（有机化学专业论文）新型壳聚糖基有机锡化合物的合成及其杀钉螺活性研究.pdf

摘要 本文采用化学方法对壳聚糖进行三个方面的化学改性，然后用 改性过的壳聚糖分别与有机锡化合物发生反应，合成出相应的壳聚糖 基有机锡酯类化合物，对它们的杀钉螺活性分别进行了测试，取得了 以下主要研究成果： 用二硫化碳对壳聚糖进行黄原酸化改性时，最佳的黄化反应条 件是：壳聚糖用3 5 的浓碱低温碱化l 天，用甲醇和水作混合溶剂， 壳聚糖和二硫化碳的用量比l ：4 质量( g ) k l - , 体积( m l ) ，反应温度为 5 5 ，反应时间为6 h 。 壳聚糖黄原酸钠对c u 2 + 有很好的吸附作用，且壳聚糖黄原酸钠 的取代度越高，吸附性能越好，对c u 2 + 吸附的最佳p h 值范围为 6 o 7 o ，最佳温度为4 0 ，最佳吸附时间为o 5 h ，在最佳吸附条件 下，壳聚糖黄原酸钠的吸附量为3 4 9 5 m g g ，比壳聚糖提高7 。用 1 0 的氨水溶液可将吸附在壳聚糖黄原酸钠上的c u 2 + 定量洗脱下来， 脱附率为9 6 ，壳聚糖黄原酸钠重复使用3 次，吸附量降低不多。 自制的壳聚糖黄原酸钠在9 0 的甲醇溶液中充分溶胀，使之与甲 醇中的三苯基氯化锡于室温下反应2 天，制得不溶于水和一般常见有 机溶剂的三苯基锡壳聚糖黄原酸酯，并用u v 、i r 、n m r 、t g d t a 和x r d 等手段进行了分析和表征。 h a c 介质中，用尿素和磷酸二氢钠对壳聚糖改性，制得壳聚糖 磷酸酯，并通过酸碱滴定的方法测定出壳聚糖磷酸化的取代度为 1 5 7 。8 5 的甲醇介质中，壳聚糖磷酸酯分别和三苯基氯化锡、三丁 基氯化锡、三苄基氯化锡反应，合成出三苯基锡壳聚糖磷酸酯、三丁 基锡壳聚糖磷酸酯和三苄基锡壳聚糖磷酸酯，并用i r 、n m r 、t g d t a 和x r d 等手段进行了分析和表征。 h a c 介质中，用磷酸和甲醛对壳聚糖改性，制得n 亚甲基磷酸 壳聚糖，元素分析结果显示壳聚糖亚甲基磷酸化的取代度为1 2 2 。在 苯或甲苯介质中，n 亚甲基磷酸壳聚糖分别和三苯基氢氧化锡、三丁 基氯化锡、双三苄基锡氧化物反应，合成出n 亚甲基磷酸壳聚糖三 苯基锡酯、n 亚甲基磷酸壳聚糖三丁基锡酯和n 亚甲基磷酸壳聚糖 三苄基锡酯，并用i r 、n m r 、t g d t a 和x r d 等手段进行了分析和 表征。 杀钉螺生物活性测试结果表明：壳聚糖基三丁基锡酯类化合物 的杀钉螺活性最强，当其浓度达0 5 m g l 以上，浸泡2 天，对钉螺有 l o o 的杀灭效果。壳聚糖基三苯基锡酯和壳聚糖基三苄基锡酯的杀 钉螺活性相当，当其浓度达0 5 m g l 以上，浸泡时间增加至3 天，对 钉螺也有1 0 0 的杀灭效果。 关键词壳聚糖，化学改性，有机锡，杀钉螺活性 a bs t r a c t c h i t o s a nw a sm o d i f i e dt h r o u g ht h r e ec h e m i c a lw a y si nt h i sp a p e r t h ev a r i o u sk i n d so fc h i t o s a no r g a n o t i ne s t e r sw e r es y n t h e s i z e db yt h e r e a c t i o no fm o d i f i e dc h i t o s a nw i t ho r g a n o t i nc o m p o u n d sa c c o r d i n g l y t h ee x p e r i m e n t so fm o l l u s c i c i d a la c t i v i t yo fv a r i o u sk i n d so fc h i t o s a n o r g a n o t i ne s t e r sw e r ec a r r i e do u t m a i nr e s u l t sa sf o l l o w sw e r eg o t t e ni n t h i sp a p e r ： c h i t o s a nc a nb em o d i f i e db yc s ，i nt h ep r e s e n c eo fb a s e t h eb e s t c o n d i t i o n so fx a n t h o n a t i o ni st h a tt h ec o n c e n t r a t i o no fn a o hi s3 5 a n d t h ea l k a l i z e dt i m ei sld t h ed o s a g er a t i o no fc h i t o s a na n dc s 2i s l ：4 w e i g h t ( g ) t ov o l u m e ( m l ) 】i nt h em i x e ds o l v e n t so fm e t h a n o la n d w a t e r ，a n dt h