不同取代羧甲基壳聚糖的制备及其结构测定

不同取代羧甲基壳聚糖的制备及其结构测定*陈浩凡 潘仕荣 王琴梅中山大学附属第一医院人工心脏研究室,广州　510089 摘要　目的　制备不同取代的羧甲基壳聚糖并测定其结构。

方法　通过不同反应条件得到不同位置取代和取代度的羧甲基壳聚糖,并用物理和化学方法进行分子结构表征。

结果　在O 位和(或)N 位发生了羧甲基化反应,产物为不同取代度的N ,O-羧甲基壳聚糖(N ,O -CM C),N -羧甲基壳聚糖(N -CM C)和O-羧甲基壳聚糖(O-CM C)。

结论　胶体滴定法是测定羧甲基壳聚糖取代度的优选方法;壳聚糖羧甲基化后水溶性极大地改善,应用前景广泛。

关键词　羧甲基壳聚糖;　取代度;　电位滴定法;　胶体滴定法中图法分类号　R318.08S ynthesis of Carboxymethyl Chitosan and Determination of Substitution DegreeChen Haofan ,Pan Shirong ,Wang Qinm eiT he First H osp ital Af f iliated to Sun Yat -sen University of M ed ical Sciences ,Guangz hou 510089Abstract Objective T o prepare and determine carbox ymethyl chitosan w ith different substitution .Methods A series of carboxy methy l chitosan having various degrees and positions of substitution w ere ob-tained by controlling reaction conditions,and characterized by chemical and physical methods.Results Car-boxy methylation occurred at hydrox yl groups and (or)amino group.The products of N,O-carbox ymethyl chi-tosan (N ,O -CM C )with different degree of substitution ,N -carboxym ethyl (N -CMC )and O -carboxym ethyl (O-CM C)were obtained.Conclusion Colloid titration is the optimized method to determine substitution de-gree of carboxym ethyl chitosan.T he product has superior w ater-soluble property and broad prospect of applica-tion .Key words carboxym ethy l chitosan ;　substitution degree ;　electrolytic titration ;　colloid titration*　广东省自然科学基金资助项目(No .20001398)和广东省科技攻关项目(N o.K B02902G )陈浩凡,男,1972年生,博士研究生 甲壳素(chitin )大量存在于甲壳动物(如蟹、虾)的甲壳中,是地球上数量最多的含氮有机物。

羧甲基壳聚糖的合成摘要壳聚糖(chitosan ,CTS)作为一种至关重要的大分子有机化合物，被广泛应用于化工、医疗、食品制造等各个行业。

但是由于壳聚糖性质特殊，除酸外，不溶于水性溶剂，且CTS在浓酸当中还会水解，因此它的实践用途并非十分广泛。

故对壳聚糖进行结构修饰，极大程度地改变其溶解性能。

本课题以壳聚糖为原料，在碱性条件下，用氯乙酸对壳聚糖进行化学改性研究，合成具有良好水溶性的羧甲基壳聚糖。

其次考察合成条件如反应温度、时间、氯乙酸质量对合成羧甲基壳聚糖的取代度的影响情况。

同时也用红外光谱的分析方法测定产物结构及取代度。

实验结果表明，反应1h到反应3h间，产品的羧甲基取代度一直增加；反应40℃到反应60℃间，产品的羧甲基取代度先增加再减少；氯乙酸质量从2.0g加到2.8g，产品的羧甲基取代度先增加再减少。

结论：取反应时间为2小时，反应温度为50℃，氯乙酸质量为2.4g,可以得到取代度较高的羧甲基壳聚糖。

关键词：壳聚糖；氯乙酸法；取代度；羧甲基壳聚糖1．绪论1.1课题背景与意义CTS的结构式如图1所示，是几丁质(chitin)在碱性条件下经过脱乙酰作用后得到的产物，其化学式是如图1的(1,4) -2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖，CTS还有多种别名，如几丁质、甲壳质、蟹壳素等。

