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1、海藻酸钠硫酸酯的制备及结构表征论文武汉理工大学毕业论文海藻酸钠硫酸酯的制备及结构表征学院（系）： 化学工程学院 专业班级： 制药专业0702班 学生姓名： 指导教师： 目 录摘 要 IAbstract II1绪论 11.1 多糖硫酸酯概述 11.1.1 多糖的来源及研究现状 11.1.2 多糖修饰的意义及主要修饰方法 11.1.3 多糖硫酸酯的生物活性 21.1.4 多糖及硫酸酯化多糖的活性与结构的关系 41.1.5 多糖的硫酸酯化方法简介 61.2 海藻酸钠硫酸酯概述 71.2.1 海藻酸钠简介 71.2.2 海藻酸钠硫酸酯的生物活性 71.2.3 海藻酸钠硫酸酯的应用及研究现状 81.2.

2、4 海藻酸钠硫酸酯的制备方法 81.3 本课题研究目的及意义 92 实验部分 102.1 实验试剂与仪器 102.2 海藻酸钠硫酸酯的制备及表征 112.2.1 海藻酸钠硫酸酯的制备 112.2.2 海藻酸钠硫酸酯取代度的测定 112.3 红外表征 122.4 海藻酸钠硫酸酯制备的因素考察 122.4.1 投料比海藻酸钠硫酸酯取代度的影响 122.4.2 反应时间对海藻酸钠硫酸酯制备的影响 122.4.3 反应温度对海藻酸钠硫酸酯制备的影响 123 结果与讨论 133.1 海藻酸钠硫酸酯的红外光谱图谱 133.2 海藻酸钠硫酸酯的取代度 143.2.1 硫酸钡标准曲线 143.2.2 海藻酸钠

3、硫酸酯的取代度所得数据如表3-2所示。 1533 制备海藻酸钠硫酸酯的最优反应条件 153.3.1 硫酸酯化试剂和海藻酸钠的比例对取代度的影响 153.3.1 反应时间对海藻酸钠硫酸酯制备的影响 163.3.1 反应温度对海藻酸钠硫酸酯制备的影响 164 结论 17参考文献 18致 谢 20摘 要海藻酸钠硫酸酯是海藻酸钠中单糖上羟基的氢被硫酸酯基取代所得到的产物。研究表明，海藻酸钠硫酸酯和天然的抗凝血物质肝素有着很相似的结构，血液中加入海藻酸钠硫酸酯后，其凝固时间明显延长。这表明海藻酸钠硫酸酯具有抗凝血功能。此外，海藻酸钠硫酸酯同其他多糖硫酸酯一样还具有抗病毒、抗氧化、抗肿瘤等生物活性。但目前

4、人们对海藻酸钠硫酸酯的研究还很少，因此，海藻酸钠硫酸酯有很广的研究前景。本论文研究的是海藻酸钠硫酸酯的制备。以海藻酸钠为原料，用直接浓硫酸法对海藻酸钠进行酯化修饰。利用傅里叶变换红外光谱仪对产物进行结构表征并用BaCl2-明胶法对产物取代度进行测定。研究结果表明：直接浓硫酸法能够将硫酸基成功的接到海藻酸钠上。投料比、反应温度和反应时间对产物的取代度和纯度都有影响，且温度低、浓硫酸与海藻酸钠的投料比为6:1、反应时间为3h左右时海藻酸钠硫酸酯的产量较高，取代度也较高。关键词：多糖硫酸酯；海藻酸钠；海藻酸钠硫酸酯；取代度AbstractSodium alginate sulfates are th

5、e products of sodium alginate on which the hydrogen of the monosaccharide are replaced by the sulfate groupsStudies show that sodium alginate sulfates have the most similar structure of heparin which is a natural anticoagulant, and when human plasma are added with sodium alginate sulfates, its clott

6、ing time will be prolongedThis indicates that the sodium alginate sulfates have anticoagulant activityBesides, sodium alginate sulfates like other polysaccharide sulfates also have biological pharmacological activities of antiviral activity, antioxidant, anti-tumor and so onHowever, the current stud

7、ies on Sodium alginate sulfates are still littleThis means that the study on Sodium alginate sulfates is of much prospectThis paper is mainly about the preparation of sodium alginate sulfatesSodium alginate was used as the raw material and esterification modified by concentrated sulfuric acid direct

