TEMPO-NaOCl-NaBr體系選擇性氧化殼聚糖及其產物的結構表征

韓文秀，王 煒，許文菊，孫 賓，朱美芳

（1.東華大學化學與化工學院，生態紡織教育部實驗室，上海 201620；2.東華大學材料科學與工程學院，纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620）

TEMPO-NaOCl-NaBr體系選擇性氧化殼聚糖及其產物的結構表征

韓文秀1，王 煒1，許文菊2，孫 賓2，朱美芳2

（1.東華大學化學與化工學院，生態紡織教育部實驗室，上海 201620；2.東華大學材料科學與工程學院，纖維材料改性國家重點實驗室，上海 201620）

殼聚糖的功能化改性及其生物醫學等領域的應用是近年來備受人們關注的重要研究方向。文章研究了TEMPO-NaOCl-NaBr體系對不同形態殼聚糖的氧化過程及其產物的結構表征。發現NaOCl、NaOCl-NaBr、TEMPO-NaOCl和TEMPO-NaOCl-NaBr體系的氧化反應速率遞增，溶脹態殼聚糖和殼聚糖纖維由于有著更高的可及度，TEMPO-NaOCl-NaBr體系對兩者的氧化速率要高于顆粒狀殼聚糖原料和甲殼質原料。FTIR和NMR研究表明，經TEMPO-NaOCl-NaBr體系氧化后，殼聚糖分子結構中的C6位伯羥基被選擇性氧化轉變成了羧酸根，其產物為氧化殼聚糖鈉鹽。殼聚糖結晶形態Ⅰ的100晶面的衍射峰在氧化初期即被破壞，氧化程度較高時產物呈彌散的無定形態。

TEMPO-NaOCl-NaBr 選擇性氧化 殼聚糖 結構 表征

殼聚糖是自然界中儲量豐富的天然直鏈型高分子化合物，既具有普通多糖類高分子共性，又具有許多獨特功能，且無毒、無害，來源豐富，具有生物可降解功能，能促進傷口愈合，預防病毒感染，近年來在食品、醫藥、化妝品、農業等方面得到越來越廣泛的應用［1］。

殼聚糖的功能化改性及其在各種領域的應用是近年來備受人們關注的重要研究方向，氧化殼聚糖是其中的一種。

多糖的選擇性氧化可以在其葡萄糖殘基特定位置，如C6、C2或C3位引入醛基或羧基，其產物在生物醫用材料領域具有廣泛的應用前景。NO2類氧化體系是最早被研究和產業化使用的C6位伯羥基選擇性氧化劑，美國強生公司采用該體系生產并推廣了醫用可吸收止血紗布“Surgical”［2－4］。近10年來，以2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物自由基（TEMPO）-NaOCl-NaBr為代表的亞硝酰自由基選擇性氧化體系，因其高選擇性和高效性而備受關注［5－6］。東華大學孫賓等系統研究了TEMPO-NaOCl-NaBr體系對纖維素的選擇性氧化，制備了可吸收氧化纖維素止血材料［7－9］。

筆者研究比較分析了TEMPO-NaOCl-NaBr體系組成和殼聚糖原料聚集態對氧化反應速率的影響，表征分析了氧化產物的結構。

1 實 驗

1.1 儀器及試劑

2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物自由基（簡稱TEMPO）：AR，日本Wako化學試劑有限公司；

NaOCl溶液（有效氯含量約10%）：工業級，常州華源東方印染有限公司；

NaBr：AR，上海試劑四廠；

NaOH、鹽酸、丙酮：AR，上海化學試劑公司；

甲殼素、殼聚糖和殼聚糖纖維由上海天清生物醫藥材料有限公司提供，其中殼聚糖的粘度為625 mPa·S。

1.2 殼聚糖的溶脹

準確稱取一定量的殼聚糖加入圓底燒瓶中，用0.35 mol的稀醋酸溶解，在一定轉速（約1 200 r／min）下攪拌2 h后，得到質量分數為1%的殼聚糖溶液。準確量取一定體積的0.5 mol／L的NaOH溶液加入到一定量的1%殼聚糖溶液中攪拌均勻，待將溶液中的水分和NaOH除去后，即可得到溶脹狀態下的殼聚糖溶液。

1.3 殼聚糖的氧化［4］

50 mg TEMPO，480 mg NaBr，溶解于200 mL水中，緩慢加入固含量為2 g的上述殼聚糖溶液，之后加入23 mL NaClO溶液進行反應，用冰水浴控制反應溫度為4℃，用pH計檢測溶液的pH值，并用0.4 mol／L NaOH溶液隨時滴加以保持反應液pH值為10.8，根據NaOH的消耗量估算體系中羧基的生成量。記錄NaOH溶液消耗量隨氧化時間的變化并作圖，據此評價殼聚糖的氧化程度。