CTS在自然界中产量丰富，来源也极其广泛，在多种海洋生物和昆虫还有细菌细胞壁当中都有CTS的踪迹。

其分子链上有—和—OH，带有的氨基和羟基使CTS性质稳定，生物相容性好，易降解，所以被广泛应用于日化、食品、造纸、制药、化妆品等方面。

但它有紧密的晶体结构，故不溶于各种常用溶剂，因而大大限制了其应用范围。

具有需要在稀酸溶液中溶解，不利于生物医学领域应用，所以通过引入羧甲基提高其水溶性，这可以极大改善CTS的亲水性。

图1 CTS分子结构式CTS一般来说溶解适应性不够强，所以需要通过羧甲基化改性，使其具有相对应的如易成膜、可增稠、保湿之类的特性，便于实验室需求。

总第136期2005年第4期安徽化工甲壳素是由虾、蟹等甲壳类动物外壳制备的一种天然生物高分子化合物，属线形多糖类。

但它难溶于水、稀酸及一般有机溶剂。

经脱乙酰化反应后制成的壳聚糖，虽能溶于稀酸，但不溶于水，使它的应用受到了限制。

因此，改善壳聚糖的溶解性能，尤其是溶解于水的性能，是开拓壳聚糖应用领域的重要环节。

将壳聚糖进一步醚化，可制成水溶性的羧甲基壳聚糖，根据羧甲基位置不同羧甲基壳聚糖可分为三种：O-羧甲基壳聚糖，N-羧甲基壳聚糖，N，O-羧甲基壳聚糖。

羧甲基壳聚糖是一种新型的无毒高分子絮凝剂，能够吸附水中的一些重金属离子，在环境保护方面尤其是水处理方面的应用前景很好。

壳聚糖经羧甲基化改性以后，提高了其水溶性，具有成膜、增稠、保湿、絮凝、螯合和胶化等特性。

作为一种新型材料，羧甲基壳聚糖在化工、食品、医疗、纺织等领域将有愈来愈广泛的应用[1~2]。

这里介绍羧甲基壳聚糖作为吸附剂和絮凝剂在水处理方面的应用。

1 羧甲基壳聚糖的制备1.1 以壳聚糖为原料合成羧甲基壳聚糖传统的羧甲基壳聚糖合成方法一般分为以下几步：溶胀、碱化、羧甲基化、提纯。

其中溶胀这一步采用乙醇、异丙醇等有机溶剂浸泡数小时即可；碱化，采取浓度为38%~60%的碱液为佳，温度可控制在20C~60C之间，且时间也是一个关键的控制参数；羧甲基化，将适量的氯乙酸加到碱化后的壳聚糖中，反应温度65C为佳，反应数小时后得粗品，采用75%或80%乙醇或甲醇溶液进行洗涤以除去反应过程中生成的盐类。

也可采用膜析法除去盐，但是成本较高。

除盐后需在真空状态下干燥，得黄色或白色纤维状粉末，干燥温度不超过65C，否则产品变性[1~2]。

1.2 以甲壳素为原料合成羧甲基壳聚糖壳聚糖是由甲壳素制备来的，若直接以甲壳素为原料制备羧甲基壳聚糖也是一条可行的路线，且因为制备壳聚糖的过程也存在碱化步骤，可合二为一，使碱化一步到位。

具体制备方法如下：甲壳素浸泡于40%~60%的NaOH溶液中，一定温度下浸泡数小时后，在搅拌过程中缓慢加入氯乙酸，于70C反应0.5~5h，酸碱质量比控制在1.2~1.6I1；反应混合物再在0C~80C时保温5~ 36h，然后用盐酸或醋酸中和，将分离出来的产物用75%乙醇水溶液洗涤后于60C干燥[3~5]。

羧甲基壳聚糖制备方法(1)将壳聚糖溶于稀乙酸中，用过量的丙酮沉淀，得到壳聚糖乙酸盐，转入带有搅拌的反应瓶中，加入一定量的NaOH溶液和异丙醇，边搅拌边滴加氯乙酸的异丙醇溶液，控制反应温度为70℃，反应数小时，冷却至室温，用稀酸调pH值至中性，用85%甲醇洗涤，干燥，即得羧甲基壳聚糖。

[2](2)将纯化好的壳聚糖装入带有搅拌的反应瓶中，加入一定量的20%NaOH溶液和异丙醇，在室温下搅拌60min，然后滴加氯乙酸的异丙醇溶液，在室温下反应5h，然后用稀盐酸中和至pH值为7，用丙酮沉淀产物，过滤，用85%甲醇溶液洗涤直至无氯离子，再用无水甲醇洗涤，60℃下真空干燥，即得产品。

