CN116041565A - 均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备与纯化方法 - Google Patents
均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备与纯化方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及到一种均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备与纯化方法,属于阳离子透明质酸盐生产技术领域,向容器中加入均相溶剂和透明质酸钠固体,加热至溶解成均相体系,向其中加入2,3‑环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)的水溶液,随后加入碱催化剂,在预设温度下搅拌进行接枝反应,获得2,3‑环氧丙基三甲基氯化铵结合在透明质酸钠的烷羟基中的氧原子上的接枝产物;采用本发明的方法能够获得2,3‑环氧丙基三甲基氯化铵接枝在透明质酸钠的羟甲基上的氧原子上的接枝产物,在反应过程中避免添加盐的情况下,产物接枝率可高达0.69,有效解决了产品凝结现象。
Description
技术领域
本发明涉及阳离子透明质酸盐生产技术领域,具体涉及一种均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备与纯化方法。
背景技术
阳离子表面活性剂具有很好的消毒杀菌、抗腐蚀、抗静电的性能,还具有乳化以及湿润性能,可用于医学上的消毒杀菌,还可用作防水剂,广泛应用在医药、能源、化工、食品、洗涤剂和印刷等行业。季铵盐虽然洗涤能力差但是消毒杀菌的能力强,季铵盐在阳离子表面活性剂中占很大一部分,产量最大,用途很广泛。
由于透明质酸钠具有羧基官能团带负电,人体表面也带负电,所以透明质酸类产品在人体表面吸收效果一般比较差,易被水洗掉,影响产品的保湿效果。如果透明质酸携带阳离子将会大幅度提高产品在皮肤表面上的附着性能,改进透明质酸保湿性能差的缺点,从而研发出具有高效保湿、易于人体皮肤表面吸收的护肤美容产品。阳离子透明质酸钠的合成,可大大提高透明质酸钠的乳化和湿润功能,将获得很好的应用于医药、美容以及化妆品等诸多领域的需求。
现有技术中,多数专利采用透明质酸(盐)在水/乙醇以及其混合溶液中进行反应,阳离子透明质酸钠制备方法中均采用透明质酸(盐)以水和有机溶剂混合液为介质与阳离子化试剂反应,如CN111560086A专利中,是一种半干法制备阳离子透明质酸盐的方法,采用半干法制备阳离子透明质酸钠的过程中,接枝率不均一,固体颗粒内部的分子不能进行有效的阳离子化接枝。CN101316864A专利中,采用透明质酸钠与水共存的溶剂中制备阳离子透明质酸钠,由于原料溶解度差,反应转化率低、需较长反应时间获得目标产物。另外一些专利采用水和乙醇混合溶剂,为增大透明质酸钠在醇/水体系中的溶解度,需要向反应体系中加入大量食用盐增加离子强度,这样造成除盐繁琐过程、也给后处理过程带来麻烦,同时还会对环境造成不必要的污染。CN101715457A阳离子化透明质酸或其盐的制备方法中,离子化过程采用非均相反应,不仅阳离子离子化率低,且离子化不均一,为增大透明质酸在溶液中的溶解度,反应过程中往往需加大量氯化钠溶液(通常所需盐的添加量在1-5%)以增大体系的离子强度,进而增加透明质酸在体系中的溶解度,这样析出的产物中将会包结大量盐分,增加洗涤次数,造成大量的废水排放;而且由于非相介质中透明质酸钠容易凝结,包结盐分的透明质酸钠产品应用于毛发改善剂、角质层修复剂、皮肤改善剂和化妆品中,容易出现凝结现象,影响产品使用。此外,盐溶液的加入也给后处理回收溶剂带来很大麻烦,不仅费时、费力,造成资源浪费,也给环境带来污染。另外,该方案透明质酸钠与阳离子化试剂的反应发生在羧基位点上,衡量阳离子透明质酸钠的取代度即指每摩尔单体上活性羧基被取代的摩尔数。由此可见,理论上最大取代度为1。随着取代度的提高,反应液的粘度、透明度都得到了提高,加入碱在反应的初期能够促进阳离子醚化试剂的断裂,促进与透明质酸钠反应的进行,在反应后期,碱会导致阳离子透明质酸钠分子链的断裂,从而阻碍反应的进行,透明质酸钠的分子链条越长,反应取代的难度越大。当取代度继续增大时,阳离子透明质酸钠水溶性越来越好,在水中膨化的更厉害,分子伸展的范围更大,这也导致阳离子透明质酸钠的阳离子化度和产率在一定范围内之间呈现均衡的趋势。
发明内容
本发明针对现有技术中所存在的上述问题提供了一种均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备与纯化方法,获得2,3-环氧丙基三甲基氯化铵接枝在透明质酸钠的羟甲基上的氧原子上的接枝产物,在反应过程中避免添加盐的情况下,产物接枝率可高达0.69,有效解决了产品凝结现象。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下:
一方面,本发明提供一种均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,包括如下步骤:
向容器中加入均相溶剂和透明质酸钠(HA)固体(所用透明质酸钠为大分子量透明质酸钠,分子量在100万-120万Dal),加热至溶解成均相体系,向其中加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)的水溶液,随后加入碱催化剂,在预设温度下搅拌进行接枝反应,获得2,3-环氧丙基三甲基氯化铵结合在透明质酸钠的烷羟基中的氧原子上的接枝产物。接枝反应过程中未添加盐,合成路线如下:
进一步的,所述均相溶剂为HMF、DMF、乙醇、甲醇、醋酸、DMSO中的至少一种或其与水的混合物。
更进一步的,所述均相溶剂为HMF与H2O的混合物HMF-H2O。优选地,所述HMF-H2O中HMF(甲酰胺)占水的体积分数为50%-80%(HMF/H2O,v/v)。
进一步的,所述透明质酸钠固体与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的摩尔比为1:0.5-10,优选1:2。
进一步的,所述预设温度为40-80℃,反应时间至少为1h。
进一步的,所述碱催化剂采用NaOH、KOH、Na2CO3、K2CO3、CH3COONa、CH3COOK、KHCO3、NaHCO3中的至少一种。所加碱催化剂的量与HA的摩尔比范围在0.2-1.0,在该范围内阳离子化度相对较高,优选1:1,碱催化剂的添加量过多,会导致副反应增加。
进一步的,均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法还包括如下步骤:
接枝反应完成后,将反应体系醇沉,得到含有沉淀物的混合溶液A,分离出的沉淀物加水使其充分溶解得到料液;
向料液中加入1-5%的精制盐NaCl或KCl溶液(作为膨化抑制剂),搅拌使其充分溶解,调节料液pH值至6.0-6.9;此步所添加的盐在后续水洗过程中均可洗掉,使产品中不含盐分;
二次醇沉,分离出的沉淀加水进行二次溶解,再次醇沉得到沉淀;
沉淀进行醇洗、脱水、干燥得到终产物。
更进一步的,醇沉时,料液与乙醇的体积比为1:1-10;沉淀物加水溶解时,沉淀物的质量与水的质量体积比为1:5-50。
另一方面,本发明提供一种采用上述制备和纯化方法的透明质酸钠阳离子季铵盐,其结构式为:
本发明的有益效果是:
1.本发明通过在均相介质中对HA分子的化学修饰,使透明质酸钠分子中羟甲基上的氧原子上接枝上带有正电的季铵基团,整个分子具有一定的正电性,由于正负电荷的相互吸引,修饰后的透明质酸钠季铵盐衍生物能很好地被吸附于毛发及皮肤的表面,具有良好的润湿性和保湿性,同时由于季铵盐基团带有亲水性的三甲基氯化铵基团,具有强亲水性,接入了季铵盐基团后的透明质酸钠分子显著分子特性,在洗发护发产品及清洁类化妆品中,发挥其独特的润湿和保湿性能。
2.本发明的采用均相反应,可以在少加或者不加盐的条件下,产物收获较高的接枝率,同时本方案可以通过水洗洗掉存在的盐分,有效减少了透明质酸钠凝结。制备方法简单、操作性强,阳离子化过程避免了大量盐的加入,产品纯化简单、易于规模化生产。
3.本发明进一步将特定的均相溶剂HMF-H2O的体系应用于充当HA与GTA的接枝反应溶剂,其中HMF在均相体系中占比的体积分数为50%-80%(HMF/H2O,v/v)形成均相体系,发明人惊奇地发现,在该溶剂体系下,其阳离子化接枝效率相比其他醇类或DMF、DMSO等溶剂具有显著的提升,具体的接枝率可高达0.69,于现有技术具有显著的进步。
具体实施方式
下面对本发明的原理和特征进行描述,所举实施例只用于解释本发明,并非用于限定本发明的范围。
实施例1
本实施例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法包括如下步骤:
取1000ml体积含量为50%的HMF-H2O溶液放入装有搅拌器和回流冷凝器的三口烧瓶中,搅拌水浴预热至65℃。称取50g分子量为1.36MDa的透明质酸钠固体粉末,在搅拌下将固体粉末缓慢加至预热的HMF溶剂中。随后依次加入0.42g氢氧化钠和40g 2,3-环氧丙基三甲基氯化铵溶在200ml水的溶液(HA/GTA摩尔质量比=1:2),反应混合物在65℃的水浴中搅拌反应4.0h。加入2000ml 90%的乙醇析出固体沉淀。过滤收集沉淀,加去离子纯化水,搅拌使沉淀充分溶解,往溶解后的料液中加入2%的精制过的NaCl盐溶液,用稀盐酸溶液调节料液pH至6.8,加入1倍体积的乙醇进行沉淀。沉淀后静置0.5h去除上清酒精,将沉淀物二次溶解于在去离子纯化水中,再次加入1倍体积的乙醇进行二次沉淀。
