瓜爾膠（Guar gum GG)是一種天然的半乳甘露聚糖，廣泛應(yīng)用于石油、食品和日用化妝品等領(lǐng) 域.作為一種天然高分子，GG在流變性、分散性、溶解速度等方面存在缺陷，需要對其進(jìn)行化學(xué)改 性[，2].羥丙基瓜爾膠（HPG)是GG與環(huán)氧丙烷反應(yīng)得到的醚化瓜爾膠，其摩爾取代度（MS)及取代分 布對HPG結(jié)構(gòu)和性能有決定性的影響.MS主要通過核磁共振譜（醒R)測定，由于GG糖單元上C2 C3 C4 C6位H及羥丙基取代基上H的化學(xué)位移十分接近，彼此信號重疊，無法準(zhǔn)確解析糖基單元 上不同C位的取代度.其它分析方法如元素分析、紅外光譜等也很難準(zhǔn)確測定HPG的取代分布.雖然 M cNei腳A lbeishem[ 3]通過氣相掖相-質(zhì)譜聯(lián)用（GC-LC制S)的方法得到了 HPG的取代分布情況，但 實(shí)驗(yàn)過程比較復(fù)雜，樣品的前處理時間極長，對實(shí)驗(yàn)儀器的要求也較高.

高碘酸鹽氧化法是一種廣泛應(yīng)用于碳水化合物結(jié)構(gòu)分析的方法，早期主要通過測定高碘酸鈉消耗 量并結(jié)合其它方法(如Smith降解、甲基化等)來分析多糖（如淀粉、纖維素、糖原、半乳甘露糖）的結(jié) 構(gòu)[4~6].由于氧化后的多糖含有大量醛基，可以利用醛基的反應(yīng)獲得各種功能的高分子材料[7~9].高 碘酸鹽氧化多糖鄰羥基是一種高選擇性氧化反應(yīng)，能使鄰羥基C一C鍵發(fā)生斷裂同時生成兩分子的醛 基.其它基團(tuán)如1，2氨基羥基和1，2-羰基羥基也會發(fā)生氧化斷裂[10].然而當(dāng)鄰羥基上的羥基被其它基 團(tuán)（甲基化、羥乙基化、羥丙基化、羧甲基化等）取代后，將不發(fā)生氧化斷裂[11~13].根據(jù)上述機(jī)理，本 文對GG與HPG進(jìn)行了高碘酸鈉氧化分析，通過高碘酸鈉消耗量（Pt)確定HPG上鄰羥基的含量，然 后計算得到HPG中取代基團(tuán)在多糖仲羥基上的分布.

1實(shí)驗(yàn)部分

1 1原料及試劑

瓜爾膠（GG)與羥丙基瓜爾膠（HPG)由中國石油京昆油田科技有限公司提供，高碘酸鈉氧化法測定羥丙基瓜爾膠上仲羥基取代度，GG的半乳糖（G)與 甘露糖（M)的摩爾比為1: 1.6 HPG摩爾取代度（MS)分別為0.04 0. 14 〇.36 0.51，0.78 1.05 1.53甲基纖維素（MC)為DOW化學(xué)公司產(chǎn)品，樣品的13C醒R和HPLC測定結(jié)果均由法國國家科研 中心植物大分子分子研究中心（CERMAV)提供.高碘酸鈉及其它試劑均為分析純.

 2高碘酸鈉氧化反應(yīng)

將純化后的GG或HPG(0. 5 g)溶于100mL醋酸醋酸鈉緩沖溶液（pH= 4. 3 〇■ 1mol/L)中，待溶 解完全后，轉(zhuǎn)移到容量瓶中，加入0. 2mol/L的高碘酸鈉溶液25mL立即用緩沖液稀釋至250mU于 25 °C避光靜置反應(yīng).每隔一定時間定量抽取10mL反應(yīng)液于錐形瓶中，加入25 mL磷酸緩沖液（0.5 mol/L，jH=7.0)和5mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的碘化鉀溶液，快速用0.01mol/L的硫代硫酸鈉溶液滴定， 滴定接近至終點(diǎn)時，加入1mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的淀粉作指示劑，然后滴定至無色，測得反應(yīng)液中剩余 的高碘酸鈉含量.重復(fù)3次，取平均值，同時進(jìn)行空白試驗(yàn).

反應(yīng)結(jié)束后，加入10 mL乙二醇（體積分?jǐn)?shù)為50% )水溶液放置30 min終止反應(yīng)，然后加入50 mLDMSO,于70 °C旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除水，抽濾除鹽，再用丙酮沉淀并反復(fù)洗滌，常溫真空干燥得到氧化 產(chǎn)物.

