专利名称：一类羧甲基壳聚糖季铵盐及其制备方法
技术领域：
本发明属于海洋化工工程技术领域，涉及一种新的羧甲基壳聚糖季铵盐化合物及其制备方法，具体讲是采用羧甲基壳聚糖先经希夫碱化，而后还原的产物与碘甲烷在碱性条件下反应，制备具有杀菌抑菌生物活性的羧甲基壳聚糖季铵盐化合物。
背景技术：
农药创制是一项高技术、高投资、高风险的工程，目前每开发一种新品种大约需要5-8年时间，耗资1-2亿美元，筛选10万个左右的化合物，而且，随着环境问题的要求，这些数字还要增大。目前有能力独立开发新品种只有安万特、拜耳、孟山都等国际大农药公司。如何研究开发我国的新农药，是在随着加入WTO和知识产权保护日趋完善的情况下面临的严峻问题。
针对国际杀菌剂市场的实际情况和研究的方向，各类杀菌剂的活性及出现的情况。同时根据我们的技术实力和经济实力，与国外公司合作或采取“me-too化学”被认为是有效的创制途径。即在现在已有的杀菌剂基础上，用亚结构连接的思想或生物等排理论对现已有的具有杀菌作用的基团进行衍生化修饰，开发出具有更好杀菌活性和更容易降解的二次先导化合物。这种创制途径目标明确，省力省钱，而且成功的机会较多。
壳聚糖(Chitosan)是一种广泛存在于自然界中的可再生、无毒副作用，生物相容性和降解性良好的天然氨基多糖，其自身及其衍生物具有许多独特的生理、药理功能性质，被广泛应用于医药、食品、农业、日化、环保等多种行业领域中。壳聚糖本身特殊的结构和性质，具有杀菌、抑菌活性，以及无毒、无污染的特性，可以作为修饰的对象以期开发出二次先导化合物。壳聚糖分子上的活泼基团——羟基和氨基，可以作为修饰时的作用基团。根据壳聚糖的抑菌机理，壳聚糖活性的强弱与壳聚糖上氨基有关，且正电性越强，抑菌活性也有所增强(Kim C.H.，Choi J.W.et al.Synthesis of chitosan derivatives with quaternary ammonium salt andtheir antibacterial activity，Polymer Bulletin，1997，38(4)，387-393.)。壳聚糖的季铵盐使得壳聚糖上的N原子带正电荷，所以其抑菌活性比壳聚糖有很明显的增强，但是近来的研究都局限于壳聚糖的季铵盐开发上。羧甲基壳聚糖具有好的水溶性和较好的抑菌活性，但同时很少有对羧甲基壳聚糖进行进一步修饰的产品，羧甲基壳聚糖的取代基接入壳聚糖的羟基和氨基，但是氨基的取代度只有0.1-0.2，对于脱乙酰度达到97％的壳聚糖来讲，还有约80％的氨基可以参加反应，所以，对羧甲基壳聚糖进行进一步的修饰，具有很大的开发前景。针对壳聚糖季铵盐和羧甲基壳聚糖的杀菌抑菌活性，在羧甲基壳聚糖仍未参加反应的羟基和氨基进行修饰，得到羧甲基壳聚糖的季铵盐，可以得到更高活性的壳聚糖衍生物。
发明内容
本发明的目的就是利用羧甲基壳聚糖的氨基，通过希夫碱中间体的还原产物季铵化得到羧甲基壳聚糖的季铵盐，能够把壳聚糖季铵盐与羧甲基壳聚糖的抑菌活性有效的结合在一起，增强壳聚糖的生物活性，得到抑菌活性更好的壳聚糖衍生物。这具有更好的产业化前景。
本发明为一类羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物，其特征在于羧甲基壳聚糖季铵盐是说明书附图中图1所示的化合物，其中R为脂肪族或芳香族化合物，X为I、Br或Cl，n为62-1242。
