第六章-甲壳素基材料

6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 碱化
O HO CH2OH O NH C O n
NaOH
O HO
CH2ONa O NH C O n
• 酰化
CH2OH O HO O NHR
CH3
CH3
MSA, (R CO)2O 0C
o
1
O 1 R OCO
CH2OCOR1 O NHR2 n
n
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 酰化
(1) H
(2) DMF-H2O, 24h, 55 C
O CH2OSO3Na O NH2 n
H2NNH2 H2O H2O, 70 C
o
O
O NaSO3O
壳聚糖C3位硫酸酯化产物的制备过程
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 酯化
S OCSNa O HO CH2OH O NH C O n
CS2 NaOH
CH2 O HO
CH2OH O HO O NHR n CH2OCOR1 O NHR
2
R COCl CHCl3/C5H5N
1
O R1OCO
n
CH2OH O HO
O NHR n
(R CO)2O C2H5OH/H2O
1
O R1OCO
CH2OCOR1 O NHR
2
n
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 酰化

壳聚糖的非均相酰化反应在润胀状态下可进行。 在非质子性溶剂（甲醇/乙醇或甲醇和甲酰胺的双相混合 介质）中可完全酰化，而在甲醇/乙酸中只获得部分酰化 产物。 直链脂物酰基（如甲酰、乙酰、己酰、十二烷酰、十四烷 酰）衍生物可在甲酸或吡啶/氯仿溶剂中制得。
• 内容和要点

6.1 甲壳素的存在与发现
（1）甲壳素的存在

甲壳素的化学名称为1,4-二-乙酰氨基-2Hale Waihona Puke Baidu脱氧-β-D-葡聚糖， 又称为甲壳质，是虾、蟹等甲壳动物或昆虫外壳和菌类细 胞壁的主要成分。
在全部天然高分子中，最丰富、最容易获得的应属纤维素 和甲壳素，据推测甲壳素每年有100亿~1000亿吨。 从蟹、虾中分离甲壳素是最普遍使用的方法。由于甲壳中 除了甲壳素外还有蛋白质、碳酸钙等成分，因此需要用碱 或酸分解，去除残存的成分，得到分离的甲壳素。但由于 甲壳素不溶、不熔，利用及处理极其不便，因此是目前还 未很好利用的丰富天然资源之一。
羟乙基化反应
CH3
CH3
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 醚化
CH2OH
pH=7
O HO
O
CH2 O
CHR
CH2OH O HO
O n
NH CH2 HO CH R CH2OH R CH CH2O
n
N CH2 CH2 HO CH R CH R R
CH2OH O HO
O NH2
CH2 O
CHR
OH
n
CH2O CH CH2OH R CH CH2O O HO

硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、SO2-SO3、氯磺酸等，反应 一般为非均相反应。硫酸酯化反应通常发生在O上，N上 也可进行。 磷酸酯化试剂主要为P2O5。甲壳素和壳聚糖磷酸酯衍生物 的制备可用P2O5在甲磺酸中进行。各种取代度的甲壳素磷 酸酯化物都易溶于水。壳聚糖磷酸化物低取代度的溶于水， 而高取代度的不溶于水。
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 酯化
CH2OH O HO O NH2 CH2OH O NaO3SO O NH2
+
CH2OH
邻苯二甲酸酐 HOCH2CH2OH, DMF, 130 C
o
O HO O
O n
SO3-吡啶 DMF, 室温
n
N
O
n
o
O NaO3SO
CH2OSO3Na O N n
NaOH, 室温
生物质材料
主要内容
• • • • • • • • 第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 第七章 第八章 绪论 纤维素基材料 木质素 木材 淀粉基材料 甲壳素基材料 蛋白质基材料 其他生物质材料
第六章 甲壳素
• 目的和要求

了解甲壳素的来源、化学结构、性质、改性及应用、甲壳 素的主要衍生物，重点掌握甲壳素的化学结构、化学改性。 6.1 甲壳素的存在与发现 6.2 甲壳素与壳聚糖的结构与性质 6.3 甲壳素与壳聚糖化学 6.4 甲壳素、壳聚糖及其衍生物的应用
6.2 甲壳素与壳聚糖的结构与性质
甲壳素的晶体结构
-甲壳素的分子链排列 -甲壳素的分子链排列
6.2 甲壳素与壳聚糖的结构与性质
（2）甲壳素、壳聚糖的提取

