新型含胍基和季銨基團殼聚糖衍生物的合成*

戴　建，許　琦，肖順華(.桂林理工大學化學與生物工程學院，廣西桂林　54004; .鹽城工學院化學化工學院，江蘇鹽城　405)

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新型含胍基和季銨基團殼聚糖衍生物的合成*

戴建1，2，許琦2，肖順華1
(1.桂林理工大學化學與生物工程學院，廣西桂林541004; 2.鹽城工學院化學化工學院，江蘇鹽城224051)

摘要:N，N-二甲基-1，3-丙二胺與單氰胺經親核加成反應制得中間體N，N-二甲基-N'-胍基-1，3-丙二胺(2);以殼聚糖為起始原料，依次與氯乙酸、環氧氯丙烷經取代反應制得N-(1-羥基-3-氯丙基)-羧甲基殼聚糖(4); 4與2經季銨化反應合成了一系列含有胍基和季胺基團的羧甲基殼聚糖衍生物(5)，其結構經1H NMR，IR和元素分析表征。研究了反應配比［γ=m(2)∶m(4)］和反應時間對5取代度的影響，結果表明，當γ為3∶1，反應時間為10 h時，取代度最高(73%)。

關鍵詞:殼聚糖;胍基;季銨基團;環氧氯丙烷;羧甲基殼聚糖衍生物;合成

殼聚糖是一種生物質資源，來源豐富，具有良好的生物相容性和可降解性，其分子結構中的胺基使殼聚糖具有抗菌性，因此，殼聚糖作為抗菌材料廣泛用于紡織、醫藥、食品、化妝品等領域［1－3］。但是，由于殼聚糖是一種半晶體狀固體，分子內部結構緊密，其在pH＞6時在水中難以溶解，從而大大限制了其應用［4］。將水溶性基團引入殼聚糖中是提高其溶解性的有效方法，通常，利用殼聚糖與氯乙酸的反應制備的羧甲基殼聚糖具有很好

Scheme 1

的水溶性［5－8］。殼聚糖本身的抗菌性較弱，且其分子結構中的胺基為伯胺基團，易受環境中pH值的影響，因此對其進行改性，引入功能基團制備的殼聚糖衍生物，抗菌活性得到提高。季銨基團具有有效的抗菌功能，將其接枝到殼聚糖上所制備的含季銨基團的殼聚糖衍生物具有顯著的抗菌效果［9－11］。胍鹽類抗菌整理劑由于具有很好的安全性被認為是應用較好的抗菌整理劑，有研究表明，殼聚糖單胍鹽酸鹽衍生物對革蘭氏陰性和革蘭氏陽性菌都具有較強的抗菌性能［12－13］。

鑒于此，利用季銨基團和胍基較強的和廣譜抗菌性能，本文以羧甲基殼聚糖為母體，嘗試將季銨基團和胍基同時引入殼聚糖上，并通過控制取代度來調控季銨基團和胍基的含量，制備新型含胍基和季銨基團的殼聚糖衍生物。N，N-二甲基-1，3-丙二胺(1)與單氰胺經親核加成反應制得中間體N，N-二甲基-N'-胍基-1，3-丙二胺(2);以殼聚糖為起始原料，依次與氯乙酸、環氧氯丙烷經取代反應制得N-(1-羥基-3-氯丙基)-羧甲基殼聚糖(4); 4與2經季銨化反應合成了一系列含有胍基和季胺基團的羧甲基殼聚糖衍生物(5，Scheme 1)，其結構經1H NMR，IR和元素分析表征。并研究了反應反應條件對5取代度的影響。

1　實驗部分

1.1儀器與試劑

Varian INOVA 400MHz型核磁共振儀(D2O為溶劑，TMS為內標); Nicolet-20DXB型紅外光譜儀(KBr壓片); Vario ELⅢ型元素分析儀。

殼聚糖，生物試劑，脫乙酰化度(DD)80%～95%;環氧氯丙烷，分析純，99%;單氰胺，分析純，50%(水溶液); N，N-二甲基-1，3-丙二胺(1)，分析純，98%，國藥集團化學試劑有限公司;其余所用試劑均為分析純。

