專利名稱：一類羧甲基殼聚糖季銨鹽及其制備方法
技術領域：
本發明屬于海洋化工工程技術領域，涉及一種新的羧甲基殼聚糖季銨鹽化合物及其制備方法，具體講是采用羧甲基殼聚糖先經希夫堿化，而后還原的產物與碘甲烷在堿性條件下反應，制備具有殺菌抑菌生物活性的羧甲基殼聚糖季銨鹽化合物。
背景技術：
農藥創制是一項高技術、高投資、高風險的工程，目前每開發一種新品種大約需要5-8年時間，耗資1-2億美元，篩選10萬個左右的化合物，而且，隨著環境問題的要求，這些數字還要增大。目前有能力獨立開發新品種只有安萬特、拜耳、孟山都等國際大農藥公司。如何研究開發我國的新農藥，是在隨著加入WTO和知識產權保護日趨完善的情況下面臨的嚴峻問題。
針對國際殺菌劑市場的實際情況和研究的方向，各類殺菌劑的活性及出現的情況。同時根據我們的技術實力和經濟實力，與國外公司合作或采取“me-too化學”被認為是有效的創制途徑。即在現在已有的殺菌劑基礎上，用亞結構連接的思想或生物等排理論對現已有的具有殺菌作用的基團進行衍生化修飾，開發出具有更好殺菌活性和更容易降解的二次先導化合物。這種創制途徑目標明確，省力省錢，而且成功的機會較多。
殼聚糖(Chitosan)是一種廣泛存在于自然界中的可再生、無毒副作用，生物相容性和降解性良好的天然氨基多糖，其自身及其衍生物具有許多獨特的生理、藥理功能性質，被廣泛應用于醫藥、食品、農業、日化、環保等多種行業領域中。殼聚糖本身特殊的結構和性質，具有殺菌、抑菌活性，以及無毒、無污染的特性，可以作為修飾的對象以期開發出二次先導化合物。殼聚糖分子上的活潑基團——羥基和氨基，可以作為修飾時的作用基團。根據殼聚糖的抑菌機理，殼聚糖活性的強弱與殼聚糖上氨基有關，且正電性越強，抑菌活性也有所增強(Kim C.H.，Choi J.W.et al.Synthesis of chitosan derivatives with quaternary ammonium salt andtheir antibacterial activity，Polymer Bulletin，1997，38(4)，387-393.)。殼聚糖的季銨鹽使得殼聚糖上的N原子帶正電荷，所以其抑菌活性比殼聚糖有很明顯的增強，但是近來的研究都局限于殼聚糖的季銨鹽開發上。羧甲基殼聚糖具有好的水溶性和較好的抑菌活性，但同時很少有對羧甲基殼聚糖進行進一步修飾的產品，羧甲基殼聚糖的取代基接入殼聚糖的羥基和氨基，但是氨基的取代度只有0.1-0.2，對于脫乙酰度達到97％的殼聚糖來講，還有約80％的氨基可以參加反應，所以，對羧甲基殼聚糖進行進一步的修飾，具有很大的開發前景。針對殼聚糖季銨鹽和羧甲基殼聚糖的殺菌抑菌活性，在羧甲基殼聚糖仍未參加反應的羥基和氨基進行修飾，得到羧甲基殼聚糖的季銨鹽，可以得到更高活性的殼聚糖衍生物。
發明內容
本發明的目的就是利用羧甲基殼聚糖的氨基，通過希夫堿中間體的還原產物季銨化得到羧甲基殼聚糖的季銨鹽，能夠把殼聚糖季銨鹽與羧甲基殼聚糖的抑菌活性有效的結合在一起，增強殼聚糖的生物活性，得到抑菌活性更好的殼聚糖衍生物。這具有更好的產業化前景。
本發明為一類羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物，其特征在于羧甲基殼聚糖季銨鹽是說明書附圖中圖1所示的化合物，其中R為脂肪族或芳香族化合物，X為I、Br或Cl，n為62-1242。
