在離子液體介質(zhì)中殼聚糖席夫堿衍生物的合成與表征

劉 蒲，李克讓，張 帥

(鄭州大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，河南鄭州450001)

0 引言

殼聚糖是迄今發(fā)現(xiàn)的自然界中唯一含有氨基的堿性多糖.殼聚糖具有多樣的生物活性、極好的生物相容性、生物可降解性以及無毒性而受到越來越廣泛的重視［1］.殼聚糖分子鏈上分布有羥基和氨基活性基團(tuán)，通過化學(xué)改性可以得到應(yīng)用更加廣泛的殼聚糖衍生物，因此殼聚糖的改性研究成為殼聚糖研究領(lǐng)域中的重要課題之一.殼聚糖分子鏈上的自由氨基可以與醛發(fā)生縮合反應(yīng)生成殼聚糖席夫堿衍生物.殼聚糖席夫堿衍生物具有吸附金屬離子、抗菌、藥物載體等用途.殼聚糖席夫堿的合成可分為兩種方法:(1)傳統(tǒng)方法:一般在醇溶液中對殼聚糖進(jìn)行溶脹，再進(jìn)行席夫堿反應(yīng)［2］.該方法存在反應(yīng)時(shí)間長、取代度低等問題，而且若溫度控制不佳，在改性過程中可能會發(fā)生殼聚糖的水解等反應(yīng)［3］.(2)在超聲波［4］或微波條件下［5］對殼聚糖進(jìn)行席夫堿化，該方法效率高，取代度大.但在超聲波和微波條件下，反應(yīng)強(qiáng)度大，可能對殼聚糖分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響.

離子液體具有蒸氣壓低、熔點(diǎn)低、易操作、可溶性好和穩(wěn)定性高等特性.由于離子液體能夠破壞殼聚糖分子內(nèi)和分子間的氫鍵，是殼聚糖的良好溶劑，殼聚糖可在離子液體中溶解并進(jìn)行酰［6］、接枝［7］等反應(yīng).文獻(xiàn)調(diào)研表明，在離子液體中對殼聚糖進(jìn)行席夫堿化改性少有文獻(xiàn)報(bào)道.

離子液體BmimCl制備方法簡單，成本低，而且殼聚糖在BmimCl中有較好的溶解性［8］，有利于進(jìn)一步對殼聚糖進(jìn)行衍生化.

筆者以BmimCl離子液體為反應(yīng)介質(zhì)，以水楊醛作為反應(yīng)試劑，通過研究得到了在離子液體介質(zhì)中制備殼聚糖水楊醛席夫堿的最佳反應(yīng)條件，并在此最佳反應(yīng)條件下合成了一系列殼聚糖席夫堿衍生物.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 原料及儀器

殼聚糖:200 kDa，山東榮成魯陽化學(xué)品公司，使用前經(jīng)脫乙酰處理;10 kDa、5 kDa，濟(jì)南海得貝生物有限公司;2 kDa，大連中科格萊克生物科技有限公司;N-甲基咪唑:99%，浙江凱樂化工有限公司，使用前經(jīng)減壓蒸餾;氯代正丁烷、水楊醛等均為分析純.

Nicolet 380型紅外光譜儀;Bruker DPX-400型超導(dǎo)核磁共振波譜儀(TMS為內(nèi)標(biāo));Panalytical X’PertPro型X-射線粉末衍射儀.

1.2 BmimCl的制備

參照文獻(xiàn)［9］報(bào)道的制備方法合成.產(chǎn)物的1H-NMR(D2O，ppm)為:0.76-0.80(t，CH3-inCH3CH2CH2CH2-)，1.13-1.23(q，CH2-inCH3CH2-)，1.68-1.75(h，CH2-inCH3CH2CH2-)，3.77(s，CH3-inN-CH3)，4.05-4.09(t，CH2-in N-CH2-)，7.31-7.32(t，CH-in-CH=CH-)，7.36-7.37(t，-CH=CH-)，8.62(s，CH-inN=CH-)，與文獻(xiàn)［9］一致.

