催化法合成6-O-羧甲基甲壳质的研究
作者：陈育平 张歧荣 佘志刚 尹广庆
单位：陈育平 张歧荣 佘志刚(广东药学院有机化学教研室，广东广州 510224)；尹广庆(广州百特医疗用品有限公司)
关键词：甲壳质；羧甲基化；6-O-羧甲基甲壳质；保湿性；吸湿性
广东药学院学报000114
摘 要 为改善甲壳质的水溶性，在其6位羟基上进行了羧甲基化，用正交实验对在催化剂的作用下的合成条件进行了优化选择，并对合成的6-O-羧甲基甲壳质的保湿性、吸湿性进行了测定与比较。
中图号 R914.5 文献标识码:A 文章编号:1006-8783(2000)01-0039-02
甲壳质(chitin)又名几丁质[1],是一种氨基多糖聚合物,是生物学上仅次于蛋白质骨胶的最重要的动物结构材料,是一种十分丰富的自然资源。随着近年来大量基础及应用研究的进行,甲壳质及其衍生物已在化工、纺织、印染、造纸、医药、食品、环保等诸多领域显示其独特的应用价值。但由于甲壳质分子内、分子间有很强的氢键作用,使得甲壳质呈紧密的晶态结构,不溶于普通溶剂,使之加工困难,从而限制了其推广应用。因此,在甲壳质分子中引入其它官能团或通过接枝、共混以改善其溶解性或成型加工性来生产功能材料,便成为甲壳质研究中最活跃的研究方向。我们通过对甲壳质6位羟基的羧甲基化,来改善甲壳质的水溶性。其反应为:
, http://www.100md.com
1 实验部分
1.1 主要试剂 一氯乙酸(化学纯)；氢氧化钠(化学纯)；无水乙醇(化学纯)；异丙醇(化学纯)；甲醇(化学纯)；四氢硼钠(化学纯)。
1.2 仪器 三颈烧瓶；搅拌器；控温仪(DJ-T02型)；循环抽滤机；真空干燥器(ZK-82A型)；离心沉淀机(LXJ-2Ⅱ)。
1.3 6-O-羧甲基甲壳质的合成
于三颈瓶中加入甲壳质20 g、NaOH 21 g、异丙醇70 g、MeOH 18 g、水22 g、四氢硼钠0.3 g,摇匀后水浴处理90 min,然后滴加由一氯乙酸20 g、异丙醇9.24 g、甲醇2.36 g、水1.6 g组成的混合液,滴加完毕后,水浴处理30 min后升温至79 ℃,保温90 min。
将反应物过滤,得到固体产物,用适量蒸馏水溶解完全后,离心分离得到粘稠液,用冰醋酸中和,再用适量无水乙醇使产物完全沉淀出来,抽滤,同时用无水乙醇洗涤,至产物不粘块,干燥,便得到6-O-羧甲基甲壳质固体粉末。
, 百拇医药
1.4 6-O-羧甲基甲壳质的保湿性、吸湿性测定
按照松村秀一等介绍的方法进行测定[2]。
2 结果与讨论
2.1 正交分析
为了寻找最佳反应条件,对皂化温度、皂化时间以及醚化时间进行考察。这三个因素各分三个水平进行比较。因子A: 皂化温度，水平A1=30 ℃，水平A2=40 ℃，水平A3=50 ℃；B: 皂化时间，水平B1=90 min,水平B2=120 min，水平B3=150 min；C: 醚化时间，水平C1=60 min ，水平C2=90 min，水平C3=120 min。
, http://www.100md.com
根据上面的安排,可以选择L9(34)正交表来安排实验,并对各反应产物进行保湿性和吸湿性实验,结果见表1。
表1 正交试验及试验结果 列号
A
B
C
产量
吸湿率/%
水分残存率/%(RH43%湿样)
RH81%干样
RH43%干样
1
, 百拇医药
1
1
1
13.4
21.48
3.39
24.9
2
1
2
2
13.8
20.12
, http://www.100md.com 3.29
79.5
3
1
3
3
16.0
26.50
2.27
79.6
4
2
