专利名称：一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法。
背景技术：
甲壳素是自然界中储存量仅次于纤维素的第二大天然生物高分子，壳 聚糖是甲壳素经脱乙酰基处理后的产物，是自然界中存在的天然碱性多糖， 它是一种环境友好型天然高分子，广泛存在于虾、蟹、昆虫、蛆、蝇等动 物的外壳中，是一种取之不尽，用之不竭的可再生资源。壳聚糖不仅具有 无毒无害、良好的生物相容性、生物可降解性等优点，还具有抗癌性、抗 菌性、止血性、增强人体免疫能力等诸多优异生理性能。因此，壳聚糖在 食品、化妆品、环保、纺织、印染、造纸等工业上有较大的应用价值，尤 其在生物制药和生物组织工程材料领域得到广泛应用。
但是由于壳聚糖的特殊结构，其分子内和分子间存在氢键作用力，使 得壳聚糖不溶解于水和一般有机溶剂中，只溶解于稀酸水溶液，这极大地 限制了其在工业上的应用，尤其是作为生物医学材料的应用。为拓宽其应 用范围，许多研究对壳聚糖中的羟基和胺基进行了多种化学改性，如醚化、 垸基化、酯化、磺化、羧基化、季铵化等，从而得到了溶解于水溶液且性 能各异的壳聚糖衍生物。其中，大部分文献和专利是关于水溶性壳聚糖衍 生物和油溶性壳聚糖衍生物的制备。这些方法的不足之处在于得到的水溶 性壳聚糖衍生物的取代度比较低，反应时间较长，制备的壳聚糖衍生物取 代度不容易控制，由于引入的基团亲水性不强，使得衍生物的水溶性不好。
与水溶性壳聚糖衍生物和油溶性壳聚糖衍生物的制备方法相比较，反
应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法国内外报道较少。Tsai等人(Journal of Applied Polymer Science,2006， 100(3): 1794-1801 )报道了丙烯酰氯和邻苯二 甲酰壳聚糖的酰氯化反应制备含有不饱和双键的壳聚糖衍生物。Kensuke Sakurai等人(Carbohydrate Polymers, 2007，68(4):766-772)也报道了壳聚糖和肉桂酰氯反应制备不饱和壳聚糖衍生物，用作紫外吸收剂。Ramb Gupta 等人(Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 2005(4):473-488)报
道了壳聚糖和甲基丙烯酸縮水甘油酯在酸性条件下开环反应制备反应性壳 聚糖衍生物。中国专利CN1799645 (
公开日2006.7.12)公开了制备含有 不饱和双键的水溶性甲基丙烯酸和乳酸的壳聚糖衍生物。中国专利 CN101225123 (
公开日2008.7.23)公开了采用迈克尔加成反应制备水溶 性反应型壳聚糖衍生物。中国专利CN101367886 (
公开日2009.2.18)公 开了采用酰氯化反应制备反应型壳聚糖衍生物。 以上这些方法存在以下缺点
1、 制备方法复杂需催化剂，后处理麻烦，增加了成本；
2、 采用有机溶剂，既提高了成本，又引入了有毒物质，降低了壳聚糖衍生 物的生物医学应用价值；
3、 反应条件剧烈、苛刻，不容易控制；
4、 制备的水溶性壳聚糖衍生物取代度较低，水溶性较差；
5、 制备过程中消耗能源较多，且后处理引发二次污染，不符合环保型理念。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，提供一种反应型水溶性 壳聚糖衍生物的制备方法。该方法反应条件温和、易于控制、步骤简单， 取代度易于控制，后续处理环保型，反应过程节约型。
本发明所提供的一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法，包括以 下步骤
(1) 将壳聚糖加入到2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的水溶液中，室温下搅拌0.5 小时，配制成壳聚糖水溶液；
(2) 将对羟基苯甲醚加入到上述壳聚糖水溶液中，室温下继续搅拌0.5小 时；
(3) 将上述溶液升温至30 60°C，反应2 6小时，得到反应型水溶性壳聚 糖衍生物。上述步骤(l)中的壳聚糖为脱乙酰甲壳素，其脱乙酰度为50 90%，重 均分子量为3,000 1 ，000,000。
上述步骤(l)中的壳聚糖水溶液的重量百分比为2%。
上述步骤(l)中所述的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的加入量为壳聚糖上 胺基摩尔数的0.5 4倍。
上述步骤(2)中所述的对羟基苯甲醚的加入量占2-丙烯酰胺-2-甲基丙 磺酸摩尔数1 3%。
上述步骤(3)中所述的反应型水溶性壳聚糖衍生物具有以下结构通式 (1)，取代度为0.2 0.8，
通式(I)
其中，R为H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2， x为0.5 0.9。
与现有技术相比，本发明方法具有以下有益效果
1、 2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸是一种重要的化工原料，尤其被广泛应用在生
物医药、医用材料和日用化妆品中，其取代基团含有磺酸基团，保留了壳 聚糖原有的生物活性和生物相容性，这为壳聚糖衍生物的生物医学应用垫
定了良好的应用基础。采用其制备的壳聚糖衍生物可以在紫外230-240nm 处吸收，可以用作紫外吸收剂和日用化妆品防晒霜。
2、 此方法可以在温和的反应条件下进行，在后续处理上不需要任何有机溶 剂，只是通过透析和冷冻干燥就得到产物；并且还可以通过调整反应条件 来控制壳聚糖衍生物的取代度。
3、 反应型水溶性壳聚糖衍生物由于在壳聚糖上胺基位置和2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸发生季铵盐化反应，打破了壳聚糖分子中原有的氢键结晶结构， 磺酸基团的引入不仅具有亲水性能，还能够溶解壳聚糖衍生物。
4、 制备过程中采用无毒无害无污染的后处理提纯工序，为环保型提纯工艺， 反应过程可控性强，设备简单，反应过程易于操作，节约了原料和成本， 降低了生产成本，为节能型生产工艺；有利于该产品工业化。
5、 将本发明制备的反应型水溶性壳聚糖衍生物溶解在水里，配制成20wt %的衍生物溶液，再加入lwt^自由基光引发剂，在紫外光强30mw/r^的 条件下照射30秒即可引发聚合。采用的自由基引发剂为2-羟基-2-甲基-1-苯基丙酮(1173)、 l-[4-(2-羟基羟乙基)-苯基]-2-羟基-2-甲基-l-丙烷(2959)或 1-羟基-环已基-苯基甲酮(184)。
具体实施方式
实施例l
