（无机化学专业论文）有机锡基壳聚糖羧酸酯的合成、表征及其杀螺活性的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 有机锡羧酸酯类化合物可广泛地用作杀虫剂、杀菌剂、杀螨剂、 防污涂料等。近年来，这类化合物因其具有很强的生物活性及丰富的 结构倍受人们重视。为了寻找一种高效、低毒价廉、环境相容性好的 杀螺新药，拓展壳聚糖的应用并为化学灭钉螺药物的筛选构建新理论 和新方法。将具有生物活性的有机锡引入到生物相容性好的壳聚糖聚 合物中，设计合成了3 个有机锡壳聚糖羧酸酯聚合物，用i r 、b c n m r 、x r d 和t g d t a 等对产物结构和热稳定性进行了表征，并研 究了产物的杀螺活性。本论文主要由以下内容组成： ( 1 ) 以壳聚糖为原料，经溶胀，碱化后与氯乙酸反应生成了水溶 性羧甲基壳聚糖，并用正交实验法确定了该实验的适宜条件，即：碱 化2 4h ，m t 乙m m 壳聚糖为5 ：1 ，6 5 下反应5h 。在该实验条件下羧甲基壳 聚糖的产率可达9 7 ，取代度可达1 0 9 。 ( 2 ) 羧甲基壳聚糖( c m c - n a ) 和三苯基氯化锡( p h 3 s n c l ) 用8 0 的 甲醇水溶液做溶剂，在2 0 下反应2d ，合成了未见文献报道的新化 合物三苯基锡壳聚糖羧酸酯( c m c s n p h 3 ) ，用i r 、1 3 cn m r 、 t g - d t a 和x r d 对c m c s n p h s 的结构进行了表征，用火焰原子吸收 光谱法测定了c m c s n p h 3 中n a + 、s n 4 + 的含量，得到三苯基锡的取代 度为o 4 7 。并对该产物进行了杀钉螺活性的实验，结果为c m c s n p h 3 的浓度大于1 0 m g l 时，能抑制钉螺上爬；c m c s n p h ，的浓度大于0 5 m g l ，室温浸泡3d 后，钉螺的死亡率达1 0 0 。表明该产物具有高 效的杀钉螺活性。 ( 3 ) c m c - n a 与三丁基氯化锡( b u 3 s n c l ) 反应，合成了三丁基锡 壳聚糖羧酸酯( c m c s n b u 3 ) 。研究了反应时间，反应温度，溶剂等主 要因素对接枝率( g ) 的影响。在适宜反应条件下，接枝率( g ) 可达 4 4 7 o 用瓜、1 3 cn m r 、t g d t a 和x r d 对产物进行了表征，结果 表明产物c m c s n b u 3 的热稳定性和结晶度与原料相比都有所下降。 用火焰原子吸收光谱法测定了产物中n 矿、s n ，的含量，得到三丁基 锡的取代度为0 2 9 ，并对该产物进行了杀钉螺活性的实验，结果为 c m c s n b u 3 的浓度为0 5m g l ，浸杀2d 时，钉螺的死亡率达1 0 0 。 ( 4 ) c m c - n a 与三苄基氯化锡( ( p h c h 2 ) 3 s n c l ) 以苯和水作反应溶 剂，在6 0 下两相反应2d ，合成了未见文献报道的新化合物三苄基 硕士学位论文摘要 锡壳聚糖羧酸酯( c m c s n ( p h c h 2 ) 3 ) 。用i r 、1 3 cn m r 、t g d t a 和 x r d 对c m c s n ( p h c h 2 ) 3 的结构进行了表征，用火焰原子吸收光谱法 测定了c m c s n ( p h c h 2 ) 3 r p n a + 、s 1 1 4 + 的含量，得到三苄基锡的取代度 为o 3 2 。并对该接枝共聚物进行了杀钉螺活性的实验，结果为 c m c s n ( p h c h 2 ) 3 的浓度大于1 2 5m g l ，室温浸泡3d 后，钉螺的死亡 率达1 0 0 。表明该产物具有高效的杀钉螺活性。 关键词：壳聚糖；三烃基氯化锡；有机锡羧酸酯；合成；杀螺活性 h 硕士学位论文 a b s t r a c t o r g a n o t i nc a r b o x y l a t e sa r eu s u a l l yu s e da si n s e c t i c i d e s ，b a c t e r i c i d e ， a c a r i c i d e ，a n da n t i f o u l i n gp a i n ta n de t c i nr e c e n ty e a r s ，t h ec o m p u n d s w e r eg o tm u c ha t t e n t i o nb e c a u s eo fh a v i n gv e r ys t r o n gb i o a c t i v i t ya n d t h e i ra b u n d a n ts t r u c t u r e s i no r d e rt of i n dan e wm o l l u s c i c i d eo fh i g l l l y e f f e c t i v e , i n e x p e n s i v e ，l o wt o x i c i t y , a n de n v i r o n m e n t a