（高分子化学与物理专业论文）壳聚糖的邻苯二甲酰化及其接枝改性的研究.pdf

中围科学技术人学博卜学位论文摘费 摘要 壳聚糖是一种来源丰富的天然高分子，它具有良好的生物相容性、生物降解 性和生物活性。但是由于分子问的氢键相互作用，使得它们难融难溶，大大限制 了壳聚糖这一天然资源的有效利用。接枝改性是改善壳聚糖性能的有效途径。本 论文通过分子设计，建立了一种在壳聚糖聚合物链上进行定位接枝的方法：“保 护氨基一接枝反应一脱保护恢复氨基”，通过该方法获得了一系列壳聚糖的接枝共 聚物：壳聚糖一聚甲基丙烯酸甲酯、壳聚糖一聚乙二醇、壳聚糖一聚己内酯和壳聚 糖一聚乳酸，研究了接枝共聚物的化学结构和聚集形态，初步探讨了它们的性能。 主要内容和成果如下： 1 采用壳聚糖的邻苯二甲酰化反应来保护氨基，微波辐射实现了邻苯二甲 酰化壳聚糖的快速合成。邻苯二甲酰化壳聚糖在有机溶剂中的溶解性有很大改 善，有利于接枝反应的进行；接枝完成后，邻苯二甲酰基易于被脱去恢复壳聚糖 主链上的游离氨基，可使接枝共聚物最大限度的保持壳聚糖原有的生物活性。 2 番i j 用y 一射线辐射引发，以邻苯二甲酰化壳聚糖为反应中间体，在均相体 系中实现了壳聚糖和甲基丙烯酸甲酯的接枝共聚。接枝率与辐射剂量、单体浓度 有依赖关系，在辐射剂量为2 6 4k g y 、单体浓度为o 5g m l 时接枝率可达到2 4 5 。壳聚糖p m m a 接枝共聚物不但在常用有机溶剂中的溶解能力有所提高，而 且在较高接枝率下仍然对酸水表现出很好的亲和力。接枝共聚物的d s c 曲线中 在1 2 7 - 1 3 0 附近观察到了玻璃化转变现象。 3 通过具有末端羟基的聚乙二醇、聚己内酯大单体和邻苯二甲酰化壳聚糖 上羟基的偶联反应，在壳聚糖大分子链上定位接枝规整的支链，分别制备了壳聚 糖一聚乙二醇和壳聚糖聚己内酯接枝共聚物。规整性支链的引入使接枝共聚物具 有新的聚集念，支链的内增塑作用，增加了壳聚糖衍生物的热塑性。壳聚糖聚 乙二醇接枝共聚物的吸湿和保湿性较壳聚糖有很大提高。 4 以邻苯二甲酰化壳聚糖为中间体，由辛酸亚锡催化在其羟基上定位引发 己内酯单体开环聚合，制备了壳聚糖聚己内酯接枝共聚物。这一丌环接枝过程， 分别采用常规加热和微波辐射两种反应手段都获得了成功，微波辐射极大地提高 了反应效率。所得壳聚糖聚己内酯接枝共聚物的热性能和有机溶剂溶解性都有 中国科学技术人学博j 学位论文摘要 很大改善。当接枝聚己内酯的量达到8 2 时，接枝共聚物在5 0 6 0 出现了相 转变。 5 实验发现在不添加催化剂时，邻苯二甲酰化壳聚糖能臼催化与己内酯的 接枝共聚。为了研究其接枝机理，仿照邻苯二甲酰化壳聚糖的制备方法设计合成 了一系列含有环状酰亚胺结构的化合物，研究了它们存在下己内酯单体的聚合。 结果发现这些含有环状酰亚胺结构的化台物是一类可以催化己内酯单体开环聚 合的非金属催化剂，其作用机理与辛酸亚锡的催化类似，真正的引发剂是体系中 的微量h 2 0 或醇羟基。从而提出邻苯二甲酰化壳聚糖与己内酯的接枝共聚机理 是，其鲁身环状酰亚胺结构的催化效应和糖环单元上羟基的引发，二者协同作用 使已内酯单体发生开环聚合并从壳聚糖主链的羟基开始生长。这种“保护氨基一 接枝反应脱保护”的接枝路线是对壳聚糖进行定位接枝改性的一种有效的方 法，邻苯二甲酰化壳聚糖中间体的引入不仅保护了氨基，还使其具备了自催化效 应，有望扩展应用于壳聚糖与其他一些环状内酯的接技共聚。 6 以邻苯二甲酰化壳聚糖为中间体，依靠其自催化作用在糖环单元的羟基 上引发丙交酯的开环聚合，成功地制各了壳聚糖聚乳酸接枝共聚物。但是脱保 护反应的强碱性环境使p l a 支链水解，因此接枝率较低。 关键词：邻苯二甲酰化壳聚糖，壳聚糖接枝共聚物，p m m a ，聚乙二醇，聚己内 酯，聚乳酸，开环聚合 中国科学技术夫学博 j 学位论空摘要 a b s t r a c t c h i t o s a ni saw e l l 一k n o w na b u n d a l l tn a t u r a ip 0 1 y m e rw i t hg o o db i o d e g r a d a b i l i t y ， b i o c o m p a t i b i l i t ya j l db i o a c t i v i t y b u tt h ei n s o i u b m t yi nc o m m o no 唱a n i cs o l v e n t sa n d n o n - t h e m l a l p l a s t i c i t yo f c h i t o s a nh a v ed e l a y e di t su t i l i z a t i o na n db a s i cr e s e a r c h g r a 矗 c o p o l y m e r i z a t i o n o fc h i t o s a l li sm o r ea t t r a c t i v e t o e x p a n d t h e a p p l i c a t i o n s a s 血n c t i o n a lm a t e r i a l s i nt l