壳聚糖季铵盐

壳聚糖是甲壳素的脱乙酰基产物，作为自然界存在的碱性多糖，其具有优异的*性能，对其*性能及机理已有大量研究。但由于壳聚糖分子中含大量的-OH和-NH2，容易形成复杂的分子内和分子间氢键。只有在酸性条件下壳聚糖C2-NH2质子化后，才能获得良好的溶解性能及*效果，其抑菌能力受到一定限制。在更广泛的pH值范围内具有抑菌作用，并进一步提高其抑菌效果，是壳聚糖类*剂获得更好应用效果的前提。季铵化壳聚糖是较理想的一类具有良好抑菌效果的壳聚糖衍生物。

1壳聚糖季铵盐的制备

       壳聚糖季铵盐不但具有典型季铵盐的性质，如*、抑菌性以及吸湿、保湿性，还保持了壳聚糖原有的良好的成膜性、絮凝性以及生物相容性和可降解性，同时，具有良好的水溶性，从而使其在食品工业、医药、工业水处理、纺织品加工等领域有潜在的应用价值。目前，文献报道的壳聚糖季铵盐的制备方法多样，大体上可以分为以下四类。

1.1-NH2季铵化

1.1.1直接季铵化法

       直接季铵化法是制备壳聚糖季铵盐最早采用的方法之一，主要是壳聚糖分子结构中的氨基在碱性条件下直接与碘甲烷进行甲基化反应，从而逐步取代得到壳聚糖季铵盐。将得到的碘化N-三甲基壳聚糖溶于水，用Cl-型阴离子交换树脂交换，可得到稳定性更好的氯化N-三甲基壳聚糖。反应过程如图1所示。

   然而，碘甲烷的价格高，易挥发且致*，因此人们试图寻找新型甲基化试剂对壳聚糖进行季铵化。Britto等采用沸点高、比碘甲烷更便宜且毒性低的硫酸二甲酯来合成季铵化的壳聚糖，发现这种反应不需要溶剂且反应效率很高，室温下反应6h左右即可使壳聚糖季铵化度达到52.5%。

1.1.2烷基化季铵化法

       壳聚糖的氨基与羰基化合物反应形成西佛碱，利用硼氢化钠或氰基硼氢化钠将西佛碱中-C=N-结构还原为-NH-CH-，得到烷基化壳聚糖衍生物。经一次还原得到的烷基化壳聚糖分子结构中含有仲胺基团，与羰基化合物可二次形成席夫碱，经二次还原可得到N,N-双烷基化壳聚糖衍生物。烷基化壳聚糖与卤代烃（碘甲烷）进一步反应，即得到壳聚糖季铵盐衍生物，合成方法如图2所示。这种季铵化方法可以在壳聚糖分子结构中引入不同碳数的烃基，从而得到不同碳链长度的壳聚糖季铵盐衍生物。

   周景润在合成O-季铵化壳聚糖的基础上，进行N,N-双烷基化改性，得到了O-季铵盐-N,N-双烷基壳聚糖（QADCS），QADCS与N,N-双烷基壳聚糖（DCS）相比，与水的表面接触角降低，亲水性能*，表现出更好的双亲性。其对大肠杆菌（E.coli）的抑菌效率，对金黄葡萄球菌(S.aureus)次之，对白色念珠菌略差。

1.2-NH2修饰季铵盐衍生物法

1.2.1季铵盐取代法

      壳聚糖与含有环氧键、双键、卤素等基团的季铵盐化合物反应，分子中的活性H会被这些基团部分取代而得到季铵化的壳聚糖衍生物。因壳聚糖分子中有C2位-NH2和C6位-OH，因此直接进行烷基化反应，在N-、O-位上都可以发生反应。因-NH2的反应活性较-OH的高，在-NH2不受保护的情况下，季铵化的产物一般是N取代的产物。这也是目前使用*制备壳聚糖季铵盐的方法，其合成路线见图3。

1.2.2耦合法

    Stepnova等用2-乙氧基-1-乙氧碳酰基-1,2-二氢喹啉(EEDQ)做耦合试剂，在pH值为5.5的水溶液中，用甜菜碱和壳聚糖反应，得到一种双亲性的季铵化壳聚糖，产物的季铵化度可以由EEDQ与壳聚糖的比例来控制。这种方法为合成新的双亲性壳聚糖季铵盐提供了一种新思路。

1.3季铵盐的接枝共聚

      
壳聚糖在引发剂的作用下产生自由基，通过接枝共聚反应可以制备壳聚糖接枝聚季铵盐。方少明等以硝酸铈铵为氧化还原引发剂制备了壳聚糖/烯丙基三苯基氯化磷接枝共聚物。与壳聚糖相比，此类衍生物的亲水性和热稳定性都得到了提高，且其对E.coli和S.aureus都有较高的*活性。徐霞等在Ce⁴⁺的引发下，制备了甲基丙烯酰氧乙基-苄基-二甲基氯化铵接枝共聚的壳聚糖衍生物，该产物对于革兰氏阴性菌和真菌，15min灭杀率分别达到99.7%和99.21%；对革兰氏阳性菌有一定的灭杀作用，15min灭杀率为87.4%。文献报道壳聚糖对各种细菌的*均不超过25%，说明在壳聚糖表面改性接枝聚季铵盐后，接枝产物对细菌有了很强的灭杀作用。

1.4O-取代季铵化

       在壳聚糖的-NH2上接枝聚季铵盐或将氨基季铵化，会使壳聚糖氨基失去聚阳离子性，导致壳聚糖的天然抑菌活性被屏蔽。而O-取代的壳聚糖季铵盐，基团接在C6位-OH上，具有*性的季铵盐与聚阳离子性氨基共同作用，形成双*活性基团，从而大大提高了壳聚糖衍生物的*性；同时增强了壳聚糖衍生物的水溶性，促进了其应用性能的提高和应用范围的扩大，为壳聚糖的改性研究开辟了新途径。

       林友文等用苯甲醛与壳聚糖反应生成西佛碱，对C2位-NH2进行保护，用2,3-环氧丙基三甲基氯化铵与西佛碱反应后再脱保护，从而合成了O-取代的季铵盐壳聚糖，其合成路线如图4。这种方法得到的季铵化壳聚糖保留了壳聚糖分子中活泼的氨基，为进一步改性和应用创造了条件。