第6章 甲壳素、壳聚糖材料

改进：主要为SO3—有机胺的络合物 如SO3-吡啶、 SO3-甲酰胺、 SO3-DMF 有机溶剂：DMF、甲酰胺、DMSO 特点：价格贵、保存苛刻 发展——氯磺酸-甲酰胺磺化试剂 制备方法： （1）以甲酰胺为介质，5℃加入氯磺酸制备氯磺酸-甲酰胺磺化 试剂； （2） 加入壳聚糖，搅拌升温到68℃； （3）反应一段时间后，过滤除去未反应物质； （4）透析，加入NaOH调pH=12-14； （5）再透析，浓缩，即获得磺化壳聚糖； 特点：降解比SO3—有机胺络合物严重，但适于大规模生产；
CH2OH H OH H O H OH O H n
纤维素
CH2OH H OH H O H O H
甲壳素
NHCOCH3 Chitin
NHCOCH3 n
CH2OH H H OH H O H NH2 Chitosan O H H
CH2OH H OH H O H NH2 O H n
壳聚糖
甲壳素和壳聚糖可认为是纤维素C-2羟基被乙酰氨基或氨基所取代
5. 甲壳素和壳聚糖的提取
甲壳素的提取，两步法： （1）4~6 wt% HCl溶液重复浸泡，脱钙24 h以上去除矿物质 可以用溶剂萃取或氧化剂（如NaClO、H2O2） （2）40 wt%NaOH溶液在115°C保温6 h，通过离心和洗涤 脱除蛋白 反复循环过程。
壳聚糖的制备——甲壳素脱乙酰的产物 常用方法——异相反应 反应条件： 强碱—40 wt%NaOH 温度—135°C 其它方法——酶催化脱乙酰 特点： （1）脱乙酰过程中，C2位上的乙酰基和羟基重排，阻隔碍反应的 进行； （2）分子链断裂降解。 如在体系中加入与溶于水的有机溶剂（如异丙醇、丙酮），可 降低反应温度和碱度，但其脱乙酰度范围小。
分子内氢键： C3羟基—相邻糖苷键-OC3羟基—同一分子链另一环上的氧
分子间氢键： C3羟基—另一分子链糖苷键-OC3羟基—另一分子链环上氧
其它： C2位-NHCOCH3的羰基氧、 C2的-NH2、 C6上-OH 可形成一列的分子内和分子间氢键
（3）三级结构
糖链之间以氢键结合形成的各种聚集体，只
Da全称道尔顿（Dalton），是分子量常用单位，是用来衡 量原子或分子质量的单位，它被定义为碳12原子质量的1/12。 其实最开始道尔顿计算出的原子量是我们现在用的当量。分子 量是没有单位的，它是相对分子质量，比值是固定的，用原子 量算出来的氯化钠的分子量是58.5道尔顿，他们在数值上是相 同的。氯化钠的分子量是58.5，这个也可称作为式量氯化钠摩 尔质量就为58.5g/mol。 道尔顿就是原子质量单位，在生物化学、分子生物学和蛋 白组学中经常用Da或KDa，其分子量就是将分子中所有原子按 个数求原子量的代数和。蛋白质是大分子，所以常用kDa（千 道尔顿）来表示。
第二类：酰氯反应 溶剂——氯仿和吡啶等非质子极性溶剂 温度——室温 体系——非均相，反应之前原料需经特殊处理 提高取代度——溶剂长时间浸泡、疏松处理 产物——N,O-酰基化壳聚糖 取代度——吡啶中高于50 %
第三类：甲/乙醇、有机酸和水组成的体系 体系——均相体系（有机醇的含量高达80 %） 特点——先在C2氨基上进行（选择性），通过酸酐的用量控制 产物的酰化程度。
Ⅲ—氧化降解 过氧化氢法—过氧化氢是一种很强的氧化剂，在酸、碱和 中性条件下都可以使壳聚糖主链发生断裂，得到低分子量壳 聚糖。过氧化氢无残毒，易处理。 O3法—在均相或非均相条件下，O3可使壳聚糖发生氧化 降解。-糖苷键的氧化断裂是一个基础反应，反应过程无杂 质引入，后处理简单。但氧化断裂时，在还原端残基产生了 羧基，未保护的氨基也存在脱氨反应。
Ⅱ—NaNO2降解: 在壳聚糖酸性溶液中滴加NaNO2，使-NH2发生重氮化反 应，脱去一分子N2，引起-糖苷健断裂。 每摩尔的氨基反应需消耗1摩尔的HONO，在断裂聚合物 的还原端生成1摩尔的2, 5-脱水-D-甘露糖单元。还原端基可以 用NaBH4还原。 这是传统的化学降解方法，降解产物的分子量可以通过改 变NaNO2的加入量和反应时间来控制。该方法虽然端基结构 有所改变，但对于制备较高分子量的低聚糖的性质应无较大影 响。不过对于寡糖生物活性尚需进一步研究，因还原端基单元 无氨基。
