殼聚糖-烴基脲及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及天然高分子及其化學(xué)修飾方法，具體涉及殼聚糖-烴基脲及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 殼聚糖，化學(xué)名為聚（1，4苷）_2_氨基-0-D-葡萄糖，是一種存在于自然界中的 天然氨基多糖，由于其具獨(dú)特的生理、藥理功能和良好的生物相容性和抗菌性，并且無毒、 無害，易于生物降解，因此被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品、化妝品、農(nóng)業(yè)、化工、環(huán)保、基因運(yùn)送、細(xì) 胞培養(yǎng)和組織工程等多種領(lǐng)域中。為進(jìn)一步擴(kuò)大殼聚糖的應(yīng)用范圍，對其氨基和羥基進(jìn)行 化學(xué)修飾開發(fā)新產(chǎn)品，特別是對其氨基進(jìn)行選擇性修飾具有重要的意義。
[0003] Okamoto 等[(1)Zhang L.，Shen J.，Zuo W.，Okamoto Y.，Synthesis of chitosan 3,6-diphenylcarbamate-2_urea derivatives and their applications as chiral stationary phases for high-performance liquid chromatography,Journal of Chromatography A,1365:86 - 93, 2014]將超高脫乙酰度殼聚糖與異氰酸酯反應(yīng)，制備出了 完全衍生化的殼聚糖-二（氨基甲酸酯）_(脲）。所制備的殼聚糖衍生物雖具有較高的規(guī) 整度，但該反應(yīng)不具有選擇性，殼聚糖分子中羥基和氨基被同一種取代基修飾，無法使衍生 物結(jié)構(gòu)多樣化，限制了其應(yīng)用范圍。
[0004] 閆鳳美等[(2).崔運(yùn)啟，徐成，閆鳳美，殼聚糖納米脲的制備和表征，化學(xué)世界，9 : 552-554,2014 ; (3).趙艷玲湯積德閆鳳美等，多氟苯脲基殼聚糖納米材料的制備及表征， 化工新型材料，42(5) :156-160,2014]以含氟苯基異氰酸酯為脲基化試劑，采用亞結(jié)構(gòu)拼 接法將含氟苯異氰酸酯定位引入到殼聚糖上，制得了含氟苯脲基殼聚糖納米材料。在該反 應(yīng)中，以脫乙酰度為92%的殼聚糖為原料，所制備的殼聚糖衍生物中仍含有部分乙酰氨基， 難以形成規(guī)整的高級結(jié)構(gòu)。
[0005] 在實(shí)際應(yīng)用過程中，天然高分子的性能與其結(jié)構(gòu)的規(guī)整度密切相關(guān)，例如：以脲基 化殼聚糖衍生物作為手性選擇體時，衍生物的規(guī)整度越高，其手性分離性能越好 [1]。采用位 阻小的伯胺對殼聚糖分子中的氨基進(jìn)行脲基化，可增強(qiáng)殼聚糖衍生物分子間的氫鍵作用， 從而提高殼聚糖衍生物分子高級結(jié)構(gòu)的規(guī)整度及其穩(wěn)定性。因此，在殼聚糖分子中引入脲 基，可使其衍生物具有更優(yōu)越的性能和更廣泛的應(yīng)用。然而，目前關(guān)于殼聚糖脲基化的研究 鮮有報(bào)道。
[0006]另外，目前尚無一種成熟的方法，能在羥基不被反應(yīng)的條件下，有效的將殼聚糖分 子中的氣基完全脈基化。
[0007] 所以，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)規(guī)整的脲基化殼聚糖并建立有效的制備方法，對于擴(kuò)大殼聚糖的 應(yīng)用范圍具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是填補(bǔ)現(xiàn)有的技術(shù)空白，提供一種高取代度的殼聚 糖-烴基脲及其制備方法。
[0009] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：殼聚糖_烴基脲，其具有如下結(jié) 構(gòu)通式：
[0010]
[0011] 其中：0. 98彡X彡1.00 ;n彡10 ;R為3-12個碳原子的脂肪烴基，但不包括叔丁基 型烴基。
[0012] 本發(fā)明還提供上述殼聚糖-烴基脲的制備方法，其步驟如下：
[0013] 1)殼聚糖氨基的甲氧基甲酰化：將脫乙酰度在98%以上的殼聚糖溶于稀鹽酸中， 或者將分子量小的水溶性的殼聚糖直接溶于水中，再向所得溶液中加入適量的甲醇和過量 的氯甲酸甲酯，于低溫下加三乙胺控制反應(yīng)體系的pH值在2-7之間，攪拌3-8h，得到殼聚 糖-N-甲氧基甲酰胺；