當體系中生成了一定量的羧基時，加入5 mL乙醇終止反應，然后把反應液傾倒入過量的乙醇中，濾出白色沉淀，用乙醇水溶液（7∶3，V／V）多次洗滌后，置于真空烘箱中40℃烘干，得到產物。

1.4 測試

a）紅外光譜（FTIR）測定：樣品剪成粉末，采用KBr壓片法，Nicolet Nexus-670型紅外光譜儀測試，光譜掃描范圍為4 000～400 cm－1。

b）13C NMR測定：用魔角旋轉（MAS）的方法，在Bruker AV400型核磁共振波譜儀上，測試氧化殼聚糖產物的固相核磁共振波譜。

c）廣角X衍射（WAXD）測試：WAXD圖譜采用D／MAX-3A型廣角X衍射儀，掃描氧化前后的粉末狀樣品得到。測試條件：銅靶，鎳片濾光，電壓37.5 kV，電流40 mA，掃描范圍：6°～38°，掃描速度：2（°）／min。

2 結果與討論

2.1 氧化劑組成的影響

圖1是不同氧化體系氧化殼聚糖纖維時NaOH溶液的消耗量（即氧化產物的生成量）隨時間的變化曲線。由圖1可見，TEMPO-NaOCl-NaBr體系組成的不同，對殼聚糖纖維的氧化反應速率有著顯著的差異。反應過程中NaOH溶液消耗量為20 mL時，NaOCl和NaOCl-NaBr體系所需的反應時間分別為80 min和44 min，而TEMPO-NaOCl和TEMPONaOCl-NaBr體系則分別為32 min和13 min。由此可見：

a）在TEMPO＋共氧化劑構成的氧化體系中，TEMPO的作用是明顯的，在NaOCl和NaOCl-NaBr體系中加入TEMPO后，氧化生成羧基的速率大大提高；

b）共氧化劑的不同對氧化反應速率有著顯著的影響，TEMPO-NaOCl-NaBr體系的反應速率要明顯快于TEMPO-NaOCl體系。

圖1 不同氧化體系氧化殼聚糖纖維時NaOH溶液消耗量隨時間的變化曲線

2.2 殼聚糖的物理形態對氧化反應速率的影響

圖2為TEMPO-NaOCl-NaBr體系氧化不同物理形態的殼聚糖和甲殼素時，NaOH的消耗量隨時間變化的曲線。由圖2可見，物理形態對殼聚糖的氧化反應速率影響很大。經磨粉機制備的粉末狀殼聚糖，由于沒有改變殼聚糖原料中分子鏈堆砌的形態，其中的分子鏈堆砌比較緊密，而且顆粒的比表面積較小，使得其可及度小而氧化時間較長，達到基本完全氧化（加入0.4 mol／L NaOH 30 mL）需要320 min左右。殼聚糖原料經溶脹后，殼聚糖分子鏈間的距離大大增加，其可及度大大增加而使得氧化反應大大增加，僅需30 min左右即完成氧化。殼聚糖在經溶液紡絲成形加工成纖維后，同樣具有較高的結晶度（見圖6），但由于其纖維直徑在微米級，其比表面積大大高于顆粒狀殼聚糖，而使得其氧化反應速率高于顆粒狀殼聚糖，為60 min左右（見圖1），介于顆粒狀殼聚糖和溶脹態殼聚糖之間。經磨粉機制備的粉末狀甲殼素，其氧化反應速率最低，需要600 min左右。

圖2 TEMPO-NaOCl-NaBr體系氧化不同殼聚糖原料時NaOH溶液消耗量隨時間的變化曲線

2.3 氧化產物的結構表征及其選擇性氧化機理探討

圖3為TEMPO-NaOCl-NaBr體系氧化殼聚糖纖維，不同NaOH消耗量時氧化產物的紅外光譜圖。圖4為殼聚糖纖維氧化前后的固體核磁共振波譜。由圖3可見，氧化產物與原料殼聚糖纖維相比，在1 600 cm－1和1 400 cm－1處出現了COO－的不對稱和對稱伸縮振動峰。在NaOH消耗量為17.7 mL時氧化產物的固體NMR波譜（見圖4），與未經氧化的殼聚糖纖維相比，在化學位移δ178左右也出現了COO－的共振峰，而化學位移δ57左右C6共振峰的強度相應降低。這表明經TEMPO-NaOCl-NaBr體系氧化后，產物中出現了羧酸基團，該羧酸基團是由C6位伯羥基選擇性氧化產生。

