专利名称：壳聚糖季铵盐的制备方法
技术领域：
本发明涉及有关壳聚糖季铵盐的制备方法。更具体是指脱乙酰度为75％-98％的壳聚糖脂肪族和芳香族氯化、溴化、碘化季铵盐的制备方法。
背景技术：
甲壳素或壳聚糖衍生物有抗菌活性。如N-羧甲基壳聚糖(N-CM-Chitosan)可使黄曲霉素减少90％以上，降低真菌生长一半以上，能抑制孢子发芽和真菌体孢子的形成，对口腔细菌尤其是蛀齿细菌特别敏感(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-羧甲基壳聚糖(O-CM-Chitosan)和N，O-二羧甲基壳聚糖(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)。
进行抗菌性比较(Kim J.H.；Lee Y.M.Synthesis and properties of diethylaminoethylchitosan.Polymer，1993，34(9)1952-1957)，Kim发现将二乙氨乙基(DEAE)基团接入到甲壳素的C6位羟基上形成二乙氨乙基甲壳素(DEAE-chitin)，然后用乙基卤化物将其季铵化得到三乙氨乙基甲壳素(TEAE-chitin)。另外将DEAE-chitin脱乙酰得DEAE-chitosan，比较其抗大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性，发现其抗菌活性从大到小顺序依次为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)发现N，N，N-三甲基壳聚糖季铵盐有抗大肠杆菌ATCC 25922和葡萄球菌属ATCC 149909的活性。含有N-长链烷基壳聚糖的季铵盐对月孢子菌、大肠杆菌有抗菌作用(于义松，一种天然高分子材料----甲壳素及其衍生物，化学与粘合，1992，150-54)。壳聚糖与碘代甲烷在三乙胺中反应所得到的季铵盐对革兰氏阳性菌有很强的抑制作用(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.)等发现烷基壳聚糖季铵盐随着烷基链长度的增加，其抗菌活性也增加，表明烷基链的长度和正电荷取代基强烈地影响着壳聚糖衍生物的抗菌活性。
从上可见抗菌性与产物的结构有关，季铵盐抗菌性大于壳聚糖和甲壳素。由于壳聚糖季铵盐的结构和水溶性对壳聚糖季铵盐的抗菌活性和应用有很大的影响，因此合成各种结构的水溶性壳聚糖季铵盐是壳聚糖季铵盐作为环境安全的生物类杀菌剂的关键。壳聚糖季铵盐的合成方法主要有Muzzarelli Tanfanni(Muzzarelli R A A，Tanfani，F.，Carbohydrate Polymers，1985，5297-307)报道了碘化N-三甲基壳聚糖的合成方法，即将N-二甲基壳聚糖与碘甲烷反应生成壳聚糖季铵盐，但此法合成的壳聚糖季铵盐是不溶于水的；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)报道了用碘甲烷，在N-甲基-2-吡咯烷酮溶剂中直接从壳聚糖合成季铵盐，但壳聚糖碘代季铵盐的稳定性不如氯代季铵盐好，所以将碘化N-三甲基壳聚糖溶于水，通过离子交换树脂即可转型为氯化N-三甲基壳聚糖。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)将N-烷基壳聚糖季铵化以后，季铵盐有了较大的溶解范围，在pH1～11的水溶液中均可溶解。许晨(许晨，卢灿辉等，壳聚糖季铵盐的合成及结构表征，功能高分子学报，1997，10(1)51-55)将壳聚糖与缩水甘油三甲基氯化铵反应，通过C2位上季铵盐基团的引入，制得壳聚糖季铵盐。