N-馬來酰化殼聚糖及其配合物的合成與表征

容學德

（廣西民族大學預科教育學院，廣西 南寧 530008）

殼聚糖是自然界中大量存在的堿性多糖，是甲殼素的脫乙酰產物[1]，具有生物相溶性、生物可降解性、吸附性和無毒性等良好性質，是一種應用前景極為廣闊的高分子化合物[2]。目前，關于殼聚糖的研究有很多，但有關殼聚糖衍生物的研究還遠遠少于對殼聚糖的研究，由于經過修飾過的殼聚糖表現出良好的水溶性、生物活性和脂溶性，在水處理、醫藥、農業、食品、化妝品等領域顯示出獨特的應用價值[3-4]，因此有關殼聚糖衍生物的研究正日益受到人們的重視[5-6]。在殼聚糖分子中的氨基和羥基上導入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，通過發生殼聚糖的酰化反應，可得到殼聚糖的酰化衍生物。

對于殼聚糖的酰化研究，科研人員青睞于用馬來酸酐與殼聚糖的酰化反應合成殼聚糖酰化衍生物。有報道以N,N-二甲基甲酰胺[7-9]、氯化-1-乙酸基-3-甲基咪唑離子液體[10]、氯化2-氨基乙酸離子液體水溶液[11]為反應介質，馬來酸酐與殼聚糖反應制得水溶性N-馬來酰化殼聚糖，但制備條件較為苛刻，要在高溫和非均相條件下進行。另有報道將馬來酸酐與殼聚糖在室溫條件下發生均相反應，制得水溶性N-馬來酰化殼聚糖，但是用乙酸和吡啶為反應介質[12]，由于吡啶具有濃烈的氣味和一定的毒性，因此極易造成實驗環境的污染。還有報道在室溫條件下以碳酸鈉為催化劑，馬來酸酐與殼聚糖反應合成水溶性的馬來酰化殼聚糖，但需要將反應液透析1周時間[13]，其制備時間太長。本文擬通過較為溫和的方法制取N-馬來酰化殼聚糖，其主要過程為：讓殼聚糖在堿性條件下進行脫晶，以N,N-二甲基甲酰胺和無水乙醇為介質，與一定量的馬來酸酐在室溫、均相條件下反應18 h。

殼聚糖的酰化衍生物的合成研究雖已取得了不少的研究成果，但有關殼聚糖的衍生物與金屬的配位這方面的報道仍較少[4，6]，而在眾多的金屬離子中，由于銅、鋅元素是人體所需的微量元素，在人體生命活動當中不可或缺。為此，作者在成功合成N-馬來酰化殼聚糖的基礎上，對N-馬來酰化殼聚糖與Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)離子能否進行配位以及哪些基團參與了配位等問題作了進一步的實驗研究，并通過紅外光譜（FTIR）及電子順磁共振光譜（EPR）對配合物的結構進行表征，為N-馬來酰化殼聚糖配合物的制備提供了技術基礎和參考。

1 實驗部分

1.1 藥品試劑

殼聚糖，購自國藥集團上海有限公司，脫乙酰度在95%以上。N,N-二甲基甲酰胺（DMF），馬來酸酐，冰乙酸（CH3COOH），氯化鋅（ZnCl2?2H2O），氯化銅（CuCl2?2H2O）及其他常規試劑均為分析純。實驗用水為去離子水。

1.2 儀器

紅外光譜儀：美國PE Spectrum One FI-IR Spectrometer傅里葉變換紅外光譜儀；溴化鉀壓片。電子順磁共振光譜儀為德國Bruker公司EMX型光譜儀。

1.3 殼聚糖（CT）脫晶

稱取殼聚糖5.0 g，在室溫下加入到250 mL稀乙酸水溶液中，攪拌使殼聚糖溶解，然后向溶液中滴加270 mL含有乙醇的稀氫氧化鉀水溶液，即析出脫結晶度的殼聚糖。析出物分別經蒸餾水、無水乙醇洗滌。

1.4 N-馬來酰化殼聚糖（CMT）的合成

室溫下，將所得的脫晶殼聚糖將其加入到30 mL N,N-二甲基甲酰胺和30 mL無水乙醇中，攪拌使脫晶殼聚糖溶解，按n（馬來酰酐）∶ n（殼聚糖單體）=1∶1的摩爾比加入計量的馬來酸酐，置于磁力攪拌器上攪拌，攪拌7 min后馬來酸酐溶解，攪拌18 h后混合液由白色變為淺黃色，過濾得到的膠狀產物用無水乙醇洗滌5次，真空抽干，待用。稱取1.0 g N-馬來酸酐酰化殼聚糖，加入到0.1 mol/L的氫氧化鈉溶液中，用0.05 mol/L的鹽酸滴定，作鹽酸的體積與pH值的關系圖，然后由圖中關系計算馬來酰化殼聚糖的取代度（DS）[4]。經過計算可知本實驗所制得的馬來酰化殼聚糖的取代度DS=63%。

1.5 N-馬來酰化殼聚糖銅配合物（CTMCu）的合成

稱取從1.4節中得到的N-馬來酰化殼聚糖0.5 g，室溫下加入到10 mL 0.1 mol/L氯化銅（CuCl2）溶液中，放于磁力攪拌器上攪拌6 h，所得到的淺藍色沉淀進行抽濾，用無水乙醇（C2H5OH）洗滌再真空抽干。