i sd i s s e r t a t i o n ，af 毫wo fg m r c o p 0 1 y m e r sb a s e do nc h i t o s a n w e r e s y n c h e s i z e d v i aan e w p r o t e c t i o n - g r a r - d e p r o t e c t i o np r o c e d u r e w i t l l p h t h a l o y l c h i t o s a n a si n t e r m e d i a t e ，s u c ha s c h i t o s m g p o l y ( m e t h y lm e t h a c r y l a t e ) ， c h i t o s a n g p o l y ( e t h y l e n eg l y c 0 1 ) ，c h i t o s a n g p o l y c a p r o l a c t o n e a n d c h i t o s a n g p o l y ( 1 a c t i ca c i d ) n l e s t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fm e s ec l l i t o s a l l g r a 矗 c o p o l y m e r s w e r ei n v e s t i g a t e d ，a n da l s os o m e 铲心i n gm e c h a n i s m sa 船rd e p r o t e c t i o n t h ep h t h a l o y lg r o u pw a sr e m o v e da n dt h ea m i n og r o u p 、v a sr e g e n e r a t e d t h u st h e o b t a i n e dg r a f tc o p o l y m e r sw e r ea r n p h o t e r i ch y b r i d sw i t ha m i n o p o l y s a c c h a r i d em a i n c h a i n sa n ds y n t h e t i cp o l y m e rs i d ec h a i n s 1 p h t h a l o y l a t i o no fc h i t o s a i lw a sr a p i d l ya c h i e v e db ym i c r o w a v ei r r a d i a t i o n t h e p h t h a l o y j c h j t o s a nh a si m p f o v e ds 0 1 u b t yj no r g a n j cs o l v e n t s ，s u c ha sd m f a n d d m s o 2 t h eg r a rc o p o l y m e r i z a t i o no fm m ao n t oc h i t o s a nw a sc a r r i e do u tw i 也 p h t h a l o y i c h i t o s a n a si n t e h n e d i a t ei n h o m o g e n e o u ss y s t e m a 工l di n i t i a t e d b y 7 一i r r a d i a t i o n t h eg r a 丑p e r c e n t a g ee x t e n tw a sd e p e n d e n to nt h ei r r a d i a t i o nd o s ea i l d t h ec o n c e n t r a t i o no fm m a m o n o m e r ，a n dc o p 0 1 y m e rw i t hg m r i n g2 4 5 w a sr e a d i l y p r e p a r e d a td o s eo f 2 6 4 k g y a n dm m ac o n c e n t r a t i o no fo 5 m 1 t h e c h i f o s a n g p m m ae x h j b i t e dah i 曲椭n i t yn o to n j yf o ra q u e o u sa c i d b u ta 】s of o r s o m eo r g a n i cs o l v e n t s ，a n dd s cm e a s u r e m e n t sr e v e a l e dt h ep r e s e n c eo fag l a s s t r a n s i t i o np h e n o m e n o na tl2 7 一l3 0 3 t b eg r a f tc o p o l y m e r so fc h i t