一种含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物及制备方法和应用

1.本发明涉及海洋化工工程技术领域，具体涉及一种含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物及其制备方法和医药、功能食品保健、化妆品等领域中的应用。


背景技术：

2.壳聚糖(cts)是甲壳素脱乙酰度达到50%以上的天然高分子化合物, 不但保持了甲壳素的生物相容性, 而且应用性能比甲壳素明显改善。壳寡糖（cos）是由壳聚糖经过酶催化降解或化学降解得到的线性低分子量寡糖，具有一定的生物活性。此外，壳寡糖中的氨基（-nh2）和羟基（-oh）基团为通过化学修饰引入各种外部官能团提供了有效的反应位点，极大地改善了功能性能，进一步拓宽了应用领域。
3.喹啉是一种含氮杂环化合物，在医学等领域发挥着重要作用，并广泛应用于药物的设计与合成。据报道，喹啉及其衍生物具有抗氧化、抗菌、抗癌、抗疟及抗炎等多种生物活性。
4.根据活性叠加原理，具有相同或相近生物活性的壳聚糖季铵盐与喹啉及氨基喹啉通过化学方法接枝合成得到的目标衍生物，具有更高的生物活性。
5.抗氧化是抗氧化自由基的简称。科学研究表明，癌症、衰老或其它疾病大都与过量自由基的产生有关联。研究抗氧化可有效克服其所带来的危害，抗氧化为保健品、化妆品领域主要的研发方向之一，也是最重要的功能性诉求之一。
6.现有的抗菌剂尽管在某些情况下有效，但通常存在副作用和生物相容性问题，迫切需要开发新的抗菌剂。壳寡糖具有一定的抑菌活性和优良的生物相容性，其在抗菌剂研发领域扮演着重要角色。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物及其制备方法和医药、功能食品保健、化妆品等领域中的应用。
8.为实现上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：一种含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物，含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物的结构如式一所示：式一
r=、、、或；其中n的平均取值范围是30-60。
9.含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物的制备方法：首先将壳寡糖分散于n-甲基吡咯烷酮（nmp）中溶胀，溶胀后依次加入无水碘化钠、氢氧化钠溶液和碘甲烷，回流反应2-4小时，然后醇沉得壳寡糖季铵盐；随后将壳寡糖季铵盐溶于n,n-二甲基甲酰胺（dmf）中，加入氯乙酰氯，30-40℃反应12-18小时，然后用丙酮沉淀，得到氯乙酰化壳寡糖季铵盐；最后将氯乙酰化壳寡糖季铵盐溶于n,n-二甲基甲酰胺中，加入经氨基取代或未取代的喹啉，60-70℃反应24-30小时，然后用丙酮沉淀，得到最终产物。
10.所述将壳寡糖分散于nmp中，室温下溶胀反应0.5-1小时，依次加入无水碘化钠、氢氧化钠溶液、碘甲烷，于60-70℃条件下回流反应2-4小时；然后经无水乙醇沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，真空冷冻干燥至恒重，即得到壳寡糖季铵盐；将所得壳寡糖季铵盐溶于dmf中，室温下滴加氯乙酰氯，随后30-40℃反应12-18小时，反应完成后用丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，得到氯乙酰化壳寡糖季铵盐。
11.所述每1-2g壳寡糖，使用n-甲基吡咯烷酮20-40ml、无水碘化钠2.5-5g、氢氧化钠1.5-3g、碘甲烷10-20ml、氯乙酰氯0.75-1.5ml，n,n-二甲基甲酰胺20-40ml。
12.所述将所得氯乙酰化壳寡糖季铵盐溶于dmf中，室温下加入经氨基取代或未取代的喹啉，随后60-70℃反应24-30小时，反应完成后用丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，即得到式一所示含喹啉基团的壳寡糖季铵盐。
