一種含鹵素的殼聚糖季銨鹽及其制備方法和應用與流程

本發明涉及海洋化工工程技術領域，可應用于醫藥和農藥等領域，具體講是一種含鹵素的殼聚糖季銨鹽的制備方法和應用。

背景技術：

殼聚糖(chitosan)是自然界中唯一一種天然陽離子堿性多糖，具有獨特的物理化學結構，具有優良的生物親和性和生物可降解性。由于殼聚糖同時具有游離的氨基和羥基，故具有特殊的生理活性，廣泛應用于化工、農藥、醫藥、食品等領域。在殼聚糖眾多的衍生物中，殼聚糖季銨鹽具有比殼聚糖更好的生物活性與水溶性，是殼聚糖最重要的衍生物之一。目前，一般所涉及到的殼聚糖季銨鹽具有的陰離子為碘離子或氯離子，這兩種離子對殼聚糖季銨鹽的生物活性影響較小。

技術實現要素：

為解決上述技術問題，本發明提供了一種含鹵素的殼聚糖季銨鹽及其制備方法及應用，一般情況下，殼聚糖季銨鹽的合成用到的是碘甲烷，即首先得到n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽，而碘離子可以換成具有與殼聚糖季銨鹽生物活性相近的其他陰離子基團，使得同一個化合物中陰陽離子都具有一定的生物活性，根據活性疊加原理，具有相同或相近生物活性的殼聚糖季銨鹽陽離子與含鹵素的陰離子形成的鹽，具有更高的生物活性，本發明以殼聚糖為原料、碘化鈉作為催化劑、以氫氧化鈉拔除氨基上的氫、碘甲烷作為親核試劑形成三甲基，制備出n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽，再將n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與含鹵素的有機酸鹽進行離子交換，得到含鹵素的殼聚糖季銨鹽。

具體技術方案如下：

一種含鹵素的殼聚糖季銨鹽，含鹵素的殼聚糖季銨鹽結構式如下：

其中n的平均取值范圍是10-1242。

所述含鹵素的殼聚糖季銨鹽可應用于醫藥和農藥領域。

一種含鹵素的殼聚糖季銨鹽的制備方法，包括如下步驟：

(1)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備：取一定量的殼聚糖分散于n-甲基吡咯烷酮中，攪拌12小時，依次加入相應比例碘化鈉、氫氧化鈉溶液與碘甲烷，于60℃下繼續反應24小時，然后加入過量丙酮進行沉淀并抽濾得到濾餅，即得n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽；

(2)含鹵素的殼聚糖季銨鹽的制備：取一定量上述n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與相應比例鹵代乙酸鹽進行離子交換，即得含鹵素的殼聚糖季銨鹽。

所述殼聚糖、n-甲基吡咯烷酮、碘化鈉、氫氧化鈉、碘甲烷用量為：1g殼聚糖用50～60ml的n-甲基吡咯烷酮、1.5～2g碘化鈉、0.12～0.2mol氫氧化鈉、4～5ml碘甲烷。

所述鹵代乙酸鹽可以為氯乙酸鈉、二氯乙酸鈉、三氯乙酸鈉、三氟乙酸鈉中的一種。

所述丙酮的加入量為1g殼聚糖使用200ml丙酮。

所述離子交換可以為透析袋交換和直接交換兩種方法之一：

(1)透析袋交換：取一定量所述n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽配制成溶液，裝入透析袋中，放入盛有鹵代乙酸鹽溶液的燒杯中透析8～24小時后，取出透析袋，再放入蒸餾水中透析2～3天，將透析袋中的溶液濃縮后冷凍干燥即得到含鹵素的殼聚糖季銨鹽，n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與鹵代乙酸鹽的摩爾比例為1：(30～140)；

(2)直接交換：取一定量所述n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽溶于相應比例的鹵代乙酸鹽水溶液中，在蒸餾水中透析2～3天，所得溶液在冷凍干燥器中干燥即得到含鹵素的殼聚糖季銨鹽，n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與鹵代乙酸鹽的摩爾比例為1：(4～11.4)。

本方法的優點是：

(1)含鹵素的殼聚糖季銨鹽的陰離子與陽離子都具有很好的殺菌抑菌活性，結果表明含鹵素的殼聚糖季銨鹽的抗菌活性高于殼聚糖和n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽。

