新型含胍基和季銨基團(tuán)殼聚糖衍生物的合成*

戴　建，許　琦，肖順華(.桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西桂林　54004; .鹽城工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇鹽城　405)

?

新型含胍基和季銨基團(tuán)殼聚糖衍生物的合成*

戴建1，2，許琦2，肖順華1
(1.桂林理工大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院，廣西桂林541004; 2.鹽城工學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院，江蘇鹽城224051)

摘要:N，N-二甲基-1，3-丙二胺與單氰胺經(jīng)親核加成反應(yīng)制得中間體N，N-二甲基-N'-胍基-1，3-丙二胺(2);以殼聚糖為起始原料，依次與氯乙酸、環(huán)氧氯丙烷經(jīng)取代反應(yīng)制得N-(1-羥基-3-氯丙基)-羧甲基殼聚糖(4); 4與2經(jīng)季銨化反應(yīng)合成了一系列含有胍基和季胺基團(tuán)的羧甲基殼聚糖衍生物(5)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR，IR和元素分析表征。研究了反應(yīng)配比［γ=m(2)∶m(4)］和反應(yīng)時(shí)間對(duì)5取代度的影響，結(jié)果表明，當(dāng)γ為3∶1，反應(yīng)時(shí)間為10 h時(shí)，取代度最高(73%)。

關(guān)鍵詞:殼聚糖;胍基;季銨基團(tuán);環(huán)氧氯丙烷;羧甲基殼聚糖衍生物;合成

殼聚糖是一種生物質(zhì)資源，來(lái)源豐富，具有良好的生物相容性和可降解性，其分子結(jié)構(gòu)中的胺基使殼聚糖具有抗菌性，因此，殼聚糖作為抗菌材料廣泛用于紡織、醫(yī)藥、食品、化妝品等領(lǐng)域［1－3］。但是，由于殼聚糖是一種半晶體狀固體，分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊密，其在pH＞6時(shí)在水中難以溶解，從而大大限制了其應(yīng)用［4］。將水溶性基團(tuán)引入殼聚糖中是提高其溶解性的有效方法，通常，利用殼聚糖與氯乙酸的反應(yīng)制備的羧甲基殼聚糖具有很好

Scheme 1

的水溶性［5－8］。殼聚糖本身的抗菌性較弱，且其分子結(jié)構(gòu)中的胺基為伯胺基團(tuán)，易受環(huán)境中pH值的影響，因此對(duì)其進(jìn)行改性，引入功能基團(tuán)制備的殼聚糖衍生物，抗菌活性得到提高。季銨基團(tuán)具有有效的抗菌功能，將其接枝到殼聚糖上所制備的含季銨基團(tuán)的殼聚糖衍生物具有顯著的抗菌效果［9－11］。胍鹽類(lèi)抗菌整理劑由于具有很好的安全性被認(rèn)為是應(yīng)用較好的抗菌整理劑，有研究表明，殼聚糖單胍鹽酸鹽衍生物對(duì)革蘭氏陰性和革蘭氏陽(yáng)性菌都具有較強(qiáng)的抗菌性能［12－13］。

鑒于此，利用季銨基團(tuán)和胍基較強(qiáng)的和廣譜抗菌性能，本文以羧甲基殼聚糖為母體，嘗試將季銨基團(tuán)和胍基同時(shí)引入殼聚糖上，并通過(guò)控制取代度來(lái)調(diào)控季銨基團(tuán)和胍基的含量，制備新型含胍基和季銨基團(tuán)的殼聚糖衍生物。N，N-二甲基-1，3-丙二胺(1)與單氰胺經(jīng)親核加成反應(yīng)制得中間體N，N-二甲基-N'-胍基-1，3-丙二胺(2);以殼聚糖為起始原料，依次與氯乙酸、環(huán)氧氯丙烷經(jīng)取代反應(yīng)制得N-(1-羥基-3-氯丙基)-羧甲基殼聚糖(4); 4與2經(jīng)季銨化反應(yīng)合成了一系列含有胍基和季胺基團(tuán)的羧甲基殼聚糖衍生物(5，Scheme 1)，其結(jié)構(gòu)經(jīng)1H NMR，IR和元素分析表征。并研究了反應(yīng)反應(yīng)條件對(duì)5取代度的影響。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1儀器與試劑

Varian INOVA 400MHz型核磁共振儀(D2O為溶劑，TMS為內(nèi)標(biāo)); Nicolet-20DXB型紅外光譜儀(KBr壓片); Vario ELⅢ型元素分析儀。

殼聚糖，生物試劑，脫乙酰化度(DD)80%～95%;環(huán)氧氯丙烷，分析純，99%;單氰胺，分析純，50%(水溶液); N，N-二甲基-1，3-丙二胺(1)，分析純，98%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;其余所用試劑均為分析純。

