專利名稱：殼聚糖季銨鹽的制備方法
技術領域：
本發明涉及有關殼聚糖季銨鹽的制備方法。更具體是指脫乙酰度為75％-98％的殼聚糖脂肪族和芳香族氯化、溴化、碘化季銨鹽的制備方法。
背景技術：
甲殼素或殼聚糖衍生物有抗菌活性。如N-羧甲基殼聚糖(N-CM-Chitosan)可使黃曲霉素減少90％以上，降低真菌生長一半以上，能抑制孢子發芽和真菌體孢子的形成，對口腔細菌尤其是蛀齒細菌特別敏感(Muzzarelli R.A.A.；Tarsi R，et al.Antibacterial action ofamphoteric and biopolymers，Prod.Chitin Aerosol Sel.1987，28(3)13；Muzzarelli R A A，Carboxymethylated chitins and chitosans.Carbohydrate Polymer，1988，81-12)。O-羧甲基殼聚糖(O-CM-Chitosan)和N，O-二羧甲基殼聚糖(N，O-CM-Chitosan)都有抗菌活性。(Muzzarelli R A A，Tarsi R.et al，Antimicrobial properties of N-Carboxybutyl chitosan.Antimicrobial Agents and Chemotherapy 1990，34(10)2019-2023)。
進行抗菌性比較(Kim J.H.；Lee Y.M.Synthesis and properties of diethylaminoethylchitosan.Polymer，1993，34(9)1952-1957)，Kim發現將二乙氨乙基(DEAE)基團接入到甲殼素的C6位羥基上形成二乙氨乙基甲殼素(DEAE-chitin)，然后用乙基鹵化物將其季銨化得到三乙氨乙基甲殼素(TEAE-chitin)。另外將DEAE-chitin脫乙酰得DEAE-chitosan，比較其抗大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗菌活性，發現其抗菌活性從大到小順序依次為TEAE-chitin＞DEAE-chitosan＞DEAE-chitin。Tsurugai K.等(Tsurugai，K.et al.Preparation andantibacterial activity of N-trimethylammonium salts of chitosan.Sen-i Gakkaishi 1994，50(5)，215-20)發現N，N，N-三甲基殼聚糖季銨鹽有抗大腸桿菌ATCC 25922和葡萄球菌屬ATCC 149909的活性。含有N-長鏈烷基殼聚糖的季銨鹽對月孢子菌、大腸桿菌有抗菌作用(于義松，一種天然高分子材料----甲殼素及其衍生物，化學與粘合，1992，150-54)。殼聚糖與碘代甲烷在三乙胺中反應所得到的季銨鹽對革蘭氏陽性菌有很強的抑制作用(HiranoS.，Matsuda N.et al，Carbohydr.Res.1987，313-16)。Kim(Kim C.H.，Choi J.W.et al，Synthesis of chitosan derivatives with quaternary ammonium salt and their antibacterialactivity，Polymer Bulletin，1997，38(4)，387-393.)等發現烷基殼聚糖季銨鹽隨著烷基鏈長度的增加，其抗菌活性也增加，表明烷基鏈的長度和正電荷取代基強烈地影響著殼聚糖衍生物的抗菌活性。
從上可見抗菌性與產物的結構有關，季銨鹽抗菌性大于殼聚糖和甲殼素。由于殼聚糖季銨鹽的結構和水溶性對殼聚糖季銨鹽的抗菌活性和應用有很大的影響，因此合成各種結構的水溶性殼聚糖季銨鹽是殼聚糖季銨鹽作為環境安全的生物類殺菌劑的關鍵。殼聚糖季銨鹽的合成方法主要有Muzzarelli Tanfanni(Muzzarelli R A A，Tanfani，F.，Carbohydrate Polymers，1985，5297-307)報道了碘化N-三甲基殼聚糖的合成方法，即將N-二甲基殼聚糖與碘甲烷反應生成殼聚糖季銨鹽，但此法合成的殼聚糖季銨鹽是不溶于水的；Domard(Domard，A.