o s a n g _ p e ga n dc h i t o s a n - g p c lw e r ep r e p a r e d b yt h er e a c t i o no fp e g p c l m a c m m o n o m e r st e r m i n a t e dw i m i s o c y a n a t eg r o u p sw i t h h y d r o x y lg r o u p so fp h t h a l o y l p r o t e c t e dc h i t o s a nr e g i o s e l e c t i v e l y t h eg r a nr e a c t i o n w a sc a 玎i e do u ti nd m f h o m o g e n e o u s l ya 1 1 dy i e l d e dc o p o l y m e r sw i t hh i 曲g r a f t i n g 1 1 1 中国科学技术 学懵 学位论立 躅要 c o n t e n td u et os o l u b i h z a t l o n 4 c h j t o s a l l g p c lw a 8s y n n l e s i z e db y 廿1 er i “譬o p e n i n gg r a nc 叩o l y m e 丑t i o n o fe c a p r o i a c t o n eo n t op h t l l a i o y i p r o t e c t e dc h n o s a na tt h e h y d r o x y ig 阳u pi n m e p r e s e n c eo f 恤i i ) 2 e m y l h e x a n o a i ec a t a i y s t t h eg r a rc o p o l y m e n z a t i o nw a s c a r r i e d 0 u t s m o o t h i yb y b o t | lc o n v e m i o n a l h e a t j “g m e t l o da 1 1 dm i c m u 倒ei r f a d i a n o n m i c r o w a v ei n a d i a t i 。na c c d e 嘣e dt h eg f a 侍c o p 0 1 y m e z a t i o ng f e a t l yl nv i 删o f t h e i 呻讹t a b l en a i u r eo ft 1 e o r 谤n a lc h i t o s a n ，t h ec h i t o s a n g p c lg r a f tc o p o l y m e r s e x h i b i 靶d1 m 口r o v e ds o i u b i l i t va 1 1 dn e w 订w n “t r a i l s i 石o na t5 0 6 0 w h e n p e r c e n t a g e0 f 胂r i n gp c lu pt os 2 5t h eg r a nc o p o l y m e r i z a t i o no f 一o a p r o l a c t o n eo m op h l h a l o y l c h i t o s a nw a s a c h i e v e ds u c c e s s f u l l yu n d e ri t s s e l t - c a t 甜y s j s 1 no r d e rt oi n v e s t i g a t em e c h 蛆l s r no f t h i sg r 世c o p o i y m e r i z a n o n ，as e a io f c o m p o u n d sh a v i n gt h ef f n g yi m i d og r o u pw e r e p 州e da n d 印p l i e di nr i n g - 叩e n i “gp o i y m e r i z a t i o no fb c a p r o 】a c t o n e t h e s ei m i d e c o m p o u n d sd m v e d ob ean e w f y p e o fn o n m e t a i c a t a l ”t f o r c a p r o l a c t o n e p o i y 皿e r i z 耳t i o na n d t h en l e c h a n i s mh a v eb e e “p r o p o s e dt h a te i t h e rp u r p o s e da d 如do r a d v e 址“i o u sh y d r o x yi m p u r m e sa c t e da si n i c 主a t o r a sar e s u l t ，t h e1 1 】e