13.所述经氨基取代或未取代的喹啉分别为喹啉、3-氨基喹啉、5-氨基喹啉、6-氨基喹啉或8-氨基喹啉。
14.所述每1-2g的氯乙酰化壳寡糖季铵盐，使用经氨基取代或未取代的喹啉0.95-3g，n,n-二甲基甲酰胺20-40ml。
15.含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物的应用，所述的含喹啉基团的壳寡糖季铵盐可应用于医药、功能食品保健、化妆品领域中。
16.所述的含喹啉基团的壳寡糖季铵盐在医药、功能食品保健、化妆品领域中作为抗氧化剂的应用。
17.所述的含喹啉基团的壳寡糖季铵盐在医药、功能食品保健、化妆品领域中作为杀菌剂的应用。
18.与现有技术相比，本发明的有益技术效果如下：（1）本发明所得衍生物具有很好的抗氧化活性，研究表明含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物的抗氧化活性明显高于壳寡糖和氯乙酰化壳寡糖季铵盐；同时所得衍生物还具有良好的抑菌活性，研究表明含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物的抑菌活性高于壳寡糖和氯乙酰化壳寡糖季铵盐；（2）本发明所得衍生物水溶性良好，并且具有很好的抗氧化活性和抑菌活性，进而可应用在医药、功能食品保健中，特别是化妆品行业，都有广大应用价值；（3）本发明所述衍生物制备过程简单，副反应少，所用材料成本低。且抗氧化活性
和抑菌活性好，具备大规模制备的技术与经济可行性。
附图说明
19.图1为壳寡糖的红外光谱图；图2为本发明实施例1提供氯乙酰化壳寡糖季铵盐的红外光谱图；图3为本发明实施例1提供含喹啉的壳寡糖季铵盐的红外光谱图；图4为本发明实施例2提供含3-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐的红外光谱图；图5为本发明实施例3提供含5-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐的红外光谱图；图6为本发明实施例4提供含6-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐的红外光谱图；图7为本发明实施例5提供含8-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐的红外光谱图。
具体实施方式
20.以下结合实例对本发明的具体实施方式做进一步说明，应当指出的是，此处所描述的具体实施方式只是为了说明和解释本发明，并不局限于本发明。
21.下述各实施例中采用的壳寡糖分子量为5000-10000。
22.实施例1式（1）含喹啉的壳寡糖季铵盐的结构式如式（1），其中n的平均取值范围是30-60。
23.壳寡糖季铵盐的制备：以壳寡糖、无水碘化钠、碘甲烷、氢氧化钠、n-甲基吡咯烷酮（nmp）、氯乙酰氯、n,n-二甲基甲酰胺为原料；称取1.61g的壳寡糖分散于30ml nmp中，室温下溶胀反应0.5-1小时，依次加入4.5g无水碘化钠、15ml15%的氢氧化钠溶液、15ml碘甲烷，于60-70℃条件下回流反应2-4小时；然后加入适量无水乙醇沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，真空冷冻干燥至恒重，即得到壳寡糖季铵盐。取壳寡糖季铵盐1g溶于20ml dmf中，加入0.75ml氯乙酰氯，30-40℃反应12-18小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，得到氯乙酰化壳寡糖季铵盐。
24.上述氯乙酰化壳寡糖季铵盐1g溶于20ml dmf中，加入0.95g喹啉，60-70℃反应24-30小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，即得到式（1）所示含喹啉的壳寡糖季铵盐。
25.从图2可知，与壳寡糖原料（参见图1）相比，氯乙酰化壳寡糖季铵盐在1473cm-1