所述的羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物的合成方法，其步骤为a)利用羧甲基壳聚糖的氨基，与醛反应形成希夫碱中间体；b)步骤a)中得到的希夫碱中间体用NaBH4还原后得到N-取代的羧甲基壳聚糖；c)步骤b)中得到的N-取代的羧甲基壳聚糖在碱性条件下与碘甲烷进行季铵盐化反应得碘化羧甲基壳聚糖季铵盐；d)步骤c)的产物碘化羧甲基壳聚糖季铵盐经阴离子交换后得到氯化羧甲基壳聚糖季铵盐与溴化羧甲基壳聚糖季铵盐，形成季铵盐的羧甲基壳聚糖氨基基团占壳聚糖全部氨基总量的20.3-41.5％。
优选的，步骤a)中的羧甲基壳聚糖与过量3-5倍的脂肪醛或芳香醛反应，反应时间为1-3小时。
优选的，步骤b)中各种羧甲基壳聚糖希夫碱用NaBH4进行还原，NaBH4的用量为所用醛的摩尔质量的1.5-3倍，反应时间为2-4小时。
优选的，特征在于步骤a)中用于制备羧甲基壳聚糖的壳聚糖原料分子量在1-70万之间，脱乙酰度为80-100％。
优选的，步骤c)中N-取代的羧甲基壳聚糖先在N-甲基-2-吡咯烷酮中常温搅拌12小时，然后用1mol/LNaOH调节pH值为9，与5倍摩尔质量的碘甲烷反应，且I-的浓度用碘化钠调节为0.2mol/L，反应时间为12小时。
本发明中，所用的壳聚糖的脱乙酰度为80％以上，羧甲基化壳聚糖的制备按照陈凌云等提供的方法(陈凌云，杜予民，刘义，羧甲基壳聚糖的结构与抗菌性能研究，武汉大学学报(自然科学版)，2000，46(2)，191-194)。所得的羧甲基壳聚糖在水溶液中与各种醛反应得到希夫碱，用NaBH4还原后在碱性条件下与碘甲烷反应得到碘化羧甲基壳聚糖季铵盐，与阴离子交换树脂离子交换得到氯化羧甲基壳聚糖季铵盐。如图所示的单元可以使连续的也可以使不连续的，所占比例为壳聚糖分子的20.3-41.5％。
本发明的优选的具体实验方案如下室温磁力搅拌下，把羧甲基壳聚糖加入蒸馏水中，溶解后加入过量3-5倍的醛，反应2小时，然后加入NaBH410％(所用醛摩尔质量的1.5-3倍)，再反应2小时，把反应物倾入丙酮中，所得沉淀用无水乙醇在索氏提取器中提取24小时，冷冻干燥。所得产物加入N-甲基-2-吡咯烷酮中搅拌过夜，后加入氢氧化钠溶液与碘甲烷，50℃反应12小时，取代的羧甲基壳聚糖逐渐溶解，反应完毕后把反应液倾入丙酮中得到羧甲基壳聚糖季铵盐，丙酮洗涤后冷冻干燥得到碘化羧甲基壳聚糖季铵盐，经过阴离子交换树脂得到溴化羧甲基壳聚糖季铵盐与氯化羧甲基壳聚糖季铵盐。本发明涉及的壳聚糖分子量在1-70万之间，脱乙酰度为80-100％。
本发明的特点在于(1)、羧甲基壳聚糖分子与接入的季铵盐基团有效结合在一起，相互作用可产生协同增效作用，增强各自特有的生物活性，具有抗菌作用。
(2)、把羧甲基壳聚糖作为修饰对象，克服了壳聚糖溶解性差的缺点，扩大了其应用领域，在医药和农业等领域有广泛的应用。
图1为羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物的结构式，其中R为脂肪族或芳香族化合物，X为I、Br或Cl，n为62-1242。
图2为壳聚糖原料的红外谱图3447cm-1左右为O-H与N-H的伸缩振动吸收峰，2920.17cm-1与2875.94cm-1为C-H伸缩振动的吸收峰，1600.03cm-1为NH2的弯曲振动吸收峰，1081.84cm-1与1154.96cm-1为C-O伸缩振动的吸收峰，897.85cm-1为环伸缩振动吸收峰。
图3为羧甲基壳聚糖的红外谱图红外光谱与文献谱图一致(董炎明，王勉，吴玉松，阮永红，壳聚糖衍生物的红外光谱分析，纤维素科学与技术，2001，9(2)，42-56)，其中，1721.19处有一弱的吸收峰，为羧羰基的吸收，因为是以钠盐的形式存在，所以很弱。
