CN107383239A - 一种n‑吡啶脲基壳聚糖季铵盐及其制备方法和应用 - Google Patents

一种n‑吡啶脲基壳聚糖季铵盐及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种N‑吡啶脲基壳聚糖季铵盐及其制备方法和应用。以壳聚糖、氯甲酸甲酯、氨基吡啶、碘甲烷为原料，先制备N‑甲氧羰基壳聚糖，所得N‑甲氧羰基壳聚糖再与氨基吡啶反应，所得N‑吡啶脲基壳聚糖与碘甲烷反应后经过纯化得到N‑吡啶脲基壳聚糖季铵盐。制备的N‑吡啶脲基壳聚糖季铵盐可应用于制备抗氧化剂，可广泛用于生物、医药、食品、化工等领域，其生物活性如抗氧化活性得以提高，制备原料易得，制备简单、条件温和，为高值化壳聚糖的应用开发奠定了基础。

Description

一种N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及日化及医药领域，具体是一种N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐及其制备方法和应用。
背景技术
壳聚糖又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺，壳聚糖因其特殊的分子结构和聚阳离子性质而具有高反应活性和化学可修饰性，可生成各种具有不同性能的壳聚糖衍生物，从而扩大了壳聚糖的应用范围。近年来，壳聚糖及其衍生物在抗氧化性能方面的应用已引起人们的关注，可应用于食品领域，但是由于壳聚糖本身的水溶性较差，严重影响了壳聚糖的使用范围，通过对壳聚糖的化学修饰，可以得到水溶性较好的衍生物，扩大壳聚糖的使用范围。
吡啶杂环由于其选择性好、活性高、用量少、毒性低以及在有害物生化生理反应中的特异性而成为当今医药、农药、表面活性剂、合成材料等领域不可或缺的重要原料和中间体，用途十分广泛。本发明通过对氨基的化学修饰将吡啶基团接入壳聚糖中，以此来提高壳聚糖的生物活性；同时对吡啶环上的氮进行了季铵化，这样既增强了壳聚糖的生物活性，又提高了其水溶性，实现了壳聚糖的高值化利用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种较好抗氧化活性的N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐及其制备方法和应用，以壳聚糖、氯甲酸甲酯、氨基吡啶、碘甲烷为原料，按照如下反应，先制备N-甲氧羰基壳聚糖，所得N-甲氧羰基壳聚糖再与氨基吡啶反应，所得N-吡啶脲基壳聚糖与碘甲烷反应后经过纯化得到N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐。
具体技术方案如下：
一种N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐，所述N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐结构式可以有如下三种形式：
其中，平均聚合度n取值范围是10～1242。
一种N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的应用，所述N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐可应用于制备抗氧化剂。
一种N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的制备方法，以壳聚糖、氯甲酸甲酯、氨基吡啶、碘甲烷为原料，先制备N-甲氧羰基壳聚糖，所得N-甲氧羰基壳聚糖再与氨基吡啶反应，所得N-吡啶脲基壳聚糖与碘甲烷反应后经过纯化得到N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐，具体制备步骤如下：
(1)N-甲氧羰基壳聚糖的制备：
取一定量壳聚糖溶解于水中并置于冰浴条件下，当温度低于10℃时加入一定量的甲醇，当温度低于5℃时加入一定量氯甲酸甲酯并搅拌反应6～7h，期间通过滴加三乙胺控制溶液的pH值保持在2～7，反应结束后用无水乙醇沉淀、过滤、洗涤后将滤饼冷冻干燥，得到N-甲氧羰基壳聚糖；
(2)N-吡啶脲基壳聚糖的制备：
取一定量上述N-甲氧羰基壳聚糖溶解于氯化锂的N,N-二甲基乙酰胺溶液中，加入一定量氨基吡啶进行反应，在110℃条件下搅拌反应12～14h，反应结束后用无水乙醇沉淀，经过滤、洗涤后将滤饼冷冻干燥，得到N-吡啶脲基壳聚糖；
(3)N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的制备：
取一定量上述N-吡啶脲基壳聚糖分散于N-甲基-2-吡咯烷酮中，分散均匀后加入相应摩尔比的碘甲烷，在60～70℃条件下搅拌反应20～24h，反应结束后用丙酮沉淀、过滤、洗涤后将滤饼纯化冷冻干燥，得N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐。
步骤(1)中所述氯甲酸甲酯与壳聚糖的摩尔比为的(6～8)：1，所述无水乙醇用量为每1g壳聚糖使用300mL；
步骤(2)中所述氯化锂的N,N-二甲基乙酰胺溶液质量浓度为8％，所述氨基吡啶与N-甲氧羰基壳聚糖的摩尔比为(6～8)：1，所述无水乙醇用量为每1gN-甲氧羰基壳聚糖使用100mL；
步骤(3)中所述碘甲烷与N-吡啶脲基壳聚糖的摩尔比为(2～3)：1。