，et al，New method for the quaternization of chitosan.Int.J.Biol.Macromol，1986，8105-107；Domard，A.；Rinando M.and Tanfani，F.，Carbohydrate Polym，(1985)，5297)報道了用碘甲烷，在N-甲基-2-吡咯烷酮溶劑中直接從殼聚糖合成季銨鹽，但殼聚糖碘代季銨鹽的穩定性不如氯代季銨鹽好，所以將碘化N-三甲基殼聚糖溶于水，通過離子交換樹脂即可轉型為氯化N-三甲基殼聚糖。日本的Toahihiro(Seo，Toahihiro；Nasashi et al，Synthesis and properties of N-alkylsubstituted chitison and their quartemized derivatives.Kichin，KitosanKenkyu，1995，1(2)，168-169)將N-烷基殼聚糖季銨化以后，季銨鹽有了較大的溶解范圍，在pH1～11的水溶液中均可溶解。許晨(許晨，盧燦輝等，殼聚糖季銨鹽的合成及結構表征，功能高分子學報，1997，10(1)51-55)將殼聚糖與縮水甘油三甲基氯化銨反應，通過C2位上季銨鹽基團的引入，制得殼聚糖季銨鹽。Kim(Kim C.H.；Kim S.Y.et al.，Synthesis andantibacterial activity of water-soluble derivatives.Polym.Adv.Technol.1997，8(5)，319-325.)通過席夫堿中間物，將烷基接到殼聚糖的氨基上，所得到的N-烷基殼2聚糖衍生物再用碘甲烷季銨化，得到殼聚糖碘化季銨鹽，水溶性大大增強。
以上文獻報道的殼聚糖季銨鹽的合成方法技術上主要解決了殼聚糖季銨鹽的水溶性。并且僅合成了少數幾個脂肪族殼聚糖季銨鹽。但在合成不同取代基，特別是合芳基殼聚糖季銨鹽，合成技術還沒有通用性，且合成操作步驟煩瑣，殼聚糖季銨鹽的取代度低，產物從反應后的粘稠溶液中分離和提純出來有相當大的困難等問題。
發明內容
本發明為了克服合成殼聚糖季銨鹽操作的煩瑣，殼聚糖季銨鹽取代度低，產物從反應后的粘稠溶液中分離和提純出來困難等問題。提供一種簡便、成本低，水溶性好，取代度高的殼聚糖季銨鹽化學合成方法。
本發明的化學反應式如下 X＝Cl，Br，I R1＝烷基或芳基 R2＝甲基，乙基所述R1為烷基或芳基，R2為甲基，乙基。形成殼聚糖季銨鹽的鹵素陰離子為氯、溴、碘。殼聚糖脫乙酰度為75％～98％，分子量為1.5萬～21.0萬(粘均分子量)，原料殼聚糖的經精制、溶解、縮合還原、取代、分離、純化制備步驟，獲得本發明的各種N-烷基化或N-芳基化殼聚糖季銨鹽。
本發明所述的殼聚糖的精制方法如下；經雙氧水降解的各種分子量的殼聚糖，溶解于0.2～2％的乙酸溶液中，去除雜質，用30-50％的NaOH中和直到不再出現沉淀，用蒸餾水洗滌沉淀，調節pH值為中性，用丙酮浸泡24～48小時，過濾，于40～60℃干燥，得精制殼聚糖。測定殼聚糖脫乙酰度為75％～98％，分子量為1.5萬～21.0萬(粘均分子量)。
本發明所述的殼聚糖季銨鹽的制備步驟是1.溶解將精制殼聚糖溶解在乙酸(0.5％-2.5％)～乙酸鈉(0.5％-2.5％)混合溶液(W/V)中形成0.5％～3.0％的殼聚糖溶液(W/V)。
2.縮合還原0.3-0.6摩爾的醛溶液在室溫-35℃，攪拌下加到上述殼聚糖溶液中，繼續攪拌30-60分鐘，用NaOH(1-2mol/L)調pH到4.5-6.0。在上述殼聚糖溶液中攪拌下加入還原劑NaBH4(10％-15％)；還原反應2-4小時后，用NaOH(1-2mol/L)調pH到8-9，得N-烷基化或N-芳基化的殼聚糖衍生物。
3.取代、分離用蒸溜水洗N-烷基化或N-芳基化的殼聚糖衍生物到中性，依次用乙醇和乙醚浸泡4小時或依次用乙醇和乙醚索氏提取4小時，在40-60℃真空干燥20-48小時得N-烷基化或芳基化的殼聚糖衍生物。
將獲得的N-烷基化或芳基化的殼聚糖衍生物，分散在適量的N-烷基-2-吡咯烷酮溶劑中，在室溫溶脹12-20小時后，加入NaOH(1-2mol/L)和CH3X或CH3CH2X(N-烷基化或芳基化的殼聚糖衍生物摩爾數的3-10倍)，在反應物體系中再加入催化劑NaI，使其濃度為0.1-0.4mol/L。在40℃-60℃下攪拌反應10-20小時后，在反應物體系中加入丙酮，直至溶液無沉淀生成，沉淀出來的N-烷基化或N-芳基化殼聚糖季銨鹽，用丙酮浸泡洗滌3-5次。
