瓜尔胶（Guar gum GG)是一种天然的半乳甘露聚糖，广泛应用于石油、食品和日用化妆品等领 域.作为一种天然高分子，GG在流变性、分散性、溶解速度等方面存在缺陷，需要对其进行化学改 性[，2].羟丙基瓜尔胶（HPG)是GG与环氧丙烷反应得到的醚化瓜尔胶，其摩尔取代度（MS)及取代分 布对HPG结构和性能有决定性的影响.MS主要通过核磁共振谱（醒R)测定，由于GG糖单元上C2 C3 C4 C6位H及羟丙基取代基上H的化学位移十分接近，彼此信号重叠，无法准确解析糖基单元 上不同C位的取代度.其它分析方法如元素分析、红外光谱等也很难准确测定HPG的取代分布.虽然 M cNei脚A lbeishem[ 3]通过气相掖相-质谱联用（GC-LC制S)的方法得到了 HPG的取代分布情况，但 实验过程比较复杂，样品的前处理时间极长，对实验仪器的要求也较高.

高碘酸盐氧化法是一种广泛应用于碳水化合物结构分析的方法，早期主要通过测定高碘酸钠消耗 量并结合其它方法(如Smith降解、甲基化等)来分析多糖（如淀粉、纤维素、糖原、半乳甘露糖）的结 构[4~6].由于氧化后的多糖含有大量醛基，可以利用醛基的反应获得各种功能的高分子材料[7~9].高 碘酸盐氧化多糖邻羟基是一种高选择性氧化反应，能使邻羟基C一C键发生断裂同时生成两分子的醛 基.其它基团如1，2氨基羟基和1，2-羰基羟基也会发生氧化断裂[10].然而当邻羟基上的羟基被其它基 团（甲基化、羟乙基化、羟丙基化、羧甲基化等）取代后，将不发生氧化断裂[11~13].根据上述机理，本 文对GG与HPG进行了高碘酸钠氧化分析，通过高碘酸钠消耗量（Pt)确定HPG上邻羟基的含量，然 后计算得到HPG中取代基团在多糖仲羟基上的分布.

1实验部分

1 1原料及试剂

瓜尔胶（GG)与羟丙基瓜尔胶（HPG)由中国石油京昆油田科技有限公司提供，高碘酸钠氧化法测定羟丙基瓜尔胶上仲羟基取代度，GG的半乳糖（G)与 甘露糖（M)的摩尔比为1: 1.6 HPG摩尔取代度（MS)分别为0.04 0. 14 〇.36 0.51，0.78 1.05 1.53甲基纤维素（MC)为DOW化学公司产品，样品的13C醒R和HPLC测定结果均由法国国家科研 中心植物大分子分子研究中心（CERMAV)提供.高碘酸钠及其它试剂均为分析纯.

 2高碘酸钠氧化反应

将纯化后的GG或HPG(0. 5 g)溶于100mL醋酸醋酸钠缓冲溶液（pH= 4. 3 〇■ 1mol/L)中，待溶 解完全后，转移到容量瓶中，加入0. 2mol/L的高碘酸钠溶液25mL立即用缓冲液稀释至250mU于 25 °C避光静置反应.每隔一定时间定量抽取10mL反应液于锥形瓶中，加入25 mL磷酸缓冲液（0.5 mol/L，jH=7.0)和5mL质量分数为20%的碘化钾溶液，快速用0.01mol/L的硫代硫酸钠溶液滴定， 滴定接近至终点时，加入1mL质量分数为1%的淀粉作指示剂，然后滴定至无色，测得反应液中剩余 的高碘酸钠含量.重复3次，取平均值，同时进行空白试验.

反应结束后，加入10 mL乙二醇（体积分数为50% )水溶液放置30 min终止反应，然后加入50 mLDMSO,于70 °C旋转蒸发除水，抽滤除盐，再用丙酮沉淀并反复洗涤，常温真空干燥得到氧化 产物.

13氧化产物的表征

用ThemoNicolet 670型傅里叶红外光谱仪（KBr压片）对氧化前后样品进行红外分析.将氧化后 的样品溶解于D2O中，于70 °C用VARAN 400MHz核磁共振波谱仪进行4 NMR和13C NMR测试.

2结果与讨论

21氧化产物结构表征

880 cm-1处的峰（由分子内醛基与相邻羟基形成的半缩醛产生）也可以说明这点[14’15]，这与其它氧化 产物(如双醛淀粉和双醛纤维素等）的结果类似.