8、lyFourier transform infrared spectrometer (FTIR) was used to characterize the structure of the productsThe degree of substitution (DS) of the products was determined by the method of BaCl2-gelatinThe results showed that sulfate groups could be joined into sodium alginate successfully by this methodT

9、he ratio of concentrated sulfuric acid to sodium alginate, the reaction temperature and reaction time had significant influence on the DSThe optimal condition of the reaction was when the ratio is 6:1, and the reaction time was 3h with low temperatureKey Words：Polysaccharide sulfate；sodium alginate；

10、sodium alginate sulfates；degree of substitution1绪论1.1 多糖硫酸酯概述1.1.1 多糖的来源及研究现状天然多糖是生物体内一类重要大分子，是组成生物高分子家族中的一个丰富多彩的成员，广泛存在于植物、动物和微生物组织中。多糖具有很多重要的生物功能，其中两种最重要的功能是结构物质和能量物质，如组成植物细胞壁的纤维素和组成虾蟹的甲壳属于结构物质，而淀粉和纤维素等则作为能量物质1。除了储存能量和支持结构外，多糖还是一类重要的信息分子，在生物体内起着传递信息的功能。近二十多年来，研究者们发现多糖及其缀合物广泛参与细胞的各种生命现象的调节，如免疫细胞间信息

11、的传递和感受，这与细胞表面的多糖体的介导有密切关系。而且多糖又是细胞表面对各种抗原和药物的受体，因此多糖仅作为支持组织结构和动植物能量来源的传统观念已被突破。另外，人们还发现一些多糖如香菇多糖、云芝多糖等能够治疗免疫系统受到损伤而引发的一些疾病，无毒副作用，是一类有很大开发潜力的免疫调节剂，特别是多糖的一些衍生物，如硫酸酯化多糖，具有抗凝血、抗肿瘤和抗病毒等药理学活性。目前研究较多的天然多糖有真菌多糖、植物多糖、海洋生物多糖。有关真菌多糖的化学成份和结构的报道甚多，例如对灵芝多糖、香菇多糖、当归多糖等的研究2。但是，随着有机高分子合成技术和分离技术的不断发展，人们对多糖的研究已不仅仅局限于从天

12、然动植物中提取。人们开始合成很多有很好生物活性的多糖，或者是对天然多糖进行适当的结构修饰，使其有更好的生物活性或者降低其毒性或副作用。1.1.2 多糖修饰的意义及主要修饰方法多糖广泛参与细胞的各种生命活动从而产生多种生物学功能，如增强免疫特性、抗肿瘤、抗病毒、抗凝血、延缓衰老等功能。但是，在对多糖的结构及其活性的研究中，研究人员发现以下问题3：(1)自然界中存在的多糖并不都具有活性。例如, 一种从土壤微生物中提取的多糖curdlan, 尽管与多糖药物香菇多糖有相似的主链结构, 却没有后者所具有的抗肿瘤活性；(2)有些多糖由于结构或理化性质等障碍而不利于其生物学活性的发挥。如未经处理的裂褶多糖由

13、于粘度太大而在临床上无法使用;一些硫酸葡聚糖因分子量大，无法跨越多重细胞膜障碍，很难达到发挥生物学活性的血药浓度；(3)也有些多糖尽管药效良好，但同时也会产生一些不良反应，甚至毒副作用。如有些具有抗病毒活性的低分子量硫酸葡聚糖可产生不利于其抗病毒活性的抗凝血现象；某些多糖硫酸酯化衍生物由于硫酸酯基过多而显示一定的细胞毒性；(4)有些从天然生物体内分离的多糖活性较弱，有待进一步提高。因此，为了充分发挥多糖的应用价值，对天然多糖进行结构修饰以改善多糖的性质已变得十分有必要。目前多糖的修饰方法主要有以下几种：1化学方法修饰4。包括：硫硫酸酯化修饰，即在组成多糖的单糖元的羟基上引入硫酸酯基；乙酰修饰；

