CN104788585B

CN104788585B - 一种氨基葡萄糖合成甲壳素及其衍生物的方法

Info

Publication number: CN104788585B
Application number: CN201510114679.1A
Authority: CN
Inventors: 赵黎明; 朱俊颖; 施张宇; 冯世鹏; 魏杰; 张敏; 邱勇隽
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2015-03-16
Filing date: 2015-03-16
Publication date: 2018-04-03
Anticipated expiration: 2035-03-16
Also published as: CN104788585A

Abstract

本发明涉及一种氨基葡萄糖合成甲壳素及其衍生物的方法，该方法以氨基葡萄糖为单体，利用糖端基离去基团，在Lewis酸催化下合成脱氧葡萄糖的壳寡糖及其衍生物。与现有的从虾蟹壳化学法制备甲壳素然后进一步制备聚糖和寡糖的技术相比，本发明方法是一种绿色、环境友好的甲壳素及其衍生物的方法，具有成本低、环境友好、操作较为简单、重复性和稳定性较高等优点。

Description

一种氨基葡萄糖合成甲壳素及其衍生物的方法

技术领域

本发明涉及功能糖及材料领域，尤其涉及通过氨基葡萄糖合成甲壳素及其衍生物壳聚糖的方法。

背景技术

葡萄糖的一个羟基被一个氨基取代的化合物。分子式C₆H₁₃O₅N，俗称氨基葡萄糖，简称氨糖又名葡萄糖胺，广泛存在于自然界，2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖通常以N-乙酰基衍生物(如甲壳素)或以N-硫酸酯和N-乙酰-3-O-乳酸醚(胞壁酸)形式存在于微生物、动物来源的多糖和结合多糖中。N-乙酰-D-氨基葡萄糖是新型生化药品，是生物体内多种多糖的组成单位，尤其是甲壳类动物的外骨骼含量最高，它在临床上是治疗风湿性及类风湿性关节炎的药物。N-乙酰-D-氨基葡萄糖(NAG)，是甲壳素的单体，经脱乙酰基后成为氨基葡萄糖。目前，NAG的生产方法有两种，一种是甲壳素经酸水解后得到氨基葡萄糖盐酸盐，然后后者经乙酰化、结晶得NAG；另一种方法是通过微生物发酵，将葡萄糖转为NAG。它也可以作为食品抗氧化剂及婴幼儿食品添加剂，糖尿病患者甜味剂。主要用于临床增强人体免疫系统的功能，抑制癌细胞或纤维细胞的过度生长，对癌症和恶性肿瘤起到抑制和治疗作用；对于各种炎症，能起到有效的治疗，对骨关节炎及关节疼痛也有治疗作用。

甲壳素大量存在于海洋节肢动物(如虾、蟹)的甲壳中，也存在于昆虫、藻类细胞膜和高等植物的细胞壁中，分布极其广泛，在自然界的储量仅次于纤维素，每年生物合成的甲壳素有100亿吨之多。因此，它是一种取之不尽、用之不竭的再生资源。甲壳素的化学名称为(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖，它是通过β-1,4糖苷键相连的线性生物高分子，分子量从几十万到几百万。甲壳素脱除乙酰基后的产物是壳聚糖，其化学名称为(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖。甲壳素和壳聚糖具有与纤维素很相近的化学结构，它们的区别仅是在C2位上的羟基分别被一个乙酰氨基和氨基所取代，但它们的化学性质却有较大差别。甲壳素和壳聚糖具有生物降解性、细胞亲和性和生物效应等许多独特的性质，尤其是含有游离氨基的壳聚糖，是天然多糖中唯一的碱性多糖。因此，它们已在废水处理、食品工业、纺织、化工、日用化学品、农业、生物工程和医药等方面得到应用。

壳聚糖的血液相容性、生物官能性、安全性、微生物降解性等优良性能被广泛关注，在医药、食品、化工、化妆品、水处理、金属提取及回收、生化和生物医学工程等诸多领域的应用研究取得了重大进展。在临床医疗中可促进血液凝固和伤口愈合，由于壳聚糖的无毒、能被生物体吸收的特点，可以作为临床用药的缓释基质，还具有激活机体系统、介导机体系统的系列生物学效应，在临床医疗中很有利用价值。