c h a n i s mo ng r a r c o p 0 1 了m e r i z a d o no f 曲t h a l o y i c h i t o s a nw j c h8 _ c a p r o l a c t o n c w a sc o n c l u d e da si h e c 0 0 p e r a t i o nb e t w e ；ns e l f c a t a l y s j so f i t sp h t h a 【i m i d og m u pa n di n i t i a t i o no f h y d r o x y l o fs a c c h 丽d eu 血，w h i c hm a d e - c a p r o l a c t 0 1 ”m o n o m e p o i y m e r 泌a n dg r e wf r o m c h i t o s a nm a i nc h a i na tb y d r o x y lg r o 印h o r et 1 1 e p h 【h a l o y lg r 。u p sa c t e d 鼯b o 【h p r o t e c t i o no f a m i n og r o u p sa n dc a t a i y s i se 疏c to np o l y m e r i z a t i o no f c a p r o i a c t o n e 6t h eg r a f tc o p o l y m e ro fc h i t o s a n - g p o l y ( 1 a c n ca c i d ) w a sa l s os y n t h e s j z e db y t h i sp m h a i o y lp r o t e c t i o nm e t h o d b u ts o m ed e g a d a t i o no fm eg t a 矗e dp l ac h a i n s w o u l dh a p p c nmt h ca l k a l i 毗d e p r o t e c h o np t o c e s ss om a it k 野以i n g 雎r c e n t a g ew a s l o w k e y w o r d 甚：p h l h a l o y l c h i t o s a l l ，伊a r。o p 0 1 y m e r o f c h i t o s a i l ， p 0 1 y ( m e t h y i m e i h a c r y i a t e ) ，p o l y ( e t h y l c n eg l y c 0 1 ) ，p 0 1 ”弗r o l a c t o n e ，p o l y ( 1 a c n ca c i d ) ， n g o p e n i n gp o i y m e r 】z a t i o n 中困科学技术人学博l j 学位论义第一幸 第一章前言 1 1 甲壳素与壳聚糖 1 1 1 概述 甲壳素( c h i t i n ) 和壳聚糖( c h i t o s a n ) 是一类在动植物体内经过生物合成的独 特的多糖类生物高分子。壳聚糖通常也被称为脱乙酰甲壳素，因为虽然壳聚糖是 一种天然存在于某些真菌的生物高分子化合物，但它的工业生产更多的是基于对 动物来源的甲壳素资源的处理。 甲壳素是一个非常古老的分子，已经发现在约2 4 7 0 万年前的昆虫化石中， 有可以监测到的化学残余物【l l 。对于甲壳素的研究始于1 8 1 1 年，法国的自然史 教授hb r a c o r u l o t 在他的论文中描述了一种来自于由他命名的高等真菌 “f u n g i n e ”的碱不溶性物质【2 l o1 8 2 3 年，a o d i e r 从甲壳昆虫的翅鞘中分离得到 一种相似的组分，命名为甲壳索( 希腊语，意为被囊、儒甲) 。18 5 9 年，c r o u g e t j _ 5 f 发现用浓氯氧化钾处理甲壳素，使其脱乙酰化，能制备出溶于有机酸的物质：18 9 4 年，f h 叩p e s e y l e r 呐备该物质命名为“c h i t o s a n ”( 壳聚糖) ，他还报道了在蟹、蝎 子及蜘蛛中存在有甲壳素。1 9 3 4 年，美国首次出现了关于制备壳聚糖和它的几 种应用的专利，并在1 9 4 1 年制备出壳聚糖人造皮肤和手术缝合线。第一本关于 甲壳素及壳聚糖的书于1 9 7 7 年出版 5 1 0 同年，在美国波士顿召开了第一届甲壳 素壳聚糖的国际会议。随之，出现了大量关于甲壳素化学的报道，全世界范围 内掀起了研究热潮，甲壳素壳聚糖的开发应用研究取得较大的发展，在食品、 化学、医药、农业、纺织工业等领域中均占有一席之地| 6 。”。目前，关于甲壳素 壳聚糖的国际会议每两年召开一次已成惯例中国化学会也举办的有每两年一 次的甲壳素科技与应用研讨会，至今已有四届。甲壳素、壳聚糖及其衍生物的研 究，成为化学家、材料学家、生物学家最为关注的热点之一。 