本发明属于高分子化合材料领域，具体涉及O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备与应用。
背景技术：
随着科学技术的迅猛发展和人民生活水平的稳步提高，大众对具有抑菌性能的包装材料愈发重视。目前。日常生活中常用的抗菌剂主要有三类：无机金属矿物材料、有机杂环抑菌材料和天然抗菌材料。由于天然抗菌材料来源于自然、对人体安全性高、且符合绿色环保要求，近年来受到人们的普遍欢迎。因此，天然抗菌剂的研究和开发利用也成了应用化学的一个热点。
壳聚糖在自然界中广泛存在于虾、蟹和昆虫的外壳以及藻类、菌类的细胞壁之中，是一种来源丰富、具有多种生物活性的天然高分子。近年来，壳聚糖因其良好的生物降解性、生物相容性、成膜特性、吸附缓释和较强的抗菌防腐保鲜能力，已引起了广泛的关注和重视，在环境保护、生物医药、食品工业和化工等领域的开发应用研究十分活跃。通过对壳聚糖进行酰基化、烷基化、羟基化、醛亚胺基化、硫酸酯化、羧甲基化、季铵化等化学改性，可以得到具有一定官能团的壳聚糖衍生物，有效的改善其性能。有研究表明，对壳聚糖进行N位的甲基化可以有效改善其水溶性和提高抗菌性能(Vallapa N,Wiarachai O,Thongchul N,et al.Enhancing antibacterial activity of chitosan surface by heterogeneous quaternization[J].Carbohydrate Polymers,2011,83(2):868-875)。
芳香酸，是一类具有很强抑菌活性的有机化合物，其酯化产物可作为药物或防腐剂使用，能有效抑制真菌、细菌、霉菌生长的作用(谢宗波,姜国芳,廖夫生,等.对羟基苯甲酸异丁酯的合成及抑菌活性[J].食品工业科技,2007,27(12):144-145.)。因此，通过对天然壳聚糖的氨基上进行三甲基季铵盐化和羟基上进行酯化引入3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯，得到一个具有双抑菌功能基团的改性壳聚糖衍生物，这对于增强壳聚糖的水溶性和抑菌活性具有十分显著的作用。
技术实现要素：
为了克服壳聚糖大分子不溶于水的缺点，本发明的首要目的在于提供一种新型的具有抗菌效果的水溶性壳聚糖衍生物：O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐；
本发明的另一目的在于提供上述O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备方法；
本发明的再一目的在于提供上述O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的应用。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其结构如式(1)所示：
其中，所述O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的分子量为3.0×105～5×105，n为250～600的自然数。
本发明还提供了一种O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备方法，包括如下步骤：
(1)以壳聚糖、甲醛和甲酸为起始原料，微波反应制得壳聚糖希夫碱；再与碘甲烷反应制得N,N,N-三甲基壳聚糖；
(2)将3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴搅拌条件加入到氯化亚砜中，油浴逐渐升温直至发生回流反应，减压蒸馏得到3,4-亚甲二氧基苯乙酸酰氯；将步骤(1)制备得到的N,N,N-三甲基壳聚糖完全溶解在甲烷磺酸中，在4℃冰浴条件下逐滴滴加所制备的3,4-亚甲二氧基苯乙酸酰氯，缓慢升温到20～35℃，继续反应12～48h。待反应结束加入丙酮进行沉淀，沉淀用去离子水搅拌溶解后转移至透析袋，在去离子水中透析、冷冻干燥，即制得所述的O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
优选的，步骤(1)中所述的壳聚糖为脱乙酰度为99％的、粘均分子量为100000Da的壳聚糖；所述的壳聚糖与碘甲烷反应的质量比为1:(5～20)。
优选的，步骤(1)中所述微波反应为：在微波功率为600～900W，反应温度为50～80℃的条件下搅拌反应30～60min。
优选的，步骤(2)所述的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸与氯化亚砜的质量比为1:(5～20)。
优选的，步骤(2)所述的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸与氯化亚砜的反应温度控制在160～200℃。
优选的，步骤(2)所述的N,N,N-三甲基壳聚糖与3,4-亚甲二氧基苯乙酸酰氯为质量比为1:(5～20)。
优选的，步骤(2)所述的N,N,N-三甲基壳聚糖与3,4-亚甲二氧基苯乙酸酰氯的反应温度为25～40℃，反应时间为24h。
上述的O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐在抗菌医药材料、日用化学品和食品包装材料领域中的应用。
本发明以3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸为原料，通过酰氯化反应制备得到3,4-亚甲二氧基苯乙酸酰氯，再与N,N,N-三甲基壳聚糖在甲烷磺酸溶液中继续发生酯化反应，将2个具有抑菌生物活性的基团键合在一起，制备得到O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，以期获得更好的抑菌活性。
