一种1,4-二氢吡啶基壳聚糖的制备方法及其应用
阅读说明：本技术 一种1,4-二氢吡啶基壳聚糖的制备方法及其应用 (Preparation method and application of 1, 4-dihydropyridine chitosan ) 是由 何明华 刘坚 郭莉 罗辉 于 2021-07-23 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种1,4-二氢吡啶基壳聚糖及其制备方法和应用。本发明以壳聚糖和乙酰乙酸乙酯、含醛基化合物为原料,选用多组分Hantzsch反应,成功制备出一组具有二氢吡啶基的壳聚糖衍生物,二氢吡啶基具有很好的抗氧化性,故二氢吡啶基的壳聚糖衍生物比原壳聚糖具有更好的抗氧化性,可代替壳聚糖用于食品的保鲜。(The invention provides 1, 4-dihydropyridine chitosan and a preparation method and application thereof. According to the invention, chitosan, ethyl acetoacetate and an aldehyde group-containing compound are used as raw materials, and a multi-component Hantzsch reaction is selected to successfully prepare a group of chitosan derivatives with dihydropyridine groups, wherein the dihydropyridine groups have good oxidation resistance, so that the chitosan derivatives with dihydropyridine groups have better oxidation resistance than original chitosan, and can replace chitosan to be used for food preservation.)
技术领域
本发明涉及高分子技术领域，特别涉及一种1,4-二氢吡啶基壳聚糖及其制备方法和应用。
背景技术
壳聚糖是一类重要的天然多糖，可以从海洋资源获得。这种天然多糖具有优异的生物官能性、生物相容性、无毒、抗菌性和生物降解性等特点，已成为一个新型的生理功能材料而广泛应用于医药、环保、纺织、食品及化妆品行业等领域。
壳聚糖分子中含有氨基、羟基等活性基团，这使得利用这些基团通过各种反应制备各种壳聚糖衍生物成为可能。这些反应包括壳聚糖的羧甲基化、季按化、醛亚胺反应、Schiff碱反应、接枝交联化、烷基化、脱氨化、硅烷基化、活性游离基聚合反应等等。通过这些化学修饰作用在壳聚糖分子结构中引入了各种功能团，改善了壳聚糖的物化性质。制备的壳聚糖衍生物可用于制造手术缝合线、医疗用的敷料和人工皮肤、抗胆固醇剂、免疫促进剂、抗肿瘤剂、抗凝血剂等。也广泛用于药物释放载体和固定化酶载体。
多组分反应(MCRs)是一组独特的反应，它使用三种或三种以上的反应物同时发生一步化学反应生成产物，MCRs最早应用于有机合成，在有机合成中占有重要位置，特别是在药物前体的合成方面发挥了重要作用，一直广受有机合成化学家的青睐。但是国内孟建强团队用单步的四组分反应(Ugi-4CR)对商业聚酰胺RO复合膜进行了抗污染和抗菌性能改性。改性后的RO膜具有较高的抗污染和抗菌性能。相关研究成果发表在Journal ofMaterials Chemistry A上(DOI:10.1039/c6ta05746b)。
1,4-二氢吡啶是一类重要的含氮杂环化合物，具有广泛的生理活性和应用价值。其中最重要的是临床上作为钙离子通道阻滞剂治疗心脑血管和高血压等疾病。作为药物或药物中间体它们还具有抗HIV、抗菌、抗惊厥，抗肿瘤、神经保护、辐射防护等等生物活性。活性的本质是具有1,4-二氢吡啶基，引入该基团进入壳聚糖，可对壳聚糖改性。
发明内容
本发明的目标就是保持壳聚糖对人体的组织器官和细胞有良好的生物相容性，且具有良好的可降解性，通过二氢吡啶基的引入，加强壳聚糖抗氧化性的特点。因此，本发明提出一种1,4-二氢吡啶基壳聚糖，并公开了其制备方法和应用。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种1,4-二氢吡啶基壳聚糖，其化学结构式如下：