13氧化產(chǎn)物的表征

用ThemoNicolet 670型傅里葉紅外光譜儀（KBr壓片）對氧化前后樣品進(jìn)行紅外分析.將氧化后 的樣品溶解于D2O中，于70 °C用VARAN 400MHz核磁共振波譜儀進(jìn)行4 NMR和13C NMR測試.

2結(jié)果與討論

21氧化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)表征

880 cm-1處的峰（由分子內(nèi)醛基與相鄰羥基形成的半縮醛產(chǎn)生）也可以說明這點(diǎn)[14’15]，這與其它氧化 產(chǎn)物(如雙醛淀粉和雙醛纖維素等）的結(jié)果類似.

 

圖1為GG與HPG氧化前后的紅外光譜圖，可見氧化后的GG和HPG在1730 <m-1左右出現(xiàn)了羰 基C=0的伸縮振動峰，但羰基峰的面積很小，說明氧化產(chǎn)物中的醛基可能以半縮醛的形式存在，而

(c) and oxidized HPG(d) withM S= 0■ 245dized GG( c) and HPG(d) with MS= 0■ 245

CL.J一1

b.丄

 

d.Jyil_L_

180

140

100

d

60

20

C NM R spectra of GG (a), HPG (b), oxih dizedGG(c) andHPG(d)withMS=0. 245

圖2為GG與HPG氧化前后的1H醒R圖.與譜線a b相比，譜線c和d在S9. 30左右出現(xiàn)了新 峰，此峰是氧化產(chǎn)物中醛基質(zhì)子產(chǎn)生的化學(xué)位移[S]，峰面積很小，說明在溶液中醛基主要以半縮醛的 形式存在[15];在氧化后HPG的1H NMR圖（圖2 譜線d)中S 1. 15左右是羥丙基取代基上的甲基峰，

其相對峰面積基本未發(fā)生變化，說明在高碘酸鈉氧 化HPG過程中羥丙基取代基沒有發(fā)生水解斷裂.

在氧化后HPG的13C醒R圖（圖3譜線d)中，

Fig 3

S 21左右的甲基峰在氧化前后沒有明顯變化；譜線 c和d在S 194左右出現(xiàn)的醛基峰很不明顯，也說 明在氧化產(chǎn)物分子中醛基大部分以半縮醛的形式存 在，而新產(chǎn)生的S88~ 100之間的峰應(yīng)是醛基與羥 基或水形成的半縮醛的峰[16].

2 2高碘酸鈉氧化反應(yīng)

GG是一種半乳甘露糖，其結(jié)構(gòu)如Scheme 1(A)所示.主鏈由（1-4)-13D-甘露糖（M)連接的重復(fù)單  

元組成，側(cè)鏈上無規(guī)則連接一些aD-半乳糖（G),以（1—6)糖苷鍵的方式連接，通常n(G):n(M)在 1: 1. 5~ 1:2.(之間.GG主鏈上的每分子單糖M上含有一對在C2和C3位的鄰羥基，理論上發(fā)生高碘 酸氧化需要消耗1分子IO-，而側(cè)鏈上的每分子單糖G含有3個連接在C2 C3和C4位上相鄰的羥 基，理論上需要消耗2分子的D-，同時釋放1分子的甲酸[17]，氧化反應(yīng)式見Schme1(A).

 

OHM

OHYH

+HCOOH

Scheme 1 Mechanisn of periodate oxidation of GG(A) andHPG(B)

Ishak等[18]的研究結(jié)果表明，GG高碘酸鈉氧化很難達(dá)到100%的理論氧化度，他們認(rèn)為，由于在 氧化過程中形成了穩(wěn)定的半縮醛結(jié)構(gòu)阻止了氧化的繼續(xù)進(jìn)行.這與本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合.本實(shí)驗(yàn)GG中 的n(G):n(M)= 1: 1.6根據(jù)Schfme1的氧化反應(yīng)機(jī)理，理論上每摩爾GG消耗D-的摩爾數(shù)Pt(cc_T) 為1.385而反應(yīng)進(jìn)行72 h后的達(dá)到1.18(圖4).在反應(yīng)初始階段（前12 h)，Pt值明顯快速升高，隨 著時間的延長，Pt趨于一個漸近值，48 h以后，Pt沒有明顯的増加，說明氧化反應(yīng)接近終點(diǎn)（圖4).

