新型含胍基和季铵基团壳聚糖衍生物的合成*

戴　建，许　琦，肖顺华(.桂林理工大学化学与生物工程学院，广西桂林　54004; .盐城工学院化学化工学院，江苏盐城　405)



新型含胍基和季铵基团壳聚糖衍生物的合成*

戴建1，2，许琦2，肖顺华1
(1.桂林理工大学化学与生物工程学院，广西桂林541004; 2.盐城工学院化学化工学院，江苏盐城224051)

摘要:N，N-二甲基-1，3-丙二胺与单氰胺经亲核加成反应制得中间体N，N-二甲基-N'-胍基-1，3-丙二胺(2);以壳聚糖为起始原料，依次与氯乙酸、环氧氯丙烷经取代反应制得N-(1-羟基-3-氯丙基)-羧甲基壳聚糖(4); 4与2经季铵化反应合成了一系列含有胍基和季胺基团的羧甲基壳聚糖衍生物(5)，其结构经1H NMR，IR和元素分析表征。研究了反应配比［γ=m(2)∶m(4)］和反应时间对5取代度的影响，结果表明，当γ为3∶1，反应时间为10 h时，取代度最高(73%)。

关键词:壳聚糖;胍基;季铵基团;环氧氯丙烷;羧甲基壳聚糖衍生物;合成

壳聚糖是一种生物质资源，来源丰富，具有良好的生物相容性和可降解性，其分子结构中的胺基使壳聚糖具有抗菌性，因此，壳聚糖作为抗菌材料广泛用于纺织、医药、食品、化妆品等领域［1－3］。但是，由于壳聚糖是一种半晶体状固体，分子内部结构紧密，其在pH＞6时在水中难以溶解，从而大大限制了其应用［4］。将水溶性基团引入壳聚糖中是提高其溶解性的有效方法，通常，利用壳聚糖与氯乙酸的反应制备的羧甲基壳聚糖具有很好

Scheme 1

的水溶性［5－8］。壳聚糖本身的抗菌性较弱，且其分子结构中的胺基为伯胺基团，易受环境中pH值的影响，因此对其进行改性，引入功能基团制备的壳聚糖衍生物，抗菌活性得到提高。季铵基团具有有效的抗菌功能，将其接枝到壳聚糖上所制备的含季铵基团的壳聚糖衍生物具有显著的抗菌效果［9－11］。胍盐类抗菌整理剂由于具有很好的安全性被认为是应用较好的抗菌整理剂，有研究表明，壳聚糖单胍盐酸盐衍生物对革兰氏阴性和革兰氏阳性菌都具有较强的抗菌性能［12－13］。

鉴于此，利用季铵基团和胍基较强的和广谱抗菌性能，本文以羧甲基壳聚糖为母体，尝试将季铵基团和胍基同时引入壳聚糖上，并通过控制取代度来调控季铵基团和胍基的含量，制备新型含胍基和季铵基团的壳聚糖衍生物。N，N-二甲基-1，3-丙二胺(1)与单氰胺经亲核加成反应制得中间体N，N-二甲基-N'-胍基-1，3-丙二胺(2);以壳聚糖为起始原料，依次与氯乙酸、环氧氯丙烷经取代反应制得N-(1-羟基-3-氯丙基)-羧甲基壳聚糖(4); 4与2经季铵化反应合成了一系列含有胍基和季胺基团的羧甲基壳聚糖衍生物(5，Scheme 1)，其结构经1H NMR，IR和元素分析表征。并研究了反应反应条件对5取代度的影响。

1　实验部分

1.1仪器与试剂

Varian INOVA 400MHz型核磁共振仪(D2O为溶剂，TMS为内标); Nicolet-20DXB型红外光谱仪(KBr压片); Vario ELⅢ型元素分析仪。

壳聚糖，生物试剂，脱乙酰化度(DD)80%～95%;环氧氯丙烷，分析纯，99%;单氰胺，分析纯，50%(水溶液); N，N-二甲基-1，3-丙二胺(1)，分析纯，98%，国药集团化学试剂有限公司;其余所用试剂均为分析纯。

1.2合成

(1)羧甲基壳聚糖(3)的合成

在反应瓶中依次加入壳聚糖5 g，40%氢氧化钠溶液20 mL，冰盐浴冷却至－20℃～－15℃，搅拌下反应过夜。过滤，滤饼用去离子水多次洗涤，干燥待用。

将上述碱处理后的壳聚糖加入反应瓶中，加入异丙醇50mL，搅拌下反应2 h;加入氯乙酸15 g，用NaOH/HOAc溶液调至pH 9.0，于室温反应4 h。过滤，滤饼用无水乙醇洗涤多次，于30℃真空干燥得3，收率95%。

(2)5的合成

在反应瓶中加入单氰胺3.9 mL和异丙醇50 mL，用5 mol·L－1盐酸调至pH 4，慢慢滴加1 6.5 mL，搅拌下于10℃反应10 h。静置，分层，有机相用异丙醇洗涤得中间体2 6.5 g。