本发明O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备过程示意图如图1所示。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
本发明所述的壳聚糖衍生物O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，在壳聚糖N位中接入了三甲基基团改善了壳聚糖的水溶性和增强了抑菌性，又在O位引入了芳香酸酯基团，进一步增强了壳聚糖的抗菌活性和亲水性，两种活性基团有效的结合在一起，相互产生协同增效性，抗菌性较单一的壳聚糖季铵盐或壳聚糖好，扩大了壳聚糖的应用范围。
附图说明
图1为O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的制备过程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明进行详细说明。
本发明制备方法中各起始原料可从市场购得或按照现有技术方法制备获得。在本实施例中，N,N,N-三甲基壳聚糖的合成可以按照现有技术已经报道的方法得到(Xu T,Xin M,Li M,etal.Synthesis,characterization,and antibacterial activity of N,O-quaternary ammonium chitosan[J].Carbohydrate research,2011,346(15):2445-2450)。3,4-亚甲二氧基苯乙酸酰氯可参考现有技术和已经报道的方法得到(乔振,侯士聪,边庆花等.1,1-二茂铁二羧酸及1,1-二茂铁二羧酸酰氯的合成[J].化学试剂,2003,25(5):299-300；王峰,杨柳波,王利民,等.Yb(OTf)3催化固体光气对有机酸酰氯化反应[J].应用化学,2010,27(04):390-393)，但N,N,N-三甲基壳聚糖及3,4-亚甲二氧基苯乙酸酰氯的获得不限于该种方式。
实施例1
一种O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：
(1)将3g的壳聚糖溶于200mL去离子水和20mL的甲酸中，搅拌升温至50℃，加入15mL的甲醛溶液，混合均匀后转移至微波常压反应器中，调节微波功率至600W温度50℃反应60min；用15％质量分数的NaOH溶液调节pH至碱性，抽滤，水洗至中性，烘干后加入到50mL N-甲基-2-吡咯烷酮中，添加15mL碘甲烷，50℃反应96h；加入两倍体积的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶剂进行沉淀，利用去离子水透析后冷冻干燥制得N,N,N-三甲基壳聚糖。
通过X射线光电子能谱(XPS)对样品进行检测可得N,N,N-三甲基壳聚糖的季铵化取代度为55％。
(2)移取5g的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴搅拌条件下加入到25mL的氯化亚砜中，4℃冰浴搅拌0.5h后逐渐升温至160℃继续反应8h，减压蒸馏收集组分得到3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酰氯。称取1g的N,N,N-三甲基壳聚糖在4℃冰浴搅拌条件下加入到10mL的甲烷磺酸中，待充分溶解后逐滴滴加5mL的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酰氯，缓慢升温至25℃，继续反应24h。用乙醇沉淀和反复洗涤、去离子水透析后冷冻干燥得到产物3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
对产物O-3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐进行核磁共振1H分析，计算可得其酯化度为31％。
实施例2
一种O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：
(1)将3g的壳聚糖溶于200mL去离子水和20mL的甲酸中，搅拌升温至50℃，加入30mL的甲醛溶液，混合均匀后转移至微波常压反应器中，调节微波功率至700W温度60℃反应50min；用15％质量分数的NaOH溶液调节pH至碱性，抽滤，水洗至中性，烘干后加入到50mL N-甲基-2-吡咯烷酮中，添加30mL碘甲烷，60℃反应72h；加入两倍体积的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶剂进行沉淀，利用去离子水透析后冷冻干燥制得N,N,N-三甲基壳聚糖。
通过X射线光电子能谱(XPS)对样品进行检测可得N,N,N-三甲基壳聚糖的季铵化取代度为64％。
(2)移取5g的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴搅拌条件下加入到50mL的氯化亚砜中，4℃冰浴搅拌0.5h后逐渐升温至170℃继续反应8h，减压蒸馏收集组分得到3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酰氯。称取1g的N,N,N-三甲基壳聚糖在4℃冰浴搅拌条件下加入到10mL的甲烷磺酸中，待充分溶解后逐滴滴加50mL的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酰氯，缓慢升温至30℃，继续反应24h。用乙醇沉淀和反复洗涤、去离子水透析后冷冻干燥得到产物3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
对产物O-3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐进行核磁共振1H分析，计算可得其酯化度为43％。
实施例3
