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甲壳素和壳聚糖之所以具有重要的理论研究意义和商业价值，在于其分子结构和组成的独特性，它是自然界唯一的碱性多糖，是地球上数量最大的含氮有机化合物。甲壳素及其衍生物不但具有良好的生物相容性、低毒和生物降解性，还具有许多生物医学功能和药物作用，壳聚糖被誉为人体所需的第六大生命要素。许多甲壳素及其衍生物产品业已商业化，关于甲壳素／壳聚糖的国际会议每两年召开一次，关于甲壳素的国际性学术专刊“Advance in Chitin Science”也于上世纪九十年代创刊。甲壳素及其衍生物已经在生命科学、功能材料等领域形成了新的研究和开发热点。甲壳素和壳聚糖具有较复杂的双螺旋结构，螺距为0．515nm，一
个螺旋平面由6个糖残基组成。甲壳素的结构单元是甲壳二糖，壳聚 糖的结构单元是壳二糖。甲壳素大分子链上分布着许多羟基，N．乙酰 氨基和氨基，它们形成各种分子内和分子问的氢键。甲壳素的结构由 于氢键类型不同而有三种结晶体：a一甲壳素，由两条反向平行的糖 链组成，通常与矿物质沉积在一起形成坚硬的外壳，如虾蟹的外壳； B一甲壳素由两条同向平行的糖链组成；Y一甲壳素由三条糖链组成， 两条同向一条反向。B和Y一甲壳素与胶原蛋白相联结，表现出一定 的硬度、柔韧性和流动性，具有与支承体不同的许多生理功能，如电 解质的控制和聚阴离子的运送等。壳聚糖也存在这样的三种结晶状 态。B一甲壳素在6mol／L的盐酸中会转变为a一甲壳素，a一甲壳素的 酰胺I带在1660cm-‘和1630cm-1有特征吸收峰，而B一甲壳素在
1630cm-1没有红外吸收峰，因而可用红外吸收光谱便捷的区分两者。’。 甲壳素中大分子具有稳定的晶体结构，且大分子间存在较强的
氢键。因而具有稳定的物理化学性质。常温下既不熔融，也不溶于水、 稀酸、稀碱和一般的有机溶剂，这给甲壳素产品的加工造成了不便。 目前所发现的甲壳素的溶剂主要有氯化锂／N，N一二甲基乙酰胺
(LiCl／蹦Ac)、氯化锂／N_甲基砒咯烷酮(LiCl／N姬)、四氧化二氮／N，N- 二甲基甲酰胺(N20／DMF)、六氟异丙醇／六氟丙醇、甲酸／二氯乙酸、 氯乙醇／硫酸、三氯乙酸／二氯乙烷、甲烷磺酸和三氟醋酸等。最近日 本Tokura S．发现甲壳素在水合氯化钙的甲醇饱和溶液中具有良好的
溶解性阐。甲壳素在强酸(浓硫酸、浓盐酸和浓硝酸)中能够溶解，但 同时大分子长链会在连接结构单元的糖苷键处断裂，使相对分子量降 低。
壳聚糖大分子中大量的乙酰基被脱除，分子中大部分的氨基暴 露出来，氨基质子化后可溶于水，故其良溶剂主要为酸类“3：①形成 弱的非牛顿型溶液的溶剂，溶液没有很清楚的黏度界限，如乙酸、柠 檬酸、甲酸、羟基乙酸、乳酸、马来酸、丙二酸、丙酮酸和酒石酸的 水溶液；②形成的溶液具有一定的黏度界限，但又是非牛顿型溶液的 溶剂，如2mol／L的二氯乙酸和10％的草酸；③0．041mol／L的苯甲酸、0．36mol／L的水杨酸和0．052mol／L的对氨基苯磺酸，形成的壳聚糖
溶液初期黏度和溶解度较大，但总的溶解度较低：④溶液的黏度取决 于壳聚糖浓度的溶剂，如N，N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜、乙胺、甘 氨酸、甲胺、异丙胺、砒啶、水杨酸、三氯乙酸和尿素的水溶液以及 2mol／L的苯甲酸一乙醇。N-脱乙酰度和溶液的黏度(反映平均分子量) 是壳聚糖的两项主要性能指标。甲壳素、壳聚糖分子中由于含有—0H基、讯基、吡喃环、氧桥
等功能基，其衍生化反应主要发生在这些基团上。如图1．2所示。1。 通过化学改性可得到不同性质和功效的甲壳索和壳聚糖衍生物，从而 拓宽其应用范围，提高其应用价值。1．1．3．1酰化反应 甲壳素和壳聚糖可与多种有机酸的衍生物如酸酐、酰卤等反应， 导入不同分子量的脂肪族或芳香族酰基，形成有机酸酯。这是甲壳素 和壳聚糖的化学反应中研究得最多的一类反应。根据反应的官能团不 同，甲壳素的酰化反应可分为胺基酰化(N_酰化)和羟基酰化(0_酰化) n03。酰化反应往往是既发生N-酰化又同时发生o_酰化，既发生c。—0H 的酰化又发生c。—oH的酰化。如果壳聚糖的C6-OH、G—0H和c—毗都 被酰化，则生成全酰化的甲壳素。酰化产物的生成与反应的溶剂、酰 化试剂的结构及催化剂等因素有关。壳聚糖要得到单一的o-酰化产 物，必须对—NH2基进行保护，可用四种方法实施：①先制备o_甲壳 素衍生物再用碱脱去乙酰基㈨；②预先使壳聚糖的_N也基与醛反应生
