N-二異丙氧磷?；瘹す烟堑暮铣膳c表征

馬 力, 李廣華, 李克讓, 李利民, 劉 蒲

(鄭州大學(xué) 化學(xué)系 河南 鄭州 450001)

N-二異丙氧磷?；瘹す烟堑暮铣膳c表征

馬 力, 李廣華, 李克讓, 李利民, 劉 蒲

(鄭州大學(xué) 化學(xué)系 河南 鄭州 450001)

通過(guò)殼寡糖和二異丙基亞磷酸酯在一種溫和條件下發(fā)生Atherton-Todd反應(yīng)，成功制備出了一種新型的殼寡糖含磷衍生物N-二異丙氧磷酰化殼寡糖.探討了水與無(wú)水乙醇的體積比、殼寡糖與三乙胺的摩爾比、殼寡糖與二異丙基亞磷酸酯的摩爾比以及反應(yīng)時(shí)間等因素對(duì)產(chǎn)品含磷量的影響.最后，對(duì)最優(yōu)條件下合成的產(chǎn)品進(jìn)行IR、1H-NMR、13C-NMR 以及31P-NMR的表征，證明二異丙氧磷酰基已經(jīng)成功嫁接到了殼寡糖的氨基上.這種簡(jiǎn)單而有效的方法為N-磷?；瘹ぞ厶茄苌锏闹苽涮峁┝艘粭l新的途徑.

殼寡糖； N-二異丙氧磷?；瘹す烟牵?Atherton-Todd反應(yīng)； 表征

0 引言

殼聚糖是一種天然的陽(yáng)離子生物材料，是聚-β-(1-4)-D-氨基葡萄糖衍生物，可以通過(guò)甲殼素的全部或部分的脫乙酰作用得到，它是自然界中數(shù)量?jī)H次于纖維素的天然產(chǎn)物，也是迄今所發(fā)現(xiàn)的自然界中唯一的堿性多糖[1].由于其具有多樣的生物活性、良好的生物相容性、可降解性以及無(wú)毒性，使殼聚糖逐漸成為一種使用越來(lái)越廣泛的新型生物功能材料[2].近年來(lái)，隨著材料與生物醫(yī)藥科學(xué)的快速發(fā)展，殼聚糖及其衍生物在廢水處理、化妝品、藥物運(yùn)輸、重金屬螯合[2-3]、電化學(xué)DNA生物傳感器[4]等領(lǐng)域中的應(yīng)用受到了廣泛的重視.

通過(guò)對(duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)修飾來(lái)得到新的功能材料是殼聚糖研究領(lǐng)域中最為引人矚目的.因?yàn)閷?duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)修飾并不會(huì)改變其本身的基本結(jié)構(gòu).因此，在保留原有物理化學(xué)和生物化學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)需要可以在殼聚糖分子鏈上引入其他基團(tuán)，從而合成出新的殼聚糖衍生物并產(chǎn)生相應(yīng)的物理化學(xué)及生物化學(xué)方面的性質(zhì)與功能[5].

對(duì)殼聚糖進(jìn)行磷?；蛄姿峄揎検菍?duì)殼聚糖修飾改性的途徑之一.制備殼聚糖含磷衍生物的方法有許多種，大致可分為兩大類(lèi)，即殼聚糖與無(wú)機(jī)磷或有機(jī)磷試劑進(jìn)行反應(yīng)[6].大部分殼聚糖含磷衍生物是通過(guò)殼聚糖的羥基和(或)氨基與無(wú)機(jī)磷試劑反應(yīng)[7-9]，只有少數(shù)是通過(guò)與有機(jī)磷試劑反應(yīng)得到的[10-11].

作者通過(guò)Atherton-Todd反應(yīng)成功將二異丙氧磷?；藿拥搅藲す烟欠肿渔湹陌被?，生成了N-二異丙氧磷酰化殼寡糖，并對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行了IR,ICP,NMR和TG等分析，最后對(duì)其結(jié)果進(jìn)行了討論.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1試劑

殼寡糖(CS，5 000 Da)由金殼生物化學(xué)公司提供.異丙醇從北京化工廠購(gòu)置.三氯化磷、三乙胺和四氯化碳從天津化學(xué)試劑一廠購(gòu)置.其他試劑均為分析純.

1.2二異丙基亞磷酸酯(DIPPH)的制備

將115 mL異丙醇加入到250 mL三口燒瓶中，當(dāng)異丙醇的溫度降低并維持在-5 ℃時(shí)，通過(guò)恒壓滴液漏斗將44 mL的三氯化磷慢慢地逐滴加入到異丙醇中，并不斷攪拌，約3 h滴完.保持該溫度，繼續(xù)反應(yīng)2～3 h.反應(yīng)結(jié)束后，粗產(chǎn)品通過(guò)減壓蒸餾，在80～84 ℃(1.35 kPa) 收集餾分即得到純的DIPPH，產(chǎn)率為69.1%.DIPPH的表征結(jié)果如下：1H-NMR (DCCl3,δ):1.06～1.08 (d,3H,CH3in (CH3)2CH—),4.43～4.49 (m,1H,CH in (CH3)2CH—),5.38～5.48,7.67～7.71 (s,1H,P—H);31P-NMR (δ):4.4.