在反应瓶中加入3 3 g和去离子水80 mL，搅拌使其溶解;于80℃反应1 h;滴加环氧氯丙烷4 mL，滴毕，反应8 h。减压蒸馏，残余物用乙醇多次洗涤，真空干燥得4 8.6 g。

将4 1.0 g溶于50 mL水中，调pH至5～6，搅拌下缓慢滴入2 3.0 g，滴毕，用10% NaOH溶液调至pH 5～6，于30℃反应8 h。减压浓缩，浓缩液放入透析袋中，透析一周(每12 h换水一次)，减压蒸馏，真空干燥得棕黄色固体511.5 g ［γ=m(2)∶m(4)=3∶1］。

仅改变γ，用类似方法合成52，53和54(γ分别为2∶1，1∶1和1∶2)。

仅改变反应时间，用类似方法合成510，58，56和54(反应时间分别为10 h，8 h，6 h和4 h)。

2　结果与讨论

2.1表征

图1为壳聚糖，4和51的IR谱图。从图1可以看出，与壳聚糖相比，4和51分别在1 401 cm－1和1 407 cm－1处出现了COO－的伸缩振动特征吸收峰。含胍基和季铵基团的51在2 360 cm－1出现了C=N的伸缩振动特征吸收峰，说明胍基成功引入壳聚糖中。

图2为51的1H NMR谱图。从图2可以看出，δ 1.93处吸收峰为残余COCH3的氢质子吸收峰，其余各氢质子吸收峰与51化学结构吻合。

图1　壳聚糖，4和51的IR谱图Figure 1　IR spectra of Chitosan，4 and 51

图2　51的1H NMR谱图Figure 2　1H NMR spectra of 51

2.2反应条件对胍基和季铵基团取代度的影响

为了探索反应条件对合成5的影响，以达到通过控制取代度来调控季铵基团和胍基的含量的目的，分别考察了原料配比γ和反应时间对胍基和季铵基团取代度的影响。

(1)γ

在5的合成中，可以通过控制γ来调控胍基和季铵基团的取代度，结果见表1。从表1可以看出，胍基和季铵基团的取代度随着2用量的降低而不断减小，当γ分别为3∶1，2∶1，1∶1和 1∶2时，5中胍基和季铵基团的取代度分别为73%，52%，29%和16%。

(2)反应时间

反应时间对胍基和季铵基团取代度的影响结果见表2。由表2可见，反应时间分别为10 h，8 h，6 h和4 h时，5取代度DSQG分别为73%，73%，59%和48%。可见，当反应达到8 h，胍基和季铵基团的取代度达到最大值(73%)，继续延长反应时间，胍基和季铵基团的取代度不再增加。

表1　壳聚糖，4和5的脱乙酰度或取代度*Table 1　DD，DSCM or DSQG of chitosan，4 and 5

表2　反应时间对5取代度的影响Table 2　Degree of substitution of 5at different reaction time

3　结论

将胍基和季铵基团引入羧甲基壳聚糖中，成功制备了新型含有胍基和季铵基团的壳聚糖衍生物。反应物料与反应时间对胍基和季铵基团取代度有着较大的影响，当N，N-二甲基-N'-胍基-1，3-丙二胺与羧甲基壳聚糖质量比为3∶1，反应时间为10 h，胍基和季铵基团取代度最大(73%)。

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Synthesis of Novel Chitosan Derivatives
Containing Guanidyl and Quaternary Ammonium Groups

DAI Jian1，2，XU Qi2，XIAO Shun-hua1
(1.College of Chemistry and Bioengineering，Guilin University of Technology，Guilin 541004，China;
2.School of Chemistry and Chemical Engineering，Yancheng Institute of Technology，Yancheng 224051，China)

Abstract:N，N-dimethyl-N'-guanidyl-1，3-propyldiamine(2)was prepared by nucleophilic addition of 3-dimethylaminopropylamine with cyanamide.N-(1-hydroxyl-3-chloropropyl)-carboxymethyl chitosan(4)was prepared by substitution reaction of chitosan with chloroacetic acid then epichlorohydrin.The novel chitosan derivatives(5)containing guanidyl and quaternary ammonium groups were synthesized by quaterisation of 4 with 2.The structures were characterized by1H NMR，IR and elemental analysis.The effects of raw material ration［γ=m(2)∶m(4)］and reaction time on the degree of substitution(DS)of the guanidyl and quaternary ammonium groups were investigated.The results showed that when γ was 3∶1，and the reaction time was 10 h，the largest DS was 73%.

Keywords:chitosan; guanidyl; guaternary ammonium group; epichlorohydrin; carboxymethyl chitosan derivative; synthesis

作者简介:戴建(1984－)，男，汉族，江苏淮安人，学士，主要从事化学工程工艺研究。E-mail:daijian@ ycit.cn

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51364008)

收稿日期:2015-07-14

DOI:10.15952/j.cnki.cjsc.1005－1511.2015.11.1045 *

文献标识码:A

中图分类号:O636.1

通信联系人:肖顺华，教授，Tel.0773-5898551，E-mail:xiaoshunhua@ glite.edu.cn