唐若谷

摘 要：本研究以低分子量壳聚糖为原料，与乙醛或己醛反应形成Schiff碱，再与硼氢化钠发生还原反应，从而引入不同的烷烃基团到壳聚糖分子链上，以实现壳聚糖的烷基化疏水改性。红外光谱和核磁共振图谱表明反应后烷烃基以共价键的形式连接到壳聚糖分子链的氨基上。改性后壳聚糖的疏水性明显提高：N-乙基壳聚糖在稀醋酸（壳聚糖的良溶剂）中的溶解度大大降低，N-己基壳聚糖则完全不溶于稀醋酸。Zeta电位测试表明引入烷基后电位下降，表明质子化作用减小，而质子化作用是壳聚糖在弱酸中溶解的基础，因此改性后壳聚糖疏水性增加、溶解性下降。粒径测试表明改性后壳聚糖粒径增大，分布变宽。核磁共振图谱还表明该该反应有较高的烷基取代程度，表明此方法可以用于大批量生产制备中。

关键词：壳聚糖 疏水性 溶解性 烷基

中图分类号：O63 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（a）-0074-04

Abstract： In this study， low molecular weight chitosan were reacted with acetaldehyde or hexaldehyde to form chitosan-based schiff base， the schiff bases were then reacted with sodium borohydride and different modified chitosan products were obtained. The FT-IR and NMR spectra indicated that after reaction， alkyl groups were covalently bonded on chitosan. After introducing alkyl groups into chitosan， it became much more hydrophobic： ethylated-chitosan was less soluble in diluted acetic acid （generally used solvent for chitosan） while hexylated-chitosan was totally insoluble in acetic acid. Zeta potential of modified chitosan was less than original one， indicating that the protonation effect decreased after modification， this could explain the decrease of solubility of modified chitosan. The size and corresponding distribution of modified chitosan are larger than original one. In addition， NMR spectra showed the reaction degree is high enough for industrious application.

Key Words： Chitosan； Hydrophobicity； Solubility； Alkyl group

壳聚糖（chitosan）又称脱乙酰甲壳素，化学名称为聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖，由自然界广泛存在的几丁质经过脱乙酰作用得到[1]。与其他高分子相比，壳聚糖具有极好的生物相容性和可降解性，因此广泛应用于食品、医药、化工、水处理等领域，是一种较有发展前景的生物高分子[2]。

壳聚糖的溶剂稳定性通常较好，不溶于一般溶剂，但易溶于弱酸，限制了其应用范围[3]。本文针对壳聚糖的这一缺陷，制备了烷基化改性的疏水性壳聚糖。经过烷基化改性的壳聚糖与普通壳聚糖相比，具备更好的疏水性和弱酸溶剂稳定性。

1 实验部分

1.1 原料与设备

实验采用的原料与试剂包括：低分子量壳聚糖、醋酸、乙醛、已醛、硼氢化钠、氢氧化钠、乙醇。核磁共振表征通过500MHz核磁共振仪获得。

1.2 实验步骤

本实验的反应机理为氨基与醛基反应生成schiff碱（-CH=N-结构），随后在硼氢化钠的作用下还原成亚甲基和仲胺（-CH2-NH-結构）[4]。

实验方法如下：将1.0g壳聚糖溶于100mL 1%（v/v）的醋酸中并置于烧瓶内，随后加入10mL乙醛或己醛并通过磁力搅拌器搅拌均匀。混合液在70℃、常压和水浴搅拌下蒸馏反应1h，随后自然冷却至室温。将适量硼氢化钠（其摩尔数为壳聚糖的1.5倍）碱性溶液逐滴滴入混合液中并持续搅拌，直至pH为10，反应1h后结束。待混合也冷却至室温后，将产物经布氏漏斗过滤，所得沉淀物，用乙醇和蒸馏水反复洗涤至中性，并用乙醇萃取未参与反应的醛，随后产物40℃下恒温干燥至恒定重量，得到白色粉末状产物。

为制取3种壳聚糖膜，将壳聚糖、N-乙基壳聚糖分别溶于1%醋酸中，将N-己基壳聚糖溶于二甲基亚砜中，待溶液稳定后转移至蒸发皿并置于通风橱内，待溶剂蒸发完毕后取下相应的壳聚糖膜。

1.3 结构与性能表征

红外光谱表征：将壳聚糖、N-乙基壳聚糖和N-己基壳聚糖与溴化钾粉末混合稀释（质量比1∶100），研磨均匀后置于红外光谱内扫描，所有样品的扫描次数均为512次。

核磁共振表征：将壳聚糖、N-乙基壳聚糖溶于1%氘代醋酸，N-己基壳聚糖溶于氘代二甲基亚砜，置于核磁共振仪表征，所有样品的扫描次数均为64次。

接触角测试：取三种壳聚糖膜，以超纯水为液体测试每一种壳聚糖的接触角，接触时间为10s。取10次测量结果平均值为最终数据。

溶解性测试：将0.1g壳聚糖、N-乙基壳聚糖和N-己基壳聚糖分别溶于30mL 1%醋酸，40℃下搅拌4h，观察3种样品的溶解情况。

Zeta电位测试：取3种壳聚糖膜，浸没在标准测试液中进行Zeta电位测试，取10次测量结果平均值为最终数据。

粒径测试：将壳聚糖、N-乙基壳聚糖溶于1%醋酸、N-己基壳聚糖溶于二甲基亚砜，随后进行粒径测试。取10次测量结果平均值为最终数据。

2 结果与讨论

图1为壳聚糖、N-乙基壳聚糖和N-己基壳聚糖的红外图谱。其中出现在3400cm-1附近的多重峰是由能形成氢键的由羟基和氨基的伸缩振动峰重叠而成。本实验中3种壳聚糖的分子内氢键和分子间氢键均有差异，因此各自的重叠峰分别处在一个较广的范围内。出现在2920cm-1和2880cm-1附近的为C-H键的振动吸收峰，对比烷基化改性后和未改性的壳聚糖，可以看出两种改性壳聚糖在这两处峰的强度明显增大（特别是N-己基壳聚糖），说明改性后的壳聚糖中烷基含量提高，证明烷基已接入到壳聚糖分子链上。出现在1420cm-1附近的峰是-CH2和CH3的弯曲振动峰，从图中同样可以看出，改性后的壳聚糖的振动峰的强度更高，也进一步说明改性后烷基已接枝上。

