二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的研究

王 盾（廣西智博建設(shè)工程檢測咨詢有限責任公司，廣西 南寧 530003）

二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的研究

王 盾
（廣西智博建設(shè)工程檢測咨詢有限責任公司，廣西 南寧 530003）

文章考察了二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)性能，通過紅外光譜研究其作用機理，用凱氏定氮法和電位滴定法兩種方法分析二元羧酸與殼聚糖相互作用的羧酸結(jié)合量，用DSC來研究二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的熱學性能，通過反應(yīng)產(chǎn)物的液體熒光特性分析其分子結(jié)構(gòu)。

二元羧酸；殼聚糖；反應(yīng)產(chǎn)物

殼聚糖作為天然多糖中的唯一堿性多糖，有良好的生物相容性和可生物降解性，且具有無毒、吸濕保濕、抗菌、吸附等優(yōu)良性質(zhì)，其相對分子質(zhì)量分布從數(shù)十萬到數(shù)百萬，可溶于大部分稀酸溶液但其不溶于水和堿性溶液，這個性質(zhì)是殼聚糖最重要的特性之一[1]，也正因為這一特性，限制了其在許多方面的應(yīng)用，因此，通過化學改性對殼聚糖改善其結(jié)構(gòu)性能，并具有許多獨特的生理活性和功能性質(zhì)。本文考察了二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)性能，通過紅外光譜研究其作用機理，用凱氏定氮法和電位滴定法兩種方法分析二元羧酸與殼聚糖相互作用的羧酸結(jié)合量，用DSC來研究二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的熱學性能，并通過反應(yīng)產(chǎn)物的液體熒光特性分析其分子結(jié)構(gòu)。

1 實驗部分

1.1 試驗儀器

Nexus-470傅立葉紅外光譜儀（美國Nicolet）；電位滴定儀（瑞士Metohm）；CDR-4P差動熱分析儀（上海精密儀器儀表有限公司）；RF-5301PC熒光光譜儀（日SHIMADZU）。

1.2 藥品與原料

殼聚糖（DD86.28%）；草酸（分析純）； 丙二酸（分析純）；丁二酸（分析純）；己二酸（分析純）；無水乙醇（分析純）；氫氧化鈉（分析純）；鹽酸（分析純）；硫酸（分析純）；CuSO4（分析純）；K2SO4（分析純）。

1.3 實驗方法

1.3.1 二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物制備

將二元羧酸和殼聚糖（摩爾比為0.75：1）在反應(yīng)器內(nèi)混合，在化學和機械作用下反應(yīng)，直至反應(yīng)產(chǎn)物可溶于水后，反應(yīng)停止。用乙醇浸泡反應(yīng)，然后透析，干燥并粉碎后，得到二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物，放入干燥器中備用。

1.3.2 二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物紅外光譜分析

采用Nexus-470型紅外光譜儀、樣品用KBr制作壓片。先用藥匙取反應(yīng)產(chǎn)物干燥樣品，然后取光譜純 100mgKBr粉末到研缽，在紅外燈下研磨4～6分鐘，磨成超細粉末，放置于磨具中壓片，使壓片透明，在測試前制備KBr片以同樣的方法，先測它的紅外光譜，去除KBr的吸收峰，然后測量反應(yīng)產(chǎn)物的紅外光譜。

1.3.3 凱氏定氮法測定二元羧酸與殼聚糖的羧酸結(jié)合量

稱取約0.5g反應(yīng)產(chǎn)物和一定量的CuSO4與K2SO4混合于凱氏燒瓶中，加入10mL濃硫酸，小火加熱，至消化液由黑色轉(zhuǎn)為淡藍色透明溶液，繼續(xù)加熱1h然后冷卻，轉(zhuǎn)入容量瓶定容。取10mL反應(yīng)溶液，10mL硼酸溶液以及15mL40%的氫氧化鈉溶液進行水蒸氣蒸餾20min。接收液體用一定濃度的鹽酸滴定。

1.3.4 電位滴定法測定測定二元羧酸與殼聚糖的羧酸結(jié)合量

稱取一定量的反應(yīng)產(chǎn)物溶于 30mL蒸餾水（有沉淀的除去沉淀），電位滴定儀用濃度為0.0193mol/L的氫氧化鈉溶液滴定。

1.3.5 二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的DSC測試

稱取一定量的反應(yīng)產(chǎn)物，放置于CDR-4P 差動熱分析儀，設(shè)定升溫溫度范圍為35～380℃。

1.3.6 二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物液體熒光性能測試

稱取一定量的反應(yīng)產(chǎn)物溶于二次蒸餾水中，完全溶解，放入RF-5301PC熒光光譜儀中，激發(fā)波長436nm，狹縫寬度5nm，掃描范圍為400～600nm進行測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 反應(yīng)產(chǎn)物紅外光譜分析

