（应用化学专业论文）壳聚糖的定位两亲化改性及自组装性质研究.pdf

济南大学硕f 。学位论文 摘要 壳聚糖作为仅次于纤维素的自然界第二大可再生资源，近年来受到广泛关注，其 研究与应用涉及到医药、食品、农业、纺织、环境等各个方面。但由于其溶解性差的 原因而使其应用受到限制，为拓宽其应用范围，人们根据不同的需要对其进行改性， 获得具有不同性能和功效的衍生物。关于壳聚糖的改性研究已有较多报导，但在壳聚 糖分子上同时进行亲水和疏水改性，使之成为两亲性衍生物的工作较少，而关于其自 组装行为的系统研究也较为缺乏。 本论文采用_ n h 2 保护的方法对壳聚糖进行了两亲性改性，得到了一系列具有明 确亲水基、疏水基取代位置的两亲性壳聚糖衍生物；通过红外谱图( i r ) 、核磁谱图 ( 1 h n m r ) 、元素分析、x r a y 衍射、热重分析( 1 - g ) 、差热分析( d s c ) 等手段 对衍生物结构进行了表征。在此基础上，对新型两亲性壳聚糖衍生物的基本物理化学 性质及其自组装体性质，如表面活性，聚集体性质，起泡性，乳化性，对难溶性物质 的增溶作用等进行了研究，总结了疏水基种类、疏水基取代度及衍生物溶液浓度对上 述性质的影响；着重研究了该两亲惟壳聚糖衍生物在溶液中形成的胶束自组装体性 质，内容主要包括：通过动态光散射对形成胶束自组装体的粒径大小及分布进行了研 究，通过透射电镜( t e m ) 对胶束自组装体的形貌进行了观察，并对疏水基种类、疏 水基取代度及其溶液浓度对胶束自组装体的影响进行了总结；研究了对难溶性药物葛 根素的增溶作用，包括对葛根素的增溶量以及增溶后的胶束粒径大小及分布，胶束增 溶葛根素的位置。对该两亲性壳聚糖衍生物溶液中形成胶束在增溶葛根素前后的变化 进行了研究，总结了疏水基种类、疏水基取代度及其溶液浓度对胶束增溶作用的影响。 实验结果表明： 1 采用合适的保护基技术可以存壳聚糖的改性中定位引入亲水、疏水摹团。在 对壳聚糖进行两亲化改惟以后，夫人改善了其溶解性，在水溶液中具有高分于表面活 性剂的基本性质，例如表面活性、泡沫性、增溶、乳化性等。 2 两亲性壳聚糖衙生物可以住溶液表面发生定向自组装，吸附j ：表面，产生良 好的表面活性；可以往7e 液表面f l 舞i 装，形成稳定的液膜。产生良好的泡沫件。对j ： 相蚓链长的壳聚精行丁7 i - 物随疏水皋取代度的增夫，表嘶活性、泡沫件增强。 3 改性后的历亲件先聚糖i j 生物在溶液r t 达到一定浓度后，可以依催泉水、疏 无聚硒的定仲曲果化改f # 歧臼绑砭体件衷研死 水作用力形成胶束自组装体。所形成的胶束形状基本为球形，其大小与壳聚糖衍生物 溶液的浓度、疏水基种类、疏水基取代度等因素有关。 4 两亲性壳聚糖衍生物在溶液中形成的胶束具有对难溶性物质( 葛根素) 的增 溶作用。增溶量随溶液浓度的增加而增大，随壳聚糖衍生物疏水基取代度的增大而增 大，增溶葛根素后的胶束由于其内部疏水微区对葛根素的增溶作用，胶束粒径的粒径 也略有增大。 5 两亲性壳聚糖衍生物可以在油水界面自组装形成稳定的界面膜，具有稳定乳 液的作用，具有较好的乳化力。 总之，所合成的两亲性壳聚糖衍生物具有明确的亲水基、疏水基取代位置，具有 较好的水溶性；可以在溶液表面、界面进行自组装，产生良好的表面活性、泡沫性和 乳化性：可以在溶液中进行自组装形成胶束，且对难溶性药物葛根素具有较好的增溶 作用，是一种新型的两亲性壳聚糖衍生物，在基础研究及应用方面具有很好的发展前 景。 关键词：壳聚糖；定位改性；自组装：胶束 济南夫学硕l 一学竹论史 a b s t r a c t c h i t o s a ni st h es e c o n da b u n d a n tp o l y s a c c h a r i d eo ne a r t ha f t e rc e l l u l o s e m u c hi n t e r e s t h a sb e e np a i dt oi t sm e d i c a l ，f o o dp r o c e s s i n g ，a g r i c u l t u r a l ，e n v i r o n m e n t a l ，a n do t h e r i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n si nt h ep a s td e c a d e h o w e v e r , t h er e l a t e da p p l i c a t i o n sa r el i m i t e db y i t si n s o l u b i l i t yi nw a t e r t h e r ea r em a n yr e s e a r c ho nt h em o d i f i c a t i o no f c h i t o s a n b u tt h e r e a l el i t t l er e p o r t so nt h ea m p h i p h i l i c m o d i f i c a t i o no fc h i t o