1.3N-二異丙氧磷?；瘹す烟?DIPPCS)的合成

首先，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下將2 g殼寡糖溶解在40 mL的蒸餾水中.然后將20 mL無(wú)水乙醇和一定量的三乙胺(TEA)在不斷攪拌的情況下分別加到上述殼寡糖溶液中.當(dāng)體系溫度降到并保持在-5 ℃時(shí)，通過(guò)恒壓滴液漏斗慢慢地將一定摩爾比的DIPPH和CCl4的混合液滴加到體系中，約2 h滴完.保持該溫度，繼續(xù)反應(yīng)4 h，然后溫度升高到室溫再繼續(xù)反應(yīng)8～24 h.最后，將反應(yīng)后混合物傾入到350 mL丙酮中沉淀，靜置數(shù)小時(shí)后，將沉淀過(guò)濾，再將其裝入索氏提取器中用無(wú)水乙醇提取24 h.最后，產(chǎn)品在真空干燥箱中40 ℃時(shí)干燥24 h.DIPPCS的合成路線如圖1所示.

制備DIPPCS的最佳反應(yīng)條件通過(guò)正交試驗(yàn)確定，其磷含量由ICP測(cè)得.

圖1 N-二異丙氧磷?；瘹す烟堑暮铣蒄ig.1 Synthesis of DIPPCS

1.4樣品的表征

1.4.1溶解性測(cè)試 將60 mg的樣品和2 mL的溶劑裝入試管中，在室溫下保存10 d左右.

1.4.2紅外 樣品的紅外光譜在室溫下通過(guò)KBr壓片法在Nicolet 380紅外光譜儀上測(cè)得.

1.4.3ICP 樣品中磷含量由ICP在Thermo Fisher IRIS上測(cè)得.

1.4.4核磁 樣品的1H,13C 和31P-NMR譜圖由Bruker-DTX-400 MHz光譜儀測(cè)得.將DIPPCS溶解在0.1 mol/L的DCl/D2O(30 g/L)中.1H 和13C-NMR譜的化學(xué)位移以TMS為標(biāo)準(zhǔn)，31P-NMR 譜的化學(xué)位移以85%的H3PO4為標(biāo)準(zhǔn).

1.4.5熱力學(xué)性質(zhì) 熱重分析在氮?dú)鈿夥罩羞M(jìn)行，由STA409PC熱重分析儀測(cè)得，其加熱速率為10 ℃/min.

2 結(jié)果和討論

2.1DIPPCS的合成

研究發(fā)現(xiàn)，反應(yīng)體系中水和無(wú)水乙醇的體積比會(huì)對(duì)產(chǎn)品中磷的含量產(chǎn)生影響.從表1可以看出，當(dāng)V(H2O)∶V(CH3CH2OH)= 1∶0時(shí)w(P)最大，但是此時(shí)31P-NMR圖譜出現(xiàn)三個(gè)峰,這可能是由于有副產(chǎn)物生成所致.因此，水和無(wú)水乙醇的最佳體積比應(yīng)為2∶1.

表1 不同V(H2O)∶V(CH3CH2OH)時(shí)產(chǎn)品的磷含量*

*反應(yīng)條件：將4 g殼寡糖溶于蒸餾水中，水和乙醇的總體積為120 mL，n(CS)∶n(TEA)=1∶2,n(CS)∶n(DIPPH)=1∶2.

最優(yōu)反應(yīng)條件由正交試驗(yàn)[L9(33)]確定.其中三個(gè)變量分別為殼寡糖與三乙胺的摩爾比、殼寡糖與DIPPH的摩爾比以及室溫下的反應(yīng)時(shí)間.每個(gè)變量都有三組值，其取值見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.從表3可以看出，三個(gè)變量對(duì)磷含量影響的大小順序?yàn)椋簹す烟桥c三乙胺的摩爾比>室溫下的反應(yīng)時(shí)間>殼寡糖與DIPPH的摩爾比.因此，反應(yīng)的最優(yōu)條件確定如下：n(CS)∶n(TEA)=(1∶4)～(1∶6);n(CS)∶n(DIPPH)=(1∶2)～(1∶4);室溫下的反應(yīng)時(shí)間為8～16 h.在最優(yōu)條件下得到的產(chǎn)品的最大含磷量為0.84%.

