CN103965374B - O-咪唑酯-n-三甲基壳聚糖季铵盐及其制法与应用 - Google Patents
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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-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐及其制备方法与应用。所述O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备方法为：以壳聚糖、甲醛和甲酸为起始原料，微波反应制得壳聚糖希夫碱后再与碘甲烷反应制得N,N,N-三甲基壳聚糖；利用咪唑二羧酸和氯化亚砜制得咪唑酸酰氯，将咪唑酸酰氯加入到N,N,N-三甲基壳聚糖中得到O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。所述O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐不仅具有良好的水溶性，且抗菌性有了很大的提高，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
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-咪唑酯-N-三甲基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位的甲基化可以有效改善其水溶性和提高抗菌性能(DomardA，RinaudoM，TerrassinC.Newmethodforthequaternizationofchitosan.[J]IntJBiolMacromol，1986，8:105-107.)。
唑类是一种活性很强的内吸型杀菌、抗炎能力的杂环化合物(KwasiA.O.,VanN.N.2-SubstitutedPhenyl-benzimidazoleAntibacterialAgents[P].US,5942532.1999-11-3.)。它是通过与真菌病原的β2微管蛋白结合,破坏β2微管蛋白功能,抑制真菌的有丝分裂和形态构建。研究表明苯并咪唑化合物在咪唑环上不同的位置引入不同基团，具有广谱的杀菌效果(尤其是[1,2-a]苯并咪唑类化合物)；(2)芳环以及N、S等杂原子的引入能较好的提高化合物杀菌活性；(3)连接带有吸电子基团的结构，其抑菌活性会有较大提高。
发明内容
为了克服壳聚糖大分子不溶于水的缺点，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-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐；
本发明的另一目的在于提供上述O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备方法；
本发明的再一目的在于提供上述O-咪唑酯-N-三甲基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-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其结构如式(1)所示：
式(1)：
其中，所述O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的分子量为5.0×104～7.5×104，n为100～150的自然数。
上述的O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，包括如下步骤：
(1)以壳聚糖、甲醛和甲酸为起始原料，微波反应制得壳聚糖希夫碱；再与碘甲烷反应制得N,N,N-三甲基壳聚糖；
(2)将4，5-咪唑二羧酸在0℃冰浴搅拌条件加入到氯化亚砜中，油浴逐渐升温到160℃回流反应进行蒸馏得到咪唑酰氯；将步骤(1)制备得到的N,N,N-三甲基壳聚糖完全溶解在N-甲基吡咯烷酮中，在0℃冰浴条件下逐滴滴加所述的咪唑酰氯，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，用G4漏斗过滤得到的沉淀，再用无水乙醇洗涤，真空环境下干燥至恒重，透析后冷冻干燥制得所述O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
优选的，步骤(1)中所述的壳聚糖为脱乙酰度为95％的、粘均分子量为50000Da的壳聚糖；所述的壳聚糖与碘甲烷的质量比为1：(5～20)。
优选的，步骤(1)中所述微波反应为：在微波功率为400～800W，反应温度为30～60℃的条件下搅拌反应60～240min。
优选的，步骤(2)所述的4，5-咪唑二羧酸与氯化亚砜的质量比为1:(2～10)。
优选的，步骤(2)所述的N,N,N-三甲基壳聚糖与N-甲基吡咯烷酮的质量比为1:(5～20)。
优选的，步骤(2)所述的咪唑酰氯和N,N,N-三甲基壳聚糖的质量比为1:(0.5～4)。
上述的O-咪唑酯-N-三甲基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。
本发明以苯并咪唑为原料合成相应的咪唑二羧酸，再通过酰氯化等步骤与N,N,N-三甲基壳聚糖甲基硫酸盐(TMCMS)继续反应，通过咪唑二羧酸的羧基与N,N,N-三甲基壳聚糖的C6上的羟基进行酯化，将2个具有生物活性的基团键合在一起，制备得到O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，以期获得更好的抑菌活性。
