第4章-甲壳素和壳聚糖-天然高分子材料.ppt

第四章甲壳素与壳聚糖Chitin-膨胀,几天内能溶;-不溶。2.卤代乙酸含量为35%(质量分数),MCA、DCA和TCA分别为一氯乙酸、二氯乙酸和三氯乙酸。,36,甲壳素难以溶解的性质严重限制了甲壳素在多个领域的应用。寻求和开发新型的、绿色环保的、价格低廉、且再生后能尽可能保留甲壳素结构的溶剂十分重要。离子液体强的破坏氢键的能力可使甲壳素发生溶解。甲壳素在离子液体中的溶解度与甲壳素的乙酰度和分子量关系极大。,甲壳素在AMIMCl中的溶解情况,王玉忠等,38,甲壳素在不同离子液体中的溶解情况,王玉忠等,39,壳聚糖的一般性质,壳聚糖是白色、半透明、略有珍珠光泽的固体。因原料和制备方法不同，其相对分子质量从数十万到数百万不等。壳聚糖是甲壳素的N-脱乙酰化产物。一般而言，N-乙酰基脱去55以上的就可称之为壳聚糖，或者说，能在1醋酸或1盐酸中溶解1的脱乙酰度甲壳素，称为壳聚糖。壳聚糖为阳离子聚合物，约185oC分解。壳聚糖有很好的吸附、成膜性、成纤性、通透性、吸湿性和保湿性。,40,主要性能指标为脱乙酰度和相对分子质量（常用粘度表征）。脱乙酰度（degreeofdeacetylation,DD）为55100。根据产品粘度不同可将其分为高粘度、中粘度和低粘度。高粘度：粘度大于1Pas的1壳聚糖醋酸溶液中粘度：粘度在0.1-0.2Pas的1壳聚糖醋酸溶液低粘度：粘度在0.025-0.05Pas的1壳聚糖醋酸溶液,41,根据壳聚糖的DD值可以分为：低DD值壳聚糖（5570%）中DD值壳聚糖（7085）高DD值壳聚糖（8595）超高DD值壳聚糖（95100）,42,DD值的测定可用碱量法（酸碱滴定法、电位滴定法、氢溴酸盐法等）、红外光谱法、折光指数法、胶体滴定法、热分析法、气相色谱法、元素分析法等。DD值对壳聚糖的物化性质如溶解度、富集离子的能力、壳聚糖膜的机械性能、絮凝能力等有重大影响，是鉴定壳聚糖产品质量的一个不可缺少的指标。,43,粘度的测定常用旋转粘度计测定其表观粘度。当溶剂、浓度、温度等条件一定时，壳聚糖溶液的粘度变化可视为溶液中壳聚糖的相对分子量变化。但不能由此计算出绝对分子量。,44,壳聚糖的溶液性质,壳聚糖溶液的性质对壳聚糖的应用研究十分重要。壳聚糖可溶于一些有机酸、无机酸的稀溶液等。溶解实质：壳聚糖分子链上众多的游离氨基的氮原子上具有一对未共用电子，使氨基呈现弱碱性，能从溶液中结合一个氢离子，从而使壳聚糖成为带正电荷的弱聚电解质，破坏了壳聚糖分子间和分子内的氢键。因此可以认为，实际上不是壳聚糖溶于稀酸中，而是带阳电荷的壳聚糖聚电解质溶于水中。注：聚电解质(polyelectrolyte)是指在侧链中具有许多可电离的离子性基体的高分子。当聚电解质溶于介点常数很大的溶剂（如水）中时，就会发生离解，产生高分子离子和许多低分子离子。,45,壳聚糖的溶解特性,壳聚糖在稀酸中是一个逐渐溶解的过程。起初，是氨基结合氢质子的过程，看不到壳聚糖的溶解。当阳离子聚电解质形成并达到一定数量，才开始有少量DD值高而分子量低的壳聚糖溶解；随后溶解速度越来越快，到最后，溶解速度又变慢，这是DD值低而分子量高的壳聚糖。如果DD值太低，则不能溶解。,46,影响壳聚糖溶解性质的因素,脱乙酰度DD：DD值越高，分子链上的游离氨基越多，离子化强度越高，越容易溶解在水中；反之，DD值越低，溶解度越小。相对质量：壳聚糖分子在分子内和分子间形成许多强弱不同的氢键，使得分子链彼此缠绕在一起且比较僵硬。相对分子质量越大，分子链缠绕越厉害，溶解度越小。相对分子质量小于8000的壳聚糖可直接溶解在水中而不必借助于酸的作用。酸的种类：可溶于稀的盐酸、硝酸等无机酸和大多数有机酸中。不能溶解在稀硫酸、稀磷酸中。在稀酸中，壳聚糖的主链也会缓慢水解，溶液的粘度逐渐降低。,47,壳聚糖溶液的稳定性,氨基葡萄糖的C1-OH是半缩醛而不是醇羟基，显示出较大的活性。壳聚糖的糖苷键是半缩醛结构，这种半缩醛结构对酸是不稳定的。壳聚糖的酸性溶液在放置过程中，相对分子质量和溶液粘度逐渐降低，最后水解成寡糖和单糖。因此壳聚糖溶液一般随用随配。对需要使用壳聚糖溶液的场合，要求其溶液具有较好的稳定性。,48,甲壳素的化学性质,1）碱化及成盐甲壳素具有C6OH、C3OH两个活泼的羟基，能与强的碱发生反应，生成碱化甲壳素，取代主要发生在C6OH上。