[0014] 2)殼聚糖-N-甲氧基甲酰胺的脲基化：將步驟⑴得到的殼聚糖-N-甲氧基甲酰 胺溶解在氯化鋰的N，N-二甲基乙酰胺溶液中，加入過量的胺，于100-130°C下反應(yīng)6-24小 時生成殼聚糖衍生物，即殼聚糖-烴基脲。
[0015] 本發(fā)明所涉及的反應(yīng)方程式如下：
[0016]
[0017] -般認(rèn)為高分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)結(jié)構(gòu)越一致，其高級結(jié)構(gòu)越規(guī)整。纖維素與殼聚 糖有非常相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，Okamoto等曾用纖維素制備了鍵合型手性分離材料，當(dāng)纖維素衍 生物的交聯(lián)度為2%時，所制備的手性固定相仍有很好的分離性能[(4) Ikai T.，Yamamoto C. , Kamigaito M. , Okamoto Y. , Immobilized-type chiral packing materials for HPLC based on polysaccharide derivatives, Journal of Chromatography B,875:2 -11，2008 ; (5)Ikai T. , Yamamoto C. , Kamigaito M. , Okamoto Y. , Immobilization of polysaccharide derivatives onto silica gel Facile synthesis of chiral packing materials by means of intermolecular polycondensation of triethoxysilyl groups，Journal of Chromatography A，1157:151 - 158, 2007]，當(dāng)交聯(lián)度繼續(xù)上升時，分離 性能則下降，這就表明當(dāng)纖維素衍生物有98%的重復(fù)單元結(jié)構(gòu)相同時，其高級結(jié)構(gòu)仍較為 規(guī)整。如果將本發(fā)明中的殼聚糖-烴基脲進(jìn)一步衍生化，即生成功能化材料，如用芳香基異 氰酸酯修飾，即能制備手性分離材料。本發(fā)明采用脫乙酰度不低于98%的殼聚糖作原料， 合成殼聚糖-烴基脲，因殼聚糖-烴基脲中的乙酰氨基含量很少，少量含乙酰氨基的殼聚 糖-烴基脲在其分離純化過程中還要損失一些，所以所制備的殼聚糖-烴基脲應(yīng)有規(guī)整的 高級結(jié)構(gòu)。以此殼聚糖-經(jīng)基脲為原料制備功能化材料當(dāng)然也具有規(guī)整的高級結(jié)構(gòu)。
[0018] 本發(fā)明步驟1)中用稀鹽酸來溶解殼聚糖，對于分子量小的水溶性殼聚糖（相對分 子質(zhì)量小于8000)，可直接將其溶于水中，加入甲醇可增加氯甲酸甲酯在體系中的溶解度， 使反應(yīng)在均相中進(jìn)行，三乙胺用于中和反應(yīng)過程中產(chǎn)生的HC1，調(diào)節(jié)反應(yīng)體系的pH值。另 外，水和甲醇都能消耗過量的氯甲酸甲酯，因此，可保證殼聚糖分子中的羥基不被反應(yīng)。
[0019] 本發(fā)明步驟1)中所述的溶解殼聚糖的稀鹽酸濃度盡可能小，加入甲醇的量以殼 聚糖不從溶液中析出且氯甲酸甲酯能溶解為限；步驟2)中所述的殼聚糖-N-甲氧基甲酰胺 溶于氯化鋰的N，N-二甲基乙酰胺溶液中，其中氯化鋰的濃度能使殼聚糖-N-甲氧基甲酰胺 溶解即可。
[0020] 本發(fā)明步驟1)所述的氯甲酸甲酯的摩爾數(shù)與殼聚糖的重復(fù)單元的摩爾數(shù)之比不 小于3:1，所述的低溫溫度為2_15°C。
[0021] 本發(fā)明步驟2)中所使用的胺若沸點(diǎn)低于反應(yīng)溫度，需在密閉體系中反應(yīng)，對于沸 點(diǎn)較高的胺，可直接在干燥的體系中回流反應(yīng)。
[0022] 本發(fā)明步驟2)所述的胺的摩爾數(shù)與殼聚糖-N-甲氧基甲酰胺的重復(fù)單元的摩爾 數(shù)之比不小于4:1。
[0023] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0024] 1.本發(fā)明提供了一種完整的殼聚糖脲基化方法，所制備的脲基化殼聚糖取代度 高，結(jié)構(gòu)規(guī)整，能滿足多種應(yīng)用的需求，并且采用脫乙酰度在98%以上的殼聚糖即可，無需 使用完全脫乙酰的殼聚糖；