Kim(Kim C.H.；Kim S.Y.et al.，Synthesis andantibacterial activity of water-soluble derivatives.Polym.Adv.Technol.1997，8(5)，319-325.)通过席夫碱中间物，将烷基接到壳聚糖的氨基上，所得到的N-烷基壳2聚糖衍生物再用碘甲烷季铵化，得到壳聚糖碘化季铵盐，水溶性大大增强。
以上文献报道的壳聚糖季铵盐的合成方法技术上主要解决了壳聚糖季铵盐的水溶性。并且仅合成了少数几个脂肪族壳聚糖季铵盐。但在合成不同取代基，特别是合芳基壳聚糖季铵盐，合成技术还没有通用性，且合成操作步骤烦琐，壳聚糖季铵盐的取代度低，产物从反应后的粘稠溶液中分离和提纯出来有相当大的困难等问题。
发明内容
本发明为了克服合成壳聚糖季铵盐操作的烦琐，壳聚糖季铵盐取代度低，产物从反应后的粘稠溶液中分离和提纯出来困难等问题。提供一种简便、成本低，水溶性好，取代度高的壳聚糖季铵盐化学合成方法。
本发明的化学反应式如下 X＝Cl，Br，I R1＝烷基或芳基 R2＝甲基，乙基所述R1为烷基或芳基，R2为甲基，乙基。形成壳聚糖季铵盐的卤素阴离子为氯、溴、碘。壳聚糖脱乙酰度为75％～98％，分子量为1.5万～21.0万(粘均分子量)，原料壳聚糖的经精制、溶解、缩合还原、取代、分离、纯化制备步骤，获得本发明的各种N-烷基化或N-芳基化壳聚糖季铵盐。
本发明所述的壳聚糖的精制方法如下；经双氧水降解的各种分子量的壳聚糖，溶解于0.2～2％的乙酸溶液中，去除杂质，用30-50％的NaOH中和直到不再出现沉淀，用蒸馏水洗涤沉淀，调节pH值为中性，用丙酮浸泡24～48小时，过滤，于40～60℃干燥，得精制壳聚糖。测定壳聚糖脱乙酰度为75％～98％，分子量为1.5万～21.0万(粘均分子量)。
本发明所述的壳聚糖季铵盐的制备步骤是1.溶解将精制壳聚糖溶解在乙酸(0.5％-2.5％)～乙酸钠(0.5％-2.5％)混合溶液(W/V)中形成0.5％～3.0％的壳聚糖溶液(W/V)。
2.缩合还原0.3-0.6摩尔的醛溶液在室温-35℃，搅拌下加到上述壳聚糖溶液中，继续搅拌30-60分钟，用NaOH(1-2mol/L)调pH到4.5-6.0。在上述壳聚糖溶液中搅拌下加入还原剂NaBH4(10％-15％)；还原反应2-4小时后，用NaOH(1-2mol/L)调pH到8-9，得N-烷基化或N-芳基化的壳聚糖衍生物。
3.取代、分离用蒸溜水洗N-烷基化或N-芳基化的壳聚糖衍生物到中性，依次用乙醇和乙醚浸泡4小时或依次用乙醇和乙醚索氏提取4小时，在40-60℃真空干燥20-48小时得N-烷基化或芳基化的壳聚糖衍生物。
将获得的N-烷基化或芳基化的壳聚糖衍生物，分散在适量的N-烷基-2-吡咯烷酮溶剂中，在室温溶胀12-20小时后，加入NaOH(1-2mol/L)和CH3X或CH3CH2X(N-烷基化或芳基化的壳聚糖衍生物摩尔数的3-10倍)，在反应物体系中再加入催化剂NaI，使其浓度为0.1-0.4mol/L。在40℃-60℃下搅拌反应10-20小时后，在反应物体系中加入丙酮，直至溶液无沉淀生成，沉淀出来的N-烷基化或N-芳基化壳聚糖季铵盐，用丙酮浸泡洗涤3-5次。
4.纯化N-烷基化或N-芳基化壳聚糖季铵盐用蒸溜水半透膜透析纯化除去无机盐和小分子化合物。N-烷基化或N-芳基化壳聚糖季铵盐，在40-60℃真空干燥20-48小时后，获得各种N-烷基化或芳基化壳聚糖季铵盐。