lc o m p a t i b i l i t y , o r g a n o t i nc h i t o s a nc a r b o x y l a t e sw e r ed e s i g n e da n ds y n t h e s i z e db y c o n j u g a t i n gt h eo r g a n t i nw i t hc h i t o s a n t h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so f t h ep r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z a t i o nb yi r , d c n m a n dt g d t a t h em o l l u s c i c i d a la c t i v i t yo ft h ec o m p u n d sw a st e s t e da sw e l l t h e p u r p o s eo f t h i sp r o j e c ti st oa d dt h en e wa p p l i c a t i o n so fc h i t o s a na n d p a v e an e ww a yo fm a k i n gs u c han e wk i n do fm o l l u s c i c i d e ( 1 ) a f t e rs w e l l i n ga n da l k a l i n i z a t i o n ，c h i t o s a nw a sr e a c t e dw i t h s o d i u mc h l o r o a c e t a t e t h e n ，w a t e r s o h b l yc a r b o x y m e t h y lc h i t o s a n ( c m c - n a ) w a so b t a i n e d t h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n sw e r eo p t i m i z e d v i ao r t h o g o n a lm e t h o d s t h e y i e l do fw a t e rs o l u b l yc a r b o x y m e t h y l c h i t o s a ni s9 7 a n dt h ed e g r e eo fs u b s t i t u t i o ni s 1 0 9 ，w h e nt h e a l k a l i n i z a f i o nt i m ew a s2 4 h ，t h er a t i oo fc h i t o s a nt os o d i u mc h l o r o a c e t a t e w a sl ：5 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ew a s6 5 ，a n dr e a c t i o nt i m ew a s5h ( 2 ) c m c s n p h 3w a ss y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no fp h 3 s n c la n d c m c - n ai nt h em i x e ds o l v e n t s “胁矗l i 柚o l ：v w 墩曩寻8 ：2 ) f o r2d a y sa t2 0 t h es t r u c t u r ea n dp h y s i o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h ec m c s n p kw e r e c h a r a c t e r i z a t i o nb yi r , cn m r , t g d t aa n dx r d t h ec o n t e n t so f n a 十s n 4 十i nc m c s n p h 3w e r ed e t e r m i n e db yf l a m ea t o m i ca b s o r p t i o n s p e c t r o p h o t o m e t r y , a n dt h ed e g r e eo fs u b s t i t u t i o no f - - s n p h 3i s0 4 7 t h e m o l l u s c i c i d a l a c t i v i t y o ft h e c m c s n p l l 3w a st e s t e dt o o t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w 也a tt h es n a i l sc l i m b i n gc a nb er e s t r a i