[0025] 2.本發(fā)明提供了一系列幾乎完全脲基化的殼聚糖，并且反應(yīng)只發(fā)生在氨基上，羥 基可進(jìn)一步被修飾，制備結(jié)構(gòu)更加多樣化的殼聚糖衍生物；
[0026] 3.本發(fā)明提供的一系列脲基化殼聚糖，對其羥基進(jìn)一步修飾后，就能生成功能高 分子材料。如對其羥基進(jìn)行氨基甲酸酯化，就能制備出高級結(jié)構(gòu)規(guī)整的手性分離材料。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的殼聚糖-N-甲氧基甲酰胺（a)與殼聚糖-芐基脲 (b)的紅外光譜對比圖；
[0028]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的殼聚糖-芐基脲的4 NMR譜圖；
[0029]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1所制備的殼聚糖-芐基脲的熱重分析圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 為使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì) 的說明，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0031] 本發(fā)明所使用的殼聚糖的制備方法及分子量的測定方法均參照文獻(xiàn)[(6) 柏正武等，殼聚糖-二（芳香基氨基甲酸酯）_(酰胺）及其制備方法[P]，【申請?zhí)枴?201410594564. 2]〇
[0032] 本發(fā)明所使用的N, N-二甲基乙酰胺（DMAc)使用前經(jīng)4A分子篩干燥3次，LiCl使 用前于140°C下真空干燥24小時以上或300°C煅燒3小時以上。
[0033] 實(shí)施例1
[0034] 殼聚糖-芐基脲的合成：
[0035] 殼聚糖-N-甲氧基甲酰胺的合成：將1. 0g(6. 2mmol重復(fù)單元）殼聚糖（數(shù)均分子 量9萬，脫乙酰度為99. 2% )加入到250mL三口瓶中，加稀鹽酸攪拌使殼聚糖溶解至清澈透 明。再在冰水浴下加入35g甲醇，攪拌均勾后，快速加入5. 9g氯甲酸甲酯（62. 7mmol)，控 制溫度在2-10°C反應(yīng)8h，反應(yīng)過程中加三乙胺調(diào)節(jié)體系pH值，控制pH值在2-7之間。反 應(yīng)完畢后，向反應(yīng)瓶中加入50mL乙醇并劇烈攪拌，過濾，用乙醇將產(chǎn)物洗滌至中性，干燥， 得殼聚糖-N-甲氧基甲酰胺1. 27g，產(chǎn)率：93%;紅外光譜圖如附圖1 (a)所示：IR(KBr，cm 4 u : 3439, 3325 (-OH, -NH-)，2950-2887 (-C-H)，1704 (_C00CH3)，1549 (-NH-)。
[0036] 殼聚糖-芐基脲的制備：取1.5g干燥的LiCl于lOOmL三口燒瓶中，加入20mL 干燥的DMAc，加熱使LiCl完全溶解，保持溫度在80°C，加入1. 0g殼聚糖-N-甲氧基甲酰 胺（4. 57mmol)，攪拌溶解，稍冷卻后加入4. 0g節(jié)胺（37. 4mmol)，攪拌均勾，升溫至120°C 反應(yīng)24h，冷卻后將生成的凝膠倒入乙醇中搗碎，過濾，將固體用乙醇洗滌3次，干燥，得殼 聚糖-芐基脲1.25g，產(chǎn)率：93% ;紅外光譜圖如附圖1(b)所示：〗!^!^，^!!1)^^^^ 0H, -NH-)，2923-2873 (-C-H)，1643 (-C0NH-)，1560 (-NH-，-Ph)，從圖 1 中可以看出，（a)在 1704cm1處有明顯的（_C02_)吸收峰，而（b)中1700cm 1附近的吸收峰幾乎完全消失，并且 在1643cm1附近出現(xiàn)較強(qiáng)的（-C0NH-)吸收峰，說明胺酯交換反應(yīng)完全；NMR譜圖如附 圖 2 所示NMR(600MHz，25°C，CF3C00D, S/ppm):5.01-3.97(m，9H，殼聚糖骨架 H 及芐 基上-CH2-)，7. 55 (m，5H，苯環(huán)H)，由積分面積比可以看出，殼聚糖分子中氨基幾乎完全被 脲基化；元素分析:計(jì)算值（C14H 1SN205 ? 1. 2H20)n C 53. 23, H 6. 51，N 8. 87 ;實(shí)測值 C 53. 62, H 6. 73, N 8. 16 ;因殼聚糖的脫乙酰度接近100%，所以殼聚糖衍生物元素分析理論 值就按完全脫乙酰的殼聚糖衍生物重復(fù)單元分子式進(jìn)行計(jì)算。由于所制備的殼聚糖-芐 基脲中含大量羥基和酰胺，故其容易吸水。熱重分析如附圖3所