将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP二90。/。，重均分子量Mw-500,000)加入 到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸lwtn/。的水溶液中，室温下搅拌0.5 小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数1%的对羟 基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至50。C，反应4小时后过 滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24 小时，得到取代度为0.6的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。
其中，R=H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2， x为0.9。
配置浓度为0.1wt。/。壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外236nm处有吸收峰。实施例2
将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP=50%，重均分子量Mw=l,000,000)加 入到lOOmL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸4wtM的水溶液中，室温下搅拌0.5 小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数2%的对羟 基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至55。C，反应3小时后过 滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24 小时，得到取代度为0.7的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。
其中，R=H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2， x为0.5。
配置浓度为0.1wtn/。壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外240nm处有吸 收峰。
实施例3
将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP二70。/。，重均分子量Mw-5，000)加入到 100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸2wt。/。的水溶液中，室温下搅拌0.5小 时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数1%的对羟基 苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至45。C，反应2小时后过滤 冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24 小时，得到取代度为0.3的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。<formula>formula see original document page 8</formula>其中，R=H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2， x为0.7。
配置浓度为0.1wtc/。壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外234nm处有吸 收峰。
实施例4
将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP:70。/。，重均分子量Mw=200，000)加入 到lOOmL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸3wtM的水溶液中，室温下搅拌0.5 小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数3%的对羟 基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至30。C，反应5小时后过 滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24 小时，得到取代度为0.65的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。<formula>formula see original document page 8</formula>其中，R=H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2， x为0.7。
配置浓度为0.1wty。壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外230nm处有吸 收峰。实施例5
将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP:85。/。，重均分子量Mw=100,000)加入 到100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸2wty。的水溶液中，室温下搅袢0.5 小时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数2%的对羟 基苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至60。C，反应4小时后过 滤冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24 小时，得到取代度为0.5的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。
其中，R=H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2， x为0.85。
配置浓度为0.1wt。/。壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外237nm处有吸 收峰。
实施例6
