化工与环境学院 - 谢朝锋 - 201105460024 - 壳聚糖季铵盐的合成及应用研究

潍坊科技学院

第二章 壳聚糖季铵盐的合成及应用研究

2.1.引言

壳聚糖是自然界存在的比较多的高分子物质，目前对壳聚糖的开发和应用已深入到各研究部门，对于其功能和其结构特殊性的研究已经很广泛，开发和研究出来的壳聚糖衍生物更是数不胜数，并且就衍生物的特性也做出了一定的研究，使其广泛用于医院、食品工业、农业、公共场所等部门，很多工业部门也使用壳聚糖衍生物来做抗膜剂、杀菌剂等[12]。实验中常使用季铵化法来合成壳聚糖衍生物。其中壳聚糖季铵盐的合成就是以壳聚糖为合成原料，研究发现通过季铵化反应合成的壳聚糖季铵盐比壳聚糖更有杀菌抑菌的能力，而且还具有较强的水溶性。壳聚糖季铵盐有好几种合成方式，本实验是以壳聚糖为原料，在催化剂的条件下，使3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液与壳聚糖的氨基和羧基发生季铵化反应，经过处理，合成2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖季铵盐；另外使用壳聚糖在酸性条件下，使用甲醛做催化剂，合成N,N二甲基壳聚糖季铵盐，然后和溴代烷在催化剂的作用下发生Hoffman反应，从而生成N-长烷基壳聚糖季铵盐。壳聚糖季铵盐可作为絮凝剂，抗菌剂，防腐剂，止血剂等等，应用广泛。

下面是N-长烷基壳聚糖季铵盐的合成路线：

其中R为十五烷基或者十八烷基长链。

图 2-1 N-长烷基壳聚糖季铵盐的合成路线

7

壳聚糖季铵盐的合成及应用研究

2.2.实验部分

2.2.1.实验试剂

壳聚糖1（甲壳素，1.99x105相对分子质量）；壳聚糖2（膜性能法制得，相对分子质量为2.12x104）；壳聚糖3（乙醇法制得，相对分子量为9x103）；二甲亚砜；十二烷基溴代烷；十六烷基溴代烷。三甲胺盐酸盐、甲醛、2，3-环氧丙基三甲基氯化铵、苯乙醛、水杨醛、2-羟丙基三甲基氯化铵、氢氧化钠、环氧氯丙烷、2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖、丙酮、N-烷基-2-吡啶烷酮等均为分析纯。

2.2.2 实验仪器

FT-IR红外光谱仪，湖北正元仪器厂；WRS-1型数字熔点仪，常州市三盛仪器制造有限公司；HP28290气相色谱仪，兰州实验仪器总厂；78一l型磁力加热搅拌器，辽宁磁力科技有限公司；DZ-L型自动电位浦定仪，上海虹益仪器仪表有限公司；JJ-3恒温电动搅拌器，济南医疗精密仪器有限公司；TD.2电动离心机，浙江生物实验仪器厂； pHS.12型数字式酸度计，杭州汇尔仪器设备有限公司；73-II型磁力加热搅拌器，苏州江东离心机厂； FD-1B-50冷冻干燥机，新疆仪器仪表研究所。

2.2.3 实验方法

2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖季铵盐的制备：

在装有搅拌器和回流装置的四颈瓶中各加入壳聚糖1、壳聚糖2、壳聚糖3各5g，另取5gNaOH制成40%的氢氧化钠水溶液，分别加入四颈瓶中，再各加入50ml的异丙醇溶液，加热至550C，恒温搅拌四小时后，滴加3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵溶液，待滴加完毕之后，继续加热至650C保持恒温状态，反应8小时结束后，然后加入500ml无水乙醇进行沉淀，沉淀半小时后，使用抽虑机进行抽滤处理，为了保证物质单一和纯度比较高，我们继续使用无水乙醇水溶液再次洗涤，然后真空干燥48小时后获得产品2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖季铵盐[13]。 N-长烷基壳聚糖季铵盐的合成：