1.3 殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物的制備

將10 g BmimCl加入到三口瓶中，升溫至70℃，待BmimCl全部溶解后，加入0.15 g殼聚糖，攪拌溶解約4 h，然后調(diào)節(jié)至設(shè)定反應(yīng)溫度，于恒壓滴液漏斗滴加一定量的水楊醛，反應(yīng)一定時(shí)間.反應(yīng)結(jié)束后，將反應(yīng)液倒入100 mL無水乙醇中進(jìn)行沉降，過濾得固體物質(zhì)，對其用無水乙醇進(jìn)行索氏提取至無醛和反應(yīng)介質(zhì)后，真空干燥至恒重，得黃色固體粉末產(chǎn)品.殼聚糖水楊醛席夫堿的合成路線如圖1所示.

圖1 BmimCl中殼聚糖席夫堿衍生物的合成Fig.1 Synthesis of chitosan schiff base in BmimCl

1.4 取代度的測定

將6 mg樣品溶于0.6 mL 5% 體積分?jǐn)?shù)HCl-D2O溶液中，在343 K下對殼聚糖及其席夫堿衍生物進(jìn)行NMR測定，根據(jù)1H-NMR測定結(jié)果計(jì)算產(chǎn)物取代度［10］.

式中:AH-7為1H-NMR中CH═N官能團(tuán)中氫的積分面積;AH-2為1H-NMR中殼聚糖分子鏈上2-H峰的積分面積.

2 結(jié)果與討論

2.1 殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物的合成

2.1.1 殼聚糖中氨基與水楊醛摩爾比對產(chǎn)物取代度的影響

反應(yīng)條件為殼聚糖:0.15 g;BmimCl:10 g;反應(yīng)溫度:70℃;反應(yīng)時(shí)間:2 h，殼聚糖中氨基與水楊醛摩爾比對產(chǎn)物取代度的影響見表1.由表1可以看出產(chǎn)物取代度先隨殼聚糖中氨基與水楊醛摩爾比的增大而增大，當(dāng)殼聚糖中氨基與水楊醛摩爾比大于1∶2.5時(shí)取代度反而降低.在實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)隨著水楊醛量的增加，反應(yīng)體系的黏度逐漸增大.這可能是因?yàn)楫?dāng)殼聚糖中氨基與水楊醛摩爾比大于1∶2.5時(shí)，此時(shí)反應(yīng)體系較高的粘度阻礙了水楊醛的擴(kuò)散，從而導(dǎo)致在水楊醛摩爾量較高的情況下取代度較低的現(xiàn)象.因此，殼聚糖與水楊醛的最佳摩爾比為1∶2.5.

表1 殼聚糖與水楊醛摩爾比對席夫堿產(chǎn)物取代度的影響Tab.1 The effect of molar ratio of chitosan to salicylaldehyde on the DS of chitosan schiff base derivates

2.1.2 反應(yīng)溫度對產(chǎn)物取代度的影響

反應(yīng)條件為殼聚糖:Chitosan:0.15 g;BmimCl:10 g;n(CS)∶n(SA):1∶2.5;反應(yīng)時(shí)間:2 h，反應(yīng)溫度對產(chǎn)物取代度的影響見表2.由表2可知，隨反應(yīng)溫度提高，產(chǎn)物取代度隨反應(yīng)溫度的提高而增加;當(dāng)溫度80℃以上時(shí)，產(chǎn)物取代度隨溫度提高增加不明顯.所以適宜的反應(yīng)溫度為80℃.

表2 反應(yīng)溫度對席夫堿產(chǎn)物取代度的影響Tab.2 The effect of reaction temperature on the DS of chitosan schiff base derivates

2.1.3 反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物取代度的影響

反應(yīng)條件為殼聚糖:Chitosan:0.15 g;BmimCl:10 g;n(CS)∶n(SA):1∶2.5;反應(yīng)溫度:80℃，反應(yīng)時(shí)間對產(chǎn)物取代度的影響見表3.

表3 反應(yīng)時(shí)間對席夫堿產(chǎn)物取代度的影響Tab.3 The effect of reaction time on the DS of chitosan schiff base derivates

從表3中數(shù)據(jù)可知，產(chǎn)物取代度先隨反應(yīng)時(shí)間的延長而增大，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為2 h時(shí)，取代度最大，達(dá)到29.2%，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間大于2 h后產(chǎn)物取代度略有降低.因此，最佳反應(yīng)時(shí)間為2 h.