eb e s tr e a c t i o nt e m p e r a t u ei s55 c ，t h eb e s tr e a t i o nt i m ei s 6 h c h i t o s a nx a n t h o g e n a t ec a na d s o r bc u 2 + e f f i c i e n t l y t h er e s u l t ss h o w t h a tt h eh i g h e rt h ed e g r e eo fs u b s t i t u t i o n ，t h eb e t t e rt h ea d s o r b i n gc a p a c i t y t h eo p t i m u mp hr a n g eo fc u pa d s o r p t i o ni s6 肛7 0 ，t h eo p t i m u m a d s o r p t i o nt e m p e r a t u r e i s4 0 ( 2 ，t h e o p t i m u ma d s o r p t i o n t i m ei s o 5 h u n d e rs u c hc o n d i t i o n s t h ea d s o r b i n gc o n t e n to fd t c c t sf o rc u 计 i s3 4 9 5 m g g a n di ti s7 m o r et h a nt h a to fc t s a d s o r b e dc u p c a nb e q u a n t i t a t i v e l ye l u t e df r o md t c c t sw i t hlo a m m o n i aw i t ht h ew a s h e d o f fr a t eo f9 6 d t c c t sc a l lb eu s e dr e p e a t e d l yt h r e et i m e sa n d a d s o r b i n gc o n t e n td e c l i n ev e n i a l l y c h i t o s a nx a n t h o g e n a t ew a ss w e l l e da d e q u a t e l yi n9 0 c h 3 0 h ，t h e n m e t h a n o ls o l u t i o nc o n t a i n e dp h 3 s n c lw e r ed r o p w i s e d t r i p h e n y l t i n c h i t o s a nx a n t h o g e n a t ew h i c hd o e s n td i s s o l v ei no r g a n i cs o l v e n ta n d w a t e rw a ss y n t h e s i z e da f t e rt w od a y7 sf a s tm i x i n ga n d c h a r a c t e r i z e db yu v ，i r ，n m r ，t g d t aa n dx - r a yd i f f r a c t i o nm e t h o d s e t c p h o s p h o r y l a t e d c h i t o s a n w a ss y n t h e s i z e d b y t h er e a c t i o no f m o n o s o d i u mo r t h o p h o s p h a t ew i t hu r e ai nt h ep r e s e n c eo fh a c t h e d e g r e eo fs u b s t i t u t i o no fp h o s p h o r y l a t e d c h i t o s a ni s 1 5 7b ya c i d - b a s e t i t r a t i o n t h r e en e wk i n d so f c o m p o u n d s t r i p h e n y l t i n p h o s p h o r l a t e d c h i t o s a n ，t r i b u t y l t i np h o s p h o r l a t e d c h i t o s a na n dt r i b e n z y l t i n i i i p h o s p h o r l a t e d c h i t o s a n w e r e f u r t h e r p r e p a r e db y t h e n u c l e o p h i l i c s u b s t i t u t i o nr e a c t i o no fc h i t o s a np h o s p h a t ew i t ho r g a n