 

图1为GG与HPG氧化前后的红外光谱图，可见氧化后的GG和HPG在1730 <m-1左右出现了羰 基C=0的伸缩振动峰，但羰基峰的面积很小，说明氧化产物中的醛基可能以半缩醛的形式存在，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

图2为GG与HPG氧化前后的1H醒R图.与谱线a b相比，谱线c和d在S9. 30左右出现了新 峰，此峰是氧化产物中醛基质子产生的化学位移[S]，峰面积很小，说明在溶液中醛基主要以半缩醛的 形式存在[15];在氧化后HPG的1H NMR图（图2 谱线d)中S 1. 15左右是羟丙基取代基上的甲基峰，

其相对峰面积基本未发生变化，说明在高碘酸钠氧 化HPG过程中羟丙基取代基没有发生水解断裂.

在氧化后HPG的13C醒R图（图3谱线d)中，

Fig 3

S 21左右的甲基峰在氧化前后没有明显变化；谱线 c和d在S 194左右出现的醛基峰很不明显，也说 明在氧化产物分子中醛基大部分以半缩醛的形式存 在，而新产生的S88~ 100之间的峰应是醛基与羟 基或水形成的半缩醛的峰[16].

2 2高碘酸钠氧化反应

GG是一种半乳甘露糖，其结构如Scheme 1(A)所示.主链由（1-4)-13D-甘露糖（M)连接的重复单  

元组成，侧链上无规则连接一些aD-半乳糖（G),以（1—6)糖苷键的方式连接，通常n(G):n(M)在 1: 1. 5~ 1:2.(之间.GG主链上的每分子单糖M上含有一对在C2和C3位的邻羟基，理论上发生高碘 酸氧化需要消耗1分子IO-，而侧链上的每分子单糖G含有3个连接在C2 C3和C4位上相邻的羟 基，理论上需要消耗2分子的D-，同时释放1分子的甲酸[17]，氧化反应式见Schme1(A).

 

OHM

OHYH

+HCOOH

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

Ishak等[18]的研究结果表明，GG高碘酸钠氧化很难达到100%的理论氧化度，他们认为，由于在 氧化过程中形成了稳定的半缩醛结构阻止了氧化的继续进行.这与本文实验结果符合.本实验GG中 的n(G):n(M)= 1: 1.6根据Schfme1的氧化反应机理，理论上每摩尔GG消耗D-的摩尔数Pt(cc_T) 为1.385而反应进行72 h后的达到1.18(图4).在反应初始阶段（前12 h)，Pt值明显快速升高，随 着时间的延长，Pt趋于一个渐近值，48 h以后，Pt没有明显的増加，说明氧化反应接近终点（图4).

 

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

当糖单元上的邻羟基（单个或者两个）被羟丙基取代时，高碘酸钠氧化法测定羟丙基瓜尔胶上仲羟基取代度，高碘酸氧化反应不会发生，因此不消耗 D-，HPG的氧化反应式如图5谱线b所示.图5是不同MS( 0.04 0.14 0.36，0.51，0.78 1.05 1.53)的HPG在过量高碘酸钠溶液中的Pt值随时间变化的曲线.反应进程与瓜尔胶氧化类似，Pt最后 趋于渐近值.从图5可以看出，MS对HPG的Pt值影响较大，随MS増大，Pt明显随之减小，这是因为 糖单元上羟基被取代基团取代后，高碘酸钠氧化无法进行，其消耗量减少.

从实验结果可以看出，半缩醛的产生使GG和HPG不能达到理论氧化值，对此进行了归一化处 理，假设GG与HPG在氧化过程中生成的半缩醛比率一致，以72 h的氧化结果作为参照，按照如下的 公式作校准：

p

(1)

\HIC-T)pt(HR；- E)

Pt((X-E)

式中，P_>T)为HPG校准后的尸,值，与糖单元上的邻羟基含量相匹配，Pt((x_E)和Pt(HP(>E)分别为GG与 HPG氧化72h的实验值，而PU/>T)为GG的理论值，在GG中，n(G):n(M) = 1: 1.6求得Pt(GGT)为 1. 385

Reuben119]根据McNeil等[3]得到的HPG取代分布建立了 HPG取代分布的理论模型，并且计算了 各个羟基取代分布的概率求法及相对反应速率常数.

