一种含卤素的壳聚糖季铵盐及其制备方法和应用与流程

本发明涉及海洋化工工程技术领域，可应用于医药和农药等领域，具体讲是一种含卤素的壳聚糖季铵盐的制备方法和应用。

背景技术：

壳聚糖(chitosan)是自然界中唯一一种天然阳离子碱性多糖，具有独特的物理化学结构，具有优良的生物亲和性和生物可降解性。由于壳聚糖同时具有游离的氨基和羟基，故具有特殊的生理活性，广泛应用于化工、农药、医药、食品等领域。在壳聚糖众多的衍生物中，壳聚糖季铵盐具有比壳聚糖更好的生物活性与水溶性，是壳聚糖最重要的衍生物之一。目前，一般所涉及到的壳聚糖季铵盐具有的阴离子为碘离子或氯离子，这两种离子对壳聚糖季铵盐的生物活性影响较小。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明提供了一种含卤素的壳聚糖季铵盐及其制备方法及应用，一般情况下，壳聚糖季铵盐的合成用到的是碘甲烷，即首先得到n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐，而碘离子可以换成具有与壳聚糖季铵盐生物活性相近的其他阴离子基团，使得同一个化合物中阴阳离子都具有一定的生物活性，根据活性叠加原理，具有相同或相近生物活性的壳聚糖季铵盐阳离子与含卤素的阴离子形成的盐，具有更高的生物活性，本发明以壳聚糖为原料、碘化钠作为催化剂、以氢氧化钠拔除氨基上的氢、碘甲烷作为亲核试剂形成三甲基，制备出n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐，再将n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与含卤素的有机酸盐进行离子交换，得到含卤素的壳聚糖季铵盐。

具体技术方案如下：

一种含卤素的壳聚糖季铵盐，含卤素的壳聚糖季铵盐结构式如下：

其中n的平均取值范围是10-1242。

所述含卤素的壳聚糖季铵盐可应用于医药和农药领域。

一种含卤素的壳聚糖季铵盐的制备方法，包括如下步骤：

(1)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐的制备：取一定量的壳聚糖分散于n-甲基吡咯烷酮中，搅拌12小时，依次加入相应比例碘化钠、氢氧化钠溶液与碘甲烷，于60℃下继续反应24小时，然后加入过量丙酮进行沉淀并抽滤得到滤饼，即得n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐；

(2)含卤素的壳聚糖季铵盐的制备：取一定量上述n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与相应比例卤代乙酸盐进行离子交换，即得含卤素的壳聚糖季铵盐。

所述壳聚糖、n-甲基吡咯烷酮、碘化钠、氢氧化钠、碘甲烷用量为：1g壳聚糖用50～60ml的n-甲基吡咯烷酮、1.5～2g碘化钠、0.12～0.2mol氢氧化钠、4～5ml碘甲烷。

所述卤代乙酸盐可以为氯乙酸钠、二氯乙酸钠、三氯乙酸钠、三氟乙酸钠中的一种。

所述丙酮的加入量为1g壳聚糖使用200ml丙酮。

所述离子交换可以为透析袋交换和直接交换两种方法之一：

(1)透析袋交换：取一定量所述n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐配制成溶液，装入透析袋中，放入盛有卤代乙酸盐溶液的烧杯中透析8～24小时后，取出透析袋，再放入蒸馏水中透析2～3天，将透析袋中的溶液浓缩后冷冻干燥即得到含卤素的壳聚糖季铵盐，n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与卤代乙酸盐的摩尔比例为1：(30～140)；

(2)直接交换：取一定量所述n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐溶于相应比例的卤代乙酸盐水溶液中，在蒸馏水中透析2～3天，所得溶液在冷冻干燥器中干燥即得到含卤素的壳聚糖季铵盐，n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与卤代乙酸盐的摩尔比例为1：(4～11.4)。

本方法的优点是：

(1)含卤素的壳聚糖季铵盐的阴离子与阳离子都具有很好的杀菌抑菌活性，结果表明含卤素的壳聚糖季铵盐的抗菌活性高于壳聚糖和n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐。