n e dw h e n t h ec o n c e n t r a t i o no ft h ec m c s n p h 3i sh i g l l e rt h a n10 m g l t h es n a i l d e a t hr a t ei s10 0 w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ec m c s n p h lr e a c h s0 5 m g la n dt h es o a k i n gt i m ei sa b o v e3d a y s t h er e s u l t si n d i c a t et h a t c m c s n p ki so fag o o de 伍c a c yf o rm o l l u s c i c i d e ( 3 ) c m c s n l 3 u 3w a sa c q u i r e db yr e a c t i o no fc m c - n aw i t hb u 3 s n c i ， t h er e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t h er e a c t i o nt i m e ，a n dt h es o l v e n te f f e c t so nt h e i i i 硕士学位论文 g r a f tr a t i oo ft h ec o m p o u n dw e r eo p t i m i z e d a tt h eo p t i m u mc o n d i t i o n s t h eg r a f tr a t i oi s4 4 7 t h es t r u c t u r ea n dp h y s i o c h e m i c a lp r o p e r t i e so f c m c s n b u 3w e r ec h a r a c t e r i z a t i o nb yi r ，1 j cn m l kt g d t aa n dx r d t h ec o n t e n t so fn a 十s n 4 十i nc m c - s n p h 3w e r ed e t e r m i n e db yf l a m e a t o m i ca b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t r y , a n dt h ed e g r e eo fs u b s t i t u t i o no f - s n b u 3i s0 2 9 t h em o l l u s c i c i d a la c t i v i t yo ft h ec m c s n b u 3w a s i n v e s t i g a t e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t 廿1 es n a i ld e a t hr a t ei s 10 0 w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ec m c s n b u lr e a c h s0 5 m g la n dt h e s o a k i n gt i m ei sm o r et h a n2d a y s ( 4 )c m c s n ( p h c h 2 ) 3 w a s s y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no f ( p h c h 2 ) 3 s n c la n dc m c - n ai nt h em i x e ds o l v e n t so fb e n z e n ea n dw a t e r f o r2d a y sa t6 0 t h es t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fc m c - s n ( p h c h 2 ) 3 w e r ec h a r a c t e r i z a t i o nb yi r , cn m p , t g d t aa n dx r d t h ec o n t e n t s o fn a 十，s n 4 十i nc m c s n ( p h c h 2 ) 3w e r ed e t e r m i n e db yf l a m ea t o m i c a b s o r p t i o ns p e c t r o p h o t o m e t r y , a n d t h e d e g r e e o fs u b s t i t u t i o no f s n ( p h c h 2 ) 3i s0 3 2 t h em o l l u s c i c i d a la c t i v i t yo ft h ec m c - s n ( p h c h 