14、磷酸化修饰；羧甲基化修饰；硒化修饰；其他化学修饰方法等。2物理方法修饰。物理修饰主要是利用超声波对天然多糖进行结构修饰。超声修饰主要是通过增加多糖分子的质点振动能量来切断生物大分子中的某些化学键，从而降低分子量，增加水溶性，提高生物活性。3生物方法修饰。工业上利用微生物繁殖迅速的特点大量生产活性多糖5。但天然生物多糖不具备理想的活性结构。为了得到理想的结构，工业上通过操纵微生物基因表达或引入外源基因来控制微生物体内多糖合成途径，从而生产所需多糖。1.1.3 多糖硫酸酯的生物活性硫酸酯化多糖(sulfated polysaccharides，SPS)也称多糖硫酸酯(polysac-charide

15、s sulfate，PSS)，是指多糖大分子链中单糖分子上某一个或几个羟基被硫酸根所取代而形成的一类化学结构复杂、生物活性多样、构效关系鲜明的多糖衍生物，为阴离子化合物，包括天然提取的多种硫酸多糖和化学合成的硫酸多糖。自1981年硫酸酯化木聚糖被批准用于治疗艾滋病毒（HIV）以来6，硫酸酯化多糖的抗病毒活性研究一直备受关注，这也使其成为研究最多的一类天然的或人工化学修饰的多糖之一。经过近三十年的研究，人们对硫酸酯化多糖的结构及其活性有了更深入的了解。目前，人们对硫酸酯化多糖的活性研究主要有以下几个方面：抗病毒、抗凝血、降血脂、抗氧化、抗辐射、抗炎、抗呕吐等。其中对硫酸酯化多糖的抗病毒和抗凝血研

16、究最为广泛。现就这几个方面的活性概述如下。1.1.3.1硫酸酯化多糖的抗病毒活性许多天然的或经化学修饰的硫酸酯化多糖都有很好的抗病毒活性。如香菇多糖硫酸酯具有良好的抗HIV病毒的活性，抑制HIV酶类的活性许多体外试验表明，硫酸酯化多糖能有效地抑制HIV的逆转录酶(RT)活性，而未被硫酸酯化的多糖则没有这种作用；牛膝多糖硫酸酯在抗病毒实验中表现出良好的抑制HBsAg、HBeAg病毒作用；鲨鱼软骨多糖经硫酸酯化修饰后水溶性得到很好改善 ,并具有较强抗癌活性等。另外，黄芪多糖硫酸酯通过对BHK细胞毒性作用实验以及对HSV-1生物合成抑制作用的研究表明，其体外抗HSV-1的作用优于阿昔洛韦且毒性更低

17、,也表明其对病毒感染的临床治疗具有应用前景7。研究还表明，硫酸酯化多糖的抗病毒活性与产物的分子量大小、硫酸酯基取代的位置、硫酸酯基取代度、硫酸酯化多糖的主链结构和高级结构等都有密切关系。随着对多糖硫酸酯研究的进一步加深，人们对硫酸之化多糖的抗病毒活性有了较为清晰地认识。体外实验证明，许多硫酸酯化多糖的抗病毒活性是通过与病毒囊膜上识别宿主细胞表面受体的糖蛋白结合并干扰感染过程的启动来产生的在体内，不能吸附细胞的游离病毒易于被机体的免疫系统清除，这是硫酸酯化多糖抗病毒活性产生的主要和重要途径。1.1.3.2 硫酸酯化多糖的抗凝血活性经过对提取自动物体内的肝素的抗凝血研究发现其抗凝血活性与其结构中硫

18、酸酯基有关。另外很多经硫酸酯化的多糖也有良好的抗凝血活性。基于此，研究人员猜想多糖衍生物的抗凝血活性与硫酸酯基有关。Doctor8等人通过测定活化部分凝血活酶时间（APTT），凝血酶原时间（PT），和凝血酶时间（TT），研究了15种半合成硫酸化多糖和肝素的体内、外抗凝活性。结果显示，这些半合成硫酸化多糖的体外抗凝血作用与肝素相当。而没有经硫酸酯化修饰的多糖抗凝血活性则很小，有的甚至不表现抗凝血活性。硫酸酯化多糖的抗凝血活性与硫酸化的位置和相对分子量大小有关。例如Shighehiro Hirano等人得出的认识是C4位硫酸化是影响抗凝血活性的主要位点，对多糖的葡萄糖单元上的C4上的羟基进行硫酸酯