中国科学技术大学博上学位论史第一章 1 1 2 甲壳素壳聚糖的来源及生产 甲壳素广泛存在于生物体中：它是许多低等动物特别是节肢动物，如虾、蟹、 昆虫等外壳的重要成分；也存在于低等植物，如菌类、藻类的细胞壁中。甲壳素 是在地球上仅次于纤维素的第二种丰富的多糖，每年仅仅水圈中的甲壳动物合成 的甲壳素估计就有2 3 10 9 吨f 1 2 ”】。不过，生物体之间的相对甲壳素含量，以及 在这些生物体的器官和结构中的甲壳素相对生物体的含量，有着很大的变化。甲 壳素含量特别丰富的是真菌和节肢动物，其中真菌中的含量超过4 5 ，而在去 钙化的甲壳纲有机体中，含量则高达8 0 ”j 。而壳聚糖只存在于某些真菌中， 如从毛霉菌中可以分离得到壳聚糖，在黑曲霉、藤黄腐质霉菌和烟曲霉菌丝体中 存在壳聚糖葡聚糖复合物【1 5 l 。 目前，甲壳素和壳聚糖的最主要来源是用贝类工业的废弃物进行化学加工生 产。每年全世界甲壳类动物加工后得到的废物干重估计在1 4 4 1 0 6 吨左右，因 此甲壳素生产的潜能约为2 1 0 5 吨吼从甲壳类废弃物分离制备甲壳素的主要步 骤是脱钙和脱蛋白：用稀酸浸泡虾、蟹壳时，壳中的碳酸钙等无机盐溶解：再用 稀碱液浸泡，可将壳中的蛋白质萃取出来，也可用酶水解除去蛋白质这样剩余 的就是甲壳索。因为虾、蟹壳中含有虾红素，产品还要经过氧化脱色处理。然后， 甲壳素在强碱液中进行脱乙酰化反应得到壳聚糖。由于起始原料的来源不同、终 产品想要达到的规格不同，各生产步骤采用的工艺方法、试剂种类及浓度、反应 时间和温度有很大差别。 近年来，还发展了一些新兴的绿色技术应用于甲壳素和壳聚糖的生产，例如 利用微生物发酵技术来去除矿物质和蛋白制备甲壳素，可以避免生产中大量使用 酸碱带来的污染f l5 】：在微波辐射作用下进行甲壳素的脱乙酰化反应，较常舰的加 热作用大大加速了反应进程，并且引起的分子链的降解要少得多l ”】。 1 1 3 甲壳素壳聚糖的结构与性能 1 化学结构 甲壳素、壳聚糖的化学结构与纤维素极为相似，它们的结构式分别示意如下 2 中田科学技术入学博 ：学位论文第一章 h h 纤维素的结构式 甲壳素的结构式 壳聚糖的结构式 h h h 通常认为，甲壳素是由b 1 ，4 糖苷键连接的n 乙酰氨基葡萄糖( 2 乙酰氨基 一2 - 脱氧p d 一葡萄糖，英文名为2 咄c e t 锄i d o 一2 一d e o x y p d g l u c o s e ，简称g l c n a c ) 的高聚物：而壳聚糖为甲壳素的脱乙酰化产物，是相应的葡萄糖胺( 简称g l c n ) 的高聚物。然而，实际上甲壳索与壳聚糖都不是均聚物，因为二者都含有不同组 分的g l c n a c 和g 1 c n 残基片断。r o b e n s 建议用f a 值来指明g l c n a c 单元的摩 尔分数，习惯上将f a 值小于o 5 的称为壳聚糖，反之则称为甲壳素。因此，f a 值是壳聚糖的一项主要性能指标，也有文献用脱乙酰化程度( d d 或d d a ) 来表 不。 中国科学技术大学博上学位论史第一章 2 性质 ( 1 ) 理化性能 甲壳素由于链的规整性和刚性，而且分子内和分子间容易形成很强的氢键， 具有较高的结晶度。因此，甲壳素不溶于水、稀酸、稀碱和一般的有机溶剂。不 过，一些多卤溶剂如六氟异丙醇、六氟丙酮等1 1 7 | ，和一些复合溶剂如含5 l i c l 的二甲基乙酰胺溶液、氯代醇无机酸的水溶液等踟都可以溶解甲壳素。 壳聚糖是白色半透明而略带珍珠光泽的固体，其分子量取决于生物材料的来 源以及脱乙酰化条件，从数十万至数百万不等。壳聚糖分子中也存在有链内和链 问氢键，易于形成结晶区。这使得壳聚糖也不溶于水和一般的有机溶剂，最近报 道的可溶解壳聚糖的有机溶剂由d m s o 和对甲苯磺酸或1 0 樟脑磺酸组成【1 9 】。但 壳聚糖可溶于稀的无机酸和某些有机酸，因为它的分子链上有许多游离氨基，氨 基呈现弱碱性，能从酸性溶液中结合一个氢质子，从而使壳聚糖成为带阳离子的 聚电解质，同时溶于水中，其p k a 值约为6 5 。壳聚糖的f a 值越小，分子中的氨 基离子化程度越高，就越溶于水。但壳聚糖在稀酸中的溶解度并不是由f a 值一 个因素来决定的，壳聚糖本身的分子量或粘度也是一个十分重要的因素。多糖在 分子内和分子问形成许多氢键，使得分子比较僵硬和缠绕在一起，不易溶于水， 分子量越大，在水中的溶解度越小。 由于壳聚糖含有一级和二级羟基基团以及p k a 值相当低的一级氨基基团， 它能进行多种衍生化反应生成数目众多的壳聚糖衍生物。作为一种多聚阳离子， 壳聚糖可以与多聚阴离子如，硫酸葡聚糖、硫酸软骨素和透明质多糖等形成多聚 电解质复合物m 川l ；它还具有脂肪结合的特性，可以与脂肪酸、甘油二酯、甘油 三酯以及甾体等结合2 3 1 。除此之外，壳聚糖还具有很好的成膜性、成纤性、通 透性、吸附性、吸湿性和保湿性。 ( 2 ) 生物学性质 甲壳素及壳聚糖具有生物降解性，因为甲壳素和壳聚糖都是由生物体合成 的，那些以它们为能源的微生物会将多糖降解。 4 中国科学技术大学博j ：学位论文第一章 近期的研究还发现壳聚糖及其衍生物具有一些显著的生物学活性。 壳聚糖和n ，n 二羧甲基壳聚糖具有显著的促进骨骼再生和伤口愈合活性。 