s a na n dl e s ss t u d i e so ni t s s e l f - a s s e m b l ep r o p e a i e s i nt h i st h e s i s ，t h es o l u b i l i t yo fc h i t o s a nw a si m p r o v e da f t e ra m p h i p h i l i c m o d i f i c a t i o n w es e l e c tt h em e t h o dw h i c hp r o t e c t e dt h e - n h 2g r o u pi no r d e rt od e f i n i t et h ep o s i t i o no f t h eh y d r o p h o b i ca n dh y d r o p h i l i cg r o u p t h es t r u c t u r eo fc h i t o s a nd e r i v a t i v ew e r e c h a r a c t e r i z e db yi 1 h n m r , x r d ，t g ，d s ca n de a t h ep r o p e r t i e so ft h e s ec h i t o s a n d e r i v a t i v e sw e r es t u d i e d , s u c ha st h es u r f a c ea c t i v i t y , s e l f - a g g r e g a t e s ，f o a mp r o p e r t i e s , e m u l s i f i c a t i o na n dt h es o l u b i l i z a t i o ni m p r o v e m e n tt ot h ei n s o l u b l es u b s t a n c e t h e p r o p e r t i e so fs e l f - a s s e m b l e sw e r es t u d i e de m p h a s i z e l yb yd y n a m i cl i g h t i n gs c a t t e r i n g ( d l s ) ，t r a n s m i s s i o ne l e c l x o nm i c r o s c o p e ( t e m ) m e t h o d s t h ei m p r o v e m e n to fs o l u b i l i t y t op u e r a r i nw e r ea l s os t u d i e d t h ee f f e c t i o no ft h eh y d r o p h o b i cg r o u p ，s u b s t i t u t eo fd e g r e e a n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft h es o l u t i o nt ot h e s ep r o p e r t i e sw e r es u m m a r i z e d 1 1 l er e s u l t s w e r ea sf o i l o w s ： 1 t h eh y d r o p h o b i cg r o u pa n dt h eh y d r o p h i l i cg r o u pw e r ei n t r o d u c e dt oc h i t o s a n d e f i n i t e l y 惭t l lm e t h o do ft h ep r o t e c t i o nt o - n h 2g r o u p a f t e rt h em o d i f i c a t i o n , t h e s o l u b i l i t yo fc h i t o s a ni nw a t e rw a si m p r o v e dg r e a t l y t h es o l u t i o no ft h i sn e wd e r i v a t i v e s h o w st h ef u n d a m e n t a lp r o p e r t i e so f p o l y m e rs u r f a c t a n t s 2 t h ea m p h i p h i l i cc h i t o s a nd e r i v a t i v e sc a ns e l f - a s s e m b l e do nt h es u r f a c eo f t h es o l u t i o n , r e s u l t i n gi nt h eg o o ds u r f a c ea c t i v i t y t h e yc a na l s