参照Reuben[192〇]的理论模型，糖单元上任何C位羟基的取代反应都可以表示为

k j

—Cf—OH(Pf)+RX—C厂 OR+HX(2)

Pf为糖单元I (I可以是G和M，分别含有38. 5%和61. 5% )在j位（C2 C3 C4和C6位）上剩余未 被取代的羟基含量，为糖单元I在j位的羟基的反应速率常数，根据Reuben的分析方法，可以得到 下列公式：

P f = W I-Bkj

式中，Wi为糖单元类型为I的摩尔分数；B为时间因子，而糖单元I在j位上羟基取代度Xi为(3)

总取代度DS可以表示为X j = WI - PI^ = WI ( 1 - e-Bk,j)(4)

DS= EZXi

I j(5 )

仲羟基总取代度DSS-OH为DS^-OH = XX^XI (j= 2 3 4)

I j(6)

类似，糖单元I上在j和m相邻位上未发生取代的邻羟基含量可以表示为

W I,„ = W Ie-B，k I*k mj(7)

式中，j和m必须是相邻C位的羟基，比如C2和C3 C3和C4则糖单元上邻羟基总量（V〇t)可以表示 为

Vt〇t = E E V= E EW ie-B，ky+k( 8)

I j, mi j. m

即实验中的P_>T)值：

Vt°t = P 'HPG-T), 9)

通过Pt(HPG_T)实验值，根据公式（8)，（8)，（9)及反应速率常数k就可以分析仲羟基的取代度 DSS-OH.为了简化DSS-OH计算过程，对反应速率常数k进行近似，假定所有C位上的仲羟基反应活性 一致，即

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

同时采用Reuben的仲羟基速率常数[19]进行了比较，即

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

这里M分为C6位没有被G取代和被G取代的两种情况，高碘酸钠氧化法测定羟丙基瓜尔胶上仲羟基取代度，所以含有两种不同M的k值.其中kM2, kM3 是被G取代的M仲羟基的反应数率常数.

另夕卜，根据Reuben模型及4醒R得到的MS也可以直接计算得到DSS_〇H.

表1为通过上述三种方法得到DSS-OH的比较结果.从表1可以看出，近似处理[式（10)]与文献k 值[式（11)]的结果几乎完全一致，说明虽然糖单元上C2，C3 C4位仲羟基取代反应的速度常数k值 可能不一致，但进行平均处理后，对DSS-OH的影响不大，当然，参考其它多糖衍生物如羧甲基纤维素 的取代分布可知，每个仲C上的取代分布还是相差很大，暂不考虑.另外，从表1也可以看出，实验结 果比文献理论模型分析的结果稍小，这可能是制备条件及测试方法的不同造成的，然而两者相差不 大.综上所述，在分析HPG的DSS_〇H时，可以把各个仲羟基的反应活性平均化处理，这种处理方法对 DSS-OH造成的误差很小，表明实验方法是合理可行的.

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

使用高碘酸钠氧化法也可以分析其它取代聚多糖类高分子，如甲基纤维素（MC)的取代基团在仲 羟基上的分布（DSS-CH). MC比HPG结构简单，可以使用13CNMR测定取代基团在不同C位（C2 C3 C6)羟基上的分布（DS2, DS3, DS,)，用HPLC分析可以确定不同取代类型糖单元（未发生取代的 糖单元Sn、单个羟基被取代的糖单元Sm、两个羟基被取代的糖单元S,及全部羟基被取代的糖单元St) 的含量，结合两者可以计算仲羟基总取代度DSS-CH和邻羟基含量.与高碘酸钠氧化法分析结果作比 较，可以验证本方法的准确性.表2为2个MC样品的氧化结果，可以看出，通过仪器测得的邻羟基含 量与高碘酸钠氧化的Pt值很接近，说明MC糖单元上的邻羟基几乎全部氧化，也说明通过高碘酸钠氧 化法可以准确测定MC糖单元上的邻羟基数目.表2中的13C NMR结果表明，MC中DS2是DS3的 2倍，按照DS2:DS3 = 2:1 概率计算，结合Pt值，求得MC-1和MC-2的DSS^OH分别为1* 1和1.之与 13CNMR结果一致.

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结 论

通过系统研究高碘酸钠对瓜尔胶与羟丙基瓜尔胶的氧化过程，高碘酸钠氧化法测定羟丙基瓜尔胶上仲羟基取代度，及对其氧化产物结构的表征，建立 了一种快速实用的羟丙基瓜尔胶仲羟基取代度的化学表征方法.同时通过概率模型分析，可进一步得 到羟丙基瓜尔胶上仲羟基的取代分布.与文献报道的结果比较表明，本文测定的羟丙基瓜尔胶仲羟基 取代度结果可靠.高碘酸钠可以较快地定量氧化瓜尔胶及其衍生物，副反应较小.本文的实验表明， 将其用于分析改性瓜尔胶取代度是可行的，同时这种简单方便的表征方法也可以推广用于其它天然高 分子衍生物的取代度分析.