一种O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：
(1)将3g的壳聚糖溶于200mL去离子水和20mL的甲酸中，搅拌升温至50℃，加入40mL的甲醛溶液，混合均匀后转移至微波常压反应器中，调节微波功率至800W温度70℃反应40min；用15％质量分数的NaOH溶液调节pH至碱性，抽滤，水洗至中性，烘干后加入到50mL N-甲基-2-吡咯烷酮中，添加45mL碘甲烷，70℃反应48h；加入两倍体积的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶剂进行沉淀，利用去离子水透析后冷冻干燥制得N,N,N-三甲基壳聚糖。
通过X射线光电子能谱(XPS)对样品进行检测可得N,N,N-三甲基壳聚糖的季铵化取代度为72％。
(2)移取5g的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴搅拌条件下加入到75mL的氯化亚砜中，4℃冰浴搅拌0.5h后逐渐升温至180℃继续反应8h，减压蒸馏收集组分得到3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酰氯。称取1g的N,N,N-三甲基壳聚糖在4℃冰浴搅拌条件下加入到10mL的甲烷磺酸中，待充分溶解后逐滴滴加75mL的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酰氯，缓慢升温至35℃，继续反应24h。用乙醇沉淀和反复洗涤、去离子水透析后冷冻干燥得到产物3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
对产物O-3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐进行核磁共振1H分析，计算可得其酯化度为49％。
实施例4
一种O-3,4-亚甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐，其制备方法如下：
(1)将3g的壳聚糖溶于200mL去离子水和20mL的甲酸中，搅拌升温至50℃，加入50mL的甲醛溶液，混合均匀后转移至微波常压反应器中，调节微波功率至900W温度80℃反应30min；用15％质量分数的NaOH溶液调节pH至碱性，抽滤，水洗至中性，烘干后加入到50mL N-甲基-2-吡咯烷酮中，添加60mL碘甲烷，80℃反应24h；加入两倍体积的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶剂进行沉淀，利用去离子水透析后冷冻干燥制得N,N,N-三甲基壳聚糖。
通过X射线光电子能谱(XPS)对样品进行检测可得N,N,N-三甲基壳聚糖的季铵化取代度为85％。
(2)移取5g的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴搅拌条件下加入到100mL的氯化亚砜中，4℃冰浴搅拌0.5h后逐渐升温至200℃继续反应8h，减压蒸馏收集组分得到3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酰氯。称取1g的N,N,N-三甲基壳聚糖在4℃冰浴搅拌条件下加入到10mL的甲烷磺酸中，待充分溶解后逐滴滴加100mL的3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酰氯，缓慢升温至40℃，继续反应24h。用乙醇沉淀和反复洗涤、去离子水透析后冷冻干燥得到产物3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐。
对产物O-3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐进行核磁共振1H分析，计算可得其酯化度为60％。
实施例5、O-3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐抗菌性能的测试
本发明所述O-3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐的抑菌活性的测定：采用培养基扩散法确定O-3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐试样对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌的抗菌活性。根据《消毒技术规范2006》中对抑菌作用的判断：抑菌圈直径大于20mm表示具有强抑菌效果，抑菌圈在10mm～20mm为中等抑菌，抑菌圈小于10mm为弱抑菌，抑菌圈在7mm即具有抑菌性来判定化合物的抑菌效果。营养肉汤稀释法测量原料壳聚糖，N,N,N-三甲基壳聚糖季铵盐及本发明所述O-3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最小抑菌浓度(MIC)，数据见表1。
表1.壳聚糖,N,N,N-三甲基壳聚糖季铵盐及O-咪唑酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐抗菌性能测试结果
由表中抑菌圈直径实验数据可知，本发明产物O-3,4-(亚甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基壳聚糖季铵盐对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性菌大肠杆菌的抑菌作用明显强于未改性的壳聚糖；是一种抑菌效果优良的生物质抑菌材料，可广泛用于抗菌医药材料、日用化学产品和食品包装等众多应用领域。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。