表2 L9 (33)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

表3 L9 (33)正交試驗(yàn)的數(shù)據(jù)

注：K1,K2,K3是每個(gè)量取3個(gè)值時(shí)磷含量的加和，k1,k2,k3分別是K1,K2,K3平均值，R是平均差.

2.2產(chǎn)品表征

以實(shí)驗(yàn)8(在最優(yōu)條件下)得到的產(chǎn)品為例，對(duì)其進(jìn)行溶解性、IR、 ICP、1H,13C,31P-NMR、TG等表征.

表4是殼寡糖和DIPPCS分別在水、酸、堿和一些有機(jī)溶劑中的溶解性情況.由表4可以看出，DIPPCS可以溶于水和DMSO，但這個(gè)過(guò)程需要10 d左右.

表4 殼寡糖和DIPPCS的溶解性

注： 60 mg樣品和2 mL溶劑.++,可溶;+,部分溶解;±,溶脹;-,不溶.

DIPPCS的1H-NMR圖譜如圖3所示.峰的歸屬及化學(xué)位移如下所示：δ=4.76 (1—H);δ= 3.49～3.80(3—H,4—H,5—H,6—H);δ= 3.04～3.08(2—H)[12];δ=1.94 (COCH3)，該峰出現(xiàn)表明殼寡糖原料并沒(méi)有完全脫乙?；?，或者是由于殼寡糖鏈上的氨基被醋酸酸化了.8—H峰對(duì)應(yīng)于二異丙氧磷酰基中的甲基，化學(xué)位移為1.19 (單峰).但是，二異丙氧磷?；械?—H(CH)的峰將不能識(shí)別出來(lái)，因?yàn)樗瓦拎咸烟堑腍(CH)處于同一出峰區(qū)域.化學(xué)位移為1.03～1.07 處的三重峰對(duì)應(yīng)于乙醇的甲基，這可能是由于純化過(guò)程中的溶劑殘留所致.

圖2 殼寡糖 (a) 和DIPPCS (b)的紅外光譜圖Fig.2 IR spectrum of chitosan (a) and DIPPCS (b)

圖3 DIPPCS的1H-NMR 圖譜Fig.3 1H-NMR spectrum of DIPPCS

圖4是DIPPCS的13C-NMR 圖譜.圖譜中共出現(xiàn)9組信號(hào)峰，位于55.8,60.2,69.0,76.2,75.0 和 97.5處，它們分別對(duì)應(yīng)于殼寡糖單元吡喃糖環(huán)的2—C,6—C,3—C,5—C,4—C和1—C[12].化學(xué)位移為22.9處的峰對(duì)應(yīng)于—COCH3中的—CH3，這也表明了殼寡糖原料并沒(méi)有完全脫乙?；?，或者是由于殼寡糖鏈上的氨基被醋酸酸化了.除了殼寡糖鏈上這些固有的峰以外，在化學(xué)位移為22.2和71.7處出現(xiàn)兩個(gè)新的峰，這兩個(gè)峰分別代表—OCH(CH3)2中的CH3和CH.以上結(jié)果表明，殼寡糖鏈上的氨基和二異丙氧磷酰基發(fā)生了磷?；磻?yīng).

化學(xué)位移為14.6和57.4的峰分別代表乙醇中的伯碳和仲碳，這也可能是因?yàn)樵诩兓倪^(guò)程中有無(wú)水乙醇的殘留所致.

在DIPPCS的31P-NMR(圖5)中只在化學(xué)位移為8.1處出現(xiàn)一個(gè)單峰，這表明磷酰化反應(yīng)只發(fā)生在了殼寡糖鏈的氨基上[13].

圖4 DIPPCS的13C-NMR圖譜Fig.4 13C-NMR spectrum of DIPPCS

圖5 DIPPCS的31P-NMR 圖譜Fig.5 31P-NMR spectrum of DIPPCS

圖6 殼寡糖(a)和DIPPCS(b)的熱重分析Fig.6 TG of chitosan (a) and DIPPCS (b)

圖6為殼寡糖(a)和DIPPCS(b)的熱重分析圖.DIPPCS僅在207 ℃時(shí)表現(xiàn)出了比較明顯的熱降解過(guò)程.而殼寡糖在143 ℃和285 ℃時(shí)都表現(xiàn)出了比較明顯的熱降解.在230 ℃和310 ℃之間，殼寡糖的失重率低于DIPPCS的失重率，說(shuō)明了在該溫度區(qū)間殼寡糖穩(wěn)定性好于修飾后的殼寡糖；在其他溫度區(qū)間，殼寡糖的穩(wěn)定性較修飾后的殼寡糖差.

