壳聚糖-烃基脲及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天然高分子及其化学修饰方法，具体涉及壳聚糖-烃基脲及其制备方 法。
【背景技术】
[0002] 壳聚糖，化学名为聚（1，4苷）_2_氨基-0-D-葡萄糖，是一种存在于自然界中的 天然氨基多糖，由于其具独特的生理、药理功能和良好的生物相容性和抗菌性，并且无毒、 无害，易于生物降解，因此被广泛应用于医药、食品、化妆品、农业、化工、环保、基因运送、细 胞培养和组织工程等多种领域中。为进一步扩大壳聚糖的应用范围，对其氨基和羟基进行 化学修饰开发新产品，特别是对其氨基进行选择性修饰具有重要的意义。
[0003] Okamoto 等[(1)Zhang L.，Shen J.，Zuo W.，Okamoto Y.，Synthesis of chitosan 3,6-diphenylcarbamate-2_urea derivatives and their applications as chiral stationary phases for high-performance liquid chromatography,Journal of Chromatography A,1365:86 - 93, 2014]将超高脱乙酰度壳聚糖与异氰酸酯反应，制备出了 完全衍生化的壳聚糖-二（氨基甲酸酯）_(脲）。所制备的壳聚糖衍生物虽具有较高的规 整度，但该反应不具有选择性，壳聚糖分子中羟基和氨基被同一种取代基修饰，无法使衍生 物结构多样化，限制了其应用范围。
[0004] 闫凤美等[(2).崔运启，徐成，闫凤美，壳聚糖纳米脲的制备和表征，化学世界，9 : 552-554,2014 ; (3).赵艳玲汤积德闫凤美等，多氟苯脲基壳聚糖纳米材料的制备及表征， 化工新型材料，42(5) :156-160,2014]以含氟苯基异氰酸酯为脲基化试剂，采用亚结构拼 接法将含氟苯异氰酸酯定位引入到壳聚糖上，制得了含氟苯脲基壳聚糖纳米材料。在该反 应中，以脱乙酰度为92%的壳聚糖为原料，所制备的壳聚糖衍生物中仍含有部分乙酰氨基， 难以形成规整的高级结构。
[0005] 在实际应用过程中，天然高分子的性能与其结构的规整度密切相关，例如：以脲基 化壳聚糖衍生物作为手性选择体时，衍生物的规整度越高，其手性分离性能越好 [1]。采用位 阻小的伯胺对壳聚糖分子中的氨基进行脲基化，可增强壳聚糖衍生物分子间的氢键作用， 从而提高壳聚糖衍生物分子高级结构的规整度及其稳定性。因此，在壳聚糖分子中引入脲 基，可使其衍生物具有更优越的性能和更广泛的应用。然而，目前关于壳聚糖脲基化的研究 鲜有报道。
[0006]另外，目前尚无一种成熟的方法，能在羟基不被反应的条件下，有效的将壳聚糖分 子中的氣基完全脈基化。
[0007] 所以，设计结构规整的脲基化壳聚糖并建立有效的制备方法，对于扩大壳聚糖的 应用范围具有重要意义。
【发明内容】
[0008] 本发明所要解决的技术问题是填补现有的技术空白，提供一种高取代度的壳聚 糖-烃基脲及其制备方法。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：壳聚糖_烃基脲，其具有如下结 构通式：
[0010]
[0011] 其中：0. 98彡X彡1.00 ;n彡10 ;R为3-12个碳原子的脂肪烃基，但不包括叔丁基 型烃基。
[0012] 本发明还提供上述壳聚糖-烃基脲的制备方法，其步骤如下：
[0013] 1)壳聚糖氨基的甲氧基甲酰化：将脱乙酰度在98%以上的壳聚糖溶于稀盐酸中， 或者将分子量小的水溶性的壳聚糖直接溶于水中，再向所得溶液中加入适量的甲醇和过量 的氯甲酸甲酯，于低温下加三乙胺控制反应体系的pH值在2-7之间，搅拌3-8h，得到壳聚 糖-N-甲氧基甲酰胺；