2 ) 3 w a sd e t e r m i n e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w nt h a t 恤es n a i ld e a t hr a t e i s10 0 w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ec m c s n ( p h c h 2 ) 3r e a c h s 1 2 5 m g la n dt h es o a k i n gt i m ei so v e r3d a y s t h er e s u l t si n d i c a t e c m c s n p h li so fag o o de 珩c a c yf o rm o l l u s c i c i d e k e yw o r d s ： c h i t o s a n ，o r g a n o t i nc a r b o x y l a t e ，t r i a l k y l t i n c h l o r i d e ， s y n t h e s i z e ，m o l l u s c i c i d a la c t i v i t y i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 日期：年一月一日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定递交学位论文。 作者签名：导师签名：e l 期：l 月一 硕士学位论文第一章文献综述 1 1 壳聚糖 第一章文献综述 壳聚糖( c t s ) 是白色无定形、半透明而略带珍珠光泽的固体，不溶于水和碱 溶液，可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸，不溶于稀的硫酸和磷酸， 因原料与制备方法不同，相对分子质量也从数十万至百万不等。壳聚糖是甲壳素 脱乙酰基后的一种重要衍生物。壳聚糖又名甲壳胺或脱乙酰甲壳素，化学名称为 p ( 1 ，4 ) 聚- 2 胺基d 葡聚糖。壳聚糖、甲壳素的结构式分别如图1 1 所示。 十凳鲁跖h 3 c o c 爷- x t u 斗 l邸o c ，n h h u 州 l h o h 2 c 壳聚糖 图1 - 1甲壳素和壳聚糖的化学结构式 f i g i - 1t h es t r u c t l m 薯o f c h i t i na n dc h i t s o n 甲壳素广泛存在于蟹、虾等甲壳类动物及藻类、真菌等低等植物中，是自然界中 产量仅次于纤维素的第二大多糖。甲壳素脱去n 乙酰基5 5 以上就可称之为壳聚 糖，作为工业品的壳聚糖，脱n 乙酰基度一般在7 0 以上【l l 。 1 1 1 壳聚糖的抗菌性 壳聚糖近年来之所以引起人们的广泛关注，就是因为壳聚糖衍生物具有许多 独特的性质，如具有良好的生物相容性和生物可降解性、抗菌性、抗微生物性、 对重金属离子的螯合性、抗病毒性、抗癌性及伤口愈合等，因此它们可望在生物 医用材料、药物释放体系、伤口愈合材料、污水处理、金属回收、膜分离、化妆 硕士学位论文第一章文献综述 品、日用化工等方面获得应用【2 】o 现在重点介绍壳聚糖的抗菌性。 ( 1 ) 壳聚糖抗菌性机理 壳聚糖具有良好的生物相容性、生物可降解性以及抗菌、防腐、止血和促进 伤口愈合等优良性能，这种性质使它作为天然的抗菌剂、抗菌材料、防腐剂有着 很好的应用前景。近年来，人们对于壳聚糖的抑菌机理的认识已经有了长远的发 展。但是，就其确切的抑菌机理来讲至今还不太清楚，可以说是众说纷纭。可能 的原因是影响实验的因素较多。例如：实验所用的菌种的不同、采用的壳聚糖的 分子质量的不同、脱乙酰度的不同和应用不同的实验方法等都可以造成实验结果 的不同。而且人们的观察角度也有所不同，因此在抑菌机理方面还存在不同的看 法。普遍认为壳聚糖的抑菌机理有以下几种可能。 壳聚糖干扰菌体细胞膜的功能，从而达到抑菌的效果。这种机制主要对 革兰氏阳性菌起主导作用。革兰氏阳性菌细胞壁主要是由肽聚糖形成的网状结构 组成，特点是厚度大( 2 0 8 0r i m ) ，含有9 0 的肽聚糖和1 0 的磷壁酸。大分子的壳 聚糖容易形成致密的外膜，抑制了细胞膜的通透性，能够阻止营养物质进入细菌 的细胞内，因此随着分子质量的逐渐增大，其抗菌作用是逐渐增强的。而革兰氏 阴性菌其细胞壁肽聚糖层较薄( 2 3r i m ) ，含量约占细胞壁总质量的1 0 ，不含有 磷壁酸，含有丰富的脂多糖，其厚度大约有8 1 0n m 。壳聚糖容易进入到细胞壁 的空隙结构内，干扰细胞正常的新陈代谢，从而达到杀菌的目的【3 1 。 壳聚糖直接与菌体d n a 和m r n a 作用。l i u 4 1 在测试壳聚糖的抑菌能力的 实验中用f i t c ( 异硫氰酸荧光素) 来标记低分子质量的壳聚糖，并与大肠杆菌一起 培养。结果经过荧光检测发现，在大肠杆菌的细胞体内存在大量被标记的分子质 量为8 0 0 0u 和4 0 0 0u 的壳聚糖。推测可能是由于低分子质量的壳聚糖可以通过渗 透的方式进入到细菌的细胞体内。