所述的羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的合成方法，其步驟為a)利用羧甲基殼聚糖的氨基，與醛反應形成希夫堿中間體；b)步驟a)中得到的希夫堿中間體用NaBH4還原后得到N-取代的羧甲基殼聚糖；c)步驟b)中得到的N-取代的羧甲基殼聚糖在堿性條件下與碘甲烷進行季銨鹽化反應得碘化羧甲基殼聚糖季銨鹽；d)步驟c)的產物碘化羧甲基殼聚糖季銨鹽經陰離子交換后得到氯化羧甲基殼聚糖季銨鹽與溴化羧甲基殼聚糖季銨鹽，形成季銨鹽的羧甲基殼聚糖氨基基團占殼聚糖全部氨基總量的20.3-41.5％。
優選的，步驟a)中的羧甲基殼聚糖與過量3-5倍的脂肪醛或芳香醛反應，反應時間為1-3小時。
優選的，步驟b)中各種羧甲基殼聚糖希夫堿用NaBH4進行還原，NaBH4的用量為所用醛的摩爾質量的1.5-3倍，反應時間為2-4小時。
優選的，特征在于步驟a)中用于制備羧甲基殼聚糖的殼聚糖原料分子量在1-70萬之間，脫乙酰度為80-100％。
優選的，步驟c)中N-取代的羧甲基殼聚糖先在N-甲基-2-吡咯烷酮中常溫攪拌12小時，然后用1mol/LNaOH調節pH值為9，與5倍摩爾質量的碘甲烷反應，且I-的濃度用碘化鈉調節為0.2mol/L，反應時間為12小時。
本發明中，所用的殼聚糖的脫乙酰度為80％以上，羧甲基化殼聚糖的制備按照陳凌云等提供的方法(陳凌云，杜予民，劉義，羧甲基殼聚糖的結構與抗菌性能研究，武漢大學學報(自然科學版)，2000，46(2)，191-194)。所得的羧甲基殼聚糖在水溶液中與各種醛反應得到希夫堿，用NaBH4還原后在堿性條件下與碘甲烷反應得到碘化羧甲基殼聚糖季銨鹽，與陰離子交換樹脂離子交換得到氯化羧甲基殼聚糖季銨鹽。如圖所示的單元可以使連續的也可以使不連續的，所占比例為殼聚糖分子的20.3-41.5％。
本發明的優選的具體實驗方案如下室溫磁力攪拌下，把羧甲基殼聚糖加入蒸餾水中，溶解后加入過量3-5倍的醛，反應2小時，然后加入NaBH410％(所用醛摩爾質量的1.5-3倍)，再反應2小時，把反應物傾入丙酮中，所得沉淀用無水乙醇在索氏提取器中提取24小時，冷凍干燥。所得產物加入N-甲基-2-吡咯烷酮中攪拌過夜，后加入氫氧化鈉溶液與碘甲烷，50℃反應12小時，取代的羧甲基殼聚糖逐漸溶解，反應完畢后把反應液傾入丙酮中得到羧甲基殼聚糖季銨鹽，丙酮洗滌后冷凍干燥得到碘化羧甲基殼聚糖季銨鹽，經過陰離子交換樹脂得到溴化羧甲基殼聚糖季銨鹽與氯化羧甲基殼聚糖季銨鹽。本發明涉及的殼聚糖分子量在1-70萬之間，脫乙酰度為80-100％。
本發明的特點在于(1)、羧甲基殼聚糖分子與接入的季銨鹽基團有效結合在一起，相互作用可產生協同增效作用，增強各自特有的生物活性，具有抗菌作用。
(2)、把羧甲基殼聚糖作為修飾對象，克服了殼聚糖溶解性差的缺點，擴大了其應用領域，在醫藥和農業等領域有廣泛的應用。
圖1為羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的結構式，其中R為脂肪族或芳香族化合物，X為I、Br或Cl，n為62-1242。
圖2為殼聚糖原料的紅外譜圖3447cm-1左右為O-H與N-H的伸縮振動吸收峰，2920.17cm-1與2875.94cm-1為C-H伸縮振動的吸收峰，1600.03cm-1為NH2的彎曲振動吸收峰，1081.84cm-1與1154.96cm-1為C-O伸縮振動的吸收峰，897.85cm-1為環伸縮振動吸收峰。
圖3為羧甲基殼聚糖的紅外譜圖紅外光譜與文獻譜圖一致(董炎明，王勉，吳玉松，阮永紅，殼聚糖衍生物的紅外光譜分析，纖維素科學與技術，2001，9(2)，42-56)，其中，1721.19處有一弱的吸收峰，為羧羰基的吸收，因為是以鈉鹽的形式存在，所以很弱。