R为H或者芳烃基，壳聚糖分子量为5～10万。
一种1,4-二氢吡啶基壳聚糖的制备方法，通过壳聚糖，乙酰乙酸乙酯，醛，采用Hantzsch反应制备，二氢吡啶基壳聚糖制备反应方程式如下：
作为优选地，所述醛为甲醛和/或芳香醛，制备方法中，溶剂为水，反应温度为40-80℃，反应时间为3-10小时。制备得到的产物进一步进行纯化，通过透析法纯化，透析时间24小时，除去小分子，得到的产物进行冷冻干燥即得，干燥时间为24-48小时。
本发明的1,4-二氢吡啶基壳聚糖可用于制备保鲜剂，具有比壳聚糖具有更好的抗氧化性。
附图说明
图1为壳聚糖及壳聚糖衍生物的红外光谱图；
图2为壳聚糖和壳聚糖衍生物的扫描电镜照片；
图3为壳聚糖及壳聚糖衍生物的TGA图谱。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合具体实施例进行详细描述。
本发明提出了一种1,4-二氢吡啶基壳聚糖，其化学结构式如下：
其中，R为H或者芳烃基，壳聚糖分子量为5～10万。其制备方法如下：
通过壳聚糖，乙酰乙酸乙酯，醛，采用Hantzsch反应制备，制备方法中，溶剂为水，反应温度为40-80℃，反应时间为3-10小时。准备50mL 2％的醋酸溶液，加入1g壳聚糖，搅拌使其充分溶解；然后升温至80℃，分别加入一倍摩尔比的醛化合物和两倍摩尔比的酰乙酸乙酯置于恒温搅拌器中，在该温度下反应5～10h，得到其产物；制备得到的产物进一步进行纯化，通过透析法纯化，产物透析两天并在恒温冷冻干燥箱中冷冻干燥24-48小时；最终得到壳聚糖衍生物，反应方程式如下：
实施实例1
准备50mL 2％的醋酸溶液，加入1g壳聚糖，搅拌使其充分溶解；然后升温至80℃，加入1倍摩尔比壳聚糖(壳聚糖单元体分子量161.2计摩尔数)的甲醛0.5ml和2倍壳聚糖摩尔比(壳聚糖单元体分子量161.2计摩尔数)乙酰乙酸乙酯1.6ml，置于恒温搅拌器中，80℃下反应5h，得到其产物；产物透析两天并在恒温冷冻干燥箱中冷冻干燥36h；最终得到壳聚糖衍生物A:2,6-二甲基-3，5-二乙基-二甲酸酯基-1,4-二氢吡啶基-壳聚糖。
实施实例2
准备50mL 2％的醋酸溶液，加入1g壳聚糖，搅拌使其充分溶解；然后升温至80℃，加入1倍摩尔比壳聚糖(壳聚糖单元体分子量161.2计摩尔数)的苯甲醛0.7ml和2倍壳聚糖摩尔比(壳聚糖单元体分子量161.2计摩尔数)乙酰乙酸乙酯1.6ml，置于恒温搅拌器中，80℃下反应10h，得到其产物；产物透析两天并在恒温冷冻干燥箱中冷冻干燥36h；最终得到壳聚糖衍生物B：2,6-二甲基-3，5-二乙基-二甲酸酯基-4-苯基-1,4-二氢吡啶基-壳聚糖。
实施实例3
准备50mL 2％的醋酸溶液，加入1g壳聚糖，搅拌使其充分溶解；然后升温至80℃，加入1倍摩尔比壳聚糖(壳聚糖单元体分子量161.2计摩尔数)的间硝基苯甲醛0.94g和2倍壳聚糖摩尔比(壳聚糖单元体分子量161.2计摩尔数)乙酰乙酸乙酯1.6ml，置于恒温搅拌器中，80℃下反应10h，得到其产物；产物透析两天并在恒温冷冻干燥箱中冷冻干燥36h；最终得到壳聚糖衍生物C：2,6-二甲基-3，5-二乙基-二甲酸酯基-4-间硝基-苯基-1,4-二氢吡啶基-壳聚糖。
1、壳聚糖与壳聚糖衍生物的红外光谱
如图1所示为壳聚糖及三种壳聚糖衍生物的红外光谱图。图1中，比较合成产物(A、B、C)红外光谱曲线与壳聚糖(KJT)红外光谱曲线发现，图1-KJT中，3100～3500cm-1处是-OH和-NH的振动吸收峰，1652cm-1和1595cm-1处的两个伸缩峰属来自壳聚糖的酰胺基。2850～2990cm-1处是C-H振动吸收峰；由于-OH和-CH的存在，壳聚糖与合成产物的红外谱图在2850～3400cm-1处出现很长的一条吸收带；1384cm-1处是-CH2OH官能团中-CO的振动吸收峰。图1的A、B、C曲线中，1300～1900cm-1处是产物中不饱和官能团C＝C的振动吸收带；1065cm-1处是产物中叔胺的振动吸收峰，说明来源自羧基的C＝O基团由于与壳聚糖中伯胺发生键合，使其在红外图谱中发生吸收峰减弱和位置偏移，其偏移的方向为波长更小的吸收峰所处的位置；3450cm-1处的峰是-OH、苯环和双键不饱和官能团上-CH的振动吸收峰。1725～1750cm-1处是-COOR官能团的振动吸收峰。图1的B曲线中，1400～1600cm-1处出现很明显的吸收带是单取代苯的特征谱带。根据图谱分析可知，由于基团参与了某种键合使得吸收峰的位置和形状发生改变，即壳聚糖与乙酰乙酸乙酯、含醛化合物发生了化学反应从而得到壳聚糖衍生物。
