相转移催化反应在制备壳聚糖及其衍生物方面的应用
摘要：在不相容的两相中加入第三种物质是这两种能够反应的现象就是相转移催化。天然的高分子化合物我们是不能直接应用的，要合成壳聚糖我要通过相转移催化反应合成。因此通过相转移催化以聚乙二醇、甲壳素合成壳聚糖；以及通过相转移催化反应以壳聚糖为原料合成高取代N-烷基化壳聚糖、羧甲基壳聚糖、高脱乙酰度壳聚糖等。
关键字：相转移催化 壳聚糖
Abstract: The incompatibility of the two phases by adding a third substance to the reaction of these two phenomena is the phase transfer catalysis. Natural polymers that we can not be directly applied to synthesis of chitosan I Synthesis by phase transfer catalysis. Therefore, the phase transfer catalysis by synthetic polyethylene glycol chitosan, and by phase transfer catalysis to the synthesis of highly substituted chitosan and N-alkyl chitosan, carboxymethyl chitosan, high degree of deacetylation Chitosan.
Keywords: phase transfer catalysis chitosan
一、制备壳聚糖
1.1 甲壳素制备壳聚糖[1]
甲壳素是一种天然有机高分子多糖,在自然界贮量仅次于纤维素。目前甲壳素脱乙酰反应一般在40%~60%(质量分数)浓氢氧化钠水溶液中于65~130℃加热非均相进行,产物壳聚糖的脱乙酰度随反应时间、温度和碱度的增大而提高[1~3]。骆广生等的研究表明氢氧化钠浓度低于30%(质量分数)时,无论温度多高,反应时间多长,产物的脱乙酰度也不能大于50%[2]。为了降低碱的浓度,缩短反应时间,选择合适的温度,有利于工业生产的进行。本文研究了在35%(质量分数)的氢氧化钠醇水反应介质中,选用了多种相转移催化剂,进行有关试验研究。其结果表明,在相转移催化剂存在下,在低碱度介质中,可以制取各种脱乙酰度的壳聚糖产品,这对于工业生产壳聚糖具有一定指导意义。龙虾甲壳素(自制);氢氧化钠(AR);乙醇(AR);盐酸(AR);四丁基溴化铵(AR);十六烷基三甲基溴化铵(AR);聚乙二醇600(工业品)。恒温磁力搅拌器;变压器;回流冷凝管;烘箱;碱式滴定管;超级恒温器。 实验原理
甲壳素的化学名称为(1,4)-2-乙酰胺-2-脱氧-β-D-葡萄糖。甲壳素若脱去分子中乙酰基就转变为壳聚糖。它们的结构关系如下式所示：
将甲壳素置于35%(质量分数)的NaOH溶液中并按氢氧化钠溶液质量加入不同体积乙醇,再分别添加几种不同的相转移催化剂,在一定温度下恒温回流反应数小时,然后过滤洗涤至中性,干燥后得到一定脱乙酰度的壳聚糖。
1.2 聚乙二醇制备壳聚糖[2]
传统的方法生产壳聚糖，反应时间长，碱液浓度高，酸碱用量大，污染严重川。采用相转移催化工艺，以聚乙二醇作为相转移催化剂，对壳聚糖生产工艺进行研究，降低了碱液浓度，并对废水进行提取，变废为宝，得到蛋白质和碳酸钙，且给污水处理带来了方便，具有较高的推广价值。