步骤(3)所述纯化操作如下：将滤纸制成圆柱状滤纸筒，将所述滤饼装入滤纸筒中，将开口端折叠封住，放入提取筒中，将盛有丙酮的圆底烧瓶安装于油浴锅上，安装好索氏提取装置，在95℃条件下加热回流48h，完成纯化。
本方法的优点是：
(1)与壳聚糖相比本发明在形成甲氧羰基后，使得壳聚糖可以直接和氨基吡啶反应生成N-吡啶脲基壳聚糖，从而能利用吡啶氮原子上孤对电子的亲核性与碘甲烷进行季铵化反应，生成具有较高生物活性的N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐。
(2)本发明制备得到N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐，其生物活性如抗氧化活性得以提高。由于氨基吡啶的抗氧化活性较好，因此本发明通过对氨基的化学修饰将氨基吡啶接入到了壳聚糖中，并对吡啶上的氮进行了季铵化反应，以此来进一步提高壳聚糖的水溶性和生物活性，实验证明水溶性和抗氧化活性确实明显增强，这为壳聚糖的高值化利用奠定了基础。
(3)本发明在合成工艺上合成步骤简单、所需设备及原料易得、成本较低、易于推广，而且本产品产率较高，可达50％以上。本发明所得产品可广泛用于生物、医药、食品、化工等领域。
附图说明
图1为壳聚糖的红外光谱图；
图2为本发明实施例3中N-甲氧羰基壳聚糖的红外光谱图；
图3为本发明实施例1中N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖的红外光谱图；
图4为本发明实施例2中N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖的红外光谱图；
图5为本发明实施例3中N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖的红外光谱图；
图6为本发明实施例1中N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐的红外光谱图；
图7为本发明实施例2中N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐的红外光谱图；
图8为本发明实施例3中N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐的红外光谱图；
图9为本发明N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的合成路线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施例和附图所限。
图9为本发明N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的合成路线图，其中，R为吡啶基，R1可以为2-吡啶基，3-吡啶基，4-吡啶基，R2可以为2-N-甲基吡啶基，3-N-甲基吡啶基，4-N-甲基吡啶基。平均聚合度n取值范围是10～1242。
以下实施例按该合成路线合成目标化合物N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐。
实施例1
(1)N-甲氧羰基壳聚糖的制备：取1g壳聚糖在室温条件下溶解于30mL蒸馏水中，然后置于冰浴条件下，当温度低于10℃时加入30mL甲醇，当温度低于5℃时加入2.88mL氯甲酸甲酯并搅拌反应6h，期间通过滴加三乙胺控制溶液的pH值为2～7，反应结束后用无水乙醇沉淀、过滤、洗涤后将滤饼冷冻干燥，得产物N-甲氧羰基壳聚糖1.3g，待用。
(2)N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖：取1gN-甲氧羰基壳聚糖溶于20mL质量浓度为8％的氯化锂的N，N-二甲基乙酰胺溶液中，而后加入2.58g的2-氨基吡啶，在110℃条件下搅拌反应12h，反应结束后直接用乙醇沉淀，经抽滤、洗涤、真空冷冻干燥后得N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖。
(3)取0.56g上述步骤(2)所得的N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖分散于12mL的N-甲基-2-吡咯烷酮中，分散均匀后加入0.25mL碘甲烷，在60℃条件下搅拌反应20h，反应结束后用丙酮沉淀，经纯化和冷冻干燥后得N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐目标产物，其中，n＝10～1242。
图1为壳聚糖的红外光谱图，图3为本发明实施例1中N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖的红外光谱图，由图可见，甲氧羰基在1700cm-1左右处的峰消失，在1650cm-1处出现脲基尖锐的吸收峰，且在指纹区782cm-1左右处有吡啶环的振动吸收峰，由此可证明N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖合成。
