二元羧酸与壳聚糖反应产物的研究

王 盾（广西智博建设工程检测咨询有限责任公司，广西 南宁 530003）

二元羧酸与壳聚糖反应产物的研究

王 盾
（广西智博建设工程检测咨询有限责任公司，广西 南宁 530003）

文章考察了二元羧酸与壳聚糖反应产物的结构性能，通过红外光谱研究其作用机理，用凯氏定氮法和电位滴定法两种方法分析二元羧酸与壳聚糖相互作用的羧酸结合量，用DSC来研究二元羧酸与壳聚糖反应产物的热学性能，通过反应产物的液体荧光特性分析其分子结构。

二元羧酸；壳聚糖；反应产物

壳聚糖作为天然多糖中的唯一碱性多糖，有良好的生物相容性和可生物降解性，且具有无毒、吸湿保湿、抗菌、吸附等优良性质，其相对分子质量分布从数十万到数百万，可溶于大部分稀酸溶液但其不溶于水和碱性溶液，这个性质是壳聚糖最重要的特性之一[1]，也正因为这一特性，限制了其在许多方面的应用，因此，通过化学改性对壳聚糖改善其结构性能，并具有许多独特的生理活性和功能性质。本文考察了二元羧酸与壳聚糖反应产物的结构性能，通过红外光谱研究其作用机理，用凯氏定氮法和电位滴定法两种方法分析二元羧酸与壳聚糖相互作用的羧酸结合量，用DSC来研究二元羧酸与壳聚糖反应产物的热学性能，并通过反应产物的液体荧光特性分析其分子结构。

1 实验部分

1.1 试验仪器

Nexus-470傅立叶红外光谱仪（美国Nicolet）；电位滴定仪（瑞士Metohm）；CDR-4P差动热分析仪（上海精密仪器仪表有限公司）；RF-5301PC荧光光谱仪（日SHIMADZU）。

1.2 药品与原料

壳聚糖（DD86.28%）；草酸（分析纯）； 丙二酸（分析纯）；丁二酸（分析纯）；己二酸（分析纯）；无水乙醇（分析纯）；氢氧化钠（分析纯）；盐酸（分析纯）；硫酸（分析纯）；CuSO4（分析纯）；K2SO4（分析纯）。

1.3 实验方法

1.3.1 二元羧酸与壳聚糖反应产物制备

将二元羧酸和壳聚糖（摩尔比为0.75：1）在反应器内混合，在化学和机械作用下反应，直至反应产物可溶于水后，反应停止。用乙醇浸泡反应，然后透析，干燥并粉碎后，得到二元羧酸与壳聚糖反应产物，放入干燥器中备用。

1.3.2 二元羧酸与壳聚糖反应产物红外光谱分析

采用Nexus-470型红外光谱仪、样品用KBr制作压片。先用药匙取反应产物干燥样品，然后取光谱纯 100mgKBr粉末到研钵，在红外灯下研磨4～6分钟，磨成超细粉末，放置于磨具中压片，使压片透明，在测试前制备KBr片以同样的方法，先测它的红外光谱，去除KBr的吸收峰，然后测量反应产物的红外光谱。

1.3.3 凯氏定氮法测定二元羧酸与壳聚糖的羧酸结合量

称取约0.5g反应产物和一定量的CuSO4与K2SO4混合于凯氏烧瓶中，加入10mL浓硫酸，小火加热，至消化液由黑色转为淡蓝色透明溶液，继续加热1h然后冷却，转入容量瓶定容。取10mL反应溶液，10mL硼酸溶液以及15mL40%的氢氧化钠溶液进行水蒸气蒸馏20min。接收液体用一定浓度的盐酸滴定。