4.純化N-烷基化或N-芳基化殼聚糖季銨鹽用蒸溜水半透膜透析純化除去無機鹽和小分子化合物。N-烷基化或N-芳基化殼聚糖季銨鹽，在40-60℃真空干燥20-48小時后，獲得各種N-烷基化或芳基化殼聚糖季銨鹽。
各種N-烷基化或N-芳基化殼聚糖季銨鹽經紅外光譜，核磁共振譜，碳氫分析確證。取代度經產物的碳/氮比計算。如下式C1/N1·(1-X)+C2/N2·X＝C3/N3·Y％C1/N1是脫乙酰殼聚糖原料計算的碳/氮比。C2/N2殼聚糖季銨鹽計算的碳/氮比。C3/N3殼聚糖季銨鹽元素分析的碳/氮比.X是殼聚糖季銨鹽的取代度。Y％是實測脫乙酰度(75％-95％)。
本發明合成方法較為簡便，成本低，用該方法產物能合成殼聚糖脂肪族和芳香族氯化、溴化、碘化季銨鹽。殼聚糖季銨鹽容易從粘稠溶液中分離和提純出來。合成的殼聚糖季銨鹽水溶性好，取代度高。
具體實施例方式
實施例1N，N-二甲基-N-烷基或N-芳基殼聚糖碘化季銨鹽制備經雙氧水降解的各種分子量的殼聚糖(制備方法見Tsuguhei k，Tatsusaki Y.，JP 09031104，1997，02-04；羅平，何波兵等，化學研究與應用，12(5)，2000；盧鳳奇，曹宗順等，中國生化藥物雜志，18(4)，1997)溶解于0.2～2％的乙酸溶液中，去除雜質，用30-50％的NaOH中和直到不再出現沉淀，用蒸餾水洗滌沉淀1～2次，調節pH值為中性，再用蒸餾水多次洗滌沉淀，用丙酮浸泡24～48小時，過濾，于40～60℃干燥，得精制殼聚糖。測定殼聚糖脫乙酰度為75％～98％，分子量為1.5萬～21.0萬(粘均分子量)。
取10.5克精制殼聚糖，在乙酸(1.0％)～乙酸鈉(0.5％)混合溶液(W/V)中形成1.0％的殼聚糖溶液(W/V)。0.64mol的乙醛溶液在室溫，攪拌下加到上述殼聚糖溶液中，繼續攪拌30分鐘，用NaOH(1mol/L)調pH到4.5。在上述殼聚糖溶液中攪拌下加入NaBH4(15％；W/V)，繼續攪拌1.5小時后，上述反應后的溶液，調pH到9，獲得N-烷基或N-芳基化的殼聚糖衍生物。用大量蒸溜水洗N-烷基或N-芳基化的殼聚糖衍生物到中性，用乙醇和乙醚索氏提取N-烷基或N-芳基化的殼聚糖衍生物各一天后，在55℃真空干燥25小時得N-烷基或N-芳基化的殼聚糖衍生物。
將獲得的15克N-烷基或N-芳基化的殼聚糖衍生物分散在630ml的N-烷基-2-吡咯烷酮中，在室溫溶脹12小時后，加入NaOH(1.3mol/L)和CH3I(0.3mol)，在反應物體系中再加入NaI使其濃度為0.2mol/L。在50℃下攪拌反應12小時后，在反應物體系中加入丙酮，直至溶液無沉淀生成，沉淀出來的N-烷基或N-芳基殼聚糖季銨鹽用丙酮浸泡洗滌4次，N-烷基或N-芳基殼聚糖季銨鹽用蒸溜水半透膜透析除去無機鹽和小分子化合物。N-烷基殼聚糖季銨鹽在50℃真空干燥48小時后，獲得各種N，N-二甲基-N-烷基或N-芳基殼聚糖碘化季銨鹽。N，N-二甲基-N-烷基殼聚糖碘化季銨鹽產率為70％-90％。取代度為0.70-0.95。N-芳基殼聚糖碘化季銨鹽產率為60％-90％。取代度為0.40-0.85。
實施例2N，N-二乙基-N-烷基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽和N，N-二乙基-N-芳基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽制備。
N-烷基或N-芳基化的殼聚糖衍生物制備的制備步驟與實施例1相同。N，N-二乙基-N-烷基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽和N，N-二乙基-N-芳基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽制備過程為將獲得的15克N-烷基或N-芳基化的殼聚糖衍生物分散在630ml的N-烷基-2-吡咯烷酮中，在室溫溶脹12小時后，加入NaOH(1.3mol/L)和CH3CH2Cl或CH3CH2I(0.3mol)，在反應物體系中再加入NaI使其濃度為0.2mol/L。