N—烷基化疏水殼聚糖的合成與表征

唐若谷

摘 要：本研究以低分子量殼聚糖為原料，與乙醛或己醛反應形成Schiff堿，再與硼氫化鈉發生還原反應，從而引入不同的烷烴基團到殼聚糖分子鏈上，以實現殼聚糖的烷基化疏水改性。紅外光譜和核磁共振圖譜表明反應后烷烴基以共價鍵的形式連接到殼聚糖分子鏈的氨基上。改性后殼聚糖的疏水性明顯提高：N-乙基殼聚糖在稀醋酸（殼聚糖的良溶劑）中的溶解度大大降低，N-己基殼聚糖則完全不溶于稀醋酸。Zeta電位測試表明引入烷基后電位下降，表明質子化作用減小，而質子化作用是殼聚糖在弱酸中溶解的基礎，因此改性后殼聚糖疏水性增加、溶解性下降。粒徑測試表明改性后殼聚糖粒徑增大，分布變寬。核磁共振圖譜還表明該該反應有較高的烷基取代程度，表明此方法可以用于大批量生產制備中。

關鍵詞：殼聚糖 疏水性 溶解性 烷基

中圖分類號：O63 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（a）-0074-04

Abstract： In this study， low molecular weight chitosan were reacted with acetaldehyde or hexaldehyde to form chitosan-based schiff base， the schiff bases were then reacted with sodium borohydride and different modified chitosan products were obtained. The FT-IR and NMR spectra indicated that after reaction， alkyl groups were covalently bonded on chitosan. After introducing alkyl groups into chitosan， it became much more hydrophobic： ethylated-chitosan was less soluble in diluted acetic acid （generally used solvent for chitosan） while hexylated-chitosan was totally insoluble in acetic acid. Zeta potential of modified chitosan was less than original one， indicating that the protonation effect decreased after modification， this could explain the decrease of solubility of modified chitosan. The size and corresponding distribution of modified chitosan are larger than original one. In addition， NMR spectra showed the reaction degree is high enough for industrious application.

Key Words： Chitosan； Hydrophobicity； Solubility； Alkyl group

殼聚糖（chitosan）又稱脫乙酰甲殼素，化學名稱為聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖，由自然界廣泛存在的幾丁質經過脫乙酰作用得到[1]。與其他高分子相比，殼聚糖具有極好的生物相容性和可降解性，因此廣泛應用于食品、醫藥、化工、水處理等領域，是一種較有發展前景的生物高分子[2]。

殼聚糖的溶劑穩定性通常較好，不溶于一般溶劑，但易溶于弱酸，限制了其應用范圍[3]。本文針對殼聚糖的這一缺陷，制備了烷基化改性的疏水性殼聚糖。經過烷基化改性的殼聚糖與普通殼聚糖相比，具備更好的疏水性和弱酸溶劑穩定性。

1 實驗部分

1.1 原料與設備

實驗采用的原料與試劑包括：低分子量殼聚糖、醋酸、乙醛、已醛、硼氫化鈉、氫氧化鈉、乙醇。核磁共振表征通過500MHz核磁共振儀獲得。

1.2 實驗步驟

本實驗的反應機理為氨基與醛基反應生成schiff堿（-CH=N-結構），隨后在硼氫化鈉的作用下還原成亞甲基和仲胺（-CH2-NH-結構）[4]。

實驗方法如下：將1.0g殼聚糖溶于100mL 1%（v/v）的醋酸中并置于燒瓶內，隨后加入10mL乙醛或己醛并通過磁力攪拌器攪拌均勻。混合液在70℃、常壓和水浴攪拌下蒸餾反應1h，隨后自然冷卻至室溫。將適量硼氫化鈉（其摩爾數為殼聚糖的1.5倍）堿性溶液逐滴滴入混合液中并持續攪拌，直至pH為10，反應1h后結束。待混合也冷卻至室溫后，將產物經布氏漏斗過濾，所得沉淀物，用乙醇和蒸餾水反復洗滌至中性，并用乙醇萃取未參與反應的醛，隨后產物40℃下恒溫干燥至恒定重量，得到白色粉末狀產物。