os e l f - a s s e m b l e do nt h ei n t e r f a c eo ft h e s o l u t i o na n da i r ，r e s u l t i n gi nt h eg o o df o a mp r o p e r t i e s 3 t h ea m p h i p h i l i cc h i t o s a nd e r i v a t i v ec a na s s e m b l et of o r mm i c e l l e si nt h es o l u t i o n r e l y i n go nt h eh y d r o p h i l ep o w e ra n dt h eh y d r o p h o b ep o w e rw h e nt h ec o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e d t h es h a p eo f t h em i c e l l ei ss p h e r i c i t ya n dt h ed i a m e t e ri sr e l a t i o nt ot h es o l u t i o n 壳聚培的定位两亲化改件及自组装体件质研究 c o n c e n t r a t i o n , t h eh y d r o p h o b eg r o u p , t h ed e g r e eo f s u b s t i t u t i o n ( d s ) e t c 4 t h em i c e l l ef o r m e di ns o l u t i o no ft h e s ea m p h i p h i l i cd e r i v a t i v e sc a l li m p r o v et h e s o l u b i l i t yo ft h ep u e r a r i n w i 也t h ec o n c e n t r a t i o na n dt h ed si n c r e a s i n g t h i sa b i l i t y i m p r o v e dg r e a t l y t h ed i a m e t e ro f t h em i c e l l ew h i c he n w r a pp u e r a r i ni sl a r g e rt h a nb e f o r e 5 t h ea m p h i p h i l i cc h i t o s a nd e r i v a t i v e sc a ns e l f - a s s e m b l e do nt h ei n t e r f a c eo ft h ew a t e r a n do i l ，r e s u l t i n gi ns t a b l ee m u l s i o n i nc o n c l u s i o n as e r i e so fa m p h i p h i l i cc h i t o s a nd e r i v a t i v e s 谢t l ld e f i n i t es t r u c t u r ew e r e p r e p a r e d t h ec h i t o s a nd e r i v a t i v e sc a l ls e l f - a s s e m b l e d o i lt h es u r f a c ea n di n t e r f a c e ， r e s u l t i n gi ng o o ds u r f a c ea c t i v i t y ，f o a ma n de m u l s i v ep r o p e r t i e s t h e yc a nf o r mm i c e l l ei n w a t e ra n dh a sg o o da b i l i t yt oi m p r o v es o l u b i l i t yo fp u e r a r i n t h i sn e wk i n do fa m p h i p h i l i c c h i t o s a nd e r i v a t i v eh a sg o o df o r e g r o u n di nt h ef u n d a m e n t a lr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n k e y w o r d ：c h i t o s a n ，r e g i o n s e l e c t i v em o d i f i c a t i o n ，s e l f - a s s e m b l e ，m i e e l l e 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：! 