專利名稱：一類羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一類羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物及其制備方法，特別涉及到制 備一種具有^、抑菌等功能的羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物及其制備方法，屬 于新材料領域。(二) 背景技術隨著人們對生活質量要求的提高，人們對服裝、衛生用品、日用品、食品 包裝等消費品的抗菌性也有了較高的要求。另外，在公共場所適當地使用抗菌 產品，可以有效地抑制細菌的生長，防止細菌的傳播和感染。面對日益增長的 對抗菌材料的需求，抗菌材料的研究也越來越多地受到關注.更多安全、高效、 廉價的抗菌劑和抗菌產品被開發出來。有機高分子抗菌材料就是其中重要的一 種。帶有抗菌基團的有機高分子化合物克服了有機小分子抗菌劑易揮發，不易 加工，化學穗定性差等缺點，并且其抗菌性能更好，使用安全，不會滲透進人 的皮膚。另外，在同一大分子鏈上同時引入抗菌基團及其它功能性基團(如-C00H， -C0NH2),可使產物同時具有凝絮、絡合等功能。因此高分子抗菌劑的合 成和應用正成為當今抗菌材料研究和開發的一個熱點。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。但殼聚糖的抗菌性能有限，只有抑菌性能，而沒有殺菌性能。 并且其溶解性能較差，僅能溶于稀酸中，因此其應用受到了很大限制。根據殼聚糖的抑菌機理，殼聚糖抑菌活性的強弱于殼聚糖上的M有關，其正電性越 強，其抑菌活性越強。對殼聚糖進行季銨化后，其抑菌活性比殼聚糖有明顯的 增強。另外，與小分子抗菌劑相比，殼聚糖等大分子抗菌劑具有抗遷移性、使用安全、易成膜性、易加工，穩定性好等特點，目前，多采用3-氯-2-羥丙 基三曱基季胺鹽，硤甲烷等對殼聚糖進行季銨化，其產物僅對少數細菌有效， 沒有廣普的抑菌性。羧甲基殼聚糖具有良好的水溶性，但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^U^接入殼聚糖的羥基和氨基，取代度60%的羧甲 基殼聚糖，其氨基的取代度只有10% ~20%，對于脫乙跌度95%以上的殼聚糖 來講，還有約80%的氨基可以參加反應，所以，對于羧曱基殼聚糖進行進一步 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， 以具有廣i瞽、高效抗菌功能的長鏈季銨鹽為季銨化試劑，對羧甲基殼聚糖上未 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，可以得到活性 更高的可降解的高分子抗菌劑。
發明內容針對羧甲基殼聚糖上存在大量未發生取代反應的羥基和氨基，本發明目的 在于利用羧甲基殼聚糖上未發生取4議應的羥基和氨基，與自制的環氧丙基長 鏈烷基二甲基氯化銨發生反應，把具有廣普、高效殺菌性能的長鏈烷基季銨鹽 與具有良好生物相容性、可降解性的羧甲基殼聚糖有效的結合在一起，得到一 種高抑菌活性、兼備*性能的可降解高分子抗菌劑。本發明為一類羧甲基殼聚糖季銨鹽，其特征在于羧甲基殼聚糖季銨鹽是下 式所示的化合物。<formula>formula see original document page 5</formula>其中n為6、 8、 10、 12、 14。 所述的羧甲基殼聚糖季銨鹽的合成方法，其步驟為a) 環氧丙基長鏈M二甲基氯化銨的合成在燒瓶中加入異丙醇或丁酮，攪拌下以每10ml溶劑溶解4 ~ 6g長鏈M二 甲基胺的比例加入長鏈烷基二甲基胺，控制體系溫度在30~80"C，向體系中緩 慢滴加與長鏈g二曱基胺摩爾比1. 1 ~ 1. 3: 1的環氧氯丙烷，保溫回流4-10 小時。反應結束后減壓蒸摘除去過量的環氧氯丙烷及溶劑，30-7(TC下真空干 燥，得到環氧丙基長鏈烷基二甲基氯化銨。b) 羧甲基殼聚糖的活化在燒瓶中加入N-甲基-2-吡咯烷酮或異丙醇等有機溶劑及NaOH粉末，30 ~ 60。C下攪拌l 3小時后，過濾出過量的NaOH，得到pH為8 ~ 10的溶劑。以每 60ml溶劑分散1 ~ 2g羧甲基殼聚糖的比例加入待活化的羧甲基殼聚糖，30 ~ 70 。