在50℃下攪拌反應15小時后，在反應物體系中加入丙酮，直至溶液無沉淀生成，沉淀出來的N，N-二乙基-N-烷基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽和N，N-二乙基-N-芳基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽，用丙酮浸泡洗滌4次，N，N-二乙基-N-烷基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽和N，N-二乙基-N-芳基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽，用蒸溜水半透膜透析除去無機鹽和小分子化合物。N，N-二乙基-N-烷基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽和N，N-二乙基-N-芳基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽，在50℃真空干燥48小時后，獲得各種N，N-二乙基-N-烷基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽和N，N-二乙基-N-芳基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽。N，N-二乙基-N-烷基殼聚糖氯化或溴化季銨鹽產率為50％-90％。取代度為0.60-0.95。N，N-二乙基-N-芳基殼聚糖氯化或溴化季銨產率為40％-90％。取代度為0.40-0.90。
權利要求
1.一種殼聚糖季銨鹽的制備方法，化學反應式如下 X＝Cl，Br，IR1＝烷基或芳基R2＝甲基，乙基所述R1為烷基或芳基，R2為甲基，乙基，形成殼聚糖季銨鹽的鹵素陰離子為氯、溴、碘，其特征是殼聚糖脫乙酰度為75％～98％，粘均分子量為1.5萬～21.0萬，原料殼聚糖經精制、溶解、縮合還原、取代、分離、純化制備步驟，獲得本發明的各種N-烷基化或N-芳基化殼聚糖季銨鹽。
2.根據權利要求1所述的殼聚糖季銨鹽的制備方法，其特征是所述的原料殼聚糖的精制方法為原料殼聚糖溶解于0.2～2％的乙酸溶液中，去除雜質，用30-50％的NaOH中和，用蒸餾水洗滌沉淀，調節pH值為中性，用丙酮浸泡24～48小時，過濾，于40～60℃干燥，得精制殼聚糖。
3.根據權利要求1或2所述的殼聚糖季銨鹽的制備方法，其特征是所述的殼聚糖溶解方法為，將精制殼聚糖溶解濃度為0.5％-2.5％(W/V)的乙酸-乙酸鈉混合溶液中。
4.根據權利要求1或3所述的殼聚糖季銨鹽的制備方法，其特征是所述的殼聚糖縮合、還原方法為在濃度為0.5％-2.5％(W/V)的乙酸-乙酸鈉混合溶液中，加人濃度為10％-15％(W/V)NaBH4的還原劑，還原時間為2-4小時，得N-烷基化或N-芳基化的殼聚糖衍生物。
5.根據權利要求1或4所述的殼聚糖季銨鹽的制備方法，其特征是所述的殼聚糖取代、分離方法為將還原獲得的N-烷基化或N-芳基化的殼聚糖衍生物，用蒸溜水洗到中性，依次用乙醇和乙醚浸泡或索氏提取，在40-60℃真空干燥20-48小時得N-烷基化或芳基化的殼聚糖衍生物，將獲得的N-烷基化或芳基化的殼聚糖衍生物分散在25-40倍(W/W)的N-烷基-2-吡咯烷酮溶劑中，在室溫溶脹12-20小時后，加入NaOH和濃度為0.1-0.4mol/L的NaI催化劑，在40℃-60℃下攪拌反應10-20小時后，在反應物中加入丙酮，直至溶液無沉淀生成，沉淀出來的N-烷基化或N-芳基化殼聚糖季銨鹽，用丙酮浸泡洗滌。
6.根據權利要求1、和5所述的殼聚糖季銨鹽的制備方法，其特征是所述的殼聚糖季銨鹽純化方法為將沉淀出來的N-烷基化或N-芳基化殼聚糖季銨鹽，用蒸溜水半透膜透析除去無機鹽和小分子化合物，在40-60℃真空干燥20-48小時后，獲得各種N-烷基化或芳基化殼聚糖季銨鹽。
全文摘要
本發明涉及有關殼聚糖季銨鹽的制備方法。化學反應式如下該合成殼聚糖季銨鹽，R
文檔編號C08B37/00GK1587281SQ20041005265
公開日2005年3月2日 申請日期2004年7月6日 優先權日2004年7月6日
發明者徐偉亮, 陳時忠 申請人:浙江大學