2
3
, http://www.100md.com
8.3
21.14
1.00
83.9
5
2
3
1
2.8
18.35
1.56
60.2
6
, http://www.100md.com
2
1
2
14.4
33.05
3.48
50.5
7
3
3
2
15.5
22.76
, 百拇医药 2.25
39.7
8
3
1
3
17.8
23.18
1.92
61.8
9
3
2
1
, http://www.100md.com
18.6
15.12
0.05
30.9
这是一个多指标试验,通过对产量、保湿性、吸湿性(RH81%干样)、吸湿性(RH43%干样)的数据分析,再对各指标进行工程平均,故有①A1B2C2、②A1B2C3、③A3B2C2、④A3B2C3四种条件,但就本实验而言,提高产率更为重要,并考虑③条件下的保湿性、吸湿性实验工程平均值不很低,故选③为最佳反应条件。
2.2 结论
, http://www.100md.com
基于实验观察及结果分析,提高皂化温度及延长皂化时间有利于增加产量,同时,在皂化温度下滴加反应物越匀缓搅拌越均匀,同样有利于产量的提高;降低皂化温度及缩短醚化时间能提高产品的保湿性和吸湿性。在兼顾质量指标的同时,提高反应产量的反应条件是:皂化温度50 ℃,皂化时间120 min,醚化时间90 min。
2.3 讨论
为了对甲壳质羧甲基化有进一步的认识,对反应体系做了以下几个探讨性实验:①不加四氢硼钠；②以乙醇代替异丙醇；③去除甲醇。反应条件按照产量最高的A3B3C1,即皂化温度50 ℃,皂化时间150 min,醚化时间60 min,结果,实验①、②没有产品,实验③的产量13.4 g。
所以,可以认为四氢硼钠、异丙醇是必不可少的,至少在2 h的皂化时间内,室温甚至50 ℃常压下没有四氢硼钠的催化甲壳质是无法碱化的。氢氧化钠在有异丙醇存在的情况下,与甲壳质的反应性能大大提高,原因是异丙醇能减弱甲壳质分子间由酰胺基引起的氢键的作用力,使长链多聚大分子分散,增加与氢氧化钠的接触。四氢硼钠作为一种催化剂,活化甲壳质6位羟基上的H,使之易与氢氧化钠反应而使甲壳质碱化[3]。
, 百拇医药
在碱性NaOH条件下,四氢硼钠、异丙醇两者的存在促进了甲壳质的碱化,减少了生成的碱化甲壳质的降解,保持了大分子量的长链大分子,使产物的粘度较大。为了保持产物的高粘度,必须注意皂化温度不能太高且醚化时间不能太长。因为,在强碱性的条件下,高温加速长链大分子的降解,同时,在醚化温度这么高的条件下,强碱性下的大分子在搅拌下更易降解,故必须缩短醚化时间。
甲壳质在6位上的羧甲基化,引入强亲水性的羧甲基,使产物6-O-羧甲基甲壳质具有水溶性,其水溶性大小主要取决于取代度。四氢硼钠、异丙醇的存在,使反应生成的6-O-羧甲基甲壳质具有较高的取代度,故产物水溶性强、吸湿性强、保湿性也强。所以,吸湿性和保湿性可以作为6-O-羧甲基甲壳质的质量指标。吸湿性和保湿性越强,说明甲壳质6位上羧甲基化越完全,在不降解的条件下,引入羧甲基,分子量增大,6-O-羧甲基甲壳质水溶液越粘稠。
反应产率很大程度上决定于甲壳质的碱化。碱化不完全,加入的一氯乙酸大部分与NaOH作用,使碱性下降,不利于甲壳质的碱化,产率也随之下降。碱化完全后,加入一氯乙酸方法的不当也会降低产率,应该使加入的一氯乙酸能充分分布均匀。 参考文献
[1]杨安乐，陈长春，孙康，等.甲壳素的改性研究及其在功能材料上的应用.现代化工,1999,(4):50.
[2]松村秀一.甲壳质和壳聚糖衍生物的合成及吸湿保湿性.日用化学工业，1990,(5):35.