 

ft 78(e), 1. 05(f) and 1. 53(g)

當(dāng)糖單元上的鄰羥基（單個或者兩個）被羥丙基取代時，高碘酸鈉氧化法測定羥丙基瓜爾膠上仲羥基取代度，高碘酸氧化反應(yīng)不會發(fā)生，因此不消耗 D-，HPG的氧化反應(yīng)式如圖5譜線b所示.圖5是不同MS( 0.04 0.14 0.36，0.51，0.78 1.05 1.53)的HPG在過量高碘酸鈉溶液中的Pt值隨時間變化的曲線.反應(yīng)進(jìn)程與瓜爾膠氧化類似，Pt最后 趨于漸近值.從圖5可以看出，MS對HPG的Pt值影響較大，隨MS増大，Pt明顯隨之減小，這是因?yàn)?糖單元上羥基被取代基團(tuán)取代后，高碘酸鈉氧化無法進(jìn)行，其消耗量減少.

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，半縮醛的產(chǎn)生使GG和HPG不能達(dá)到理論氧化值，對此進(jìn)行了歸一化處 理，假設(shè)GG與HPG在氧化過程中生成的半縮醛比率一致，以72 h的氧化結(jié)果作為參照，按照如下的 公式作校準(zhǔn)：

p

(1)

\HIC-T)pt(HR；- E)

Pt((X-E)

式中，P_>T)為HPG校準(zhǔn)后的尸,值，與糖單元上的鄰羥基含量相匹配，Pt((x_E)和Pt(HP(>E)分別為GG與 HPG氧化72h的實(shí)驗(yàn)值，而PU/>T)為GG的理論值，在GG中，n(G):n(M) = 1: 1.6求得Pt(GGT)為 1. 385

Reuben119]根據(jù)McNeil等[3]得到的HPG取代分布建立了 HPG取代分布的理論模型，并且計算了 各個羥基取代分布的概率求法及相對反應(yīng)速率常數(shù).

參照Reuben[192〇]的理論模型，糖單元上任何C位羥基的取代反應(yīng)都可以表示為

k j

—Cf—OH(Pf)+RX—C廠 OR+HX(2)

Pf為糖單元I (I可以是G和M，分別含有38. 5%和61. 5% )在j位（C2 C3 C4和C6位）上剩余未 被取代的羥基含量，為糖單元I在j位的羥基的反應(yīng)速率常數(shù)，根據(jù)Reuben的分析方法，可以得到 下列公式：

P f = W I-Bkj

式中，Wi為糖單元類型為I的摩爾分?jǐn)?shù)；B為時間因子，而糖單元I在j位上羥基取代度Xi為(3)

總?cè)〈菵S可以表示為X j = WI - PI^ = WI ( 1 - e-Bk,j)(4)

DS= EZXi

I j(5 )

仲羥基總?cè)〈菵SS-OH為DS^-OH = XX^XI (j= 2 3 4)

I j(6)

類似，糖單元I上在j和m相鄰位上未發(fā)生取代的鄰羥基含量可以表示為

W I,„ = W Ie-B，k I*k mj(7)

式中，j和m必須是相鄰C位的羥基，比如C2和C3 C3和C4則糖單元上鄰羥基總量（V〇t)可以表示 為

Vt〇t = E E V= E EW ie-B，ky+k( 8)

I j, mi j. m

即實(shí)驗(yàn)中的P_>T)值：

Vt°t = P 'HPG-T), 9)

通過Pt(HPG_T)實(shí)驗(yàn)值，根據(jù)公式（8)，（8)，（9)及反應(yīng)速率常數(shù)k就可以分析仲羥基的取代度 DSS-OH.為了簡化DSS-OH計算過程，對反應(yīng)速率常數(shù)k進(jìn)行近似，假定所有C位上的仲羥基反應(yīng)活性 一致，即

kf;2 = kf;3 = kf;4 = kl2 = kM3, 10)

同時采用Reuben的仲羥基速率常數(shù)[19]進(jìn)行了比較，即

kM2 : ki3:ki2':ki3':kG2:kG3 :kG4= 4 21 : 2 47: 4 54: 2 22: 2 17: 2 55: 1(11)

這里M分為C6位沒有被G取代和被G取代的兩種情況，高碘酸鈉氧化法測定羥丙基瓜爾膠上仲羥基取代度，所以含有兩種不同M的k值.其中kM2, kM3 是被G取代的M仲羥基的反應(yīng)數(shù)率常數(shù).

另夕卜，根據(jù)Reuben模型及4醒R得到的MS也可以直接計算得到DSS_〇H.