带有正电荷的壳聚糖与带有负电荷的d n a 发 生了相互作用，影响了r n a 的转录和蛋白质的合成，从而实现了抑菌的目的。 壳聚糖激活几丁质酶，达到抑菌的目的。壳聚糖作为几丁质酶的底物， 在其大量存在的条件下，病原真菌的几丁质酶的活性可以被激发出来。对于大多 数病原真菌来讲，当壳聚糖浓度很高时，病原真菌体内的几丁质酶就被过分的表 达。从而导致了对其自身细胞壁几丁质的降解。而几丁质是真菌细胞壁的重要组 成部分因此病原菌的细胞壁也就被损坏了，这样就达到了杀菌的效果 5 1 。 壳聚糖上的胺基起抑菌作用。王鸿等1 6 用不同脱乙酰度的壳聚糖做抑菌 研究，推测认为是壳聚糖上带正电荷的胺基与细菌的细胞壁结合而阻碍了细菌的 增殖。革兰氏阴性菌的细胞壁的最外层是一层较厚的类脂多糖物质，有吸附阳离 子的作用。吸附了质子化的壳聚糖后，与c a 2 + 结合的可能性就减少，脂多糖结构 的稳定性变差，内壁层肽聚糖暴露出来，容易被溶菌酶水解。革兰氏阳性菌的细 胞壁含有丰富的磷壁酸，其所带的负电荷可与环境中的m 矛+ 结合以保证细胞膜上 2 硕士学位论文第一章文献综述 一些合成酶维持高活性的需要。在壳聚糖的酸性溶液中，单体分子上带正电荷的 胺基就可能与磷壁酸结合，扰乱其生理功能，使细菌的繁殖受阻。 壳聚糖与细胞质发生作用。宋献周等 7 1 测定了不同分子质量的a 壳聚糖 的抑菌效果。认为低分子质量的壳聚糖可以通过渗透的方式进入菌体细胞内，与 带负电的细胞质发生作用，吸附在带有阴离子的细胞质上，使细胞质发生絮凝作 用，扰乱了细胞的正常生理代谢，从而实现了抑菌的作用。 ( 2 ) 壳聚糖抗菌性的影响因素 经过研究发现，壳聚糖脱乙酰化度、分子量、环境p h 值、浓度等因素对壳 聚糖抗菌活性有影响。下面就以上所提到的几个方面进行详细的讨论。 壳聚糖的脱乙酰化度对抗菌性的影响。甲壳素经浓碱液处理后，分子中 乙酰基大部分水解脱除，当分子中半数以上的乙酰基被脱除便成为壳聚糖，就可 以在酸中溶解。当壳聚糖溶解在酸性溶液中单体分子上的游离胺基( - n h 2 1 质子化 而带正电( h n 3 + ) 变成阳离子聚合物，能吸附一些带负电荷的物质。基于此，人 们对壳聚糖的抑菌机理有着不同的解释。夏文水等【8 l 曾对分子质量较小的甲壳低 聚糖( m r = 1 5 0 0u ) 其脱乙酰度与抑菌率的关系作过研究。王鸿等【6 】曾用较大分子。 质量的壳聚糖( 9 3 x 1 0 5 一- - , 9 8 x 1 0 5u ) 中3 种不同脱乙酰度的抑菌性进行了研究，结 果认为随着脱乙酰度的升高，壳聚糖抑菌能力是增强的。l i u 等【4 1 也测定了5 种不 同脱乙酰度的壳聚糖的抑菌效果，实验得到的结论也是相同的。原因是高的脱乙 酰度的壳聚糖使- n i - - 1 2 的浓度增加，使得更多的带正电的h n 3 + 吸附到带负电的细 菌表面上，从而干扰了细胞的正常的生长、繁殖。 壳聚糖的分子量对抗菌性的影响。j e o n 【9 】对壳聚糖和壳低聚糖的抑菌活性 做了大量的研究，认为壳聚糖的抑菌效果要好于壳低聚糖，而且它们的抑菌效果 都与分子质量有关。l i u 4 测定了分子质量从5 0 0 0 - - - 1 0 8 x 1 0 6u 的7 种壳聚糖的抑制 大肠杆菌的能力，认为当壳聚糖的分子质量在5 0 0 0 - 9 。1 6 x 1 0 4u 时，其抑菌能力 是随分子质量的增加而增加的；。当壳聚糖的分子质量在9 1 6 x 1 0 4 1 0 8 x 1 0 6u 时， 其抑菌能力是使分子质量的增加而下降的。夏文水等【7 】采用大肠杆菌作为实验菌 株，发现随分子质量上升抑菌效果逐渐下降，而且通过试验测定分子质量为1 5 0 0 u 的壳聚糖抑菌效果最强。y o u s o o k 1 0 】报道分子质量为4 0 0 0 0u 的壳聚糖在质量分 数为0 5 时，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀灭率为9 0 ，分子质量为18 0 0 0 0 u 的壳聚糖在质量分数为5 0 0 x l 酽时，对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的杀灭率几乎 为1 0 0 。h o n 叠1 1 】的结论认为从整体上来说，壳聚糖对革兰氏阳性菌的抑制效果 要好于革兰氏阴性菌。这与j e o n 等【9 】的实验结果是一致的。所有的这些实验都说 明壳聚糖的抑茵效果是受到其分子质量影响的，而且因为其针对的菌的特性不同 影响效果不同。对于革兰氏阴性菌来讲壳聚糖的抑菌能力是随着分子质量的上升 3 硕士学位论文第一章文献综述 而增加的，但增加到一定的分子质量之后其抑菌能力将不再增加；而对于革兰氏 阳性菌来讲，低分子质量的壳聚糖的抑茵效果较好。 壳聚糖在溶液中呈无规线团状，随着分子量的增加，其分子链柔韧性和卷曲 程度增加，同时端基减少，使得壳聚糖内有效消毒因子- n h 2 也略有增多，二者均 使其对细菌的吸附和絮凝能力增强；随着分子量的进一步增大，溶液的粘度增加， 壳聚糖分子链的卷曲和缠结程度的增加使部分消毒因子- n h 3 + 被包埋在大分子的 无规线团中，影响了其对细菌的吸附及与带负电荷的细菌反应能力，此时分子量 较小的壳聚糖，则发挥灵活运动的优势，减少了分子间氢键的形成，以上两种因 素，均使壳聚糖的抗菌活性有所下降。