TEMPO-NaOCl-NaBr体系选择性氧化壳聚糖及其产物的结构表征

韩文秀，王 炜，许文菊，孙 宾，朱美芳

（1.东华大学化学与化工学院，生态纺织教育部实验室，上海 201620；2.东华大学材料科学与工程学院，纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620）

TEMPO-NaOCl-NaBr体系选择性氧化壳聚糖及其产物的结构表征

韩文秀1，王 炜1，许文菊2，孙 宾2，朱美芳2

（1.东华大学化学与化工学院，生态纺织教育部实验室，上海 201620；2.东华大学材料科学与工程学院，纤维材料改性国家重点实验室，上海 201620）

壳聚糖的功能化改性及其生物医学等领域的应用是近年来备受人们关注的重要研究方向。文章研究了TEMPO-NaOCl-NaBr体系对不同形态壳聚糖的氧化过程及其产物的结构表征。发现NaOCl、NaOCl-NaBr、TEMPO-NaOCl和TEMPO-NaOCl-NaBr体系的氧化反应速率递增，溶胀态壳聚糖和壳聚糖纤维由于有着更高的可及度，TEMPO-NaOCl-NaBr体系对两者的氧化速率要高于颗粒状壳聚糖原料和甲壳质原料。FTIR和NMR研究表明，经TEMPO-NaOCl-NaBr体系氧化后，壳聚糖分子结构中的C6位伯羟基被选择性氧化转变成了羧酸根，其产物为氧化壳聚糖钠盐。壳聚糖结晶形态Ⅰ的100晶面的衍射峰在氧化初期即被破坏，氧化程度较高时产物呈弥散的无定形态。

TEMPO-NaOCl-NaBr 选择性氧化 壳聚糖 结构 表征

壳聚糖是自然界中储量丰富的天然直链型高分子化合物，既具有普通多糖类高分子共性，又具有许多独特功能，且无毒、无害，来源丰富，具有生物可降解功能，能促进伤口愈合，预防病毒感染，近年来在食品、医药、化妆品、农业等方面得到越来越广泛的应用［1］。

壳聚糖的功能化改性及其在各种领域的应用是近年来备受人们关注的重要研究方向，氧化壳聚糖是其中的一种。

多糖的选择性氧化可以在其葡萄糖残基特定位置，如C6、C2或C3位引入醛基或羧基，其产物在生物医用材料领域具有广泛的应用前景。NO2类氧化体系是最早被研究和产业化使用的C6位伯羟基选择性氧化剂，美国强生公司采用该体系生产并推广了医用可吸收止血纱布“Surgical”［2－4］。近10年来，以2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物自由基（TEMPO）-NaOCl-NaBr为代表的亚硝酰自由基选择性氧化体系，因其高选择性和高效性而备受关注［5－6］。东华大学孙宾等系统研究了TEMPO-NaOCl-NaBr体系对纤维素的选择性氧化，制备了可吸收氧化纤维素止血材料［7－9］。

笔者研究比较分析了TEMPO-NaOCl-NaBr体系组成和壳聚糖原料聚集态对氧化反应速率的影响，表征分析了氧化产物的结构。

1 实 验

1.1 仪器及试剂

2，2，6，6-四甲基哌啶氧化物自由基（简称TEMPO）：AR，日本Wako化学试剂有限公司；

NaOCl溶液（有效氯含量约10%）：工业级，常州华源东方印染有限公司；

NaBr：AR，上海试剂四厂；

NaOH、盐酸、丙酮：AR，上海化学试剂公司；

甲壳素、壳聚糖和壳聚糖纤维由上海天清生物医药材料有限公司提供，其中壳聚糖的粘度为625 mPa·S。

1.2 壳聚糖的溶胀

准确称取一定量的壳聚糖加入圆底烧瓶中，用0.35 mol的稀醋酸溶解，在一定转速（约1 200 r／min）下搅拌2 h后，得到质量分数为1%的壳聚糖溶液。准确量取一定体积的0.5 mol／L的NaOH溶液加入到一定量的1%壳聚糖溶液中搅拌均匀，待将溶液中的水分和NaOH除去后，即可得到溶胀状态下的壳聚糖溶液。

1.3 壳聚糖的氧化［4］

50 mg TEMPO，480 mg NaBr，溶解于200 mL水中，缓慢加入固含量为2 g的上述壳聚糖溶液，之后加入23 mL NaClO溶液进行反应，用冰水浴控制反应温度为4℃，用pH计检测溶液的pH值，并用0.4 mol／L NaOH溶液随时滴加以保持反应液pH值为10.8，根据NaOH的消耗量估算体系中羧基的生成量。记录NaOH溶液消耗量随氧化时间的变化并作图，据此评价壳聚糖的氧化程度。