綜上所述，離子液體BmimCl中，殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物的最佳反應(yīng)條件為:殼聚糖0.15 g，溶解于10 g BmimCl中，殼聚糖中氨基與水楊醛的摩爾比為1∶2.5，反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h.

2.2 殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物的結(jié)構(gòu)表征

殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物的紅外、核磁和XRD測定結(jié)果如圖2～5所示.

圖2 殼聚糖(a)和席夫堿產(chǎn)物(b)的IR圖譜Fig.2 IR spectra of chitosan(a)and schiff base(b)

從圖2紅外圖譜中可以看出，殼聚糖席夫堿衍生物除具有殼聚糖的特征峰外，還出現(xiàn)一些新的吸收峰:1 631 cm-1處出現(xiàn)C═N的強(qiáng)吸收峰，而且在 1581 cm-1，1 497 cm-1和 1 461 cm-1處出現(xiàn)苯環(huán)骨架特征振動(dòng)吸收峰，754 cm-1為苯環(huán)鄰位取代的彎曲振動(dòng)吸收峰，1 278 cm-1處為酚羥基的彎曲振動(dòng)吸收峰.紅外光譜表明殼聚糖與水楊醛發(fā)生了席夫堿化反應(yīng).

圖3 殼聚糖(a)和席夫堿產(chǎn)物(b)的1H-NMR圖譜Fig.3 1H-NMR spectra of chitosan(a)and schiff base(b)

圖3是殼聚糖及其水楊醛席夫堿產(chǎn)物的1H-NMR譜圖.從圖3中可以看出，殼聚糖原料的氫譜中各峰均能得到很好的歸屬，而且在氫譜中沒有出現(xiàn)乙酰基的-CH3峰(δ=2.0×10-6左右)，說明殼聚糖脫乙酰度為100%.殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物的氫譜峰的歸屬為:δ=10.34×10-6(H-7);δ=7.42-8.15×10-6(H-10，H-11，H-12，H-13，); δ =5.29 ×10-6(H-1);δ=4.14-4.31×10-6(H-3，H-4，H-5，H-6);δ=3.61×10-6(H-2).

圖4 席夫堿產(chǎn)物的13C-NMR圖譜Fig.4 13C-NMR of schiff base

圖4是殼聚糖水楊醛席夫堿產(chǎn)物的13CNMR譜圖.圖譜中共出現(xiàn)13組峰，位于56.50，60.91，69.0，70.66，75.34和 98.11×10-6處的峰分別歸屬于殼聚糖單元吡喃糖環(huán)上的C-2，C-6，C-3，C-5，C-4和 C-1.除了殼聚糖鏈上這些固有的峰外，在117.59，121.21，121.79，134.29，138.05和160.16×10-6出現(xiàn)了水楊醛芳香環(huán)上的C-10，C-8，C-9，C-11和 C-13信號峰，而且在198.37×10-6處還出現(xiàn)了C═N的信號峰.以上結(jié)果表明，殼聚糖與水楊醛發(fā)生縮合反應(yīng)得到殼聚糖水楊醛席夫堿產(chǎn)物.

圖5 殼聚糖(a)和席夫堿產(chǎn)物(b)的XRD圖譜Fig.5 XRD spectrum of chitosan(a)and chitosan schiff base derivatives(b)

圖5是殼聚糖(a)與殼聚糖水楊醛席夫堿(b)的XRD圖譜.從殼聚糖的XRD譜圖可以看到在2θ為20.2°顯示一個(gè)尖銳峰，對應(yīng)殼聚糖的Ⅱ形晶體結(jié)構(gòu)，在2θ為12.1°處有一小的肩峰，對應(yīng)殼聚糖的Ⅰ形晶體結(jié)構(gòu).殼聚糖經(jīng)過水楊醛修飾后，傳統(tǒng)方法生成衍生物的 XRD中2θ為20.2°處的峰有較大變化，殼聚糖的晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞［11］，而在本研究中，2θ為 20.2°處的峰并未發(fā)生較大變化，說明殼聚糖在離子液體中進(jìn)行席夫堿化改性后，殼聚糖Ⅱ形晶體結(jié)構(gòu)并未遭到破壞.在2θ為5.7°處出現(xiàn)一個(gè)新的尖銳峰，這可能是由于亞胺鍵的形成［12］及衍生物上引入的酚羥基形成氫鍵所導(dǎo)致的.在2θ為12.1°處的肩峰消失，這可能是水楊醛的引入破壞了殼聚糖分子內(nèi)氫鍵，殼聚糖的Ⅰ形晶體結(jié)構(gòu)遭到破壞.