垄洹溢 日期： 呈2 1 乙五：z 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借鉴；本人授权济南大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：连近迄导师签名：鸶丛日期：2 呸：! 第一章前言 1 1 壳聚糖研究简史及应用现状 壳聚糖( c h i t o s a n ) ，又称脱乙酰壳多糖、脱乙酰几丁质，化学名：( 1 ，4 ) - 2 氨基一2 脱氧一6 - d - 葡聚糖( a - ( 1 4 ) - 2 a m i n o 2 - d e o x y - 1 3 d g l u c o s e ) ，是由甲壳素 进一步脱乙酰化后得到的线性、天然含氨基的聚糖( 图1 ) ，一般而言，n 乙酰基脱 去5 5 以上的就可称之为壳聚糖【l l 。1 8 11 年，法国学者布拉可诺( b r a c o n n o ) 首先在 菇类中发现甲壳素，当时将其命名为f u n g i n e 。1 8 2 3 年，法圉科学家欧吉尔( o d i e r ) 在处理昆虫外壳时亦得到了此类物质，并把它命名为c h i t i n ( 希腊语，意为“包覆” 或“封套”；因为甲壳素是包被在节肢动物外骨骼或外表面的物质，由此而得名) 。 1 8 5 9 年，r o u g e t 将c h i t i n 用浓碱处理得到了脱乙酰化甲壳素，因发现该物质可溶于 有机酸而c h i t i n 却不溶，因此称之为变性甲壳素。1 8 9 4 年，h o p p e s e y l e r 将变性甲壳 素命名为c h i t o s a n ，在其后的近百年中，由于甲壳素本身不溶子一般的酸、碱和盐溶 液中，其化学结构难以确定，限制了对它的研究和利用，因而并没有受到人们的广泛 关汴。 c hz o h n 矸c o c h 】 甲壳素 n c hz o h 图1 甲壳素、壳聚糖的结构式 n hz 壳聚搪 n 直到1 9 7 7 年，在美国波士顿召开的“第一+ 界i 习际 i 壳索壳聚糖会议”极大地推 动丁这研究领域的迅速发展，随后许多国家部加犬了埘耳t 素壳聚糖研究与开发 的投入其f i 虻以 1 本最为突出。5 年以后，第：界甲，名豢责：聚糖陶勋；会议存f 1 本扎 幌 j l 于。之后，义相继存：意大利( 1 9 8 5 年) 、挪贼( 1 9 8 8 f ：) 、荚斟( 1 9 9 1 年) ， 波! ( 1 9 9 4 ：) 、法国( 1 9 9 7 年) 及f l 本( 2 0 0 0 ， ) f j rj 稚i 、网、扛、人、七、 l 壳聚帮的定位两震化改件厦自组装体件质研究 八界甲壳素i 壳聚糖国际学术会议。除这些大型的国际甲壳素i 壳聚糖学术会议以外， 不同地区( 如亚太地区、欧洲地区等) 和国家也召开了规模不等的甲壳素i 壳聚糖学 术研讨会。这些国际、地区和国家甲壳素i 壳聚糖学术会议的召开不仅促进了国际问 甲壳素，壳聚糖研究领域内的学术交流，而且也引起了越来越多的国家和地区政府部 门、学术研究机构的重视，使得甲壳素壳聚糖的研究与开发在全世界范围内同益蓬 勃发展起来。 壳聚糖虽然被发现将近有2 0 0 年历史，但真正开始对它进行深入研究还只是最 近2 0 年的事1 2 1 。我国的甲壳素热始于上世纪8 0 年代中期，到现在已取得相当大的 进展，并成为世界上最大的壳聚糖和甲壳素生产和出口国。壳聚糖结构可被认为是” 类植物”材 ： ，具有良好的生物相容性和生物黏附性，以及抗菌消炎，免疫调节，抗 肿瘤等药理作用。在自然界中，壳聚糖广泛存在于低等植物菌类、藻类的细胞，节肢 动物虾、蟹、蝇蛆和昆虫的外壳，贝类、软体动物( 如鱿鱼、乌贼) 的外壳和软骨， 高等植物的细胞擘等，每年生物合成的资源量高达1 0 0 亿t ，是地球上仅次于植物纤 维的第二大生物资源，其中海洋生物的生成量在l o 亿t 以上，可以说是一种用之不 竭的生物资源。壳聚糖的化学结构与纤维素很相似，但是由于比纤维素多了一个活泼 的氨基，使其衍，物化途径更为多种多样。壳聚糖经自然界中的壳聚糖酶、溶菌酶等 的完全生物降解后参与生态体系的碳和氮循环，对地球生态环境起着重要的调控作用 3 1 。 壳聚糖以其独特的，物活性( 生物相容性、生物降解性、抗菌性、无毒性等) 和 物理化学性质引起人们的重视。例如食品方面：以壳聚搪为原料的生物保健品不仅有 利于人体肠内双歧杆菌的增殖，同时可抑制肠内有毒菌和腐败物质的生成增加人体 纤维素的质和璧，提高免疫力：生物方面：阳离子壳聚糖溶液与阴离子藻酸溶液相互 作用形成不溶f 水的膜，可用于封入产生胰岛素的细胞。这种膜生物兼容性好，且能 渗透细胞产物胰岛素，将该产品移植到切除了肝脏的动物体内可成功的拧制血糖 浓度：跃学疗向：壳聚糖能被广泛存在于生物体组织中的溶荫酶降解，乍成的天然代 谢物j e 毒n 能被， 物体完伞吸收。因此用它作药物缓释材料比许多不f 毙t - 成无毒天然 代谢物的7 i 物腐蚀犁材料具有更大的优越性：化妆品方【叭先聚糖及其低聚物有优良 的保浔增泓性能在护肷化妆品中添加一定齄的低聚物既i 叮以防l 卜化妆晶配方中水分 的逸失，也以对表支水分进 j - 保护，而且低聚壳聚糖良& r 的透气作义不f 扰表皮对 废物和，每豢的排潲小会造成皮肤粉刺。 