甲壳素、壳聚糖的羟乙基化及应用

甲壳素、壳聚糖的羟乙基化及应用 辽宁?土谴 奎国辱耳t?技术暑瘁耳蠢?学术套议蔷文量 2006(a(7,(-6 80 70 60 ;50 V 祷40 饕30 20 10 O 0 0(2 0(4 0(6 0(8 浓度(mg,m1) 图3(壳聚 耱衍生物对羟自由基的清除作用 4(结论 如图1中所示，化合物A与甲壳素具有相似的结构，而且不溶解于水以及盐酸和乙酸溶液。而在化 合物A的分子结构中，2位与6位都有一个活泼的氯原子，选择适当的活性基团，接入到壳聚糖分子中， 可以得到许多的壳聚糖衍生物，本文用吡啶作为反应基团，得到化合物B。而且，新化合物可以溶解 于水中，并且抗氧化活性明显高于羧甲基壳聚糖(CMCTS)和羟丙基壳聚糖(HPCTS)。 甲壳素、壳聚糖的羟乙基化及应用 刘永乐，刘兆峰，张楠，昊清基 (东华大 学纤维材料改性国家重点实验室，上海，200051) 摘要:羟乙基甲壳素，羟乙基壳聚糖是甲壳素的重要衍生物，具有保温?】生、成膜性、水溶性和良好的 生 物相容性。本文综述了甲壳素(壳聚糖的羟乙基化实施方法，归纳了反应介质和羟乙基化试剂的优 缺 点，提出羟乙基化产物提纯的有效方法，最后对羟乙基化产物的应用作了展望( 关键讶:’甲壳 素，壳聚耱，羟乙基甲壳素，羟乙基壳聚糖，水溶性 甲壳素的生物合成量约为1xlOk】x10”吨庳”J，广泛存在于虾、蟹、昆虫类的外壳，以及菌类和 藻 有类的细胞壁中，是地球上仅次于纤维素的第二大可再生有机资源，同时也是地球上数量最大的含氮 机化合物和唯一的碱性多糖。甲壳素与壳聚糖已被证实有许多特殊的性能，如生物相容性、生物可 降 12J，在众多领域均有着广泛和深入的应用pl。 解性、无毒、加速伤口愈合能力和重金属螯合能力等 由于甲壳素分子链的规整性和刚性，分子内和分子间的强氢键作用，使其不溶解于水和一般有机 溶剂中，限制了应用。然而甲壳素、壳聚糖分子结构当中含有羟基、氮基，可以发生酰化、酯化、醚 化、氧化、烷基化、螯合、接枝共聚及交联等一系列的化学反应141，得到不同性能的衍生物。羟乙基 甲壳素、羟乙基壳聚糖是甲壳素的重要衍生物，具有保湿性、成膜性、水溶性和良好的生物相容性， 在食品工业、医药卫生领域、日用化学品工业、纺织工业和环保领域有广阔的应用前景。 1甲壳素、壳聚糖的羟乙基化 2006($(2-6也宁?土t 全国海洱生格杖术与海洋焉曲学术套议论文毒 羟乙基甲壳素和羟乙基壳聚糖的合成，一般是在碱性条件下，由甲壳素、壳聚糖与环氧乙烷、氧 乙醇进行醚化反应制备的，反应式如图l所示。根据反应介质的不同，可归纳为水媒法和溶媒法。 魁。厨吐 姑H NH。婚CHIOCHICH吐IOHClCH2CH20H 州 ? 州 洲 H b。 ?印吼 图l甲壳素的羟乙基化反应 1(1水媒法 较早的羟乙基化反应主要以水为介质(它是将碱甲壳素与醚化剂在游离碱和水的存在下进行反应 的。碱化和醚化过程中，体系不存在醇、酮等有机溶剂，所需设备比较简单，生产成本低。 羟乙基甲壳素的制备方法最早由R(Denzu和S(Okimasul51于1950年报道。R(Denzu将】份甲壳 素与 42w'd,oNaOH水溶液在25?下混合(2h后挤压除去多余碱液，加入3(5份碎冰，搅拌使体系成为均匀 黏性溶液，然后在0?下调节NaOH浓度为13wt,，固液比为l:20。最后在密闭条件下加入1份环的 氧乙 烷(摩尔比约为4(6:1)，在33"(2下反应1—2h，得到羟乙基甲壳素。 Ronald H(Hackman[61等对上述过程作了些改进:甲壳素的碱化在室温、真空下过夜完成，以便 化更充分和均匀;环氧乙烷加入甲壳素黏性碱溶液后先于0"C下反应2h,再在室温下反应过夜，然碱 后 在33?下反应2h，使反应充分，取代均匀。 Hidenofi Yamadal7]用2(氯乙醇代替低沸点的环氧乙烷来进行醚化反应，具体过程为:将59甲壳素 粉末分散于100ml ,NaOH水溶液中，常温减压碱化反应4h，抽滤后(将滤饼加入碎冰609(搅42wt 拌 30min，得到黏稠的碱溶液，然后将其稀释成相当于NaOH质量百分浓度为14,的溶液，在冰冷条件 下， 边搅拌边加入2(氯乙醇，于室温下搅拌一夜，在反应液中自NlOml乙酸酐进行乙酰化，然后用冰乙酸中 和。