实验发现【2 4 _ 2 7 1 ：壳聚糖包裹的表面能够促进人成骨细胞和软骨细胞的生长，增 加细胞外基质蛋白的表达；而且壳聚糖还可以抑制活化的巨噬细胞产生氧化 氮，在伤口愈合的炎症反应过程中降低对细胞增殖的细胞毒性。 抗菌抑菌活性：壳聚糖对一些常见菌，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、枯草 杆菌、绿脓杆菌等均显示出一定的抑制作用，其抑菌效果与壳聚糖的脱乙酰化程 度、分子量及环境p h 等因素有关f 2 8 _ 3 。有研究表明聚合度3 0 的壳聚糖具有抗 多种革兰阴性菌、革兰阳性菌和乳酸菌的活性，丽低聚合度的则没有1 3 2 。3 = ；j 。 t o k u r a f = ；4 】等认为小分子量的壳聚糖寡聚物是作为细菌的营养物质，而大分子量的 壳聚糖寡聚物则可以通过电荷介导吸附至细菌细胞膜，阻止了细菌通过细胞壁对 营养物质的摄取，因此对细菌具有毒杀作用：还有人提出以细菌细胞中d n a 为 作用靶的抗菌机理。 壳聚糖、n ，o 羧甲基壳聚糖以及壳聚糖乙酸酯还具有止血功效。目前壳聚糖 止血机理的研究指出，它不是常规的依赖于血小板和凝血因子的瀑布机制，而是 通过对红细胞作用，使血细胞发生粘附聚集使血液凝固p “。 此外，壳聚糖还表现出抗肿瘤、抗病毒 1 等活性。对于壳聚糖的这些优 异的生物学活性，现在的研究对其中许多分子机制还不甚明了，不过一些实验现 象表明这与壳聚糖独特的碱性多糖结构和大分子阳离子特性关系密切。 1 1 4 甲壳素壳聚糖的分析测试 1 红外光谱 多糖样品大都很难找到合适的溶剂，红外光谱法( i r ) 可以直接利用固体样 品，经研磨成细粉采用溴化钾压片法或石蜡糊法进行定性、定量分析。当然若能 找到一种合适的溶剂，也可制成薄膜作红外光谱研究。 甲壳素和壳聚糖的红外吸收谱带在3 4 8 0c m o 到6 8 5c m 4 的范围内，各个主 要吸收峰所对应的振动列于表1 1 中。 中国科学技术大学博士学位论文第一章 以i r 光谱作为工具，选择合适的探针谱带和参比谱带，可以用于测定壳聚 糖的f a 值和它的一些衍生物的取代度阻删。 2 核磁共振 核磁共振( n m r ) 技术对于研究多糖的结构是大有帮助的。1 9 6 6 年f a l k 等人 ”| | 最早报道了降解甲壳素在l om o l lh c l 溶液中的1 hn m r 谱。壳聚糖因其能 溶解于稀酸水溶液中，可以采用氘代乙酸或氘代三氟乙酸与重水的混合溶液做溶 剂进行核磁实验。一些水溶性的甲壳素和壳寡糖则可以在重水中得到谱图。h 核磁共振主要解决多糖结构中糖苷键的构型问题，多糖的化学位移大多数集中在 4 o 5 5 p p m 范围。壳聚糖除了c 1 上质子的信号在4 8 5 5p p m 、c 2 上质子信号 在2 6 3 op p m 较易解析外，其他c 3 一c 6 上质子的信号集中在4 o 4 8p p m 范围 内，很难分辩。利用壳聚糖的1 h n m r 谱同样能定量分析计算其脱乙酰度【4 2 j 。 ”c 核磁共振的化学位移范围较1 h 核磁共振宽的多，可以达到2 0 0p p m ，所 以共振信号分得开，不但能确定各种碳的位置，还能区别分子的构型和构象。但 6 中国科学技术大学搏l 学位论文第一章 是壳聚糖的酸水溶液一般浓度低而粘度大，其b cn m r 谱的测试通常需要很长 时间。近年发展的固体核磁技术是一种可用于分析不溶性样品的方法。c p m a s ”c n m r 对测定壳聚糖的结构非常有用“，用于测定f a 值 o 0 5 的壳聚糖的 乙酰化程度效果很好，高分辩的c p m a s c n m r 还可用于分析壳聚糖的多晶 体形态。具有代表性的有关数据见表1 2 表1 2 固体甲壳素和壳聚糖的”c 化学位移1 5 l 项目c = o c - 1c 4c 一5c 一3c - 6c - 2 c h 3 o 甲壳素 蟹壳 1 7 3 71 0 4 58 3 27 6 07 3 66 i o5 4 42 31 虾壳1 7 3 71 0 4 ，48 3 37 5 87 3 66 1 45 5 52 3 1 壳聚糖 蟹壳 1 0 5 o8 567 5 56 0 _ 35 6 4 虾壳 1 0 5 28 6 17 5 66 105 72 3 分子量测定 测定甲壳素和壳聚糖的分子量，如同测定其它高聚物一样可采用粘度法、光 散射法、渗透压法、凝胶渗透色谱法( 即g p c ) 和超过滤法等等，但最常用的 是粘度法。 粘度法测定分子量是根据聚合物粘均分子量m 。和特性粘度的一个经验关系 式m a r k h o u w i n k 方程： 冲】= 翩彳。，其中粘度参数k 和旺值取决于聚合物、温 度、溶剂以及盐浓度等因素。如果k 和旺已确定，通过测定粘度就可以计算甲 壳素和壳聚糖的粘均分子量。 甲壳寒的d m a c - 5 “c l 溶液的k = 2 2 1 0 4d l g ，a = o 8 8 【4 5 1 。壳聚糖的常 用粘度参数如表1 3 所示。 7 中嗣科学技术人学博i + 学位论殳第一章 丽通常用于聚合物分子量测量的g p c 法，在壳聚糖中却较少使用。因为壳 聚糖的表观p k a 值随聚合度的增加而下降，而且强的相互作用会使高聚物强力 地吸附于固定相。