CN1554670A

CN1554670A - 双子型两性壳聚糖衍生物的制备

Info

Publication number: CN1554670A
Application number: CNA2003101241558A
Authority: CN
Inventors: 琦许; 许琦; 杨春生; 严金龙; 蔡照胜
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Vocational Institute of Industry Technology
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2004-12-15
Anticipated expiration: 2023-12-22
Also published as: CN1325520C

Abstract

双子型两性壳聚糖衍生物是生物化学领域多糖生物化学方面的一种壳聚糖新型衍生物，它的制备是以脱乙酰度为20％～90％的壳聚糖产品为原料，在异丙醇为反应介质，通过对壳聚糖碱化、氯乙酸为羧甲基化试剂羧甲基化、环氧丙基三甲基氯化铵和/或3－氯－2－羟丙基三甲基氯化铵为季铵化试剂季铵化得到双子型两性壳聚糖的混合物料，再用甲醇和/或乙醇水溶液洗涤、无水乙醇和/或丙酮洗涤脱水，最后将固体物料在真空干燥器中于60～150℃温度下干燥至物料含水量小于0.5％～10％。所得到的双子型两性壳聚糖衍生物。由于羧甲基和季铵基团的引入，它的水溶性、电荷特性、抗菌性能、润湿保湿性能、絮凝性能、乳化稳定性能得到显著改善。

Description

双子型两性壳聚糖衍生物的制备

技术领域本发明所涉及的双子型两性壳聚糖衍生物是生物化学领域多糖生物化学方面的一种壳聚糖新型衍生物。

背景技术壳聚糖作为由甲壳素经过脱乙酰化得到的天然多糖类生物高分子化合物，其应用性能较之于甲壳素有了明显提高和改善。它不但保持了甲壳素良好的生物降解性和相容性，而且在酸性介质中的溶解性也较甲壳素有了明显的提高。但由于壳聚糖分子间氢键作用依然比较强，使得在单纯的水中以及在碱性介质中的溶解性能仍然不是很好，从而影响和限制了它的进一步应用。针对这个问题，人们提出了多种不同的对壳聚糖进行化学改性及修饰的方法和途径，其中主要的改性和修饰的方法包括以下几个方面：(1)烷酰化：即通过向壳聚糖分子结构中的C-6位的羟基及/或C-2位的氨基上引进不同相对分子质量的脂肪族或芳香族酰基，以改进壳聚糖产品在有机溶剂中的溶解性能。(2)羧烷基化：即通过向壳聚糖分子结构的C-6位的羟基及/或C-2位的氨基上引进不同的羧烷基，从而得到可溶于水的弱两性壳聚糖衍生物。(3)羟烷基化：即在碱性条件下，用环氧乙烷、环氧丙烷、环氧氯丙烷、卤代醇等羟烷基化试剂对壳聚糖进行改性，从而得到水溶性大为提高的壳聚糖衍生产品。(4)硫酸酯化：利用H₂SO₄、SO₃、氯磺酸等硫酸化试剂对C-6位的羧基进行硫酸酯化反应，从而得到具有抗凝血性能的壳聚糖衍生物。(5)磷酸酯化：利用H₃PO₄、P₂O₅等作为磷酸酯化试剂，对壳聚糖进行化学改性，从而得到水溶性得到显著提高的壳聚糖磷酸酯化衍生物。(6)季铵化：利用卤代烃在碱性条件下对壳聚糖分子结构中的-NH₂直接进行季铵化或用含有季铵基团的活性季铵化试剂，在一定的条件下对壳聚糖分子结构中的C-6位羟基(-OH)或C-2位的氨基(-NH₂)等活性基团进行接枝季铵化。这些对壳聚糖的改性方法能够使壳聚糖的某一方面或几个方面性能得到了较大的改善。

对于目前而言对壳聚糖的改性方法往往集中于采用一种方法对壳聚糖进行化学改性，这使得所得到的壳聚糖衍生物的性能仍然比较单一，尤其是在改性后的壳聚糖产品的电性方面。在现有的使用于壳聚糖的改性以改善或改变其电荷性能的方法中，以增加其负电性为目的的方法有羧烷基化、硫酸酯化及磷酸酯化；以增加其正电性为目的的方法有季铵化。但还没有以既增加其正电性又增加其负电性为目的的方法用于壳聚糖的改性以得到强两性的壳聚糖衍生物产品的方法，这也使得目前改善壳聚糖荷电性能为目的对壳聚糖进行化学改性得到的壳聚糖衍生物产品在应用性能上有较多的限制。针对这个情况，在本发明中提出了采用两步接枝的方法，向壳聚糖的分子链中既引入增加壳聚糖的荷负电性基团即羧甲基基团又引入增加壳聚糖的荷正电性基团即季铵基团，从而得到一在壳聚糖分子结构上含有两个不同荷电类型取代基的双子型两性壳聚糖衍生物产品。双子型两性壳聚糖衍生物产品的结构如下：

