本發(fā)明屬于高分子化合材料領(lǐng)域，具體涉及O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備與應用。

背景技術(shù)：

隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展和人民生活水平的穩(wěn)步提高，大眾對具有抑菌性能的包裝材料愈發(fā)重視。目前。日常生活中常用的抗菌劑主要有三類：無機金屬礦物材料、有機雜環(huán)抑菌材料和天然抗菌材料。由于天然抗菌材料來源于自然、對人體安全性高、且符合綠色環(huán)保要求，近年來受到人們的普遍歡迎。因此，天然抗菌劑的研究和開發(fā)利用也成了應用化學的一個熱點。

殼聚糖在自然界中廣泛存在于蝦、蟹和昆蟲的外殼以及藻類、菌類的細胞壁之中，是一種來源豐富、具有多種生物活性的天然高分子。近年來，殼聚糖因其良好的生物降解性、生物相容性、成膜特性、吸附緩釋和較強的抗菌防腐保鮮能力，已引起了廣泛的關(guān)注和重視，在環(huán)境保護、生物醫(yī)藥、食品工業(yè)和化工等領(lǐng)域的開發(fā)應用研究十分活躍。通過對殼聚糖進行?；?、烷基化、羥基化、醛亞胺基化、硫酸酯化、羧甲基化、季銨化等化學改性，可以得到具有一定官能團的殼聚糖衍生物，有效的改善其性能。有研究表明，對殼聚糖進行N位的甲基化可以有效改善其水溶性和提高抗菌性能(Vallapa N,Wiarachai O,Thongchul N,et al.Enhancing antibacterial activity of chitosan surface by heterogeneous quaternization[J].Carbohydrate Polymers,2011,83(2):868-875)。

芳香酸，是一類具有很強抑菌活性的有機化合物，其酯化產(chǎn)物可作為藥物或防腐劑使用，能有效抑制真菌、細菌、霉菌生長的作用(謝宗波,姜國芳,廖夫生,等.對羥基苯甲酸異丁酯的合成及抑菌活性[J].食品工業(yè)科技,2007,27(12):144-145.)。因此，通過對天然殼聚糖的氨基上進行三甲基季銨鹽化和羥基上進行酯化引入3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯，得到一個具有雙抑菌功能基團的改性殼聚糖衍生物，這對于增強殼聚糖的水溶性和抑菌活性具有十分顯著的作用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服殼聚糖大分子不溶于水的缺點，本發(fā)明的首要目的在于提供一種新型的具有抗菌效果的水溶性殼聚糖衍生物：O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽；

本發(fā)明的另一目的在于提供上述O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備方法；

本發(fā)明的再一目的在于提供上述O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽的應用。

本發(fā)明的目的通過下述技術(shù)方案實現(xiàn)：

一種O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽，其結(jié)構(gòu)如式(1)所示：

其中，所述O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽的分子量為3.0×10⁵～5×10⁵，n為250～600的自然數(shù)。

本發(fā)明還提供了一種O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備方法，包括如下步驟：

(1)以殼聚糖、甲醛和甲酸為起始原料，微波反應制得殼聚糖希夫堿；再與碘甲烷反應制得N,N,N-三甲基殼聚糖；

(2)將3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴攪拌條件加入到氯化亞砜中，油浴逐漸升溫直至發(fā)生回流反應，減壓蒸餾得到3,4-亞甲二氧基苯乙酸酰氯；將步驟(1)制備得到的N,N,N-三甲基殼聚糖完全溶解在甲烷磺酸中，在4℃冰浴條件下逐滴滴加所制備的3,4-亞甲二氧基苯乙酸酰氯，緩慢升溫到20～35℃，繼續(xù)反應12～48h。待反應結(jié)束加入丙酮進行沉淀，沉淀用去離子水攪拌溶解后轉(zhuǎn)移至透析袋，在去離子水中透析、冷凍干燥，即制得所述的O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽。

優(yōu)選的，步驟(1)中所述的殼聚糖為脫乙酰度為99％的、粘均分子量為100000Da的殼聚糖；所述的殼聚糖與碘甲烷反應的質(zhì)量比為1:(5～20)。

優(yōu)選的，步驟(1)中所述微波反應為：在微波功率為600～900W，反應溫度為50～80℃的條件下攪拌反應30～60min。

優(yōu)選的，步驟(2)所述的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸與氯化亞砜的質(zhì)量比為1:(5～20)。

優(yōu)選的，步驟(2)所述的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸與氯化亞砜的反應溫度控制在160～200℃。

優(yōu)選的，步驟(2)所述的N,N,N-三甲基殼聚糖與3,4-亞甲二氧基苯乙酸酰氯為質(zhì)量比為1:(5～20)。

優(yōu)選的，步驟(2)所述的N,N,N-三甲基殼聚糖與3,4-亞甲二氧基苯乙酸酰氯的反應溫度為25～40℃，反應時間為24h。

上述的O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽在抗菌醫(yī)藥材料、日用化學品和食品包裝材料領(lǐng)域中的應用。