将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP:80。/。，重均分子量M^50，000)加入到 100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸3wty。的水溶液中，室温下搅拌0.5小 时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数2%的对羟基 苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至40。C，反应6小时后过滤 冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24 小时，得到取代度为0.6的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。其中，R=H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2， x为0.8。
配置浓度为0，1wt。/。壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外240nm处有吸 收峰。
实施例7
将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP:85。/。，重均分子量Mw^80，000)加入到 100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸5wt"/。的水溶液中，室温下搅拌0.5小 时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数3%的对羟基 苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至50。C，反应6小时后过滤 冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24 小时，得到取代度为0.8的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。
其中，R=H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2， x为0.85。
配置浓度为0.1wty。壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外238nm处有吸 收峰。
<formula>formula see original document page 10</formula>实施例8
将2.0g壳聚糖(脱乙酰度DP-60。/。，重均分子量Mw=3，000)加入到 100mL含2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸5wt。/。的水溶液中，室温下搅拌0.5小 时，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数2%的对羟基 苯甲醚，室温下继续搅拌放置0.5小时，升温至50。C，反应6小时后过滤 冷却，旋转蒸发至30mL，然后放于透析袋中透析48小时，冷冻干燥24 小时，得到取代度为0.4的白色粉状壳聚糖衍生物。其结构式如下。
其中，R=H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2， x为0.6。
配置浓度为0.1wty。壳聚糖衍生物的水溶液，其在紫外236nm处有吸收峰。
权利要求
1、一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)将壳聚糖加入到2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，配制成壳聚糖水溶液；(2)将对羟基苯甲醚加入到上述壳聚糖水溶液中，室温下继续搅拌0.5小时；(3)将上述溶液升温至30～60。℃，反应2～6小时，得到反应型水溶性壳聚糖衍生物。
2、 根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤(l)中所述的壳聚糖为脱乙酰 甲壳素，其脱乙酰度为50 90%，重均分子量为3,000 1，000,000。
3、 根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤(l)中所述的壳聚糖水溶液的 重量百分比为2%。
4、 根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤(l)中所述的2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的加入量为壳聚糖上胺基摩尔数的0.5 4倍。
5、 根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤(2)中所述的对羟基苯甲醚的 加入量占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数1 3%。
6、 根据权利要求1的制备方法，其特征在于步骤(3)中所述的反应型水溶性壳 聚糖衍生物具有以下结构通式(I)，取代度为0.2 0.8，通式(I)<formula>formula see original document page 2</formula>其中，R为H03SCH2C(CH3)2NHCOCH=CH2, x为0.5 0.9。
全文摘要
本发明涉及一种反应型水溶性壳聚糖衍生物的制备方法。该方法是将壳聚糖加入到2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的水溶液中，室温下搅拌0.5小时，配制壳聚糖水溶液为2wt％，其中2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸的摩尔数为壳聚糖上胺基摩尔数的0.5-4倍，再向上述溶液中加入占2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸摩尔数1-3％的对羟基苯甲醚，继续搅拌0.5小时，使壳聚糖充分溶解在水溶液中，迅速升温至30-60℃，反应2-6小时，得到反应型水溶性壳聚糖衍生物。本发明方法反应条件温和、易于控制、步骤简单，取代度易于控制，后续处理环保型，反应过程节约型。
文档编号C08B37/00GK101659710SQ20091009251
公开日2010年3月3日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者俊 聂, 马贵平 申请人:北京化工大学