R₁、R₂、R₃、R₄＝H、-CH₂COOH、-CH₂COONa、-CH₂COO^-、

在双子型壳聚糖两性衍生物的研制过程中，接触了很多有关壳聚糖化学改性和修饰方面的技术资料，其中具有一定参考价值的主要包括：《壳聚糖三甲基季铵盐的合成及其结构表征》(宁波高等专科学校学报，1998，Vol.10，No.4)、《壳聚糖(CHT)吸附溶液中微量铬(VI)的研究》(四川联合大学学报(工程科学版)，1997，Vol.1，No.3)、《壳聚糖季铵盐的合成及结构表征》(功能高分子学报，1997，Vol.10，No.1)、《O-2’-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的合成与表征》(合成化学，2000，Vol.8，No.2)、《壳聚糖季铵盐的合成及其对炼油废水的絮凝及灭菌功能》(福州大学学报(自然科学版)，2000，Vol.28，No.4)、《醇溶性壳聚糖衍生物的合成及结构表征》(水处理技术，1997，Vol.23，No.5)、《羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖的制备及其吸湿保湿性能》(应用化学，2002，Vol.19，No.4)、《3-氯-2-羟丙基三甲铵氯化铵的合成与纯化》(精细化工，2002，Vol.19，No.8)、《壳聚糖的改性和应用研究》(中国生化药物杂志，1997 Vol.18，No.1)、《丙三醇壳聚糖的制备与分析》(中国生化药物杂志，1997Vol.18，No.2)、《羧甲基壳聚糖的制备与质量分析》(中国生化药物杂志，1996 Vol.17，No.4)、《甲壳素、壳聚糖的改性》(广州化学，2002，Vol.27，No.3)、《壳聚糖及其衍生物在水处理中的应用》(广州化学，2002，Vol.27，No.3)、《羧甲基壳聚糖对水溶性染料废水的脱色研究》(环境科学与技术，1992，2)、《羧甲基壳聚糖处理印染废水试验》(环境污染与防治，1995，Vol.17，No.5)、《Chitosan and its derivatives in mucosal drug and vaccine delivery》(European journal of pharmaceutical science，2001，1)、《A novel N，O-carboxymethylamphoteric chitosan/poly(ethersulfone)composite MF membrane and its chargedcharacteristics》(Disalination，2002，144)、《Synthesis and antibacterial activitiesof quaternary ammonium salt of chitosan》(Carbohydrate research，2001，333)、《Conceptsfor improved regioselective placement of o-sulfo，N-sulfo，N-acetyl andN-caboxymethyl groups in chitosan derivatives》(Carbohydrate research，2001，331)、《Chitosan N-sulfate.A water-soluble polyelectrolyte》(Carbohydrate research，1997，302)。

发明内容双子型壳聚糖衍生物的发明主要是为了改善壳聚糖衍生物的水溶性、电荷特性、抗菌性能、润湿保湿性能、絮凝性能、乳化稳定性能。通过羧甲基和季铵基团的引入，双子型两性壳聚糖衍生物的水溶性得到了明显的提高；电荷特性表现为在壳聚糖衍生物的分子结构中即包含了荷负电的羧甲基，又包含有荷正电的季铵基团，整个分子呈现出明显的强两电性的特征；随着季铵基团的引入，双子型两性壳聚糖衍生物的抗菌性能在壳聚糖原有的基础上有了进一步增加；双子型两性壳聚糖由于分子结构中的羧甲基和季铵基团都有很强的亲水性能，而使得润湿、保湿性能显著提高；双子型两性壳聚糖衍生物由于分子结构中存在的带有不同电性的基团，使其对金属离子，以及其它带电性胶粒或离子的絮凝性能更为优越，适用范围也更加广泛；双子型两性壳聚糖衍生物由于具有了类似于两性表面活性剂的结构，以及更强的电性特征，同时又保持了天然多糖类高分子化合物的结构特征，使其具有特别的乳化稳定特性。

具体实施方法双子型两性壳聚糖衍生物的制备过程主要包括以下几个部分：(1)壳聚糖在一定浓度氢氧化钠水溶液的存在下于异丙醇中进行碱化；(2)碱化后的壳聚糖混合物在碱性条件下，以氯乙酸作为羧甲基化试剂进行羧甲基化得到羧甲基化壳聚糖衍生物；或以环氧丙基三甲基氯化铵及/或3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵作为季铵试剂进行接枝季铵化得到季铵化壳聚糖衍生物；(3)羧甲基化壳聚糖衍生物产品，以环氧丙基三甲基氯化铵及/或3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵作为季铵化试剂，在碱性条件下进行接枝季铵化得到含有双子型两性壳聚糖衍生物的混合物料；或季铵化壳聚糖衍生物产品在碱性条件下，以氯乙酸作为羧甲基化试剂进行羧甲基化得到含有双子型两性壳聚糖衍生物的混合物料；(4)第三步所得到的含有双子型两性壳聚糖衍生物的混合物料用含水甲醇及/或乙醇溶液洗涤除盐；(5)除盐后的物料用无水乙醇及/或丙酮洗涤脱水；(6)脱水后的物料于真空干燥箱中干燥，即可得到双子型两性壳聚糖衍生物产品。