图2为壳聚糖、N-乙基壳聚糖和N-己基壳聚糖的核磁共振图谱。其中在壳聚糖的图谱上，出现在化学位移为4.8ppm的是1%醋酸的溶剂峰，2ppm处的单峰为酰胺峰，3.5ppm处的多重峰为壳聚糖六元环上的亚甲基峰。上述峰同样出现在N-乙基壳聚糖的图谱上，但N-乙基壳聚糖还多了在1.2ppm处的多重峰，这是连在氨基上的甲基和亚甲基峰，该多重峰证明乙基已接入到壳聚糖分子链的氨基上。N-己基壳聚糖而言，出现在1.0ppm处的多重峰和0.5ppm处的峰同样意味着烷基的接入，此外图谱上出现在2.4和3.2ppm的是二甲基亚砜的溶剂峰，值得注意的是图谱上3.4ppm处的多重峰消失，意味着此时并无六元环结构。笔者认为，极有可能是在二甲基亚砜溶解过程中壳聚糖结构遭到了破坏，六元环发生断裂，断裂后的亚甲基峰被溶剂峰掩盖。此外，根据图谱的峰强度进行积分，可得N-乙基壳聚糖中的乙基取代度为81.8%，N-己基壳聚糖中的己基取代度为61.5%。

图3（a）（b）和（c）为壳聚糖、N-乙基壳聚糖和N-己基壳聚糖的接触角测试结果，可以看出从壳聚糖到N-己基壳聚糖，水滴在其表面后愈发难以扩散。表1的数据显示，经过烷基化改性的壳聚糖的接触角明显增大，且烷基接入的数目增加，接触角也随之增大，这表明接入烷基后壳聚糖疏水性得到明显提高。

图4（a）（b）和（c）分别为1g壳聚糖/N-乙基壳聚糖/N-己基壳聚糖在1%醋酸的溶解情况，从图中可以看出，壳聚糖能较好地溶解在1%醋酸中，N-乙基壳聚糖只能部分溶解于1%醋酸，N-己基壳聚糖则完全不溶解，说明引入烷基到壳聚糖的氨基上能提高其疏水性，烷基分子链越长，壳聚糖疏水程度更大。

表2为3种壳聚糖的Zeta电位，可以看出随着烷基数目的增加Zeta电位不断下降，对壳聚糖而言，它在溶液中的Zeta电位主要来自它的氨基在弱酸中的质子化反应（-NH2变成-NH3+，使Zeta电位为正值）[5]，而引入烷基后，由于位阻效应，质子化反应被严重抑制，Zeta电位下降。而质子化作用的减小正是壳聚糖改性后变得疏水的原因：壳聚糖能溶于1%醋酸的原理在于，在稀释的弱酸环境下，壳聚糖内的氢键被破坏，壳聚糖分子链上的氨基会发生质子化反应，最终使其溶解。烷基化改性后，质子化效应减小，溶解性也随之降低。

图5为3种壳聚糖的粒径及分布，结果表明，引入乙基和己基到分子链上后，壳聚糖的粒径有所增大，且粒径分布明显变宽。这是因为壳聚糖是高分子，每一条分子链由大量重复的结构单元连接而成，由于位阻效应等作用，并非每一个结构单元上的氨基都和醛基发生反应，因此样品的均一性下降，粒径分布变宽。

3 结语

本研究制备了N-乙基壳聚糖和N-己基殼聚糖，通过红外光谱和核磁共振光谱验证了各自的结构。接触角测试表明在氨基上接入烷基后，壳聚糖疏水性明显提高。烷基化壳聚糖在其良溶剂——1%醋酸的溶解性急剧下降，也表明疏水性得到提高。Zeta电位测试结果表明烷基化壳聚糖的电负性比未改性的壳聚糖明显下降，表明引入烷基后，壳聚糖在溶剂中的氨基质子化作用被抑制，从而提高了疏水性。本研究为疏水性和高稳定性壳聚糖的制备提供一定的启发意义。

参考文献

[1] Vida Zargar， Morteza Asghari， Amir Dashti. A Review on chitin and chitosan polymers： structure， chemistry， solubility， derivatives， and applications[J]. ChemBioEng Review，2015，2（3）：204-226.

[2] Priyanka Sahariah， Már Másson. Antimicrobial chitosan and chitosan derivatives： a review of the structure-activity relationship[J].Biomacromolecules. 2017，18（11）：3846-3868.

[3] Caiqin Qin， Huirong Li， Qi Xiao， et al. Water-solubility of chitosan and its antimicrobial activity[J]. Carbohydrate Polymers，2006，63（3）：367-374.

[4] Warayuth Sajomsang， Supawan Tantayanon， VarawutTangpasuthadol， et al. Synthesis and characterization of N-aryl chitosan derivatives[J]. International Journal of Biological Macromolecules， 2008，43（2）：79-87.

[5] Qizhao Wang， Xiguang Chen， Nan Liu， et al. Protonation constants of chitosan with different molecular weight and degree of deacetylation[J]. Carbohydrate Polymers， 2006，65（2）：194-201.