各种N-烷基化或N-芳基化壳聚糖季铵盐经红外光谱，核磁共振谱，碳氢分析确证。取代度经产物的碳/氮比计算。如下式C1/N1·(1-X)+C2/N2·X＝C3/N3·Y％C1/N1是脱乙酰壳聚糖原料计算的碳/氮比。C2/N2壳聚糖季铵盐计算的碳/氮比。C3/N3壳聚糖季铵盐元素分析的碳/氮比.X是壳聚糖季铵盐的取代度。Y％是实测脱乙酰度(75％-95％)。
本发明合成方法较为简便，成本低，用该方法产物能合成壳聚糖脂肪族和芳香族氯化、溴化、碘化季铵盐。壳聚糖季铵盐容易从粘稠溶液中分离和提纯出来。合成的壳聚糖季铵盐水溶性好，取代度高。
具体实施例方式
实施例1N，N-二甲基-N-烷基或N-芳基壳聚糖碘化季铵盐制备经双氧水降解的各种分子量的壳聚糖(制备方法见Tsuguhei k，Tatsusaki Y.，JP 09031104，1997，02-04；罗平，何波兵等，化学研究与应用，12(5)，2000；卢凤奇，曹宗顺等，中国生化药物杂志，18(4)，1997)溶解于0.2～2％的乙酸溶液中，去除杂质，用30-50％的NaOH中和直到不再出现沉淀，用蒸馏水洗涤沉淀1～2次，调节pH值为中性，再用蒸馏水多次洗涤沉淀，用丙酮浸泡24～48小时，过滤，于40～60℃干燥，得精制壳聚糖。测定壳聚糖脱乙酰度为75％～98％，分子量为1.5万～21.0万(粘均分子量)。
取10.5克精制壳聚糖，在乙酸(1.0％)～乙酸钠(0.5％)混合溶液(W/V)中形成1.0％的壳聚糖溶液(W/V)。0.64mol的乙醛溶液在室温，搅拌下加到上述壳聚糖溶液中，继续搅拌30分钟，用NaOH(1mol/L)调pH到4.5。在上述壳聚糖溶液中搅拌下加入NaBH4(15％；W/V)，继续搅拌1.5小时后，上述反应后的溶液，调pH到9，获得N-烷基或N-芳基化的壳聚糖衍生物。用大量蒸溜水洗N-烷基或N-芳基化的壳聚糖衍生物到中性，用乙醇和乙醚索氏提取N-烷基或N-芳基化的壳聚糖衍生物各一天后，在55℃真空干燥25小时得N-烷基或N-芳基化的壳聚糖衍生物。
将获得的15克N-烷基或N-芳基化的壳聚糖衍生物分散在630ml的N-烷基-2-吡咯烷酮中，在室温溶胀12小时后，加入NaOH(1.3mol/L)和CH3I(0.3mol)，在反应物体系中再加入NaI使其浓度为0.2mol/L。在50℃下搅拌反应12小时后，在反应物体系中加入丙酮，直至溶液无沉淀生成，沉淀出来的N-烷基或N-芳基壳聚糖季铵盐用丙酮浸泡洗涤4次，N-烷基或N-芳基壳聚糖季铵盐用蒸溜水半透膜透析除去无机盐和小分子化合物。N-烷基壳聚糖季铵盐在50℃真空干燥48小时后，获得各种N，N-二甲基-N-烷基或N-芳基壳聚糖碘化季铵盐。N，N-二甲基-N-烷基壳聚糖碘化季铵盐产率为70％-90％。取代度为0.70-0.95。N-芳基壳聚糖碘化季铵盐产率为60％-90％。取代度为0.40-0.85。
实施例2N，N-二乙基-N-烷基壳聚糖氯化或溴化季铵盐和N，N-二乙基-N-芳基壳聚糖氯化或溴化季铵盐制备。
N-烷基或N-芳基化的壳聚糖衍生物制备的制备步骤与实施例1相同。N，N-二乙基-N-烷基壳聚糖氯化或溴化季铵盐和N，N-二乙基-N-芳基壳聚糖氯化或溴化季铵盐制备过程为将获得的15克N-烷基或N-芳基化的壳聚糖衍生物分散在630ml的N-烷基-2-吡咯烷酮中，在室温溶胀12小时后，加入NaOH(1.3mol/L)和CH3CH2Cl或CH3CH2I(0.3mol)，在反应物体系中再加入NaI使其浓度为0.2mol/L。在50℃下搅拌反应15小时后，在反应物体系中加入丙酮，直至溶液无沉淀生成，沉淀出来的N，N-二乙基-N-烷基壳聚糖氯化或溴化季铵盐和N，N-二乙基-N-芳基壳聚糖氯化或溴化季铵盐，用丙酮浸泡洗涤4次，N，N-二乙基-N-烷基壳聚糖氯化或溴化季铵盐和N，N-二乙基-N-芳基壳聚糖氯化或溴化季铵盐，用蒸溜水半透膜透析除去无机盐和小分子化合物。