原料：蟹、虾食品加工厂废弃的生物甲壳。 方法：将蟹虾外壳浸泡在 4%~6%的HCl溶液 24小时以上， 再将其浸泡在3%~5%的氢氧化钠水溶液于80℃下浸泡数小 时，重复以上步骤，得到的不溶物即为甲壳素。将甲壳素 在 40%的氢氧化钠溶液中， 135℃ 氮气保护下反应 3 小时， 使之脱乙酰基，得到壳聚糖。

6.2 甲壳素与壳聚糖的结构与性质

溶解性与吸湿性
α­甲壳素是刚硬的结晶构造，在通常的溶剂中不溶。但β-甲 壳素能在甲酸中完全溶解，另外由于它在各种溶剂中润胀 较容易，化学改性中β-甲壳素比α­甲壳素具有高得多的反应 性。
无论是甲壳素还是壳聚糖都具有相当好的吸水性，β-甲壳 素比α-甲壳素吸水性好。吸湿性、保水性最好的还是水溶 性甲壳素。
nRCHO
O HO
O n
N CH R
NaCNBH3
NH CH2 R
CH2OH O HO
O NH2 n
CH3 N O CH3I
CH2OH O HO
O n
+ CH3 N CH3
CH3I-
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 羧基化



羧基化反应是指用氯代烷酸或乙醛酸在甲壳素或壳聚糖的6 位羟基或氨基上引入羧烷基基团。 基本制备方法：将甲壳素在冷冻下用十二烷基硫酸钠碱化， 悬浮于异丙醇中，室温下与氯乙酸反应制得。 甲壳素与壳聚糖在碱性条件下与氯乙酸反应可得羧甲基化 衍生物，反应最后得到可溶于水的两性电解质产物。研究 最多的是羧甲基化反应，相应的产物为羧甲基甲壳素、O羧甲基壳聚糖、N-羧甲基壳聚糖和O,N-羧甲基壳聚糖。 N-羧甲基壳聚糖：将壳聚糖与乙醛酸反应形成可溶性酰亚 胺，再用NaBH3CN还原即得。 O,N-羧甲基壳聚糖：将壳聚糖悬浮于异丙醇中，加入氢氧 化钠，搅拌使其膨胀，再与氯乙酸反应，加热后即得。

6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 醚化
CH2COOH O HO CH2OH O NHR n CH2O
ClCH2COOH NaOH
O HO
O
羧甲基化反应
NHR n
R=H, COCH3
OCH2CH2OH
O HO
CH2OH O NH C O n
O CH2 CH2
CH2 O HO
O NH C O n
NaOH
HO O
O O CH2OH
分子内氢键
O H
H CH OH 2 O O
分子间氢键
6.2 甲壳素与壳聚糖的结构与性质

三级结构是指由一级结构和非共价相互作用造成的有序的 二级结构致使甲壳素在空间形成有规则而宏大的构象。 四级结构是指甲壳素长链间以非共价结合规整排列和堆砌 在一起而形成的聚集体。
甲壳素的螺旋结构
6.2 甲壳素与壳聚糖的结构与性质
（1）甲壳素的结构

甲壳素的结构与纤维素非常相似，只是2位上的-OH基被NHAc臵换。由于甲壳素分子中-O-H· · · O型及-N-H· · · O型 强氢键作用，分子间存在有序结构，使结晶致密稳定，因 而一般反应较纤维素更困难，成本更高。 壳聚糖：甲壳素在浓碱条件下脱乙酰得到壳聚糖。壳聚糖 因有游离氨基的存在，反应活性比甲壳素强。在脱脂过程 中伴随着分子量的降低。


6.3 甲壳素与壳聚糖化学

氧化反应：醛基、羰基、羧基
甲壳素和壳聚糖上的伯醇基可被氧化成羧基，然后再进行 硫酸酯化反应，可得到结构与肝素更加相近的衍生物。


接枝共聚反应：化学法、射线辐射法和机械法
可以提高相对分子质量，而且还可获得所需的材料性能， 如乙烯基单体在甲壳素和壳聚糖上进行接枝聚合，可得到 新型的特种合成多糖聚合物。接枝共聚物在生物医学上具 有很大的应用价值。
pH>10
O HO
O NH2
CH2 O
CHR
O NH2 n
n
羟烷基化反应
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 醚化
CH2CH2CN O HO CH2OH O NHR n CH2O
CH2=CHCN NaOH
O HO
O NHR n
R=H, COCH3
氰乙基化反应
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• N-烷基化
CH2OH O HO O NH2 n CH2OH O HO O n CH2OH
6.1 甲壳素的存在与发现