制备方法：将龙虾壳用质量分数4%NaOH溶液浸饱24h，再用自来水清洗至中性，用质量分数7%盐酸浸泡24h，洗至中性后烘干得到甲壳素。将甲壳素与NaOH和乙醇在三口烧瓶中泯合搅拌，加人聚乙二醇(PEG一600)相转移催化剂，在一定温度下回流反应一定时间，过，洗涤、烘千，得产物壳聚糖。
二 相转移催化反应在制备甲基壳聚糖上的应用
方法一：[3]
采用相转移催化法制备了羧甲基壳聚糖，考察了催化剂种类、催化剂使用量、反应温度、反应时间和溶剂中水醇比对羧甲基壳聚糖取代度(DS)和溶解性的影响。得到最佳反应条件为：以6%的苄基三乙基氯化铵(TEBA)作催化剂，反应温度55℃，反应时间4h，溶剂中水醇比1:4(V/V)，羧甲基壳聚糖的取代度(DS)和溶解率分别达到1.147和98.87%。并采用傅立叶红外光谱法及X光电子能谱分析法对产物结构进行了表征，结果表明壳聚糖羧甲基化反应主要是发生在C6位上的－OH基团上。
制备方法：将2.0g壳聚糖装入带有回流冷凝管的三口烧瓶中，加入20ml水醇(无水乙醇)比1:4(V/V)的溶液，3g氢氧化钠，55℃搅拌1h，加入6%的相转移催化剂，滴加2.4g溶于4ml异丙醇的氯乙酸，于30min滴加完毕，继续反应3.5h，冷却至室温，加入100ml 70%乙醇及少量5mol/L盐酸，室温搅拌30min，过滤，
70%乙醇洗涤至中性，6 0℃真空干燥。
方法二：[4]
用相转移催化剂制备羧甲基壳聚糖,研究了反应时间、温度、碱浓度和投料比等工艺条件对羧甲基化程度及产物收率的影响。结果表明,使用相转移催化剂,反应时间缩短到3h,羧甲基壳聚糖取代度和收率分别达到0.92和84.42%。
试验方法：称取3g粉末状壳聚糖,加入到四口反应瓶中,然后依次加入预先配制的氢氧化钠溶液、十二烷基苯磺酸钠催化剂和50mL异丙醇,碱化溶胀1h~2h。将预先溶解好的氯乙酸与异丙醇溶液在搅拌状态下缓慢滴加到反应瓶中,再加入催化剂十六烷基三甲基溴化铵,于一定温度下反应数小时,控制pH值9~10。反应结束后,分离上层异丙醇溶液,加入100mL去离子水,用冰乙酸调整pH值至中性,滤出溶液中的不溶物。滤液用甲醇∶乙醇=1∶1(V/V)的混合溶剂进行沉析,再用w=0.8的乙醇水溶液洗涤,直到用AgNO3检验无Cl-为止。析出物再经丙酮洗涤、抽滤、真空干燥,样品供分析测试。
方法三：[5]
采用相转移催化剂制备羧甲基壳聚糖,考察了催化剂种类、反应温度、反应时间和溶剂中水醇比对羧甲基壳聚糖取代度(DS)和溶解性的影响。得到最佳反应条件为:以三乙基苄基氯化铵(TEBA)作催化剂,反应温度55℃,反应时间4 h,溶剂中水醇比为1∶4(体积比),羧甲基壳聚糖取代度和溶解率分别达到1·12和98·3%。
试验方法：将2·0 g壳聚糖装入带有回流冷凝管的三口烧瓶中,加入20 mL溶剂、3 g氢氧化钠,55℃搅拌1 h,加入适量相转移催化剂,滴加2·4 g溶于4 mL异丙醇的氯乙酸,于30 min滴加完毕,继续反应4 h,冷却至室温,加入100 mL 70%
乙醇及少量5 mol·L-1盐酸,室温搅拌30 min,过滤,70%乙醇洗涤至中性,60℃真空干燥。
三 相转移催化反应在制备其它相关物质的应用
3.1 相转移催化制备搞脱乙酰度壳聚糖[6]