所雨夫擘蛔f 。学位论定 壳聚糖因为分子结构中含有游离氨基，能结合酸分子，是天然多糖中的唯一碱性 多糖，因而使得壳聚糖具有许多特殊的物理化学性质和生理、药理功能。譬如，壳聚 糖现已被许多学者称为除蛋白质、脂肪、糖、维生素、矿物质之外人体所必需的第六 生命要素就是其中一个很好的例证。 作为自然界中数量最多的天然含氮有机化合物和第二大有机自然资源的甲壳素 壳聚糖，因其自身具有生理适应性、可完全分解性、多功能反应性、立体结构与手征 性、可再生性与亲水性等多种优异性能，使得甲壳素、壳聚糖的研究与应用越来越受 到世界范围内的广泛关注，引起了化学界、生物学界、医学界及化工、医药、食品、 化妆品、化纤、印染、造纸等工业行业和农业、环保等不同领域的广大科技工作者和 生产技术人员的极大研究开发兴趣。 总之，壳聚糖是一种很有发展前途的聚合多糖，不久的将来，它一定会在我们的 生活和生产中扮演着重要的角色，继续深入的研究和发展也有着更广阔的应用前景。 1 2 壳聚糖的改性研究 由于壳聚糖分子的活性基团是氨基而不是乙酰基，因而化学性质和溶解性比甲壳 素有所改善，可溶于稀酸，甲酸，乙酸溶液，然而由于壳聚糖的高分子量和分子内、 分子间的氢键作用，使得壳聚糖晕紧密的晶态结构，不溶于水和大多数有机溶剂，只 有当d a = 5 0 左右时，壳聚糖的二次结构破坏最大，降低了结晶度，增加了分f 链的 无序性，因留下近一半具有亲水性的氨基，才能很好地溶于水中1 4 1 。这种差的溶解性 成为壳聚糖应用的等要限制因素，因此，有必要对壳聚糖进行进一步的改性，以达到 利用其生物活性和生理活性的目的。 壳聚糖大分子链上分布着许多氨基、羟基，还有一些n 乙酰基等活性肇团。这 使得利用这些基团通过各种反应制备壳聚糖衍生物成为可能。目前，对壳聚塘进行化 学改性主要集中在酰化反应、烷基化反应、羧基化反应、交联反应，希夫碱反应等几 个领域。但大部分政性研究都朱采取有效的选择性反应，由于壳聚糖h 羟摹和氰肇部 具有反应活性，岗此得到的彳手f e 是疗：不嗣位胃均有可能发生反应的各种t i n - 物的混合 物，其性质研究也多是宏观的f 电用敏果研究，对其结构和性能之问的关系难以作水深 入的分析讨论，对进一步的理论研究殷心h j 造成了小便。因此有必要对壳聚糟进行一 些选择性控制反心，得剑位胃较为l 月确的壳聚糖f i l d - 物。 1 2 1 酰基化反应 壳聚塘的定位两焉化改件及自圣f i 装体件质研究 与酰氯或酸酐反应，导入脂肪族或芳香族酰基，可在羟基( o 酰化) 或氨基( n 酰化) 上进行，产物生成与反应溶剂、酰基结构、催化剂、反应温度有关：在甲磺酸 溶剂中、低温下可得双o 酰化甲壳素。甲磺酸既是溶剂，又是催化剂，反应均相进 行，所得壳聚糖的酰化度( o - 酰化) 都在1 8 以上，大部分都溶解于多种有机溶剂中。 当在壳聚糖中加入甲磺酸后，甲磺酸会同壳聚糖分子中的氨基成盐，并同c 6 - o h 和 c 3 o h 形成弱酯1 5 】。此时壳聚糖分子中的氧键被破坏，分子间距离增大， 分子链呈 扩张状态，因而在甲磺酸中形成均相体系，有利于0 酰化反应的发生。当体系中加入 酰氯后，由于酰氯具有较强的亲电性，进攻弱酯，发生酯交换，从而形成新酯，由 于壳聚糖的氢基与甲磺酸己成盐，因而不与酰氯发生反应，因此甲磺酸和氨基形成的 盐可以提供保护氨基的作用。由于壳聚糖的氨基以甲磺酸盐的形式存在，为获得纯粹 的o 酰化壳聚糖还必须除去甲磺酸。当向体系中加入氨水进行多次中和时，由于甲 磺酸与氨水生成的盐溶于水，因此可使平衡移动，使产物的氨基以自由形式存在，得 到o 酰化壳聚糖产物。羟基上的选择性酰基化主要依赖于氨基的活泼性强于羟基的 活泼性；对于羟基上的选择性酰基化，o ，o | 二葵酰基壳聚糖的制备是通过保护后的 n p h t h a l o y lc h i t o s a n 作为中间体得到，然而这种方法需要保护和去保护。s a s h i w a 报 道了在m e s 0 3 h 中制备o 酰基化壳聚糖的方法1 6 1 。 在对壳聚糖酰化反应的研究中，m o o r 等发现，预先在氨基上导入的酰基或苯甲 醛形成西佛( s c h i f f ) 碱，可使o 乙酰化反应容易进行，得到乙酰化度为2 0 左右的 产物。他们认为，导入大的酰基使紧密聚集的夫分子链彼此分开，形成西佛碱后消除 了酰胺基氮上氢原子对试剂的位阻作用，因而反应变得容易进行了。 施鞋稿j nj 1 。 h c l i r 目f j f x ：i ( r 或r 为烷肇、芳基) 图2 阡墟i ：的魄化反麻式 n 一酰化反心介质影响很人。用i f 酹f | l 乙醇或i 1 悻和 f f 酰氨双相混合介质时，反心 速；字 最大1 7 1 ：刚仃机 质子 递溶剂。采川高慢膨卧长的矗聚糖红审温i - 3m i n 哪j ”f 4 1 一印 罱 国 0 济南夫学硕卜学位论文 完全酰化i $ 1 。若与过量的乙酰氯、癸酰氯在无水吡啶相反应，在乙酸和甲醇介质中用 酸酐低温反应得部分酰化产物( d s = 5 0 左右可得水溶性产物) 。 