壳寡糖－聚L－色氨酸接枝共聚物及其均相合成方法

摘要

本发明公开了一种壳寡糖－聚L－色氨酸接枝共聚物及其均相合成方法，该均相合成方法通过在水/乙酸乙酯体系中，利用壳寡糖分子上的自由氨基引发N－羧基－L－色氨酸－环内酸酐(NCA)的开环聚合，将聚L－色氨酸接枝到壳寡糖的侧链，制备了多糖/多肽杂化材料。制得的壳寡糖－聚L－色氨酸接枝共聚物可用作荧光材料、人造骨骼支撑材料。

说明书

技术领域

本发明涉及一种壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物及其均相合成方法。

背景技术

甲壳素(1，4-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖)是目前数量上仅次于纤维素的地球第二大天然再生资源，其脱乙酰基的产物壳聚糖(1，4-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖，简写为CS)由于具有良好的生物相容性、生物降解性和多样的衍生化反应而受人瞩目，成为一种新型的具有广阔发展前景的生物大分子材料。近年来，对壳聚糖的研究及应用在全球范围内掀起热潮，已遍及食品、医药、日用化学、纺织工业、功能材料、生态建材和环境保护等多个行业。但由于其溶解性能不佳限制了它的更为广泛的应用。聚合度小于20的壳聚糖称之为壳寡糖，除了与聚合度高的壳聚糖所具有的普遍性能以外，在常温下可溶解于水，此良好的溶解性能为此后更广泛的应用奠定了基础。

色氨酸是人体必需的8种氨基酸之一，对人和动物的生长发育、新陈代谢起重要的作用，被称为第二必需氨基酸，广泛用于医药、食品和饲料等方面，同时它特殊的光学、电化学行为也引起了科学界的关注。在壳寡糖上接入色氨酸合成具有生物活性的高分子功能材料，为两者的深度开发和应用拓展更为广阔的空间。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物，该共聚物化学式为：

本发明的另一目的是提出一种制备壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的均相合成方法，该均相合成方法通过在水/乙酸乙酯体系中，利用壳寡糖分子上的自由氨基引发N-羧基-L-色氨酸-环内酸酐(NCA)的开环聚合，将聚L-色氨酸接枝到壳寡糖的侧链，制备了多糖/多肽杂化材料。

本发明的一种制备壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的均相合成方法有如下步骤：

第一步：L-色氨酸环内酸酐(NCA)的合成

(A)将L-色氨酸、无水四氢呋喃经送料口7放入到反应容器5中，调节水浴槽6的水温至0℃，调节磁力搅拌器4的搅拌棒转速为500～750r/min的条件下，搅拌反应10～30min后制得第一反应物；

所述L-色氨酸与所述无水四氢呋喃的用量为100ml的无水四氢呋喃中加入2～10g的L-色氨酸；

(B)通过送料口7加入三聚光气，在磁力搅拌器4的搅拌棒转速为500～750r/min条件下搅拌反应10～30min后，调节水浴槽6的温度至40℃，升温速率2～4℃/min，搅拌反应20～40min后制得第二反应物；所述第二反应物为澄清液；通过右接口2充入氮气10～30min，以除去L-色氨酸与三聚光气在反应过程中生成的氯化氢及多余的光气，并驱散部分的无水四氢呋喃，使澄清液浓缩，同时用碱吸收装置(安装在左接口3上)吸收这些在L-色氨酸与三聚光气在反应过程中生成的氯化氢及多余的光气后，制得第三反应物；

(C)在第三反应物中加入无水正己烷中进行沉淀，静置3～10min后有白色针状晶体析出，制得第四反应物；

(D)将第四反应物放置在-20～0℃的环境中静置10～12h后制得第五反应物，所述第五反应物为L-色氨酸环内酸酐(NCA)晶体和正己烷的混合物；

(E)将第五反应物倒入布氏漏斗中通过真空泵进行减压抽滤后，得到第六反应物，所述第六反应物为L-色氨酸环内酸酐(NCA)的粗产物；

(F)用乙酸乙酯对第六反应物进行重结晶，再用正己烷洗涤3～5次后，在20～50℃的条件下真空干燥制得第七反应物，所述第七反应物为白色针状晶体的L-色氨酸环内酸酐(NCA)的精制产物。

第二步：壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的合成

(A)将分子量＜10000、脱乙酰度为75.1％的食品级壳寡糖、蒸馏水加入至反应容器5中；然后将磁力搅拌器4安装在反应容器5内；

(B)将第一步制得的L-色氨酸环内酸酐(NCA)的精制产物用无水乙酸乙酯溶解，制得第三反应液；L-色氨酸环内酸酐(NCA)的精制产物与无水乙酸乙酯的用量为10ml无水乙酸乙酯中加入1～10g L-色氨酸环内酸酐(NCA)的精制产物；