采用正丁醇-氢氧化钠反应体系,以十六烷基三甲基溴化铵为相转移催化剂,制得脱乙酰度为92%的壳聚糖。最佳反应条件为:甲壳素1. 5 g,反应温度120℃,反应时间2 h,w(催化剂)7% (以甲壳素的质量计),m(甲壳素)∶m(NaOH)∶m(醇)=1∶3∶16。
制备方法：在三口瓶中加入甲壳素1. 5 g,一定量的正丁醇、固体NaOH和适量的相转移催化剂十六烷基三甲基溴化铵,搅拌加热保温至给定时间,过滤,滤饼用蒸馏水洗至中性,烘干,得到淡黄色片状固体壳聚糖,其D.D采用酸碱滴定法[4]测定,并测其水分。
3.2 微波辐射相转移催化制备高取代N-烷基化壳聚糖[7]
自1986年Gedye等将微波用于有机合成反应以来,微波在有机合成中的应用发展迅速,特别是微波辐射与相转移催化的结合,大大缩短了反应时间,提高了产率,且操作简便,已成为一项新的环境友好合成方法。微波辐射在壳聚糖的脱乙酰化、降解、交联等方面的应用已有报道[2~4],但未见在壳聚糖的N-烷基化改性方面的报道。N-烷基化壳聚糖是壳聚糖的重要衍生物,它可改变壳聚糖的亲疏水性,因而广泛用于化妆品、环保、纺织、医药等领域。有关壳聚糖N-烷基化改性的报道,多集中于短链烷基和卤代烃类[5, 6]。长链N-烷基化壳聚糖衍生物因具有双亲性,可用于自组装药用微囊的制备,但用高级脂肪醛通过席佛碱反应改性,因系两相反应,取代度低,我们曾采用加入相转移催化剂十二烷基磺酸钠以提高N-烷基化壳
聚糖的取代度,但反应时间长,效率较低。本文采用微波辐射的方法相转移催化制备N-十二烷化壳聚糖,提高了反应效率,缩短了反应时间。其反应式如下
:
制备方法：取1·0 g壳聚糖(CTS)溶于25mLH2O中, 40℃搅拌溶解,用NaOH调节pH值为7左右,继续搅拌30 min碱化。加入25mL体积分数为5%的HOAc, 40℃搅拌1 h,充分溶解。依次加入月桂醛,催化剂十二烷基磺酸钠(SDS), 40℃充分搅拌溶解。微波反应一定时间,用NaOH溶液调节pH=4·5,用理论量1·5倍的10%NaBH4溶液还原,继续搅拌2~3 h。丙酮沉淀,过滤,水洗,丙酮洗涤,得N-十二烷基化壳聚糖,产物用丙酮索氏提取48 h以上, 40℃真空干燥。
结语
由上面可以看出相转移催化反应在高分子、药物合成中的应用是十分广泛的。这是由于高分子化合物和药物大部分都是不能和水及其无机盐溶液相容的，因此要通过另外一种物质来是他们在两相间转移，及把一种物质带入到另外一种物质中。这样能很大的提高反应的速度和产率。可见相转移催化反应是如此的重要，找出这样的催化剂更是反应的关键。在这个方面有很大的研究价值，应该投入更多人力、财力。
参考文献
[1] 骆广生,高满春.天然吸附剂壳聚糖吸附性能的研究[J].天然产物研究与开发,
1994,6(2): 84-89.
[2] 张一烽,张富尧,陈剑峰,等.高脱乙酰度壳聚糖的制备及结构研究[J].浙江化工,
1992,23(2): 20-23.
[3] 夏士朋.相转移催化制备壳聚糖[ J].化学世界,2002,1: 25-26.
[4] 陈振宁,郭慎满.碱量法测壳聚糖中胺基方法的改进[J].化学通报, 1990, (10):
42-44.
[5] 陈浩凡,潘仕荣,王琴梅.不同取代羧甲基壳聚糖的制备及其结构测定[J].华中
科技大学学报,2003,32(2):153-156.
[6] 夏树伟,隋卫平,陈国华.羧甲基壳聚糖衍生物及其振动光谱理论研究[J].物理
化学学报,2002,18(2):248-252.
[7] 柴兰琴，董文魁.相转移催化反应机理及应用[J].兰州铁道学院学报，2002，21(4):89.