低分子量壳聚糖有一定杀菌作用，是因为 分子量越小，越容易进入细胞壁的空隙结构内，干扰细胞的新陈代谢，达到杀菌 目的。高分子量壳聚糖具有较强的抑菌、杀菌作用，其抗菌性能源于抗菌因子 - n h 3 + ，且高分子量壳聚糖具有成膜特性，能在细胞表面形成足够致密的膜。另 外，壳聚糖的抑菌、杀菌作用还与种的不同有关，革兰氏阳性菌的细胞壁较厚， 结构紧密，且细胞壁含有丰富的磷壁酸使细胞壁形成一个负电荷环境【1 2 】，所以， 高分子量壳聚糖对金黄色葡萄球菌的抑杀作用可能以第一种机理为主。革兰氏阴 性菌细胞的壁薄，交联松散【1 2 】，低分子量壳聚糖对大肠杆菌的杀菌作用可能归因 于第二种机理，尚待进一步研究。 p h 值对抗菌性的影响。谢勇等【1 3 】在测定p h 值对壳聚糖抑菌效果的研究中 测定了在3 种不同p h 值下壳聚糖的抑菌效果。结果表明随着p h 值的降低壳聚糖的 抑菌作用是增强的。l i u l 4 1 、杨冬芝等【h 】测试了在p h 值从3 8 的培养基壳聚糖的 抑菌能力。发现p h 值为6 3 时的抑菌作用是最优的。壳聚糖是一种弱碱性聚电解 质，其分子中的p k a = 6 2 【l 】，高于此p h 值时，壳聚糖的溶解性较差，并且- n h 3 + 上的质子被中和，消毒因子减少，抗菌效果减弱；而低于此p h 值时，消毒因子 的总量不变，但溶液中的大量旷与n h 3 + 在细菌表面产生竞争性吸附，同样造成 抗茵性下降。 浓度对抗菌性的影响。不同浓度的壳聚糖的抑菌效果是不同的，许多研 究已经证明了这一点。例如：刘艳如等【1 5 】测定了分子质量为1 9 0 0u 的壳聚糖在5 种不同质量分数( 0 0 0 1 、0 0 0 3 、0 0 0 5 、0 0 1 、0 0 1 5 ) 时的抑菌效果。l i u 【4 l 测定了 粘均分子质量为5 1 4 1 0 4u 的壳聚糖，质量分数在o 0 1 o 1 之间的抑菌效 果：以及分子质量为5 0 0 0u 的壳聚糖，质量分数在0 0 1 o 5 之间的抑菌效果。 谢勇等【l l 】测定了在2 种不同p h 值条件下的8 种不同质量分数( o 0 1 、0 0 1 5 、0 0 2 、 0 0 2 5 、o 0 3 、0 0 3 5 、o 0 4 、0 0 5 ) 的壳聚糖的抑菌效果。所有实验都表明随着壳 聚糖浓度的增加，其抑菌效果是逐渐增强的。原因归结为壳聚糖分子中的- n h 2 基团的存在，随着壳聚糖浓度的增加溶液c ) - n h 2 的浓度的也将增加，从而抑菌的 4 硕士学位论文第一章文献综述 效果也就增强了。由于壳聚糖在中性及碱性溶液中不能溶解，所以在应用中大多 将壳聚糖溶解在酸性溶液中，一般实验中采用的大多是醋酸。而醋酸本身也具有 抑菌的功能，所以实验的结果在一定程度上是会受到影响的。 1 1 2 壳聚糖的衍生物及其应用 ( 1 ) 羧甲基壳聚糖概述 由于壳聚糖高分子链中存在可反应的羟基和氨基，能进行一系列化学改性， 制成各种各样的衍生物，从而极大地丰富了甲壳素和壳聚糖的研究内容。通过化 学改性，一方面改善了甲壳素和壳聚糖的溶解性能，增加了水溶性，从而扩大了 应用范围；另一方面，提高了甲壳素和壳聚糖原有的特性，使其作用效果更好： 更重要的是可制得新的衍生物，开发出更有魅力的新产品。甲壳素化学改性的衍 生物，按照不同应用目的，可适当选择不同分子量范围的壳聚糖为原料。进行化 学衍生化的分子设计。甲壳素壳聚糖的分子修饰有羧甲基化、酰基化、烷基化、 硫酸和磷酸酯化、接枝与交联等【1 6 l ，通过引入各种功能基，从而改善其物化性质， 形成各自不同功能，广泛应用于各种领域，将有望形成甲壳素化学最具活力的产 业。下面介绍一下壳聚糖的最新的衍生物极其应用。 壳聚糖羧甲基化后，与磷酸钙生成螯合物，它可促进骨骼的矿化，在医 药上可作为成骨的促进剂【l 刀。 选择性制备硫酸化甲壳素和硫酸化壳聚糖，是壳聚糖众多衍生物中最具 诱人的领域，它们不但具有抗凝血性和解吸血中脂蛋白的活性【瑚，而且还显示抑 制肿瘤与抗艾滋病毒的作用【1 9 1 ，已引起药理学家和病毒学家的高度关注。另外， n 辛酰化和n 己酰化壳聚糖还具有抗血栓性。 用含有活泼基团的冠醚作为壳聚糖的交联剂，合成出高选择性、高络合 性能的吸附分离材料刚，对贵金属离子、重金属离子具有优良的吸附特性，有广 泛的应用前景。 在工业上，甲壳素酰化、丙酰化及卤化制成的衍生物，具有良好的柔韧 性和导电性，可做为电子元件的涂料和填充料。壳聚糖应用于造纸业的施胶剂， 能使纸的抗水性提高6 倍，还可提高光洁度、抗撕裂度，并有较好的书写和印刷 效果：用于照相底片，可提高感光灵敏度，增加色彩效果。 环境保护方面，壳聚糖作为特有的多聚阳离子多糖，应用相当广泛：如 可作为饮用水的净化剂，工业废水和贵重金属离子的回收剂，减少核辐射污染的 吸收剂，以及食品加工废水中蛋白质沉淀剂和发酵液中的菌体与蛋白絮凝剂等。 ( 2 ) 羧甲基壳聚糖的性质 在迄今所报道的6 0 0 多种甲壳素衍生物中，羧甲基壳聚糖是研究最多的一种， 5 硕士学位论文第一章文献综述 也是甲壳素最重要的衍生物之一，它是由3 位、6 位羟基上的氢原子或2 氨基位上 的氢原子被羧甲基取代而生成。