一种壳聚糖季铵盐的制备方法与流程

本发明涉及一种壳聚糖季铵盐的制备方法，属于高分子的改性技术领域。

背景技术：

壳聚糖（chitosan）又称脱乙酰甲壳素，是由几丁质(chitin)经过脱乙酰作用得到的。由于壳聚糖分子内和分子间可形成大量的氢键，加之结构上的规整性，使得分子易结晶，溶解性能差，一般条件下只溶于稀酸，极大的限制了壳聚糖的应用。N，N，N-三甲基壳聚糖（TMC）为壳聚糖C2位氨基烷基化的产物，壳聚糖经过季铵化修饰后所带正电荷增加，在更大的pH范围中均具有较好的水溶性。产物在药物合成、药物载体、抑菌剂、食品保鲜等领域均有大量应用。

从1985年文献首次报道了壳聚糖与碘甲烷制备N，N，N-三甲基壳聚糖的工艺，研究人员们开始将目光转向壳聚糖的季铵化的研究。硫酸二甲酯作为烷基化试剂改性壳聚糖，较用碘甲烷进行甲基化的方法更有效，并且价格便宜。目前，TMC的制备过程均用碘甲烷或硫酸二甲酯作甲基化试剂，与壳聚糖反应得到壳聚糖季铵盐。两种试剂易季铵化，活性较强，并且操作简单方便，但是碘甲烷挥发性大，并且毒性较大，需遮光冷冻保存，价格昂贵，难以工业化应用，而硫酸二甲酯作用与芥子气相似，剧毒，属于管制试剂。相比而言，碳酸二甲酯作为一种绿色无毒的甲基化试剂受到广泛关注，广泛用于有机合成中，并且大量文献证明碳酸二甲酯可以替代硫酸二甲酯与碘甲烷作为甲基化试剂。

专利公开号为CN 101624347 B公开了一种用碳酸二甲酯、叔胺及无机酸反应制备季铵盐的方法；专利公开号为CN 102816075 A公开了一种用碳酸二甲酯与低于碳20的叔胺反应制备季铵盐表面活性剂的方法；专利公开号为CN 1948268 A公开了用碳酸二甲酯对短链胺（氨）盐进行季铵化的工艺。

现有公开的涉及利用碳酸二甲酯制备季铵盐的专利，均为用碳酸二甲酯对短链叔胺、酯胺类进行季铵化，但是已有文献和专利等资料均表明，但是碳酸二甲酯作为甲基化试剂反应活性低，通常需要高温高压及催化剂的共同作用；同时由于壳聚糖属于天然高分子，水溶性较差，直接进行N位季铵化较难。

综上，本发明采用了离子液体作为溶剂及催化剂，使整个反应在均相体系下常压制备N，N，N-三甲基壳聚糖季铵盐，不仅提高了生产操作的安全性，降低环境污染，并且极大的提高了反应效率及产率，而且尚未查到用碳酸二甲酯对壳聚糖或类似壳聚糖的高分子进行季铵化的工艺。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述不足之处，提供一种壳聚糖季铵盐的制备方法。

按照本发明提供的技术方案，壳聚糖季铵盐的合成路线示意图如图1所示。

一种壳聚糖季铵盐的制备方法，首先壳聚糖通过Eschweiler–Clarke 反应得到N, N-二甲基壳聚糖；然后在离子液体环境下，加入季铵化试剂碳酸二甲酯将N, N-二甲基壳聚糖季铵化；最后将反应产物溶液用有机溶剂洗涤后干燥，所得固体即为N, N, N-三甲基壳聚糖；