处出现了季铵盐的振动吸收峰，1752cm-1
处出现了酯基的振动吸收峰，788cm-1
出现了碳-氯键的
吸收振动峰，以上分析数据，证明氯乙酰化壳寡糖季铵盐合成成功。
26.并进一步从图3可知，1473cm-1
与1750cm-1
处的振动吸收峰依然还在，且在779cm-1
处、1376cm-1
、1645cm-1
以及1648cm-1
出现喹啉环的振动吸收峰，由此证明含喹啉壳寡糖季铵盐衍生物合成成功。
27.实施例2式（2）含3-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐的结构式如式（2），其中n的平均取值范围是30-60。
28.与实施例1不同之处在于：以壳寡糖、无水碘化钠、碘甲烷、氢氧化钠、n-甲基吡咯烷酮（nmp）、氯乙酰氯、n,n-二甲基甲酰胺为原料，称取1g的壳寡糖分散于20ml nmp中，室温下溶胀反应0.5-1小时，依次加入2.5g无水碘化钠、10ml15%的氢氧化钠溶液、10ml碘甲烷，于60-70℃条件下回流反应2-4小时；然后加入适量无水乙醇沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，真空冷冻干燥至恒重，即得到壳寡糖季铵盐。取获得的壳寡糖季铵盐1.5g溶于20ml dmf中，加入1.2ml氯乙酰氯，30-40℃反应12-18小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，得到氯乙酰化壳寡糖季铵盐。
29.上述氯乙酰化壳寡糖季铵盐1g溶于20ml dmf中，加入1.06g 3-氨基喹啉，60-70℃反应24-30小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，即得到式（2）所示含3-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐。
30.从图4可知，1472cm-1
与1750cm-1
处的振动吸收峰依然还在，且在773cm-1
处、1377cm-1
、1531cm-1
以及1635cm-1
出现喹啉环的振动吸收峰，由此证明含3-氨基喹啉壳寡糖季铵盐衍生物合成成功。
31.实施例3
式（3）含5-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐的结构式如式（3），其中n的平均取值范围是30-60。
32.与实施例1不同之处在于：以壳寡糖、无水碘化钠、碘甲烷、氢氧化钠、n-甲基吡咯烷酮（nmp）、氯乙酰氯、n,n-二甲基甲酰胺为原料，称取1.5g的壳寡糖分散于25ml nmp中，室温下溶胀反应0.5-1小时，依次加入4.2g无水碘化钠、14ml15%的氢氧化钠溶液、14ml碘甲烷，于60-70℃条件下回流反应2-4小时；然后加入适量无水乙醇沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，真空冷冻干燥至恒重，即得到壳寡糖季铵盐。取壳寡糖季铵盐1.6g溶于20ml dmf中，加入1.3ml氯乙酰氯，30-40℃反应12-18小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，得到氯乙酰化壳寡糖季铵盐。
33.上述氯乙酰化壳寡糖季铵盐1g溶于20ml dmf中，加入1.06g 5-氨基喹啉，60-70℃反应24-30小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，即得到式（3）所示含5-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐。
34.从图5可知，1473cm-1
与1748cm-1
处的振动吸收峰依然还在，且在786cm-1
处、1375cm-1
以及1633cm-1
出现喹啉环的振动吸收峰，由此可证明含5-氨基喹啉壳寡糖季铵盐衍生物合成成功。
35.实施例4式（4）