(2)研究表明该衍生物水溶性良好，具有很好的抑菌活性，可以广泛应用于医药和农药等领域。

附图说明

图1为壳聚糖的红外光谱图；

图2为本发明实施例提供n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐的红外光谱图；

图3为本发明实施例1氯乙酸化壳聚糖季铵盐的红外光谱图；

图4为本发明实施例5二氯乙酸化壳聚糖季铵盐的红外光谱图；

图5为本发明实施例2三氯乙酸化壳聚糖季铵盐的红外光谱图；

图6为本发明实施例4三氟乙酸化壳聚糖季铵盐的红外光谱图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围不受实施例所限。

实施例1：

(1)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐的制备：取1g壳聚糖分散于50ml的n-甲基吡咯烷酮中，搅拌12小时，依次加入1.5g碘化钠、0.12ml浓度为1mol/ml的氢氧化钠溶液及4ml碘甲烷，于60℃下继续反应24小时，然后加入200ml丙酮中进行沉淀并抽滤得到滤饼，即n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐；

(2)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐1g溶于水中，放入透析袋，在500ml质量分数为10％的氯乙酸钠溶液中透析24小时(n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与氯乙酸钠的摩尔比例为1：140)，把氯乙酸钠溶液去掉，换成蒸馏水，继续透析2天，所得溶液在冷冻干燥器中干燥得到氯乙酸化壳聚糖季铵盐。

实施例2

(1)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐的制备：取1g壳聚糖分散于55ml的n-甲基吡咯烷酮中，室温搅拌12小时后，依次加入1.8g碘化钠、0.1ml浓度为1mol/ml的氢氧化钠溶液与5ml碘甲烷，60℃下继续反应24小时，然后加入200ml丙酮中进行沉淀并抽滤得到滤饼，即n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐；

(2)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐1g溶于20ml质量分数为10％的三氯乙酸钠水溶液中(n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与三氯乙酸钠的摩尔比例为1：4)，放入透析袋，在蒸馏水中透析2天，所得溶液在冷冻干燥器中干燥得到三氯乙酸化壳聚糖季铵盐。

实施例3

(1)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐的制备：取1g壳聚糖分散于60ml的n-甲基吡咯烷酮中，室温搅拌12小时后，依次加入1.5g碘化钠、0.2ml浓度为1mol/ml的氢氧化钠溶液与4.5ml碘甲烷，60℃下继续反应24小时，然后加入200ml丙酮中进行沉淀并抽滤得到滤饼，即n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐；

(2)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐1g溶于水中，放入透析袋，在500ml质量分数为3％三氯乙酸钠溶液中透析20小时(n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与三氯乙酸钠的摩尔比例为1：30)，把三氯乙酸钠溶液去掉，换成蒸馏水，继续透析3天，所得溶液在冷冻干燥器中干燥得到三氯乙酸化壳聚糖季铵盐。

实施例4

(1)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐的制备：取1g壳聚糖分散于50ml的n-甲基吡咯烷酮中，室温搅拌12小时后，依次加入1.5g碘化钠、0.2ml浓度为1mol/ml的氢氧化钠溶液与5ml碘甲烷，60℃下继续反应24小时，然后加入200ml丙酮中进行沉淀并抽滤得到滤饼，即n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐；

(2)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐1g溶于20ml质量分数为16％的三氟乙酸钠水溶液中(n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与三氟乙酸钠的摩尔比例为1：8)，放入透析袋，在蒸馏水中透析3天，所得溶液在冷冻干燥器中干燥得到三氟乙酸化壳聚糖季铵盐。

实施例5

(1)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐的制备：取1g壳聚糖分散于50ml的n-甲基吡咯烷酮中，搅拌12小时，依次加入1.5g碘化钠、0.12ml浓度为1mol/ml的氢氧化钠溶液及4ml碘甲烷，于60℃下继续反应24小时，然后加入200ml丙酮中进行沉淀并抽滤得到滤饼，即n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐；

(2)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐1g溶于水中，放入透析袋，在500ml质量分数为9％的二氯乙酸钠溶液中透析24小时(n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与二氯乙酸钠的摩尔比例为1：100)，把二氯乙酸钠溶液去掉，换成蒸馏水，继续透析2天，所得溶液在冷冻干燥器中干燥得到二氯乙酸化壳聚糖季铵盐。