19、化修饰后，多糖表现出更强的抗凝血性能。另外，C2位硫酸化可增强多糖硫酸纸的抗凝血活性。由此可知，硫酸酯化可以提高多糖的抗凝血活性。分子量大小与多糖硫酸酯的抗凝血活性有以下关系：Mw26000肝素（2100）Mw12000Mw54000。此外，有研究发现多糖硫酸酯的毒性随着其分子量的增大而增强。为了得到活性高，毒副作用小的多糖硫酸酯，可以通过控制硫酸基取代度，及其取代基的位置来实现。硫酸酯化多糖的抗凝血机理主要是：硫酸酯化多糖中的硫酸酯基带有负电性，它可以中和生物体血液中组成凝血酶的氨基酸残基上的正电荷。而当氨基酸残基上的正电荷被中和后，血液中的凝血因子IIa和凝血酶Xa会受到抑制，从而使得血液

20、的内源性凝固时间得以延长，即APTT和TT的时间会被延长。一般而言，硫酸酯基对血液的外源性凝血途径没有影响，即硫酸酯化多糖不能延长PT的时间9。1.1.3.3 硫酸酯化多糖的其他活性简介近年来，硫酸酯化多糖的抗氧化作用受到广泛的重视。生物体的氧化代谢会产生阴离子自由基与羟基自由基(OH)及活性氧，易引起生物体内脂质的发生过氧化，对细胞产生很大的毒性作用。研究表明许多多糖具有提高抗氧化酶活性、清除自由基、抑制脂质过氧化的作用，从而起到保护生物膜的作用。例如，研究表明海带褐藻多糖硫酸醋对超氧阴离子具有良好的清除作用，能够抑制羟基自由基诱导的红细胞氧化溶血，对FeSO4抗坏血酸体系造成的脂质过氧化具

21、有良好的保护作用10。其抗氧化机理是通过硫酸酯基对引起人体氧化的自由基进行清理，从而减少自由基对人体正常细胞的氧化。多糖类物质具有广谱的免疫调节活性，并能通过免疫调节作用发挥多种生理活性，硫酸酯化修饰后作用提高。杨铁虹等研究发现，当归多糖及其硫酸酯对脾细胞增殖具有促进作用，且与剂量有良好的相关性。多糖及其硫酸酯化修饰产物的调节免疫机理为：作为一种免疫调节剂，多糖能起到刺激机体各种免疫活性细胞的成熟、分化和繁殖，增加巨噬细胞非特异性细胞毒，诱导白细胞介素-l、白细胞介素-2、肿瘤坏死因子、干扰素等细胞因子的产生和细胞因子受体的表达，促进抗体形成，活化补体系统的经典途径及变更途径等作用11。硫酸酯

22、化多糖除了有以上几种活性外，还有抗炎和抗辐射等活性，但目前对于这两种活性的研究主要出于试验阶段，而且其机理也不很明确。1.1.4 多糖及硫酸酯化多糖的活性与结构的关系多糖是所有生命有机体的重要组分，并在控制细胞分裂和分化、调节细胞生长和衰老以及维持生命有机体的正常代谢等方面有重要作用。而硫酸酯化多糖是多糖衍生物中十分重要的一种。近年来大量研究表明，多糖及硫酸酯化多糖的生物活性主要受多糖或硫酸酯化多糖的空间构象、硫酸根含量、分子量以及多糖的物理性质的影响。1.1.4.1 多糖及硫酸酯化多糖的结构多糖的结构复杂，这是因为组成多糖的单糖品种繁多，而且即使只有一种单糖，其连接方式也不同。例如，有的多糖

23、可能有分支蛋白质而有的多糖也可能没有分支。为了更好地对多糖的结构进行分析与研究，研究人员将多糖的结构按其复杂程度分为一级结构、二级结构、三级结构和四级结构。各级结构的分类标准及各自的组成特点如表1-1所示。表1-1 多糖结构分级一览表一级结构包括糖基的组成、糖基的排列顺序、相邻糖基的连接方式、异头物构型以及糖链有无分支、分支的位置与长短等二级结构多糖骨架链间以氢键结合所形成的各种聚合体，只关系到多糖分子中主链的构象，不涉及到侧链的空间排布 在多糖链中，糖环的几何形状几乎是硬性的，各个单糖残基绕糖普键旋转而相对定位，由此决定多糖的整体构象三级结构多糖链一级结构的重复顺序，由于糖单位的经基、梭基、