1.3.4 电位滴定法测定测定二元羧酸与壳聚糖的羧酸结合量

称取一定量的反应产物溶于 30mL蒸馏水（有沉淀的除去沉淀），电位滴定仪用浓度为0.0193mol/L的氢氧化钠溶液滴定。

1.3.5 二元羧酸与壳聚糖反应产物的DSC测试

称取一定量的反应产物，放置于CDR-4P 差动热分析仪，设定升温温度范围为35～380℃。

1.3.6 二元羧酸与壳聚糖反应产物液体荧光性能测试

称取一定量的反应产物溶于二次蒸馏水中，完全溶解，放入RF-5301PC荧光光谱仪中，激发波长436nm，狭缝宽度5nm，扫描范围为400～600nm进行测试。

2 结果与讨论

2.1 反应产物红外光谱分析

图1，图2，图3，图4和图5是壳聚糖及二元羧酸和壳聚糖反应产物红外光谱图，从这些图可以看出，反应产物及壳聚糖都有一个强的吸收峰在3400cm-1左右，是O-H与N-H的伸缩振动重叠形成的吸收峰，反应后这个峰变弱变宽，这是因为反应产物分子中形成了-NH3+。壳聚糖氨基在红外谱图中有1657.92cm-1的特征吸收峰，但在反应产物的红外谱图中，氨基的吸收峰消失了，出现了两个不同的吸收峰在特征吸收峰附近。这一现象出现显示二元羧酸与壳聚糖之间发生了质子化反应。以己二酸与壳聚糖反应产物的红外光谱为例，壳聚糖特有的氨基吸收峰1657.92cm-1处消失了，形成两个新的吸收峰在1633.59cm-1与1543.24cm-1[2]，通常认为-NH3+的吸收峰在 1620～1565cm-1之间，-COO-基团的吸收峰在1615-1550 cm-1之间，反应产物产生的 1633.59cm-1与1543.24cm-1两个吸收峰在这两个范围之外，因为己二酸为二元羧酸，使-COO-与 -NH3+的吸收峰发生了偏移，说明己二酸与壳聚糖发生了相互反应，其他反应产物图中均出现了相同的现象，只是新产生的吸收峰的位置不同而已。

图1 壳聚糖的红外光谱图

图2 草酸与壳聚糖反应产物的红外光谱图

图3 丙二酸与壳聚糖反应产物的红外光谱图

图4 丁二酸与壳聚糖反应产物的红外光谱图

图5 己二酸与壳聚糖反应产物的红外光谱图

红外光谱表明二元羧酸与壳聚糖发生了较强的化学反应，二元羧酸上的羧酸根离子与壳聚糖结构上的氨基发生了成盐反应。

2.2 反应产物羧酸结合量的结果与分析

下面是不同方法测定的反应产物的羧酸结合量，羧酸结合量等于二元羧酸与壳聚糖的摩尔比：n（二元酸）/n（壳聚糖），结果测定值如表1：

表1 壳聚糖二元酸盐的羧酸结合量

反应产物羧酸结合量的测定更进一步表明二元羧酸与壳聚糖之间存在相互作用，这种化学作用是发生了质子化的作用，不是简单的物理吸附，而从羧酸结合量的测定方法上看，凯氏定氮法操作比较繁琐、复杂，电位滴定法操作简单方便；凯氏定氮法虽然有一定误差，但比电位滴定法误差要稍小，因为几种反应产物不能完全溶解，用电位滴定法测定时，随着测定过程中碱液的加入，pH值滴定过程增大，会有一部分反应产物析出，电位滴定中pH计探头的表面被壳聚糖颗粒附着，pH测量值变化缓慢，造成反应产物的羧酸结合量的测定值偏大。