圖4為N，N-二甲基-N-乙基羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的紅外譜圖，由于反應進行過程中溶液的酸性逐漸增強，所以羧甲基殼聚糖的羧酸鹽轉化為羧基，紅外中出現1731.46cm-1處的羧羰基吸收峰，1634.53cm-1為季銨鹽的特征吸收，1383.21cm-1與1425左右的吸收峰cm-1為引入的兩個甲基的吸收峰，證明目標化合物的形成。
圖5為N，N-二甲基-N-正丁基羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的紅外譜圖，1750.24cm-1為羧羰基的吸收峰，1631.59cm-1為季銨鹽的特征吸收，1378.09 cm-1和1438.73cm-1為甲基的吸收峰，證明目標化合物的形成。
圖6為N，N-二甲基-N-苯基羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的紅外譜圖，1731.03cm-1為羧羰基的吸收峰，1631.78cm-1為季銨鹽的特征吸收峰，1368.32cm-1與1448cm-1左右的吸收為甲基吸收峰。由于羧甲基殼聚糖的吸水性很強，所以紅外表現的不是很平滑。但幾個特征吸收可以證明目標化合物的形成。
圖7為N，N-二甲基-N-鄰羥基苯基羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的紅外譜圖，1741.11cm-1為羧羰基的吸收峰，1634.32cm-1為季銨鹽的特征吸收，1382.67cm-1為甲基的吸收峰，另外，1500左右與1460左右的吸收為苯環的特征吸收峰。證明目標化合物的形成。
所有的紅外在處理過程中都非常容易吸潮，這是因為產物季銨鹽的吸水性太強的緣故，但是能夠表征目標產物的特征吸收峰都很明顯，可以證明實驗是成功的。
具體實施例方式
下面的實施例中將對本發明作進一步的闡述，但本發明不限于此。
實施例1室溫磁力攪拌下，把1克羧甲基殼聚糖加入50ml蒸餾水中，溶解后緩慢滴加0.66克乙醛，加畢后繼續攪拌1小時，然后加入0.85克NaBH4(10％溶液)反應2小時，反應物傾入丙酮中，沉淀用無水乙醇在索氏提取器中提取24小時，冷凍干燥后取0.4克N-取代的羧甲基殼聚糖于20mlN-甲基-2-吡咯烷酮中室溫攪拌12小時，然后加入48μl 1mol/L的NaOH溶液、1.5克碘甲烷和0.6克碘化鈉，50℃下反應12小時，然后傾入丙酮中析出沉淀，沉淀過濾后，丙酮洗滌，真空冷凍干燥得到羧甲基殼聚糖季銨鹽，經過陰離子交換樹脂得到相應的溴化羧甲基殼聚糖季銨鹽與氯化羧甲基殼聚糖季銨鹽。產物經紅外光譜分析確認。
實施例2室溫磁力攪拌下，把1克羧甲基殼聚糖加入50ml蒸餾水中，溶解后緩慢滴加1.20克正丁醛，加畢后繼續攪拌1.5小時，然后加入1.00克NaBH4(10％溶液)反應2小時，反應物傾入丙酮中，沉淀用無水乙醇在索氏提取器中提取24小時，冷凍干燥后取0.4克N-取代的羧甲基殼聚糖于20mlN-甲基-2-吡咯烷酮中室溫攪拌12小時，然后加入48μl 1mol/L的NaOH溶液、1.5克碘甲烷和0.6克碘化鈉，50℃下反應12小時，然后傾入丙酮中析出沉淀，沉淀過濾后，丙酮洗滌，真空冷凍干燥得到羧甲基殼聚糖季銨鹽，經過陰離子交換樹脂得到相應的溴化羧甲基殼聚糖季銨鹽與氯化羧甲基殼聚糖季銨鹽。產物經紅外光譜分析確認。