取代基团发生o 位则生成o 羧甲基壳聚糖 ( o - - c m c ) ；取代基团发生n 位则生成n 羧甲基壳聚糖( n - c m c ) ；取代基团同时发 生0 6 7 和n 位即生成n ，o 羧甲基壳聚糖( n ，o c m c ) 。早在1 9 3 7 年，k i g b y 犍j ：氢氧 化钠加入到壳聚糖的氯乙酸溶液中，得到了一种水溶性产物羧甲基壳聚糖【2 n 。 羧甲基壳聚糖具有类似于纤维素醚类的性质，有优良的增稠性、分散性、乳化性、 保湿性、成膜性、凝胶性等，还具有两性高分子电解质和鳌合金属离子的特性【捌。 与甲壳素和壳聚糖相比，具备良好的水溶性，在广泛的p h 值范围内溶解。羧甲 基壳聚糖在农业、日用化工、食品、造纸、制药、化妆品、水处理等领域中有着 广泛的应用【2 3 2 4 】，这主要是因为羧甲基壳聚糖具有如下优良性能： 。 水溶性。取代度大于0 6 的羧甲基壳聚糖易溶于水，取代度愈高，水溶性 愈好，其溶液的透明度也愈好。保湿性。羧甲基壳聚糖上的氨基及羧基都是 亲水基团，有着较强的吸水性，0 2 5 的羧甲基壳聚糖溶液的吸湿度与2 0 的丙 三醇相当，溶液的粘度恒定。成膜性。羧甲基壳聚糖有较好的成膜性，其膜 具有光泽，透明而柔韧，并有较好的透气性。高分子性能。羧甲基壳聚糖对 胶体有稳定作用，有增稠及凝胶的作用和气泡稳定的作用。生物学性能。羧 甲基壳聚糖生物学性能优异，安全，无毒，无害。 ( 3 ) 羧甲基壳聚糖的抑菌性 n o - c m c 在水溶液中易形成牢固的薄膜对气体有选择性的通透，不利于细 菌和大部分真菌的生长，特别适合于作水果的保鲜剂。但是，与壳聚糖相比较， 它的n h 2 减少了，抑菌能力将有所下降。可以在不改变n h 2 的基础上，将一o h 羧甲基化，这样- n h 2 的数量没有减少，而且由于分子间和分子内的作用解离的 - n h 3 + 的数量增多，使壳聚糖的抑菌能力增强了。陈凌云掣2 5 】测定t n ，o c m c 的 抑菌效果。实验表明，n ，o c m c 对金黄色葡萄球菌的抑制作用要好于大肠杆菌 的抑制作用。而且随着分子质量的下降，其抑菌效果有所升高。李治等【2 6 】研究 o - c m c 的抗菌性随羧甲基取代度的变化规律，研究表明：三种相对分子质量水 平的o c m c 在相同的条件下，当取代度小于0 6 o 8 时，抗菌性均大于壳聚糖。 当取代度在0 3 - 0 6 范围内，o c m c 具有较强的抗菌性，取代度大于或小于此 范围，抗菌性均有所下降。因为o - c m c 中含有c o o h ，它的酸性可使更多的氨 基质子化成n h 3 + ，从而增加了消毒因子的数；同时，- c o o h 和- n i t 2 两种基团可 形成分子内或分子间的氢键，使大分子链柔顺性下降，分子链更加舒展，在取代 度不太高时降低了对消毒因子- n h 3 + 的包埋程度，使之暴露，能与细菌充分作用， 因而抗菌能力较强。但是当取代度过高时，形成氢键的机会增加，消耗了消毒因 子的数，同时也使大分子链的运动能力下降，消毒因子与细菌的接触难，抗菌性 6 硕士学位论文第一章文献综述 减弱。 1 2 有机锡化合物 从二十世纪2 0 年代人们发现有机锡衍生物的生物活性以来，对烃基锡衍生物 的生物活性研究获得了长足的发展。据统计，目前全世界年产有机锡化合物约 5 0 0 0 0t ，该产量在工业有机金属化合物生产中排行第四。虽然锡不直接参与生物 体的新陈代谢过程，但是它是生物体内是很重要的一种微量元素。有机锡广泛应 用于工农业生产，例如：作为杀菌剂、杀螨剂、木材防腐剂、海洋船舶防污剂。 1 2 1 有机锡化合物的性质【z 7 】 有机锡化合物于1 8 5 2 年首次合成出，直到1 0 0 年后这类些化合物才得以应用。 在上世纪4 0 年代末至5 0 年代中期，美国、英国及欧洲其他国家和日本陆续将二烷 基有机锡化合物用作聚氯乙烯( p v c ) 稳定剂，以避免p v c 光照或受热后降解、变 脆和褪色，1 9 5 5 年无毒的辛基锡化合物被用于包装食品的p v c 的稳定剂，其使用 量至今仍是最大的。 有机锡化合物的通式为r n s n x 佃，r 代表烷基或芳香基，1 1 从l 到4 ( 代表4 种 不同的有机锡化合物，即单、二、三和四烷基或芳香基有机锡化合物) ，x 基团 的影响作用不大，除非其本身具有生物杀伤性或毒性。通式中n = 3 的有机锡化合 物最毒，有人认为其毒性在于破坏线粒体的功能，具有和某些蛋白质键合的生物 活性；n = l 和n = 2 的毒性居次，四有机锡化合物毒性很低或无毒，它主要是从s n c h 合成其它有机锡化合物的中间体。 s 1 1 c h 一耻s n r 3 s n x ；r 2 s n x 2 , r s n x a 由于会降解为短链的有机锡化合物( 首先是三有机锡化合物) ，四有机锡化合物 具有潜在的毒性，有研究表明该降解过程很容易在肝脏中进行。 四有机锡化合物主要有作生物杀伤剂，成为防腐涂料、除草剂、杀菌剂和木 材防腐剂中的有效成分；二有机锡化合物主要用作p v c 稳定剂，含s n - s 键的有机 锡化合物用作热稳定剂，含s n - o 键的化合物用作光稳定剂。