但现有壳聚糖的制备主要是动物来源，存在生物安全隐患，通过单体来合成壳聚糖仍存在技术难关。目前的合成方法主要有以下两种，化学合成法：在合成过程涉及基团的保护和基团的脱去等过程，步骤较为复杂，大量合成三糖以上的低聚体在实践上是不可取的。酶法合成：酶法合成条件温和，且不需要对羟基进行保护。酶法合成的过程是低聚合度寡糖在某些具有转糖苷作用的甲壳素酶及溶菌酶的作用下，延长糖链成为高聚合度的低聚壳聚糖。但是目前合成法仍处于研究阶段，即使成功，其应用也只能是局限在某些寡糖的合成上。因此，亟待一种方法来合成甲壳素和壳聚糖。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种操作较为简单，重复性和稳定性较高的氨基葡萄糖合成甲壳素及其衍生物的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种氨基葡萄糖合成甲壳素及其衍生物的方法，其特征在于，该方法以氨基葡萄糖为单体，利用糖端基离去基团，在Lewis酸催化下合成2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖或N-乙酰-D-氨基葡萄糖为单体的甲壳素及其衍生物。

所述的氨基葡萄糖包括2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖和N-乙酰-D-氨基葡萄糖，所述的甲壳素的衍生物包括以N-乙酰-D-氨基葡萄糖为基本单体的甲壳素及几丁寡糖、以2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖为基本单体的壳聚糖或壳寡糖。

所述的糖端基离去基团包括分子筛和无水二氯甲烷，其中氨基葡萄糖与分子筛和无水二氯甲烷的质量比为：1:0.9～3.0：0.5～2.5。

所述的Lewis酸包括三氟甲基磺酸甲酯、三氟甲基磺酸三甲硅酯；氨基葡萄糖与Lewis酸的摩尔比为：1:0.005～3。

所述的分子筛为粒径为0.2～0.5nm的粉末状分子筛。

所述的单体与糖端基离去基团的反应条件为：先将单体与糖端基离去基团在室温下搅拌30min，然后冷却至0℃，然后在避光条件下加入Lewis酸，再升温至室温，反应2～3h。

甲壳素的合成：是以N-乙酰-D-氨基葡萄糖为单体，在Lewis酸作为催化剂的条件下进行反应制成，反应式如下所示：

壳聚糖的合成：是以氨基葡萄糖为单体，在Lewis酸作为催化剂的条件下进行反应制成，反应式如下所示：

与现有的从虾蟹壳通过酸碱法制备甲壳素及其衍生物的技术相比，本发明提供了一种通过氨基葡萄糖单体合成法制备甲壳素、壳聚糖及其寡糖的方法，为甲壳素及其衍生物的制备提供了一种新的思路。传统工艺和技术对虾蟹壳的资源依赖性极强，生产消耗大量的强酸、强碱，且每吨甲壳素至少排放400吨以上的高浓废水，环保压力巨大；且由于传统化学法制备的甲壳素、壳聚糖、几丁寡糖及壳寡糖的脱乙酰度随原料和反应过程而呈现差异和波动，氨基和乙酰氨基的排列也极其随意，因此产品的标准和质量的稳定性极难统一和标准化。本发明的制备方法，可以分别以氨基葡萄糖、N-乙酰-D-氨基葡萄糖单体为起始原料，利用糖端基离去基团，在Lewis酸催化下合成了一系列2-氨基脱氧葡萄糖为单体的壳聚糖、壳寡糖或N-乙酰-D-氨基葡萄糖为单体的几丁寡糖或甲壳素，也可以由两种单体按一定比例混合聚合成为特定脱乙酰度的多糖或寡糖，原料的单一性和可控性决定了该技术制备的多糖和寡糖均一性强，反应重现性好；由于两种氨糖单体可以通过工业生物技术由葡萄糖经微生物发酵制备，因此该技术不仅操作较为简单，重复性和稳定性较高，而且生产过程清洁、环境友好，对原料的依赖性降低。