o t i ni nt h ep r e s e n c e o f8 5 c h 3 0 h t h e s ec o m p o u n d sw e r ec h a r a c t e r i z e da n da n a l y z e db v i r ，n m r ，t g d t aa n dx r a yd i f f r a c t i o nm e a n se t c n - m e t h y l e n ep h o s p h o n i cc h i t o s a nw a ss y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no f c h i t o s a n w i t hp h o s p h o r i ca c i da n df o e r m a l d e h y d ei nt h ep r e s e n c eo fh a c t h ed e g r e eo fs u b s t i t u t i o no fp h o s p h o r y l a t e d c h i t o s a ni s1 2 2b v e l e m e n t a r ya n a l y s i s t h r e en e wk i n d so fc o m p o u n d s n m e t h y l e n e p h o s p h o n i cc h i t o s a nt r i p h e n y l t i ne s t e r ，n - m e t h y l e n ep h o s p h o n i cc h i t o s a n t r i b u t y l t i n e s t e ra n d n - m e t h y l e n ep h o s p h o n i c c h i t o s a nt r i b e n z y l t i n e s t e r w e r ef u r t h e rs y n t h e s i z e db yt h er e a c t i o no fn m e t h y l e n ep h o s p h o n i c c h i t o s a nw i t ho r g a n o t i ni nt h ep r e s e n c eo fb e n z e n eo rt o l u e n ea n d c h a r a c t e r i z e db yi r ，n m r ，t g d t aa n d x r a y t h ee x p e r i m e n t so fm o l l u s c i c i d a la c t i v i t ys h o wt h a tm o l l u s c i c i d a l a c t i v i t yo fc h i t o s a nt r i b u t y l t i ne s t e ri st h em o s ta c t i v e t h eo n c o m e l a n i a d e a t hr a t ei slo o w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no ft h ec h i t o s a nt r i b u t y l t i ne s t e r r e a c h e sa b o v eo 5 m g la n dt h es o a k i n gt i m ei s2 4 h t h em o l l u s c i c i d a l a c t i v i t yo fc h i t o s a nt r i p h e n y l t i ne s t e ri sl i k et h a to fc h i t o s a nt r i b e n z y l t i n e s t e r t h eo n c o m e l a n i ad e a t hr a t ei s1o o w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no f t h o s e r e a c h e sa b o v eo 5 m g la n dt h es o a k i n gt i m ei s7 2 h k e yw o r d sc h i t o s a n ，c h e m i c a lm o d i f i c a t i o n ， o r g a n o t i n ， 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作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：日期：盟年上月当日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 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、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签乒轴期：世卫月幽 硕十学位论文第章文献综述及课题背景 第一章文献综述及课题背景 1 1 壳聚糖概述 1 1 1 国内外研究概况 甲壳素( c h i t i n ) 又名甲壳质、几丁质，其化学名为p ( 1 ，4 ) 2 乙酰氨基2 脱氧d 葡聚糖，它是自然界除蛋白质外，数量最大的含氮天然高分子，每年的生物合成 量约为1 0 0 多亿吨，产量仅次于纤维素，是地球上第二大可再生资源，其中海洋 生物合成量为1 0 亿吨以上，是一种取之不尽、用之不竭的资源。