為制取3種殼聚糖膜，將殼聚糖、N-乙基殼聚糖分別溶于1%醋酸中，將N-己基殼聚糖溶于二甲基亞砜中，待溶液穩定后轉移至蒸發皿并置于通風櫥內，待溶劑蒸發完畢后取下相應的殼聚糖膜。

1.3 結構與性能表征

紅外光譜表征：將殼聚糖、N-乙基殼聚糖和N-己基殼聚糖與溴化鉀粉末混合稀釋（質量比1∶100），研磨均勻后置于紅外光譜內掃描，所有樣品的掃描次數均為512次。

核磁共振表征：將殼聚糖、N-乙基殼聚糖溶于1%氘代醋酸，N-己基殼聚糖溶于氘代二甲基亞砜，置于核磁共振儀表征，所有樣品的掃描次數均為64次。

接觸角測試：取三種殼聚糖膜，以超純水為液體測試每一種殼聚糖的接觸角，接觸時間為10s。取10次測量結果平均值為最終數據。

溶解性測試：將0.1g殼聚糖、N-乙基殼聚糖和N-己基殼聚糖分別溶于30mL 1%醋酸，40℃下攪拌4h，觀察3種樣品的溶解情況。

Zeta電位測試：取3種殼聚糖膜，浸沒在標準測試液中進行Zeta電位測試，取10次測量結果平均值為最終數據。

粒徑測試：將殼聚糖、N-乙基殼聚糖溶于1%醋酸、N-己基殼聚糖溶于二甲基亞砜，隨后進行粒徑測試。取10次測量結果平均值為最終數據。

2 結果與討論

圖1為殼聚糖、N-乙基殼聚糖和N-己基殼聚糖的紅外圖譜。其中出現在3400cm-1附近的多重峰是由能形成氫鍵的由羥基和氨基的伸縮振動峰重疊而成。本實驗中3種殼聚糖的分子內氫鍵和分子間氫鍵均有差異，因此各自的重疊峰分別處在一個較廣的范圍內。出現在2920cm-1和2880cm-1附近的為C-H鍵的振動吸收峰，對比烷基化改性后和未改性的殼聚糖，可以看出兩種改性殼聚糖在這兩處峰的強度明顯增大（特別是N-己基殼聚糖），說明改性后的殼聚糖中烷基含量提高，證明烷基已接入到殼聚糖分子鏈上。出現在1420cm-1附近的峰是-CH2和CH3的彎曲振動峰，從圖中同樣可以看出，改性后的殼聚糖的振動峰的強度更高，也進一步說明改性后烷基已接枝上。

圖2為殼聚糖、N-乙基殼聚糖和N-己基殼聚糖的核磁共振圖譜。其中在殼聚糖的圖譜上，出現在化學位移為4.8ppm的是1%醋酸的溶劑峰，2ppm處的單峰為酰胺峰，3.5ppm處的多重峰為殼聚糖六元環上的亞甲基峰。上述峰同樣出現在N-乙基殼聚糖的圖譜上，但N-乙基殼聚糖還多了在1.2ppm處的多重峰，這是連在氨基上的甲基和亞甲基峰，該多重峰證明乙基已接入到殼聚糖分子鏈的氨基上。N-己基殼聚糖而言，出現在1.0ppm處的多重峰和0.5ppm處的峰同樣意味著烷基的接入，此外圖譜上出現在2.4和3.2ppm的是二甲基亞砜的溶劑峰，值得注意的是圖譜上3.4ppm處的多重峰消失，意味著此時并無六元環結構。筆者認為，極有可能是在二甲基亞砜溶解過程中殼聚糖結構遭到了破壞，六元環發生斷裂，斷裂后的亞甲基峰被溶劑峰掩蓋。此外，根據圖譜的峰強度進行積分，可得N-乙基殼聚糖中的乙基取代度為81.8%，N-己基殼聚糖中的己基取代度為61.5%。