圖3 不同NaOH消耗量時殼聚糖氧化產物的FTIR光譜

圖4 殼聚糖纖維氧化前后的固體核磁共振波譜

圖5為TEMPO-NaOCl-NaBr體系氧化殼聚糖纖維，不同NaOH消耗量時氧化產物的WAXD圖譜。由圖5可見，未經氧化的殼聚糖纖維在2θ為10°和20°處有兩個衍射峰，分別對應著結晶形態Ⅰ的100晶面和結晶形態Ⅱ的100晶面，殼聚糖纖維在氧化后，2θ為20°的衍射峰在NaOH消耗量為5.9 mL時即呈彌散的無定形態，表明結晶形態Ⅱ更易被氧化破壞，而2θ為10°的衍射峰在NaOH消耗量為17.7 mL時，其相對強度仍較大，表明結晶形態Ⅰ較難被氧化，這可能與兩種晶型中分子鏈的堆砌緊密程度相關。

圖5 不同NaOH消耗量時殼聚糖氧化產物的WAXD圖譜

以上結果表明，TEMPO-NaOCl-NaBr體系對殼聚糖的氧化與對纖維素的選擇性氧化有著相似的產物——均為C6伯羥基選擇性氧化為羧基，據此可推測，殼聚糖與纖維素的選擇性氧化有著相似的機理，即在共氧化劑的作用下，TEMPO被氧化為TEMPO＋，TEMPO＋再選擇性氧化伯羥基成糖醛，糖醛在共氧化劑的作用下被氧化為糖醛酸，如圖6所示。其中共氧化劑氧化能力的強弱直接決定了TEMPO＋的產生速率和糖醛氧化成糖醛酸的速率，由于NaOCl-NaBr體系中生成的NaOBr比NaOCl具有更強的氧化能力，因而TEMPO-NaOCl-NaBr體系比TEMPO-NaOCl體系具有更快的氧化速率。

3 結 論

TEMPO-NaOCl-NaBr體系的組成和殼聚糖的物理形態對氧化反應速率有著很大的影響，氧化反應速率由快到慢依次為TEMPO-NaOCl-NaBr體系、TEMPO-NaOCl體系、NaOCl-NaBr體系和NaOCl。溶脹態殼聚糖和殼聚糖纖維有著更高的可及度，TEMPO-NaOCl-NaBr體系對兩者的氧化速率要高于顆粒狀殼聚糖原料和甲殼質原料。FTIR和NMR研究表明，經TEMPO-NaOCl-NaBr體系氧化后，殼聚糖分子結構中的C6位伯羥基被選擇性氧化轉變成了羧酸根，其結晶形態Ⅰ的100晶面的衍射峰在氧化初期即被破壞，氧化程度較高時氧化殼聚糖呈彌散的無定形態，為氧化殼聚糖鈉鹽。

圖6 TEMPO＋共氧化劑體系中共氧化劑的作用示意

［1］ Pillai C K S，Paul W，Sharma C P.Chitin and chitosan polymers：Chemistry，solubility and fiber formation［J］.Progress in Polymer Science，2009，34：641－678.

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Study on the selective oxidation of chitosan by TEMPO-NaOCl-NaBr and the structure of its products

Han Wenxiu1，Wang Wei1，Xu Wenju2，Sun Bin2，Zhu Meifang2
（1．College of Chemistry and Chemical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2．State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials，College of Materials Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The functional modification of chitosan and its application in biomedical field have been considered as one of the most important research directions，which attracted much attention in recent years.In this contribution，the oxidation behavior of chitosan by TEMPO-NaOCl-NaBr has been examined and the structure of its product has been characterized.The results show that the oxidative activity of the systems are：NaOCl＜NaOCl-NaBr＜NaOCl-TEMPO＜NaOCl-NaBr-TEMPO and the swelled chitosan and chitosan fiber have higher oxidation rate than chitosan and chitin powder because the former two has higher accessibility than the latter two.Upon the FTIR，NMR and WAXD results it is proved that the primary hydroxyl at C6 can be selectively and completely oxidized to carboxyl group and the product is sodium salt of oxidized chitosan.The peaks corresponding to 100 plane of crystal form become disappeared and tend to be diffuse indicating that the oxidized product own amorphous structure in character.

TEMPO-NaOCl-NaBr；selective oxidation；chitosan；structure；characterization

O636.1

：A

：1006-334X（2011）01-0007-04

2011－01－25

韓文秀（1987－），山西朔州人，應用化學碩士，主要研究方向為改性多糖及其應用。