相转移催化反应在制备壳聚糖及其衍生物方面的应用
摘要：在不相容的两相中加入第三种物质是这两种能够反应的现象就是相转移催化。天然的高分子化合物我们是不能直接应用的，要合成壳聚糖我要通过相转移催化反应合成。因此通过相转移催化以聚乙二醇、甲壳素合成壳聚糖；以及通过相转移催化反应以壳聚糖为原料合成高取代N-烷基化壳聚糖、羧甲基壳聚糖、高脱乙酰度壳聚糖等。
关键字：相转移催化 壳聚糖
Abstract: The incompatibility of the two phases by adding a third substance to the reaction of these two phenomena is the phase transfer catalysis. Natural polymers that we can not be directly applied to synthesis of chitosan I Synthesis by phase transfer catalysis. Therefore, the phase transfer catalysis by synthetic polyethylene glycol chitosan, and by phase transfer catalysis to the synthesis of highly substituted chitosan and N-alkyl chitosan, carboxymethyl chitosan, high degree of deacetylation Chitosan.
Keywords: phase transfer catalysis chitosan
一、制备壳聚糖
1.1 甲壳素制备壳聚糖[1]
甲壳素是一种天然有机高分子多糖,在自然界贮量仅次于纤维素。目前甲壳素脱乙酰反应一般在40%~60%(质量分数)浓氢氧化钠水溶液中于65~130℃加热非均相进行,产物壳聚糖的脱乙酰度随反应时间、温度和碱度的增大而提高[1~3]。骆广生等的研究表明氢氧化钠浓度低于30%(质量分数)时,无论温度多高,反应时间多长,产物的脱乙酰度也不能大于50%[2]。为了降低碱的浓度,缩短反应时间,选择合适的温度,有利于工业生产的进行。本文研究了在35%(质量分数)的氢氧化钠醇水反应介质中,选用了多种相转移催化剂,进行有关试验研究。其结果表明,在相转移催化剂存在下,在低碱度介质中,可以制取各种脱乙酰度的壳聚糖产品,这对于工业生产壳聚糖具有一定指导意义。龙虾甲壳素(自制);氢氧化钠(AR);乙醇(AR);盐酸(AR);四丁基溴化铵(AR);十六烷基三甲基溴化铵(AR);聚乙二醇600(工业品)。恒温磁力搅拌器;变压器;回流冷凝管;烘箱;碱式滴定管;超级恒温器。 实验原理
甲壳素的化学名称为(1,4)-2-乙酰胺-2-脱氧-β-D-葡萄糖。甲壳素若脱去分子中乙酰基就转变为壳聚糖。它们的结构关系如下式所示：
将甲壳素置于35%(质量分数)的NaOH溶液中并按氢氧化钠溶液质量加入不同体积乙醇,再分别添加几种不同的相转移催化剂,在一定温度下恒温回流反应数小时,然后过滤洗涤至中性,干燥后得到一定脱乙酰度的壳聚糖。
1.2 聚乙二醇制备壳聚糖[2]
传统的方法生产壳聚糖，反应时间长，碱液浓度高，酸碱用量大，污染严重川。采用相转移催化工艺，以聚乙二醇作为相转移催化剂，对壳聚糖生产工艺进行研究，降低了碱液浓度，并对废水进行提取，变废为宝，得到蛋白质和碳酸钙，且给污水处理带来了方便，具有较高的推广价值。