当体系中生成了一定量的羧基时，加入5 mL乙醇终止反应，然后把反应液倾倒入过量的乙醇中，滤出白色沉淀，用乙醇水溶液（7∶3，V／V）多次洗涤后，置于真空烘箱中40℃烘干，得到产物。

1.4 测试

a）红外光谱（FTIR）测定：样品剪成粉末，采用KBr压片法，Nicolet Nexus-670型红外光谱仪测试，光谱扫描范围为4 000～400 cm－1。

b）13C NMR测定：用魔角旋转（MAS）的方法，在Bruker AV400型核磁共振波谱仪上，测试氧化壳聚糖产物的固相核磁共振波谱。

c）广角X衍射（WAXD）测试：WAXD图谱采用D／MAX-3A型广角X衍射仪，扫描氧化前后的粉末状样品得到。测试条件：铜靶，镍片滤光，电压37.5 kV，电流40 mA，扫描范围：6°～38°，扫描速度：2（°）／min。

2 结果与讨论

2.1 氧化剂组成的影响

图1是不同氧化体系氧化壳聚糖纤维时NaOH溶液的消耗量（即氧化产物的生成量）随时间的变化曲线。由图1可见，TEMPO-NaOCl-NaBr体系组成的不同，对壳聚糖纤维的氧化反应速率有着显著的差异。反应过程中NaOH溶液消耗量为20 mL时，NaOCl和NaOCl-NaBr体系所需的反应时间分别为80 min和44 min，而TEMPO-NaOCl和TEMPONaOCl-NaBr体系则分别为32 min和13 min。由此可见：

a）在TEMPO＋共氧化剂构成的氧化体系中，TEMPO的作用是明显的，在NaOCl和NaOCl-NaBr体系中加入TEMPO后，氧化生成羧基的速率大大提高；

b）共氧化剂的不同对氧化反应速率有着显著的影响，TEMPO-NaOCl-NaBr体系的反应速率要明显快于TEMPO-NaOCl体系。

图1 不同氧化体系氧化壳聚糖纤维时NaOH溶液消耗量随时间的变化曲线

2.2 壳聚糖的物理形态对氧化反应速率的影响

图2为TEMPO-NaOCl-NaBr体系氧化不同物理形态的壳聚糖和甲壳素时，NaOH的消耗量随时间变化的曲线。由图2可见，物理形态对壳聚糖的氧化反应速率影响很大。经磨粉机制备的粉末状壳聚糖，由于没有改变壳聚糖原料中分子链堆砌的形态，其中的分子链堆砌比较紧密，而且颗粒的比表面积较小，使得其可及度小而氧化时间较长，达到基本完全氧化（加入0.4 mol／L NaOH 30 mL）需要320 min左右。壳聚糖原料经溶胀后，壳聚糖分子链间的距离大大增加，其可及度大大增加而使得氧化反应大大增加，仅需30 min左右即完成氧化。壳聚糖在经溶液纺丝成形加工成纤维后，同样具有较高的结晶度（见图6），但由于其纤维直径在微米级，其比表面积大大高于颗粒状壳聚糖，而使得其氧化反应速率高于颗粒状壳聚糖，为60 min左右（见图1），介于颗粒状壳聚糖和溶胀态壳聚糖之间。经磨粉机制备的粉末状甲壳素，其氧化反应速率最低，需要600 min左右。

图2 TEMPO-NaOCl-NaBr体系氧化不同壳聚糖原料时NaOH溶液消耗量随时间的变化曲线

2.3 氧化产物的结构表征及其选择性氧化机理探讨

图3为TEMPO-NaOCl-NaBr体系氧化壳聚糖纤维，不同NaOH消耗量时氧化产物的红外光谱图。图4为壳聚糖纤维氧化前后的固体核磁共振波谱。由图3可见，氧化产物与原料壳聚糖纤维相比，在1 600 cm－1和1 400 cm－1处出现了COO－的不对称和对称伸缩振动峰。在NaOH消耗量为17.7 mL时氧化产物的固体NMR波谱（见图4），与未经氧化的壳聚糖纤维相比，在化学位移δ178左右也出现了COO－的共振峰，而化学位移δ57左右C6共振峰的强度相应降低。这表明经TEMPO-NaOCl-NaBr体系氧化后，产物中出现了羧酸基团，该羧酸基团是由C6位伯羟基选择性氧化产生。