取上述壳聚糖各5g加入40ml甲醛溶液中充分搅拌，然后滴加甲酸溶液和去离子水反应一周，调节pH至碱性生成Schiff碱，然后水洗抽虑得到产物N，N-二甲基壳聚糖，再加入溴代烷搅拌1h，同时滴加30ml二甲亚砜溶液至反应结束而发生Hoffman反应，加入丙酮沉淀后洗涤数次，采用NaCl透析法透析干燥得到产品N-长烷基壳聚糖季铵盐物质[14]。

2.3 壳聚糖季铵盐的性质测定

8

潍坊科技学院

2.3.1 溶解性测定

把三种不同壳聚糖溶解在50ml的蒸馏水中，保持恒温搅拌一小时，改变溶液酸碱性，观察壳聚糖溶解情况，如果没有完全溶解，保持pH不变，继续加入蒸馏水搅拌，直至彻底溶解，并做好其在不同pH条件下的数据记录，然后对三种不同壳聚糖在蒸馏水中及在各pH条件下的数据计算，求平均值[15]；分析pH对壳聚糖季铵盐溶解度的影响及其水溶性的难易程度。

2.3.2 抗菌性能测定

壳聚糖季铵盐由于具有特殊的季铵基团，可以与带有负电荷的磷脂酸，脂多糖等发生反应，从而破坏细胞膜的保护膜作用，导致细菌整体性被破坏，成分不全，营养物质流失，从而干扰细胞壁的形成，破坏了细胞结构，使得其具有特殊的抗菌性能[16]。因此，我们可以利用生物学的方法，利用培养基培养并提取金黄色葡萄球菌，将1.5gNaCl、0.8g金黄色葡萄球菌和1.0g胰蛋白酶溶于150ml水中，改变酸碱性，贮存在恒温箱中[17]。另取壳聚糖季铵盐0.01g溶解于1000ml的水溶液中，将培养基溶液分成十份进行培养，在每份培养基菌液加入壳聚糖季铵盐溶液，恒温震荡一天，每隔半天进行观察一次，并记录不同时间下吸光度值的不同，计算分析求平均值。

2.4 结果与讨论

2.4.1 壳聚糖季铵盐的合成条件

在合成的过程中，反应温度，原料的配比，反应时间、pH等都会对产品的质量产生很大的影响。通过下表及实验数据知道，配比、温度高低、反应时间长短、pH都对壳聚糖季铵盐的合成有利，本次实验以N-长烷基壳聚糖季铵盐的合成条件为例：

表2-1 反应物配比对合成收率的影响 n(溴代烷):n(壳聚糖) 壳聚糖纯

度/%

0.99:1 0.96:1 0.95:1 0.93:1

97.2 95.6 93.3 90.5

中间产物合成收率/% 80.4 81.5 83.7 79.9

溴代烷含量/% 0.00075 0.00079 0.00049 0.00077

壳聚糖季铵盐含量/% 0.0021 0.0020 0.0018 0.0019

合成收率 (％) 87.2 89.9 90.1 87.6

9

壳聚糖季铵盐的合成及应用研究

注：表格中中间产物即为N,N二甲基壳聚糖季铵盐。

由上表可知，在其它反应条件不变的情况下，最佳物料配比是：0.95:1。 控制各项数据不变如下表：

表2-2 反应温度对合成收率的影响

温度（C）

0

壳聚糖纯度/% 中间产物合

成收率/%

溴代烷含量/% 0.00078 0.00076 0.00056 0.00073

壳聚糖季铵盐含量/% 0.0022 0.0024 0.0016 0.0018

合成收率 (％) 85.2 84.9 89.4 86．5

25 35 45 55

96.8 95.2 94.5 92.4

88.2 83.5 88.7 78.1

由上表知，在其它反应条件不变的情况下，反应最佳温度是45℃。

保持各项数据不变，调节溶液pH来改变合成收率如下：

表2-3 pH对合成收率的影响

溶液PH

壳聚糖纯度/%

4 6 7 9 12

93.8 95.2 99.7 98.8 92.5

中间产物合成收率/% 88.9 83.9 88.1 89.8 86.4

溴代烷含量/% 0.00069 0.00066 0.00056 0.00059 0.00077

壳聚糖季铵盐含量/% 0.0022 0.0024 0.0016 0.0018 0.0022

合成收率 (％) 85.4 84.3 89.4 89．5 85.9

由表知，反应最佳pH值介于7～9之间时，反应达到了较高的合成收率数据，取得最佳效果。

10