圖1，圖2，圖3，圖4和圖5是殼聚糖及二元羧酸和殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物紅外光譜圖，從這些圖可以看出，反應(yīng)產(chǎn)物及殼聚糖都有一個強的吸收峰在3400cm-1左右，是O-H與N-H的伸縮振動重疊形成的吸收峰，反應(yīng)后這個峰變?nèi)踝儗挘@是因為反應(yīng)產(chǎn)物分子中形成了-NH3+。殼聚糖氨基在紅外譜圖中有1657.92cm-1的特征吸收峰，但在反應(yīng)產(chǎn)物的紅外譜圖中，氨基的吸收峰消失了，出現(xiàn)了兩個不同的吸收峰在特征吸收峰附近。這一現(xiàn)象出現(xiàn)顯示二元羧酸與殼聚糖之間發(fā)生了質(zhì)子化反應(yīng)。以己二酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的紅外光譜為例，殼聚糖特有的氨基吸收峰1657.92cm-1處消失了，形成兩個新的吸收峰在1633.59cm-1與1543.24cm-1[2]，通常認為-NH3+的吸收峰在 1620～1565cm-1之間，-COO-基團的吸收峰在1615-1550 cm-1之間，反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生的 1633.59cm-1與1543.24cm-1兩個吸收峰在這兩個范圍之外，因為己二酸為二元羧酸，使-COO-與 -NH3+的吸收峰發(fā)生了偏移，說明己二酸與殼聚糖發(fā)生了相互反應(yīng)，其他反應(yīng)產(chǎn)物圖中均出現(xiàn)了相同的現(xiàn)象，只是新產(chǎn)生的吸收峰的位置不同而已。

圖1 殼聚糖的紅外光譜圖

圖2 草酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的紅外光譜圖

圖3 丙二酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的紅外光譜圖

圖4 丁二酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的紅外光譜圖

圖5 己二酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的紅外光譜圖

紅外光譜表明二元羧酸與殼聚糖發(fā)生了較強的化學反應(yīng)，二元羧酸上的羧酸根離子與殼聚糖結(jié)構(gòu)上的氨基發(fā)生了成鹽反應(yīng)。

2.2 反應(yīng)產(chǎn)物羧酸結(jié)合量的結(jié)果與分析

下面是不同方法測定的反應(yīng)產(chǎn)物的羧酸結(jié)合量，羧酸結(jié)合量等于二元羧酸與殼聚糖的摩爾比：n（二元酸）/n（殼聚糖），結(jié)果測定值如表1：

表1 殼聚糖二元酸鹽的羧酸結(jié)合量

反應(yīng)產(chǎn)物羧酸結(jié)合量的測定更進一步表明二元羧酸與殼聚糖之間存在相互作用，這種化學作用是發(fā)生了質(zhì)子化的作用，不是簡單的物理吸附，而從羧酸結(jié)合量的測定方法上看，凱氏定氮法操作比較繁瑣、復雜，電位滴定法操作簡單方便；凱氏定氮法雖然有一定誤差，但比電位滴定法誤差要稍小，因為幾種反應(yīng)產(chǎn)物不能完全溶解，用電位滴定法測定時，隨著測定過程中堿液的加入，pH值滴定過程增大，會有一部分反應(yīng)產(chǎn)物析出，電位滴定中pH計探頭的表面被殼聚糖顆粒附著，pH測量值變化緩慢，造成反應(yīng)產(chǎn)物的羧酸結(jié)合量的測定值偏大。

2.3 反應(yīng)產(chǎn)物DSC分析

圖6至圖10分別為殼聚糖與反應(yīng)產(chǎn)物的DSC圖，從圖中可以得出反應(yīng)產(chǎn)物與殼聚糖在 60～100℃之間有一個明顯的吸熱峰，這個峰為水分散失引起的，而且反應(yīng)產(chǎn)物與殼聚糖都有不同的放熱峰，殼聚糖在304.6℃的位置有一個放熱峰，幾種反應(yīng)產(chǎn)物的放熱峰分別在 312.1℃（草酸反應(yīng)產(chǎn)物），326.1℃（丙二酸反應(yīng)產(chǎn)物），342.9℃（丁二酸反應(yīng)產(chǎn)物）和355.1℃（己二酸反應(yīng)產(chǎn)物），反應(yīng)產(chǎn)物的放熱峰都有明顯的增大。化學反應(yīng)后隨著陰離子碳鏈的增長，分解溫度越來越高。從DSC圖還可以看出反應(yīng)產(chǎn)物在200℃附近都有一個明顯的吸熱峰，這個與殼聚糖不同，由于反應(yīng)產(chǎn)物在降解過程中結(jié)合的各自二元羧酸失去造成的。幾種反應(yīng)產(chǎn)物的吸熱峰位置不同，溫度分別為210.3℃（草酸反應(yīng)產(chǎn)物），175.5℃（丙二酸反應(yīng)產(chǎn)物），204.4℃（丁二酸反應(yīng)產(chǎn)物），198.5℃（己二酸反應(yīng)產(chǎn)物），這說明幾種反應(yīng)產(chǎn)物與殼聚糖在熱學性能上有很多不同，從另一方面也說明二元羧酸與殼聚糖之間發(fā)生了化學反應(yīng)，不是簡單的物理吸附作用引起的。