2.3 反应产物DSC分析

图6至图10分别为壳聚糖与反应产物的DSC图，从图中可以得出反应产物与壳聚糖在 60～100℃之间有一个明显的吸热峰，这个峰为水分散失引起的，而且反应产物与壳聚糖都有不同的放热峰，壳聚糖在304.6℃的位置有一个放热峰，几种反应产物的放热峰分别在 312.1℃（草酸反应产物），326.1℃（丙二酸反应产物），342.9℃（丁二酸反应产物）和355.1℃（己二酸反应产物），反应产物的放热峰都有明显的增大。化学反应后随着阴离子碳链的增长，分解温度越来越高。从DSC图还可以看出反应产物在200℃附近都有一个明显的吸热峰，这个与壳聚糖不同，由于反应产物在降解过程中结合的各自二元羧酸失去造成的。几种反应产物的吸热峰位置不同，温度分别为210.3℃（草酸反应产物），175.5℃（丙二酸反应产物），204.4℃（丁二酸反应产物），198.5℃（己二酸反应产物），这说明几种反应产物与壳聚糖在热学性能上有很多不同，从另一方面也说明二元羧酸与壳聚糖之间发生了化学反应，不是简单的物理吸附作用引起的。

图6 壳聚糖的DSC图

图7 草酸与壳聚糖反应产物的DSC图

图8 丙二酸与壳聚糖反应产物的DSC图

图9 丁二酸与壳聚糖反应产物的DSC图

图10 己二酸与壳聚糖反应产物的DSC图

2.4 反应产物液体荧光性能分析

图11为壳聚糖及反应产物的液体荧光谱图，从图中可以发现，壳聚糖与反应产物在511nm处的荧光强度明显的不同，几种反应产物的荧光强度明显弱于壳聚糖，出现这种现象是由于反应产物与壳聚糖的分子结构不同引起的，物质要具有强的荧光强度，分子结构必须具有一定得刚性且是平面型分子[3]。取代基的类型是影响物质荧光强度另一个的重要因素，增强荧光的取代基如–NR2、-NHR、-NH2、-OR、–OH等，减弱荧光的取代基如–COOH、-C=O、-Cl、-I、–Br等。反应产物分子中由于引入了羧基、羰基这种减弱荧光的基团[4]，造成反应产物的荧光强度要比壳聚糖的弱。

图11 壳聚糖二元酸盐的荧光光谱

3 结论

（1）红外光谱表明二元羧酸与壳聚糖发生了较强的化学反应，二元羧酸上的羧酸根离子与壳聚糖结构上的氨基发生了成盐反应。

（2）凯氏定氮法和电位滴定法两种方法测定二元羧酸与壳聚糖反应羧酸结合量，羧酸结合量等于二元羧酸与壳聚糖的摩尔比，测定值：反应产物（草酸）分别为42.6%和45.8%；反应产物（丙二酸）分别为43.5%和48.1%；反应产物（丁二酸）分别为39.8%和43.7%；反应产物（己二酸）分别为42.1%和48.6%。

（3）DSC分析表明：反应产物与壳聚糖在热学性能上有很多不同，从另一方面也说明二元羧酸与壳聚糖之间发生了化学反应，不是简单的物理吸附作用引起的。

（4）荧光光谱分析表明：反应产物分子中由于引入了羧基、羰基这种减弱荧光的基团，造成反应产物的荧光强度要比壳聚糖的弱。

[1] 蒋挺大.壳聚糖[M].北京:化学工业出版社,2001.

[2] I.Orienti. Influence of different chitosan salts on the release of solium diclofenac in colon-specific delivery[J].Intenational Journal of Pharmaceutics,2002,238:51-59.

[3] 许金钩,王尊木.荧光分析法(第三版)[M].北京:科学出版社,2006.

[4] 董炎明.高分子分析手册[M].北京:中国石化出版社,2005.

Study on the reaction products of dicarboxylic acid and chitosan

The structure properties of the reaction products between dicarboxylic acid and chitosan were investigated and its antibacterial mechanism were researched by FT-IR，its solubility and carboxylic acid binding capacity were measured with Kjeldahl method and potentiometric titration, the thermal properties were researched by the Differential Scanning Calorimetry (DSC)and molecular structure were analyzed by fluorescence spectrometry.

dicarboxylic acid; chitosan; reaction products

TQ42

A

1008-1151(2016)12-0044-04

2016-11-11

王盾（1983－），男，陕西富平人，广西智博建设工程检测咨询有限责任公司检测所所长，工程师，硕士，从事分析检测工作。