若控制反应只在羟基上进行，可采用图2 中的方法1 9 l 。 1 2 2 烷基化反应 烷基化反应可以在甲壳素的羟基上( 0 烷基化) ，也可以在壳聚糖的氨基上进行 ( n 烷基化) ，壳聚糖分子中的游离n h 2 存在孤对电子，有很强的亲核性，易引入 烷基类取代基，与卤代烃反应时，首先发生n 烷基化，因此通过控制氨基与烷基的 比例，可以使烷基化发生在氨基位置上。一般是甲壳素碱与卤代烃或硫酸酯反应生成 烷基化产物。用不同碳链长度的卤代烷对壳聚糖进行改性，可制备乙基壳聚糖 ( e c t s ) 、丁基壳聚糖( b c t s ) 、辛基壳聚糖( o c t s ) 和十六烷基壳聚糖( c c t s ) 。 壳聚糖的烷基化反应主要发生在c 2 上的n h 2 上，c 3 、c 6 位的一o h 上也可发生取代反 应。 在壳聚糖的烷基化反应中，反应时间、反应温度、反应介质、碱的用量和改性剂 的用量宜接影响改性产物的理化性质。一般而言。为了制得高取代度和高粘度的衍生 物，反应时间以2 4h 为宜，反应温度以4 0 6 0 度为宜i ”i 。壳聚糖引入烷基后，c t s 的分子j 日j 氢键被显著削弱，因此烷基化壳聚糖溶于水但若引入的烷基链太长，则其 衍! l 物会不完全溶于水，甚至不完全溶于酸性水溶液，如c i s - c t s 。 1 2 3 羧基化反应 碱性条件下，氯代烷酸或乙醛酸，在6 - 位羟基或氨基上引入羧烷基基团。将甲壳 素在冷冻f 用十= 烷基硫酸钠( s d s ) 碱化后，悬浮于异丙醇中，室温f 与氯乙酸反 应而得到c m - e h i t i n i l 。若在3 0 左右进行反麻，则得到o c m c h i t o s 越1 1 2 1 。o ， n c m c h i t o s a n ( 简称n o c c ) 是通过壳聚糖悬浮于异丙醇中加n a o h ，搅拌使膨胀， 冉j 氯己酸反应，加热后即得n o c c i 。m u z z a r e l l i r 则通过先制成o c m c h i t o s a n ， 阿j 乙黪酸反应而得到l l 舢。 羧甲桂取代位置、取代度，分子量和脱乙酰度这阴个参数基本决定了羧甲基甲壳 耩分子的级结构，并对羧甲基甲壳精分j ，链的“级结构及j 物理化学性质、牛物活 忭产生电久影响。羧基化反成既町以发生扎钮壤卜，也l i 丁以发7 t ： i 阡睡七， 1 前反心 最多的毡n 一睃甲壤化、n - 羧乙肇化卡o 羧 i 辏化。x i g u a n g ( h e n ，i t y u n - j i np a r k 研 5 壳聚错的定位两果化改件及自组装体件质研究 究了不同反应条件对o 羧甲基壳聚糖的影响，认为o 羧甲基壳聚糖的水溶性与羧甲基 化程度有关，提高反应温度增加羧甲基化程度，但以增加了羧甲基化壳聚塘在低p h 值下的不溶性，增加水异丙醇溶剂的比率，降低了羧甲基化程度，但增加了在高p h 值下的溶解性i t s i ：a i p i n gz h u 测得o c m c s 的临界胶束浓度在0 0 4 2m g m l 一- - - 0 0 5 0 m g m l o 之伽，通过表面张力、静态荧光光谱、黏度等测试手段研究了o c m c s 在稀溶 液中的聚集体行为，并对其聚集体构造和在水溶液中可能的聚集机理进行了说明1 1 6 1 ， 但由于取代位胃不够明确，对其聚集体形成的机理未作深入说明。陈凌云制备了羧甲 基壳聚糖。并研究了其分子结构和吸湿、保湿性问的相互关系，指出6 o 羧甲基基团 是吸湿、保湿的主要活性部分，随分子量的增加，吸湿保湿性进一步提高1 1 7 i ；y u r ya s k o r i k 等人利用特定条件( p h = 8 9 ，6 0 ) 下羟基与氨基的反应活性的差异，使羧 乙基化反应仅发生在氨基上，从而制得了取代位置明确的n ( 2 羧乙基) 壳聚糖，其取 代度可以通过控制反应时间和反应次数的手段得到控制【l 引，该文献中也是唯一利用两 种基团的反应活性差异质的明确取代位置的反应方法，其位置选择性为1 0 0 ，并研 究了n ( 2 c a r b o x y e t h y l ) c h i t o s a n s 与二价铜离子的配位络和作用；o i i g o r i jk o g a n 则研 究t n ( 2 c 盯b o x y e t h y l ) c l l i t o s 舭s 的抗氧化性和抗诱变活性1 1 9 1 。( 反应过程中生成h c i ， 溶液的p h 值随反应程度的加深而变化，反应时间过长，条件苛刻，不易实现) 。 1 2 4 与环氧化合物反应 在碱性条件下。壳聚糖与环氧丙烷进行羟丙基化反应优先发q t 在羟基上，得到的 壳聚糖衍，物溶解于水，可作为化妆品的配料，而在酸性条件下几乎不发生n 烷基 化，壳聚糖的碱性溶液与环氧乙烷或2 氯乙醇反应可得羟乙基化的衍生物。产物可溶 p 司品 图3 壳聚糖的羟泻基化反_ 、；! 于水此外，合适的外氧化物( 如缩水 r 油、缩水甘油堆特睃甲版) 均n ，| j 壳聚糖 反心，t - t & 水溶性的，t 聚精1 2 0 i 。