二次沉淀后除去上层酒精,采用60%的乙醇洗涤。洗涤后的沉淀用无水乙醇脱水,脱水后的物料自然放置1小时,随后在真空干燥箱干燥6h得到阳离子化的产物的重量为47.6g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为3.68%,接枝率为0.66,pH为6.8,蛋白质残留为0.04%,炽灼残渣为3.2%。
实施例2
本实施例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法包括如下步骤:
将1000ml体积含量为80%的HMF水溶液加入装有搅拌器和回流冷凝器的三口烧瓶中,烧瓶中HMF溶液通过水浴加热至40℃。称取50g分子量为1.36MDa的透明质酸钠固体粉末,在搅拌下将固体粉末缓慢加至预热的HMF溶剂中。随后依次加入氢氧化钾(0.42g)和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(40g)溶在200ml水的溶液(HA/GTA的摩尔质量比=1:2),反应混合物在40℃条件下搅拌反应6.0h。加入2000ml 90%的乙醇析出固体沉淀。过滤收集沉淀,加去离子纯化水,搅拌使沉淀充分溶解,往溶解后的料液中加入1%的精制过的NaCl溶液,调节料液的pH至6.0以去除氯离子,加入1倍体积的乙醇进行沉淀。沉淀后静置0.5h去除上清酒精,将沉淀物二次溶解于在去离子纯化水中,再次加入1倍体积的乙醇进行二次沉淀。
二次沉淀后除去上层酒精,采用60%的乙醇洗涤。洗涤后的沉淀用无水乙醇脱水、脱水后的物料自然放置1小时,随后在真空干燥箱干燥6h得到阳离子话产物的重量为47.9g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为4.47%,接枝转化率为0.69,pH为6.8,蛋白质残留为0.04%,炽灼残渣为3.9%。
实施例3
本实施例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法包括如下步骤:
取1000ml 60% HMF水溶液(HMF/H2O,v/v)放入装有搅拌器和回流冷凝器的三口烧瓶中,水浴下搅拌反应混合物预热至80℃。称取50g分子量为1.36MDa的透明质酸钠固体粉末,在搅拌下将固体粉末缓慢加至预热的HMF水溶液中。随后依次加入碳酸钠(0.42g)和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(40g)溶在200ml水的溶液(HA与GTA的摩尔比为1:2),反应混合物在80℃的条件下搅拌反应3.0h。加入2000ml 90%的乙醇析出固体沉淀。过滤收集沉淀,加去离子纯化水,搅拌使沉淀充分溶解,往溶解后的料液中加入4%的精制食盐水,调节料液的pH值到6.5,加入1倍体积的乙醇进行沉淀。沉淀后静置0.5h去除上清酒精,将沉淀物二次溶解于在去离子纯化水中,再次加入1倍体积的乙醇进行二次沉淀。
二次沉淀后除去上层酒精,采用60%的乙醇洗涤。洗涤后的沉淀用无水乙醇脱水、脱水后的物料自然放置1小时,随后在真空干燥箱干燥6h得到产物,重量为47.2g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为4.98%,接枝率为0.63,pH为6.8,蛋白质残留为0.03%,炽灼残渣为3.2%。
实施例4
本实施例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法包括如下步骤:
取1000ml 60% HMF水溶液放入装有搅拌器和回流冷凝器的三口烧瓶中,水浴下搅拌反应混合物预热至80℃。称取50g分子量为1.36MDa的透明质酸钠固体粉末,在搅拌下将固体粉末缓慢加至预热的HMF溶剂中。随后依次加入醋酸钾(0.42g)和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(40g)溶在200ml水的溶液(HA与GTA的摩尔比为1:2),反应混合物在80℃的条件下搅拌反应1.2h。加入2000ml90%的乙醇析出固体沉淀。过滤收集沉淀,加去离子纯化水,搅拌使沉淀充分溶解,往溶解后的料液中加入5%的精制食盐水,调节料液pH值到6.5,加入1倍体积的乙醇进行沉淀。沉淀后静置0.5h去除上清酒精,将沉淀物二次溶解于在去离子纯化水中,再次加入1倍体积的乙醇进行二次沉淀。
二次沉淀后除去上层酒精,采用60%的乙醇洗涤。洗涤后的沉淀用无水乙醇脱水、脱水后的物料自然放置1小时,随后在真空干燥箱干燥6h得到产物重量为47.3g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为4.57%,接枝率为0.63,pH为6.8,蛋白质残留为0.03%,炽灼残渣为3.3%。
