羧甲基殼聚糖的合成分析研究 化學(xué)專業(yè)

摘要殼聚糖(chitosan,CTS)作為一種至關(guān)重要的大分子有機化合物，被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)療、食品制造等各個行業(yè)。但是由于殼聚糖性質(zhì)特殊，除酸外，不溶于水性溶劑，且CTS在濃酸當(dāng)中還會水解，因此它的實踐用途并非十分廣泛。故對殼聚糖進行結(jié)構(gòu)修飾，極大程度地改變其溶解性能。本課題以殼聚糖為原料，在堿性條件下，用氯乙酸對殼聚糖進行化學(xué)改性研究，合成具有良好水溶性的羧甲基殼聚糖。其次考察合成條件如反應(yīng)溫度、時間、氯乙酸質(zhì)量對合成羧甲基殼聚糖的取代度的影響情況。同時也用紅外光譜的分析方法測定產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及取代度。實驗結(jié)果表明，反應(yīng)1h到反應(yīng)3h間，產(chǎn)品的羧甲基取代度一直增加；反應(yīng)40℃到反應(yīng)60℃間，產(chǎn)品的羧甲基取代度先增加再減少；氯乙酸質(zhì)量從2.0g加到2.8g，產(chǎn)品的羧甲基取代度先增加再減少。結(jié)論：取反應(yīng)時間為2小時，反應(yīng)溫度為50℃，氯乙酸質(zhì)量為2.4g,可以得到取代度較高的羧甲基殼聚糖。關(guān)鍵詞：殼聚糖；氯乙酸法；取代度；羧甲基殼聚糖ABSTRACTChitosan(CTS),asanimportantmacromoleculeorganiccompound,iswidelyusedinchemicalindustry,medicaltreatment,foodmanufacturingandotherindustries.Butbecauseofitsspecialproperties,besidesacid,itisinsolubleinwater-bornesolvents,andCTScanhydrolyzeinconcentratedacid,soitspracticaluseisnotveryextensive.Therefore,thestructuremodificationofchitosancangreatlychangeitssolubility.Inthispaper,chitosanwasusedasrawmaterialtosynthesizecarboxymethylchitosanwithgoodwatersolubilitybychemicalmodificationofchitosanwithchloroaceticacidunderalkalineconditions.Secondly,theeffectsofsynthesisconditionssuchasreactiontemperature,timeandqualityofchloroaceticacidonthedegreeofsubstitutionofcarboxymethylchitosanwereinvestigated.Thestructureanddegreeofsubstitutionoftheproductwerealsodeterminedbyinfraredspectroscopy.Theresultsshowthatthedegreeofcarboxymethylsubstitutionoftheproductincreasesfrom1hto3h,increasesfirstandthendecreasesfrom40to60andthedegreeofcarboxymethylsubstitutionoftheproductincreasesfirstandthendecreaseswhenthemassofchloroaceticacidincreasesfrom2.0gto2.8G.CONCLUSION:Carboxymethylchitosanwithhighdegreeofsubstitutioncanbeobtainedwithreactiontimeof2hours,reactiontemperatureof50Candmassofchloroaceticacidof2.4G.Keywords:chitosan;chloroaceticacidmethod;degreeofsubstitution;carboxymethylchitosan目錄TOC\o"1-2"\h\u摘要 IABSTRACT II1．緒論 1HYPERLINK1.1課題背景與意義 11.2殼聚糖的相關(guān)反應(yīng) 11.3羧甲基殼聚糖的應(yīng)用與發(fā)展 21.4本文研究的內(nèi)容 42．實驗部分 52.1實驗試劑與實驗設(shè)備 52.2羧甲基殼聚糖的制備 62.3羧甲基殼聚糖取代度（DS）的測定 6HYPERLINK2.4羧甲基殼聚糖合成之單因素實驗探究 62.5表征方法 83.結(jié)果與討論 93.1不同合成條件對取代度的分析與討論 93.2紅外光譜分析 9HYPERLINK\l"_Toc515028589"4.結(jié)論 10參考文獻 11致謝附錄1文獻翻譯附錄2外文文獻1．