天然高分子材料.ppt

Natural Polymers,Introduction to Polymer Science,Natural Polymers,Natural polymers are polymers produced by living organisms.,Natural Polymer,天然高分子是指没有经过人工合成，天然存在于动植物和微生物体内的大分子有机化合物。 天然高分子都是处在一个完整而严谨的超分子体系内，一般是多种天然高分子以高度有序的结构排列起来。 天然高分子作为可再生、可持续发展的资源，在能源问题日益紧迫的今天，开始表现出越来越重要的经济和战略意义。 人类对天然高分子的利用始终伴随着人类的进化与发展。与人的社会生产和生活密不可分。,Advantage of the Natural Polymers,价格低廉、来源广泛，在自然界动植物中广泛存在。,Advantage of the Natural Polymers,绿色、清洁、具有可生物降解性和可再生性，,农作物,二氧化碳,水,阳光,农产品,天然高分子,提取,可降解制品,堆肥,Disadvantage of the Natural Polymers,一般的天然高分子加工性能都很差，难以通过常用塑料的加工方法成型； 力学性能、耐环境性能等存在缺陷，应用范围较窄； 因此为了拓展天然高分子的应用范围、提高其使用性能，研究者们开始致力于天然高分子的改性研究，并已成为近年来的研究热点。,Classification of the Natural Polymers,多聚糖类 淀粉、纤维素、木质素、甲壳素、 多聚肽类 蛋白质、酶、激素、蚕丝。 遗传信息物质 DNA、RNA 动植物分泌物 生漆、天然橡胶、虫胶。,Polysaccharide,Polysaccharide,糖类通称为碳水化合物，分为单糖、低聚糖和多聚糖三大类。 单糖是最简单的碳水化合物，如葡萄糖、果糖、木糖等。 低聚糖是由二个至十个单糖分子经由糖苷键连接而成的化合物。 多糖是由十个以上的单糖分子经由糖苷键连接而成的碳水化合物。,Polysaccharide,自然界存在着大量的多糖类高分子,淀粉,纤维素,壳聚糖,Conformation of Polysaccharide,-D-Glucose,-D-Glucose,Starch (helix),Cellulose (sheet),O,-D-Glucose,Dextran (coil),Starch,淀粉是自然界中产量仅次于纤维素的碳水化合物，是由 D-葡萄糖通过-糖苷键组成的多聚糖。 未经改性处理的淀粉称为原淀粉，呈颗粒结构有一定大小和形状，水分含量高，蛋白质少的淀粉颗粒较大。 淀粉颗粒具有结晶结构，结晶结构占颗粒体积25% 50%。,淀粉（starch）是植物体中贮存的养分，贮存在种子、水果、块茎、根茎中，各类农作物中的淀粉含量都较高，大米中含淀粉 62 86，麦子中含淀粉 5775，玉米中含淀粉 6572，马铃薯中则含淀粉 1214，是我们饮食中碳水化合物的主要来源。,Source of the Starch,淀粉,Topology of starch,Modified Starch,淀粉本身不具有熔点，加热后容易发生分解和氧化反应，因此需要进行改性处理。 物理变性：包括预糊化淀粉、-射线、超高频辐射处理淀粉、机械研磨处理淀粉、湿热处理淀粉等。 化学变性：用各种化学试剂处理得到的变性淀粉。其中有两大类：一类是使淀粉分子量下降，如酸解淀粉、氧化淀粉、焙烤糊精等；另一类是使淀粉分子量增加，如交联淀粉、酯化淀粉、醚化淀粉、接枝淀粉等。 酶法变性（生物改性）：各种酶处理淀粉。如环糊精、麦芽糊精、直链淀粉等。 复合变性：采用两种以上处理方法得到的变性淀粉。如氧化交联淀粉、交联酯化淀粉等。采用复合变性得到的变性淀粉具有两种变性淀粉的各自优点。,Application of Starch,另外在石油工业、造纸工业、纺织工业等领域中淀粉也常被用做增稠剂、粘合剂、胶凝剂等不同的用途。,Cellulose,纤维素是自然界中存在量最大的天然高分子化合物。 纤维素由很多 D-吡喃葡萄糖单元以 (1-4)苷键连接而成。 纤维素是高等植物细胞壁的主要成分，主要来源为木材等。,纤维素具有一定的结晶性； 纤维素的分子间存在非常强烈的氢键，使得其具有更高度的结构有序性，耐化学腐蚀性和耐溶剂性。,Source of the Cellulose,棉花：是棉属植物种子的表皮毛，是自然界纯度最高的纤维。 木材：是自然界中纤维素最主要的来源。 草类：包括禾本科和竹科等植物的茎。,Modification of the Cellulose,纤维素改性可以使之具有更好的溶解性和加工性。 酯化 无机酯包括碳酸酯、硝酸酯、磷酸酯等；有机酯包括醋酸酯、磺酸酯、氨基甲酸酯等。 醚化 羧甲基纤维素、羟烷基纤维素、甲基纤维素芳基和芳烷基纤维素等。 接枝与交联 卤化与氧化,Application of the Cellulose,Application of the Cellulose,纤维素通过水解可用于生产微晶纤维素和葡萄糖浆； 通过接枝共聚等改性可得到具有各种新功能的材料，如抗酶抗菌材料、离子交换材料、膜材料、高吸水性材料等； 通过化学和生物技术，将有可能生产出食品、燃料及多种基本有机合成原料。,Application of the Cellulose,Chitosan,壳聚糖的化学名称为： -(1,4)-聚-2-胺基-D-葡萄糖。 壳聚糖具有较强的刚性结构和强烈的分子间氢键作用，具有稳定的结晶结构因此具有较好的耐溶剂性和耐化学腐蚀性。 壳聚糖分子结构单元中含有氨基，因此具有较好的生理活性和吸附性。