新型两性壳聚糖的制备及结构表征

李广发，梁倩瑜，梁攸灵，莫格格，胡章，余佳音，黄德坚

(广东海洋大学 化学与环境学院 应用化学系，广东 湛江 524088)

壳聚糖是由来源丰富的甲壳素脱乙酰化得到的一种碱性聚电解质多糖[1-3]。由于具有生物降解性、生物兼容性、安全无毒、广谱抗菌等优良特性，壳聚糖已广泛应用于诸多领域[4-6]。但由于壳聚糖仅溶于酸性水溶液，使得其在很多方面的应用受限。由于壳聚糖链上含有较多活性基团，通过对壳聚糖上的C6-OH和C2-NH2进行化学改性，可形成不同结构和不同性能的壳聚糖衍生物[7-8]。两性壳聚糖链上具有亲水性基团和疏水性基团的特殊结构，在医药领域，可增强靶向性给药，提高药物的吸收率和生物利用度[9-11]。针对两性壳聚糖进行更深入的研究，其必将发挥更加重要的作用，成为一种重要的资源。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

甲壳素(分子量50 kDa)，生物试剂；2-氯乙胺盐酸盐、柠檬醛、氢氧化钠、尿素、乙酸、乙醇均为分析纯。

HJ-A4四位磁力搅拌水浴锅；FD-1B-50真空冷冻干燥机；GM-0.33A隔膜真空泵；EX125DZH型电子天平；3H20RI智能高速冷冻离心机；P4紫外-可见分光光度计；Spectrum 100傅里叶变换红外光谱仪；Rigaku Ultima IV组合式多功能X射线衍射仪。

1.2 季铵化甲壳素的制备

取甲壳素粉末1 g，分散在氢氧化钠溶液中(质量分数为48%，13 g)，室温搅拌24 h；加入适量的冰水，剧烈搅拌直至为均匀溶液，此时溶液中甲壳素和NaOH的质量分数分别为1.3%和8.0%。于80 ℃搅拌下，分批次缓慢加入2-氯乙胺盐酸盐5.65 g，磁力搅拌反应12 h后，采用蒸馏水室温透析3 d，-20 ℃ 预冻过夜，真空冷冻干燥，得到白色粉末固体，产率为83.56%。

1.3 季铵化壳聚糖的制备

取上述制备的季铵化甲壳素1 g，加入氢氧化钠溶液(质量分数48%，20 g)，于65 ℃磁力搅拌 10 h；蒸馏水室温透析3 d，中间间歇性更换蒸馏水，直至透析液近似呈中性，-20 ℃预冻过夜，真空冷冻干燥，得到白色粉末固体，产率为63.75%。

1.4 两性壳聚糖的制备

取季铵化壳聚糖1 g溶解在2%乙酸中(v/v，50 mL)，室温搅拌6 h成透明溶液，利用恒压滴液漏斗逐滴加入柠檬醛的乙醇溶液(1.86 mmol/L，10 mL)，室温继续搅拌24 h，加入氢氧化钠溶液(质量分数为5%)，离心收集沉淀，先后用无水乙醇和50%乙醇洗涤沉淀，-20 ℃预冻过夜，真空冷冻干燥，得到类白色粉末固体，产率为79.81%。

1.5 结构表征

1.5.1 UV 甲壳素样品采用10%氢氧化钠/4%尿素(W/V)的水相溶剂体系溶解；壳聚糖样品溶于一定量的醋酸溶液(1%，V/V)，参比溶液采用各自相对应的溶剂体系，扫描在波长200～500 nm的吸光度。

1.5.2 FTIR 采用溴化钾压片法，取1～2 mg样品在玛瑙研钵中研磨成细粉末，再与100 mg干燥的溴化钾粉末混合均匀，装入模具内，在压片机上压制成片。采用纯溴化钾片去除背景干扰，在 4 000～400 cm-1范围内扫描，测得样品红外光谱。