24、氨基以及硫酸基之间的非共价相互作用，导致有序的二级结构空间有规则而粗大的构象四级结构多聚链间艺非共价键的形式结合而成的聚集体不管是天然的还是合成的硫酸酯化多糖，其主要是多糖中的羟基被硫酸酯基取代，因此，硫酸酯化多糖的结构本质上与天然多糖的结构很相近。1.1.4.2 多糖及硫酸酯化多糖的活性与构象之间的的关系目前硫酸酯化多糖具有抗肿瘤、抗病毒、抗氧化等生物活性，并且多糖的生物功能与其结构密切相关。多糖及其硫酸酯化衍生物的活性与其初级和高级结构特别是三维空间构象密切相关。例如，有研究表明硫酸酯化多糖的抗病毒活性与糖链空间结构有关12。多糖经硫酸酯化后，糖链柔性降低。多糖引入硫酸基后，打破了原有的多

25、糖之间的聚合链，使多糖构象得以伸展，另外，由于硫酸基之间的排斥作用导致糖环构象扭曲或者转变，使多糖卷曲构象呈伸展和刚性状态，可能是硫酸酯化多糖产生抗病毒活性的重要原因。多糖的生物学活性与其高级结构的精确关系尚不十分清楚，但高级结构比一级结构在活性方面起更大的作用，对于这一观点的认识则是一致的。有些多糖虽具有相同的一级结构，但活性相差很大，这主要是高级结构的不同引起的。因此，探索用更有力的方法研究多糖的高级结构，利用多糖的高级结构模型与生命细胞受体模型推断多糖的作用方式，可为活性多糖的筛选和改造多糖更具有生物活性提供必须的理论基础。1.1.4.3 硫酸酯化多糖的活性与硫酸酯基的关系硫酸酯化多糖中

26、的硫酸根在多糖活性中起着重要作用。对大多数硫酸酯化多糖，若将硫酸根去除,则其活性消失13。硫酸酯基对硫酸酯化多糖的影响主要源于其较强的负电性和其立体结构的特异性。硫酸酯基对硫酸酯化多糖的活性影响主要表现在硫酸酯基取代的位置和取代度上。硫酸酯基的取代位置对硫酸酯化多糖生物活性活性影响。硫酸酯基取代组成多糖的糖单元上的羟基的位置不同，其表现出来的生物活性也不同。例如，Mulloy等14通过核磁共振分析发现，保持硫酸基取代度不变，将硫酸软骨素B的C4位上的硫酸基变为C6位硫酸基，其抗凝血活性完全丧失，这表明C4位上的硫酸基发挥着抗凝血作用。硫酸酯基的取代度(DS)对硫酸酯化多糖生物活性的影响。硫酸酯

27、基的取代度对硫酸酯化多糖的生物活性有很大的影响。一般而言，当取代度在一定范围时，取代度越大，则其生物活性越高。但并非硫酸根越多活性越强，分子中硫酸根过多会产生抗凝血等副作用。一些硫酸多糖因硫酸基过多而显示一定的毒性，经过脱去部分硫酸基(称多糖的脱硫修饰)，可降低其毒性。一般认为，在平均每单位糖残基含1.52.0个硫酸根，其生物活性最佳，例如，抗HIV活性最强的硫酸酯化香菇多糖组分DS为1.7左右15。1.1.4.4 多糖的物理性质与活性关系多糖的某些物理性质，如溶解度、粘度、相对分子质量大小等对多糖及其硫酸酯化衍生物的生物活性有很大影响。分子量大小对硫酸酯化多糖生物活性的影响。分子的大小是多糖

28、具备生物活性的必要条件，这与保证高级结构的构象有关。一般认为，分子量在一定范围时，产物的活性随着分子量的增加而增加。如分子量大于100KD的裂褶多糖具有较强的抗肿瘤活性，而其低分子量（小于50KD）的片段无任何生物活性。另外，Duarte 等16由来源于 Acanthophora spicifera的硫酸化琼脂糖的抗疱疹病毒实验发现，当各个组分的硫酸根摩尔含量达40时，随着分子量的升高，其抗病毒活性越来越强。但也有部分分子量小、无规则结构的多搪片段具有抗S180瘤活性。例如Pythiuma phaphanidermatum葡聚糖是分子量为10KD和20KD的无规则结构混合物，具有抗肿瘤活性。分