[2](3)将2鲍壳聚糖加到200mL正丁醇中，室温搅拌溶胀20min，分6次加入lOmol/L NaOH溶液，每次50mL, 40min一次，最后一次加完后再搅拌40rnin，得到碱性壳聚糖，然后把24g固体氯乙酸分5次加入，5min一次，在55~75℃搅拌反应3h，接着加入17mL水，用冰醋酸调pH值至7，抽滤，用70%甲醇300mL分次洗涤，抽干后，再用300mL无水乙醇分次洗涤，于60℃真空二干燥，得产品。

羧甲基化反应温度分别为55℃, 60℃, 65℃, 70℃和75℃，产量分别为31. 0g,33.8g, 36.58, 34.0g和33.2g, 65℃时最高。

[2](4)把甲壳素于一定温度下在40%~60%NaOH溶液中浸泡0. 5~5h，然后边搅拌边加入氯乙酸，再在0~70℃反应0. 5~5h，碱酸质量比控制在(1.2~1.6):1，在0-80℃保温5~36h，然后用稀盐酸中和，分离产物，用75%乙醇溶液洗涤，于60℃干燥。

这个方法也可制备羧甲基壳聚糖。

[2](5) 15g壳聚糖先在50%(w/w) NaOH溶液中碱化，然后加150mL异丙醇搅拌，加入18g氯乙酸，在65℃反应2h，用酸中和，70%甲醇多次洗涤，然后溶于水中，再用丙酮沉淀，过滤，用无水乙醇反复洗涤，过滤，真空干燥，得到精制的羧甲基壳聚糖。

N-取代羧甲基壳聚糖及其制备方法获国家发明专利授权
佚名
【期刊名称】《材料导报》
【年(卷),期】2009(23)23
【摘要】日前，由中科院海洋研究所李鹏程研究员等完成的N-取代羧甲基壳聚糖及其制备方法获国家发明专利授权。

本发明属于海洋化工工程技术领域，是一种新的N-取代羧甲基壳聚糖化合物及其制备技术。

N-取代羧甲基壳聚糖是由羧甲基壳聚糖与取代水杨醛在水溶液中反应得到希夫碱中间体，再经NaBH。

还原后得到不同分子量的N-取代羧甲基壳聚糖。

【总页数】1页(P25-25)
【关键词】羧甲基壳聚糖;国家发明专利;N-取代;制备方法;授权;海洋研究所;工程技术;海洋化工
【正文语种】中文
【中图分类】O636.1;TS261.3
【相关文献】
1.武汉植物园“一种猕猴桃专用丰产剂及制备方法”获国家发明专利授权 [J], 张金平;
2.刘勇研究员团队发明的“种子包衣剂及其制备方法和用途”获国家发明专利授权[J], 郑庆伟;
3.羧甲基壳聚糖希夫碱衍生物及其制备方法获国家发明专利 [J],
4.“一种全植物蛋白的团头鲂膨化饲料及其制备方法”获国家发明专利授权 [J],
5.“一种浒苔型刺参生物饲料及其制备方法”获国家发明专利授权 [J],
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羧甲基壳聚糖的制备及其在保鲜中的应用朱昌玲;史劲松;孙达峰;张和;戚善龙【摘要】研究了在碱性条件,无溶剂体系下壳聚糖羧甲基化制备工艺,通过IR对反应前后壳聚糖结构进行了表征.最佳反应条件:2 g壳聚糖,在NaOH加入量为5 g、碱化时间为6 h、氯乙酸用量为6 g、3%KI、反应时间为8 h、反应温度60 ℃,产品取代度为1.27.同时研究了羧甲基壳聚糖对辣椒、猪肉涂膜保鲜实验,结果显示对辣椒、猪肉具有较好的涂膜保鲜作用.【期刊名称】《中国野生植物资源》【年(卷),期】2010(029)003【总页数】5页(P41-45)【关键词】壳聚糖;羧甲基化反应;保鲜【作者】朱昌玲;史劲松;孙达峰;张和;戚善龙【作者单位】南京野生植物研究院,江苏,南京,210042;南京野生植物研究院,江苏,南京,210042;南京野生植物研究院,江苏,南京,210042;扬州日兴生物科技股份有限公司,江苏,扬州,225001;扬州日兴生物科技股份有限公司,江苏,扬州,225001【正文语种】中文【中图分类】O636.1壳聚糖(Chitosan，Cts)是甲壳素脱乙酰后的产物，是一种天然碱性多糖，由于只能溶解于酸及酸性水溶液中，限制了它的理论研究及生产应用。