(2)研究表明該衍生物水溶性良好，具有很好的抑菌活性，可以廣泛應用于醫藥和農藥等領域。

附圖說明

圖1為殼聚糖的紅外光譜圖；

圖2為本發明實施例提供n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖；

圖3為本發明實施例1氯乙酸化殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖；

圖4為本發明實施例5二氯乙酸化殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖；

圖5為本發明實施例2三氯乙酸化殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖；

圖6為本發明實施例4三氟乙酸化殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖。

具體實施方式

下面結合實施例對本發明進行詳細說明，但本發明的保護范圍不受實施例所限。

實施例1：

(1)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備：取1g殼聚糖分散于50ml的n-甲基吡咯烷酮中，攪拌12小時，依次加入1.5g碘化鈉、0.12ml濃度為1mol/ml的氫氧化鈉溶液及4ml碘甲烷，于60℃下繼續反應24小時，然后加入200ml丙酮中進行沉淀并抽濾得到濾餅，即n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽；

(2)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽1g溶于水中，放入透析袋，在500ml質量分數為10％的氯乙酸鈉溶液中透析24小時(n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與氯乙酸鈉的摩爾比例為1：140)，把氯乙酸鈉溶液去掉，換成蒸餾水，繼續透析2天，所得溶液在冷凍干燥器中干燥得到氯乙酸化殼聚糖季銨鹽。

實施例2

(1)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備：取1g殼聚糖分散于55ml的n-甲基吡咯烷酮中，室溫攪拌12小時后，依次加入1.8g碘化鈉、0.1ml濃度為1mol/ml的氫氧化鈉溶液與5ml碘甲烷，60℃下繼續反應24小時，然后加入200ml丙酮中進行沉淀并抽濾得到濾餅，即n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽；

(2)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽1g溶于20ml質量分數為10％的三氯乙酸鈉水溶液中(n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與三氯乙酸鈉的摩爾比例為1：4)，放入透析袋，在蒸餾水中透析2天，所得溶液在冷凍干燥器中干燥得到三氯乙酸化殼聚糖季銨鹽。

實施例3

(1)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備：取1g殼聚糖分散于60ml的n-甲基吡咯烷酮中，室溫攪拌12小時后，依次加入1.5g碘化鈉、0.2ml濃度為1mol/ml的氫氧化鈉溶液與4.5ml碘甲烷，60℃下繼續反應24小時，然后加入200ml丙酮中進行沉淀并抽濾得到濾餅，即n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽；

(2)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽1g溶于水中，放入透析袋，在500ml質量分數為3％三氯乙酸鈉溶液中透析20小時(n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與三氯乙酸鈉的摩爾比例為1：30)，把三氯乙酸鈉溶液去掉，換成蒸餾水，繼續透析3天，所得溶液在冷凍干燥器中干燥得到三氯乙酸化殼聚糖季銨鹽。

實施例4

(1)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備：取1g殼聚糖分散于50ml的n-甲基吡咯烷酮中，室溫攪拌12小時后，依次加入1.5g碘化鈉、0.2ml濃度為1mol/ml的氫氧化鈉溶液與5ml碘甲烷，60℃下繼續反應24小時，然后加入200ml丙酮中進行沉淀并抽濾得到濾餅，即n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽；

(2)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽1g溶于20ml質量分數為16％的三氟乙酸鈉水溶液中(n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與三氟乙酸鈉的摩爾比例為1：8)，放入透析袋，在蒸餾水中透析3天，所得溶液在冷凍干燥器中干燥得到三氟乙酸化殼聚糖季銨鹽。

實施例5

(1)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備：取1g殼聚糖分散于50ml的n-甲基吡咯烷酮中，攪拌12小時，依次加入1.5g碘化鈉、0.12ml濃度為1mol/ml的氫氧化鈉溶液及4ml碘甲烷，于60℃下繼續反應24小時，然后加入200ml丙酮中進行沉淀并抽濾得到濾餅，即n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽；

(2)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽1g溶于水中，放入透析袋，在500ml質量分數為9％的二氯乙酸鈉溶液中透析24小時(n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與二氯乙酸鈉的摩爾比例為1：100)，把二氯乙酸鈉溶液去掉，換成蒸餾水，繼續透析2天，所得溶液在冷凍干燥器中干燥得到二氯乙酸化殼聚糖季銨鹽。