1.2合成

(1)羧甲基殼聚糖(3)的合成

在反應瓶中依次加入殼聚糖5 g，40%氫氧化鈉溶液20 mL，冰鹽浴冷卻至－20℃～－15℃，攪拌下反應過夜。過濾，濾餅用去離子水多次洗滌，干燥待用。

將上述堿處理后的殼聚糖加入反應瓶中，加入異丙醇50mL，攪拌下反應2 h;加入氯乙酸15 g，用NaOH/HOAc溶液調至pH 9.0，于室溫反應4 h。過濾，濾餅用無水乙醇洗滌多次，于30℃真空干燥得3，收率95%。

(2)5的合成

在反應瓶中加入單氰胺3.9 mL和異丙醇50 mL，用5 mol·L－1鹽酸調至pH 4，慢慢滴加1 6.5 mL，攪拌下于10℃反應10 h。靜置，分層，有機相用異丙醇洗滌得中間體2 6.5 g。

在反應瓶中加入3 3 g和去離子水80 mL，攪拌使其溶解;于80℃反應1 h;滴加環氧氯丙烷4 mL，滴畢，反應8 h。減壓蒸餾，殘余物用乙醇多次洗滌，真空干燥得4 8.6 g。

將4 1.0 g溶于50 mL水中，調pH至5～6，攪拌下緩慢滴入2 3.0 g，滴畢，用10% NaOH溶液調至pH 5～6，于30℃反應8 h。減壓濃縮，濃縮液放入透析袋中，透析一周(每12 h換水一次)，減壓蒸餾，真空干燥得棕黃色固體511.5 g ［γ=m(2)∶m(4)=3∶1］。

僅改變γ，用類似方法合成52，53和54(γ分別為2∶1，1∶1和1∶2)。

僅改變反應時間，用類似方法合成510，58，56和54(反應時間分別為10 h，8 h，6 h和4 h)。

2　結果與討論

2.1表征

圖1為殼聚糖，4和51的IR譜圖。從圖1可以看出，與殼聚糖相比，4和51分別在1 401 cm－1和1 407 cm－1處出現了COO－的伸縮振動特征吸收峰。含胍基和季銨基團的51在2 360 cm－1出現了C=N的伸縮振動特征吸收峰，說明胍基成功引入殼聚糖中。

圖2為51的1H NMR譜圖。從圖2可以看出，δ 1.93處吸收峰為殘余COCH3的氫質子吸收峰，其余各氫質子吸收峰與51化學結構吻合。

圖1　殼聚糖，4和51的IR譜圖Figure 1　IR spectra of Chitosan，4 and 51

圖2　51的1H NMR譜圖Figure 2　1H NMR spectra of 51

2.2反應條件對胍基和季銨基團取代度的影響

為了探索反應條件對合成5的影響，以達到通過控制取代度來調控季銨基團和胍基的含量的目的，分別考察了原料配比γ和反應時間對胍基和季銨基團取代度的影響。

(1)γ

在5的合成中，可以通過控制γ來調控胍基和季銨基團的取代度，結果見表1。從表1可以看出，胍基和季銨基團的取代度隨著2用量的降低而不斷減小，當γ分別為3∶1，2∶1，1∶1和 1∶2時，5中胍基和季銨基團的取代度分別為73%，52%，29%和16%。

(2)反應時間

反應時間對胍基和季銨基團取代度的影響結果見表2。由表2可見，反應時間分別為10 h，8 h，6 h和4 h時，5取代度DSQG分別為73%，73%，59%和48%。可見，當反應達到8 h，胍基和季銨基團的取代度達到最大值(73%)，繼續延長反應時間，胍基和季銨基團的取代度不再增加。

表1　殼聚糖，4和5的脫乙酰度或取代度*Table 1　DD，DSCM or DSQG of chitosan，4 and 5

表2　反應時間對5取代度的影響Table 2　Degree of substitution of 5at different reaction time

3　結論

將胍基和季銨基團引入羧甲基殼聚糖中，成功制備了新型含有胍基和季銨基團的殼聚糖衍生物。反應物料與反應時間對胍基和季銨基團取代度有著較大的影響，當N，N-二甲基-N'-胍基-1，3-丙二胺與羧甲基殼聚糖質量比為3∶1，反應時間為10 h，胍基和季銨基團取代度最大(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

作者簡介:戴建(1984－)，男，漢族，江蘇淮安人，學士，主要從事化學工程工藝研究。E-mail:daijian@ ycit.cn

基金項目:國家自然科學基金資助項目(51364008)

收稿日期:2015-07-14

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

文獻標識碼:A

中圖分類號:O636.1

通信聯系人:肖順華，教授，Tel.0773-5898551，E-mail:xiaoshunhua@ glite.edu.cn