成西佛碱，发生o_酰化后再用酸解除去保护基“”；⑨利用金属离子 模板保护崛基，制备反应在cB-删上发生的o_酰化产物“3；④引入 邻苯二甲酰基，一方面保护-NH2基，另一方面反应产物在有机溶剂中 可溶，通过该反应已制备出许多具有特殊功能的壳聚糖衍生物“3“1。 1．1-3．2含氧无机酸的酯化反应
甲壳素和壳聚糖的硫酸酯的结构与肝素相似，也具有抗凝血功 能，设计壳聚糖硫酸酯的特定结构与分子量可制得抗凝血活性高于肝 素而没有副作用、价廉的肝素代用品。硫酸酯化试剂主要有：浓硫酸、 二氧化硫一三氧化硫、氯磺酸等，反应一般在非均相条件下进行。壳 聚糖可同时在羟基和氨基上生成磺酸酯键，如果将壳聚糖的c6-删氧 化成羧基再进行硫酸酯化，可制得结构与肝素更接近的产物。甲壳素 用碱处理后再与二硫化碳反应，可生成黄原酸酯。壳聚糖加到CS。和 Na0H的水溶液中，60。C反应6h得到N_黄原酸化壳聚糖，是一种有效 的重金属去除剂。甲壳素和壳聚糖在甲磺酸中用跳处理，可得到磷 酸酯；用硝酸或含硝酸的混合酸进行硝化反应可得到硝酸酯，壳聚糖 的硝酸酯不稳定“?。． 1．1．3．3醚化反应
甲壳素和壳聚糖的羟基可与烃基化试剂反应生成醚，如甲基醚、
乙基醚、苄基醚、羟乙基醚、氰乙基醚、羧甲基醚等，使之改善溶解性或赋予另外的特性，开发新材料。甲壳素的碱性溶液与环氧乙烷反
应，得到水溶性的羟乙基化衍生物，反应过程中甲壳素同时发生脱乙 酰化哺，。壳聚糖在碱眭条件下羟基与环氧丙烷反应，在酸性条件下反 应发生在氨基上，羟丙基化壳聚糖具有水溶性可用于化妆品n?。羧甲 基甲壳素是由碱化甲壳素与一氯乙酸反应得到，产物在日用化学品、 医药等方面具有广泛的应用前景。 1．1．3．4 N_衍生物
甲壳素乙酰氨基N上的H在某些强烈条件下能发生取代反应。 壳聚糖的氨基属于一级氨基，具有一对孤对电子亲核性很强，N上的 H较活泼，能发生N_酰化反应和N-烷基化反应“刀。壳聚糖与卤代烷
反应首先发生的是N—烷基化“?，与环氧衍生物的加成反应得到N-烷 基化衍生物“”。壳聚糖在中性介质中很容易与芳香醛(或酮)、脂肪醛 反应生成西佛碱(SchifPs bases)，这个反应一方面可用于保护氨基， 然后在羟基上进行各种反应，反应结束后可方便的脱去保护基；另一 方面有些特殊的醛形成的西佛碱经氰硼化钠还原可合成一些很有用 的N～衍生物嘲。壳聚糖分子的每个糖残基上都有一个游离氨基，很 容易制成各种季铵盐。壳聚糖的季铵盐是在糖分子链上分布着许多季 铵基团，从一个糖残基来看是葡萄糖残基的砒喃环的G上存在一个 季铵基，而葡萄糖残基除CB外，其他的c都是不对称C原子。具有 不对称C原子的季铵盐可能具有特殊的生物活性，对不对称合成的相 转移催化反应有特殊作用㈨。羧酸酐在高温下能与壳聚糖发生猛烈反 应形成州}化衍生物，可用于壳聚糖的氨基保护便于进行o_衍生化 反应，同时有些N_衍生物对有些癌细胞有选择性聚合作用，有作为 抗癌新药的诱人前景，因而研究较多嗌，。 1．1．3．5接枝共聚
甲壳素和壳聚糖的接枝共聚合反应通过在甲壳素和壳聚糖的葡 胺糖单元上接枝乙烯基单体或其他单体来合成半聚合物多糖，将合成 聚合物的优异性能赋予甲壳素，因而成为甲壳素改性的一大热点。其 接枝共聚有化学法和辐射法两种，按反应机理可以分为自由基引发和 离子引发接枝。自由基引发接枝关键是产生自由基，目前甲壳素自由基接枝共聚的引发体系有：①氧化还原引发体系，主要是铈离子乜}“、
三丁基硼烷。?、过硫酸钾∞捌和}∞。_Fe”汹1引发烯类单体如丙烯酸、 丙烯酸酯、丙稀酰胺、甲基丙烯酸甲酯和苯乙烯等接枝到糖残基上； ②偶氮二异丁腈引发丙稀腈、甲基丙烯酸甲酯在壳聚糖氨基上接枝 跚1；⑨辐射引发法，”co的Y射线和低压汞灯产生的紫外线可用于甲 壳素、壳聚糖的接枝共聚。”1。离子引发接枝共聚研究较少，碘代甲 壳素分散在硝基苯中加入路易斯酸SnCI。与苯乙烯按阳离子接枝共聚 机理得到接枝共聚物∞1；另一个例子是壳聚糖与非烯类单体的N一羧 酸酐接枝共聚，可得到称之为多糖肽的新型接枝共聚物㈨。