[3]Mosk,Teket,Moscow. Rassia cellal.Them Teehnoi,1992,(6):26.
(收稿日期 1999-10-26), 百拇医药
单位：陈育平 张歧荣 佘志刚(广东药学院有机化学教研室，广东广州 510224)；尹广庆(广州百特医疗用品有限公司)
关键词：甲壳质；羧甲基化；6-O-羧甲基甲壳质；保湿性；吸湿性
广东药学院学报000114
摘 要 为改善甲壳质的水溶性，在其6位羟基上进行了羧甲基化，用正交实验对在催化剂的作用下的合成条件进行了优化选择，并对合成的6-O-羧甲基甲壳质的保湿性、吸湿性进行了测定与比较。
中图号 R914.5 文献标识码:A 文章编号:1006-8783(2000)01-0039-02
甲壳质(chitin)又名几丁质[1],是一种氨基多糖聚合物,是生物学上仅次于蛋白质骨胶的最重要的动物结构材料,是一种十分丰富的自然资源。随着近年来大量基础及应用研究的进行,甲壳质及其衍生物已在化工、纺织、印染、造纸、医药、食品、环保等诸多领域显示其独特的应用价值。但由于甲壳质分子内、分子间有很强的氢键作用,使得甲壳质呈紧密的晶态结构,不溶于普通溶剂,使之加工困难,从而限制了其推广应用。因此,在甲壳质分子中引入其它官能团或通过接枝、共混以改善其溶解性或成型加工性来生产功能材料,便成为甲壳质研究中最活跃的研究方向。我们通过对甲壳质6位羟基的羧甲基化,来改善甲壳质的水溶性。其反应为:
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1 实验部分
1.1 主要试剂 一氯乙酸(化学纯)；氢氧化钠(化学纯)；无水乙醇(化学纯)；异丙醇(化学纯)；甲醇(化学纯)；四氢硼钠(化学纯)。
1.2 仪器 三颈烧瓶；搅拌器；控温仪(DJ-T02型)；循环抽滤机；真空干燥器(ZK-82A型)；离心沉淀机(LXJ-2Ⅱ)。
1.3 6-O-羧甲基甲壳质的合成
于三颈瓶中加入甲壳质20 g、NaOH 21 g、异丙醇70 g、MeOH 18 g、水22 g、四氢硼钠0.3 g,摇匀后水浴处理90 min,然后滴加由一氯乙酸20 g、异丙醇9.24 g、甲醇2.36 g、水1.6 g组成的混合液,滴加完毕后,水浴处理30 min后升温至79 ℃,保温90 min。
将反应物过滤,得到固体产物,用适量蒸馏水溶解完全后,离心分离得到粘稠液,用冰醋酸中和,再用适量无水乙醇使产物完全沉淀出来,抽滤,同时用无水乙醇洗涤,至产物不粘块,干燥,便得到6-O-羧甲基甲壳质固体粉末。
, 百拇医药
1.4 6-O-羧甲基甲壳质的保湿性、吸湿性测定
按照松村秀一等介绍的方法进行测定[2]。
2 结果与讨论
2.1 正交分析
为了寻找最佳反应条件,对皂化温度、皂化时间以及醚化时间进行考察。这三个因素各分三个水平进行比较。因子A: 皂化温度，水平A1=30 ℃，水平A2=40 ℃，水平A3=50 ℃；B: 皂化时间，水平B1=90 min,水平B2=120 min，水平B3=150 min；C: 醚化时间，水平C1=60 min ，水平C2=90 min，水平C3=120 min。
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根据上面的安排,可以选择L9(34)正交表来安排实验,并对各反应产物进行保湿性和吸湿性实验,结果见表1。
表1 正交试验及试验结果 列号
A
B
C
产量
吸湿率/%
水分残存率/%(RH43%湿样)
RH81%干样
RH43%干样
1
, 百拇医药
1
1
1
13.4
21.48
3.39
24.9
2
1
2
2
13.8
20.12
, http://www.100md.com 3.29
79.5
3
1
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16.0
26.50
2.27
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4
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8.3
21.14
1.00
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2.8