1.5.3 XRD 将样品放在X射线衍射仪上扫描，电压为40 kV，电流为40 mA，CuKα谱线，扫描范围为5～50°，扫描速度为15 s/步。

2 结果与讨论

2.1 两性壳聚糖的合成机理

在对壳聚糖C6-OH进行化学改性时，经典的方法是对壳聚糖C2-NH2进行保护-脱保护。避开传统的C6-OH壳聚糖衍生物制备途径，以甲壳素为起始原料，利用甲壳素C2-乙酰氨基的保护状态，直接化学改性C6-OH，两性壳聚糖的合成途径见图1。

图1 两性壳聚糖的合成途径

氯乙胺盐酸盐的毒性较弱，故将其作为接枝多氨基的试剂是很好的选择。首先，甲壳素的6-OH与ACH通过亲核取代反应，得到季铵化的甲壳素；接着，在氢氧化钠的作用下，进行脱乙酰化反应，得到季铵化壳聚糖；最后与一种羰基试剂(柠檬醛)进行亲核加成-消除反应，得到两性壳聚糖。

2.2 紫外光谱分析

图2 样品的紫外光谱图

2.3 红外光谱分析

红外光谱对分子的化学结构敏感，适用于测定不同状态、浓度和环境下的高分子，是确定高分子聚合物化学结构发生变化的有效工具[12]。由图3a可知，3 500～3 200 cm-1宽度峰是甲壳素O—H和N—H的伸缩振动叠加峰；2 960～2 830 cm-1属于饱和C—H的伸缩振动峰；1 150～1 020 cm-1属于醚键C—O的伸缩振动峰。波数1 660，1 558，1 310 cm-1分别对应甲壳素中酰胺Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ谱带的特征吸收峰。波数在3 480，3 264，2 960～2 840 cm-1附近，甲壳素、季铵化甲壳素、季铵化壳聚糖三者的吸收峰强弱有所不同，但峰型基本相似，差异主要在于酰胺的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ谱带。

图3 样品的红外光谱图

季铵化甲壳素与甲壳素的红外谱图相比，季铵化甲壳素在1 569 cm-1和1 461 cm-1处出现了两个新的吸收带，这与 —NH2基团和 —CH2基团的弯曲振动有关，表明乙氨基团成功接枝到甲壳素分子上。

季铵化壳聚糖与季铵化甲壳素的红外谱图相比，季铵化壳聚糖的酰胺Ⅰ和酰胺Ⅲ的吸收带明显减弱，酰胺Ⅱ的谱带消失，并在1 594 cm-1处出现了一个新的吸收谱带，即 —NH2基团的振动谱带。综上表明，季铵化壳聚糖已成功合成。

2.4 X-射线衍射分析

研究物质结构的分析方法很多，但应用最广泛和最有效的手段是X射线衍射技术，特别是在高分子化学、材料化学等领域中，已成为一种重要的结构分析手段[13]。

由图4可知，甲壳素在9°和19°处各有一个明显的特征衍射峰，经甲壳素逐步合成反应后，甲壳素的9°和19°特征衍射峰发生了明显的变化，其中每步反应产物的9°特征衍射峰均在减弱，到最后形成两性壳聚糖时消失。而位于19°处的特征衍射峰从第二步产物季铵化壳聚糖开始明显变弱，成为较宽的峰。甲壳素、季铵化甲壳素和季铵化壳聚糖三种物质的衍射峰出峰情况较为类似。此外，甲壳素和第一步产物季铵化甲壳素在26°都出现小的峰形，经第二步反应后该峰形变得模糊，到第三步反应产物后，该小峰就消失了。这表明壳聚糖链在一些方向具有一定的规整性，但是结晶度低，而经过化学改性之后的壳聚糖，在形成氢键的能力方面大大下降，一部分结晶型转变成了无定型。

图4 样品的X射线衍射图

3 结论

本文以甲壳素为原料，通过C6-OH与氯乙胺盐酸盐发生亲核取代反应，接着对C2-氨基脱乙酰化，随后通过氨基与羰基发生希夫碱反应，制备得到两性壳聚糖。通过紫外、红外、X-射线衍射分析，一种新型两性壳聚糖成功合成。该制备方法回避了C6-OH壳聚糖的常规衍生途径，即C2-氨基的保护-脱保护，制备工艺更加简便。