,49,制备过程中，注意对温度的控制。在10oC下得到的碱化甲壳素很容易得到水溶性很好的产物，并可避免发生脱乙酰化的副反应。甲壳素的碱化反应可使甲壳素分子活化，能与许多化合物发生反应，产生一系列衍生物，扩大甲壳素的使用范围。,50,甲壳素能吸附一定量的酸形成阳鎓离子：chitin-NHCOCH3+H+X-R-N+H2COCH3X-此外，甲壳素还能形成氢键而吸收阴离子化合物。因而在水的净化和废水处理中获得一定应用。,51,2)螯合作用作为一种天然高分子螯合剂，甲壳素和壳聚糖具有富集某些金属离子的能力，但是必须是具有一定离子半径的金属离子。甲壳素和壳聚糖对过渡金属离子具有螯合作用，而对碱金属、碱土金属离子和铵离子，很少能被吸附或螯合。,52,3）水解作用甲壳素在酸性溶液中不稳定，发生长链的部分水解。,53,化学法是甲壳素和壳聚糖主链水解制备单糖的主要途径。利用盐酸盐还可制备硫酸盐和氨基葡萄糖的其他衍生物。甲壳素和壳聚糖的部分水解产物是低聚寡糖。酶水解法是制备低聚寡糖的主要途径。壳聚糖可由壳聚糖酶水解，甲壳素可由甲壳素酶和溶菌酶水解。,54,甲壳素与壳聚糖的功能化,薄膜化,壳聚糖的溶液具有较大的粘性，这使壳糖容易成膜。由壳聚糖浇注成有柔性的无色透明膜，具有良好的粘附性、通透性及一定的抗拉强度。壳聚糖膜的溶胀性能和机械性能受膜的湿度、壳聚糖脱乙酰度和分子量的影响很大。,55,Environmentallyfriendlyactiveantimicrobial/antioxidantpackagingforincreasingthefoodstuffsshelf-lifeInnovativeAspects:-Useofenvironmentallyfriendlyandnaturalcompounds.-Lowtoxicityadditives.-Lowerriskforhealth.-Increaseofshelflifeoffoodstufflimitingtheadditionofpreservativestoprocessedfood.-Developmentofkineticmodelsforadditivesreleasetofoodstuff.,例：壳聚糖食品包装膜,56,甲壳素和壳聚糖具有规整的结晶结构，结晶度较高。如果将甲壳素和壳聚糖中的无定形部分除去，便可得到纳米级晶体。当甲壳素粒子尺寸降低至纳米量级时，由于具有更大的比表面积，甲壳素纳米粒子会具有更强的化学活性、吸附性能及更好的生物亲和性。纳米甲壳素在生物医学、物理学和化学领域具有广阔的应用性能。用酸水解法、酶水解法和机械法都能获得甲壳素纳米晶须或粒子。,微纤化,58,（左）除去基质后的蟹壳，标尺为300nm（右）加入乙酸并施以研磨得到的甲壳素纳米微纤，标尺为100nm,59,TEMimageofchitinwhiskersfromcrabshell,TEMofadilutesuspensionofchitinwhiskersextractedfromcrabshells(top).Transparentbio-nanocompositefilmswerepreparedbyanin-situgrowthprocessthroughthedirectadditionofpoly(vinylalcohol)intoabacterialcellulosemedium(bottom).,Celluloseandchitinwhiskers,62,a)Cellulosemicrofibrils(nanofibrils)fromsugarbeetresiduesconvertingtonanocrystalsuponacidhydrolysisb)chitinnanocrystalsfromshrimp.,微球化,HydrogelbeadfromchitosanChitosanisapolymerwhichisproducedfromchitin-abiopolymermainlyextractedshrimpresidues.HydrogelsfromchitosanarepreparedbycuringbasedonapHshift