C下堿化4-8小時。c) 羧甲基殼聚糖的季銨化用步驟b)中溶劑量15% ~25%的溶劑溶解與羧曱基殼聚糖結構單元摩爾 比為1 ~ 5: 1的環氧丙基長鏈烷基二甲基氯化銨，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加到上 述反應體系中，升溫至40 80。C，保溫回流反應6~10小時。d) 產物的純化將產物用去離子水溶解后，用無水乙醇沉淀，抽濾后將濾餅用離子水溶解，再用無水乙醇沉淀，重復以上操作2~4次，得到羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物， 30 8(TC下真空干燥。合成羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的反應過程如附
圖1所示.使用傅立葉變換紅外光謙對所合成的羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的結構進 行鑒定，羧甲基殼聚糖及其季銨鹽衍生物的紅外光謙如附圖2和附圖3所示。羧甲基殼聚糖季銨鹽抗菌性能測試細菌檢測培養基采用營養肉湯培養，將約104~ 10s個/ml濃度的接種菌液分 裝13個試管中，第一個試管加入一定量的一定濃度的羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生 物溶液，并做2倍連續稀釋至第12支試管，第13支試管作為生長對照，放置 在37。C培養12 24小時，觀察結果，無菌增殖的最高稀釋管的抗菌劑濃度為最 小抑菌濃度。羧甲基殼聚糖季銨鹽絡合重金屬性能測試用去離子水配制質量濃度為5%的羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物溶液。用去離子水配制待測金屬離子溶液，其金屬離子含量為200mg/l，滴入一定量的上述羧曱基殼聚糖季銨鹽衍生物溶液，攪拌5分鐘，靜置30分鐘，過濾出沉淀，再次測定溶液中金屬離子含量，吸附量按下式計算 吸附量^200wg〃xF。-C"。— Mmx5%其中V。為金屬離子溶液體積，C為經^后金屬離子溶液中金屬離子含量，M為 待測金屬原子量，m為所加羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物溶液質量。 本發明的特點在于(1)將具有廣普、高效殺菌性能的長鏈烷基季銨鹽與具有良好生物相容性、 可降解性的羧曱基殼聚糖有效的結合在一起，得到一種高抑菌活性、兼備* 性能的可降解高分子抗菌劑。(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。(3)本發明中的羧甲基殼聚糖季銨鹽合成步驟簡單，易于工業化。(四) 附田說明圖1為合成羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的化學反應過程困。圖2為羧甲基殼聚糖的紅外譜圖3455 cn^左右為O-H與N-H的伸縮振動 吸收峰，2955 cm1和2892 cm—'處為C-H伸縮振動吸收峰，1630cn^處為歸屬于 N-H彎曲振動羧甲基殼聚糖骨架上酰胺II帶的吸收峰，在1570cnT處為歸屬于 -C00-的不對稱伸縮振動的吸收峰；1160c^處歸屬于羧甲基殼聚糖骨架上C-N 彎曲振動，1040 cnf'為C-O伸縮振動吸收峰，902 cnf1為環伸縮振動吸收峰。圖3為羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物的紅外譜圖與羧甲基殼聚糖的紅外謙 圖相比，由于羧曱基殼聚糖季銨鹽衍生物中引入了大量-OH， 3400 - 3500 cof1處 O-H的伸縮振動吸收峰顯著變寬，1020 ~ 1060 cm—i處C-0伸縮振動吸收峰顯著增 強。同時，由于季銨鹽中帶有大量甲基和亞甲基，故2900 cm—'左右的C-H伸縮 振動吸收峰及1480~ 1430 cm—'處的C-H彎曲振動吸收峰都有顯著增強。另外， 1140~1180 co^處C-N彎曲振動吸收峰也隨季銨基團的引入而增強。以上證明 目標化合物的形成。(五) 實施例下面的實例將對本發明作進一步的闡述。 