有报道使用葡聚糖或琼脂糖凝胶在开放式柱系统中对壳聚糖进 行洌9 定h 6 1 。 1 1 5 壳聚糖及其衍生物的应用 壳聚糖具有如此独特的理化性质和生物学性质，使得壳聚糖及其衍生物显示 出极大的应用潜力。虽然有人认为它们可能成为纤维素或合成高聚物的竞争对 手，但由于成本和可供性的缘故，这一点似乎并不现实。不过，它们的这些理化 和生物学性质商可能使其大量应用于高附加值产品中，表卜4 总结了近年来有关 壳聚糖的些主要应用f 1 5 l ，涉及工业、医疗卫生、化妆品、农业、食品等许多领 域。 中国科学技术人学博l 学位论文第一章 表l 一4 壳聚糖主要应用一览表 应用所利用的壳聚糖的性质 工业 水处理工程：金属离子和染料的吸多聚阳离子：络合金属离子；生物可 附：蛋白质的絮沉；有机溶剂的分离降解性 纺织品，纤维，无纺布，皮革制品多聚阳离子；成膜；抗菌活性 纸张涂层可与多聚阳离子以及多糖形成复合物 生物工程：酶固定化；植物栽培培养化学性质：多聚电解质复合物 基添加剂；细胞微囊：蛋白纯化 医疗和卫生 降低血脂多聚阳离子；络合脂质 骨再生：治疗风湿性关节炎骨传导性；g a g 合成调控 脉管用药和手术组织黏附；止血 伤口护理：人造皮肤；止血海绵抗菌活性；对细胞的生物学性质 化妆品 皮肤保湿成分：洗发香波：定型发膜凝胶和薄膜的形成；抗菌活性 农业 植物生长调节刘：植物防御诱导剂：植物生长调节剂；抗性蛋白的调控； 种子保藏；土壤肥料；抗真菌剂以及刺激产生壳聚糖酶的壤细菌 抗线虫剂 食品 保健食品成分；食用纤维；泡沫稳定粘性：多聚阳离子；抑菌活性：薄膜 剂：防腐剂；饮料澄清；包装材料形成 1 2 壳聚糖分子链的剪裁与化学修饰 壳聚糖中含有一级和二级羟基以及p k 。值相当低的一级氨基基团，因此它具 有独特的化学功能性，可进行许多衍生化反应。下面简单介绍一些重要反应。 9 中国科学技术大学博l 学位论文第一章 1 2 1 主链的水解反应 低分子量的甲壳素和壳聚糖与高分子量的甲壳素和壳聚糖相比，具有许多不 同的反应性和生物活性，比如壳聚糖的五九糖，特别是六糖和七糖在抑制肿瘤 方面有特殊功能。近年来，低聚壳聚糖( 也称壳寡糖) 的制备成为当今国内外壳 聚糖研究开发的重点领域，它主要通过壳聚糖主链的水解反应获得。 壳聚糖的降解方法主要有三大类，包括酸解法1 4 7 4 刚、酶解法1 5 0 5 趴、氧化降解 法阻删和辐射降解法6 2 1 。其中，酶降解法通过特异地断裂壳聚糖的b ( 1 ，4 ) 糖 苷键来达到降解的目的，副反应少，产物质纯，但由于效率较低，尚难实现大规 模生产。能使壳聚糖发生降解的酶有很多种类，既包括专一性的壳聚糖酶、壳糊 精酶、氨基葡萄糖酶、溶菌酶等，还有非专一性的纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶等。 通过控制酶的种类和反应条件，可以制备不同聚合度的低聚糖。y 射线辐射法 应用于壳聚糖的降解则可提高降解效率，根据壳聚糖辐射时的状态可分为固态辐 射降解和溶液中辐射降解两种。 1 2 2 酰化反应 常用的酰化试剂有酸酐、酰氯。通过酰化反应，可以在壳聚糖上导入不同 的脂肪族或芳香族酰基6 酬，产物在有机溶剂中的溶解性将大大改善。壳聚糖的 酰化反应在氨基( n 一酰化) 或羟基( 0 一酰化) 上均可进行，而氨基的酰化更为优 先。 壳聚糖的乙酰化反应如下： 奄冬。垮：士 耘是f 哇 松基一壬 在醋酸水溶液或甲醇的反应介质中控制反应可以得到n 乙酰化壳聚糖，利用这 一反应可以制备具有n 乙酰化度为5 0 的水溶性壳聚糖6 7 删。而以毗啶为溶剂 和催化剂的存在下，可以得到完全乙酰化的壳聚糖。 o 中国科学技术人掌博士学位论文第一章 若控制壳聚糖的酰化反应只在羟基上进行，则可预先将壳聚糖分子链上的氨 基保护起来，再进行温和条件下的酰化，酰化反应结束后再脱掉保护基，得到 o - 酰化的产物。种保护方法是使壳聚糖的氨基与苯甲醛反应形成西佛碱，这将 在后面的内容中介绍。 另一种保护壳聚糖氨基的有效方法是利用壳聚糖与邻苯二甲酸酐的酰化反 应得到邻苯二甲酰化壳聚糖。日本的k u r i t a 教授等人对此进行了较为深入的研究 i 他7 引。该反应一方面可以保护壳聚糖的活性氨基，另一方面邻苯二甲酰化壳聚糖 在有机溶剂中可溶。通过壳聚糖的邻苯二甲酰化反应可以有选择性地对壳聚糖进 行定位化学修饰，制备出许多具有特殊功能的壳聚糖的衍生物。下面的示意图给 出了其中的一些例子。 。卜 士 l 嚣紫 始壬竺始士一霹警士 l n ：一r 一：。 艇冬，斗 l n h 2j ”焉筹羞烩， d i p “y lp | i o s p h o s p h o 州a 芏i d e l h o 弋弋一 o m a c l p ” 其中，在保护氨基的前提下对壳聚糖的羟基进行甲基硅烷化，得到的6 o 三甲 基甲硅烷化壳聚糖可溶于四氢呋哺、氯仿及甲苯等有机溶剂，然后可以进一步修 饰得到含有一甘露糖或b - g l c n a 支链的壳聚糖，这种带有支化糖苷的壳聚糖在 中性水溶液中有良好的溶解性而且具有较好的抗微生物性1 7 4 。7 引。