,清洗，去除无机盐和蛋白质,漂白、晾干,hydrolysis,虾蟹壳,Chitin,Chitosan,Chitin: x y,Application of Chitosan,壳聚糖具有较强的吸附性，可用于香烟过滤嘴和絮凝剂等 壳聚糖由于具备良好的成膜性和抑菌性，因此被应用在以下领域： 医用材料：医用纤维和膜功能材料。 保鲜剂：壳聚糖具有明显的保鲜、防腐作用。,Polypeptide,Protein,蛋白质由 C、 H、O、N、S等元素组成，特种蛋白质还含有铜、铁、磷、铂、锌、碘等元素。 组成蛋白质的单体为氨基酸，蛋白质水解得到各种-氨基酸的混合物。 仅有大约20种氨基酸是维持生命存在所必不可少的。在这20种氨基酸中，有11种可以在人体中合成，其余9种从食物中获得。 不同的组合方式使蛋白质具有众多不同的种类，从而也具有不同的性能。,蛋白质是由天然产生的不同种类的 L-氨基酸以酰胺键(CONH)结合生成的共聚物，这些酰胺键也被称为肽键 (peptideIinkages)。,Classification of the Protein,Structure of the Protein,多肽链中氨基酸特征序列称为一级结构（primary structure）。 链结构单元之间的分子内和分子间作用力（如氢键）使蛋白质分子链段产生了特殊的固定的空间构像，也就是蛋白质的二级结构（secondary structure）。 三级结构（tertiary structure）是指蛋白质分子处于它的天然折叠状态的三维构象。 具有二条或二条以上独立三级结构的多肽链组成的蛋白质，其多肽链间通过次级键相互组合而形成的空间结构称为蛋白质的四级结构（quarternary structure）。,Secondary structure,蛋白质多肽链的二级结构描述其构象或形状，主要有两种形式： - 螺旋结构：蛋白质分子的肽链不是伸直展开的，而是盘绕曲折成为螺旋形。 - 片层结构：也称折叠结构，由相邻两条肽链或一条肽链内两个氨基酸残基间的碳基和亚氨基形成氢键所构成的结构。 对于螺旋结构，氢键存在于单个分子链中，而对于折叠结构氢键存在于相邻的链间。,Tertiary Structure of the Protein,纤维状蛋白（Fibrous protein）是一种长形、呈丝状的蛋白质粒子，仅存在于动物体内。 球状蛋白质（Globular protein）一般呈球状，结构紧密，溶于水。 膜蛋白（Membrane protein）是指能够结合到细胞的膜上的蛋白质的总称。而细胞中一半以上的蛋白质可以与膜以不同形式结合。,三级结构是在二级结构的基础上进一步盘绕，折叠形成的。三级结构主要是靠氨基酸侧链之间的疏水相互作用，氢键，范德华力和静电作用维持的。,1984年诺贝尔化学奖,R. B. Merrifield,Synthesis of Protein,Fibrous protein,纤维状蛋白质分子的形状为线形。按构象分为三类: 螺旋结构，如羊毛角蛋白、肌蛋白、血纤维蛋白、胶原蛋白； 片层结构，如羽毛中的p-角蛋白、蚕丝中的丝心蛋白 (silkfibroin)； 无规线团，如花生蛋白、酪蛋白和卵蛋白。 这类蛋白质可应用到食品、化妆品、服装以及环境友好材料中。,Globular protein,多肽链自身扭曲折叠成特有的球形，如肌红蛋白、血红蛋白、酶等，都是球状蛋白质。 这类蛋白质具有较高的生理活性，因此常被应用于药物、保健品中。,Enzyme,Enzymes are proteins that catalyze (i.e., increase the rates of) chemical reactions. In enzymatic reactions, the molecules at the beginning of the process are called substrates, and the enzyme converts them into different molecules, called the products.,Lock and Key model,Induced-fit model,Human glyoxalase,Enzyme,高效性：酶的催化效率比无机催化剂更高，使得反应速率更快； 专一性：一种酶只能催化一种或一类底物，如蛋白酶只能催化蛋白质水解成多肽； 多样性：酶的种类很多，大约有4000多种； 温和性：是指酶所催化的化学反应一般是在较温和的条件下进行的。 活性可调节性：包括抑制剂和激活剂调节、反馈抑制调节、共价修饰调节和变构调节等。 易变性：由于大多数酶是蛋白质，因而会被高温、强酸、强碱等破坏。,Application of Protein,2008 Nobel Price-Chemistry,下村修,马丁查尔菲,钱永健,史上离诺贝尔奖最近的中巴司机,Douglas Prasher,Nucleic acid,Nucleic acid,核酸（nucleic acid）是由许多核苷酸聚合而成的生物大分子化合物，为生命的最基本物质之一存在于所有生命细胞的细胞核中，其作用是合成特殊蛋白及遗传信息传递。 根据化学组成不同，核酸可分为核糖核酸（ribonucleic acid, RNA）和脱氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid, DNA）。DNA是储存、复制和传递遗传信息的主要物质基础，RNA在蛋白质合成过程中起着重要作用。,磷酸,核糖,脱氧核糖,腺嘌呤,鸟嘌呤,胞嘧啶,5-甲基胞嘧啶,胸腺嘧啶,脲嘧啶,Nucleic acid,磷酸,核糖,碱,核苷酸,核糖核酸 (RNA),Base pair,碱基总是成对出现，称为碱基对（base pair