(C)调节水浴槽6的温度至0℃时，将第三反应液通过送料口7滴入壳寡糖溶液中，通过磁力搅拌器4在500～750r/min搅拌1～2h后生成灰白色絮状物沉淀，即第四反应液；采用滤纸对第四反应液进行过滤处理，获得第五产物；所述第五产物是留在滤纸上的产物；

(D)将第五产物依次用四氢呋喃、蒸馏水冲洗3～5次以除去残余的L-色氨酸NCA和壳寡糖；然后在20～50C的条件下真空干燥12～24h后得到灰白色固体粉末，即壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物。

本发明壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的优点在于：(1)由于引入了色氨酸上的吲哚环使壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物具有荧光特性，故可以当作荧光材料；(2)由于引入了刚性的吲哚环使壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物具有较高的热分解温度360～365℃，故可以当作耐热材料；(3)壳寡糖接枝上聚L-色氨酸侧链后刚性和硬度得到增强，故可以当作人造骨骼等的一些支撑材料。

附图说明

图1是反应容器的装配示意图。

图2是本发明制得的壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的红外光谱曲线图。

图中：1.法兰盘  2.右接口  3.左接口  4.磁力搅拌器5.反应容器  6.水浴槽  7.送料口

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物，该共聚物化学式见说明书第8页，式中，m表示每个壳寡糖分子中脱乙酰糖环的个数，n表示每个壳寡糖分子中未脱乙酰糖环的个数，p表示每个脱乙酰氨基上连接的色氨酸分子的个数。

本发明制备所需的合成用设备由反应容器5、磁力搅拌器4和水浴槽6构成，参见图1所示；反应容器5的瓶口处设有法兰盘1，法兰盘1上开有送料口7，送料口7的进料端上安装有A阀门(A阀门用于控制合成材料的进入)；反应容器5的左右容器体上设有左接口3、右接口2，左接口3处通过C阀门连接有碱吸收装置(C阀门开启时用于吸走L-色氨酸与三聚光气在反应过程中生成的氯化氢及多余的光气，C阀门一般为关闭状态)；右接口2处通过B阀门连接有氮气源(B阀门用于开启/关闭氮气源)；磁力搅拌器4通过法兰盘1上的中心通孔装配在反应容器5内，然后将反应容器5置入水浴槽6中，且反应容器5置入水浴槽6中的深度为反应容器5的瓶体的2/3。水浴槽6为上海恒平科学仪器有限公司生产的DC-2006型低温恒温水浴槽，能提供的温度范围为-21～95℃。

本发明的一种制备壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的均相合成方法有如下步骤：

第一步：L-色氨酸环内酸酐(NCA)的合成

(A)将L-色氨酸、无水四氢呋喃经送料口7放入到反应容器5中，调节水浴槽6的水温至0℃，调节磁力搅拌器4的搅拌棒转速为500～750r/min的条件下，搅拌反应10～30min后制得第一反应物；

所述L-色氨酸与所述无水四氢呋喃的用量为100ml的无水四氢呋喃中加入2～10g的L-色氨酸；

(B)通过送料口7加入三聚光气，在磁力搅拌器4的搅拌棒转速为500～750r/min条件下搅拌反应10～30min后，调节水浴槽6的温度至40℃，升温速率2～4℃/min，搅拌反应20～40min后制得第二反应物；所述第二反应物为澄清液；通过右接口2充入氮气10～30min，同时用碱吸收装置(安装在左接口3上)吸取在L-色氨酸与三聚光气在反应过程中生成的氯化氢及多余的光气后，制得第三反应物；

在本发明中，此步骤是为了除去L-色氨酸与三聚光气在反应过程中生成的氯化氢及多余的光气，同时驱散部分的无水四氢呋喃，使澄清液浓缩。

(C)在第三反应物中加入无水正己烷中进行沉淀，静置3～10min后有白色针状晶体析出，制得第四反应物；

(D)将第四反应物放置在-20～0℃的环境中静置10～12h后制得第五反应物，所述第五反应物为L-色氨酸环内酸酐(NCA)晶体和正己烷的混合物；

(E)将第五反应物倒入布氏漏斗中通过真空泵进行减压抽滤后，得到第六反应物，所述第六反应物为L-色氨酸环内酸酐(NCA)的粗产物；

(F)用乙酸乙酯对第六反应物进行重结晶，再用正己烷洗涤3～5次后，用真空干燥得白色针状晶体，在20～50℃的条件下真空干燥制得第七反应物，所述第七反应物为L-色氨酸环内酸酐(NCA)的精制产物。

在本发明中，L-色氨酸环内酸酐(NCA)的合成表达式见说明书第9页。

第二步：壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的合成

(A)将分子量＜10000、脱乙酰度为75.1％的食品级壳寡糖、蒸馏水加入至反应容器5中；然后将磁力搅拌器4安装在反应容器5内；

(B)将第一步制得的L-色氨酸环内酸酐(NCA)的精制产物用无水乙酸乙酯溶解，制得第三反应液；L-色氨酸环内酸酐(NCA)的精制产物与无水乙酸乙酯的用量为10ml无水乙酸乙酯中加入1～10g L-色氨酸环内酸酐(NCA)的精制产物；