含6-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐的结构式如式（4），其中n的平均取值范围是30-60。
36.与实施例1不同之处在于：以壳寡糖、无水碘化钠、碘甲烷、氢氧化钠、n-甲基吡咯烷酮（nmp）、氯乙酰氯、n,n-二甲基甲酰胺为原料，称取1.7g的壳寡糖分散于30ml nmp中，室温下溶胀反应0.5-1小时，依次加入4.8g无水碘化钠、16ml15%的氢氧化钠溶液、16ml碘甲烷，于60-70℃条件下回流反应2-4小时；然后加入适量无水乙醇沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，真空冷冻干燥至恒重，即得到壳寡糖季铵盐。取壳寡糖季铵盐1.7g溶于25ml dmf中，加入1.4ml氯乙酰氯，30-40℃反应12-18小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，得到氯乙酰化壳寡糖季铵盐。
37.上述氯乙酰化壳寡糖季铵盐1g溶于20ml dmf中，加入1.06g 6-氨基喹啉，60-70℃反应24-30小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，即得到式（4）所示含6-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐。
38.从图6可知，1471cm-1
与1749cm-1
处的振动吸收峰依然还在，且在1379cm-1
、1542cm-1
以及1627cm-1
出现喹啉环的振动吸收峰，由此证明含6-氨基喹啉壳寡糖季铵盐衍生物合成成功。
39.实施例5式（5）含8-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐的结构式如式（5），其中n的平均取值范围是30-60。
40.与实施例1不同之处在于：以壳寡糖、无水碘化钠、碘甲烷、氢氧化钠、n-甲基吡咯烷酮（nmp）、氯乙酰氯、n,n-二甲基甲酰胺为原料，称取2g的壳寡糖分散于40ml nmp中，室温下溶胀反应0.5-1小时，依次加入5g无水碘化钠、20ml15%的氢氧化钠溶液、20ml碘甲烷，于60-70℃条件下回流反应2-4小时；然后加入适量无水乙醇沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，真空冷冻干燥至恒重，即得到壳寡糖季铵盐。取壳寡糖季铵盐2g溶于40ml dmf中，加入1.5ml氯乙酰氯，30-40℃反应12-18小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，得到氯乙酰化壳寡糖季铵盐。
41.上述氯乙酰化壳寡糖季铵盐2g溶于40ml dmf中，加入3g 8-氨基喹啉，60-70℃反应24-30小时，反应完成后用适量丙酮沉淀，并用乙醇洗涤抽滤得到滤饼，冷冻干燥至恒重，即得到式（5）所示含8-氨基喹啉的壳寡糖季铵盐。
42.从图7可知，1482cm-1
与1751cm-1
处的振动吸收峰依然还在，且在793cm-1
处、1380cm-1
、1522cm-1
以及1644cm-1
出现喹啉环的振动吸收峰，由此证明含8-氨基喹啉壳寡糖季铵盐衍生物合成成功。
43.应用例1抗氧化活性测定（1）清除超氧阴离子抗氧化能力的测定：分别测定壳寡糖、氯乙酰化壳寡糖季铵盐、含喹啉壳寡糖季铵盐、含3-氨基喹啉壳寡糖季铵盐、含5-氨基喹啉壳寡糖季铵盐、含6-氨基喹啉壳寡糖季铵盐以及含8-氨基喹啉壳寡糖季铵盐的清除超氧阴离子能力：具体为：将实施例中实验用壳寡糖、氯乙酰化壳寡糖季铵盐、含喹啉的壳寡糖季铵盐、含3-氨基喹啉壳寡糖季铵盐、含5-氨基喹啉壳寡糖季铵盐、含6-氨基喹啉壳寡糖季铵盐以及含8-氨基喹啉壳寡糖季铵盐真空冷冻干燥至恒重后作为待测样品，将各待测样品分别用tris-hcl 缓冲溶液(1.9382 g tris+0.8 ml浓hcl，加水定容至1000 ml) 配制浓度为0.2、0.4、0.8、1.6、3.2 mg/ml的溶液。取1.5 ml不同浓度的样品溶液，加入0.5 ml nadh(468μm)，然后在反应液中加入0.5 ml nbt(144μm)、0.5 ml pms(60μm)，在试管中混匀后，样品的最终浓度为0.1、0.2、0.4、0.8、1.6 mg/ml，室温下静置5 min，在560 nm处测定吸光度。对照组为1.5ml不同浓度的样品溶液、0.5 ml tris-hcl 缓冲溶液、0.5ml nbt、0.5ml pms。空白组为1.5ml去离子水、0.5ml nadh、0.5ml nbt、0.5ml pms ( 注：被测样品均测三次，取平均值)。
