综述甲壳素、壳聚糖的化学改性及其衍生物应用研究进展X汪玉庭X X , 刘玉红, 张淑琴(武汉大学资源与环境科学学院环境科学系,湖北武汉 430072)摘 要: 简要评述了甲壳素和壳聚糖化学改性的研究进展,讨论了酰化、醚化、酯化、接枝和交联等化学改性方法,简要介绍甲壳素衍生物在化妆品、医学和环保方面的应用,并提出了其发展过程中存在的一些问题,对其发展趋势作了预测。
关键词: 甲壳素;壳聚糖;化学改性中图分类号: O63 文献标识码: A 文章编号: 1008-9357(2002)01-0107-08甲壳素(chitin)是自然界中大量存在的唯一的氨基多糖,其化学命名为B -(1y 4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖。
壳聚糖(chitosan)是甲壳素的脱乙酰基产物,也叫脱乙酰甲壳素,简称(CTS)。
它们的结构式112分别为:甲壳素结构与纤维素类似,分子中含有H-OH 和H-NH 键,还含有分子间氢键。
甲壳素的这种有序的大分子结构,在一般的溶剂中不容易溶解。
壳聚糖的分子结构中含有游离氨基,溶解性能有了一些改观,但也只能溶于某些稀酸,如盐酸、醋酸、乳酸、苯甲酸、甲酸等,不溶于水及碱溶液。
甲壳素与壳聚糖无毒,无害,易于生物降解,不污染环境,而且在自然界中含量仅次于纤维素,并以相同的循环速率产生和消失。
近年来,国内外学者对甲壳素或壳聚糖的化学改性开展了研究,拓宽了壳聚糖及其衍生物的应用领域。
现结合我们的研究工作,对甲壳素或壳聚糖的化学改性及其衍生物的应用予以简要评述。
Vo l.152002年3月 功 能 高 分 子 学 报Journal of Functional Polymers No.1M ar.2002X XX 作者简介:汪玉庭(1942-),男,湖北鄂州人,教授,博士生导师,研究方向:环境友好材料的合成及应用。
E -mail:hxxzls @w hu..收稿日期:2001-10-11基金项目:教育部博士学科点专项研究基金资助项目(2000048615)1 酰化改性及应用在甲壳素和壳聚糖的化学改性中,酰化改性是研究得较多的。
甲壳素和壳聚糖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。
酰化反应可在羟基(O -酰化)或氨基(N -酰化)上进行122。
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。
最早是用干燥氯化氢饱和的乙酐对甲壳素及壳聚糖进行乙酰化的。
这种反应较慢,而且甲壳素的降解产物很多。
最近,有在甲磺酸中进行的酰化反应的报道112。
如用4份甲磺酸和6份乙酸酐与1份甲壳素在均相中的反应;4份甲磺酸、6分冰醋酸和计算量的乙酸酐与1份甲壳素在非均相中的反应。
酰化甲壳素及其衍生物中的酰基破坏了甲壳素及其衍生物大分子间的氢键,改变了它们的晶态结构,提高了甲壳素材料的溶解性。
如高取代的苯甲酰化甲壳素溶于苯甲醇、二甲基亚砜;高取代的己酰化、癸酰化、十二酰化甲壳素可溶于苯、苯酚、四氢呋喃、二氯甲烷。
除此之外,酰化甲壳素及其衍生物的成型加工性也大大改善了132。
酰化甲壳素可应用于化妆品方面,如3,4,5-三甲氧基苯甲酰甲壳素能吸收紫外线,可用于防晒护肤品的添加剂142。
还可应用于环境分析方面,如酰化壳聚糖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152;还可制成胶状物用于酶的固定和凝胶色谱载体142。
