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O羧甲基壳聚糖的制备及其结构表征

　第41卷　增刊　

2011年5月　

中国海洋大学学报

PERIODICAL　OF　OCEAN　UNIVERSITY　OF　CHINA

41（Sup.,:

356~358May,2011

研究简报

O-羧甲基壳聚糖的制备及其结构表征*

王钦权,王远红,吕志华**

（中国海洋大学医药学院,山东青岛266003

摘　要:

　本文以壳聚糖为原料,采用苯甲醛选择性的保护壳聚糖C

2

位氨基的方法,制备了O-羧甲基壳聚糖（O-CMC。

采用红外光谱及核磁共振波谱法对产物结构进行了表征,确定了羧甲基化反应只发生在壳聚糖的O位。

该方法制备得到的O-CMC的羧甲基度为42.2%,反应选择性好,步骤简单,产率高达85%。

关键词:

　O-羧甲基壳聚糖;制备;红外光谱;核磁共振波谱

中图法分类号:

　O621.15　　　　　文献标志码:

　A　　　　　文章编号:

　1672-5174（201105Ⅱ-356-04

　　羧甲基壳聚糖（CMC是为增加壳聚糖的溶解性在其分子链上引入亲水基团羧甲基而成的一种壳聚糖衍生物,具有优良的水溶性、成膜性、保湿性等,极大地扩展了壳聚糖的应用范围[1-2]。

由于壳聚糖分子结构中有2个羟基（C3位和C6位和1个氨基（C2位,羧甲基化在这3个位置均可发生,因此产物有N,O-CMC、N-CMC和O-CMC。

O-CMC是既含有活性氨基又含有羧基的生物可降解阳性多糖,在医药方面可与多种生物活性物质连接,大大提高其承载性能,可以作为新一代的基因和药物靶向控释载体材料[3];O-CMC具有良好的生物相容性,对人体内自由基清除能力强于透明质酸和淀粉的衍生物[4];O-CMC对丝织物上残留的酸性染料具有很强的脱除能力,而且不会影响其色牢度[5];O-CMC共价键合到经过预处理的玻碳电极表面可以制备出一种对多巴胺具有较高响应度的电化学传感器[6]。

在O-CMC的制备方法中,文献报道较多的是在低温碱性条件下与氯乙酸反应[7-9],该法容易生成少量的N位羧甲基化产物,特别是为了获得高取代的产物或者反应时间较长时,生成N位羧甲基化产物会更加明显。

另有采用甲壳质为原料在较高的温度下进行羧甲基化,然后再将C2-N位乙酰氨基脱去的方法来提高反应的选择性制备单一的O-CMC[10-11],这种方法需在高温、浓碱液下进行脱乙酰基,这种条件下易使主链发生断裂,分子量显著降低,因此需加入硼氢化钠以保护。

本文采用苯甲醛对壳聚糖的氨基进行保护,选择性的制得O-CMC,并用红外光谱及核磁共振对产物进行结构表征。

1　材料和仪器

1.1材料与试剂

壳聚糖（CTS,脱乙酰度93%,即墨力中甲壳质有限公司;异丙醇,冰醋酸,氢氧化钠,甲醇,乙醇,丙酮,苯甲醛,氯乙酸,盐酸等均为分析纯。

1.2仪器

傅立叶红外光谱仪Nicolet　Nexus　470FT-IR型（美国NICOLET公司;核磁共振波谱仪JEOL　JNM-ECP　600型（日本电子株式会社;恒温磁力搅拌器85-2型（上海思乐;雷磁pH计（上海精科;单孔电热恒温水浴锅（龙口市先科仪器有限公司。