图6为本发明实施例1中N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐的红外光谱图，由图可见，N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖的特征吸收峰依然存在，而且在1454cm-1处出现了三甲基的振动吸收峰，由此可证明N-(2-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐合成。
实施例2
(1)N-甲氧羰基壳聚糖的制备：取1g壳聚糖在室温条件下溶解于30mL蒸馏水中，然后置于冰浴条件下，当温度低于10℃时加入35mL甲醇，当温度低于5℃时加入3.36mL氯甲酸甲酯并搅拌反应6.5h，期间通过滴加三乙胺控制溶液的pH值为2～7，反应结束后用无水乙醇沉淀、过滤、洗涤后将滤饼冷冻干燥，得产物N-甲氧羰基壳聚糖1.5g，待用。
(2)N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖：取1gN-甲氧羰基壳聚糖溶于25mL质量浓度为8％的氯化锂的N，N-二甲基乙酰胺溶液中，而后加入3.01g的3-氨基吡啶，在110℃条件下搅拌反应13h，反应结束后直接用乙醇沉淀，经抽滤、洗涤、真空冷冻干燥后得N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖。
(3)取0.56g上述步骤(2)所得的N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖分散于15mL的N-甲基-2-吡咯烷酮中，分散均匀后加入0.31mL碘甲烷，在70℃条件下搅拌反应22h，反应结束后用丙酮沉淀，经纯化和冷冻干燥后得N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐目标产物，其中，n＝10～1242。
图4为本发明实施例2中N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖的红外光谱图，由图可见，甲氧羰基在1700cm-1左右处的峰消失，在1646cm-1处出现脲基尖锐的吸收峰，且在指纹区794cm-1左右处有吡啶环的振动吸收峰，由此可证明N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖合成。
图7为本发明实施例2中N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐的红外光谱图，由图可见，N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖的特征吸收峰依然存在，而且在1454cm-1处出现了三甲基的振动吸收峰，由此可证明N-(3-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐合成。
实施例3
(1)N-甲氧羰基壳聚糖的制备：取1g壳聚糖在室温条件下溶解于30mL蒸馏水中，然后置于冰浴条件下，当温度低于10℃时加入40mL甲醇，当温度低于5℃时加入3.84mL氯甲酸甲酯并搅拌反应7h，期间通过滴加三乙胺控制溶液的pH值为2～7，反应结束后用无水乙醇沉淀，冷冻干燥后得产物N-甲氧羰基壳聚糖1.4g，待用。
(2)N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖：取1g的N-甲氧羰基壳聚糖溶于30mL质量浓度为8％的氯化锂的N，N-二甲基乙酰胺溶液中，而后加入3.44g的4-氨基吡啶，在110℃条件下搅拌反应14h，反应结束后直接用乙醇沉淀，经抽滤、洗涤、真空冷冻干燥后得N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖。
(3)取0.56g上述步骤(2)所得的N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖分散于12mL的N-甲基-2-吡咯烷酮中，分散均匀后加入0.37mL碘甲烷，在60℃条件下搅拌反应24h，反应结束后用丙酮沉淀，经纯化和冷冻干燥后得N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐目标产物，其中，n＝10～1242。
图1为壳聚糖的红外光谱图，图2为本发明实施例3提供N-甲氧羰基壳聚糖的红外光谱图，由图1与图2对比可见，与壳聚糖原料相比，1600cm-1处氨基的吸收峰消失，1700cm-1处出现甲氧羰基的振动吸收峰，证明完成了N-甲氧羰基壳聚糖的合成。
图5为本发明实施例3中N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖的红外光谱图，由图可见，甲氧羰基在1700cm-1左右处的峰消失，在1631cm-1处出现脲基尖锐的吸收峰，且在指纹区775cm-1左右处有吡啶环的振动吸收峰，由此可证明N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖合成。
图8为本发明实施例3中N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐的红外光谱图，由图可见，N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖的特征吸收峰依然存在，而且在1454cm-1处出现了三甲基的振动吸收峰，由此可证明N-(4-吡啶脲基)-壳聚糖季铵盐合成。
清除超氧阴离子抗氧化能力的测定：