应用于医药方面,如双-乙酰化甲壳素具有良好的抗凝血性能162;甲酰化和乙酰化物的混合物可制成可吸收性手术缝合线、医用无纺布172;N -乙酰化甲壳素可模塑成型为硬性接触透镜,有较好的透氧性和促进伤口愈合的特性,能作为发炎和受伤眼睛的辅助治疗152。
2 烷基化改性及应用烷基化反应可以在甲壳素的羟基上(O-烷基化),也可以在壳聚糖的氨基上进行(N -烷基化),以N -烷基化较易发生。
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-CTS),丁基壳聚糖(B-CT S),辛基壳聚糖(O-CTS)和十六烷基壳聚糖(C-CTS)182。
壳聚糖的烷基化反应主要发生在C 2上的-NH 2上,C 3、C 6位的-OH 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直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40~60e 度为宜182。
壳聚糖引入烷基后,CTS 的分子间氢键被显著削弱,因此烷基化壳聚糖溶于水,但若引入的烷基链太长,则其衍生物会不完全溶于水,甚至不完全溶于酸性水溶液,如C-CTS 。
烷基化壳聚糖可用于化妆品中。
如双二羟正丙基壳聚糖能与阴离子洗涤剂相容,适用于洗发香波水;用缩水甘油三甲胺卤化物(GTMAC)与壳聚糖反应所得到的阴离子聚合物(GTCC),用于洗发香波水中,洗过的头发易于梳理,柔滑192。
烷基化壳聚糖还可用于医学方面。
如甲基化壳聚糖碘化物对草蓝无阳性菌具有很强的抗菌作用1102。
烷基化壳聚糖还具有良好的抗凝血性能182。
3 醚化改性及应用用类似纤维素改性的方法,碱性甲壳素与醚化试剂反应,可以得到羟烷基甲壳素和羧烷基甲壳素。
甲壳素碱与环氧乙烷在高温高压下反应可制得溶于水、3%的乙酸和5%氢氧化钠的羟乙基化甲壳素;甲壳素碱与A -氯代丙三醇反应可制得溶于水的羟丙基甲壳素;甲壳素碱与N ,N -二乙氨基氯乙烷反应可制得6-O-二乙氨基乙基化甲壳素。
甲壳素碱与氯代烷基酸或乙醛酸反应,在甲壳素或壳聚糖的氨基上引入羧烷基基团,得到溶于水的羧烷基甲壳素或羧烷基壳聚糖。
研究最多的羧甲基化反应,可以得到羧甲基甲壳素(CM -chitin),O -羧#108#汪玉庭, 刘玉红, 张淑琴甲基壳聚糖(O -CM -chitosan),N -羧甲基壳聚糖(N -CM -chitosan)和O-N-羧甲基壳聚糖(O -N -CM -chitosan)。
将甲壳素在冷冻下用十二烷基硫酸钠(SDS)碱化后,悬浮于异丙醇中,室温下与氯乙酸反应可得到CM -chitin,若在30e 左右进行碱化反应,则得到O -CM -chitosan 。
醚化甲壳素在化妆品方面有广泛的用途。
如CM -chitin 有使化妆品润滑和保湿的作用1112;O -CM -chitosan 可作为保水剂代替透明质酸1122;N -CM -chitosan 用于化妆品中,可辅助抗皮肤过敏1132。
在环境保护方面,CM -chitin 可用于金属离子的提取和回收;N -CM -chitosan 能够螯和过渡金属离子;O-N -CM -chitosan 可以纯化水142。
另外,在医药方面,CM -chitin 能够有效地诱导细胞毒性巨嗜细胞1142;N -CM -chitosan 能够抑制口腔细菌1132;O -N -CM -chitosan 与双醛试剂交联形成凝胶,可作创可贴,止血剂1152;羧甲基甲壳素与一个三肽(精氨酸-甘氨酸-天门冬氨酸)的缩合物能够抑制癌细胞的转移;6-O -硫酸甲壳素,6-O -硫酸羧甲基甲壳素对黑色素瘤有较明显的抑制作用,且硫酸化程度越高,抑制作用更强;羧甲基壳聚糖能抗心率失常1162;CM -chitosan 可作为半抗原助剂和载体,使机体产生半抗原的特异性抗体1172;交联羧甲基壳聚糖具有两性离子交换能力;羟丙基甲壳素或羟丙基壳聚糖溶于水,可代替甲基纤维素制备人工泪液该制剂能保护角膜,预防感染,而且无刺激性,残留部分可以由泪液中的溶菌酶降解1182。