3 結(jié)論

通過(guò)一步且簡(jiǎn)單有效的Atherton-Todd 反應(yīng)成功地在殼寡糖的氨基上嫁接了二異丙氧磷?；?，合成出了DIPPCS. 經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定的最優(yōu)反應(yīng)條件為：水和無(wú)水乙醇的體積比為2∶1，n(CS)∶n(TEA)=(1∶4)～(1∶6)，n(CS)∶n(DIPPH)= (1∶2)～(1∶4)，室溫下的反應(yīng)時(shí)間為8～16 h.最優(yōu)條件下得到產(chǎn)品的最大含磷量為0.84%.

簡(jiǎn)單高效的Atherton-Todd反應(yīng)又為合成殼聚糖含磷衍生物提供了一條可行的路線，通過(guò)該法合成出的衍生物可能在抗菌或生物醫(yī)藥領(lǐng)域內(nèi)具有潛在應(yīng)用價(jià)值，在后續(xù)的工作中將會(huì)繼續(xù)探討.

[1] Foster A B,Webber J M. Chitin [J]. Adv Carbohydr Chem,1961,15: 371-393.

[2] Jayakumar R,Selvamurugan N,Nair S V,et al. Preparative methods of phosphorylated chitin and chitosan: an overview [J]. Int J Biol Macromol,2008,43 (3): 221-225.

[3] Jayakumar R,Reis R L,Mano J F. Chemistry and applications of phosphorylated chitin and chitosan [J]. E-Polymers,2006,35(3): 1-6.

[4] Sun Wei,Qin Peng,Gao Hongwei,et al. Electrochemical DNA biosensor based on chitosan/nano-V2O5/MWCNTs composite film modified carbon ionic liquid electrode and its application to the LAMP product of Yersinia enterocolitica gene sequence [J]. Biosens Bioelectron,2010,25 (6): 1264-1270.

[5] Lebouc F,Dez I,Madec P J. NMR study of the phosphonomethylation reaction on chitosan [J]. Polymer,2005,46(2): 319-325.

[6] 馬力，郭靜，劉蒲.殼聚糖含磷衍生物的合成、表征及其應(yīng)用研究 [J]. 化學(xué)進(jìn)展，2010,22(5)：938-947.

[7] Sakaguchi T,Hirokoshi T,Nakajima A. Adsorption of uranium by chitin phosphate and chitosan phosphate [J]. Agric Biol Chem,1981,45 (10): 2191-2195.

[8] Heras A,Rodríguez N M,Ramos V M,et al. N-methylene phosphonic chitosan: a novel soluble derivative [J]. Carbohydr Polym,2001,44(1): 1-8.

[9] Jayakumar R,Nagahama H,Furuike T,et al. Synthesis of phosphorylated chitosan by novel method and its characterization [J]. Int J Biol Macromol,2008,42 (4): 335-339.

[10] Palma G,Casals P,Cardenas G. Synthesis and characterization of new chitosan-O-ethyl phosphonate [J]. J Chile Chem Soc,2005,50(4): 719-724.

[11] Meng Sheng,Liu Zongjun,Zhong Wei,et al. Phosphorylcholine modified chitosan: appetent and safe material for cells[J]. Carbohydr Polym,2007,70(1): 82-88.

[12] Ramos V M,Rodríguez N M,Rodríguez M S,et al. Modified chitosan carrying phosphonic and alkyl groups[J]. Carbohydr Polym,2003,51(4): 425-429.

[13] Yin Y W,Zhang B Z,Xue C B,et al. N-phosphoryl amino acids and peptides. part IV: N-alkyl substitution effects on the31P-NMR spectra of phosphoramidates[J]. Phosphorus,Sulfur Silicon Relat Elem,1991,57(1): 5-9.

SynthesisandCharacterizationofDiisopropylPhosphorylChitosan

MA Li, LI Guang-hua, LI Ke-rang, LI Li-min, LIU Pu

(DepartmentofChemistry,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China)

A novel diisopropyl phosphoryl chitosan was successfully synthesized by Atherton-Todd reaction of chitosan with diisopropyl phosphite. The effects of reaction conditions including volume ratio of water to ethanol,molar ratio of chitosan to triethylamine,molar ratio of chitosan to diisopropyl phosphite,and reaction time at the room temperature on the phosphorus content were investigated. IR,1H-NMR,13C-NMR and31P-NMR showed that diisopropyl phosphoryl group was grafted on the amino group of chitosan. The results of TG were also investigated.By this simple and efficient synthetic method a new approach to the preparation of N-phosphoryl chitosan derivatives was provided.

chitosan;diisopropyl phosphoryl chitosan;Atherton-Todd reaction;characterization

TQ 316.6+5

A

1671-6841(2011)04-0084-05

2010-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目,編號(hào)20872134.

馬力(1984-)，男，碩士，主要從事高分子功能材料研究；通訊作者：劉蒲(1965-)，女，教授，博士，主要從事功能材料研究.