按重量份计具体步骤如下：

（1）N, N-二甲基壳聚糖的制备：

a、将壳聚糖、甲醛、甲酸与蒸馏水依次加入配有冷凝管的三口瓶中，其中壳聚糖5份，甲醛15-25份，甲酸15-25份，蒸馏水80-100份，开启磁力搅拌器，转速为100-700r/min，在50-80℃下反应20-120小时，得到淡黄色溶液；

b、将所得淡黄色溶液在0.05-0.1MPa、45-65℃下减压蒸馏25-35min后，用碱性溶液调节pH为10-13以形成大量凝胶，随后在0.05-0.1MPa下真空抽滤，采用无水乙醇洗涤至中性，得到淡黄色凝胶状物质，60-120℃下干燥后，研磨成淡黄色粉末；

c、用酸性溶液溶解步骤b所得淡黄色粉末，继续加入酸性溶液调节至pH为3-5，此时能够得到白色沉淀，用蒸馏水洗涤5-10次，在-30~-60℃下冷冻干燥，即得到N, N-二甲基壳聚糖；

（2）N, N, N-三甲基壳聚糖的制备：

d、取离子液体100份加热至80-120℃，搅拌的同时分3-5次缓慢加入步骤（1）制备所得N, N-二甲基壳聚糖1-10份，搅拌速度为100-700r/min；继续对所得混合液搅拌加热，搅拌速度为100-700 r/min，加热温度为90-130℃，直至N, N-二甲基壳聚糖完全溶解；

e、将步骤d所得N, N-二甲基壳聚糖溶液调节至130-170℃，加入季铵化试剂，加入量为N, N-二甲基壳聚糖重量的5-20倍，冷凝回流下充分搅拌反应2-5h；搅拌速度为100-700 r/min；

f、将步骤e所得到的溶液用有机溶剂洗涤5-10次，放入烘箱在60-120℃下干燥，所得固体即为壳聚糖季铵盐N, N, N-三甲基壳聚糖。

步骤d所述离子液体的阳离子为1, 3-烷基取代的咪唑离子[R₁R₃im]⁺、烷基季铵离子[NR_xH_4-x]⁺、烷基季磷离子[PR_xH_4-x] ⁺和 N-基取代的吡啶离子[Rpy] ⁺中的一种或几种；阴离子为Cl^-、HSO₄^-、COO^-、BF₄^-、PF₆^-、NO₃^-和CF₃SO₃^-中的一种或几种。

步骤b所述碱性溶液为1mol/L的NaOH溶液或KOH溶液。

步骤c所述酸性溶液为1mol/L的HCl溶液或HAC溶液。

步骤e所述季铵化试剂为碳酸二甲酯。

步骤f所述有机溶剂为无水乙醇或丙酮。

本发明的有益效果：本发明采用的季铵化试剂碳酸二甲酯无毒，反应的产物为二氧化碳与甲醇，甲醇可循环利用重新制备碳酸二甲酯，绿色环保。同时，与硫酸二甲酯相比，碳酸二甲酯与胺类进行甲基化反应时具有较好的选择性。

此外，本发明用离子液体作为溶剂及催化剂在常压下进行反应，克服了碳酸二甲酯在进行季铵化反应时需要加压的情况，极大的减少了能耗。

附图说明

图1是壳聚糖季铵盐的合成路线示意图。

图2是实施例1制备所得壳聚糖季铵盐的核磁谱图（季铵度为9.67%）。

具体实施方式

以下通过具体实施实例进一步描述本方法的可行性，但并不意味着本发明局限于这些实例。

实施例1

取5克壳聚糖、20克甲醛、20克甲酸90克蒸馏水加入到三口瓶中，磁力搅拌速度为500r/min，70℃冷凝回流下反应120小时，得到淡黄色溶液。将所得淡黄色溶液在0.05MPa、65℃下减压蒸馏25min后，用氢氧化钠溶液调节至pH=13，在0.05-0.1MPa下抽滤，无水乙醇洗涤至中性后，再用1mol/L的盐酸调节至pH=4，将所得到的白色沉淀洗涤后在-30℃冷冻干燥，得到N, N-二甲基壳聚糖；