[0014] 2)壳聚糖-N-甲氧基甲酰胺的脲基化：将步骤⑴得到的壳聚糖-N-甲氧基甲酰 胺溶解在氯化锂的N，N-二甲基乙酰胺溶液中，加入过量的胺，于100-130°C下反应6-24小 时生成壳聚糖衍生物，即壳聚糖-烃基脲。
[0015] 本发明所涉及的反应方程式如下：
[0016]
[0017] -般认为高分子结构单元的化学结构越一致，其高级结构越规整。纤维素与壳聚 糖有非常相似的化学结构，Okamoto等曾用纤维素制备了键合型手性分离材料，当纤维素衍 生物的交联度为2%时，所制备的手性固定相仍有很好的分离性能[(4) Ikai T.，Yamamoto C. , Kamigaito M. , Okamoto Y. , Immobilized-type chiral packing materials for HPLC based on polysaccharide derivatives, Journal of Chromatography B,875:2 -11，2008 ; (5)Ikai T. , Yamamoto C. , Kamigaito M. , Okamoto Y. , Immobilization of polysaccharide derivatives onto silica gel Facile synthesis of chiral packing materials by means of intermolecular polycondensation of triethoxysilyl groups，Journal of Chromatography A，1157:151 - 158, 2007]，当交联度继续上升时，分离 性能则下降，这就表明当纤维素衍生物有98%的重复单元结构相同时，其高级结构仍较为 规整。如果将本发明中的壳聚糖-烃基脲进一步衍生化，即生成功能化材料，如用芳香基异 氰酸酯修饰，即能制备手性分离材料。本发明采用脱乙酰度不低于98%的壳聚糖作原料， 合成壳聚糖-烃基脲，因壳聚糖-烃基脲中的乙酰氨基含量很少，少量含乙酰氨基的壳聚 糖-烃基脲在其分离纯化过程中还要损失一些，所以所制备的壳聚糖-烃基脲应有规整的 高级结构。以此壳聚糖-经基脲为原料制备功能化材料当然也具有规整的高级结构。
[0018] 本发明步骤1)中用稀盐酸来溶解壳聚糖，对于分子量小的水溶性壳聚糖（相对分 子质量小于8000)，可直接将其溶于水中，加入甲醇可增加氯甲酸甲酯在体系中的溶解度， 使反应在均相中进行，三乙胺用于中和反应过程中产生的HC1，调节反应体系的pH值。另 外，水和甲醇都能消耗过量的氯甲酸甲酯，因此，可保证壳聚糖分子中的羟基不被反应。
[0019] 本发明步骤1)中所述的溶解壳聚糖的稀盐酸浓度尽可能小，加入甲醇的量以壳 聚糖不从溶液中析出且氯甲酸甲酯能溶解为限；步骤2)中所述的壳聚糖-N-甲氧基甲酰胺 溶于氯化锂的N，N-二甲基乙酰胺溶液中，其中氯化锂的浓度能使壳聚糖-N-甲氧基甲酰胺 溶解即可。
[0020] 本发明步骤1)所述的氯甲酸甲酯的摩尔数与壳聚糖的重复单元的摩尔数之比不 小于3:1，所述的低温温度为2_15°C。
[0021] 本发明步骤2)中所使用的胺若沸点低于反应温度，需在密闭体系中反应，对于沸 点较高的胺，可直接在干燥的体系中回流反应。
[0022] 本发明步骤2)所述的胺的摩尔数与壳聚糖-N-甲氧基甲酰胺的重复单元的摩尔 数之比不小于4:1。
[0023] 本发明的有益效果在于：
[0024] 1.本发明提供了一种完整的壳聚糖脲基化方法，所制备的脲基化壳聚糖取代度 高，结构规整，能满足多种应用的需求，并且采用脱乙酰度在98%以上的壳聚糖即可，无需 使用完全脱乙酰的壳聚糖；
[0025] 2.本发明提供了一系列几乎完全脲基化的壳聚糖，并且反应只发生在氨基上，羟 基可进一步被修饰，制备结构更加多样化的壳聚糖衍生物；