具体实施方式

下面用实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的内容不仅限于本实施例中的所涉及的内容。

实施例1：

单体氨基葡萄糖(100mg，0.23mmol，2eq)、粉末状0.4nm分子筛(300mg)及无水二氯甲烷的混合物在室温下搅拌30min，冷却至0℃，加入三氟甲基磺酸甲酯(MeOTf，70μL，0.69mmol，6eq)，然后慢慢升至室温，反应2h，收集反应混合物，用三乙胺中和，经硅藻土过滤后浓缩。粗产物用硅胶柱层析(V(环己烷)：V(乙酸乙酯)＝1:1)，得到最终产物(38mg，收率为41％)。

实施例2：

氨基葡萄糖单体(52mg，0.09mmol，2.2eq)、粉末状0.4nm分子筛(300mg)及无水二氯甲烷的混合物在室温下搅拌30min，冷却至0℃，加入三氟甲基磺酸甲酯(MeOTf，8μL，0.04mmol，1eq)，然后慢慢升至室温，反应3h，反应产物经硅藻土过滤，滤液依次用饱和碳酸氢钠溶液、饱和氯化钠溶液和蒸馏水洗。硫酸镁干燥，浓缩。粗产物用硅胶柱层析(V(环己烷)：V(乙酸乙酯)＝2:1)，得到最终产物(17mg，收率为41％)。

实施例3：

氨基葡萄糖单体(125mg，0.22mmol，2.2eq)、粉末状0.4nm分子筛(650mg)及无水二氯甲烷的混合物在室温下搅拌30min，冷却至0℃，加入三氟甲基磺酸三甲硅酯(TMSOTf，19μL，0.10mmol，1eq)，然后慢慢升至室温，反应3h，反应产物经硅藻土过滤，滤液依次用饱和碳酸氢钠溶液、饱和氯化钠溶液和蒸馏水洗。硫酸镁干燥，浓缩。粗产物用硅胶柱层析(V(环己烷)：V(乙酸乙酯)＝2:1)，得到最终产物(63mg，收率为64％)。

实施例4：

氨基葡萄糖单体(2.57g，4.5mmol，2.5eq)、粉末状0.4nm分子筛(2.700g)及无水二氯甲烷的混合物在室温下搅拌30min，冷却至-15℃，避光，缓慢加入三氟甲基磺酸三甲硅酯(TMSOTf，19μL，0.10mmol，1eq)，然后慢慢升至室温，反应2h，反应产物经硅藻土过滤，滤液依次用饱和碳酸氢钠溶液、饱和氯化钠溶液和蒸馏水洗。硫酸镁干燥，浓缩。粗产物用硅胶柱层析(V(环己烷)：V(乙酸乙酯)＝2:1)，得到最终产物(1.01g，收率为57％)。

实施例5：

氨基葡萄糖单体(928mg，1.98mmol，2.2eq)、粉末状0.4nm分子筛(5.000g)及无水二氯甲烷的混合物在室温下搅拌30min，冷却至0℃，避光，缓慢加入三氟甲基磺酸三甲硅酯(TMSOTf，8μL，0.04mmol，1eq)，然后慢慢升至室温，反应3h，反应产物经硅藻土过滤，滤液依次用饱和碳酸氢钠溶液、饱和氯化钠溶液和蒸馏水洗。硫酸镁干燥，浓缩。粗产物用硅胶柱层析(V(环己烷)：V(乙酸乙酯)＝1:1)，得到最终产物(375g，收率为55％)。

实施例6：

氨基葡萄糖单体(405mg，0.96mmol，2.7eq)、粉末状0.4nm分子筛(400mg)及无水二氯甲烷的混合物在室温下搅拌30min，冷却至-15℃，避光，缓慢加入三氟甲基磺酸三甲硅酯(TMSOTf，8μL，0.04mmol，1eq)，然后慢慢升至室温，反应3h，反应产物经硅藻土过滤，滤液依次用饱和碳酸氢钠溶液、饱和氯化钠溶液和蒸馏水洗。硫酸镁干燥，浓缩。粗产物用硅胶柱层析(V(环己烷)：V(乙酸乙酯)＝2:1)，得到最终产物(35g，收率为12％)。