本发明O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备过程示意图如图1所示。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明所述的壳聚糖衍生物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，在壳聚糖N位中接入了三甲基基团改善了壳聚糖的水溶性和增强了抑菌性，又在O位引入了咪唑基团，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-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备过程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例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,N,N-三甲基壳聚糖的合成可以按照现有技术已经报道的方法得到(Synthesis,characterization,andantibacterialactivityofN,O-quaternaryammoniumchitosan[J]CarbohydrateResearch,Volume346,Issue15,8November2011,Pages2445-2450)；咪唑酰氯可按照现有技术已经报道的方法得到(Preparationandantimicrobialactivityofsomecarboxymethylchitosanacylthioureaderivatives[J]InternationalJournalofBiologicalMacromolecules50(2012)1280–1285)，但N,N,N-三甲基壳聚糖及咪唑酰氯的获得不限于该种方式。
实施例1
一种O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：
(1)将4g的壳聚糖溶于200mL去离子水和15mL的甲酸中，搅拌升温至70℃，加入10mL的甲醛溶液，混合均匀后转移至微波常压反应器中，调节微波功率至400W温度30℃反应240min；用15％质量分数的NaOH溶液调节pH至碱性，抽滤，水洗至中性，烘干后加入到50mLN-甲基-2-吡咯烷酮中，添加40mL碘甲烷，40℃反应120h；加入两倍体积的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶剂进行沉淀，，利用去离子水透析后冷冻干燥制得N,N,N-三甲基壳聚糖。
通过X射线光电子能谱(XPS)对样品进行检测可得N,N,N-三甲基壳聚糖的季铵化度为76％。
(2)移取5g的苯并咪唑在冰水浴搅拌条件下加入到100mL的浓硫酸中，升温至80℃，滴加H2O2反应后制得4.6g4，5-二羧酸咪唑。移取4.0g4，5-二羧酸咪唑加入到8mL氯化亚砜中，0℃搅拌0.5h后，逐渐升温至160℃进行蒸馏，收集组分得到2ml的咪唑酰氯，称取1g的N,N,N-三甲基壳聚糖加入到20mL的N-甲基吡咯烷酮中充分溶解后逐滴滴加咪唑酰氯，室温条件下继续反应2.5h，在100℃油浴搅拌回流条件下反应6h，用乙醇沉淀、洗涤，真空环境下干燥至恒重，得到产物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
对产物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐进行核磁共振1H分析，计算可得O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的酯化度为24％。
实施例2
一种O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：
(1)将4g的壳聚糖溶于200mL去离子水和15mL的甲酸中，搅拌升温至70℃，加入10mL的甲醛溶液，混合均匀后转移至微波常压反应器中，调节微波功率至500W温度40℃反应180min；用15％质量分数的NaOH溶液调节pH至碱性，抽滤，水洗至中性，烘干后加入到50mLN-甲基-2-吡咯烷酮中，添加40mL碘甲烷，40℃反应120h；加入两倍体积的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶剂进行沉淀，利用去离子水透析后冷冻干燥制得N,N,N-三甲基壳聚糖。
通过X射线光电子能谱(XPS)对样品进行检测可得N,N,N-三甲基壳聚糖的季铵化度为75％。
(2)移取5g的苯并咪唑在冰水浴搅拌条件下加入到100mL的浓硫酸中，升温至80℃，滴加H2O2反应后制得4，5-二羧酸咪唑。移取4.0g4，5-二羧酸咪唑加入到16mL氯化亚砜中，0℃搅拌0.5h后，逐渐升温至160℃进行蒸馏，收集组分得到2ml的咪唑酰氯，称取2g的N,N,N-三甲基壳聚糖加入到30mL的N-甲基吡咯烷酮中充分溶解后逐滴滴加咪唑酰氯，室温条件下继续反应2.5h，在90℃油浴搅拌回流条件下反应12h，用乙醇沉淀、洗涤，真空环境下干燥至恒重，得到产物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
对产物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐进行核磁共振1H分析，计算可得O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的酯化度为19％。
实施例3
一种O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：
(1)将4g的壳聚糖溶于200mL去离子水和15mL的甲酸中，搅拌升温至70℃，加入10mL的甲醛溶液，混合均匀后转移至微波常压反应器中，调节微波功率至600W温度50℃反应120min；用15％质量分数的NaOH溶液调节pH至碱性，抽滤，水洗至中性，烘干后加入到50mLN-甲基-2-吡咯烷酮中，添加40mL碘甲烷，40℃反应120h；加入两倍体积的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶剂进行沉淀，利用去离子水透析后冷冻干燥制得N,N,N-三甲基壳聚糖。
通过X射线光电子能谱(XPS)对样品进行检测可得N,N,N-三甲基壳聚糖的季铵化度为75.2％。
(2)移取5g的苯并咪唑在冰水浴搅拌条件下加入到100mL的浓硫酸中，升温至80℃，滴加H2O2反应后制得4，5-二羧酸咪唑。移取4.0g4，5-二羧酸咪唑加入到24mL氯化亚砜中，0℃搅拌0.5h后，逐渐升温至160℃进行蒸馏，收集组分得到2ml的咪唑酰氯，称取6g的N,N,N-三甲基壳聚糖加入到30mL的N-甲基吡咯烷酮中充分溶解后逐滴滴加咪唑酰氯，室温条件下继续反应2.5h，在80℃油浴搅拌回流条件下反应24h，用乙醇沉淀、洗涤，真空环境下干燥至恒重，得到产物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