實施例3室溫磁力攪拌下，把1克羧甲基殼聚糖加入50ml蒸餾水中，溶解后緩慢滴加2.0克苯甲醛，加畢后繼續攪拌1.5小時，然后加入1.30克NaBH4(10％溶液)反應2小時，反應物傾入丙酮中，沉淀用無水乙醇在索氏提取器中提取24小時，冷凍干燥后取0.4克N-取代的羧甲基殼聚糖于20mlN-甲基-2-吡咯烷酮中室溫攪拌12小時，然后加入48μl 1mol/L的NaOH溶液、1.5克碘甲烷和0.6克碘化鈉，50℃下反應12小時，然后傾入丙酮中析出沉淀，沉淀過濾后，丙酮洗滌，真空冷凍干燥得到羧甲基殼聚糖季銨鹽，經過陰離子交換樹脂得到相應的溴化羧甲基殼聚糖季銨鹽與氯化羧甲基殼聚糖季銨鹽。產物經紅外光譜分析確認。
實施例4室溫磁力攪拌下，把1克羧甲基殼聚糖加入50ml蒸餾水中，溶解后緩慢滴加3.1克水楊醛，加畢后繼續攪拌3小時，然后加入2.80克NaBH4(10％溶液)反應4小時，反應物傾入丙酮中，沉淀用無水乙醇在索氏提取器中提取72小時，冷凍干燥后取0.4克N-取代的羧甲基殼聚糖于20mlN-甲基-2-吡咯烷酮中室溫攪拌12小時，然后加入48μl的1mol/LNaOH溶液、1.5克碘甲烷和0.6克碘化鈉，50℃下反應12小時，然后傾入丙酮中析出沉淀，沉淀過濾后，丙酮洗滌，真空冷凍干燥得到羧甲基殼聚糖季銨鹽，經過陰離子交換樹脂得到相應的溴化羧甲基殼聚糖季銨鹽與氯化羧甲基殼聚糖季銨鹽。產物經紅外光譜分析確認。
權利要求
1.一類羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物，其特征在于羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物是式(I)的化合物。 式(1)其中，R為脂肪族或芳香族化合物，X為I、Br或Cl，n為62-1242。
2.一種合成如權利要求1所述的羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的方法，其步驟為a)用羧甲基殼聚糖的氨基，與醛反應形成希夫堿中間體；b)步驟a)中得到的希夫堿中間體用NaBH4還原后得到N-取代的羧甲基殼聚糖；c)步驟b)中得到的N-取代的羧甲基殼聚糖在堿性條件下與碘甲烷進行季銨鹽化反應得碘化羧甲基殼聚糖季銨鹽；d)步驟c)的產物碘化羧甲基殼聚糖季銨鹽經陰離子交換后得到氯化羧甲基殼聚糖季銨鹽與溴化羧甲基殼聚糖季銨鹽，形成季銨鹽的羧甲基殼聚糖氨基基團占殼聚糖全部氨基總量的20.3-41.5％。
3.如權利要求書2所述的方法，其特征在于步驟a)中的羧甲基殼聚糖與過量3-5倍的脂肪醛或芳香醛反應，反應時間為1-3小時。
4.如權利要求書2所述的方法，其特征在于步驟b)中各種羧甲基殼聚糖希夫堿用NaBH4進行還原，NaBH4的用量為所用醛的摩爾質量的1.5-3倍，反應時間為2-4小時。
5.如權利要求書2所述的方法，其特征在于步驟a)中用于制備羧甲基殼聚糖的殼聚糖原料分子量在l-70萬之間，脫乙酰度為80-100％。
6.如權利要求書2所述的方法，其特征在于步驟c)中N-取代的羧甲基殼聚糖先在N-甲基-2-吡咯烷酮中常溫攪拌12小時，然后用1mol/LNaOH調節pH值為9，與5倍摩爾質量的碘甲烷反應，且I-的濃度用碘化鈉調節為0.2mol/L，反應時間為12小時。
全文摘要
本發明涉及一類新的殼聚糖衍生物——羧甲基殼聚糖季銨鹽。它是用不同分子量的殼聚糖與氯乙酸反應所得的產物——羧甲基殼聚糖為修飾對象，經過希夫堿化、還原、季銨鹽化得到羧甲基殼聚糖季銨鹽的衍生物，此類衍生物的水溶性較好，且具有較好的抑菌活性。可用于醫藥或農業等領域。
文檔編號C08B37/00GK1737014SQ20051004454
公開日2006年2月22日 申請日期2005年9月2日 優先權日2005年9月2日
發明者李鵬程, 郭占勇, 劉松, 邢榮娥, 于華華, 王丕波, 陳曉琳, 李翠萍 申請人:中國科學院海洋研究所