在食品工业中,羧甲基甲壳素可作保鲜剂,如6-O 羧甲基壳聚糖与植酸复配,添加适量的亚硫酸钠、异Vc 钠,对荔枝或水产品的防褐色突变具有明显效果1192。
甲壳素的醚化改性还包括壳聚糖与丙烯腈进行的加成反应。
低温时,反应发生在壳聚糖的羟基上,当反应温度达到70e 时,壳聚糖的一部分氨基也参与反应。
4 酯化改性及应用常见的酯化反应有硫酸酯化和磷酸酯化1202。
用含氧无机酸作酯化剂,使甲壳素或壳聚糖中的羟基形成有机酯类衍生物。
硫酸酯化试剂主要有浓硫酸、SO 2、SO 3、氯磺酸等,反应一般为非均相反应,通常发生在C 6位的-OH 上。
硫酸酯化甲壳素或壳聚糖的结构与肝素相似,抗凝血性高于肝素而且没有副作用,还可制成人工透析膜。
甲壳素硫酸酯能明显的抑制动脉粥样硬化斑块的形成1212。
浓度为4mg/mL 、pH =5.4~6.4的N-羧丁基壳聚糖-3,6-二硫酸酯对体外培养的金黄色葡萄球菌、链球菌、奇异变形菌、大肠杆菌、浓绿杆菌、肺炎杆菌和柠檬酸细菌属有抑制作用。
壳聚糖与CS 2和NaOH 的水溶液在60e 下反应6h 后再与丙酮反应,可得到N-黄原酸化壳聚糖钠盐112。
它是一种重金属去除剂,其水溶液可喷丝制壳聚糖纤维。
反应过程如下: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,高取代度的壳聚糖磷酸酯化物溶于水,而低取代的不溶于水。
反应一般如下:#109#甲壳素、壳聚糖的化学改性及其衍生物应用研究进展5 Shiff 碱反应及应用壳聚糖上的氨基可以与醛酮发生Shiff 碱反应,生成相应的醛亚胺和酮亚胺多糖142。
可用此反应来保护游离NH 2,在羟基上引入其它基团;或用硼氢化钠还原得到N -取代的多糖。
这种还原物对水解反应不敏感,有聚两性电解质的性质。
利用Shiff 碱反应可以把还原性碳水化合物作为支链连接到壳聚糖的氨基N 上,形成N-支链的水溶性产物。
6 壳聚糖季铵盐1222用缩水甘油三甲基氯化铵对壳聚糖进行化学结构修饰,可在壳聚糖分子中引入季铵盐基团,制得壳聚糖季铵盐。
同壳聚糖的烷基化反应一样,生成壳聚糖季铵盐的反应也主要发生在壳聚糖分子中亲核中心位的氨基上。
在壳聚糖中引入位阻大、水合能力强的季铵盐基团,也能大大削弱壳聚糖分子间的氢键,增大壳聚糖衍生物的水溶性。
壳聚糖季铵盐除直接溶于水外,还能与某些有机溶剂以任意比例混合,如许晨、卢灿辉等将10%的壳聚糖羟丙基三甲氯化铵溶液与乙醇、丙二醇、甘油以任意比例混合,均未观察到沉淀或浑浊现象发生1222。
羟丙基三甲基氯化胺与壳聚糖反应制得的壳聚糖季胺盐,与椰油酰胺,甜菜碱的配位性良好,可用作阳离子表面活性剂1122。
7 接枝反应及应用通过在甲壳素或壳聚糖的葡胺糖单元上接枝乙烯基单体或其它单体,合成半聚合物多糖,可将合成聚合物的优异性能赋予甲壳素或壳聚糖。
如将碘代甲壳素分散在硝基苯中,加入路易斯酸SnCl 4与苯乙烯按阳离子接枝共聚反应机理反应得到接枝共聚物112:Chitin -CH 2I SnCl 4Chitin -CH 2+Sn -Cl 4I nPh-CH=CH 2Chitin -CH CH 2_PhCH 2b n甲壳素和壳聚糖的接枝共聚合反应可以在多种条件下,以不同的机理进行。