对产物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐进行核磁共振1H分析，计算可得O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的酯化度为16％。
实施例4
一种O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：
(1)将4g的壳聚糖溶于200mL去离子水和15mL的甲酸中，搅拌升温至70℃，加入10mL的甲醛溶液，混合均匀后转移至微波常压反应器中，调节微波功率至800W温度60℃反应60min；用15％质量分数的NaOH溶液调节pH至碱性，抽滤，水洗至中性，烘干后加入到50mLN-甲基-2-吡咯烷酮中，添加40mL碘甲烷，40℃反应120h；加入两倍体积的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶剂进行沉淀，利用去离子水透析后冷冻干燥制得N,N,N-三甲基壳聚糖。
通过X射线光电子能谱(XPS)对样品进行检测可得N,N,N-三甲基壳聚糖的季铵化度为76.3％。
(2)移取5g的苯并咪唑在冰水浴搅拌条件下加入到100mL的浓硫酸中，升温至80℃，滴加H2O2反应后制得4，5-二羧酸咪唑。移取4.0g4，5-二羧酸咪唑加入到24mL氯化亚砜中，0℃搅拌0.5h后，逐渐升温至160℃进行蒸馏，收集组分得到2ml的咪唑酰氯，称取8g的N,N,N-三甲基壳聚糖加入到16mL的N-甲基吡咯烷酮中充分溶解后逐滴滴加咪唑酰氯，室温条件下继续反应2.5h，在60℃油浴搅拌回流条件下反应48h，用乙醇沉淀、洗涤，真空环境下干燥至恒重，得到产物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
对产物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐进行核磁共振1H分析，计算可得O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的酯化度为12％。
实施例5、O-咪唑酯--N-三甲基壳聚糖季铵盐抗菌性能的测试
本发明所述O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的抑菌活性的测定：
采用培养基扩散法确定O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐试样对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌的抗菌活性。根据《消毒技术规范2006》中对抑菌作用的判断：抑菌圈直径大于20mm表示具有强抑菌效果，抑菌圈在10mm～20mm为中等抑菌，抑菌圈小于10mm为弱抑菌，抑菌圈在7mm即具有抑菌性来判定化合物的抑菌效果。营养肉汤稀释法测量原料壳聚糖及本发明所述O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)，数据见表1。
表1.壳聚糖及O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐抗菌性能测试结果
由表中抑菌圈直径实验数据可知，本发明产物O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌的抑菌作用明显强于未改性的壳聚糖；是一种抑菌效果优良的生物质抑菌材料，可广泛用于抗菌材料、日用化学产品、工业废水处理等众多应用领域。
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 (8)
1.一种O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其特征在于结构如式(1)所示：
其中，所述O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的分子量为5.0×104～7.5×104，n为100～150的自然数。
2.一种根据权利要求1所述的O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)以壳聚糖、甲醛和甲酸为起始原料，微波反应制得壳聚糖希夫碱；再与碘甲烷反应制得N,N,N-三甲基壳聚糖；
(2)将4，5-咪唑二羧酸在0℃冰浴搅拌条件加入到氯化亚砜中，油浴逐渐升温到160℃回流反应进行蒸馏得到咪唑酰氯；将步骤(1)制备得到的N,N,N-三甲基壳聚糖完全溶解在N-甲基吡咯烷酮中，在0℃冰浴条件下逐滴滴加所述的咪唑酰氯，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，用G4漏斗过滤得到的沉淀，再用无水乙醇洗涤，真空环境下干燥至恒重，透析后冷冻干燥制得所述O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的壳聚糖为脱乙酰度为95％的、粘均分子量为50000Da的壳聚糖；所述的壳聚糖与碘甲烷的质量比为1∶(5～20)。
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400～800W，反应温度为30～60℃的条件下搅拌反应60～240min。
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4，5-咪唑二羧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,N,N-三甲基壳聚糖与N-甲基吡咯烷酮的质量比为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)所述的咪唑酰氯和N,N,N-三甲基壳聚糖的质量比为1:(0.5～4)。
8.根据权利要求1所述的O-咪唑酯-N-三甲基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。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160106 Termination date: 20210428 |