制备方法：将龙虾壳用质量分数4%NaOH溶液浸饱24h，再用自来水清洗至中性，用质量分数7%盐酸浸泡24h，洗至中性后烘干得到甲壳素。将甲壳素与NaOH和乙醇在三口烧瓶中泯合搅拌，加人聚乙二醇(PEG一600)相转移催化剂，在一定温度下回流反应一定时间，过，洗涤、烘千，得产物壳聚糖。
二 相转移催化反应在制备甲基壳聚糖上的应用
方法一：[3]
采用相转移催化法制备了羧甲基壳聚糖，考察了催化剂种类、催化剂使用量、反应温度、反应时间和溶剂中水醇比对羧甲基壳聚糖取代度(DS)和溶解性的影响。得到最佳反应条件为：以6%的苄基三乙基氯化铵(TEBA)作催化剂，反应温度55℃，反应时间4h，溶剂中水醇比1:4(V/V)，羧甲基壳聚糖的取代度(DS)和溶解率分别达到1.147和98.87%。并采用傅立叶红外光谱法及X光电子能谱分析法对产物结构进行了表征，结果表明壳聚糖羧甲基化反应主要是发生在C6位上的－OH基团上。
制备方法：将2.0g壳聚糖装入带有回流冷凝管的三口烧瓶中，加入20ml水醇(无水乙醇)比1:4(V/V)的溶液，3g氢氧化钠，55℃搅拌1h，加入6%的相转移催化剂，滴加2.4g溶于4ml异丙醇的氯乙酸，于30min滴加完毕，继续反应3.5h，冷却至室温，加入100ml 70%乙醇及少量5mol/L盐酸，室温搅拌30min，过滤，
70%乙醇洗涤至中性，6 0℃真空干燥。
方法二：[4]
用相转移催化剂制备羧甲基壳聚糖,研究了反应时间、温度、碱浓度和投料比等工艺条件对羧甲基化程度及产物收率的影响。结果表明,使用相转移催化剂,反应时间缩短到3h,羧甲基壳聚糖取代度和收率分别达到0.92和84.42%。
试验方法：称取3g粉末状壳聚糖,加入到四口反应瓶中,然后依次加入预先配制的氢氧化钠溶液、十二烷基苯磺酸钠催化剂和50mL异丙醇,碱化溶胀1h~2h。将预先溶解好的氯乙酸与异丙醇溶液在搅拌状态下缓慢滴加到反应瓶中,再加入催化剂十六烷基三甲基溴化铵,于一定温度下反应数小时,控制pH值9~10。反应结束后,分离上层异丙醇溶液,加入100mL去离子水,用冰乙酸调整pH值至中性,滤出溶液中的不溶物。滤液用甲醇∶乙醇=1∶1(V/V)的混合溶剂进行沉析,再用w=0.8的乙醇水溶液洗涤,直到用AgNO3检验无Cl-为止。析出物再经丙酮洗涤、抽滤、真空干燥,样品供分析测试。
方法三：[5]
采用相转移催化剂制备羧甲基壳聚糖,考察了催化剂种类、反应温度、反应时间和溶剂中水醇比对羧甲基壳聚糖取代度(DS)和溶解性的影响。得到最佳反应条件为:以三乙基苄基氯化铵(TEBA)作催化剂,反应温度55℃,反应时间4 h,溶剂中水醇比为1∶4(体积比),羧甲基壳聚糖取代度和溶解率分别达到1·12和98·3%。
试验方法：将2·0 g壳聚糖装入带有回流冷凝管的三口烧瓶中,加入20 mL溶剂、3 g氢氧化钠,55℃搅拌1 h,加入适量相转移催化剂,滴加2·4 g溶于4 mL异丙醇的氯乙酸,于30 min滴加完毕,继续反应4 h,冷却至室温,加入100 mL 70%
乙醇及少量5 mol·L-1盐酸,室温搅拌30 min,过滤,70%乙醇洗涤至中性,60℃真空干燥。
三 相转移催化反应在制备其它相关物质的应用
3.1 相转移催化制备搞脱乙酰度壳聚糖[6]