1.2合成

(1)羧甲基殼聚糖(3)的合成

在反應(yīng)瓶中依次加入殼聚糖5 g，40%氫氧化鈉溶液20 mL，冰鹽浴冷卻至－20℃～－15℃，攪拌下反應(yīng)過(guò)夜。過(guò)濾，濾餅用去離子水多次洗滌，干燥待用。

將上述堿處理后的殼聚糖加入反應(yīng)瓶中，加入異丙醇50mL，攪拌下反應(yīng)2 h;加入氯乙酸15 g，用NaOH/HOAc溶液調(diào)至pH 9.0，于室溫反應(yīng)4 h。過(guò)濾，濾餅用無(wú)水乙醇洗滌多次，于30℃真空干燥得3，收率95%。

(2)5的合成

在反應(yīng)瓶中加入單氰胺3.9 mL和異丙醇50 mL，用5 mol·L－1鹽酸調(diào)至pH 4，慢慢滴加1 6.5 mL，攪拌下于10℃反應(yīng)10 h。靜置，分層，有機(jī)相用異丙醇洗滌得中間體2 6.5 g。

在反應(yīng)瓶中加入3 3 g和去離子水80 mL，攪拌使其溶解;于80℃反應(yīng)1 h;滴加環(huán)氧氯丙烷4 mL，滴畢，反應(yīng)8 h。減壓蒸餾，殘余物用乙醇多次洗滌，真空干燥得4 8.6 g。

將4 1.0 g溶于50 mL水中，調(diào)pH至5～6，攪拌下緩慢滴入2 3.0 g，滴畢，用10% NaOH溶液調(diào)至pH 5～6，于30℃反應(yīng)8 h。減壓濃縮，濃縮液放入透析袋中，透析一周(每12 h換水一次)，減壓蒸餾，真空干燥得棕黃色固體511.5 g ［γ=m(2)∶m(4)=3∶1］。

僅改變?chǔ)茫妙?lèi)似方法合成52，53和54(γ分別為2∶1，1∶1和1∶2)。

僅改變反應(yīng)時(shí)間，用類(lèi)似方法合成510，58，56和54(反應(yīng)時(shí)間分別為10 h，8 h，6 h和4 h)。

2　結(jié)果與討論

2.1表征

圖1為殼聚糖，4和51的IR譜圖。從圖1可以看出，與殼聚糖相比，4和51分別在1 401 cm－1和1 407 cm－1處出現(xiàn)了COO－的伸縮振動(dòng)特征吸收峰。含胍基和季銨基團(tuán)的51在2 360 cm－1出現(xiàn)了C=N的伸縮振動(dòng)特征吸收峰，說(shuō)明胍基成功引入殼聚糖中。

圖2為51的1H NMR譜圖。從圖2可以看出，δ 1.93處吸收峰為殘余COCH3的氫質(zhì)子吸收峰，其余各氫質(zhì)子吸收峰與51化學(xué)結(jié)構(gòu)吻合。

圖1　殼聚糖，4和51的IR譜圖Figure 1　IR spectra of Chitosan，4 and 51

圖2　51的1H NMR譜圖Figure 2　1H NMR spectra of 51

2.2反應(yīng)條件對(duì)胍基和季銨基團(tuán)取代度的影響

為了探索反應(yīng)條件對(duì)合成5的影響，以達(dá)到通過(guò)控制取代度來(lái)調(diào)控季銨基團(tuán)和胍基的含量的目的，分別考察了原料配比γ和反應(yīng)時(shí)間對(duì)胍基和季銨基團(tuán)取代度的影響。

(1)γ

在5的合成中，可以通過(guò)控制γ來(lái)調(diào)控胍基和季銨基團(tuán)的取代度，結(jié)果見(jiàn)表1。從表1可以看出，胍基和季銨基團(tuán)的取代度隨著2用量的降低而不斷減小，當(dāng)γ分別為3∶1，2∶1，1∶1和 1∶2時(shí)，5中胍基和季銨基團(tuán)的取代度分別為73%，52%，29%和16%。

(2)反應(yīng)時(shí)間

反應(yīng)時(shí)間對(duì)胍基和季銨基團(tuán)取代度的影響結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，反應(yīng)時(shí)間分別為10 h，8 h，6 h和4 h時(shí)，5取代度DSQG分別為73%，73%，59%和48%。可見(jiàn)，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到8 h，胍基和季銨基團(tuán)的取代度達(dá)到最大值(73%)，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，胍基和季銨基團(tuán)的取代度不再增加。

表1　殼聚糖，4和5的脫乙酰度或取代度*Table 1　DD，DSCM or DSQG of chitosan，4 and 5

表2　反應(yīng)時(shí)間對(duì)5取代度的影響Table 2　Degree of substitution of 5at different reaction time