取10克氯化(1-丁基-3-甲基咪唑)，将其加入50mL的三口瓶中，开启磁力搅拌器及冷凝水，设置转速为500r/min。待温度达到100℃后，将0.5克N, N-二甲基壳聚糖分三次加入，搅拌反应2小时后，即得到均一粘稠的N, N-二甲基壳聚糖混合液；将10克碳酸二甲酯（20倍过量）加入混合液中，在150℃冷凝回流下反应3小时，所得溶液用无水乙醇洗涤10次，放入烘箱在70℃下干燥，所得固体即为N, N, N-三甲基壳聚糖。

通过¹H NMR及¹³C NMR分析得到产物的季铵度为9.67%，具体核磁谱图如图2所示。

实施例2

N, N-二甲基壳聚糖的制备方法同实例1；

取5克1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐，将其加入50mL的三口瓶中，开启磁力搅拌器及冷凝水，设置转速为600r/min。待温度达到90℃后，将0.5克N, N-二甲基壳聚糖分三次加入，反应2小时后，即得到均一粘稠的N, N-二甲基壳聚糖混合液；将5克碳酸二甲酯（10倍过量）加入混合液中，在130℃冷凝回流下反应2.5小时，所得溶液用无水乙醇洗涤5次，放入烘箱在110℃下干燥，所得固体通过¹H NMR及¹³C NMR分析得到产物为季铵度8.78%的壳聚糖季铵盐。

实施例3

N, N-二甲基壳聚糖的制备方法同实例1；

取15克氯化1-烯丙基-3-甲基咪唑将其加入50mL的三口瓶中，开启磁力搅拌器及冷凝水，设置转速为400r/min。待温度达到110℃后，将0.5克N, N-二甲基壳聚糖分三次加入，反应2小时后，即得到均一粘稠的N, N-二甲基壳聚糖混合液；将2.5克碳酸二甲酯（5倍过量）加入混合液中，在170℃冷凝回流下反应3小时，所得溶液用无水乙醇洗涤6次，放入烘箱在120℃下干燥，所得固体即为N, N, N-三甲基壳聚糖。

通过¹H NMR及¹³C NMR分析得到产物壳聚糖季铵盐的季铵度为12.39%。

实施例4

N, N-二甲基壳聚糖的制备方法同实例1；

取30克N-(4-磺酸基)丁基-吡啶硫酸氢盐，将其加入50ml的三口瓶中，开启磁力搅拌器及冷凝水，设置转速为500 r/min。待温度达到130℃后，将0.5克N, N-二甲基壳聚糖分三次加入，反应1.5小时后，即得到均一粘稠的N, N-二甲基壳聚糖混合液；将5克碳酸二甲酯（10倍过量）加入混合液中，在150℃冷凝回流下反应5小时，所得溶液用丙酮洗涤5次，放入烘箱在105℃下干燥，所得固体即为N, N, N-三甲基壳聚糖。

实施例5

N, N-二甲基壳聚糖的制备方法同实例1；

取50克N-(4-磺酸基)丁基-咪唑磷酸氢盐，将其加入50ml的三口瓶中，开启磁力搅拌器及冷凝水，设置转速为700 r/min。待温度达到100℃后，将0.5克N, N-二甲基壳聚糖分三次加入，反应4.5小时后，即得到均一粘稠的N, N-二甲基壳聚糖混合液；将10克碳酸二甲酯（20倍过量）加入混合液中，在145℃冷凝回流下反应3.5小时，所得溶液先用丙酮洗涤8次，放入烘箱在115℃下干燥，所得固体即为N, N, N-三甲基壳聚糖。

实施例6

N, N-二甲基壳聚糖的制备方法同实例1；

取20克1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐，将其加入50ml的三口瓶中，开启磁力搅拌器及冷凝水，设置转速为300 r/min。待温度达到90℃后，将0.5克N, N-二甲基壳聚糖分三次加入，反应5小时后，即得到均一粘稠的N, N-二甲基壳聚糖混合液；将7.5克碳酸二甲酯（15倍过量）加入混合液中，在140℃冷凝回流下反应5小时，所得溶液先用丙酮洗涤5次，放入烘箱在80℃下干燥，所得固体即为N, N, N-三甲基壳聚糖。