第二条路线：
（2）黄原酸化
反应条件： 低温——0 ◦C 尿素——破坏氢键 应用：重金属离子螯合剂
（3）磷酸酯化
甲壳素的磷酸酯——溶于水，取代度越高，水溶性越好； 壳聚糖的磷酸酯——低取代度溶于水，高取代度不溶于水； 应用：离子吸附剂； （4）硝酸酯化
4、醚化反应
——甲壳素或壳聚糖的羟基与羟基化试剂反应生成醚 常用产物：O-烃基（甲/乙基）化、O-羟乙/丙基化 O-羧甲/乙基化、 O-氰乙基化 （1）O-烃基化 甲壳素先碱化，后与卤代烷反应 取代度低——甲壳素结晶度高、卤代烷活性小、 羟基的活性也小 甲壳素先碱化，后与硫酸二甲酯
4.物理性质
甲壳素 壳聚糖
颜色状态 白色或灰白色无定形态、 白色或灰白色无定形态、 半透明固体 半透明且略有珍珠光泽的 固体 溶解性 不溶于水、稀酸、稀碱 不溶于水、碱溶液、稀硫 或一般有机溶剂 酸和稀磷酸
可溶于浓碱、浓盐酸、 可溶于稀盐酸、稀硝酸等 浓硫酸、浓磷酸和无水 无机酸以及大多数有机酸。 甲酸 （醋酸和甲酸）
第6章 甲壳素、壳聚糖材料
Chapter 6 Chitin and Chitosan Materials
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甲壳素
壳聚糖
甲壳素是地球上仅次于纤维素的第二大可再生资源，总 产量15 万吨/年 主要来源：虾壳、蟹壳、昆虫壳等；广泛存在于节肢动 物、软体动物、环节动物、原生动物、腔肠动物及真菌和藻 类的细胞壁。 主要特性：生物相容性 应用：医药卫生、食品饮料、农业生产、水处理、化妆 品、纺织、印染
三类酰化反应体系： 第一类：甲磺酸酰化 甲磺酸——催化剂、溶剂 温度——0 ℃，温度高易降解 体系——均相 产物——O-长链酰基壳聚糖、N-芳酰基化壳聚糖产物 制备方法： （1）将甲壳素/壳聚糖加入甲磺酸和丙酸酐的混合物中， 0 °C 搅拌2 h，得到凝胶产物； （2）-20 °C保存12 h以上； （3）加冰屑沉淀 （4）用氨水中和悬浮液，过滤，水洗并真空干燥得酰化产物。
与甲壳素分子主链的构象有关 由一级结构和非共价相互作用造成的有序的二级结构使甲 壳素在空间形成有规则而宏大的构象；但一级和二级结构中较 大不规则的分支结构阻碍三级结构的形成。 （4）四级结构 甲壳素长链间以非共价结合规整排列和堆砌在
一起形成的聚集体
3. 结晶结构
甲壳素： α—甲壳素 由两条反平行的糖链排列而成 β—甲壳素 由两条平行的糖链排列而成 γ—甲壳素 由三条糖链组成，两条糖链同向、一条糖链反向且上下排列
1、碱化
C6——OH C3——OH 低温有利于碱化
2、酰化反应
甲壳素和壳聚糖 有机酸 羟基 + —NH2 酰 氯 问 体 酸 酐 O-酰化 N-酰化 （酯） （酰胺）
题：分子内和分子间氢键作用，结构致密，难以酰化 系：酰化试剂—酸酐或酰氯 反应介质—酸 催 化 剂—氯化氢、甲磺酸、高氯酸
反应活性：NH2>C6-OH>C3-OH
(二) 甲壳素和壳聚糖的化学改性及其衍生物
化学改性的目的: 一解决在水中或有机溶剂中的溶解性； 二通过化学改性引入基团和侧链并进行各种分子设计； 甲壳素和壳聚糖的糖残基上两个活性羟基： 一个是C6位-OH——一级羟基，空间位阻小，活性大； 一个是C3位-OH——二级羟基，空间位阻大，活性小； 壳聚糖——氨基
一、甲壳素和壳聚糖的结构、性质
1. 分子结构
甲壳素：N-乙酰-2-氨基2-脱氧-D-葡萄糖以β-1,4糖苷键连接的线性多糖 壳聚糖：甲壳素脱去55 % 以上的N-乙酰基的产物
CH2OH H H OH H O H OH Cellulose CH2OH H H OH H O H O H H O H H
高碘酸盐的氧化—高碘酸盐氧化邻位二醇或邻位氨基醇形成二 醛，断裂C-C键。 用高碘酸盐氧化纤维素，除失水葡萄糖环在C2-C3处裂开 外，在适当的条件下可发生纤维素分子还原端的“过度氧化”。 不过，产物的收率过低，可能是由于“剥皮反应”所致。 次卤酸盐氧化剂—次氯酸钠同样可以降解壳聚糖，得到水溶性 产物。反应过程中，壳聚糖的氨基含量下降。