但壳聚糖具有优良的生物亲和性和生物可降解性，容易制成各种衍生物［1］。

在众多衍生物中羧甲基壳聚糖(Carboxymethyl－chitosan，CMC)研究最早，也最引人注目。

羧甲基壳聚糖是将羧甲基引入壳聚糖而得到的一类壳聚糖衍生物，通过羧甲基改性，可以破坏壳聚糖分子间的氢键，增加其水溶性。

使其既能溶于酸中，又能溶于碱中，成为聚两性电解质，从而大大扩大了壳聚糖的应用范围［2］。

由于CMC的水溶性比甲壳素和壳聚糖好，从而得到更好的发挥功效，可用作化妆品的保湿剂、果蔬保鲜剂、植物生长促进剂、水处理絮凝剂及多种药物辅剂等［3］。

根据文献［4－10］报道，在制备羧甲基壳聚糖时，均需加入异丙醇、1，4－二氧六环、二甲亚砜(DMSO)等其中一种有机溶剂进行膨化，生产时也不利于乙醇的回收利用。

第 41卷增刊2011年 5月中国海洋大学学报P E R I O D I C A L O F O C E A N U N I V E R S I T Y O F C H I N A41(S u p . , :356~358 M a y , 2011研究简报O -羧甲基壳聚糖的制备及其结构表征 *王钦权 , 王远红 , 吕志华 **(中国海洋大学医药学院 , 山东青岛 266003摘要 :本文以壳聚糖为原料 , 采用苯甲醛选择性的保护壳聚糖 C 2位氨基的方法 , 制备了 O -羧甲基壳聚糖 (O -C M C 。

采用红外光谱及核磁共振波谱法对产物结构进行了表征 , 确定了羧甲基化反应只发生在壳聚糖的 O 位。

该方法制备得到的 O -C M C 的羧甲基度为 42. 2%, 反应选择性好 , 步骤简单 , 产率高达 85%。

关键词 : O -羧甲基壳聚糖 ; 制备 ; 红外光谱 ; 核磁共振波谱中图法分类号 : O 621. 15文献标志码 : A 文章编号 : 1672-5174(2011 05Ⅱ -356-04羧甲基壳聚糖 (C M C 是为增加壳聚糖的溶解性在其分子链上引入亲水基团羧甲基而成的一种壳聚糖衍生物 , 具有优良的水溶性、成膜性、保湿性等 ,极大地扩展了壳聚糖的应用范围 [1-2]。

由于壳聚糖分子结构中有 2个羟基 (C 3位和 C 6位和 1个氨基 (C 2位 , 羧甲基化在这 3个位置均可发生 , 因此产物有 N , O -C M C 、 N -C M C 和 O -C M C 。

O -C M C 是既含有活性氨基又含有羧基的生物可降解阳性多糖 , 在医药方面可与多种生物活性物质连接 , 大大提高其承载性能 , 可以作为新一代的基因和药物靶向控释载体材料 [3]; O -C M C 具有良好的生物相容性 , 对人体内自由基清除能力强于透明质酸和淀粉的衍生物 [4]; O -C M C 对丝织物上残留的酸性染料具有很强的脱除能力 , 而且不会影响其色牢度 [5]; O -C M C 共价键合到经过预处理的玻碳电极表面可以制备出一种对多巴胺具有较高响应度的电化学传感器 [6]。

羧甲基壳聚糖的制备工艺研究丁振中;张超;曾哲灵;史劲松;李恒;龚劲松【摘要】甲壳素是仅次于纤维素的第二大生物质资源,是人类开展生物质加工利用的重要主题之一,壳聚糖是甲壳素脱乙酰基后的产物,是甲壳素粗加工产品,而羧甲基壳聚糖是一种水溶性壳聚糖衍生物。