[0026] 3.本发明提供的一系列脲基化壳聚糖，对其羟基进一步修饰后，就能生成功能高 分子材料。如对其羟基进行氨基甲酸酯化，就能制备出高级结构规整的手性分离材料。
【附图说明】
[0027]图1为本发明实施例1所制备的壳聚糖-N-甲氧基甲酰胺（a)与壳聚糖-苄基脲 (b)的红外光谱对比图；
[0028]图2为本发明实施例1所制备的壳聚糖-苄基脲的4 NMR谱图；
[0029]图3为本发明实施例1所制备的壳聚糖-苄基脲的热重分析图。
【具体实施方式】
[0030] 为使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步详细 的说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
[0031] 本发明所使用的壳聚糖的制备方法及分子量的测定方法均参照文献[(6) 柏正武等，壳聚糖-二（芳香基氨基甲酸酯）_(酰胺）及其制备方法[P]，【申请号】 201410594564. 2]〇
[0032] 本发明所使用的N, N-二甲基乙酰胺（DMAc)使用前经4A分子筛干燥3次，LiCl使 用前于140°C下真空干燥24小时以上或300°C煅烧3小时以上。
[0033] 实施例1
[0034] 壳聚糖-苄基脲的合成：
[0035] 壳聚糖-N-甲氧基甲酰胺的合成：将1. 0g(6. 2mmol重复单元）壳聚糖（数均分子 量9万，脱乙酰度为99. 2% )加入到250mL三口瓶中，加稀盐酸搅拌使壳聚糖溶解至清澈透 明。再在冰水浴下加入35g甲醇，搅拌均勾后，快速加入5. 9g氯甲酸甲酯（62. 7mmol)，控 制温度在2-10°C反应8h，反应过程中加三乙胺调节体系pH值，控制pH值在2-7之间。反 应完毕后，向反应瓶中加入50mL乙醇并剧烈搅拌，过滤，用乙醇将产物洗涤至中性，干燥， 得壳聚糖-N-甲氧基甲酰胺1. 27g，产率：93%;红外光谱图如附图1 (a)所示：IR(KBr，cm 4 u : 3439, 3325 (-OH, -NH-)，2950-2887 (-C-H)，1704 (_C00CH3)，1549 (-NH-)。
[0036] 壳聚糖-苄基脲的制备：取1.5g干燥的LiCl于lOOmL三口烧瓶中，加入20mL 干燥的DMAc，加热使LiCl完全溶解，保持温度在80°C，加入1. 0g壳聚糖-N-甲氧基甲酰 胺（4. 57mmol)，搅拌溶解，稍冷却后加入4. 0g节胺（37. 4mmol)，搅拌均勾，升温至120°C 反应24h，冷却后将生成的凝胶倒入乙醇中捣碎，过滤，将固体用乙醇洗涤3次，干燥，得壳 聚糖-苄基脲1.25g，产率：93% ;红外光谱图如附图1(b)所示：〗!^!^，^!!1)^^^^ 0H, -NH-)，2923-2873 (-C-H)，1643 (-C0NH-)，1560 (-NH-，-Ph)，从图 1 中可以看出，（a)在 1704cm1处有明显的（_C02_)吸收峰，而（b)中1700cm 1附近的吸收峰几乎完全消失，并且 在1643cm1附近出现较强的（-C0NH-)吸收峰，说明胺酯交换反应完全；NMR谱图如附 图 2 所示NMR(600MHz，25°C，CF3C00D, S/ppm):5.01-3.97(m，9H，壳聚糖骨架 H 及苄 基上-CH2-)，7. 55 (m，5H，苯环H)，由积分面积比可以看出，壳聚糖分子中氨基几乎完全被 脲基化；元素分析:计算值（C14H 1SN205 ? 1. 2H20)n C 53. 23, H 6. 51，N 8. 87 ;实测值 C 53. 62, H 6. 73, N 8. 16 ;因壳聚糖的脱乙酰度接近100%，所以壳聚糖衍生物元素分析理论 值就按完全脱乙酰的壳聚糖衍生物重复单元分子式进行计算。由于所制备的壳聚糖-苄 基脲中含大量羟基和酰胺，故其容易吸水。热重分析如附图3所