对比例1
本对比例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法基本同实施例1,所不同的是,将其中的溶剂HMF-H2O溶液替换为体积分数40%的HMF-H2O溶液。得到产物重量为44.0g
经检测,白色固体粉末的干燥失重为3.84%,接枝率为0.35,pH为6.7,蛋白质残留为0.04%,炽灼残渣为4.3%。
对比例2
本对比例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法基本同实施例1,所不同的是,将其中的溶剂HMF-H2O溶液替换为体积分数90%的HMF-H2O溶液。得产物重量为43.5g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为3.93%,接枝率为0.30,pH为6.8,蛋白质残留为0.04%,炽灼残渣为2.7%。
对比例3
本对比例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法基本同实施例1,所不同的是,将其中的溶剂HMF-H2O溶液替换为DMF-H2O溶液。得产物重量为42.1g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为5.67%,接枝率为0.18,pH为6.8,蛋白质残留为0.02%,炽灼残渣为2.3%。
对比例4
本对比例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法基本同实施例1,所不同的是,将其中的HMF-H2O溶液替换为DMSO。得产物重量43.1g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为6.78%,接枝率为0.27,pH为6.9,蛋白质残留为0.02%,炽灼残渣为2.4%。
对比例5
本对比例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法基本同实施例1,所不同的是,将其中的HMF-H2O溶液替换为乙醇(非均相体系)。得产物重量42.6g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为4.26%,接枝率为0.22,pH为6.8,蛋白质残留为0.02%,炽灼残渣为3.1%。
对比例6
本对比例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法基本同实施例1,所不同的是,HA与GTA的质量摩尔比为1:0.5。得产物重量为43.87g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为4.13%,接枝率为0.34,pH为6.8,蛋白质残留为0.04%,炽灼残渣为2.7%。
对比例7
本对比例的透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法基本同实施例1,所不同的是,HA与GTA的质量摩尔比为1:0.2。得产物重量为40.9g。
经检测,白色固体粉末的干燥失重为4.56%,接枝率为0.08,pH为6.8,蛋白质残留为0.03%,炽灼残渣为2.9%。
本发明所述方法制备的透明质酸季铵盐离子化主要接枝到透明质酸分子的羟甲基氧原子上,接枝率(取代度)用甲醇索氏提取纯化阳离子透明质酸产品,根据凯氏定氮法计算阳离子透明质酸中的氮含量。取代度(DS)由氮含量计算:
上式中W1为测定的阳离子透明质酸季铵盐氮的百分含量(用凯氏定氮法测定的);W0为原料透明质酸盐氮的百分含量(凯氏定氮法测定);MS为透明质酸钠的单元摩尔分子质量379g/mol;MGTA为GTA的相对分子质量151.6g/mol;1400为氮原子的相对分子量换算单位后的数值。
上述实施例和对比例的接枝率数据见表1。
表1
通过上述实施例和对比例数据可知,本发明以50%HMF-80%HMF的水溶液做反应溶剂,相比其他常规性反应溶剂,接枝反应过程中未添加盐,得到的产物具有显著突出的接枝率;其中,透明质酸钠固体、碱性催化剂和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的摩尔比为1:1:2时能取得很好的产率和阳离子化度。
50%HMF-80% HMF的水溶液对透明质酸钠具有最好的溶解度,在65℃下可获得对透明质酸钠的完全溶解,其溶解力可达1.0-2.0g/100mL。在均相介质中进行阳离子接枝反应后未见溶液粘度明显增高,溶液放置过程产物稳定未出现凝结或析出现象。表明50%HMF和80%HFM水溶液对透明质酸钠具有最大溶解力,该均相体系下可获得高的季铵盐离子化反应。该反应体系下能够减小透明质酸固体微颗粒对GTA的局部吸附,从而增加反应速率,更有利于单元分子上的羟甲基的均匀反应,降低GTA副反应,大大减少了GTA的用量。