他们还利用邻苯 二甲酰化壳聚糖为媒介在有机溶剂中成功地将抗癌药物多肽y i g s r 固定到壳聚 糖分子上，从而避免了酶对药物的消化，此复合物对实验鼠的黑索瘤细胞向肺的 跨 翌 中国科学技术大学博上学位论文第一章 转移显示出很强的抑制作用m7 ，这一结果表明壳聚糖用于活性药物的控制传输 释放和固相酶的合成有很大的潜力。 1 2 3 醑化反应 甲壳素和壳聚糖的c 6 羟基能被各种酸和酸的衍生物酯化，常用的酯化试剂 有浓硫酸、氯磺酸、磷酸、乙酸、苯甲酸等7 9 。8 f 。对于壳聚糖，可以同时在羟基 和氨基生成酯键。 。士三 如果将壳聚糖的c 6 氧化成羧基，再进行硫酸酯化，可制得与抗凝血剂肝素 的结构非常相似的产物f 8 2 1 ，受到人们的极大重视。 壳聚糖还可以与二硫化碳在碱性条件下反应，得到n 一黄原酸酯化壳聚糖。 这实际上又是一种黄原酸盐，对重金属离子有很强的螫合能力，且螫合产物不溶 于水，可通过过滤除去，因此是一种有效的重余属去除剂。 鼷。士睽叠 c = s 1 2 4 烷基化反应 壳聚糖的单元上有c 3 、c 6 位的羟基以及c 2 位的一级氨基，尤其是其氨基 有一对孤对电子，具有很强的亲核性，因此可与许多烃基化试剂反应。 如壳聚糖与卤代烃反应，首先发生的是n 一烷基化，0 一烷基化次之，所得烷 基化壳聚糖膜在乙醇一水溶液的膜渗透汽化分离方面应用较多1 8 4 8 5 】。而壳聚糖在 碱性条件下可以与硫酸二甲酯反应生成壳聚糖甲基醚。汪玉庭等【8 6 鹄j 在保护氨基 的情况下，利用c 6 羟基的亲核性将壳聚糖与二苯并1 6 一冠一5 氯代乙酸酯冠醚反 中国科学技术人学博士学位论殳第一章 应制得壳聚糖乙酸酯冠醚衍生物；与4 ，4 二溴二苯并1 8 冠6 冠醚反应制得冠 醚交联壳聚糖：与环氧丙基中环二胺反应制得全氮冠醚接枝壳聚糖，所制得的这 一系列冠醚接枝壳聚糖兼有壳聚糖与冠醚的双重结构与功能，在金属的富集分 离、废水处理中有广泛的应用前景。 壳聚糖与环氧衍生物的亲核开环加成反应，也可以得到烷基化衍生物，如下 图所示。不过，在碱性条件下壳聚糖与环氧丙烷的反应发生在羟基上，在酸性条 件下则发生在氨基上，所得壳聚糖的羟丙基化衍生物具有水溶性，可用于化妆品 m 9 引。还有类似的烷基化反应，如壳聚糖与环氧丙基三甲基氯化铵反应可生成 水溶性的n 一季铵盐，可用于制备蒙脱土纳米插层复合材料吲。 匿警置 1 2 5 生成席夫碱 o hc a 7 磷，士里烩 ho ，入rh 0 ，a r 八o h 壳聚糖中的游离氨基很容易与芳香醛( 酮1 、脂肪醛反应生成相应的席夫碱 9 3 9 “。通过这一反应，可以在壳聚糖中方便地引入长的烷基链，改善壳聚糖的有机 溶剂溶解性。例如壳聚糖与葵醛反应的产物，在1 2 6 观察到了壳聚糖本身所没 有的玻璃化转变现象酬。 反应生成的席夫碱在中性和碱性环境下相当稳定，但是在酸性环境中则迅速 水解，又恢复为游离的氨基。所以这一反应可用于对壳聚糖的氨基进行保护，然 后只定位在羟基上进行其他的化学修饰1 9 “，这在壳聚糖的改性研究中是非常有用 的。 万睽 翌 h c 、n妒蕊 中国科学技术大学博士学位论史第章 鼷叠竺拶警3 ，o a 电，o a c 麟斗卫麟l n = c h p h - jn l n h ， 另方面，出壳聚糖与醛基反应形成的席夫碱，经硼氢化钠等将之还原，可 转化成n 一烷基化壳聚糖衍生物俐。 如果用二醛反应，则可使壳聚糖发生交联或用于酶的固定化，通常使用的是 戊二醛。交联后的产物性质稳定，不溶解，甚至较难溶胀，这有利于它们用作层 析的载体或固定化酶的载体9 ”。壳聚糖的交联程度对壳聚糖的金属离子吸附能力 有较大影响i ”m 】。而且交联反应对制备壳聚糖膜材料来说几乎是必须的叭。0 3 1 ， 所得的壳聚糖交联膜在醇水分离的应用中显示出更好的渗透力和分离效果。 1 2 6 羧甲基化 与制备羧甲基纤维素相似，在壳聚糖和甲壳素分子中引入羧甲基基团可以 得到带负电荷的衍生物。例如甲壳素与氯乙酸在碱性条件下反应，得到羧甲基甲 壳素。由于在反应过程中伴随着脱乙酰反应，因此有相当多的氨基存在，产物为 可溶于水的聚两性电解质，其在生物材料方面具有潜在的应用价值i “j 。而壳聚 糖在此条件下反应，则生成n ，o 一羧甲基壳聚糖1 。 霹警3 等 o 、j o o h _ j “ 采用还原壳聚糖西佛碱的方法则可以得到n 羧甲基壳聚糖惭j 它可用于螫合金 属离子，且螫合后可用e d t a 洗脱。 1 4 中国科学技术大学博 学位论文第一章 1 2 7 氧化反应 壳聚糖的羟基可以被氧化，氧化剂不同，反应的p h 不同，则氧化产物也不 同。c 6 一羟基可被氧化成醛基或羧基；c 3 一羟基可被氧化成羰基。例如在壳聚糖的 高氯酸盐悬浮液中，用c r 0 3 作氧化剂，可使c 6 一羟基氧化为羧基。 1 3壳聚糖接枝改性的研究进展 1 3 1 接枝改性的重要性 高分子接枝共聚物一般由一种组分的高分子作为主链，另一种组分的高分子 形成数目众多的支链( 侧链) 连接于主链上构成。接枝共聚物的合成，与高分子 共混以及嵌段、星型聚合物一样，都是获得高分子复合材料的有效手段。它将具 有不同结构和性能的聚合物通过共价键结合在大分子主链上，相互取长补短，有 望获得性能更加优异的新型高分子复合材料。接枝改性作为一种有效的改性方法 已被广泛地应用于