单有机锡化合物和二 有机锡化合物具有协同作用，可一起用作p v c 稳定剂，还可作为覆盖在玻璃上的 s n q 薄层的前体及均相酯基转移反应的催化剂。有机基团的性质对化合物的毒性 有很大影响，例如，在三有机锡化合物中，三甲基锡对真菌和昆虫显示高毒，三 乙基锡对哺乳动物最具毒性，而三丙基锡和三丁基锡对真菌、鱼类、细菌和植物 有较大的毒性。丁基锡类化合物由于对昆虫、真菌、鱼类、软体动物等等以及哺 乳动物的作用各不相同，所以它们广泛应用作杀菌剂、木材防腐剂和防腐涂料。 7 硕士学位论文第一章文献综述 四烷基锡化合物对哺乳动物显示低毒，四乙基锡的毒性最大，烷基链越长， 毒性越小。这些化合物具挥发性，且无味，具有潜在的危害性。二有机锡化合物 的作用模式与三有机锡化合物不同，在通式r 2 s n x 2 中，r 基团为短链的一些物质 能阻滞a 酮酸的氧化，因为它们能以连二硫基团与辅酶结合。这种情况下x 基团 的性质对毒性有影响。例如，二甲基锡二硫化物具中等毒性，而二甲基锡二异辛 基硫代甘醇酸酯 ( c h 3 ) 2 s n ( s c h 2 c 0 2 i o c t ) 2 】就相对无毒，因为它分子中已包含 了两个s n s 键。 1 2 2 三烃基锡羧酸酯配合物的结构 由于具有空的5 d 轨道，锡原子可以同配体的上非键电子对形成高配位的有 机锡化合物。三烃基锡羧酸酯类配合物中，羧基氧原子和锡原子直接结合成键， 形成畸变四面体构型的配合物( a ) ：另外酰基氧有可能同锡原子配位，锡原子采 取s p 3 d 杂化形成五配位的有机锡化合物，配位键的形成可以是分子内的( b ) 、也 可以是分子间的( c ) 或( d ) ，因此这类羧酸酯的结构有四种形式，见图1 2 。a 型 结构是单体结构中最常见的结构类型，通常r 为体积较大的苯基或环己基。 t u s h a r 【2 8 】等用4 - r c d l 4 n = c ( 2 o h c 6 h 3 ) n 三n ( 2 c o o h c 世1 4 ) 与三苯基氢氧化锡反 应，配体中羧基中的羧基氧原子与锡原子形成分子内配位键，所得配合物的结构 类型为b 型。波谱研究表明，含有杂环结构的分子中，既有分子内也有分子间 配位的五配位构型，配合物的构型可以为b 型，也可以为c 型或者d 型。 从承卜 鼻， c ，口， 图l - 2 三烃基锡羧酸酯的结构 f i g 1 - 2t h e s t r u c t u r e so f t d a l k y l t i nc o r b o x y l a t e 1 2 3 有机锡羧酸酯的性质与应用 三烃基锡羧酸酯通常是由氢氧化三烃基锡r 3 s n o h 或氧化双三烃基锡 ( r 3 s n h o 和有机酸反应脱水而制得，也可由卤代三烃基锡r 3 s n x 与羧酸盐反应制 得。自从1 9 7 2 年b r o w n 首次发现p h 3 s n 0 2 c c h 3 具有抑制小鼠肿瘤的生长作用以来， 8 硕士学位论文第一章文献综述 对有机锡( r v 3 羧酸酯的合成、分子结构及生物活性研究越来越多。到目前为止， 美国抗癌测试中心( n c i ) 已挑选了2 0 0 0 多种有机锡化合物，其中大部分为有机锡 ( n o 羧酯类。具有生物活性的有机锡研究多集中在三烃基锡( ) 和二烃基锡( 聊 羧酸酯类化合物。近年来，这类化合物因其具有很强的生物活性及丰富的结构倍 受人们重视。实验证明，它们的生物活性与锡原子的配位状态有关，中心锡原子 的配位形式取决于直接与锡原子相连的烃基的结构和羧酸基配体的类型。为研究 这类化合物的生物活性及其结构关系，尹汉东等【挫3 4 1 合成了许多不同类型的有机 锡羧酸酯化合物，尤其是对羧酸基配体中具有额外孤对电子原子( s 、n 、o ) 的有 机锡羧酸化合物进行了研究。 在应用方面，三烃基锡化合物一般有较高的生物活性。在这类化合物中，三 丁基锡衍生物研究得较多也较早1 3 引，主要用于船舶防污涂料、木材防腐和灭钉螺 等。原来的试验结果表明，三丁基锡羧酸酯是一类对多种植物病源菌具有较高抗 菌活性的物质，其抗菌活性优于商品药剂朴海因( 1 异丙基氨基甲酰基3 ( 3 ，5 二 氯苯基) 海因) ，接近或相当于商品药剂多菌灵( n ( 2 苯并咪唑基) 氨基甲酸甲酯) ， 并且还具有良好的除草活性 3 6 , 3 。三环己基锡化合物作为杀螨剂具有活性好、选 择性高、残留量小、对生态平衡影响小等特点，而混合的烷基、环己基三取代锡 衍生物同时具有高效杀螨、杀菌活性【3 引，同时具有一定的除草活性【3 9 , 4 0 i 。三苯基 乙酸锡和三苯基氢氧化锡是防止甜菜褐斑病的有效药剂，而三苯基锡芳氧乙酸酯 同对发光菌有很好的杀作用【3 5 】。三苄基锡羧酸酯也具有一定的杀菌活性。武汉大 学徐汉生等【4 i 】将三烃基锡结构引入一系列具有杀菌作用的有机酸中，发现锡酯的 抑菌性能得到了显著提高。s c h w a r t z 等合成的含c o n h 结构的不饱和羧酸锡酯 r 3 s n 0 2 c c h 2 一c h 2 c o n h c 6 h 1 3 ( r = e t ，n - b u , p h ) ，其生物活性测试表明该类化合物具 有很好