(C)调节水浴槽6的温度至0℃时，将第三反应液通过送料口7滴入壳寡糖溶液中，通过磁力搅拌器4在500～750r/min搅拌1～2h后生成灰白色絮状物沉淀，即第四反应液；采用滤纸对第四反应液进行过滤处理，获得第五产物；所述第五产物是留在滤纸上的产物；

(D)将第五产物依次用四氢呋喃、蒸馏水冲洗3～5次以除去残余的L-色氨酸NCA和壳寡糖；然后在20～50℃的条件下真空干燥12～24h后得到灰白色固体粉末，即壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物。

在本发明中，壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的合成化学表达式见说明书第10页，式中，m表示每个壳寡糖分子中脱乙酰糖环的个数，n表示每个壳寡糖分子中未脱乙酰糖环的个数，p表示每个脱乙酰氨基上连接的色氨酸分子的个数。

实施例1：

(一)L-色氨酸环内酸酐(NCA)的合成

原料的前处理：该反应中所需的有机溶剂四氢呋喃、正己烷、乙酸乙酯均采用分子筛进行除水处理，L-色氨酸和三聚光气需在室温下真空干燥24h后存于干燥器中待用。反应式见说明书第10页。

称取5.0g的L-色氨酸加入到250mL的连接氮气、磁力搅拌器(搅拌速度720r/min)和碱吸收装置的三口瓶反应容器5中，在0℃时加入100mL的无水四氢呋喃溶剂形成混浊液，搅拌30min，然后加入3.5g的三聚光气，继续搅拌30min后，缓慢升温至40℃。搅拌反应30min后混浊液变澄清，静置反应1h。充氮气30min，以除去反应生成的氯化氢及多余的光气，然后将反应液浓缩，倒入过量的无水正己烷中沉淀，静置片刻有针状晶体析出，在-20℃低温放置12h，使其充分结晶。过滤后，用乙酸乙酯重结晶，再用正己烷洗涤4次，真空干燥得白色针状晶体，熔点258℃，产率60％。

(二)壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的合成

壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的合成反应式见说明书第10页。

取0.1g分子量＜10000、脱乙酰度为75.1％的食品级壳寡糖于三口瓶反应容器5中溶于30mL蒸馏水中，调节低温水浴槽6的温度，当恒定在0℃时，将6mL溶有1.826g的L-色氨酸NCA的乙酸乙酯溶液滴入壳寡糖溶液中，磁力搅拌器在搅拌速度为650r/min条件下搅拌2h。反应生成灰白色絮状沉淀，将混合物过滤，留在滤纸上的固体为得到的粗产物，依次用四氢呋喃和大量的蒸馏水冲洗以除去残余的L-色氨酸NCA和壳寡糖，真空干燥24h得到灰白色固体粉末，经红外测试发现所合成的共聚物的聚L-色氨酸侧链以β-折叠结构为主。

(三)结果表征

采用KBr压片法，用Nicolet 2000 FT-IR红外光谱仪进行测定，结果如下图2所示。图中虚线表示壳寡糖的红外光谱，实线表示壳寡糖-L-色氨酸共聚物的红外光谱。图中在波数为742.20cm^-1处的吸收峰是有四个相邻氢的吲哚环上的C-H键面外弯曲振动的特征吸收峰；在波数为1635.48cm^-1处的吸收峰是吲哚环中芳香共轭双键的特征吸收和酰胺I带的特征吸收峰的重叠；在波数为1522.15cm^-1是酰胺II带的吸收峰，并且在波数为1635.48cm^-1的酰胺I和1522.15cm^-1处酰胺II带的吸收峰也证实了接枝共聚物具有β-折叠结构的聚L-色氨酸侧链。同时，在波数为3408.37cm^-1附近的宽峰是壳寡糖上伯胺N-H伸缩振动的特征吸收峰，此峰在壳寡糖-L-色氨酸共聚物的红外光谱图中变得尖锐；在波数1087.12cm^-1附近的吸收峰是壳寡糖中吡喃糖环的特征吸收，该处吸收峰的强度减弱并与聚L-色氨酸链段上其他基团的吸收发生重叠。本发明合成的产物为壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物，其化学式见说明书第8页。

将制得的壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物采用SHIMADZU RF-5301PC荧光光谱仪上进行扫描，激发波长为300nm，扫描范围为300～600nm，测得其在λ＝360nm处出现了色氨酸吲哚环的特征荧光发射光谱，说明该壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物具有荧光特性。

将制得的壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物采用Rheometric Scientific DSCSP差示扫描量热仪测定其的DSC曲线。温度测试范围为0～500℃，在N₂气氛下，升温速率为10℃/min，测得壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的热分解温度为364.5℃，故具有耐热特性。

壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物化学式为：

L-色氨酸环内酸酐(NCA)的合成表达式为：

壳寡糖-聚L-色氨酸接枝共聚物的合成化学表达式为：