壳聚糖( c h i t o s a n ) 是甲壳素脱乙酰基衍生物，其化学名为p ( 1 ，4 ) 2 氨基2 脱氧d 一葡聚糖，它是一 种具有广泛应用价值的生物高分子材料。它们的结构式如( 图1 1 ) 所示。甲壳 素和壳聚糖的生产和应用过程同时也是固体废弃物的资源化处理过程。显而易 见，这种技术不仅能生产出多种产品，使虾、蟹壳资源能得到充分利用，获得较 大的经济效益，而且大大降低了环境污染，创造了社会效益。 寸。景盼h 3 c o c 。 寸嚣裴鲁意孑务。t 甲壳素壳聚糖 图1 1甲壳素和壳聚糖的结构式 f i g 1 - i t h ec o n s t i t u t i o n a lf o r m u l ao f c h i t i na n dc h i t o s a n 甲壳素最早是1 8 1 1 年法国科学家b r a c o n n o t 从霉菌中发现的，1 8 5 9 年r o u g e t 把甲壳素与浓h c l 共煮发现了壳聚糖。以后的1 0 0 年里由于受其溶解性的限制， 对它的研究时断时续。直到上世纪5 0 年代，人们才对甲壳素的化学结构、性质及 制备方法有了较透彻的了解。6 0 年代起对甲壳素及其衍生物的研究变得活跃起 来，尤其近1 0 年研究工作更进一步深入、广泛。为此，国际上曾先后召开了5 次 专题会议，发表了大量的专利和论文，其中，日本在甲壳素的研究与开发方面处 于国际领先地位，据统计，日本每天就有一项关于甲壳素的专利诞生。此外，美 国也已大规模的生产甲壳素和壳聚槲1 1 。 我国是从上世纪5 0 年代开始对甲壳素的制备和应用进行研究的。1 9 5 8 年我国 硕十学位论文第一章文献综述及课题背景 首先将可溶性甲壳素代替涂料印花成膜剂阿克拉明应用于印染工业上，开始工业 生产甲壳素。进入9 0 年代，我国对于甲壳素壳聚糖的开发越来越重视，有众多 的科研机构投入到该课题的研究当中，并取得了不少成果。1 9 9 6 年1 0 月和1 9 9 9 年1 1 月中国化学会分别在大连和武汉召开了第一届和第二届甲壳素化学和应用 研讨会，有部分省市还成立了地方性甲壳素协会，国家自然科学基金委员会也立 项资助了重点基础研究项目“天然聚多糖的环境友好材料”，这些活动己推动了我 国甲壳素化学的发展1 2 j 。 1 1 2 来源和市场 甲壳素在自然界中主要以低等动物为主而存在，大体可归纳为以下几个方 面，每个种属中甲壳素的含量是不同的【3 l ： 节肢动物，主要是甲壳纲，如虾、蟹等含量高达5 8 , - , 8 5 ；其次是昆 虫纲，如蝗、蚊、蝇、蚕的蛹壳等，甲壳素含量约为2 0 - 6 0 ；多足纲和蛛形 纲含量约为4 2 2 。 软体动物，主要是双神经纲、腹足纲、头足纲等，甲壳素含量约为 3 2 6 。 环节动物，包括原环虫纲、毛足纲、蛙纲，有的甲壳素含量极少，有的 高达2 0 - - 38 。 真菌，包括子囊菌、担子菌、藻菌等含甲壳素从微量至1 1 4 5 不等。 目前，壳聚糖在全球范围内供不应求，世界上主要生产国有美国、日本、德 国、法国、印度、荷兰、挪威和加拿大等国家。我国的壳聚糖生产还仅仅处于起 步和初始阶段。全国产量大多集中在江、浙、闽、鲁等沿海虾、蟹集中地，但普 遍存在生产规模小，质量参差不齐的状况，1 9 9 9 年国内总产量仅达4 0 0 吨左右， 至1 1 2 0 0 5 年，国内对壳聚糖的需求量达至l j 4 0 0 0 吨年，全世界的总需求量达至u 2 0 0 0 0 吨年。因而，在我国加速发展壳聚糖产业，使之产业化、系列化、规模化，尤 其在我国氯碱企业中含有壳聚糖生产过程中需要的大量资源的情况下，开发生产 高附加值的高科技精细化学品和壳聚糖具有相当诱人的市场发展前景。 1 1 3 制备方法 工业上制取壳聚糖，一般是先从虾壳或蟹壳中通过化学方法提取甲壳素，然 后脱去其乙酰基得到壳聚糖。虾壳和蟹壳的主要成分是碳酸钙、蛋白质、甲壳素 ( 含量大约为1 5 2 5 ) 以及少量脂类的色素物质【4 1 ，因此，甲壳素的提取过程 就是脱钙盐、脱蛋白质和脱去色素物质的过程。制备壳聚糖的方法有多种，主要 操作可归纳如下： 2 硕十学位论文第一章文献综述及课题背景 脱钙：用盐酸脱钙是最常用的方法，因为动物外壳中的碳酸钙等无机盐 能被盐酸溶解。除了盐酸之外，也可采用甲酸和亚硫酸等。 脱蛋白：脱蛋白通常可用碱法和酶法。用稀碱液浸泡，可将壳中的蛋白 质萃取出来，而蛋白酶可以水解除去蛋白质。 