.geniaLabworkswithdifferentchitosantypesdifferingintheirmolecularsizeandviscosity.Thehydrogelbeadssizecanbechosenfromawiderange.Duetothespecialcuringmechanismthechitosansystemoffersthepossibilityofveryhighpay-loadsfortheentrapmentofpowders,activeingredients,orothersolidsubstances.,64,磁性微球,(a)Fe3O4纳米粒子(b)磁性壳聚糖纳米粒子的TEM图,65,磁性壳聚糖纳米粒子的磁响应性能,66,chitosanbeadswithhighmagnetiteloading,67,Magneticbeads(magsorbent)ofchitosancontainingcitrate(柠檬酸盐)-coatedmaghemitenanoparticlesareefficientlyusedtoremovePb(II)ionsfromaqueoussolution.,MagneticalginatebeadsforPb(II)ionsremovalfromwastewater.JournalofColloidandInterfaceScience,2011,69,甲壳素的化学改性,利用甲壳素和壳聚糖分子中存在的羟基和氨基进行化学反应，可得到多种衍生物。化学改性的两个主要目的：改善其在水或有机溶剂中的溶解性；通过化学改性引入基团和侧链并进行各种可能的分子设计，以得到新颖的改性材料。主要包括脱乙酰基化、酰基化、羟基化、羧基化、醚化等选择性化学修饰。,71,1)制备低聚糖,甲壳素经脱乙酰化处理得到的壳聚糖的分子量通常在几十万左右，难以溶解在水中，这限制了它在许多方面的应用。甲壳低聚糖是甲壳素和壳聚糖经水解生成的一类低聚物。甲壳低聚糖具有较高的溶解度，所以很容易被吸收利用。特别是分子量低于10000的甲壳低聚糖更展现出其独特的优越的生理活性和功能性质。制备低聚糖的方法：酸法水解、酶法降解、氧化降解,72,盐酸水解甲壳素和壳聚糖,73,2）脱乙酰化反应可制备甲壳素最重要的衍生物壳聚糖。脱乙酰化反应是在非均相条件下，在4060的NaOH溶液中于100180oC下加热反应数小时。,74,3）碱化甲壳素在C6和C3上有两个活泼的羟基，能与强的碱发生反应，生成碱化甲壳素，取代主要发生在C6的羟基上。甲壳素的碱化反应可使甲壳素分子活化，能与许多化合物发生反应，产生一系列衍生物，扩大甲壳素的使用范围。,75,4）酰基化反应甲壳素通过与酰氯或酸酐反应，在大分子链上导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，破坏了甲壳素/壳聚糖分子链间的氢键，改变了它们的晶态结构，所得产物在有机溶剂中的溶解度可大大改善。反应可在甲壳素的氨基（N-酰化）和/或羟基（O-酰化）上进行。酰化产物的生成与反应溶剂、酰基结构、催化剂种类和反应温度有关。,甲壳素在酰氯中的反应,完全酰化壳聚糖衍生物的结构式,77,甲壳素和壳聚糖酰化后不但溶解度提高，而且相应有很大新用途。可制成多孔微粒用作分子筛或液相色谱载体，分离不同分子量的葡萄糖或氨基酸；3,4,5-三甲氧基苯甲酰甲壳素具有吸收紫外线的作用，可用于化妆品中作为防晒护肤的添加剂；脂肪族酰化甲壳素可作为生物相容性材料。,78,5）羧基化反应羧基化反应是指用氯代烷酸或乙醛酸在甲壳素或壳聚糖的6-羟基或胺基上引入羧烷基基团。引入后羧基后能得到完全水溶性的高分子。更重要的是能得到含阴离子的两性壳聚糖衍生物。最重要的是羧甲基化反应，其相应的产物为羧甲基甲壳素(CM-chitin)，N-羧甲基壳聚糖(N-CM-chitosan)等。,79,由甲壳素和氯乙酸制备羧甲基化甲壳素羧甲基主要发生在C6上。反应在强碱中进行，既发生脱乙酰化的副反应，也发生N2羧甲基化反应。,80,壳聚糖也可发生羧基化反应。壳聚糖的羧甲基反应是同时发生在羟基和氨基上，得到的是N、O2羧甲基壳聚糖。在壳聚糖分子上的取代顺序是6-OH3-OHNH2。