图4为N，N-二甲基-N-乙基羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物的红外谱图，由于反应进行过程中溶液的酸性逐渐增强，所以羧甲基壳聚糖的羧酸盐转化为羧基，红外中出现1731.46cm-1处的羧羰基吸收峰，1634.53cm-1为季铵盐的特征吸收，1383.21cm-1与1425左右的吸收峰cm-1为引入的两个甲基的吸收峰，证明目标化合物的形成。
图5为N，N-二甲基-N-正丁基羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物的红外谱图，1750.24cm-1为羧羰基的吸收峰，1631.59cm-1为季铵盐的特征吸收，1378.09 cm-1和1438.73cm-1为甲基的吸收峰，证明目标化合物的形成。
图6为N，N-二甲基-N-苯基羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物的红外谱图，1731.03cm-1为羧羰基的吸收峰，1631.78cm-1为季铵盐的特征吸收峰，1368.32cm-1与1448cm-1左右的吸收为甲基吸收峰。由于羧甲基壳聚糖的吸水性很强，所以红外表现的不是很平滑。但几个特征吸收可以证明目标化合物的形成。
图7为N，N-二甲基-N-邻羟基苯基羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物的红外谱图，1741.11cm-1为羧羰基的吸收峰，1634.32cm-1为季铵盐的特征吸收，1382.67cm-1为甲基的吸收峰，另外，1500左右与1460左右的吸收为苯环的特征吸收峰。证明目标化合物的形成。
所有的红外在处理过程中都非常容易吸潮，这是因为产物季铵盐的吸水性太强的缘故，但是能够表征目标产物的特征吸收峰都很明显，可以证明实验是成功的。
具体实施例方式
下面的实施例中将对本发明作进一步的阐述，但本发明不限于此。
实施例1室温磁力搅拌下，把1克羧甲基壳聚糖加入50ml蒸馏水中，溶解后缓慢滴加0.66克乙醛，加毕后继续搅拌1小时，然后加入0.85克NaBH4(10％溶液)反应2小时，反应物倾入丙酮中，沉淀用无水乙醇在索氏提取器中提取24小时，冷冻干燥后取0.4克N-取代的羧甲基壳聚糖于20mlN-甲基-2-吡咯烷酮中室温搅拌12小时，然后加入48μl 1mol/L的NaOH溶液、1.5克碘甲烷和0.6克碘化钠，50℃下反应12小时，然后倾入丙酮中析出沉淀，沉淀过滤后，丙酮洗涤，真空冷冻干燥得到羧甲基壳聚糖季铵盐，经过阴离子交换树脂得到相应的溴化羧甲基壳聚糖季铵盐与氯化羧甲基壳聚糖季铵盐。产物经红外光谱分析确认。
实施例2室温磁力搅拌下，把1克羧甲基壳聚糖加入50ml蒸馏水中，溶解后缓慢滴加1.20克正丁醛，加毕后继续搅拌1.5小时，然后加入1.00克NaBH4(10％溶液)反应2小时，反应物倾入丙酮中，沉淀用无水乙醇在索氏提取器中提取24小时，冷冻干燥后取0.4克N-取代的羧甲基壳聚糖于20mlN-甲基-2-吡咯烷酮中室温搅拌12小时，然后加入48μl 1mol/L的NaOH溶液、1.5克碘甲烷和0.6克碘化钠，50℃下反应12小时，然后倾入丙酮中析出沉淀，沉淀过滤后，丙酮洗涤，真空冷冻干燥得到羧甲基壳聚糖季铵盐，经过阴离子交换树脂得到相应的溴化羧甲基壳聚糖季铵盐与氯化羧甲基壳聚糖季铵盐。产物经红外光谱分析确认。