1878年，德国人Ledderhose将甲壳素溶于热浓盐酸中，得 到一种晶体，经测定为含氮糖类，并命名为glycosamin，即 氨基葡萄糖；1939年，Haworth证明了这一论断。 20世纪50年代，X射线分析技术的出现推动了真菌中甲壳素 /壳聚糖的研究。人们对甲壳素/聚糖的化学结构、性能和制 备方法有了较为深入的了解。 1963年，Budall根据X射线衍射光谱得到的结果，提出甲壳 素存在着-、-、-三种晶型。 20世纪70年代，源于对大量海鲜产品剩余物的利用，对甲 壳素/壳聚糖的研究日益增多。 20世纪80~90年代是甲壳素/壳聚糖研究的全盛时期。
甲壳素和壳聚糖的制备工艺流程
6.2 甲壳素与壳聚糖的结构与性质
（3）甲壳素的性质

甲壳素是白色或灰白色半透明片状固体，不溶于水、稀酸、 稀碱和一般有机溶剂，可溶于浓碱、浓盐酸、浓硫酸、浓 磷酸和无水甲酸，但同时主链发生降解。 壳聚糖是白色或灰白色略有珍珠光泽的半透明片状固体， 不溶于水和碱液，可溶于大多数稀酸。 结晶构造：蟹的甲壳中所包含的甲壳素通常是α-甲壳素， 它的分子链是互相逆向配列的逆平行型。与之比较，鱿鱼 等的软甲壳中的甲壳素是β-甲壳素，分子链是同方向排列 的平行型。以上两种的混合型叫做γ-甲壳素。

6.2 甲壳素与壳聚糖的结构与性质
纤维素、甲壳素和壳聚糖的结构
6.2 甲壳素与壳聚糖的结构与性质

一级结构是指线性链中-1,4-糖苷键连接N-乙酰氨基葡萄 糖残基的顺序。 二级结构是指糖链之间以氢键结合形成的各种聚集体。
H3CCONH CH2OH O O H O H3CCONH
O O H O NH2 H CH2OH O O NH2

支链脂肪酰基（如N-异丁酰基、N-三甲基乙酰基、N-异 戊酰基）衍生物可在甲酰胺溶液中反应。
芳烃酰基衍生物常在甲磺酸溶剂中制备。
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 酯化
OSO3H O HO CH2OH O NH C O n
ClSO3H
N
CH2 O HO
O NH C O n
CH3
CH3
甲壳素的硫酸酯化（非选择性）反应-
O NH C O n
CH3
CH3
O HO P O HO CH2OH O NHR n R=H, COCH3 CH2O
P 2 O5 CH3SO3
OH O NHR n
O HO
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 酯化

甲壳素具有很多羟基，因此可进行酯化反应，在含氧无机 酸酯化剂的作用下，甲壳素和壳聚糖中的羟基形成有机酯 类衍生物。常见的反应有硫酸酯化和磷酸酯化。


生物降解性：微生物降解
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
甲壳素与壳聚糖的改性

甲壳素及其衍生物壳聚糖具有生物降解性和生物相容性， 但其难溶性限制了它们的应用。 化学反应主要有两类：与糖残基官能团有关的反应和与主 链降解有关的反应。前者主要包括与糖残基羟基和氨基有 关的碱化、酰化、醚化、酯化、接枝共聚、交联等化学反 应；后者主要包括各种水解、降解反应。

6.1 甲壳素的存在与发现
（2）甲壳素的发现
1811年，法国学者Braconnot首先从蘑菇中提取了甲壳素，
并命名为Fungine，意即真菌纤维素。 1823年，法国学者Odier从昆虫的护膜中分离出同样的物质， 并命名为甲壳素。 1843年，法国人Lassaigne发现甲壳素中含有氮，从而证明 甲壳素与纤维素不是同一种物质。 1859年法国人Rouget发现将甲壳素在浓氢氧化钾水溶液中 煮沸，可以制备一种“改性甲壳素”，其可溶解于稀的有机 酸溶液中。 1894年德国人Hoppe-Seiler确认这种“改性甲壳素”是脱掉 了部分乙酰基的甲壳素，并命名为Chitosan，即壳聚糖。
6.3 甲壳素与壳聚糖化学
• 水解

水解反应是较常见的降解反应。对于甲壳素和壳聚糖来说， 水解方法一般有辐射法、高硼酸氧化法、酸溶液回流法和 酶法。 甲壳素和壳聚糖水解时，主链上β-1,4-糖苷键水解断裂， 生成各种各样低相对分子质量的多聚糖、葡胺糖的衍生物。 采用氢氟酸水解可保存酰胺键。若选用其他无机酸如盐酸、 磷酸、三氯乙酸等水解，会生成N-脱乙酰产物。