在酸或碱溶液中，甲壳素或壳聚糖发生水解或其它降解。
溶解甲壳素和壳聚糖的常用溶剂 甲壳素 二甲基甲酰胺+ 氯化锂 六氟异丙醇 六氟丙酮倍半水合物 三/二氯乙酸/氯代醇+无机酸 1,2-二氯乙醇 + H2SO4 壳聚糖 稀甲酸 稀乙酸 稀乳酸 稀盐酸 DMF/N2O4
壳聚糖的两项主要性能指标——N-脱乙酰度、黏度 黏度 标准：1 %壳聚糖乙酸溶液 高黏度—>1000 ×10-3 Pa•S 中黏度—（1000～100）×10-3 Pa•S 低黏度—< 100 ×10-3 Pa•S 脱乙酰度（DD）——甲壳素分子链上脱乙酰基的程度（%） 测定方法：IR、NMR、紫外、GPC、电位滴定、元素分析
甲壳素：C-2位并非100%的是乙酰氨基，约1/8的是氨基。 在生产过程中用稀碱除蛋白质时又有部分乙酰基被脱 掉，故商品甲壳素实际上有15-20%的脱乙酰度。
壳聚糖： 一般将N-脱乙酰度大于70 %的甲壳素称为壳聚糖。 事实上，得到100%脱乙酰度的壳聚糖是很困难的。
2. 聚集态结构
甲壳素—多糖 （1）一级结构 （2）二级结构 氢键—聚集体 氢键的存在： 阻止了邻近糖残基沿糖苷键的旋转 相邻糖环之间的空间位阻也降低了糖残基旋转的自由度 β-1,4-糖苷键连接N-乙酰氨基葡萄糖 羟基和N-乙酰氨基形成各种分子内和分子间
N-酰化程度—50 %壳聚糖，水溶性好 高于或低于50 %，水溶性低 应用： N-酰化水溶性壳聚糖可进一步衍生化或用作医用材料 如N-马来酰化壳聚糖与丙烯酰胺共聚，得水凝胶。
O-酰化壳聚糖——氨基保护法
Shiff碱
邻苯二甲酰化壳聚糖
溶剂：DMF 温度：120~130 ◦C
3、酯化反应
——甲壳素或壳聚糖的羟基与酸反应生成酯 （1）硫酸酯 试剂：浓硫酸、氯磺酸、二氧化硫、三氧化硫 特点：非均相反应；浓硫酸具有降解作用； 应用：抗凝血作用
硫酸选择性酯化反应： C2的选择性酯化——利用氨基与羟基在弱碱性条件下 反应活性差异使反应完全发生在氨基上。 C6的选择性酯化——利用Cu2+的配合作用将氨基保护 起来，而实际上Cu2+不仅与氨基配合，与C3位的羟基同 样有配合作用，从而保护C3位不发生酯化反应。 C3的选择性酯化——复杂的保护基团 第一条路线： 先保护C6位羟基； 再保护C2位氨基； 再进行C3位硫酸酯化
二、甲壳素和壳聚糖的化学改性及其衍生物
(一) 壳聚糖降解 超声波降解
(1)物理降解法 射线照射下的辐射降解
光降解 (2) 酶降解法 酶法降解是用专一性的甲壳素酶和壳聚糖酶，以及非 专一性的其它酶种来对甲壳素或壳聚糖进行生物降解。 特点： 高度选择性 不发生副反应
(3) 化学降解法 Ⅰ—酸降解: 盐酸、磷酸、氢氟酸。 壳聚糖在酸性溶液中不稳定，会发生长链的部分水解，即 糖苷键的断裂，形成许多相对分子质量大小不等的片段 ，严 重水解变成单糖。 水解产物——单糖和低聚糖 低分子量甲壳素和壳聚糖具有不同的物理性质和生物活性： 植物抗生素、抗菌活性、免疫促进活性 碱性条件下——甲壳素和壳聚糖较稳定 酸性条件下——水解
制备方法： （1）将壳聚糖溶于10 %乙酸水溶液中， 再加甲醇稀释； （2）在搅拌条件下按氨基物质的量的0.5倍加入正已酸酐； （3）室温放置24h后加入400 mL丙酮作为沉淀剂； （4）沉淀物经甲醇或乙醚洗涤后得N-酰化壳聚糖衍生物。
乙酰化产物 （1）甲壳素的乙酰化 反应体系：乙酸酐和盐酸/甲磺酸 反应特点：优先发生在游离氨基上，其次是羟基 反应混合物初期呈非均相，随乙酰化程度增加，逐渐 演变成均相； （2）壳聚糖的乙酰化 反应体系：乙酸酐水溶液/吡啶溶液 反应特点：先溶胀，然后进行N-乙酰化反应 可获得50 % N-乙酰化、溶于水
壳聚糖先碱化，后与硫酸二甲酯反应生成甲基醚 主要为羟基取代 壳聚糖先碱化，后与卤代烷反应 N-烷基化较多，O-烷基化次之 氯化苄—亲核取代 不能在NaOH或KOH溶液中进行，在DMSO中非 均相反应 第一、氯化苄水解 第二、发生逆反应