本發(fā)明以3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸為原料，通過酰氯化反應制備得到3,4-亞甲二氧基苯乙酸酰氯，再與N,N,N-三甲基殼聚糖在甲烷磺酸溶液中繼續(xù)發(fā)生酯化反應，將2個具有抑菌生物活性的基團鍵合在一起，制備得到O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽，以期獲得更好的抑菌活性。

本發(fā)明O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備過程示意圖如圖1所示。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下的優(yōu)點及效果：

本發(fā)明所述的殼聚糖衍生物O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽，在殼聚糖N位中接入了三甲基基團改善了殼聚糖的水溶性和增強了抑菌性，又在O位引入了芳香酸酯基團，進一步增強了殼聚糖的抗菌活性和親水性，兩種活性基團有效的結(jié)合在一起，相互產(chǎn)生協(xié)同增效性，抗菌性較單一的殼聚糖季銨鹽或殼聚糖好，擴大了殼聚糖的應用范圍。

附圖說明

圖1為O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽的制備過程示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。

本發(fā)明制備方法中各起始原料可從市場購得或按照現(xiàn)有技術(shù)方法制備獲得。在本實施例中，N,N,N-三甲基殼聚糖的合成可以按照現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)報道的方法得到(Xu T,Xin M,Li M,etal.Synthesis,characterization,and antibacterial activity of N,O-quaternary ammonium chitosan[J].Carbohydrate research,2011,346(15):2445-2450)。3,4-亞甲二氧基苯乙酸酰氯可參考現(xiàn)有技術(shù)和已經(jīng)報道的方法得到(喬振,侯士聰,邊慶花等.1,1-二茂鐵二羧酸及1,1-二茂鐵二羧酸酰氯的合成[J].化學試劑,2003,25(5):299-300；王峰,楊柳波,王利民,等.Yb(OTf)₃催化固體光氣對有機酸酰氯化反應[J].應用化學,2010,27(04):390-393)，但N,N,N-三甲基殼聚糖及3,4-亞甲二氧基苯乙酸酰氯的獲得不限于該種方式。

實施例1

一種O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽，其制備方法如下：

(1)將3g的殼聚糖溶于200mL去離子水和20mL的甲酸中，攪拌升溫至50℃，加入15mL的甲醛溶液，混合均勻后轉(zhuǎn)移至微波常壓反應器中，調(diào)節(jié)微波功率至600W溫度50℃反應60min；用15％質(zhì)量分數(shù)的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至堿性，抽濾，水洗至中性，烘干后加入到50mL N-甲基-2-吡咯烷酮中，添加15mL碘甲烷，50℃反應96h；加入兩倍體積的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶劑進行沉淀，利用去離子水透析后冷凍干燥制得N,N,N-三甲基殼聚糖。

通過X射線光電子能譜(XPS)對樣品進行檢測可得N,N,N-三甲基殼聚糖的季銨化取代度為55％。

(2)移取5g的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴攪拌條件下加入到25mL的氯化亞砜中，4℃冰浴攪拌0.5h后逐漸升溫至160℃繼續(xù)反應8h，減壓蒸餾收集組分得到3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酰氯。稱取1g的N,N,N-三甲基殼聚糖在4℃冰浴攪拌條件下加入到10mL的甲烷磺酸中，待充分溶解后逐滴滴加5mL的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酰氯，緩慢升溫至25℃，繼續(xù)反應24h。用乙醇沉淀和反復洗滌、去離子水透析后冷凍干燥得到產(chǎn)物3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽。

對產(chǎn)物O-3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽進行核磁共振¹H分析，計算可得其酯化度為31％。

實施例2

一種O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽，其制備方法如下：

(1)將3g的殼聚糖溶于200mL去離子水和20mL的甲酸中，攪拌升溫至50℃，加入30mL的甲醛溶液，混合均勻后轉(zhuǎn)移至微波常壓反應器中，調(diào)節(jié)微波功率至700W溫度60℃反應50min；用15％質(zhì)量分數(shù)的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至堿性，抽濾，水洗至中性，烘干后加入到50mL N-甲基-2-吡咯烷酮中，添加30mL碘甲烷，60℃反應72h；加入兩倍體積的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶劑進行沉淀，利用去離子水透析后冷凍干燥制得N,N,N-三甲基殼聚糖。

通過X射線光電子能譜(XPS)對樣品進行檢測可得N,N,N-三甲基殼聚糖的季銨化取代度為64％。

(2)移取5g的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴攪拌條件下加入到50mL的氯化亞砜中，4℃冰浴攪拌0.5h后逐漸升溫至170℃繼續(xù)反應8h，減壓蒸餾收集組分得到3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酰氯。稱取1g的N,N,N-三甲基殼聚糖在4℃冰浴攪拌條件下加入到10mL的甲烷磺酸中，待充分溶解后逐滴滴加50mL的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酰氯，緩慢升溫至30℃，繼續(xù)反應24h。用乙醇沉淀和反復洗滌、去離子水透析后冷凍干燥得到產(chǎn)物3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽。