2　实验部分

2.1O-CMC的制备方法

称取1.0g壳聚糖溶于80mL　1%的醋酸溶液中,加入60mL甲醇,在室温下搅拌使之成为透明胶状体。

取含有1.0g苯甲醛的15mL甲醇溶液,逐滴加入,于60℃下搅拌反应4h。

加入80mL　5%NaOH溶液和20mL甲醇,继续搅拌12h。

抽滤,沉淀依次用95%乙醇、无水乙醇、丙酮洗涤脱水,除去未反应的苯甲醛,于60℃真空干燥。

取上述反应后的壳聚糖溶于10mL异丙醇中,搅拌浸渍1h。

加入40%的NaOH的溶液10mL,常温下搅拌碱化2h。

取5g氯乙酸溶于10mL异丙醇中,1h内逐滴加入上述碱化后的溶液中,于60℃水浴反应4h。

待反应结束后,先用80mL　90%乙醇醇洗,抽

***基金项目:

国家海洋局海洋公益性项目（201005024资助

收稿日期:

2011-04-11;修订日期:

2011-04-27

作者简介:

王钦权（1988-,男,硕士生。

E-mail:

wangqinquan007@126.com通讯作者:

E-mail:

lvzhihua@ouc.edu.cn

增刊王钦权,等:

O-羧甲基壳聚糖的制备及其结构表征

滤,沉淀加60mL水溶解,再用100mL　95%乙醇醇沉,得到大量白色絮状产物,依次用无水乙醇、丙酮脱水,于60℃下烘干,得O-CMC粗产物。

O-CMC粗产物用30mL　0.5mol·L-1盐酸室温浸泡48h,加入100mL　95%乙醇醇沉,抽滤,洗涤至中性,无水乙醇脱水,于60℃烘干,得到微黄色粉末状的精制O-CMC。

2.2O-CMC羧甲基度（DS测定

参考文献[12]方法测定产物DS。

精密称取0.100g精制O-CMC,加入15mL双蒸水溶解。

精密移取5mL　0.200　0mol/L的HCl标准溶液,搅拌15min,再用0.100　0mol/L的NaOH标准液进行滴定,pH计记录读数变化。

横坐标为消耗NaOH的体积（mL,纵坐标为ΔpH/ΔV,利用二次微商法作图确定滴定终点。

2.3红外光谱分析

采用KBr压片法,用Nicolet　Nexus　470FT-IR型傅立叶红外光谱仪对制备样品O-CMC进行测定。

2.4核磁共振波谱分析

采用日本JEOL公司JNM-ECP　600型核磁共振仪测定O-CMC的13C　NMR谱及DEPT谱,以D2O为溶剂,浓度为20mg/500μL,DDS为内标,温度为27.5℃。

3　结果与讨论

3.1O-CMC的制备

壳聚糖分子链上同时含有氨基和羟基2种活泼基团,羧甲基化反应可在这2种基团上同时发生,为了制备O位取代的羧甲基壳聚糖,可采用将壳聚糖的C2位活泼氨基保护起来,羧甲基化反应结束后,再脱去保护基,制备O-CMC。

文献[13]采用苯甲醛与壳聚糖反应制成壳聚糖Schiff碱保护氨基,合成了全氮冠醚接枝壳聚糖。

文献[14]采用邻苯二甲酸酐为保护剂,合成了6-O-琥珀酰-N-半乳糖化壳聚糖。

本文以壳聚糖为原料,采用苯甲醛选择性的保护壳聚糖的氨基,经溶胀、碱化、羧甲基化、盐酸水解脱保护后制得微黄色O-CMC。

一般情况下,壳聚糖羧甲基化预处理需要在强碱条件下进行长时间的浸泡搅拌或进行高速组织捣碎,及-18℃冷冻,过程均较为繁琐。

本文采用引入保护基的方法,由于引入苯甲醛后产生的空间效应,破坏了壳聚糖的刚性结构,使壳聚糖分子内的基团易裸露,降低了下一步碱化反应的难度,缩短了反应时间,简化了对反应设备的需求,反应产率高达85%。