脱乙酰基：通常是在较高的温度条件下与浓氢氧化钠溶液反应，使甲壳 素的乙酰基( n h c o c h 3 ) 发生水解而脱去。 当前，我国生产甲壳素壳聚糖的典型工艺流程见图1 2 。 。 虾蟹壳 清洗、除砂 净壳望竺：壁塑 4 - 一6 h c l 脱色、漂门 i k m n 0 4 、n a h s 0 3 溶液 或日光漂白 除去无机清洗、脱蛋白 盐的壳 晒干 1 0 烧碱液煮 ( 或烘干) 脱乙酰基 一 清洗 晒。f ： 浓烧碱( 4 0 ) 液煮 ( 或烘十) 图1 - 2甲壳素、壳聚糖的生产工艺流程 f i g 1 - 2t h ep r o d u c t i o nt e c h n i c a lp r o c e s so fc h i t i na n dc h i t o s a n 1 1 4 壳聚糖的性质 甲壳素 壳聚糖 甲壳素和壳聚糖是与纤维素的化学结构十分相似的有机聚合物，不同之处是 每个纤维葡萄糖2 位上的o h 基团相应换成了n h c o c h 3 或n h 2 基团。甲壳素是 白色或灰白色无定型、半透明固体，相对分子质量因原料不同从数十万至数百万 不等，不溶于水、稀酸、稀碱、浓碱和一般有机溶剂，可溶于浓的盐酸、硫酸、 磷酸和无水甲酸，但同时主链发生降解【5 】。壳聚糖也是白色无定型、半透明、略 有珍珠光泽的固体，因原料不同和制备方法不同，相对分子质量从数十万至数百 万不等，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、磷酸【3 】。 研究证实1 6 j ，甲壳素和壳聚糖具有复杂的双螺旋结构，螺距为0 5 1 5 r i m ，一 个螺旋平面由6 个糖残基组成。甲壳素和壳聚糖的结构单元分别是甲壳二糖和壳 二糖。壳聚糖大分子链上分布着许多羟基、氨基、还有一些n 乙酰氨基，它们会 形成各种分子内和分子间氢键，见图1 3 ，正因为这些氢键存在，才形成了壳聚 糖的大分子的二级结构。就是这些氢键的存在和分子的规整性，使壳聚糖分子容 易形成结晶区。壳聚糖的内部结构是十分复杂的，存在着晶相区和非晶相区即无 3 硕十学何论文 第一章文献综述及课题背景 定形区两部分，其杨氏模量、表面硬度、透水和透气性、吸附气体或液体的能力 等主要取决于结晶度。拉伸强度、低温脆折点、热膨胀系数和密度等性能也与结 晶度有关。壳聚糖与甲壳素的结构一样，由于氢键类型不同而有三种结晶结构： 第一种是q 型，由两条反向平行的糖链组成；第二种是b 型，由两条同向平行的 糖链组成；第三种是y 型，由三条糖链组成，两条同向，一条反向。壳聚糖的结 晶度较高，因此有很稳定的物理化学性质。甲壳素和壳聚糖具有许多优良的的物 理化学性质。表1 1 列出了甲壳素和壳聚糖的物理化学特性【。丌。 o 、 壳聚糖分子内氢键 壳聚糖分子间氢键 壳聚糖分子间氢键 图1 3壳聚糖所形成的氢键 f i g 1 - 3h y d r o g e nb o n d sf o r m e di nc h i t o s a n 壳聚糖分子链上有众多的游离氨基，这些氨基的氮原子上具有一对未共用的 电子，致使氨基呈现弱碱性，能从酸性溶液中结合一个氢离子，从而使壳聚糖成 为带阳电荷的聚电解质，破坏了壳聚糖分子间和分子内的氢键，使之溶于水中。 因此，壳聚糖在一些低浓度无机酸和有机酸中溶解的实质，实际上不是壳聚糖溶 于稀酸中，而是带阳电荷的壳聚糖聚电解质溶于水中。壳聚糖的溶解主要受到三 个因素影响：( 1 ) 脱乙酰度。脱乙酰度越高，分子链上的游离氨基越多，离子化 强度越高，越易溶于水；反之，脱乙酰度越低，溶解度越小。( 2 ) 相对分子质量。 壳聚糖分子在分子内和分子间形成许多强弱不同的氢键，使得分子链彼此缠绕在 一起且比较僵硬，造成相对分子质量越大，缠绕越厉害，溶解度越小。( 3 ) 酸的 种类。如果把壳聚糖与稀酸的作用看成是形成了一种高分子盐，那么，有的盐能 溶于水，有的盐不能溶于水，就像钙盐似的，钙的硫酸盐和磷酸盐就不能溶于水。 壳聚糖在稀酸中有一个逐渐溶解的过程，开始一段时间是氨基结合质子的过程， 4 硕十学位论文第一章文献综述及课题背景 看不到壳聚糖的溶解，当阳离子聚电解质形成达到一定的数量，才开始有少量壳 聚糖溶解，这些早期溶解的壳聚糖一般是那些脱乙酰度高而分子量低的；然后溶 解速度越来越快，到最后又慢了下来，这是分子量高而脱乙酰度低的壳聚糖，如 果脱乙酰度太低，则不能溶解。另外，加热和搅拌能促进壳聚糖的溶解。 表1 1 甲壳素和壳聚糖的物理化学特性 t a b l el 1p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so f c h i t i na n dc h i t o s a n 壳聚糖溶液的稳定性在使用中特别重要。氨基葡萄糖的c l - o h 是半缩醛羟基 而不是醇羟基，它显示出较大的活性，它与另一个氨基葡萄糖的c 4 o h 发生缩合 反应，脱去1 分子水，形成了b 1 ，4 糖苷键，许多氨基葡萄糖这样缩合便形成了壳 聚糖。