图3 不同NaOH消耗量时壳聚糖氧化产物的FTIR光谱

图4 壳聚糖纤维氧化前后的固体核磁共振波谱

图5为TEMPO-NaOCl-NaBr体系氧化壳聚糖纤维，不同NaOH消耗量时氧化产物的WAXD图谱。由图5可见，未经氧化的壳聚糖纤维在2θ为10°和20°处有两个衍射峰，分别对应着结晶形态Ⅰ的100晶面和结晶形态Ⅱ的100晶面，壳聚糖纤维在氧化后，2θ为20°的衍射峰在NaOH消耗量为5.9 mL时即呈弥散的无定形态，表明结晶形态Ⅱ更易被氧化破坏，而2θ为10°的衍射峰在NaOH消耗量为17.7 mL时，其相对强度仍较大，表明结晶形态Ⅰ较难被氧化，这可能与两种晶型中分子链的堆砌紧密程度相关。

图5 不同NaOH消耗量时壳聚糖氧化产物的WAXD图谱

以上结果表明，TEMPO-NaOCl-NaBr体系对壳聚糖的氧化与对纤维素的选择性氧化有着相似的产物——均为C6伯羟基选择性氧化为羧基，据此可推测，壳聚糖与纤维素的选择性氧化有着相似的机理，即在共氧化剂的作用下，TEMPO被氧化为TEMPO＋，TEMPO＋再选择性氧化伯羟基成糖醛，糖醛在共氧化剂的作用下被氧化为糖醛酸，如图6所示。其中共氧化剂氧化能力的强弱直接决定了TEMPO＋的产生速率和糖醛氧化成糖醛酸的速率，由于NaOCl-NaBr体系中生成的NaOBr比NaOCl具有更强的氧化能力，因而TEMPO-NaOCl-NaBr体系比TEMPO-NaOCl体系具有更快的氧化速率。

3 结 论

TEMPO-NaOCl-NaBr体系的组成和壳聚糖的物理形态对氧化反应速率有着很大的影响，氧化反应速率由快到慢依次为TEMPO-NaOCl-NaBr体系、TEMPO-NaOCl体系、NaOCl-NaBr体系和NaOCl。溶胀态壳聚糖和壳聚糖纤维有着更高的可及度，TEMPO-NaOCl-NaBr体系对两者的氧化速率要高于颗粒状壳聚糖原料和甲壳质原料。FTIR和NMR研究表明，经TEMPO-NaOCl-NaBr体系氧化后，壳聚糖分子结构中的C6位伯羟基被选择性氧化转变成了羧酸根，其结晶形态Ⅰ的100晶面的衍射峰在氧化初期即被破坏，氧化程度较高时氧化壳聚糖呈弥散的无定形态，为氧化壳聚糖钠盐。

图6 TEMPO＋共氧化剂体系中共氧化剂的作用示意

［1］ Pillai C K S，Paul W，Sharma C P.Chitin and chitosan polymers：Chemistry，solubility and fiber formation［J］.Progress in Polymer Science，2009，34：641－678.

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Study on the selective oxidation of chitosan by TEMPO-NaOCl-NaBr and the structure of its products

Han Wenxiu1，Wang Wei1，Xu Wenju2，Sun Bin2，Zhu Meifang2
（1．College of Chemistry and Chemical Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China；2．State Key Laboratory for Modification of Chemical Fibers and Polymer Materials，College of Materials Science and Engineering，Donghua University，Shanghai 201620，China）

The functional modification of chitosan and its application in biomedical field have been considered as one of the most important research directions，which attracted much attention in recent years.In this contribution，the oxidation behavior of chitosan by TEMPO-NaOCl-NaBr has been examined and the structure of its product has been characterized.The results show that the oxidative activity of the systems are：NaOCl＜NaOCl-NaBr＜NaOCl-TEMPO＜NaOCl-NaBr-TEMPO and the swelled chitosan and chitosan fiber have higher oxidation rate than chitosan and chitin powder because the former two has higher accessibility than the latter two.Upon the FTIR，NMR and WAXD results it is proved that the primary hydroxyl at C6 can be selectively and completely oxidized to carboxyl group and the product is sodium salt of oxidized chitosan.The peaks corresponding to 100 plane of crystal form become disappeared and tend to be diffuse indicating that the oxidized product own amorphous structure in character.

TEMPO-NaOCl-NaBr；selective oxidation；chitosan；structure；characterization

O636.1

：A

：1006-334X（2011）01-0007-04

2011－01－25

韩文秀（1987－），山西朔州人，应用化学硕士，主要研究方向为改性多糖及其应用。