双子型两性壳聚糖衍生物的制备工艺及其相关工艺参数以100克脱乙酰度为20％～90％的壳聚糖产品为原料典型举例如下：(1)100克脱乙酰度为20％～90％的壳聚糖产品，用100～1000cm³的10％～50％(质量比)的氢氧化钠和/或氢氧化钾水溶液，在200～2000cm³的异丙醇中于20～80℃下进行碱化，碱化时间为0.5～24h；(2)碱化后的物料用20～300克氯乙酸作为羧甲基化试剂，在搅拌状态下，于20～90℃的条件下进行羧甲基化，羧甲基化时间2～10小时；或者碱化后的物料用50～1000cm³的50％(质量比)环氧丙基三甲基氯化铵和/或50％(质量比)3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液作为季铵化试剂，在搅拌状态于20-95℃下进行季铵化，季铵化时间为2～15小时；(3)第二步工艺得到的羧甲基化壳聚糖物料，用50～1000cm³的50％(质量比)环氧丙基三甲基氯化铵和/或50％(质量比)的3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵水溶液为季铵化试剂，在搅拌状态下于20～95℃下进行季铵化，季铵化时间为2～15小时；或者第二步工艺得到的季铵化壳聚糖物料用20～300克氯乙酸作为羧甲基化试剂，在搅拌状态下，于20～90℃进行羧甲基化，羧甲基化时间为2～10小时；(4)第三步工艺所得的物料用30～90％(质量比)甲醇和/或乙醇水溶液200～3000cm³洗涤1～3次，并每次进行抽滤分离；(5)醇水溶液洗后的物料用无水乙醇和/或丙酮200～4000cm³洗涤脱水1～3次，并每次进行抽滤分离；(6)脱水后固体物料在真空干燥器中，于60～150℃温度下进行干燥，至物料含水量小于0.5％～10％(质量比)，即得到双子型两性壳聚糖衍生物产品，而实现相应的发明。

Claims

1、由下列通式表示的双子型两性壳聚糖衍生物：

R₁、R₂、R₃、R₄＝H、-CH₂COOH、-CH₂COONa、-CH₂COO^-、

2、根据权利要求1所述的双子型两性壳聚糖衍生物，其特征在于：以脱乙酰度为20～95％的壳聚糖为原料用环氧丙基三甲基氯化铵或3-氯-2-羟基三甲基氯化铵作为季铵化试剂，氯乙酸作为羧甲基化试剂对壳聚糖进行双重改性，改性后的壳聚糖季铵化取代度为20～300％；羧甲基化取代度为20～300％。

3、根据权利要求1所述的双子型壳聚糖的制备方法，以100g脱乙酰度为20～95％的壳聚糖原料为基准，其特征在于用如下方法制备：

1)壳聚糖中加入100～1000mL 10～50％(质量比)的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液和200～2000mL异丙醇，在20～80℃碱化0.5～24h后，加入20～300g氯乙酸，20～90℃下继续搅拌2～10h，得羧甲基壳聚糖；

2)羧甲基壳聚糖中加入50～1000mL 50％(质量比)的环氧丙基三甲基氯化铵或3-氯-2-羟基三甲基氯化铵水溶液和100～1000mL 10～50％(质量比)的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液，在搅拌状态下于20～95℃反应2～15h后，所得物料经30～90％(质量比)的甲醇和或乙醇水溶液200～3000mL洗涤1～3次并每次抽滤分离和或丙酮200～4000mL洗涤脱水1～3次并每次抽滤分离，最后在真空干燥器中于60～150℃干燥即得双子型两性壳聚糖衍生物。

4、根据权利要求1所述的双子型壳聚糖的制备方法，以100g脱乙酰度为20～95％的壳聚糖原料为基准，其特征在于用如下方法制备：

1)壳聚糖中加入100～1000mL 10～50％(质量比)的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液和200～2000mL异丙醇，在20～80℃碱化0.5～24h后，加入50～1000mL 50％(质量比)的环氧丙基三甲基氯化铵或3-氯-2-羟基三甲基氯化铵水溶液，20～95℃反应2～15h后，得季铵化壳聚糖；

2)季铵化壳聚糖中加入20～300g氯乙酸和100～1000mL 10～50％(质量比)的氢氧化钠或氢氧化钾水溶液，20～90℃下继续搅拌2～10h，所得物料经30～90％(质量比)的甲醇和或乙醇水溶液200～3000mL洗涤1～3次并每次抽滤分离和或丙酮200～4000mL洗涤脱水1～3次并每次抽滤分离，最后在真空干燥器中于60～150℃干燥即得双子型两性壳聚糖衍生物。

5、根据权利要求1、2所得双子型两性壳聚糖衍生物产品，其含水量小于0.5～10％(质量比)。