2.3 不同分子量殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物的合成

在殼聚糖水楊醛席夫堿的最佳合成條件下，合成了不同分子量的殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物.結(jié)果如表4所示.從表4中可知，200 kDa的殼聚糖席夫堿衍生物取代度最低，為29.2%，5 kDa殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物取代度高達(dá)71.4%.殼聚糖分子量從5 kDa降低到2 kDa，其席夫堿產(chǎn)物取代度反而降低，其原因可能是2 kDa殼聚糖的脫乙酰度(83.3%)小于5 kDa的(92.4%)，水楊醛可進(jìn)攻的自由氨基較少，導(dǎo)致取代度較5 kDa殼聚糖席夫堿的低.我們還可以看出分子量為200 kDa和10 kDa的殼聚糖，雖然脫乙酰度均為100%，但衍生物的取代度差距很大.其原因可能是分子量為200 kDa的殼聚糖在溶解后其溶液黏度較大，阻礙水楊醛的進(jìn)攻;而且200 kDa的殼聚糖分子鏈較長，導(dǎo)致部分自由氨基不能裸露出來，反應(yīng)位點(diǎn)較少，使得反應(yīng)衍生物的取代度較低.

表4 不同分子量殼聚糖水楊醛席夫堿產(chǎn)物的取代度Tab.4 The DS of chitosan schiff base derivatives with different molar weight

2.4 不同醛殼聚糖席夫堿衍生物的合成

在殼聚糖水楊醛席夫堿的最佳合成條件下，以不同的醛對殼聚糖(200 kDa)進(jìn)行改性制得一系列殼聚糖席夫堿產(chǎn)物.產(chǎn)物的取代度如表5所示，用其它醛對殼聚糖進(jìn)行席夫堿化改性時(shí)，不同醛所生成的席夫堿衍生物的取代度有很大差別.導(dǎo)致產(chǎn)物取代度不同的可能原因是所用芳香醛取代基不同所致.如硝基具有鈍化作用，導(dǎo)致殼聚糖對硝基苯甲醛席夫堿的取代度低，而羥基的活化作用使得殼聚糖水楊醛席夫堿的取代度高.而且，產(chǎn)物的取代度還可能與醛的空間結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)其空間位阻較大時(shí)，阻礙其進(jìn)攻自由氨基，導(dǎo)致反應(yīng)取代度低.

表5 系列殼聚糖席夫堿衍生物的取代度Tab.5 The DS of a series of chitosan schiff base derivatives

2.5 離子液體的回收

殼聚糖與水楊醛在最佳反應(yīng)條件下進(jìn)行縮合反應(yīng)后，反應(yīng)液經(jīng)無水乙醇沉降、過濾，為考察離子液體的回收性能，我們對過濾液進(jìn)行離子液體的回收，經(jīng)旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去濾液中的大量無水乙醇，然后用無水乙醚洗滌溶液至沒有水楊醛為止，旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去無水乙醚，真空60℃干燥48 h，BmimCl的回收率為93.8%.

3 結(jié)論

(1)利用綠色溶劑離子液體為反應(yīng)介質(zhì)，水楊醛與殼聚糖進(jìn)行縮合反應(yīng)制得殼聚糖水楊醛席夫堿衍生物，通過實(shí)驗(yàn)得到最佳反應(yīng)條件為:0.15 g殼聚糖溶解于10 g BmimCl中，殼聚糖中氨基與水楊醛摩爾比為1∶2.5，反應(yīng)溫度為80℃，反應(yīng)時(shí)間為2 h，取代度可達(dá)29.2%.

(2)在最佳反應(yīng)條件下合成了系列殼聚糖席夫堿衍生物，產(chǎn)物的取代度可能與醛的取代基及其空間結(jié)構(gòu)有關(guān).

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