这种半缩醛结构的糖苷键对酸是不稳定的，壳聚糖的酸性溶液在放置过程 中会发生酸催化的水解反应，壳聚糖分子的主链不断降解，粘度越来越低，相对 分子质量逐渐降低，最后被水解成寡糖和单糖。 1 1 5 壳聚糖的应用 壳聚糖良好的成膜性和生物相容性，使其从最初生产的壳聚糖用于一般污水 处理剂【扣1 2 】转变为生产高附加值具有生物活性的新型材料和新产品，广泛应用于 生物医学【1 3 2 2 1 、食品【2 m 5 1 、化妆品【2 6 1 、农业鲫和纺织印染业【2 8 , 2 9 】等领域，己经 获得专利的产品有人造肾膜、防水衣、液晶、植物生长调节剂及抗癌药物等【划。 日本在该领域的研究一直处于领先地位。1 9 9 0 年，日本北海道大学、爱媛大学 的研究提出壳聚糖能预防癌症和抑制癌细胞转移，以及防止血压上升等理论，成 为医学上轰动的话题。现在日本的许多食品和保健品中都添加有甲壳素壳聚糖 5 硕十学位论文第一章文献综述及课题背景 或其衍生物的制品。1 9 9 1 年美国和欧洲的医学界、大学、营养食品研究机构将 壳聚糖列为继糖类、蛋白质、脂肪、维生素、矿物质之后人体必须的第六生命要 素，也被誉为第四代保健食品。 1 1 6 壳聚糖的化学改性 壳聚糖分子链的糖残基上既有羟基，又有氨基，因此壳聚糖的化学改性既可 以在羟基上反应，又可以在氨基上反应。壳聚糖上的糖羟基有两种羟基，一种是 c 6 o h ，这是一级羟基；另一种是c 3 o h ，这是二级羟基。c 6 o h 既是一级羟基， 在空间构象上来说，又可以较为自由地旋转，位阻也小，而c 3 o h 既是二级羟基， 又不能自由旋转，空间位阻大些，所以一般情况下c 6 o h 的反应活性大于c 3 o h 。 另一方面，在壳聚糖的糖残基上，氨基活性又比一级羟基的活性大。所以一般而 言，反应活性- n h 2 c 6 o h c 3 o h 。当然，这只是壳聚糖本身的三种官能团比 较而言，其化学改性究竟在哪个官能团上发生，还与反应溶剂、反应试剂的结构、 催化剂、反应温度等诸多因素有关。另外需要指出的是，往往壳聚糖的化学改性 得不到单一的改性产物，一般是同时在羟基和氨基上发生化学改性。 ( 一) 羟基上的化学改性 ( 1 ) 醚化 壳聚糖的单元上有c 3 一羟基及c 6 羟基，因此可与羟基化试剂反应生成醚，如 生成甲基醚、乙基醚、苄基醚及羟丙基醚等。如用卤代烃与壳聚糖反应，则n 烷基化反应较多，o 烷基化次之。在保护氨基的前提下，武汉大学的汪玉庭等利 用c 6 羟基的亲核性将壳聚糖与二苯并1 6 冠5 氯代乙酸酯冠醚反应制得乙酸酯冠 醚【3 1 】；与4 4 二溴二苯并1 8 冠6 冠醚反应制得冠醚交联壳聚糖【3 2 】；与环氧丙基 中环二胺反应制得全氮冠醚接枝壳聚糖【3 3 1 ，所制得的这一系列冠醚接枝壳聚糖兼 有壳聚糖与冠醚的双重结构与功能，在金属的富集分离、废水处理中有广泛的应 用前景。常用的醚化剂有硫酸二甲酯、氯乙酸等，壳聚糖在碱性条件下与硫酸二 甲酯反应生成壳聚糖甲基醚，与氯乙酸反应生成羧甲基壳聚糖。 ( 2 ) o - 酰化 常用的酰化试剂有酸酐、酰氯。若氨基未保护，则酰化既可发生在羟基上生 成酯，也可发生在氨基上生成酰胺。要想得n o 酰化的产物，则应先将壳聚糖分 子链上的氨基保护起来，再进行温和条件下的酰化，酰化反应结束后再脱掉保护 基。 ( 3 ) 酯化 壳聚糖的c 6 羟基可与含氧无机酸发生酯化反应，如与浓硫酸、三氧化硫、 氯磺酸反应，可制得壳聚糖硫酸酯。设计壳聚糖硫酸酯的特定结构和相对分子质 6 硕十学位论文第一章文献综述及课题背景 量，可制得与肝素结构相似而抗凝血活性高于肝素且没有副作用的廉价的肝素代 用品。壳聚糖在甲磺酸中用五氧化二磷处理可得壳聚糖磷酸酯。 ( 4 ) 氧化 壳聚糖的羟基可以被氧化，氧化剂不同，反应的p h 不同，则氧化产物也不 同。c 6 羟基可被氧化成醛基或羧基。如在壳聚糖的高氯酸盐悬浮液中，用c r 0 3 作氧化剂，可使c 6 羟基氧化为羧基。 ( 5 ) o 糖苷化 在保护氨基的前提下，选择性地将甘露糖引n c 6 上可得到a 一糖苷，此糖苷具 有较好的抗微生物性及在中性水溶液中有良好的溶解性。 ( 二)氨基上的化学改性 ( 1 ) n 酰化 壳聚糖分子链上有很多氨基，它破坏了一部分氢键，故壳聚糖的酰化反应较 甲壳素要容易得多，一般不用催化剂。常用的酰化试剂有酸酐、酰氯，反应介质 常用甲醇或乙醇。若用二酸酐如丁二酸酐、顺丁烯二酸酐、邻苯二甲酸酐等作酰 化剂，则得到壳聚糖的酰胺酸衍生物，它们能溶于水、稀酸、稀碱和一些有机溶 剂中，并且显示出良好的吸湿性和保水性。 ( 2 ) 黄原酸化 壳聚糖与二硫化碳反应，将壳聚糖n n - 硫化碳和氢氧化钠溶液中，6 0 反 应6 h ，倾入丙酮中，得到n 黄原酸化壳聚糖钠盐，这是一种亮黄色粉末，对重金 属离子有很强的螯合能力，且螯合产物不溶于水，可通过过滤除去，因此是一种 有效的重金属去除剂【3 】。 ( 3 ) 交联 壳聚糖是天然氨基多糖，其分子中有游离的氨基和羟基，它们对过渡金属离 子有良好的吸附作用，可用于去除各种废水中的有毒金属离子。近些年来，国际 上十分重视这一资源的开发和利用，发表的论文涉及到纺织、印染、医药及水处 理等许多部门和领域。