反应为亲饮取代机理，2 化的氰壤足 要的亲 幺基，羟 基n ：襞种f i i ! 度i ：也参j j 泉核取代反j 懂，酾、忻等洋细研究r 羟内j 毒矗聚糖制备n 勺最f 1 1 条 1 2 5 西佛碱反应 壳聚糖分子中的氨基与醛或酮反应，可以得到相应的醛亚胺和酮亚胺类多糖。利 用这个反应，一方面可以“封闭”壳聚糖分子中的游离氨基( - n h 2 ) ，使反应定向在 其它官能团( 如羟基) 上进行：另一方面也可以采用合适的还原剂( 如氰硼化钠、 n a c n b h 3 ) 将产物还原得到相应的n 一取代衍生物。含有羰基的糖( 包括单糖、二糖 和多糖) 在还原荆( 如n a c n b h 3 ) 存在下可与壳聚糖发生席夫反应生成具有桅状或 树枝状支链的特殊结构的町溶于水的产物。 1 2 6 交联反应 甲壳素和壳聚糖可与双官能团的醛或酸酐等发生交联( c r o s s l i n k e d ) 反应。这样 的交联产物不溶解，溶胀也很小，性质很稳定。交联主要发生在分子问，常用的交联 剂是戊二醛和乙二醛。交联可在室温f 进行，且反应快速。交联反应既可以在水溶液 中进行，也可以在非水介质中进行，而且可以在很宽的p h 值范围内发生。k a p l a n 等 发现壳聚糖用卤代醇交联后，不仅使其湿念强度大大提高，而且还保留了壳聚糖 二的 氨基。 1 2 7 其它反应 甲壳素，壳聚糖还呵以发生氰乙基化，氧化、成盐、螯和等反应，生成具有相应 结构和性能的衍，物。 k u r i t a 曾详尽综述了甲壳素、壳聚糖的改性反应1 2 2 1 ，利用壳聚糖的这些政性反应， 已制得了许多壳聚糖衍尘物。s e u n g l e ek w o n 等人通过控制58 胆汁酸的取代度得到 了一系列衍生物和平均大小小同的自聚集体，研究了5b 胆汁酸跟乙：醇壳聚精通过 共价作用得到的由疏水壤修饰的乙：醇壳聚糖( h c , c s ) 自聚集行为2 3 j ：c a n z h a n g 通过邻苯二甲酸酐保护氨鹾后再去保护的疗法制得了o 琥珀酰化壳聚糖，夫夫改善 了其溶解性1 2 4 l ；也仃入通过邻苯- i p 酰哑胺壳聚糖作为中问体成功制得ro ，o 二 癸酰堆壳聚塘：k e i s u k ek u r i t a 较为详细的研究了邻苯：甲酸酐对氨轼保护的条件0 2 ”， 厦门人学的e 勉订：聪沦文r f l t 细研究了邻苯- e p 酰化壳聚糖的制备条件以殷廷液晶 jj 为。y u r y a s k o r i k 作弱碱性p h = 8 9 ) 条件卜i 足砼甚和氨堆反心活件i k 分 宋， 壳聚糖的定付两爱化改件及自封i 装体件质研究 选择性的合成了o 羧乙基壳聚科2 矾，并研究了其抗菌及抗诱导等性质，但这种方法 的反应条件较为苛刻，且反应时间过长( 需5 d ) 。壳聚糖在中性介质中，很容易与 芳香醛( 酮) ，脂肪醛反应生成希夫碱。该反应可用于氨基保护( 保护程度约为1 0 0 ) ， 在羟基上进行各种反应，反应结束后可方便的脱掉保护基，也可用一些特殊醛保护， 经氰基硼氢钠还原，直接得到n 衍生物。董炎明、郭振楚等人先用苯甲醛保护氨基， 然后用硼氢化钠还原的方法制得了n 苄基化壳聚糖，并研究了取代度和取代位置对 临界液晶浓度的影响 2 r l 。也有研究者利用乙醛酸与壳聚糖中氨基形成西佛碱，然后再 用硼氢化钠将西佛碱还原成亚甲基。此反应专一性强，羧甲基仅取代在2 位氨基上， 且反应在均相水体系中进行，不需加热，反应时| 、日j 短，取代均匀【2 铂。 以上壳聚糖的改性研究主要集中在单纯的亲水或疏水改性，将壳聚糖通过两亲化 改性的文献较少见。而现有的壳聚糖两亲化改性存在改性位置不甚明确的不足之处， 对于这些结构不明确的衍生物，很难讨论研究其结构和性能之间的关系 2 9 1 。因此，为 进一步研究壳聚糖改性后的两亲性衍牛物的结构和性能之间的关系，有必要对壳聚糖 进行定位两亲化改性，揭示其结构与性能关系的规律，为进一步开发其应用奠定良好 的理论基础，提供新型的多功能材料。 1 3 分子自组装行为研究 1 3 1 分子自组装的原理 广义的自组装是指系统的单元在没有外来干涉的情况下自动组织成一定的斑图 ( p a t t e r n ) 或结构。这种现象在大自然和 ：程技术中都司空见惯，小到原子或分子尺 度，大到星系尺度，我们都能发现自组装现象。而分子自组装指分子在氢键、静电、 疏水亲脂作用、范德华力等弱力推动f 通过化学键自发组合形成结构稳定、复杂有 序且具有某种特定功能的分子聚集体或超分子结构的过程。分子自组装在生物体系中 是普遍存在的，并且是形成千姿百念、结构复杂的生命体的基础。例如，生物学中不 刷蛋白质的聚集体是经过分f 自组装彤成的，其中丙利酸脱氢酶配合物是由8 个聚 单元的硫睾酰胺、1 2 个分子的硫睾酰胺脱氧酶和2 4 个分子的丙酮酸脱黢酶聚合而成 的，其直径约为3 0n m 。 分子自组装是在热力学甲衡条f ，i 卜进行的分r 重排过程，它的影响闪素也多种多 样，t 要何以卜= i 个影响吲案：l 、分f f ! 别对分r 自组装的影响；2 、组分对分rf f 绑旋的影响：缉【分的结构年【l 数对f j 升i 徒超分子聚集体的结构仃很大的影响：3 、溶 冀 济南大学硕卜擘伊论丈 剂对分子自组装的影响。