【期刊名称】《当代化工研究》【年(卷),期】2017(000)004【总页数】2页(P88-89)【关键词】虾蟹壳甲壳素壳聚糖羧甲基壳聚糖【作者】丁振中;张超;曾哲灵;史劲松;李恒;龚劲松【作者单位】[1]扬州日兴生物科技股份有限公司,江苏210000 [2]江南大学,江苏210000;;[1]扬州日兴生物科技股份有限公司,江苏210000 [2]江南大学,江苏210000;;[1]扬州日兴生物科技股份有限公司,江苏210000 [2]江南大学,江苏210000;;[1]扬州日兴生物科技股份有限公司,江苏210000 [2]江南大学,江苏210000;;[1]扬州日兴生物科技股份有限公司,江苏210000 [2]江南大学,江苏210000;;[1]扬州日兴生物科技股份有限公司,江苏210000 [2]江南大学,江苏210000【正文语种】中文【中图分类】O636.1羧甲基壳聚糖是壳聚糖经羧甲基化反应后的一类甲壳素衍生物，由于壳聚糖分子中存在游离氨基，反应时取代基团可进入O和N，则相应的产物有O-羧甲基壳聚糖，N-羧甲基壳聚糖和N，O-羧甲基壳聚糖。

(1)仪器与试剂壳聚糖（脱乙酰度＞90%，粘度＜100cps，扬州日兴生物科技股份有限公司）；氯乙酸；氢氧化钠；冰醋酸；乙醇。

(2)羧甲基壳聚糖的制备过程称取2g壳聚糖置于200mL的烧杯中，加水20mL搅匀，每隔10min分3次共加入适量的氢氧化钠，碱化膨胀2h。

将适量的氯乙酸每隔10min分3次投入其中，充分搅拌。

再加入催化剂，然后水浴反应一定时间。

冷却后加入50mL的水，用盐酸中和至中性。

然后在2000rpm离心分离10min，在上清液中加入4倍体积的95%乙醇溶液，让后让其充分沉淀。

壳聚糖参数‎测定方法一、脱乙酰度1.酸碱滴定法‎（1）水分含量测‎定称取1~2g 壳聚糖‎样品，在60℃下烘干至恒‎重，计算失重，即得水分含‎量。

100%0121⨯--=W W W W ）水分（ 式中，W1为10‎5℃下烘干前样‎品及称样皿‎质量（g ）；W2为10‎5℃烘干后样品‎及称样皿质‎量（g ）；W0为已恒‎重的称样皿‎质量（g ）。

（2）脱乙酰度的‎测定。

称取0.3g 壳聚糖样品‎，每种样品3‎个重复， 放入2 5 0mL 锥形‎瓶 中，加入0.1mol/L HCl 标准‎溶液30m ‎L ，搅拌至完全‎溶解，加入 5～6滴甲基橙‎一苯胺蓝指‎示剂， 用0.1mol/L NaOH 标‎准溶液滴定‎溶液变成浅‎黄绿色。

记下NaO ‎H 的用量，根据HCl ‎和NaOH ‎的量，即可算出样‎品的脱乙酰‎度。

式中，C1为盐酸‎标准溶液浓‎度 (mol/L) ；C2为氢氧‎化钠标准溶‎液的浓度(mol/L)；V1为加入‎的盐酸标准‎溶液的体积‎( mL)；V2为滴定‎耗用的氢氧‎化钠标准溶‎液的体积( mL)；G 为样品质‎量( g )；W 为样品的‎水分(%)；0.016为与‎1mL 1mol/L 盐酸溶液‎相当的氨基‎量( g ) 。

2.电位滴定法‎准确称取0‎.2 g 干燥的壳‎聚糖，加入25 mL 的0.1 mol/L 的标准H ‎Cl 溶液，于磁力搅拌‎器上搅拌至‎溶解完全。

用0.1 mol/L 标准氢氧‎化钠溶滴定‎，并用pH 计‎记录相应的‎p H 。

以pH 为纵‎坐标，V(NaOH)为横坐标作‎图，直线外推至‎与横坐标相‎交处为等当‎点时所用 NaOH 溶液的体积‎。

计算方法同‎上。

3.线性电位滴‎定法准确称取0‎.25g 干燥‎至恒重的壳‎聚糖于10‎0mL 烧杯‎中，加入蒸馏水‎10mL 及‎0.1mol/L 标准HC ‎l 溶液20‎mL ，室温下磁力‎搅拌0.5h 溶解。