3　結(jié)論

將胍基和季銨基團(tuán)引入羧甲基殼聚糖中，成功制備了新型含有胍基和季銨基團(tuán)的殼聚糖衍生物。反應(yīng)物料與反應(yīng)時(shí)間對(duì)胍基和季銨基團(tuán)取代度有著較大的影響，當(dāng)N，N-二甲基-N'-胍基-1，3-丙二胺與羧甲基殼聚糖質(zhì)量比為3∶1，反應(yīng)時(shí)間為10 h，胍基和季銨基團(tuán)取代度最大(73%)。

參考文獻(xiàn)

［1］Anitha A，Sowmya S，Sudheesh Kumar P T，et al.Chitin and chitosan in selected biomedical applications［J］.Progress in Polymer Science，2014，39(9):1644－1667.

［2］Ivanova N A，Philipchenko A B.Superhydrophobic chitosan-based coatings for textile processing［J］.Applied Surface Science，2012，263:783－787.

［3］Koutroumanis K P，Avgoustakis K，Bikiaris D.Synthesis of cross-linked N-(2-carboxybenzyl)chitosan pH sensitive polyelectrolyte and its use for drug controlled delivery［J］.Carbohydrate Polymers，2010，82:181－188.

［4］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.

［5］Gan Q，Zhu J Y，Yuan Y，et al.A proton-responsive ensemble using mesocellular foam supports capped with N，O-carboxymethyl chitosan for controlled release of bioactive proteins［J］.Journal of Materials Chemistry B，2015，3:2281－2285.

［6］Luo Y C，Teng Z，Wang Q.Development of zein nanoparticles coated with carboxymethyl chitosan for encapsulation and controlled release of Vitamin D3［J］.J Agric Food Chem，2012，60(3):836－843.

［7］Vaghani S S，Patel M M，Satish C S.Synthesis and characterization of pH-sensitive hydrogel composed of carboxymethyl chitosan for colon targeted delivery of ornidazole［J］.Carbohydrate Research，2012，347(1):76－82.

［8］Fouda Moustafa M G，El-Aassar M R，Al-Deyab S S，et al.Antimicrobial activity of carboxymethyl chitosan/polyethylene oxide nanofibers embedded silver nanoparticles［J］.Carbohydrate Polymers，2013，92(2):1012－1017.

［9］吳迪，蔡偉民.殼聚糖季銨鹽的抑菌機(jī)理研究［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，37:1015－1018.

［10］Sahariah P，Benediktssdttir B E，Hjlmarsdttir M，et al.Impact of chain length on antibacterial activity and hemocompatibility of quaternary N-alkyl and N，N-dialkyl chitosan derivatives［J］.Biomacromolecules，2015，16(5):1449－1460.

［11］Stepnova E A，Tikhonov V E，Babushkinaa T A，et al.New approach to the quaternization of chitosan and its amphiphilic derivatives［J］.European Polymer Journal，2007，(43):2414－2421.

［12］劉藝群.一種抗菌性胍基化殼聚糖材料的制備及其抗菌評(píng)價(jià)［D］.武漢:華中科技大學(xué)，2012.

［13］黃勇.殼聚糖及其胍基化衍生物的合成、表征及抗菌性能研究［D］.武漢:華中科技大學(xué)，

Synthesis of Novel Chitosan Derivatives
Containing Guanidyl and Quaternary Ammonium Groups

DAI Jian1，2，XU Qi2，XIAO Shun-hua1
(1.College of Chemistry and Bioengineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;
2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China)

Abstract:N，N-dimethyl-N'-guanidyl-1，3-propyldiamine(2)was prepared by nucleophilic addition of 3-dimethylaminopropylamine with cyanamide.N-(1-hydroxyl-3-chloropropyl)-carboxymethyl chitosan(4)was prepared by substitution reaction of chitosan with chloroacetic acid then epichlorohydrin.The novel chitosan derivatives(5)containing guanidyl and quaternary ammonium groups were synthesized by quaterisation of 4 with 2.The structures were characterized by1H NMR，IR and elemental analysis.The effects of raw material ration［γ=m(2)∶m(4)］and reaction time on the degree of substitution(DS)of the guanidyl and quaternary ammonium groups were investigated.The results showed that when γ was 3∶1，and the reaction time was 10 h，the largest DS was 73%.

Keywords:chitosan; guanidyl; guaternary ammonium group; epichlorohydrin; carboxymethyl chitosan derivative; synthesis

作者簡(jiǎn)介:戴建(1984－)，男，漢族，江蘇淮安人，學(xué)士，主要從事化學(xué)工程工藝研究。E-mail:daijian@ ycit.cn

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51364008)

收稿日期:2015-07-14

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.11.1045 *

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

中圖分類(lèi)號(hào):O636.1

通信聯(lián)系人:肖順華，教授，Tel.0773-5898551，E-mail:xiaoshunhua@ glite.edu.cn