用渗析膜处理后，离心分离除去不溶物，将液体浓缩，冷冻干燥，得到羟乙基甲壳素。 Wall|91以上述方法，分别用环氧乙烷和2(氯乙醇与碱化后的壳聚糖反应制备了羟乙 许晶ISl:glYing 42wt,NaOH水溶液中，在4?下放置--d"时基壳聚糖。Ying Wan59lOOmL 将壳聚糖粉末分散于 后， -20"C冷冻过液。加入去离子水，调节碱浓度为14w1,，然后加入2(氯乙醇25?下反应过液，用乙醇、 丙酮洗涤，干燥得到羟乙基壳聚糖。许晶等将5(09壳聚糖与5wt,KOH水溶液混合，调节反应体系 pH值在12-14之间，搅拌升温至60?(分批加入环氧乙烷水溶液11(0ml，保持在50,--70?进行反的 当固体全部溶解时终止反应，滴D口5wt,盐酸，调节体系pH值到5，用c3砂芯漏斗过滤，滤液应， 用无水乙醇沉淀，得到羟乙基壳聚糖。 浓缩后 1(2溶媒法 以有机溶剂为分散剂可促进碱对甲壳素的润胀和反应试剂的扩散，副反应少，使醚化均 匀，产物 水溶性更好，省去了水媒法所固有的浸碱和压榨工序。分散荆可分为三种类型fl oI:a型。与水，碱液 均不相容，如苯、二氯甲烷、二甲基亚砜等;b型，与水相容，与碱液不相容，如丙酮、异丙醇等:c 型，与水和碱液都相容，如甲醇、乙醇等。 方波 1将碱化壳聚耱解冻后，挤压除去剩余碱液(置于三口烧瓶中，分别加入异丙醇50ml和2( 氯 100ml，微压下沸腾回流反应24h后，倾去溶剂(加入适量去离子水，用盐酸中和，于60?下烘 乙醇 干(即获得羟乙基壳聚糖。 ”450w,4NaOH20 陈建勇等将壳聚锫、二甲基哑砜、异丙醇、竹溶液混合均匀，在?下减压至0(533KPa。反应30rain，物料密封过夜(进行碱化处理。升温至70"C，在搅拌下(滴加2(氯乙醇溶 液， 宁土2006(8(2-6t?t 奎国露耳t曲技术与露耳焉曲孽术套截卺文l 恒温反应2h。调节pH值至中性(将反应粗产物用80,的甲醇溶液洗涤、抽滤(然后将洗净的产品 在 60?烘干至恒重，即得羟乙基壳聚糖。 2羟乙基化试剂 环氧乙烷，常温易挥旋，需要压力反应设备，或将之溶解于水和有机分散剂中，再加 入到反应体 系中。环氧乙烷在碱液中会以阴离子机理发生聚合，导致乙烯基羟乙基侧链的产生，使产物结构比较 复杂。反应温度较高，一方面增加环氧乙烷与水、有机分散剂的副反应，另一方面使甲壳素在碱性条 件下脱除乙酰基。然而环氧乙烷用量少，在反应过程中基本完全反应(没有残余。 2-氯乙醇沸点高，常温为液态，不易挥发，实验室容易操作，反应在较低温度下完成(副反应少， 甲壳素脱乙酰程度小。但是氯乙醇属于剧毒化学品，反应中用量大(而且反应不充分，要使醚化度达 到1(0，需要量为甲壳素质量的5~6倍。 3羟乙基化产物的提纯 羟乙基化粗产物中含有碱，中和后生成的盐，副反应生成的乙二醇、聚乙二醇 等杂质，这些杂质 的存在会严重影响羟乙基化产物的溶解和溶液的性质，必须经提纯除去。 一般用70—90,乙醇、丙酮水溶液来洗涤粗产物除去水溶性杂质。水的比例是非常重要的(要选 择特定的水含量(一方面要减少水量来防止产物的吸水溶胀，另一方面要用最大水量来提高去除水溶 性杂质的洗涤效率。这种方法对有机溶剂消耗大，增加了溶剂回收成本，而且洗涤的效率低，成品中 仍含有3,q,的灰分。 实验室操作中常用半透膜包覆粗产物(在流动水浴中透析除去小分子的水溶性杂质，而大分子的 羟乙基产物被截留。经此方法提纯的产物灰分很低(产物纯净，然而这种长时间，消耗大量水的方法 在工业上是不可行的。 专利报道【l”，用乙=醛交联羟乙基纤维素，延长其在水中的溶解速度，用水洗来提纯的方法。具 体 pH值调节至3,5，加入纤维素质 量方法是纤维素羟乙基化后，不经与分散体系分离，直用盐酸将体系 0(5~2(O,的乙二醛。升温至50,--70"C进行交联处理30min，经过滤，用0--30"(2的水洗涤可使灰分降 的 至1,左右。用少量NaOH将交联破坏后，可提高产物在水中的溶解速度。