18.35
1.56
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6
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2
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3.48
50.5
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22.76
, 百拇医药 2.25
39.7
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23.18
1.92
61.8
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18.6
15.12
0.05
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这是一个多指标试验,通过对产量、保湿性、吸湿性(RH81%干样)、吸湿性(RH43%干样)的数据分析,再对各指标进行工程平均,故有①A1B2C2、②A1B2C3、③A3B2C2、④A3B2C3四种条件,但就本实验而言,提高产率更为重要,并考虑③条件下的保湿性、吸湿性实验工程平均值不很低,故选③为最佳反应条件。
2.2 结论
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基于实验观察及结果分析,提高皂化温度及延长皂化时间有利于增加产量,同时,在皂化温度下滴加反应物越匀缓搅拌越均匀,同样有利于产量的提高;降低皂化温度及缩短醚化时间能提高产品的保湿性和吸湿性。在兼顾质量指标的同时,提高反应产量的反应条件是:皂化温度50 ℃,皂化时间120 min,醚化时间90 min。
2.3 讨论
为了对甲壳质羧甲基化有进一步的认识,对反应体系做了以下几个探讨性实验:①不加四氢硼钠；②以乙醇代替异丙醇；③去除甲醇。反应条件按照产量最高的A3B3C1,即皂化温度50 ℃,皂化时间150 min,醚化时间60 min,结果,实验①、②没有产品,实验③的产量13.4 g。
所以,可以认为四氢硼钠、异丙醇是必不可少的,至少在2 h的皂化时间内,室温甚至50 ℃常压下没有四氢硼钠的催化甲壳质是无法碱化的。氢氧化钠在有异丙醇存在的情况下,与甲壳质的反应性能大大提高,原因是异丙醇能减弱甲壳质分子间由酰胺基引起的氢键的作用力,使长链多聚大分子分散,增加与氢氧化钠的接触。四氢硼钠作为一种催化剂,活化甲壳质6位羟基上的H,使之易与氢氧化钠反应而使甲壳质碱化[3]。
, 百拇医药
在碱性NaOH条件下,四氢硼钠、异丙醇两者的存在促进了甲壳质的碱化,减少了生成的碱化甲壳质的降解,保持了大分子量的长链大分子,使产物的粘度较大。为了保持产物的高粘度,必须注意皂化温度不能太高且醚化时间不能太长。因为,在强碱性的条件下,高温加速长链大分子的降解,同时,在醚化温度这么高的条件下,强碱性下的大分子在搅拌下更易降解,故必须缩短醚化时间。
甲壳质在6位上的羧甲基化,引入强亲水性的羧甲基,使产物6-O-羧甲基甲壳质具有水溶性,其水溶性大小主要取决于取代度。四氢硼钠、异丙醇的存在,使反应生成的6-O-羧甲基甲壳质具有较高的取代度,故产物水溶性强、吸湿性强、保湿性也强。所以,吸湿性和保湿性可以作为6-O-羧甲基甲壳质的质量指标。吸湿性和保湿性越强,说明甲壳质6位上羧甲基化越完全,在不降解的条件下,引入羧甲基,分子量增大,6-O-羧甲基甲壳质水溶液越粘稠。
反应产率很大程度上决定于甲壳质的碱化。碱化不完全,加入的一氯乙酸大部分与NaOH作用,使碱性下降,不利于甲壳质的碱化,产率也随之下降。碱化完全后,加入一氯乙酸方法的不当也会降低产率,应该使加入的一氯乙酸能充分分布均匀。 参考文献
[1]杨安乐，陈长春，孙康，等.甲壳素的改性研究及其在功能材料上的应用.现代化工,1999,(4):50.
[2]松村秀一.甲壳质和壳聚糖衍生物的合成及吸湿保湿性.日用化学工业，1990,(5):35.
[3]Mosk,Teket,Moscow. Rassia cellal.Them Teehnoi,1992,(6):26.
(收稿日期 1999-10-26), 百拇医药