[发明专利]一种水溶性阳离子纤维素材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种纤维素材料，尤其是一种水溶性阳离子纤维素材料及其制法。

背景技术

纤维素是自然界中含量最为丰富的天然高分子材料，是由β-D-吡喃葡萄糖通过β-1-4-糖苷键连接而成的天然高分子聚多糖。纤维素大分子上的每个葡萄糖单元上都有三个羟基，其中一个伯羟基，两个仲羟基。通过对这三个羟基进行醚化或者酯化，可得到纤维素的衍生物。

阳离子大分子是一种非常重要的聚电解质材料，广泛的作为杀菌剂、高级表面活性剂、高分子絮凝剂、吸湿剂和保湿剂等，其中更为重要的是阳离子大分子在基因工程研究中扮演着重要的角色，阳离子大分子可用于包覆DNA大分子。目前广泛应用的包覆DNA分子的阳离子大分子主要是聚乙烯亚胺（PEI），但是，小分子量的聚乙烯亚胺的基因转染率低下，大分子量的聚乙烯亚胺虽然转染率较高，但是细胞毒性非常大，限制了其在基因工程中的应用。

阳离子纤维素是纤维素衍生物的一种，根据其原料的分子量变化，可得到不同分子量级别的阳离子纤维素，小到3KDa，大至1000KDa。同时由于纤维素分子的结构规整，各种性能优良，其阳离子衍生物有望取代PEI成为新一代的转基因材料。

然而，目前生产阳离子纤维素所用的方法主要是用阳离子醚化剂（3-氯-2-羟丙基三甲基氯化铵）对纤维素进行醚化，由于纤维素的溶解性差，难以对纤维素进行均匀醚化，大部分产品都是对纤维素表面醚化，造成醚化不均匀，阳离子化程度不高，水溶性差。

发明内容

本发明针对现有技术存在的缺陷，提供一种水溶性阳离子纤维素的制备方法。该法在于用一定的溶剂将纤维溶解，以达到在均相条件下对纤维素进行醚化和/或酯化。

本发明的另一目的在于提供上述方法制得的阳离子纤维素。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种水溶性阳离子纤维素材料的制备方法，包括如下步骤：

a.取α-纤维素含量不低于98%的纤维素材料，溶解于非质子性溶剂中；

b.反应过程选取以下四种方法中的任一种：

i.在搅拌下，加入催化剂，反应10~30min后再加入带叔胺结构的伯卤代烷，反应1~15小时；将pH值调节到6~8，在搅拌下，加入烷基化试剂，反应1~8小时；

ii.在搅拌下，加入对甲苯磺酰氯和缚酸剂，反应0.5~3小时，再加入催化剂和带叔胺结构的醇的混合物，反应1~15小时；将pH值调节到6~8，在搅拌下，加入烷基化试剂，反应1~8小时；

iii.在搅拌下，加入催化剂、带季铵结构的环氧化合物，反应1~18小时；

iv.在搅拌下，加入催化剂，以及带季铵结构的酰卤和/或带季铵结构的酸酐，反应1~10小时；

ⅰ、ⅱ中所述烷基化试剂为活泼的伯卤代烷、硫酸二甲酯和碳酸二甲酯中的任意一种或两种以上；

c.取出反应物，用沉淀剂将阳离子纤维素从反应溶液中沉淀出来，过滤，用清洗剂洗涤；然后用半透膜透析1~5天；

d.蒸发掉透析用的溶剂，收集固态阳离子纤维素；在真空干燥箱内40-80℃干燥3-10小时，即得到阳离子纤维素材料。

优选地，所述带叔胺结构的伯卤代烷为：

所述的带叔胺结构的醇为：

所述的带季铵结构的环氧化合物为：

所述的带季铵结构的酰卤和带季铵结构的酸酐分别为：

其中，X为Cl、Br或I，R为0~4个碳原子的烷基链，R₁、R₂、R₃为1~3个碳原子的烷基，R₄为H或者1~3个碳原子的烷基；

优选地，将所述纤维素材料的纤维素中葡萄糖单元的物质的量定义为1，则

b（i.）中带叔胺结构的伯卤代烷的物质的量为0.4~2.5，所述催化剂的物质的量为0.6~3；

b（ⅱ.）甲苯磺酰氯的物质的量为0.6~3，催化剂的物质的量为0.8~4、带叔胺结构的醇的物质的量为0.4~2.5；

b（ⅲ.）带季铵结构的环氧化合物的物质的量为0.4~2.5，催化剂的物质的量为0.8~4；

b（ⅳ.）带季铵结构的酰卤的物质的量为0~2，带季铵结构的酸酐的物质的量为0~2，催化剂的物质的量为0.8~4。

优选地，所述b（i.）、b（ii.）、b（ⅲ.）、b（ⅳ.）整个反应在氮气保护下进行。