绝大多数对自组装体系的研究都是在溶液中进行的，因而溶 剂对自组装体系的形成起着关键作用。溶剂的性质及结构上的不同都可能导致自组装 体系结构发生重大改变，任何破坏非共价键的溶剂，都可能会影响到自组装过程的进 行，包括溶剂的类型、密度、p h 值以及浓度等。在超分子化学中，“组装”的重要 性就如同分子化学中的“合成”一样。自组装是指构筑基元在没有人为介入的情况下 自发的形成有序结构，它是组装的高级层次，不仅是包含生命进化的分子工程的重要 组成部分，而且是生物体系中的生物合成的重要参与者，其构筑基元可以是无机分 子有机小分子、高分子及生物大分子等。自组装可以分为两大类：静态自组装和动 念自组装。其主要区别在于是否涉及到了能量耗散。 分子自组装的原理是利用分子与分子或分子中菜一片段与另一片段之间的分子 识别，相互通过非共价作用形成具有特定排列顺序的分子聚合体。非共价键的弱相互 作用力维持自组装体系的结构稳定性和完整性。但是并非所有分子都能够发生t q 组装 过程，它的产生需要两个条件：自组装的动力以及譬向作用。自组装的动力指分子间 的弱相互作用力的协同作用，它为分子自组装提供能量。自组装的导向作用指的是分 子在空间的互补性，也就是说要使分子自组装发生就必须在空间的尺寸和方向上达到 分子重排要求。 分子自组装的实现依赖于分子间键。分子i b j 键是分子问弱相互作用，它包括氢键、 范德华力、亲脂疏水作用等，物理本质是永久多极距，瞬时多极距、诱导多极距三 者白j 的相互作用。由于超分子体系中的作用多呈现加和性和协同性，并具有一定的方 向性和选择性，其总的结合力可以不亚于化学键。例如h a ( 透明质酸) 可以依靠分 子问力自发组装成有序的纤维结构【3 们，s c o t t 采用旋转阴影电f 显微镜观察到h a 分 子可以聚集成长的细丝纤维，冯倩等采用原子力显微镜对这种自组装行为进行了研究 p ”。分子以别就是这种弱相互作用结合的体现，也是形成高级有序分子组装体的关键。 l a w r e n c e 等人把自组装定义为由非共价键相互作用驱动的高度收敛的合成行为。聚 合物薄膜的制备大多足基于物理吸附的过程( 旋涂，l b 膜技术等) ，存在着薄膜附 着力低、稳定性差、厚度不易精确控制等缺点p 2 i ，利h 分f 自组【装町以解决上述问题。 1 3 2 分子自组装的应用现状 绛过近1 0 , - 的努力，人们对大分f f i 组装体系的认 j ! 比以酊簦i j i 入得多，对其麻 i | j 研究，则蹙足朝着戈用方面发展，利h j 这种分r 绑i 装思想，川容埸的方，构筑具订 9 元檗硒的定位曲栗化改忭技自组爱体件质研冤 特殊物理和化学性质的功能组装体系，来探求其在新催化剂、超分子药物、具有生物 相容性的组织功能材料方面的应用。很多重要的生物化学反应和高技术含量的处理过 程都是发生在通过自组装而产生的隔膜、囊泡、单层膜或胶束上【3 3 l 。分子自组装技术 在纳米技术中的应用主要集中在纳米介孔材料、纳米管、纳米微粒的制备中。 1 3 2 1 纳米介孔材料 纳米介孔材料的制备是纳米复合材料合成研究的热点，而分子自组装技术是一种 合成纳米介孔材料的有效手段，它得到的介孔具有均匀、可调的特点。k u a n gr a i n 等 【3 4 l 以氢键为驱动力将可交联的刚性聚氨酸酯( p a e ) 低聚物与土壤状的聚乙烯基吡啶 在它们的共溶液中分子闯自组装，然后再使p a e 光交联的方法制得纳米介孔材料。 1 3 2 2 纳米管 管状纳米材料的研究现在非常活跃，而分子自组装技术在纳米管状材料的制备中 发挥了重要作用。m e i x i a n gw a n 等发现以( n h 4 h s 2 0 8 为氧化捌璜酸为掺杂剂，不 需要另外的模板的情况下通过自组装的方法制备聚苯胺的微米纳米管，并发现在这 一过程中璜酸是作为模板参与反应的。b ol i 等在c a f 2 云母基体和p t 晶片上用自组 装的方法制各了基于重氮基树脂的单壁纳米管，并对其进行了i r 光谱、u v v i s 光谱 和t e m 研究，发现经过紫外线照射后羧基和重氮基会以共价键结合，使单层纳米管在 极性溶剂中的稳定性大大增加。s a i t o n 3 5 1 利用化学气相沉淀法，以j 下十六烷为前驱 体，在活化玻璃表面自组装制备了十六烷单分子膜，通过x 光电子分光光度和膜厚度 测定发现只有在低压下才能使s a m s 通过s c 键固定在基底卜，这种s a m s 表现出比有 机硅膜更好的对h f 和n h 4 f 水溶液的抗腐蚀性。 1 3 2 3 纳米粒子 由于分f 自组装形成的超分子可控制在纳米量级，因此通过分子自组装可制备各 种不l 叫的纳米颗粒。s e i i c h is a t o 等在平衡状念f 的窄气和怂浊液的界面上：，用分子 自组装的方法制备了亲水表面活性剂改性的会的超 格。j i n z h a i 等0 3 6 1 利用树枝状大 分f 聚旺苯基乙烯撑( p p v ) 的自组装膜为模扳原位制得r e d s 纳米颗粒，j 诈对其进 行了t e m 和x p s