N，N-二乙基-N-烷基壳聚糖氯化或溴化季铵盐和N，N-二乙基-N-芳基壳聚糖氯化或溴化季铵盐，在50℃真空干燥48小时后，获得各种N，N-二乙基-N-烷基壳聚糖氯化或溴化季铵盐和N，N-二乙基-N-芳基壳聚糖氯化或溴化季铵盐。N，N-二乙基-N-烷基壳聚糖氯化或溴化季铵盐产率为50％-90％。取代度为0.60-0.95。N，N-二乙基-N-芳基壳聚糖氯化或溴化季铵产率为40％-90％。取代度为0.40-0.90。
权利要求
1.一种壳聚糖季铵盐的制备方法，化学反应式如下 X＝Cl，Br，IR1＝烷基或芳基R2＝甲基，乙基所述R1为烷基或芳基，R2为甲基，乙基，形成壳聚糖季铵盐的卤素阴离子为氯、溴、碘，其特征是壳聚糖脱乙酰度为75％～98％，粘均分子量为1.5万～21.0万，原料壳聚糖经精制、溶解、缩合还原、取代、分离、纯化制备步骤，获得本发明的各种N-烷基化或N-芳基化壳聚糖季铵盐。
2.根据权利要求1所述的壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征是所述的原料壳聚糖的精制方法为原料壳聚糖溶解于0.2～2％的乙酸溶液中，去除杂质，用30-50％的NaOH中和，用蒸馏水洗涤沉淀，调节pH值为中性，用丙酮浸泡24～48小时，过滤，于40～60℃干燥，得精制壳聚糖。
3.根据权利要求1或2所述的壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征是所述的壳聚糖溶解方法为，将精制壳聚糖溶解浓度为0.5％-2.5％(W/V)的乙酸-乙酸钠混合溶液中。
4.根据权利要求1或3所述的壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征是所述的壳聚糖缩合、还原方法为在浓度为0.5％-2.5％(W/V)的乙酸-乙酸钠混合溶液中，加人浓度为10％-15％(W/V)NaBH4的还原剂，还原时间为2-4小时，得N-烷基化或N-芳基化的壳聚糖衍生物。
5.根据权利要求1或4所述的壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征是所述的壳聚糖取代、分离方法为将还原获得的N-烷基化或N-芳基化的壳聚糖衍生物，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小时得N-烷基化或芳基化的壳聚糖衍生物，将获得的N-烷基化或芳基化的壳聚糖衍生物分散在25-40倍(W/W)的N-烷基-2-吡咯烷酮溶剂中，在室温溶胀12-20小时后，加入NaOH和浓度为0.1-0.4mol/L的NaI催化剂，在40℃-60℃下搅拌反应10-20小时后，在反应物中加入丙酮，直至溶液无沉淀生成，沉淀出来的N-烷基化或N-芳基化壳聚糖季铵盐，用丙酮浸泡洗涤。
6.根据权利要求1、和5所述的壳聚糖季铵盐的制备方法，其特征是所述的壳聚糖季铵盐纯化方法为将沉淀出来的N-烷基化或N-芳基化壳聚糖季铵盐，用蒸溜水半透膜透析除去无机盐和小分子化合物，在40-60℃真空干燥20-48小时后，获得各种N-烷基化或芳基化壳聚糖季铵盐。
全文摘要
本发明涉及有关壳聚糖季铵盐的制备方法。化学反应式如下该合成壳聚糖季铵盐，R
文档编号C08B37/00GK1587281SQ20041005265
公开日2005年3月2日 申请日期2004年7月6日 优先权日2004年7月6日
发明者徐伟亮, 陈时忠 申请人:浙江大学