采用正丁醇-氢氧化钠反应体系,以十六烷基三甲基溴化铵为相转移催化剂,制得脱乙酰度为92%的壳聚糖。最佳反应条件为:甲壳素1. 5 g,反应温度120℃,反应时间2 h,w(催化剂)7% (以甲壳素的质量计),m(甲壳素)∶m(NaOH)∶m(醇)=1∶3∶16。
制备方法：在三口瓶中加入甲壳素1. 5 g,一定量的正丁醇、固体NaOH和适量的相转移催化剂十六烷基三甲基溴化铵,搅拌加热保温至给定时间,过滤,滤饼用蒸馏水洗至中性,烘干,得到淡黄色片状固体壳聚糖,其D.D采用酸碱滴定法[4]测定,并测其水分。
3.2 微波辐射相转移催化制备高取代N-烷基化壳聚糖[7]
自1986年Gedye等将微波用于有机合成反应以来,微波在有机合成中的应用发展迅速,特别是微波辐射与相转移催化的结合,大大缩短了反应时间,提高了产率,且操作简便,已成为一项新的环境友好合成方法。微波辐射在壳聚糖的脱乙酰化、降解、交联等方面的应用已有报道[2~4],但未见在壳聚糖的N-烷基化改性方面的报道。N-烷基化壳聚糖是壳聚糖的重要衍生物,它可改变壳聚糖的亲疏水性,因而广泛用于化妆品、环保、纺织、医药等领域。有关壳聚糖N-烷基化改性的报道,多集中于短链烷基和卤代烃类[5, 6]。长链N-烷基化壳聚糖衍生物因具有双亲性,可用于自组装药用微囊的制备,但用高级脂肪醛通过席佛碱反应改性,因系两相反应,取代度低,我们曾采用加入相转移催化剂十二烷基磺酸钠以提高N-烷基化壳
聚糖的取代度,但反应时间长,效率较低。本文采用微波辐射的方法相转移催化制备N-十二烷化壳聚糖,提高了反应效率,缩短了反应时间。其反应式如下
:
制备方法：取1·0 g壳聚糖(CTS)溶于25mLH2O中, 40℃搅拌溶解,用NaOH调节pH值为7左右,继续搅拌30 min碱化。加入25mL体积分数为5%的HOAc, 40℃搅拌1 h,充分溶解。依次加入月桂醛,催化剂十二烷基磺酸钠(SDS), 40℃充分搅拌溶解。微波反应一定时间,用NaOH溶液调节pH=4·5,用理论量1·5倍的10%NaBH4溶液还原,继续搅拌2~3 h。丙酮沉淀,过滤,水洗,丙酮洗涤,得N-十二烷基化壳聚糖,产物用丙酮索氏提取48 h以上, 40℃真空干燥。
结语
由上面可以看出相转移催化反应在高分子、药物合成中的应用是十分广泛的。这是由于高分子化合物和药物大部分都是不能和水及其无机盐溶液相容的，因此要通过另外一种物质来是他们在两相间转移，及把一种物质带入到另外一种物质中。这样能很大的提高反应的速度和产率。可见相转移催化反应是如此的重要，找出这样的催化剂更是反应的关键。在这个方面有很大的研究价值，应该投入更多人力、财力。
参考文献
[1] 骆广生,高满春.天然吸附剂壳聚糖吸附性能的研究[J].天然产物研究与开发,
1994,6(2): 84-89.
[2] 张一烽,张富尧,陈剑峰,等.高脱乙酰度壳聚糖的制备及结构研究[J].浙江化工,
1992,23(2): 20-23.
[3] 夏士朋.相转移催化制备壳聚糖[ J].化学世界,2002,1: 25-26.
[4] 陈振宁,郭慎满.碱量法测壳聚糖中胺基方法的改进[J].化学通报, 1990, (10):
42-44.
[5] 陈浩凡,潘仕荣,王琴梅.不同取代羧甲基壳聚糖的制备及其结构测定[J].华中
科技大学学报,2003,32(2):153-156.
[6] 夏树伟,隋卫平,陈国华.羧甲基壳聚糖衍生物及其振动光谱理论研究[J].物理
化学学报,2002,18(2):248-252.
[7] 柴兰琴，董文魁.相转移催化反应机理及应用[J].兰州铁道学院学报，2002，21(4):89.