表1為通過上述三種方法得到DSS-OH的比較結(jié)果.從表1可以看出，近似處理[式（10)]與文獻(xiàn)k 值[式（11)]的結(jié)果幾乎完全一致，說明雖然糖單元上C2，C3 C4位仲羥基取代反應(yīng)的速度常數(shù)k值 可能不一致，但進(jìn)行平均處理后，對DSS-OH的影響不大，當(dāng)然，參考其它多糖衍生物如羧甲基纖維素 的取代分布可知，每個仲C上的取代分布還是相差很大，暫不考慮.另外，從表1也可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié) 果比文獻(xiàn)理論模型分析的結(jié)果稍小，這可能是制備條件及測試方法的不同造成的，然而兩者相差不 大.綜上所述，在分析HPG的DSS_〇H時，可以把各個仲羥基的反應(yīng)活性平均化處理，這種處理方法對 DSS-OH造成的誤差很小，表明實(shí)驗(yàn)方法是合理可行的.

Table 1 DSS_〇H ofHPGswilh differentM S calculated by three differentmethods

Sam p leMSP t

t(HPG -E)Pt

t(HPG-T)DSS-OHD SS- OHD SS- OH

GG0 001 181. 39

HPG-10 041 161. 360 020 02ft 02

HPG-20 141 091. 280 090 09ft 09

HPG-30 361 011. 190 180 18ft 21

HPG-40 510 901. 060 300 30ft 32

HPG-50 780 77ft 900 460 46ft 51

HPG-61 050 65ft 790 590 58ft 71

HPG-71 540 38ft 451 031 011. 06

a a^id b aie experimental valaes respectively calculated according to Eq^* ( 10) and ( 11), c is theoretical valae calculated by tie Reuben s model

使用高碘酸鈉氧化法也可以分析其它取代聚多糖類高分子，如甲基纖維素（MC)的取代基團(tuán)在仲 羥基上的分布（DSS-CH). MC比HPG結(jié)構(gòu)簡單，可以使用13CNMR測定取代基團(tuán)在不同C位（C2 C3 C6)羥基上的分布（DS2, DS3, DS,)，用HPLC分析可以確定不同取代類型糖單元（未發(fā)生取代的 糖單元Sn、單個羥基被取代的糖單元Sm、兩個羥基被取代的糖單元S,及全部羥基被取代的糖單元St) 的含量，結(jié)合兩者可以計算仲羥基總?cè)〈菵SS-CH和鄰羥基含量.與高碘酸鈉氧化法分析結(jié)果作比 較，可以驗(yàn)證本方法的準(zhǔn)確性.表2為2個MC樣品的氧化結(jié)果，可以看出，通過儀器測得的鄰羥基含 量與高碘酸鈉氧化的Pt值很接近，說明MC糖單元上的鄰羥基幾乎全部氧化，也說明通過高碘酸鈉氧 化法可以準(zhǔn)確測定MC糖單元上的鄰羥基數(shù)目.表2中的13C NMR結(jié)果表明，MC中DS2是DS3的 2倍，按照DS2:DS3 = 2:1 概率計算，結(jié)合Pt值，求得MC-1和MC-2的DSS^OH分別為1* 1和1.之與 13CNMR結(jié)果一致.

Table 2 DSS_OH ofmethyl celkiloses determined by 13C NMR and periodate oxidation

S amp leDS(2DS3DS6DS2+ DS3$(%)Sb (% )

m v ’Sd (%)Sb(%)Vc

V2 3PtD$-OH

MC-1ft 8ft 40 512102939220 190. 201. 1

MC-2ft 8ft 40 612112540240 190. 181. 2

a Datewas detem ined by 13 C NMR; b datewas deiem ined by HPLC; c. date w as h e conten t of vicinal hydioxyls calcu la ted by tie resu llS ofl3CNMR andHPLC

3結(jié) 論

通過系統(tǒng)研究高碘酸鈉對瓜爾膠與羥丙基瓜爾膠的氧化過程，高碘酸鈉氧化法測定羥丙基瓜爾膠上仲羥基取代度，及對其氧化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)的表征，建立 了一種快速實(shí)用的羥丙基瓜爾膠仲羥基取代度的化學(xué)表征方法.同時通過概率模型分析，可進(jìn)一步得 到羥丙基瓜爾膠上仲羥基的取代分布.與文獻(xiàn)報道的結(jié)果比較表明，本文測定的羥丙基瓜爾膠仲羥基 取代度結(jié)果可靠.高碘酸鈉可以較快地定量氧化瓜爾膠及其衍生物，副反應(yīng)較小.本文的實(shí)驗(yàn)表明， 將其用于分析改性瓜爾膠取代度是可行的，同時這種簡單方便的表征方法也可以推廣用于其它天然高 分子衍生物的取代度分析.