实施例7：

氨基葡萄糖单体(2.340g，4.08mmol，2eq)、粉末状0.4nm分子筛(2.2g)及无水二氯甲烷的混合物在室温下搅拌30min，冷却至-10℃，避光，缓慢加入三氟甲基磺酸三甲硅酯(TMSOTf，8μL，0.04mmol，1eq)，反应3h，反应产物经硅藻土过滤，滤液依次用饱和碳酸氢钠溶液、饱和氯化钠溶液和蒸馏水洗。硫酸镁干燥，浓缩。粗产物用硅胶柱层析(V(环己烷)：V(乙酸乙酯)＝9:1)，得到最终产物(1.930g，收率为89％)。

实施例8：

一种氨基葡糖合成甲壳素及其衍生物的方法，该方法以N-乙酰-D-氨基葡萄糖为单体，将该单体与分子筛和无水二氯甲烷在室温下搅拌30min，然后冷却至0℃，然后在避光条件下加入Lewis酸，再升温至室温，反应2～3h。

其中氨基葡萄糖与分子筛和无水二氯甲烷的质量比为：1:0.9：2.0，所述的Lewis酸包括三氟甲基磺酸甲酯；氨基葡萄糖与Lewis酸的摩尔比为：1:0.005。所述的分子筛为粒径为0.2nm的粉末状分子筛。

实施例9：

其中氨基葡萄糖与分子筛和无水二氯甲烷的质量比为：1:5.5：0.5，所述的Lewis酸包括三氟甲基磺酸三甲硅酯；氨基葡萄糖与Lewis酸的摩尔比为：1:3。所述的分子筛为粒径为0.5nm的粉末状分子筛。

从上表可以看出，采用本发明方法制成的甲壳素或壳聚糖均一性强，反应重现性好；此法工艺简单，后处理工艺简单，污染少，产物也容易分离，反应条件温和，对壳寡糖的综和利用提供了理论依据。由天然产物中提取到的有生物活性的多搪,往往组分很复杂,分子量变化大,且有时很难得到足够的量以进行生物和化学试验。而用化学合成法得到的寡糖和多糖,结构清楚、组分单一,是研究糖结构与功能关系的理想试样。

Claims

1.一种氨基葡萄糖合成甲壳素及其衍生物的方法，其特征在于，该方法以氨基葡萄糖为单体，利用分子筛和无水二氯甲烷，在Lewis酸催化下合成2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖或N-乙酰-D-氨基葡萄糖为单体的甲壳素及其衍生物；所述的氨基葡萄糖与分子筛和无水二氯甲烷的质量比为：1:0.9~3.0 ：0.5~2.5;所述的Lewis酸包括三氟甲基磺酸甲酯或三氟甲基磺酸三甲硅酯；氨基葡萄糖与Lewis酸的摩尔比为：1:0.005~3；

所述的单体与分子筛和无水二氯甲烷的反应条件为：先将单体与分子筛和无水二氯甲烷在室温下搅拌30min，然后冷却至0℃，然后在避光条件下加入Lewis酸，再升温至室温，反应2~3h。

2.根据权利要求1所述的一种氨基葡萄糖合成甲壳素及其衍生物的方法，其特征在于，所述的氨基葡萄糖包括2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖或N-乙酰-D-氨基葡萄糖，所述的甲壳素及其衍生物包括以N-乙酰-D-氨基葡萄糖为基本单体的甲壳素及几丁寡糖、以2-氨基-2-脱氧-D-葡萄糖为基本单体的壳聚糖或壳寡糖。

3.根据权利要求1所述的一种氨基葡萄糖合成甲壳素及其衍生物的方法，其特征在于，所述的分子筛为粒径为0.2~0.5nm的粉末状分子筛。