圖6 殼聚糖的DSC圖

圖7 草酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的DSC圖

圖8 丙二酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的DSC圖

圖9 丁二酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的DSC圖

圖10 己二酸與殼聚糖反應(yīng)產(chǎn)物的DSC圖

2.4 反應(yīng)產(chǎn)物液體熒光性能分析

圖11為殼聚糖及反應(yīng)產(chǎn)物的液體熒光譜圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，殼聚糖與反應(yīng)產(chǎn)物在511nm處的熒光強度明顯的不同，幾種反應(yīng)產(chǎn)物的熒光強度明顯弱于殼聚糖，出現(xiàn)這種現(xiàn)象是由于反應(yīng)產(chǎn)物與殼聚糖的分子結(jié)構(gòu)不同引起的，物質(zhì)要具有強的熒光強度，分子結(jié)構(gòu)必須具有一定得剛性且是平面型分子[3]。取代基的類型是影響物質(zhì)熒光強度另一個的重要因素，增強熒光的取代基如–NR2、-NHR、-NH2、-OR、–OH等，減弱熒光的取代基如–COOH、-C=O、-Cl、-I、–Br等。反應(yīng)產(chǎn)物分子中由于引入了羧基、羰基這種減弱熒光的基團[4]，造成反應(yīng)產(chǎn)物的熒光強度要比殼聚糖的弱。

圖11 殼聚糖二元酸鹽的熒光光譜

3 結(jié)論

（1）紅外光譜表明二元羧酸與殼聚糖發(fā)生了較強的化學反應(yīng)，二元羧酸上的羧酸根離子與殼聚糖結(jié)構(gòu)上的氨基發(fā)生了成鹽反應(yīng)。

（2）凱氏定氮法和電位滴定法兩種方法測定二元羧酸與殼聚糖反應(yīng)羧酸結(jié)合量，羧酸結(jié)合量等于二元羧酸與殼聚糖的摩爾比，測定值：反應(yīng)產(chǎn)物（草酸）分別為42.6%和45.8%；反應(yīng)產(chǎn)物（丙二酸）分別為43.5%和48.1%；反應(yīng)產(chǎn)物（丁二酸）分別為39.8%和43.7%；反應(yīng)產(chǎn)物（己二酸）分別為42.1%和48.6%。

（3）DSC分析表明：反應(yīng)產(chǎn)物與殼聚糖在熱學性能上有很多不同，從另一方面也說明二元羧酸與殼聚糖之間發(fā)生了化學反應(yīng)，不是簡單的物理吸附作用引起的。

（4）熒光光譜分析表明：反應(yīng)產(chǎn)物分子中由于引入了羧基、羰基這種減弱熒光的基團，造成反應(yīng)產(chǎn)物的熒光強度要比殼聚糖的弱。

[1] 蔣挺大.殼聚糖[M].北京:化學工業(yè)出版社,2001.

[2] I.Orienti. Influence of different chitosan salts on the release of solium diclofenac in colon-specific delivery[J].Intenational Journal of Pharmaceutics,2002,238:51-59.

[3] 許金鉤,王尊木.熒光分析法(第三版)[M].北京:科學出版社,2006.

[4] 董炎明.高分子分析手冊[M].北京:中國石化出版社,2005.

Study on the reaction products of dicarboxylic acid and chitosan

The structure properties of the reaction products between dicarboxylic acid and chitosan were investigated and its antibacterial mechanism were researched by FT-IR，its solubility and carboxylic acid binding capacity were measured with Kjeldahl method and potentiometric titration, the thermal properties were researched by the Differential Scanning Calorimetry (DSC)and molecular structure were analyzed by fluorescence spectrometry.

dicarboxylic acid; chitosan; reaction products

TQ42

A

1008-1151(2016)12-0044-04

2016-11-11

王盾（1983－），男，陜西富平人，廣西智博建設(shè)工程檢測咨詢有限責任公司檢測所所長，工程師，碩士，從事分析檢測工作。