甲壳素、壳聚糖材料

(3) 酯化反应
——甲壳素或壳聚糖的羟基与酸反应生成酯 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；
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
第二种方法：
基本原理：甲壳素或壳聚糖与乙醛酸或丙酮酸反应，醛基
或酮基与壳聚糖上的氨基形成Schiff碱，再通过还原亚胺形成 C-N-C键，得到羧甲基化壳聚糖。 特点：反应活性高、N-取代； 制备过程：
(1) 将壳聚糖用蒸馏水溶胀；
(2) 加入一定量的丙酮酸，室温搅拌1 h，得透明的粘性溶液； (3) 用玻璃纤维过滤，滤液用稀NaOH溶液调pH为4~5；
第5章 甲壳素、壳聚糖材料
Chapter 5 Chitin and Chitosan Materials
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100亿吨/年，水产加工废弃物中100万吨/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
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
(2) 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-甲基化、O-乙基化、O-苄基化 羧甲基甲壳素/壳聚糖制备方法： 第一种方法——碱化甲壳素或壳聚糖与2-氯乙酸在异丙醇中反应
(4) 搅拌一段时间后缓慢加入硼氢化钠溶液，用稀HCl调
pH=6~7，再反应24 h； (5) 最后用乙醇沉淀。
应用：醚化制备壳聚糖季铵盐
制备方法：
（1）将壳聚糖加入异丙醇溶液中，升温至60 °C ；
（2）加入20 mL 37 %缩水甘油三甲基氯化铵溶液，升温至 80 °C ； （3）反应一段时间后过滤，并经异丙醇洗涤和真空干燥 后得产品。体系pH=9~10
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
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
可降低反应温度和碱度，但其脱乙酰度范围小。
二、甲壳素和壳聚糖的化学改性及其衍生物
1. 壳聚糖降解
超声波降解 射线照射下的辐射降解
(1)物理降解法
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。
(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。
六氟异丙醇 六氟丙酮倍半水合物 1,2-二氯乙醇 + H2SO4
稀甲酸
稀乙酸 稀乳酸
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（%）
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。
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
N-酰化程度—50 %壳聚糖，水溶性好
一起形成的聚集体
3. 结晶结构
甲壳素：
α —甲壳素（虾蟹）
由两条反向平行的糖链排列而成
β —甲壳素（乌贼） 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
4.物理性质
甲壳素
颜色状态 白色或灰白色无定形 态、半透明固体
壳聚糖
白色或灰白色无定形态、 半透明且略有珍珠光泽 的固体
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。 如有体系中加入与溶于水的有机溶剂（如异丙醇、丙酮），
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。
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。
和藻类的细胞壁。
主要特性：生物相容性
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
纤维素
甲壳素
壳聚糖
甲壳素和壳聚糖可认为是纤维素C-2羟基பைடு நூலகம்乙酰氨基或氨基所取代
甲壳素：C-2位并非100%的是乙酰氨基，约1/8的是氨基。
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。
5. 甲壳素和壳聚糖的提取
制备方法： （1）将壳聚糖与NaI加入1-甲基-2-吡咯烷酮 ； （2） 60 °C下加NaOH后，再加CH3I，继续反应1~4 h；
（3）加NaCl静置，用乙醇沉淀。体系pH=9~10
主要醚化产物：羟乙基、羟丙基壳聚糖



制备方法： ①将壳聚糖加入50 %NaOH溶液，置于冰 箱中冷冻碱化； ②然后，解冻后，挤压除去过剩碱液； ③加入异丙醇溶胀； ④最后加环氧乙烷/环氧丙烷反应；
2. 水解
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 （1）酸水解 碱性条件下——甲壳素和壳聚糖较稳定
酸性条件下——水解
（2）酶水解
特点：
高度选择性 不发生副反应
3. 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：
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
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
（1） 酰化反应
甲壳素和壳聚糖 有机酸
羟基
+ —NH2 酰 三类酰化反应体系： 第一类：甲磺酸酰化 氯 酸 酐
O-酰化 N-酰化
（酯） （酰胺）
甲磺酸——催化剂、溶剂
温度——0 °C，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
取代度高——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。
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。
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。