實施例6

(1)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備：取1g殼聚糖分散于55ml的n-甲基吡咯烷酮中，室溫攪拌12小時后，依次加入1.8g碘化鈉、0.1ml濃度為1mol/ml的氫氧化鈉溶液與5ml碘甲烷，60℃下繼續反應24小時，然后加入200ml丙酮中進行沉淀并抽濾得到濾餅，即n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽；

(2)n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽1g溶于20ml質量分數為20％的氯乙酸鈉水溶液中(n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與氯乙酸鈉的摩爾比例為1：11.4)，放入透析袋，在蒸餾水中透析2天，所得溶液在冷凍干燥器中干燥得到氯乙酸化殼聚糖季銨鹽。

圖1為殼聚糖的紅外光譜圖，圖2為本發明實施例提供n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖。由圖可見，與殼聚糖原料相比，殼聚糖本身在1600cm^-1處-nh2鍵的吸收峰消失，在1469cm^-1處出現了n,n,n-三甲基的振動吸收峰，以上分析數據，證明n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽合成。

圖3為本發明實施例1氯乙酸化殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖，由圖可見，1469cm^-1處n,n,n-三甲基的振動吸收峰依然還在，且在775cm^-1處出現氯乙酸根離子中c-cl鍵的振動吸收峰，由此證明氯乙酸根陰離子交換n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽中碘離子成功。

圖4為本發明實施例5二氯乙酸化殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖，由圖可見，1469cm^-1處n,n,n-三甲基的振動吸收峰依然還在，且在767cm^-1處出現二氯乙酸根離子中c-cl鍵的振動吸收峰，由此證明二氯乙酸根陰離子交換n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽中碘離子成功。

圖5為本發明實施例2三氯乙酸化殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖，由圖可見，1469cm^-1處n,n,n-三甲基的振動吸收峰依然還在，且在833cm^-1處出現三氯乙酸根離子中c-cl鍵的振動吸收峰，由此證明三氯乙酸根陰離子交換n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽中碘離子成功。

圖6為本發明實施例4三氟乙酸化殼聚糖季銨鹽的紅外光譜圖，由圖可見，1473cm^-1處n,n,n-三甲基的振動吸收峰依然還在，且在1195cm^-1和1126cm^-1處出現三氟乙酸根離子中c-f鍵的振動吸收峰，由此證明三氟乙酸根陰離子交換n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽中碘離子成功。

對殼聚糖、n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽與所合成的氯乙酸化殼聚糖季銨鹽、二氯乙酸化殼聚糖季銨鹽、三氯乙酸化殼聚糖季銨鹽和三氟乙酸化殼聚糖季銨鹽采用菌絲生長速率法，分別測定抑制黃瓜枯萎病菌、蘆筍莖枯病菌和西瓜枯萎病菌的能力，抑菌率(％)＝[1-(d樣品-5)/(d空白-5)]×100，其中，d樣品為待測樣品的菌落生長直徑，d空白為空白對照組的菌落生長直徑。測定結果如表1-3所示。

表1含鹵素殼聚糖季銨鹽對黃瓜枯萎病菌的抑菌率(％)

表2含鹵素殼聚糖季銨鹽對蘆筍莖枯病菌的抑菌率(％)

表3含鹵素殼聚糖季銨鹽對西瓜枯萎病菌的抑菌率(％)

實驗結果：本發明所合成的氯乙酸化殼聚糖季銨鹽、二氯乙酸化殼聚糖季銨鹽、三氯乙酸化殼聚糖季銨鹽和三氟乙酸化殼聚糖季銨鹽與殼聚糖、n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽對黃瓜枯萎病菌的抑菌率如表1所示、對蘆筍莖枯病菌的抑菌率如表2所示、對西瓜枯萎病菌的抑菌率如表3所示，由于鹵代酸具有較強的殺菌能力，故本發明所合成的含鹵素殼聚糖季銨鹽的抑菌能力優于n,n,n-三甲基殼聚糖季銨鹽和殼聚糖。在氯代乙酸化殼聚糖季銨鹽中，所含氯原子的數量對抑菌能力有一定的影響，氯原子數量越多，抗菌活性也越強。