29、子量过大的多糖及其衍生物，由于其很难透过细胞膜而进入药理作用位置，所以很难表现出生物活性。但是也有报道极少数分子量十分巨大却具有生物活性的多糖类物质。溶解度对硫酸酯化多糖生物活性的影响。大多数不溶或溶解度较低的多糖其活性较低，甚至不表现药理活性。但也有研究表明，少数多糖不溶于水，但是却又很好的药理活性。粘度对硫酸酯化多糖生物活性的影响。多糖的粘度主要是由于多糖分子间的氢键相互作用产生，还受多糖分子质量大小的影响它不仅在一定程度上与其溶解度呈正相关，还是临床上药效发挥的关键控制因素之一，如果豁度过高，则不利于多糖药物的扩散与吸收17。1.1.5 多糖的硫酸酯化方法简介目前，多糖硫酸化常用的方法有

30、氯磺酸-吡啶法、 浓硫酸法、 三氧化硫-吡啶法等18。硫酸化方法的原理为：溶于一定溶剂系统中的多糖与相应的硫酸化试剂在一定的条件下反应，使得多糖残基上的某些羟基接上硫酸基团。以氯磺酸试剂为例，多糖的硫酸化反应是在路易斯碱溶液中由-SO3H取代多糖羟基中的-H，经中和而得的多糖硫酸盐。现就各种方法简介如下。1.1.5.1 浓硫酸法该法用98%的浓硫酸作硫酸酯化试剂，正丁醇作为反应介质。主要步骤是，先将浓硫酸和正丁醇混合，然后加入待酯化的多糖进行反应。反应所的产物用NaOH中和至中性。产物离心后透析，再用95%乙醇来醇沉。产物干燥后既得多糖硫酸酯。该法操作简便易行，而且整个实验过程中所用到的仪器简

31、单，药品也常见。这种方法不仅降低了反应成本而且也减少过程中污染物的长生。但是，该方法中，硫酸酯基的取代度不容易控制，而且浓硫酸有较强的脱水性和反应活性，这样也使得多糖水解的可能性增加，这会使得产物中副产物较多。改进该方法主要靠改变浓硫酸与多糖的投料比，并在反应过程中控制反应温度在较低的条件下。1.1.5.2 三氧化硫-吡啶法该法用三氧化硫作为硫酸酯化试剂，以吡啶作为反应介质。反应过程中，将三氧化硫加入到盛有吡啶的反应装置中。并在水浴加热条件下缓缓加入多糖进行反应。反应产物用NaOH中和至中性。反应产物用95%的乙醇进行醇沉，透析。透析后再经过滤后恒温干燥既得硫酸酯化多糖。该法的优点是，反应中副

32、产物较少，反应产率较高，而且产物的硫酸酯基取代度也较理想。但反应过程中要用水浴加热，操作相对复杂。另外，由于吡啶有很强的毒性，因此很容易造成环境污染。1.1.5.3 氯磺酸-吡啶法吡喃型多糖常用氯磺酸吡啶法进行修饰。该法以氯磺酸为硫酸酯化试剂，以吡啶为反应介质。主要步骤是，将反应装置置于盐水冰浴中，加入吡啶，搅拌使之冷却；用滴液漏斗加氯磺酸，再加入多糖粉末, 迅速将装置移入沸水浴中进行反应，反应完毕，冷却至室温，在冰水中用NaOH中和，乙醇醇沉，离心，透析，过滤。 滤液冻干后即得多糖硫酸酯。此法产物回收方便,回收率较高19。但该法中，氯磺酸和吡啶的价格相对昂贵，而且该法中既用到冰水浴，又用到沸水浴，而且连着操作间期很短，这样对反应仪器要求很高，而且对操作要求也很高。1.2 海藻酸钠硫酸酯概述1.2.1 海藻酸钠简介海藻酸钠，也可称为褐藻酸钠、