實例1環氧丙基十烷基二曱基氯化銨的合成在100ml單口燒瓶中加入40ml異丙醇和18. 5g十烷基二甲基胺，攪拌下升 溫至55。C。用恒壓滴液漏斗向體系中緩慢滴加環氧氯丙烷9. 3g,滴加完畢后恒溫55。C，回流10小時。實驗結束后減壓蒸餾，除去未反應的環氧氯丙烷，干燥 得環氧丙基十烷基二甲基氯化銨。羧甲基殼聚糖的活化在100ml三口燒瓶中加入25mlN-甲基-2-吡咯烷輛及0. 4gNaOH粉末，50X: 下攪拌1小時后，過濾出過量的NaOH,得到pH大約為9的溶劑。加入待活化的 羧甲基殼聚糖O. 5g， 50匸下堿化6小時。羧甲基殼聚糖的季銨化用5mlN-甲基-2-吡咯烷鵬溶解0. 56g環氧丙基十烷基二曱基氯化銨，用恒 壓滴液漏斗緩慢滴加到上述反應體系中，升溫至601C，保溫回流反應8小時。 產物的純化將產物用去離子水溶解后，用無水乙醇沉淀，抽濾后將濾餅用離子水溶解， 再用無水乙醇沉淀，重復以上操作2次，得到較純凈的羧曱基殼聚糖季銨鹽衍生物，5ox:下真空干燥。產物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度分別為5 x 1(Tg/ml和 2. 5 x l(TVml;對Cu"和Fe"的吸附量分別為0. 486咖ol/g和0.177咖ol/g. 實例2環氧丙基十二烷基二曱基氯化銨的合成在100ml單口燒瓶中加入40ml 丁酮和21. 3g十二烷基二曱基胺，攪拌下升 溫至551C。用恒壓滴液漏斗向體系中緩慢滴加環氧氯丙烷9. 3g，滴加完畢后恒 溫55。C，回流10小時。實驗結束后減壓蒸餾，除去未反應的環氧氯丙烷，干燥 得環氧丙基十二烷基二甲基氯化銨。 羧曱基殼聚糖的活化在100ml三口燒瓶中加入25ml異丙醇及0. 4gNaOH粉末，50。C下攪拌1小 時后，過濾出過量的NaOH，得到pH大約為9的溶劑。加入待活化的羧甲基殼聚 糖O. 5g， 50。C下堿化6小時。羧曱基殼聚糖的季銨化用5ml異丙醇溶解1. 22g環氧丙基十二烷基二甲基氯化銨，用恒壓滴液漏 斗緩慢滴加到上述反應體系中，升溫至60X:，保溫回流反應8小時。 產物的純化將產物用去離子水溶解后，用無水乙醇沉淀，抽濾后將濾餅用離子水溶解， 再用無水乙醇沉淀，重復以上操作3次，得到較純凈的羧甲基殼聚糖季銨鹽衍生物，6ox:下真空干燥。產物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度分別為7. 5 x l(T4g/ffll和 5 x 10、/ml;對Cu"和Fe"的吸附量分別為0. 502咖ol/g和0. 211咖ol/g. 實例3環氧丙基八烷基二曱基氯化銨的合成在100ml單口燒瓶中加入40ml異丙醇和15. 7g八烷基二甲基胺，攬拌下升 溫至501C。用恒壓滴液漏斗向體系中緩慢滴加環氧氯丙烷9. 3g，滴加完畢后恒 溫5(TC，回流8小時。實驗結束后減壓蒸餾，除去未反應的環氧氯丙烷，干燥 得環氧丙基八烷基二甲基氯化銨。羧曱基殼聚糖的活化在100ml三口燒瓶中加入25mlN-曱基-2-吡咯烷酮及0. 4gNaOH粉末，50°C 下攪拌1小時后，過濾出過量的NaOH，得到pH大約為9的溶劑。加入待活化的 羧曱基殼聚糖O. 5g， 5(TC下堿化6小時。 羧曱基殼聚糖的季銨化用5mlN-曱基-2-吡咯烷酮溶解1. 50g環氧丙基八烷基二曱基氯化銨，用恒 壓滴液漏斗緩慢滴加到上述反應體系中，升溫至651C，保溫回流反應10小時。 產物的純化將產物用去離子水溶解后，用無水乙醇沉淀，抽濾后將濾餅用離子水溶解， 再用無水乙醇沉淀，重復以上搮作3次，得到較純凈的羧甲基殼聚糖季銨鹽衍 生物，601C下真空干燥。產物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度分別為7. 5 x 10—4g/ml 和5 x 10—4g/ml;對Cu"和Fe"的吸附量分別為0. 432咖ol/g和0.189咖ol/g. 實例4環氧丙基十四烷基二甲基氯化銨的合成在100ml單口燒瓶中加入40ml異丙醇和2. 41g十四烷基二甲基胺，撹拌下 升溫至50X:。用恒壓滴液漏斗向體系中緩慢滴加環氧氯丙烷9. 3g，滴加完畢后 恒溫50X:,回流8小時。