1.6 N-馬來酰化殼聚糖鋅配合物（CTMZn）的合成

室溫下，稱取從1.4節中實驗得到的N-馬來酰化殼聚糖0.5 g，加入到10 mL 0.1 mol/L氯化鋅（ZnCl2）溶液中，放于磁力攪拌器上攪拌6 h，將所得到的淺黃色沉淀進行抽濾，用無水乙醇（C2H5OH）洗滌再真空抽干。

2 結果與討論

2.1 紅外光譜

圖1為脫晶殼聚糖（CT）的紅外光譜圖。在3432 cm?1處有一強而寬的峰，是殼聚糖的O—H和N—H的伸縮振動所形成的峰，由于有分子內和分子間氫，峰變得十分寬大。在1596 cm?1為N—H彎曲振動形成的峰。1155 cm?1，1033 cm?1，1092 cm?1處為C—O，C—N伸縮振動形成的峰。896 cm?1處為殼聚糖分子中的糖環的面外振動形成的峰。當殼聚糖的氨基鏈接上馬來酰基團形成N-馬來酰化殼聚糖（CTM）后，其898 cm?1處的糖環面外彎曲振動峰沒有改變，如圖2所示。這說明殼聚糖分子在與馬來酸酐酰化反應時殼聚糖分子沒有解體，馬來酸酐接到殼聚糖分子的氨基上。

圖1 脫晶殼聚糖（CT）紅外光譜圖

圖2 N-馬來酰化殼聚糖（CTM）紅外光譜圖

然而，N-馬來酰化殼聚糖（CTM）在1664 cm?1，1572 cm?1有最強峰，明顯為羧基上羰基的伸縮振動峰。它的強度超過了在1033 cm?1附近的C—O，C—N伸縮振動峰，這說明了羧基和羰基的存在[14]。同時在853 cm?1，809 cm?1處有兩個較弱而尖銳的峰，這是羧基的特征吸收峰[15]。殼聚糖分子中沒有羰基存在，在脫晶殼聚糖（CT）的紅外光譜圖中沒有發現這兩峰。這就有力地證實了殼聚糖衍生物中馬來酸根的存在。1636 cm?1處一個小的峰為N—H彎曲振動，與脫晶殼聚糖（CT）的紅外光譜圖相比而言向高頻移動了[16]。

當N-馬來酰化殼聚糖（CTM）與二價銅離子形成CTMCu配合物后，其FT-IR光譜如圖3所示。CTMCu配合物在3402.5 cm?1處的N—H和O—H的伸縮振動重疊而成的吸收峰相對于N-馬來酰化殼聚糖（CTM）中的相應峰而言，向低頻方向移動了29 cm?1，說明氨基上的氮原子或是羥基上的氧原子參加與金屬銅離子的配位。1621 cm?1、1568 cm?1處是羧基伸縮振動峰，峰相對減弱且峰形展寬，峰分別向低頻移動了43 cm?1和4 cm?1[15]。峰強度減弱并向低頻移動說明了羧基參與了配位。

當N-馬來酰化殼聚糖（CTM）與二價鋅離子形成CTMZn配合物后，其FT-IR光譜如圖4所示。通過分析FT-IR光譜圖可知，位于3421 cm?1處的N—H和O—H的伸縮振動重疊而成的吸收峰相對于N-馬來酰化殼聚糖（CTM）中相應的峰而言，向低頻方向移動了10 cm?1，這說明氨基上的氮原子或是羥基上的氧原子很有可能參加與金屬鋅離子的配位反應。在1631 cm?1，1567cm?1處是羧基伸縮振動峰，峰相對減弱且峰形展寬，由圖4可知峰分別向低頻移動了 33 cm?1和 6 cm?1。

圖3 配合物（CTMCu）紅外光譜圖

圖4 配合物（CTMZn）紅外光譜圖

2.2 電子順磁共振

電子順磁共振廣泛應用在含銅離子的配位化合物結構表征中。圖5為CTMCu配合物的電子順磁共振光譜。從圖中可見CTMCu配合物顯示出單核銅的特征峰，在g=2.17有一個強烈的寬峰。因此N-馬來酰化殼聚糖（CTM）與Cu(Ⅱ)離子緊密結合，形成了配合物。

3 結論

在室溫條件下，以N,N-二甲基甲酰胺和無水乙醇為介質，將堿性條件下脫晶的殼聚糖與馬來酸酐以1∶1的物質的量比進行酰化反應，制得取代度DS=63%的馬來酰化殼聚糖；由紅外光譜測試的結果表明了馬來酸酐成功接到殼聚糖分子的氨基上；該制備N-馬來酰化殼聚糖的實驗方法其反應條件溫和、可操作性強，且具有安全性、清潔性的特點。通過合成的N-馬來酰化殼聚糖分別與Cu(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)離子反應，制得了N-馬來酰化殼聚糖與銅、鋅離子的配合物；利用紅外光譜及電子順磁共振光譜對配合物的結構進行表征，結果表明，在溫和條件下N-馬來酰化殼聚糖能分別與銅、鋅離子進行配位反應，且是N-馬來酰化殼聚糖的氨基和羧基共同參與配位，形成了N-馬來酰化殼聚糖銅配合物和N-馬來酰化殼聚糖鋅配合物。

圖5 CTMCu的常溫電子順磁共振光譜

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