和N-壳聚糖季铵盐的质量比为(1～6):1。

8.根据权利要求1所述的O-富马酯-N-壳聚糖季铵盐在抗菌生物材料、日用化工产品和工业废水处理领域中的应用。