将实施例1～3中制备的N-甲氧羰基壳聚糖、N-吡啶脲基壳聚糖、N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐和实验用壳聚糖真空冷冻干燥至恒重后，分别用三羟甲基氨基甲烷-HCl缓冲溶液配制浓度为0.2、0.4、0.8、1.6、3.2mg/mL的溶液。取1.5mL不同浓度的样品溶液，依次加入1.5mL三羟甲基氨基甲烷-HCl缓冲溶液、0.5mL还原性辅酶Ⅰ(即烟酰胺腺嘌呤二核苷酸)(468μM)，0.5mL硝基四氮唑蓝(300μM)和0.5mL吩嗪硫酸甲酯(60μM)，在试管中混匀后，样品的最终浓度为0.1、0.2、0.4、0.8、1.6mg/mL，室温下静置5min，在560nm处测定吸光度A，空白组以1.5mL三羟甲基氨基甲烷-HCl缓冲溶液代替供试样品，对照组0.5mL三羟甲基氨基甲烷-HCl缓冲溶液代替还原性辅酶Ⅰ，样品均测三次，取平均值，按照下列公式计算清除超氧阴离子能力：清除超氧阴离子能力(％)＝[1-(A样品-A对照)/A空白]×100。
壳聚糖、N-甲氧羰基壳聚糖、N-吡啶脲基壳聚糖、N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的清除超氧阴离子能力(％)对比结果如表1所示。
结果表明：本发明所合成的N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的清除超氧阴离子能力明显优于N-吡啶脲基壳聚糖、N-甲氧羰基壳聚糖和壳聚糖，且清除能力随浓度的增加而增加。此外，我们还能得到两条比较明显的规律：(1)季铵化壳聚糖的抗氧化活性要明显强于未季铵化壳聚糖的活性；(2)产物的清除能力与吡啶上N的位置有关，吡啶上N在4位产物的清除超氧阴离子能力最强，吡啶上N在2位的产物清除超氧阴离子能力相对最弱，即位阻越小，取代度越高，抗氧化活性也越强。
表1清除超氧阴离子能力(％)结果对比

Claims (5)

1.一种N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐，其特征在于：所述N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐结构式可以有如下三种形式：
其中，平均聚合度n取值范围是10～1242。
2.如权利要求1所述的N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的应用，其特征在于：所述N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐可应用于制备抗氧化剂。
3.如权利要求1所述的N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：以壳聚糖、氯甲酸甲酯、氨基吡啶、碘甲烷为原料，先制备N-甲氧羰基壳聚糖，所得N-甲氧羰基壳聚糖再与氨基吡啶反应，所得N-吡啶脲基壳聚糖与碘甲烷反应后经过纯化得到N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐，具体制备步骤如下：
(1)N-甲氧羰基壳聚糖的制备：
取一定量壳聚糖溶解于水中并置于冰浴条件下，当温度低于10℃时加入一定量的甲醇，当温度低于5℃时加入一定量氯甲酸甲酯并搅拌反应6～7h，期间通过滴加三乙胺控制溶液的pH值保持在2～7，反应结束后用无水乙醇沉淀、过滤、洗涤后将滤饼冷冻干燥，得到N-甲氧羰基壳聚糖；
(2)N-吡啶脲基壳聚糖的制备：
取一定量上述N-甲氧羰基壳聚糖溶解于氯化锂的N,N-二甲基乙酰胺溶液中，加入一定量氨基吡啶进行反应，在110℃条件下搅拌反应12～14h，反应结束后用无水乙醇沉淀，经过滤、洗涤后将滤饼冷冻干燥，得到N-吡啶脲基壳聚糖；
(3)N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的制备：
取一定量上述N-吡啶脲基壳聚糖分散于N-甲基-2-吡咯烷酮中，分散均匀后加入相应摩尔比的碘甲烷，在60～70℃条件下搅拌反应20～24h，反应结束后用丙酮沉淀、过滤、洗涤后将滤饼纯化冷冻干燥，得N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐。
4.根据权利要求3所述的N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于：
步骤(1)中所述氯甲酸甲酯与壳聚糖的摩尔比为的(6～8)：1，所述无水乙醇用量为每1g壳聚糖使用300mL；
步骤(2)中所述氯化锂的N,N-二甲基乙酰胺溶液质量浓度为8％，所述氨基吡啶与N-甲氧羰基壳聚糖的摩尔比为(6～8)：1，所述无水乙醇用量为每1gN-甲氧羰基壳聚糖使用100mL；
步骤(3)中所述碘甲烷与N-吡啶脲基壳聚糖的摩尔比为(2～3)：1。
5.根据权利要求3所述的N-吡啶脲基壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述纯化操作如下：将滤纸制成圆柱状滤纸筒，将所述滤饼装入滤纸筒中，将开口端折叠封住，放入提取筒中，将盛有丙酮的圆底烧瓶安装于油浴锅上，安装好索氏提取装置，在95℃条件下加热回流48h，完成纯化。
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