实施例6

(1)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐的制备：取1g壳聚糖分散于55ml的n-甲基吡咯烷酮中，室温搅拌12小时后，依次加入1.8g碘化钠、0.1ml浓度为1mol/ml的氢氧化钠溶液与5ml碘甲烷，60℃下继续反应24小时，然后加入200ml丙酮中进行沉淀并抽滤得到滤饼，即n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐；

(2)n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐1g溶于20ml质量分数为20％的氯乙酸钠水溶液中(n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与氯乙酸钠的摩尔比例为1：11.4)，放入透析袋，在蒸馏水中透析2天，所得溶液在冷冻干燥器中干燥得到氯乙酸化壳聚糖季铵盐。

图1为壳聚糖的红外光谱图，图2为本发明实施例提供n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐的红外光谱图。由图可见，与壳聚糖原料相比，壳聚糖本身在1600cm^-1处-nh2键的吸收峰消失，在1469cm^-1处出现了n,n,n-三甲基的振动吸收峰，以上分析数据，证明n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐合成。

图3为本发明实施例1氯乙酸化壳聚糖季铵盐的红外光谱图，由图可见，1469cm^-1处n,n,n-三甲基的振动吸收峰依然还在，且在775cm^-1处出现氯乙酸根离子中c-cl键的振动吸收峰，由此证明氯乙酸根阴离子交换n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐中碘离子成功。

图4为本发明实施例5二氯乙酸化壳聚糖季铵盐的红外光谱图，由图可见，1469cm^-1处n,n,n-三甲基的振动吸收峰依然还在，且在767cm^-1处出现二氯乙酸根离子中c-cl键的振动吸收峰，由此证明二氯乙酸根阴离子交换n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐中碘离子成功。

图5为本发明实施例2三氯乙酸化壳聚糖季铵盐的红外光谱图，由图可见，1469cm^-1处n,n,n-三甲基的振动吸收峰依然还在，且在833cm^-1处出现三氯乙酸根离子中c-cl键的振动吸收峰，由此证明三氯乙酸根阴离子交换n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐中碘离子成功。

图6为本发明实施例4三氟乙酸化壳聚糖季铵盐的红外光谱图，由图可见，1473cm^-1处n,n,n-三甲基的振动吸收峰依然还在，且在1195cm^-1和1126cm^-1处出现三氟乙酸根离子中c-f键的振动吸收峰，由此证明三氟乙酸根阴离子交换n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐中碘离子成功。

对壳聚糖、n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐与所合成的氯乙酸化壳聚糖季铵盐、二氯乙酸化壳聚糖季铵盐、三氯乙酸化壳聚糖季铵盐和三氟乙酸化壳聚糖季铵盐采用菌丝生长速率法，分别测定抑制黄瓜枯萎病菌、芦笋茎枯病菌和西瓜枯萎病菌的能力，抑菌率(％)＝[1-(d样品-5)/(d空白-5)]×100，其中，d样品为待测样品的菌落生长直径，d空白为空白对照组的菌落生长直径。测定结果如表1-3所示。

表1含卤素壳聚糖季铵盐对黄瓜枯萎病菌的抑菌率(％)

表2含卤素壳聚糖季铵盐对芦笋茎枯病菌的抑菌率(％)

表3含卤素壳聚糖季铵盐对西瓜枯萎病菌的抑菌率(％)

实验结果：本发明所合成的氯乙酸化壳聚糖季铵盐、二氯乙酸化壳聚糖季铵盐、三氯乙酸化壳聚糖季铵盐和三氟乙酸化壳聚糖季铵盐与壳聚糖、n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐对黄瓜枯萎病菌的抑菌率如表1所示、对芦笋茎枯病菌的抑菌率如表2所示、对西瓜枯萎病菌的抑菌率如表3所示，由于卤代酸具有较强的杀菌能力，故本发明所合成的含卤素壳聚糖季铵盐的抑菌能力优于n,n,n-三甲基壳聚糖季铵盐和壳聚糖。在氯代乙酸化壳聚糖季铵盐中，所含氯原子的数量对抑菌能力有一定的影响，氯原子数量越多，抗菌活性也越强。