壳聚糖是既具有多羟基又有氨基的线型高分子聚合物，所 以可溶于多种酸性介质中并发生降解，这就给壳聚糖的应用带来极大的局限性。 为此，人们就将其进行化学改性，以期获得对壳聚糖的更充分的利用，交联即是 其中的一种。甲壳素壳聚糖可与双官能团的醛或醛酐进行交联，交联的主要目 的就是使产物不溶解，甚至溶胀也很小。 交联后的壳聚糖聚合物呈枝化结构( 见图1 - 4 ) ，分散了絮凝基团，增大了 比表面积，对悬浮体系中颗粒物有更强的捕捉和促沉作用，而且部分交联后的壳 聚糖抗降解性明显提高，分子稳定性增强。 7 硕十学位论文第一章文献综述及课题背景 图1 - 4 壳聚糖交联结构 f i g 1 - 4t h es t r u c t u r a lf o r m u l ao fc r o s s l i n kc h i t o s a n 常用的交联剂醛有戊二醛、乙二醛( 图1 5 ) ；环氧化物有环氧氯丙烷i 蚓、 双环氧基聚乙二醇双缩水甘油醚；甲苯二异氰酸酯、1 , 6 己二异氰酸酯等二异氰 酸酯类也可作交联剂。n i 等人【3 5 】曾报道用环硫氯丙烷作交联剂所制得的交联壳聚 糖可作为整合树脂用于贵重金属离子的富集分离；s r e e n i v a s a n 3 6 】报道用l ，6 己二 异氰酸酯将壳聚糖与b 环糊精偶合，制得既不溶于有机溶剂又不溶于酸或碱性溶 液的化合物，此化合物可用于胆f 醇有机物的吸附且可重复使用。 卜制。一 c h r c h 图l 5 壳聚糖的交联反应 f i g 1 5c r o s s l i n k i n gr e a c t i o no fc h i t o s a n ( 4 ) n 烷基化 壳聚糖的氨基是一级氨基，有一对孤对电子，具有很强的亲核性，n 烷基化 反应是氨基的一类重要反应。壳聚糖与卤代烃反应，首先发生的是n 烷基化；壳 聚糖与环氧衍生物的亲核开环加成反应，得到的是n 烷基化衍生物，如环氧丙醇 与壳聚糖生成的n 烷基化衍生物能溶于水【3 7 】；壳聚糖与环氧丙基三甲基氯化铵 生成n 季铵盐【3 引。壳聚糖与氯乙酸反应，制得的n 羧甲基壳聚糖可螯合金属离 子，且螯合后可用e d t a 洗脱。所得烷基化壳聚糖膜在水一乙醇溶液的膜渗透汽 化分离方面应用较多【3 9 1 。 8 硕十学位论文 第一章文献综述及课题背景 ( 5 ) 生成西佛碱 1 9 6 3 年，s u y d a m 发现壳聚糖在室温下能与双醛淀粉发生西佛碱( s c h i f f sb a s e ) 反应，生成复合高分子亚胺多糖。随后，m o o r e 和m u z z a r e l l i t 删等人对壳聚糖的西 佛碱反应进行了系统研究，并制备出芳香壳聚糖亚胺和脂肪壳聚糖亚胺。壳聚糖 西佛碱化程度、产物的晶体结构以及溶解性能与醛基空间位阻有关。r o b e r t s 等人 用i r 、x r d 对相同反应条件下制备的产物表征后发现，西佛碱取代度随醛基空间 位阻的增大而增加。芳香壳聚糖亚胺c = n 基团在1 6 3 0 1 6 5 0 c m 。1 显示较强的伸缩 振动吸收，而低级脂肪醛壳聚糖亚胺的c = n 基团吸收较弱。长脂肪链的导入， 可破坏壳聚糖原有的晶体结构，使之成为无定形体并导致聚合物出现玻璃化温 度。壳聚糖西佛碱化后，溶解性能有所改善，可溶于5 l i c l 的六甲基磷酰胺、 二甲基乙酰胺以及二氯乙酸等有机弱酸。西佛碱反应还可应用于壳聚糖氨基的保 护【4 l 】和酶的固定化【4 2 】。进行o 位取代反应时可先将氨基西佛碱化，待o 位反应 发生后再用酸解去除保护基，从而实现壳聚糖o 一位定向修饰。此外，壳聚糖与醛、 酮反应生成亚胺后，再用n a b i - h 、n a c n b h 3 等还原还可制备n 一烷基、n 羧基壳 聚糖【4 3 1 。壳聚糖的n 烷基、n 一羧烷基衍生物对过渡金属离子具有较强选择性螯 合作用，己经用于过渡金属离子的捕集m 】。 ( 6 ) 接枝共聚反应 接枝共聚是合成半聚合物甲壳素和壳聚糖，赋予其合成聚合物性能的重要方 法。自k o j i m a - 等j k t 4 5 j 报道甲壳素与甲基丙烯酸甲酯( m m a ) 接枝共聚反应以来， 世界各国学者对甲壳素和壳聚糖的接枝改性进行了广泛的研究。目前，已发现甲 壳素和壳聚糖可以在多种条件下，以不同机理与乙烯基单体、短肽、聚乙二醇以 及硅氧烷等发生接枝共聚反应，其反应机理主要有自由基接枝共聚、离子接枝共 聚和官能团偶联接枝共聚。 汪艺等m 1 以过硫酸钾为引发剂，研究了壳聚糖与m m a 的非均相接枝共聚反 应。壳聚糖的氨基参与了自由基引发过程，产物的接枝度随壳聚糖脱乙酰度的增 加而增加。魏德卿等【4 7 】以十二烷基苯磺酸钠为乳化剂，过硫酸钟和亚硫酸钠为引 发剂，研究了壳聚糖与丙烯酸丁酯于醋酸溶液中的乳液接枝共聚反应。在酸性介 质中，过硫酸钾与亚硫酸钠反应生成亚硫酸氢根自由基，再与壳聚糖作用形成壳 聚糖自由基，然后由产生的壳聚糖自由基引发丙烯酸丁酯接枝共聚。壳聚糖因柔 顺侧链的引入，其断裂伸长率和耐水性明显提高。 近年来，甲壳素或壳聚糖离子接枝共聚和官能团偶联接枝共聚的报道也同益 增多。k u r i t a 等【4 3 】研究了碘代甲壳素与苯乙烯的阳离子接枝共聚反应。