由于N位加上了保护基,反应的选择性大大提高,羧甲基化反应均发生在O位,C2位氨基上没有发生羧甲基化反应,得到的的产物是单一的O-CMC。

3.2O-CMC的羧甲基度（DS分析

采用电位滴定法对产物O-CMC进行电位滴定,采用二次微商法,以滴定消耗的NaOH溶液的体积V（mL为横坐标,以ΔpH/ΔV为纵坐标作图,结果如图1所示。

pH=2.08处的小突越是滴定过剩盐酸产生的,pH=4.25处的突越是产物中的羧基的滴定终点,pH=8.04处的突越是氨基的滴定终点。

图中只有1个羧基的滴定突越峰,说明产物是单取代,表明产物为O-CMC,计算得取代度为42.2%。

产物的取代度并不高,这可能是因为高黏度的壳聚糖不利于取代反应的发生

。

图1　O-CMC的电位滴定图

Fig.1　Potentiometric　titration　curve　of　O-CMC

3.3O-CMC

的红外光谱分析

图2　CTS与O-CMC的红外光谱图

Fig.2　FT-IR　spectrum　of　CTS　and　O-CMC

采用KBr压片法对原料CTS和产物O-CMC进行红外光谱分析,结果如图2所示。

对于原料CTS,3　334cm-1处的强吸收峰是-OH和-NH的特征吸收峰部分重叠的结果;1　154cm-1、1　087cm-1的吸收峰分别是C-O-C和伯羟基的伸缩振动吸收峰;891cm-1处是伯胺-NH2的吸收带;1　558cm-1处是伯胺N-H面内弯曲振动强吸收峰。

对于产物O-CMC,1　726cm-1处是羧甲基中C=O伸缩振动的强吸收峰,1　601cm-1和753

中　国　海　洋　大　学　学　报2　0　1　1年

1　403cm-1处是-COO-的不对称和对称伸缩振动峰,

由于-OH上发生反应使产物更易形成氢键,导致-OH

的吸收峰波数降低至2　995cm-1处,均表明壳聚糖发

生了羧甲基化反应;890cm-1处伯胺吸收带、1　553

cm-1处的-NH2特征吸收峰依然存在,表明反应基本没

有发生在N位上;1　089cm-1处伯羟基的吸收峰相比

CTS有所增强,表明在CTS的C6-O位上发生了羧甲

基化反应。

3.4O-CMC的核磁共振分析

O-CMC的13　C-NMR谱和DEPT谱如图3所示。

在谱图3B中,CH、CH3的峰向上（即信号为正,CH2

为倒峰（即信号为负,59.99ppm,57.45ppm处出现

了2个倒峰,分别归属于-CH2COOH和-CH2OH（C6

的CH2峰,表明壳聚糖只在O位上发生了羧甲基化反

应。

结合13C-NMR和DEPT谱图进行分析,参考文献

[15-16]报道,可以归属出各个吸收峰。

13C-NMR　ppm:

174.63（-COOH,97.51（C1,76.30

（C4,74.77（C

5

70.05（C

3

59.99（-CH

2COOH,

57.45（C6,55.81（C2,16.80（-NHCOCH3

。

（A:

DEPT　90;B:

DEPT　135;C:

13C-NMR

图3　O-CMC的13　C-NMR谱和DEPT谱

Fig.3　13　C-NMR　and　DEPT　spectrum　of　O-CMC4　结语

本文以壳聚糖为原料,通过苯甲醛与壳聚糖C2位氨基反应生成在碱性条件下稳定存在的西佛碱,对C2位氨基进行保护,在碱性条件下,采用氯乙酸进行羧甲基化,待反应结束后盐酸水解脱保护基,制得O-CMC。

电位滴定分析表明只存在一个羧基的突越峰;经红外光谱和核磁DEPT谱证明了产物是C6位O-CMC。

本反应路线选择性好,设备要求低,产率高。

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（下转364页

853

中　国　海　洋　大　学　学　报2　0　1　

1年Analysis　of　Carboxymethyl　Chitosan　by　

NMR　Spectrum　and　Potentiometric　TitrationWANG　Yuan-Hong,WANG　Cong,YU　Ming-Ming

ZHANG　Xiu-Li,JIANG　Ting

-Fu,LIU　Xiao-Xiao,MENG　Shi-Qiu,LV　Zhi-Hua（Ocean　University　of　China,1.Key　Laboratory　of　Marine　Drugs,Ministry　of　Education,China;2.Shandong　

Provincial　KeyLaboratory　

of　Glycoscience　&Glycotechnology;3.School　of　Medicine　and　Pharmacy,Qingdao　266003,ChinaAbstract:

　In　the　experiment,O-carboxymethyl　Chi