對產(chǎn)物O-3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽進行核磁共振¹H分析，計算可得其酯化度為43％。

實施例3

一種O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽，其制備方法如下：

(1)將3g的殼聚糖溶于200mL去離子水和20mL的甲酸中，攪拌升溫至50℃，加入40mL的甲醛溶液，混合均勻后轉(zhuǎn)移至微波常壓反應器中，調(diào)節(jié)微波功率至800W溫度70℃反應40min；用15％質(zhì)量分數(shù)的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至堿性，抽濾，水洗至中性，烘干后加入到50mL N-甲基-2-吡咯烷酮中，添加45mL碘甲烷，70℃反應48h；加入兩倍體積的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶劑進行沉淀，利用去離子水透析后冷凍干燥制得N,N,N-三甲基殼聚糖。

通過X射線光電子能譜(XPS)對樣品進行檢測可得N,N,N-三甲基殼聚糖的季銨化取代度為72％。

(2)移取5g的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴攪拌條件下加入到75mL的氯化亞砜中，4℃冰浴攪拌0.5h后逐漸升溫至180℃繼續(xù)反應8h，減壓蒸餾收集組分得到3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酰氯。稱取1g的N,N,N-三甲基殼聚糖在4℃冰浴攪拌條件下加入到10mL的甲烷磺酸中，待充分溶解后逐滴滴加75mL的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酰氯，緩慢升溫至35℃，繼續(xù)反應24h。用乙醇沉淀和反復洗滌、去離子水透析后冷凍干燥得到產(chǎn)物3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽。

對產(chǎn)物O-3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽進行核磁共振¹H分析，計算可得其酯化度為49％。

實施例4

一種O-3,4-亞甲二氧基苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽，其制備方法如下：

(1)將3g的殼聚糖溶于200mL去離子水和20mL的甲酸中，攪拌升溫至50℃，加入50mL的甲醛溶液，混合均勻后轉(zhuǎn)移至微波常壓反應器中，調(diào)節(jié)微波功率至900W溫度80℃反應30min；用15％質(zhì)量分數(shù)的NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至堿性，抽濾，水洗至中性，烘干后加入到50mL N-甲基-2-吡咯烷酮中，添加60mL碘甲烷，80℃反應24h；加入兩倍體積的V(乙醚)/V(乙醇)＝1:1混合溶劑進行沉淀，利用去離子水透析后冷凍干燥制得N,N,N-三甲基殼聚糖。

通過X射線光電子能譜(XPS)對樣品進行檢測可得N,N,N-三甲基殼聚糖的季銨化取代度為85％。

(2)移取5g的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸在4℃冰浴攪拌條件下加入到100mL的氯化亞砜中，4℃冰浴攪拌0.5h后逐漸升溫至200℃繼續(xù)反應8h，減壓蒸餾收集組分得到3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酰氯。稱取1g的N,N,N-三甲基殼聚糖在4℃冰浴攪拌條件下加入到10mL的甲烷磺酸中，待充分溶解后逐滴滴加100mL的3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酰氯，緩慢升溫至40℃，繼續(xù)反應24h。用乙醇沉淀和反復洗滌、去離子水透析后冷凍干燥得到產(chǎn)物3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽。

對產(chǎn)物O-3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽進行核磁共振¹H分析，計算可得其酯化度為60％。

實施例5、O-3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽抗菌性能的測試

本發(fā)明所述O-3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽的抑菌活性的測定：采用培養(yǎng)基擴散法確定O-3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽試樣對革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性菌大腸桿菌的抗菌活性。根據(jù)《消毒技術(shù)規(guī)范2006》中對抑菌作用的判斷：抑菌圈直徑大于20mm表示具有強抑菌效果，抑菌圈在10mm～20mm為中等抑菌，抑菌圈小于10mm為弱抑菌，抑菌圈在7mm即具有抑菌性來判定化合物的抑菌效果。營養(yǎng)肉湯稀釋法測量原料殼聚糖，N,N,N-三甲基殼聚糖季銨鹽及本發(fā)明所述O-3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的最小抑菌濃度(MIC)，數(shù)據(jù)見表1。

表1.殼聚糖,N,N,N-三甲基殼聚糖季銨鹽及O-咪唑酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽抗菌性能測試結(jié)果

由表中抑菌圈直徑實驗數(shù)據(jù)可知，本發(fā)明產(chǎn)物O-3,4-(亞甲二氧基)苯乙酸酯-N-三甲基殼聚糖季銨鹽對革蘭氏陽性菌金黃色葡萄球菌和革蘭氏陰性菌大腸桿菌的抑菌作用明顯強于未改性的殼聚糖；是一種抑菌效果優(yōu)良的生物質(zhì)抑菌材料，可廣泛用于抗菌醫(yī)藥材料、日用化學產(chǎn)品和食品包裝等眾多應用領(lǐng)域。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。