44.清除超氧阴离子能力(％)＝[1-(a样品-a对照)/a空白]
×
100其中，a样品：样本组吸光度,a对照：对照组吸光度,a空白：空白组吸光度。
[0045]
清除超氧阴离子抗氧化能力的测定结果如表1所示：表1 壳寡糖、氯乙酰化壳寡糖季铵盐、含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物的清除超氧阴离子能力（%）（2）清除羟基自由基抗氧化能力的测定：将壳寡糖以及各实施例制备获得壳寡糖
衍生物冻干至恒重后，各准确称量60 mg，分别加入6 ml水溶解，配制成浓度为10 mg/ml 的样品母液。羟自由基清除实验：分别量取45、90、180、360、720 μl 的样品母液于试管中，加水至 1 ml。然后依次加入 0.5 ml edta-fe 溶液、1ml 磷酸缓冲液、1ml 番红花红 t 溶液以及 1 ml 3%过氧化氢溶液。样品溶液的终浓度分别为0.1mg/ml、0.2 mg/ml、0.4 mg/ml、0.8 mg/ml、1.6 mg/ml。空白组为1 ml去离子水、0.5 ml edta-fe 溶液、1ml 磷酸缓冲液、1ml 番红花红t 溶液以及1 ml 3%过氧化氢溶液。对照组为1 ml不同浓度样品溶液、0.5 ml edta-fe 溶液、2 ml 磷酸缓冲液、1 ml 番红花红t 溶液。反应体系加塞摇晃均匀后，于37
°
c 水浴中反应 30 min。反应结束后，放入冰水中淬灭反应，在520 nm波长处测试记录4.5 ml 反应液的吸光度。样品的羟自由基清除能力计算式如下：清除率 (%) = (a样品-a空白) / (a对照-a空白)
×
100其中 a空白：空白组吸光度，a样品：样本组吸光度，a对照：对照组吸光度。
[0046]
清除羟基自由基抗氧化能力的测定结果如表2所示：表2 壳寡糖、氯乙酰化壳寡糖季铵盐、含喹啉基团的壳寡糖季铵盐的清除羟基自由基能力（%） 应用例2抑菌活性测定采用稀释法分别测定壳寡糖、氯乙酰化壳寡糖季铵盐、含喹啉壳寡糖季铵盐、含3-氨基喹啉壳寡糖季铵盐、含5-氨基喹啉壳寡糖季铵盐、含6-氨基喹啉壳寡糖季铵盐以及含8-氨基喹啉壳寡糖季铵盐的抑菌（大肠杆菌和金黄色葡萄球菌）活性：具体为：将壳寡糖以及实施例制备获得壳寡糖衍生物冻干至恒重后，各准确称取64mg，分别后加入4ml去离子水溶解，配制成16mg/ml的各样品母液。将待测样品母液在96孔板中用去离子水进行倍比稀释，后将100μl不同细菌菌液（过夜培养）分别接种到上述处理好的96孔板中，随后在(35
±
2)℃的空气环境中培养8h，观察菌落生长状况，得到样品的最低抑菌浓度，后继续培养16h，观察菌落生长状况，得到样品的最低杀菌浓度。
[0047]
大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的菌液为将各菌按照常规方式过夜培养后得到的菌液。
[0048]
抑细菌能力的测定结果如表3所示：表3 壳寡糖、氯乙酰化壳寡糖季铵盐、含喹啉基团的壳寡糖季铵盐衍生物的抑菌活性本发明通过化学修饰，将喹啉基团引入到壳寡糖季铵盐中，得到抗氧化能力和抑菌活性较强的含喹啉基团的壳聚糖季铵盐衍生物，实验结果表明，含喹啉壳寡糖季铵盐、含3-氨基喹啉壳寡糖季铵盐、含5-氨基喹啉壳寡糖季铵盐、含6-氨基喹啉壳寡糖季铵盐以及含8-氨基喹啉壳寡糖季铵盐的清除自由基抗氧化活性与抑细菌活性较壳寡糖有明显增强，且衍生物水溶性良好，在医药、功能食品保健，特别是化妆品行业都有广大应用价值。