该反应以 硝基苯为介质，在四氯化锡催化下于n 2 气氛中进行。反应用甲醇终止后，再通过 氯仿醚混合溶剂除去均聚物，即可获得接枝产物。王鹏等人【4 9 】将甲氧基聚乙二 9 硕十学位论文 第一章文献综述及课题背景 醇的羧端基改性为醛基后，通过醛基与氨基的s c h i f fb a s e 反应将聚乙二醇接枝到 壳聚糖吡喃环上，接枝产物具有良好的生物相容性。 1 2 有机锡化合物概述 1 2 1 有机锡化学发展概况 有机锡化合物可定义为至少存在一个c s n 键的化合物。经过1 5 0 多年的研究， 随着人们对有机锡化合物研究的不断深入，有机锡化合物作为一类重要的有机金 属化合物已经得到了广泛的应用，其研究领域也不断扩大。至今，有机锡化合物 及配合物不仅是金属有机化学、配位化学、有机化学等化学分支科学研究的主题 化合物之一，而且渗透到生物化学、药物化学等其他学科领域 5 0 - - 5 2 1 。 通常含有一个c s n 键的有机锡化合物被称为单烃基有机锡( m o n o o r g a n o t i n ) ， 同理，含有两个、三个和四个c s n 键的分别被称为二烃基有机锡( d i o r g a n o t i n ) 、 三烃基有机锡( t r i o r g a n o t i n ) 和四烃基有机锡( t e t r a o r g a n o t i n ) 。不同类的有机锡化合 物的性质不同：单烃基有机锡毒性低而三烃基有机锡则有高的生物杀伤力活性； 二烃基有机锡主要用于催化剂和稳定剂；四烃基有机锡的应用还不多见。大量的 有机锡化合物中的锡是四价的，只有少量的是二价的，和同族的元素相比，c s n 键通常较弱而且极性更大，近似于p b c 键的性质，其有机基团容易进行再分配， 易被卤素、卤化物切断，但这并不意味着在普通条件下有机锡化合物是不稳定的。 在室温下，c s n 键对水是稳定的，对热也相当稳定，许多有机锡化合物可以被减 压蒸馏。强酸、卤素和一些亲电试剂可以很方便地断裂c s n 键。有机锡化合物大 多成共价键，但这些共价键又具有很大程度上的离子键特性。( r 3 s n ) 2 0 是碱性化 合物，可以和无机酸反应生成类似于通常的盐类但又不导电、不溶于水的化合物。 s n = o 键是不存在的，以r 2 s n o 形式存在的( r z s n o ) n 应是聚合物，通常通过分子间 的锡氧键交联形成，和碳卤键不同锡卤键由于具有离子键特性而很活泼。与碳原 子相比，锡原子之间成键的趋势很弱，但s n s n 键是存在的且很容易被氧、卤素 和酸所断裂。研究发现，至少含有一个负电性基团的有机锡化合物是典型的路易 斯酸，锡原子利用其d 轨道采取s p 3 d 或s p 3 d 2 杂化通过分子间缔合或分子内配位以 及与碱结合形成配合物，从而区别于碳，形成配位数超过四的化合物。用p e a r s o n 的软硬酸碱理论分析，有机锡化合物属硬碱，但由于有机基团r 为软碱，类聚效 应的存在使得锡原子的硬度降低，因而有机锡化合物易于和大多数属于交界碱或 硬碱的含n 、o 的配体形成稳定的配合物，鉴于此，有机锡配合物已不仅限于简 单的烃基卤化物，含杂原子、b 官能团的化合物也日益增多。 l o 硕十学位论文 第一章文献综述及课题背景 1 2 2 有机锡化合物的应用 ( 一) 有机锡化合物用作生物杀伤药剂 ( 1 ) 农用化学品 薯瘟锡( 三苯基醋酸锡) 是第一个商品化的有机锡类农用化学品，它有效地 防治土豆枯萎病、甜菜褐斑病、烟草黑茎病、花生黑涉病、果树轮纹病、芹菜斑 点病、小豆叶枯病、薄荷锈病等，而且还能显著增加块茎作物的单产量，尤其是 甜菜。后来人们又发现了毒菌锡( - - 苯基氢氧化锡) ，用它来防治土豆枯萎病、甜 菜褐斑病、小麦雪腐病、菜豆炭疽病、薄荷锈病、稻斑病等。薯瘟锡和毒菌锡不 但防病效果好，而且还具有耐水冲刷、有效剂量小、低残留等优剧5 3 】。 19 6 8 年人们又发现了对螨虫类有更高活性的三环己基氢氧化锡，被用作苹 果、梨、柑桔等果树的杀螨剂，并且对蜜蜂和其它益虫危害极小。另一个很重要 的杀螨剂是螨烷锡，又称为苯丁锡 【( p h c ( c h 3 ) 2 c h 2 ) 3 s n 】2 0 ) ，它对植物食性的螨 类成虫和蛹有强烈的杀灭效果，已经广泛地用作各种水果、观赏植物以及温室蔬 菜的杀螨剂。其它的杀螨剂还有三唑锡，最近还发现了有机磷和有机锡结合的高 效杀螨剂。有机锡农用化学品的主要优点：低植物毒性、一般对非目标组织的毒 性低，它们在环境中较快地降解成无毒的无机锡残渣( 见图1 6 ) 。 ( r 3 s n h o 且( r 3 s n h c 0 3 u 、i 或微生物 h k ” 一( r 3 争n o h ) n o h 望! s n 0 2 o h 或微生物 图l _ 6 有机锡降解的过程 f i g 1 - 6d e g r a d a t i o no fo r g a n o t i nc o m p o u n d s ( 2 ) 纤维材料的保护 双三丁基氧化锡 ( n b u 3 s n ) 2 0 己经广泛地有效地用来防护霉菌对纤