圖3（a）（b）和（c）為殼聚糖、N-乙基殼聚糖和N-己基殼聚糖的接觸角測試結果，可以看出從殼聚糖到N-己基殼聚糖，水滴在其表面后愈發難以擴散。表1的數據顯示，經過烷基化改性的殼聚糖的接觸角明顯增大，且烷基接入的數目增加，接觸角也隨之增大，這表明接入烷基后殼聚糖疏水性得到明顯提高。

圖4（a）（b）和（c）分別為1g殼聚糖/N-乙基殼聚糖/N-己基殼聚糖在1%醋酸的溶解情況，從圖中可以看出，殼聚糖能較好地溶解在1%醋酸中，N-乙基殼聚糖只能部分溶解于1%醋酸，N-己基殼聚糖則完全不溶解，說明引入烷基到殼聚糖的氨基上能提高其疏水性，烷基分子鏈越長，殼聚糖疏水程度更大。

表2為3種殼聚糖的Zeta電位，可以看出隨著烷基數目的增加Zeta電位不斷下降，對殼聚糖而言，它在溶液中的Zeta電位主要來自它的氨基在弱酸中的質子化反應（-NH2變成-NH3+，使Zeta電位為正值）[5]，而引入烷基后，由于位阻效應，質子化反應被嚴重抑制，Zeta電位下降。而質子化作用的減小正是殼聚糖改性后變得疏水的原因：殼聚糖能溶于1%醋酸的原理在于，在稀釋的弱酸環境下，殼聚糖內的氫鍵被破壞，殼聚糖分子鏈上的氨基會發生質子化反應，最終使其溶解。烷基化改性后，質子化效應減小，溶解性也隨之降低。

圖5為3種殼聚糖的粒徑及分布，結果表明，引入乙基和己基到分子鏈上后，殼聚糖的粒徑有所增大，且粒徑分布明顯變寬。這是因為殼聚糖是高分子，每一條分子鏈由大量重復的結構單元連接而成，由于位阻效應等作用，并非每一個結構單元上的氨基都和醛基發生反應，因此樣品的均一性下降，粒徑分布變寬。

3 結語

本研究制備了N-乙基殼聚糖和N-己基殼聚糖，通過紅外光譜和核磁共振光譜驗證了各自的結構。接觸角測試表明在氨基上接入烷基后，殼聚糖疏水性明顯提高。烷基化殼聚糖在其良溶劑——1%醋酸的溶解性急劇下降，也表明疏水性得到提高。Zeta電位測試結果表明烷基化殼聚糖的電負性比未改性的殼聚糖明顯下降，表明引入烷基后，殼聚糖在溶劑中的氨基質子化作用被抑制，從而提高了疏水性。本研究為疏水性和高穩定性殼聚糖的制備提供一定的啟發意義。

參考文獻

[1] Vida Zargar， Morteza Asghari， Amir Dashti. A Review on chitin and chitosan polymers： structure， chemistry， solubility， derivatives， and applications[J]. ChemBioEng Review，2015，2（3）：204-226.

[2] Priyanka Sahariah， Már Másson. Antimicrobial chitosan and chitosan derivatives： a review of the structure-activity relationship[J].Biomacromolecules. 2017，18（11）：3846-3868.

[3] Caiqin Qin， Huirong Li， Qi Xiao， et al. Water-solubility of chitosan and its antimicrobial activity[J]. Carbohydrate Polymers，2006，63（3）：367-374.

[4] Warayuth Sajomsang， Supawan Tantayanon， VarawutTangpasuthadol， et al. Synthesis and characterization of N-aryl chitosan derivatives[J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2008，43（2）：79-87.

[5] Qizhao Wang， Xiguang Chen， Nan Liu， et al. Protonation constants of chitosan with different molecular weight and degree of deacetylation[J]. Carbohydrate Polymers， 2006，65（2）：194-201.