由于2位氨基与6位羟基的竞争反应，羧甲基壳聚糖衍生物基本是N，O-羧甲基壳聚糖衍生物。,81,CMchitin能吸附Ca2，对碱土金属离子也有吸附作用，可用于金属离子的提取和回收在化妆品中能使化妆品具有润滑作用和持续的保湿作用，还能使化妆品的储藏性能、稳定性能良好。毒理学研究表明，羧甲基壳聚糖无任何毒副作用，在医药上可作为免疫辅助剂，具有抗癌作用而不损伤正常细胞。,82,6）羟基化反应甲壳素和壳聚糖在碱性溶液，或在乙醇、异丙醇中与环氧乙烷、2-氯乙醇、环氧丙烷等反应生成羟乙基或羟丙基化衍生物。反应主要在C6上进行。,甲壳素的羟基化反应,83,羟基甲壳素衍生物的合成一般在碱性介质中进行，同时伴随着N-脱乙酰化反应的发生；此外，环氧乙烷在氢氧根阴离子作用下会发生聚合反应，因而得到的衍生物结构具有不确定性。通常羟基化甲壳素和壳聚糖衍生物具有水溶性和良好的生物相容性。将改性后的羟丙基甲壳素作为增稠材料，可制备含适量盐酸环丙沙星的眼药水和人工泪液。,84,7）烷基化反应烷基化反应可以在甲壳素的羟基上（O-烷基化），也可在壳聚糖的氨基上进行（N-烷基化），一般是甲壳素碱与卤代烃或硫酸酯反应生成烷基化产物。壳聚糖的氨基是一级氨基，有一对孤对电子，具有很强的亲核性，由于氨基的反应活性大于羟基的反应活性，所以N-烷基化较易发生。烷基化壳聚糖由于削弱了壳聚糖分子间和分子内的氢键，从而大大改善了其溶解性。但若引入的碳链过长（如十六烷基），也会影响其溶解性。,（a）O位烷基化壳聚糖分子中有氨基和羟基，如果直接进行烷基化反应，在N、O位上都可以发生反应。为了选择在O2上发生烷基化壳聚糖反应，必须先对N2进行保护。,O2丁烷基壳聚糖的制备,86,（b）N位烷基化壳聚糖分子上的氨基基团，携带有一对孤对电子，与卤代烷反应，可得到相应的N2烷基化产物。,双亲性N2十六烷基化修饰壳聚糖的制备,87,（c）N，O位烷基化在碱性条件下，壳聚糖与卤代烷直接反应，可制备在N，O位同时取代的衍生物。反应条件不同，产物的溶解性能有较大的差别。该类衍生物也有较好的生物相容性，有望在生物医用材料方面得到应用。,88,（d）与高级脂肪醛进行反应烷基化衍生物的合成，通常是采用醛与壳聚糖分子中的-NH2反应形成希夫碱，然后用NaBH3CN或NaBH4还原来得到目标衍生物的。,N-烷基化壳聚糖的制备,89,（e）与长链脂肪酰卤反应引入烷基壳聚糖中引入长链烷基，将得到很好的双亲性物质。由壳聚糖改性获得双亲性壳聚糖衍生物，利用其疏水长链侧基的相互作用，可构成壳聚糖基自组装纳米药用泡囊。（f）与环氧衍生物反应壳聚糖与环氧衍生物进行加成反应，可得到烷基化衍生物，此反应的特点是可同时引进亲水性的羟基。,90,8)酯化反应甲壳素上的羟基能被各种酸和酸的衍生物酯化。分为无机酸和有机酸酯化。无机酸酯：硫酸酯、黄原酸酯、磷酸酯、硝酸酯等。有机酸酯：乙酸酯、苯甲酸酯、长链脂肪酸酯、氰乙酯等。,91,硫酸酯化试剂主要有：浓硫酸、SO2、SO3、氯硫酸等。反应为非均相反应，常发生在C6位的羟基上。,甲壳素硫酸酯化反应,92,磷酸酯化反应：一般是在甲磺酸中与甲壳素或壳聚糖反应，各种取代度的磷酸酯化物都易溶于水。,甲壳素的磷酸酯化反应,93,9）Schiff碱反应壳聚糖上的氨基可以与醛酮发生Schiff碱反应，生成相应的醛亚胺和酮亚胺多糖。此反应专一性强，可用此反应来保护游离-NH2，在羟基上引入其它基团，反应后可方便地去掉保护基。,壳聚糖的Schiff碱反应,94,10）硅烷化反应甲壳素可以完全三甲基硅烷化，具有很好的溶解性和反应性，保护基很容易脱去。可在受控条件下进行改性和修饰。,三甲基硅烷甲壳素,95,11）接枝共聚常用引发体系：射线、AIBN（偶氮二异丁腈）、UV、Ce4等常用接枝单体：苯乙烯、丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸甲酯等,96,12）树型（dendrimer）衍生物树枝状大分子以其优异、独特的性能引起人们强烈而广泛的兴趣。壳聚糖的树形衍生物一般是在壳聚糖的氨基上接枝功能分子基团形成。这类化合物可形象地形容为壳聚糖是这种分子的树干和主枝，树形分子是树枝，而功能分子就是树形材料的花和叶子。如果接枝的基团是糖、肽类、脂类或者药物分子，所得的树型分子结合了壳聚糖的