透明质酸钠(HA)和2,3-环氧丙基三甲基氯化铵(GTA)在甲酰胺(HMF)均相水溶液中进行离子化接枝反应,体系中加入碱性催化剂,提供微碱性环境,加速GTA与HA偶联反应。所述无机碱包括NaOH、KOH、NaCO3、K2CO3、CH3COONa、CH3COOK和NaHCO3。实际反应中优选NaOH,NaOH碱用量为0.01,0.02,0.04,0.08,0.12,0.14,0.16,0.18mol/HA的平均单元总摩尔数。反应过程中以碱调整pH值为6.5-7.0,搅拌加热,直至反应完成。当在HA:GTA=1:2(摩尔比);HA:HMF-H2O=1:40(质量/体积,kg/L)的混合物进行阳离子化时,NaOH摩尔比为0.01至0.18mol/HA,反应温度65℃。开始反应时,随反应混合物中NaOH含量的增加,主反应(HA的阳离子化)和GTA的副反应速率都将加快。当反应混合物中NaOH含量在0.02~0.08mol/HA范围时,GTA在初始阶段没有发生副反应,如果NaOH含量大于为0.18mol/HA,则GTA的主反应和副反应都从最初的几分钟开始进行。此外,实验结果观察到催化剂用量从0.02增加到0.12mol/HA会使主反应的速率常数(km)增加25倍以上。当观察到副反应速率常数增加时NaOH含量超过0.08mol/HA。达到这个水平的NaOH,主反应比副反应进行得更快。可以得出结论,当反应混合物中的NaOH含量为0.08mol/HA时,GTA的使用效率达到最佳。
Claims (10)
1.均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,包括如下步骤:
向容器中加入均相溶剂和透明质酸钠固体,加热至溶解成均相体系,向其中加入2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的水溶液,随后加入碱催化剂,在预设温度下搅拌进行接枝反应,获得2,3-环氧丙基三甲基氯化铵接枝在透明质酸钠的羟甲基上的氧原子上的接枝产物。
2.根据权利要求1所述的均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,所述均相溶剂为HMF、DMF、乙醇、甲醇、醋酸、DMSO中的至少一种或其与水的混合物。
3.根据权利要求2所述的均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,所述均相溶剂为HMF与H2O的混合物HMF-H2O。
4.根据权利要求3所述的均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,所述HMF-H2O中HMF占水的体积分数为50%-80%。
5.根据权利要求1所述的均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,所述透明质酸钠固体与2,3-环氧丙基三甲基氯化铵的摩尔比为1:0.5-10,优选1:2。
6.根据权利要求1所述的均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,所述预设温度为40-80℃,反应时间至少为0.5h。
7.根据权利要求1所述的均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,所述碱催化剂采用NaOH、KOH、Na2CO3、K2CO3、CH3COONa、CH3COOK、KHCO3、NaHCO3中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,还包括如下步骤:
接枝反应完成后,将反应体系醇沉,得到含有沉淀物的混合溶液A,分离出的沉淀物加水使其充分溶解得到料液;
向料液中加入1-5%的精制盐NaCl或KCl溶液,搅拌使其充分溶解,调节料液pH值至6.0-7.5;
二次醇沉,分离出的沉淀加水进行二次溶解,再次醇沉得到沉淀;
沉淀进行醇洗、脱水、干燥得到终产物。
9.根据权利要求1所述的均相介质中透明质酸钠阳离子季铵盐的制备和纯化方法,其特征在于,醇沉时,料液与乙醇的体积比为1:1-10;沉淀物加水溶解时,沉淀物的质量与水的质量体积比为1:5-50。
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GR01 | Patent grant | ||
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