郑 静ａ 王俊卿ｂ 苏致兴ａ
(ａ兰州大学化学化工学院 兰州730000;ｂ兰州医学院 兰州)
甲壳素是一种类似纤维素的生物高分子,而壳聚糖则为甲壳素部分脱乙酰基的产物。壳聚糖具有—ＮＨ2,—ＮＨＣＯＣＨ3基团,较容易改性。Ｎ 异丙基丙烯酰胺的均聚物(ＰＮＩＰＡ)对环境温度具有很强的敏感性,在水中低温溶涨,高温收缩,敏感温度为32℃,可用于药物控制释放[1,2],酶及细胞的固定化[3],蛋白质水溶液的浓缩[4,5]等生物医学领域。接枝共聚反应是对壳聚糖较好的改性方法。本文探索了羧甲基壳聚糖与Ｎ 异丙基丙烯酰胺的溶液接枝聚合。研究了引发剂Ｋ2Ｓ2Ｏ3用量,Ｎ 异丙基丙烯酰胺用量、反应温度、反应时间以及溶剂体积对接枝共聚的影响,并对接枝共聚物进行了表征。
1 实验部分
1.1 试剂和仪器
Ｎ-异丙基丙烯酰胺(ＮＩＰＡ,自制),使用前在石油醚中重结晶。粉末状壳聚糖(自制),脱乙酰度约为90%,其它试剂均为市售分析纯。360Ｘ型ＦＴ ＩＲ光谱仪(美国Ｎｉｃｏｌｅｔ公司);ＸＤ 3ＡＸ射线衍射仪(日本岛津)。
1.2 羧甲基壳聚糖的合成
在三口瓶中加入一定量的粉末状、非水溶性壳聚糖,加入异丙醇和一定量的ω(ＮａＯＨ)为10%的水溶液,充分搅拌4ｈ,将氯乙酸分5次在1ｈ内加完,升温至60℃恒温反应4ｈ,用冷水冷却,调ｐＨ值至中性,放置过夜。将反应物过滤,溶于水中,用丙酮沉淀,沉淀物用石油醚重结晶,干燥,得到黄色固体产物即为羧甲基壳聚糖,产率为50%～60%。
1.3 接枝共聚物的合成及纯化
将羧甲基壳聚糖溶于水中,加入一定量的Ｎ 异丙基丙烯酰胺,通Ｎ2气30ｍｉｎ,升温至所需温度,搅拌下加入引发剂Ｋ2Ｓ2Ｏ3,恒温反应结束后,用丙酮沉淀出不纯的接枝共聚物,过滤。由于Ｎ 异丙基丙烯酰胺的均聚物(ＰＮＩＰＡ)极易溶于丙酮,不溶于苯,因此,将不纯的接枝共聚物用丙酮抽提48ｈ,取少量抽提液,于其中滴入苯,当溶液不浑浊、无白色沉淀物时,则可认为ＰＮＩＰＡ已完全被除去,产物为羧甲基壳聚糖接枝Ｎ 异丙基丙烯酰胺的共聚物。
接枝率Ｇ(%)=[(接枝共聚物-羧甲基壳聚糖)/羰甲基壳聚糖]×100%
接枝效率ＧＥ(%)=(单体/参加反应单体)×100%
2 结果与讨论
2.1 接枝共聚物的温敏性
Ｎ 异丙基丙烯酰胺的均聚物(ＰＮＩＰＡ)敏感温度为32℃,接枝产物的温敏性为32～38℃,扩大了敏感温度范围更具有药用价值。接枝共聚物的水溶液随着温度的升高,由澄清透明水溶液变成白色牛奶状浑浊,敏感温度因Ｎ 异丙基丙烯酰胺的含量不同而不同。在澄清透明的水溶液中,温敏性高分子链是伸展的,当温度升高时,温敏性高分子链卷曲,溶解性降低,出现白色乳液状浑浊。
2.2 接枝共聚物的表征
2.2.1 红外光谱分析
图1中4种产物的红外光谱分析结果归属列于表1。从表中可以看出,羰甲基壳聚糖发生了ＮＩＰＡ的接枝共聚反应。由于接枝率高达430%,叔酰胺上的ＣＯ基团吸收峰既强又宽,—ＣＯＯ-2的吸收峰(1610ｃｍ-1)被淹没在1630ｃｍ-1之中。
2.2.2 Ｘ射线衍射图分析
图2是壳聚糖、羧甲基化壳聚糖、ＰＮＩＰＡ及接枝共聚物的Ｘ衍射衍射谱图谱。壳聚糖经羧甲基化反应后,其谱图中有尖锐峰,表明有晶态存在;ＰＮＩＰＡ有相当宽的“隆峰”,表明是非晶态;接枝共聚物由于接枝率高达430%,羧甲基化壳聚糖中部分晶态显示不出来,因此,表明为非晶态。
2.3 羧甲基壳聚糖的合成反应合成反应按下式进行[6]:
壳聚糖的羧甲基化产物中有部分未反应的—ＮＨ2,它可能与羧甲基(—ＣＨ2ＣＯＯＨ)形成离子性铵盐—ＮＨ3+-ＯＯＣＨ2—,从而增加了它在水中的溶解度,此盐在水溶液中可离解:
因此,它并不影响在氮原子上发生的接枝反应。接枝共聚反应是由于—ＮＨ2和Ｓ2Ｏ2-8(引发剂)之间形成过渡态络合物,并产生>Ｎ·自由基和·ＯＳＯ3Ｈ自由基,从而引发接枝共聚反应和均聚反应[7]。其反应历程示意如下:
2.4 影响接枝反应的因素
当温度低于60℃时,需16ｈ以上才出现白色混浊。高于90℃时,溶剂蒸发大,体系不稳定。在60～90℃之间,随着温度增加,产生自由基增多,引发单体接枝共聚物增多(图3),当温度上升到一定程度后,接枝率和接枝效率虽然增高,但由于氢键作用增大,产物的水溶性不好。70℃时接枝率和接枝效率、水溶性都很好,因此,以70℃为最佳反应温度。
当溶剂量小于15ｍＬ时,体系粘度太大,无法反应。随着溶剂(水)量的增加,接枝率与接枝效率下降(如图4所示)。因此,水用量为15ｍＬ。随着单体用量的增加,接枝率和接枝效率均增加,但增加的趋势不同(图5)。接枝率增加到一定程度后,逐渐趋于平稳,接枝效率在达到极大值后开始下降。随着单体量的增加,体系粘度增加,单体向接枝链自由基扩散受阻,同时Ｎ 异丙基丙烯酰胺均聚反应增加,使得接枝效率下降。因此,单体最佳用量为1 5ｇ。随着引发剂用量的增加,接枝率和接枝效率都增加,当引发剂为10ｍｇ时,达到极大值。这是因为过量引发剂使体系产生过多的单体自由基,除参与接枝反应外,还发生均聚反应,因单体总量不变,接枝率和接枝效率均下降(如图6所示)。因此,引发剂最佳用量为10ｍｇ。
随着反应时间的增加,接枝率与接枝效率均增加,一定时间后逐渐趋平(图7)。因此,取反应时间为2ｈ。
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