将此方法用于羟乙基甲壳 和羟乙基壳聚糖的提纯，同样也是有效的。 素 不同取代度的羟乙基化产物的溶解性不同，低取代度的只溶解于稀碱中，中等取代度的可溶解于 水中，高取代度的可溶解于有机溶剂中。利用此性质，以两步法进行羟乙基化I”J。首先在高碱浓度下 制 50,的醇水溶液洗涤脱盐。洗涤液中水比例的增加使洗涤高利 率各低取代度的产物，经中和，可以用 提大大提高。之后将经提纯的低取代物重新分散于有机分散剂中，在低碱含量下继续进行羟乙基化， 高取代度。产物经过中和后生成的盐分少，因而最终产物的灰分较低，而且整个生产过程有机分散 剂的消耗大副度降低。 4羟乙基甲壳素、羟乙基壳聚糖的性质及应用展望 羟乙基甲壳索和羟乙基纤维素结构相似，都是非离 子型水溶性高分子，目前后者己得到了广泛的 应用。由于羟乙基甲壳素的抗菌特性(必然会使之在食品工业代替羟乙基纤维素，如用作酒类和果汁 的澄清剂，食品增稠剂，用于食品的可食包装膜，用于水果的保鲜等。 羟乙基壳聚糖是阳离子水溶性高分子(而且有良好的成膜性，可用作功能分离膜和离子交换树脂 等。羟乙基壳聚糖还是用作合成类肝素物质的中间产物ll”，可进一步研制成新型类肝素药物。利用羟 乙基壳聚糖的pH和温度响应性可制备水凝胶作为化学阀和药物缓释材料。 利用羟乙基甲壳素和羟乙基壳聚糖的吸湿性、保湿性和成膜性可替代透明质酸用于日用化学品， 起到对乳液或悬浮液等分散体系的稳定作用、增黏作用等。 羟乙基甲壳素和羟乙基壳聚糖可作为织物的整理剂，使织物耐水洗，耐磨擦，提高织物的坚牢度， 减少皱缩(使织物透气、透湿和吸湿，而且赋予织物抗菌性。 t宁?土噍 2006(8(2-6 套国雌浑生曲娃术与辱耳焉?学术套议话文毒 此外，还可以利用羟乙基壳聚糖的絮凝作用和螯合重金属能力，可将之用作工业废水处理等环保 领域;利用羟乙基甲壳素和羟乙基壳聚糖的保水能力用作土壤的改良刺等。 气固相法制备羟乙基甲壳素 张楠刘永乐陈蕾刘兆峰何海洋 (东华大 学化学纤维研究所，上海，200051) 摘要:甲壳素是一种天然聚合物，是地球上第二大可再生有机资源。羟乙基甲壳素是甲壳素的一种水 溶性衍生物(本文采用气固相法，蹦环氧乙烷为醚化剂与碱甲壳素进行醚化反应，合成具有良好水溶 性的羟乙基甲壳素。13C核磁共振谱和红外光谱的谱图分析表明:经过醚化改性，反应生成了羟乙基 甲壳素;羟乙基甲壳素的水溶性随醚化度提高而增加，呈线性关系( 关键词:甲壳素，羟己基甲壳 素，气固相反应，环氧乙坑，水溶性 前言 甲壳素(化学名称是(1—4)(2-乙酰胺基一2一脱氧(13-D(葡萄糖，是地球上仅次子纤维素的第二大可再 生有机资源lIJ。甲壳素具有极大的研究和应用价值，在众多领域如食品工业、医药卫生、环境保护、轻 纺工业，功能材料、农业及畜牧饲养业等均有着广泛和深入的应用。 羟乙基甲壳素是甲壳素的一种重要衍生物(具有保湿性、成膜性和易溶于水等特点12l’有很多用 途 有待开发，如医药中可用作前驱体药物，化妆品中可用于固定胶、润肤露，以及工业生产中的各种 添 I”，将碱甲壳素与醚化试剂反应得到H(61。 加剂等等。羟乙基甲壳素可用类似纤维素改性的方法 鼬。癣 一她旃琢一”k— oooH“ 目前的醚化剂主要为环氧乙烷和氯乙醇。用氯乙醇作醚化剂时，反应温度低，副反应少，但产物 提纯比较复杂，而且氯乙醇为剧毒物质，反应用量大，生产成本高。环氧乙烷毒性较小，反应用量少， 反应完全，较为经济，在气同相反应中具有强大的气体穿透力，利于反应进行，但环氧乙烷易和水或 碱发生副反应l'1，消耗醚化剂。 cH2cH20+卜妒_+ CH20HCH2 0HNaOH— cH2cH20+ CH20HCH20Na 本文采用经压榨的碱甲壳紊粉末直接与气态环氧乙烷反应，产物易于提纯(制各工艺简单。其次， 反应体系中无多余的承与碱，减少了副反应的进行，提高了产率，降低了生产成本。 l实验部分 1(1仪器与试剂 CDJ-4A电位滴定仪，上海雷磁仪器厂;PE240C元素分析仪，美国PE公司:NEXUS-670红外 光谱仪，美国Nicolet公司;AVANCE-400核磁共振波谱仪，美国BRUKER公司:控温承压