实施例3室温磁力搅拌下，把1克羧甲基壳聚糖加入50ml蒸馏水中，溶解后缓慢滴加2.0克苯甲醛，加毕后继续搅拌1.5小时，然后加入1.30克NaBH4(10％溶液)反应2小时，反应物倾入丙酮中，沉淀用无水乙醇在索氏提取器中提取24小时，冷冻干燥后取0.4克N-取代的羧甲基壳聚糖于20mlN-甲基-2-吡咯烷酮中室温搅拌12小时，然后加入48μl 1mol/L的NaOH溶液、1.5克碘甲烷和0.6克碘化钠，50℃下反应12小时，然后倾入丙酮中析出沉淀，沉淀过滤后，丙酮洗涤，真空冷冻干燥得到羧甲基壳聚糖季铵盐，经过阴离子交换树脂得到相应的溴化羧甲基壳聚糖季铵盐与氯化羧甲基壳聚糖季铵盐。产物经红外光谱分析确认。
实施例4室温磁力搅拌下，把1克羧甲基壳聚糖加入50ml蒸馏水中，溶解后缓慢滴加3.1克水杨醛，加毕后继续搅拌3小时，然后加入2.80克NaBH4(10％溶液)反应4小时，反应物倾入丙酮中，沉淀用无水乙醇在索氏提取器中提取72小时，冷冻干燥后取0.4克N-取代的羧甲基壳聚糖于20mlN-甲基-2-吡咯烷酮中室温搅拌12小时，然后加入48μl的1mol/LNaOH溶液、1.5克碘甲烷和0.6克碘化钠，50℃下反应12小时，然后倾入丙酮中析出沉淀，沉淀过滤后，丙酮洗涤，真空冷冻干燥得到羧甲基壳聚糖季铵盐，经过阴离子交换树脂得到相应的溴化羧甲基壳聚糖季铵盐与氯化羧甲基壳聚糖季铵盐。产物经红外光谱分析确认。
权利要求
1.一类羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物，其特征在于羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物是式(I)的化合物。 式(1)其中，R为脂肪族或芳香族化合物，X为I、Br或Cl，n为62-1242。
2.一种合成如权利要求1所述的羧甲基壳聚糖季铵盐衍生物的方法，其步骤为a)用羧甲基壳聚糖的氨基，与醛反应形成希夫碱中间体；b)步骤a)中得到的希夫碱中间体用NaBH4还原后得到N-取代的羧甲基壳聚糖；c)步骤b)中得到的N-取代的羧甲基壳聚糖在碱性条件下与碘甲烷进行季铵盐化反应得碘化羧甲基壳聚糖季铵盐；d)步骤c)的产物碘化羧甲基壳聚糖季铵盐经阴离子交换后得到氯化羧甲基壳聚糖季铵盐与溴化羧甲基壳聚糖季铵盐，形成季铵盐的羧甲基壳聚糖氨基基团占壳聚糖全部氨基总量的20.3-41.5％。
3.如权利要求书2所述的方法，其特征在于步骤a)中的羧甲基壳聚糖与过量3-5倍的脂肪醛或芳香醛反应，反应时间为1-3小时。
4.如权利要求书2所述的方法，其特征在于步骤b)中各种羧甲基壳聚糖希夫碱用NaBH4进行还原，NaBH4的用量为所用醛的摩尔质量的1.5-3倍，反应时间为2-4小时。
5.如权利要求书2所述的方法，其特征在于步骤a)中用于制备羧甲基壳聚糖的壳聚糖原料分子量在l-70万之间，脱乙酰度为80-100％。
6.如权利要求书2所述的方法，其特征在于步骤c)中N-取代的羧甲基壳聚糖先在N-甲基-2-吡咯烷酮中常温搅拌12小时，然后用1mol/LNaOH调节pH值为9，与5倍摩尔质量的碘甲烷反应，且I-的浓度用碘化钠调节为0.2mol/L，反应时间为12小时。
全文摘要
本发明涉及一类新的壳聚糖衍生物——羧甲基壳聚糖季铵盐。它是用不同分子量的壳聚糖与氯乙酸反应所得的产物——羧甲基壳聚糖为修饰对象，经过希夫碱化、还原、季铵盐化得到羧甲基壳聚糖季铵盐的衍生物，此类衍生物的水溶性较好，且具有较好的抑菌活性。可用于医药或农业等领域。
文档编号C08B37/00GK1737014SQ20051004454
公开日2006年2月22日 申请日期2005年9月2日 优先权日2005年9月2日
发明者李鹏程, 郭占勇, 刘松, 邢荣娥, 于华华, 王丕波, 陈晓琳, 李翠萍 申请人:中国科学院海洋研究所