文档介绍：华侨大学
硕士学位论文
季胺化壳聚糖衍生物作为抗菌剂的研究
姓名:许涛
申请学位级别:硕士
专业:高分子化学与物理
指导教师:李明春
20100601
摘要
摘要
本文首先通过 Eschweiler-Clarke 反应合成了 N,N-二甲基壳聚糖(DMC),然后进
一步用碘甲烷室温下甲基化合成了氧上无甲基化的 N,N,N-三甲基壳聚糖(TMC),并
通过延长反应时间得到了不同季胺化度的 TMC。将得到的 TMC 在低温碱性条件下与
一氯乙酸反应一定时间,合成了不同取代度 N,N,N- 三甲基-O- 羧甲基壳聚糖
(TMCMC);在碱性条件下与 3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵(CHPTMAC)或 3-氯-2-
羟丙基三乙基氯化铵(CHPTEAC)反应一定时间,分别得到了不同取代度的 N,N,N-
三甲基 O-(2-羟基-3-三甲基氨基丙基)壳聚糖(TMHTMAPC)和 N,N,N-三甲基 O-(2-
羟基-3-三乙基氨基丙基)壳聚糖(TMHTEAPC)。同时还将壳聚糖与一氯乙酸反应制
备了不同取代度的 O-羧甲基壳聚糖(CMC)。将得到的产物通过核磁共振氢谱(1H
NMR)、红外光谱(FTIR)、元素分析(EA)及热重分析(TGA)进行了表征。并研
究了季胺化壳聚糖衍生物在弱酸(pH )和弱碱(pH )条件下对革兰氏阳性细菌金
黄色葡萄球菌和革兰氏阴性细菌大肠杆菌的抗菌性能。
1H NMR、FTIR 及 EA 的分析结果表明,TMC、TMCMC、TMHTMAPC 及
TMHTEAPC 已成功合成。通过 1H NMR 计算了 TMC 的季胺化度,通过 EA 计算了
其余产物的取代度(DS)。
结果表明,TMC 的 N-季胺化度、TMCMC 的羧甲基化度及 TMHTMAPC 的 O-
季胺化度均随时间延长而增加。TMC 在反应 96 小时之后(TMC 96H)季胺化度达到
%,考虑到所使用的壳聚糖存在 %的乙酰化,可以认为 TMC 已接近完全季胺
化。通过元素分析计算的 DMC 的二甲基化度超过 100%,考虑到元素分析的误差,
可以认为 DMC 已完全二甲基化。在 DMC 完全二甲基化的前提下,可以通过 EA 计
算 TMC 的季胺化度。在本研究中,通过 EA 计算的 TMC 96H 的季胺化度为 %。
CMC 反应 20 小时后的取代度为 %,TMCMC 反应 20 小时后的取代度为
%,相比之下 TMCMC 的羧甲基化度并没有明显增加。壳聚糖与一氯乙酸的反应
为非均相反应,而 TMC 与一氯乙酸的反应为均相反应,应该更容易进行,而实验结
+
果与该设想并不一致,可能是因为 TMCMC 存在带正电荷的–N(CH3)3 基团及带负电
荷的–COO-基团,反应过程中生成的 TMCMC 由于静电引力发生聚集,从而阻碍了反
应的顺利进行。另外,TMHTMAPC 反应 20 小时后的取代度为 %,而 TMHTEAPC
反应 20 小时后的取代度仅为 %。其原因可能是因为反应物 CHPTMAC 与
I
摘要
CHPTEAC 结构不同,相比之下,CHPTEAC 存在有较强输水作用及较大体积的乙基
基团,由于输水作用及立体阻碍效应导致反应较难进行。
TGA 的分析结果表明,壳聚糖衍生物的热稳定性较壳聚糖差。进一步对 TMC 进
行 O-羧甲基化或 O-季胺化修饰将降低其热稳定性。在本研究中,TMHTMAPC 的热
稳定性最差。
TMC 的抗菌活性在 pH 时较 pH 时强,在 pH 时随取代度增加而增加,
而在 pH 时随取代度增加而减小。在 pH 时,非季胺化的氨基基团不带正电荷,
不能与带负电荷的细菌表面相互作用,因此其抗菌活性随取代度增加而增加。在 pH
时,非季胺化的氨基基团由于质子化作用而带正电荷,因此其抗菌活性较 pH
+
时强。但由于–N(CH3)3 基团存在体积较大的三个甲基基团,在取代度较高的情况下,
+ +
–N(CH3)3 基团阻碍了相邻结构单元间–N(CH3)3 与带负电荷的细菌表面的相互作用,
因此虽取代度增加而减小。我们估计在 pH 时拥有最强抗菌活性的 TMC 可能是季
胺化度较低的 TMC。
TMC 与壳聚糖的抗菌活性都随 pH 下降而升高。在 pH 时,TMC 抗菌活性较
壳聚糖强,而在 pH 时,TMC 的抗菌活性较壳聚糖弱。由于拥有更多的永久性正
电荷,因此壳聚糖的抗菌活性在弱酸下较壳聚糖强。随溶液酸性的进一步