2、壳聚糖与壳聚糖衍生物的电镜表征
如图2所示为壳聚糖和壳聚糖衍生物的扫描电镜照片。图2中，比较合成产物(A、B、C)与壳聚糖(KJT)的表面微观结构图可以发现，壳聚糖的表面形态比较光滑，而壳聚糖衍生物却比较粗糙。这是由于壳聚糖骨架中引入了含醛化合物和乙酰乙酸乙酯，显示出一种相对粗糙的表面形态结构。对应产物A、B和C，其中A的孔径较小，B次之，C最大。而且A与B能够观察到一些孔洞结构，而C上只能观察到片层结构。产生这一现象的原因是由原始反应体系的状态决定的。在A样品中，原始的反应溶液透析后呈现出较为澄清、均匀的状态，因此所得到的冷冻干燥产物表面的孔洞结构也较细密。在B中，随着醛基化合物结构的复杂性上升，原始的反应溶液透析后稍显浑浊的状态，导致出现形状不一的孔洞结构。对于产物C而言，原本的反应溶液透析后已经是高度浑浊甚至出现沉淀的状态，在冷冻干燥后这些不溶的沉淀物会不规则地分布于产物内部，导致其结构看上去复杂、无规律。通过横向比较A、B、C的结构，可知冷冻干燥法阻止了反应产物内部的液相流动，在形成冰晶、真空中迅速升华的过程中，高分子的框架并未发生移动，这使得反应产物在冷冻干燥后仍然保持原来在溶液中的形态。在冷冻干燥过程中冰晶的升华还会给反应产物带来许多孔洞结构，这给后续药物运载实验提供了现实条件。
3、壳聚糖和壳聚糖衍生物的差热分析
不同反应物生成的壳聚糖衍生物其热稳定性的探究是通过TGA差热分析进行的，结果如图3。从起始温度25℃一直到约800℃之间，TGA曲线上并未出现降解的折点，这说明在此温度范围内，壳聚糖衍生物的分子结构和化学组成依然保持完整，并未出现裂解的情况，反映了其衍生物在这个范围内的热稳定性良好。这与慕卿在2008年发表的《智能型壳聚糖衍生物的制备及改性壳聚糖在基因传输中的应用》这一文献中记载的此方面的研究结果也相类似。由于本产品的吸湿性很强，在实验过程中难免会有水分存在于产物中，因此可以推断，在此范围内质量的衰减主要为水分的蒸发。从这一阶段的质量损失可知，这种复合材料具有良好的亲水性。当水分被除去时，材料的热降解特性将会清晰地反映到TGA曲线上。由TGA分析软件可以读出在200～230℃左右时壳聚糖衍生物开始发生裂解，查阅文献可知壳聚糖的裂解温度为274℃，壳聚糖衍生物的裂解温度范围小于壳聚糖的裂解温度。这是由于合成的产物内部作用力会削弱壳聚糖本身分子内部、以及同类分子之间的相互作用力。因此相比于壳聚糖而言，其衍生物的热稳定性会更差。从TGA分析中能够侧面反映反应物间存在着化学键的结合。
4、壳聚糖和壳聚糖衍生物的抗氧化活性测定
壳聚糖及二氢吡啶壳聚糖抗氧化能力的EC50值如表1。
表1
(1).对超氧阴离子自由基的清除能力测定参照Robak和Gryglewski的方法(RobakJ,Gryglewski R J.Flavonoids are scavengers of superoxide anions BiochemicalPharmacology,1988.37(5):837-841)。
(2).对DPPH自由基的清除能力测定参照Ghiselli等人方法:Ghiselli A,NardiniM,Baldi A，et al.Antioxdant activity of different phenolic fractions separatedfrom an Italian red wine.Joural of Agricultural and Food Chemistry.1998.46(2):361～367。
(3).对羟基自由基的清除能力测定参照Braca等人方法:Braca A,De Tommasi N,Di Bari I,et al.Antioxidant principles from Bauhinia tarapotensis.Joural ofNatural Products,2001,64(7):892～895。
从表1可知，二氢吡啶壳聚糖理化性质，抗氧化活性更优，二氢吡啶壳聚糖可以代替壳聚糖制备保鲜剂。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。