實驗結束后減壓蒸餾，除去未反應的環氧氯丙烷，千 燥得環氣丙基十四烷基二甲基氯化銨。羧甲基殼聚糖的活化在100ml三口燒瓶中加入25ml異丙醇及0. 4gNaOH粉末，50匸下攪拌1小 時后，過濾出過量的NaOH,得到pH大約為9的溶劑。加入待活化的羧甲基殼聚 糖O. 5g， 5(TC下堿化6小時。羧曱基殼聚糖的季銨化用5ml異丙醇溶解0. 67g環氧丙基十四烷基二甲基氯化銨，用恒壓滴液漏斗緩慢滴加到上述反應體系中，升溫至60。C，保溫回流反應8小時。產物的純化將產物用去離子水溶解后，用無水乙醇沉淀，抽濾后將濾餅用離子水溶解，再用無水乙醇沉淀，重復以上搮作2次，得到較純凈的羧甲基殼聚糖季銨鹽衍 生物，501C下真空干燥。產物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度分別為4 x 1(Tg/ml和2 xlO_4g/ml;對Cu"和Fe"的吸附量分別為0. 399皿nol/g和0.145咖ol/g. 實例5環氧丙基十烷基二甲基氯化銨的合成在100ml單口燒瓶中加入40ml 丁酮和18. 5g十烷基二甲基胺，攪拌下升溫 至50C。用恒壓滴液漏斗向體系中緩慢滴加環氧氯丙烷9. 3g，滴加完畢后恒溫 50X:，回流8小時。實驗結束后減壓蒸餾，除去未反應的環氣氯丙烷，干燥得 環氧丙基十烷基二甲基氯化銨。 羧曱基殼聚糖的活化在100ml三口燒瓶中加入25ml異丙醇及0. 4gNaOH粉末，60"C下攪拌1小 時后，過濾出過量的NaOH，得到pH大約為9的溶劑。加入待活化的羧甲基殼聚 糖0.5g， 60€下堿化6小時。羧甲基殼聚糖的季銨化用5ml異丙醇溶解0. 56g環氧丙基十烷基二甲基氯化銨，用恒壓滴液漏斗 緩慢滴加到上述反應體系中，升溫至60。C，保溫回流反應10小時。 產物的純化將產物用去離子水溶解后，用無水乙醇沉淀，抽濾后將濾餅用離子水溶解， 再用無水乙醇沉淀，重復以上操作3次，得到較純凈的羧曱基殼聚糖季銨鹽衍 生物，6(TC下真空千燥。產物對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度分別為5 x 10—4g/ml和 2. 5 x l(T4g/ml;對Cu"和Fe"的吸附量分別為0. 405咖ol/g和0. 168mmol/g。
權利要求
1. 一種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(1)的化合物。id="icf0001" file="A2007100631460002C1.gif" wi="111" he="54" top= "45" left = "50" img-content="drawing" img-format="tif" orientation="portrait" inline="no"/>其中n為6、8、10、12、14。
2、 如權利要求1所述的一種羧曱基殼聚糖季銨鹽衍生物合成方法，其步驟為a) 以長鏈烷基二曱基胺和環氧氯丙烷合成環氧丙基長鏈烷基二曱基氯化銨；b) 對羧曱基殼聚糖進行堿化；c) 對羧曱基殼聚糖進行堿化后，用步驟a)中得到的環氧丙基長鏈烷基二曱基 氯化銨對羧曱基殼聚糖進行季銨化反應，得到羧曱基殼聚糖季銨鹽衍生物。
3、 如權利要求2所述的方法，其特征在于步驟b)中，羧曱基殼聚糖先在N-曱 基-2-吡咯烷酮或異丙醇等有機溶劑中常溫攪拌數小時，然后用NaOH調節pH值 約為9，在30 70。C下堿化。
4、 如權利要求2所述的方法，其特征在于步驟c)中，環氧丙基長鏈烷基二曱 基氯化銨與羧曱基殼聚糖結構單元摩爾比為1~5: 1,季銨化反應溫度為40~80。C。
全文摘要
本發明涉及一類羧甲基殼聚糖接枝長鏈烷基季銨鹽大分子抗菌劑及其制備方法。將羧甲基殼聚糖分散于異丙醇、丁酮、N-甲基-2-吡咯烷酮、環己烷等有機溶劑中，在堿性條件下，使自制的長鏈烷基季銨鹽接枝到其分子鏈上，反應結束后將產物用去離子水溶解，再用乙醇沉淀，經過洗滌與干燥過程最終制得羧甲基殼聚糖改性大分子抗菌劑。
文檔編號C08B37/08GK101235099SQ20071006314
公開日2008年8月6日 申請日期2007年1月29日 優先權日2007年1月29日
發明者唐煥林, 孟薇薇, 譚惠民, 煜 陳, 魏高樂 申請人:北京理工大學