緒論1.1課題背景與意義CTS的結(jié)構(gòu)式如圖1所示，是幾丁質(zhì)(chitin)在堿性條件下經(jīng)過脫乙酰作用后得到的產(chǎn)物，其化學(xué)式是如圖1的(1,4)-2-乙酰氨基-2-脫氧-β-D-葡萄糖，CTS還有多種別名，如幾丁質(zhì)、甲殼質(zhì)、蟹殼素等。CTS在自然界中產(chǎn)量豐富，來源也極其廣泛，在多種海洋生物和昆蟲還有細菌細胞壁當(dāng)中都有CTS的蹤跡。其分子鏈上有—和—OH，帶有的氨基和羥基使CTS性質(zhì)穩(wěn)定，生物相容性好，易降解，所以被廣泛應(yīng)用于日化、食品、造紙、制藥、化妝品等方面。但它有緊密的晶體結(jié)構(gòu)，故不溶于各種常用溶劑，因而大大限制了其應(yīng)用范圍。具有需要在稀酸溶液中溶解，不利于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用，所以通過引入羧甲基提高其水溶性，這可以極大改善CTS的親水性。圖1CTS分子結(jié)構(gòu)式CTS一般來說溶解適應(yīng)性不夠強，所以需要通過羧甲基化改性，使其具有相對應(yīng)的如易成膜、可增稠、保濕之類的特性，便于實驗室需求。一般來說，我們常用的CTS有三大類，即O-羧甲基CTS、N-羧甲基CTS、N，O-羧甲基CTS。CTS可發(fā)生的反應(yīng)相應(yīng)復(fù)雜，可以與一氯乙酸取代，生成O-羧甲基CTS，也可以與二羥乙酸加成，生成席夫堿，對席夫堿再用適當(dāng)?shù)倪€原劑還原，就可以在C2的伯胺上再次取代，生成N-羧甲基CTS，還可以與一氯乙酸在濃堿液當(dāng)中水解，在反應(yīng)條件一定的基礎(chǔ)上，得到N，O-羧甲基CTS。1.2殼聚糖的相關(guān)反應(yīng)1.2.1鰲合作用Park等[1]制備的納米粒子是用聚乙二醇來進行修飾的，經(jīng)修飾后的CTS可以有更多的使用性能。Berrada等[2]則是利用磷酸甘油修飾CTS，制備納米顆粒。CTS當(dāng)中的氨基與羥基易與多種物質(zhì)發(fā)生螯合反應(yīng)，從而形成鹽鍵，并生成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大分子。1.2.3吸附作用CTS的吸附作用一般來說十分強大，尤其是在合適的絮凝劑的作用下，CTS的鏈段結(jié)構(gòu)就吸附在膠體顆粒上，然后不斷生長增大，最后發(fā)生絮凝反應(yīng)。有人將這一過程比作架橋反應(yīng)，其實是十分合適的，由鏈段絮凝為整個長鏈的過程，會極大地增加吸附效果。1.2.3絮凝性能易懷昌等人在其研究著作中發(fā)現(xiàn)，CTS對廢水有極強的處理效果。并且對酸性染料的吸附效果也很強。作為一種帶陽離子的高分子絮凝劑，CTS絮凝的本質(zhì)就是電荷反應(yīng)。在污水當(dāng)中，CTS的電荷會吸引污水、污泥當(dāng)中的正電荷，在中和電荷的同時降低整個體系的等電位點。一般來說，我們需要處理的廢水都呈現(xiàn)膠體或絮狀結(jié)構(gòu)，在電荷的作用下，很容易就會生成絮狀物，然后沉淀下來。對于CTS來說，其本身所帶的正電荷會被水中的負電荷中和，然后進一步體現(xiàn)出其良好的絮凝性。1.3羧甲基殼聚糖的應(yīng)用與發(fā)展1.3.1醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用CTS在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用管飯，無論是我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｒ姷膭?chuàng)可貼、繃帶，還是屬于高新科技的人造皮膚、人造骨骼、固定化酶及藥物傳遞-釋放系統(tǒng)中，都存在著CTS的蹤跡。N-Cmchitosan這種CTS,最適用的醫(yī)學(xué)范疇就是在組織粘合方面。它可以通過電荷作用力相互粘附分子形成凝膠狀化學(xué)物質(zhì)，進而粘合大分子及組織。在外科，這種組織粘合劑是極為有用的，對于外科大出血等縫合具有意想不到的功效。由于形成的凝膠在分子量和粘性上都遠遠大于血漿，還可以進一步通過組織血液凝固而防止組織之間相互粘結(jié)。對于CTS來說，它還可以起到抑菌殺菌的作用，在人體內(nèi)的共生菌群與腸道當(dāng)中都有著大量CTS的存在，它可以促進有益共生菌株的繁殖，并反過來抑制有害菌株的生存與繁殖，從這個角度上進一步提升自身免疫力。與此同時，CTS還可以降低血脂、血糖，具有降低膽固醇的功效，在一定程度上，還能抑制體內(nèi)重金屬的肆虐，抑制如口腔乳酸桿菌等的生長繁殖，因此，CTS有時也被用于牙膏和口香糖添加劑，用CTS的有效成分來抵御齲齒和口腔潰瘍等疾病對人體的傷害。CTS與粘膠纖維結(jié)合在一起，是當(dāng)今對于CTS的最新研究方向。這兩者共混時可以增強其抗菌效果，然后再加入增溶劑，增加其溶解度與生物可利用性（如N，0-羧甲基CTS），然后就可以經(jīng)紡絲，來制備出具有高強度、高適用范圍的抗菌纖維。這種纖維的存在可以抑制多種病菌，如金黃色葡萄球菌等，還可以用于水果、化妝品、肉蛋等的保鮮與涂膜，防止其腐敗，增加利用率，降低果蔬、化妝品等的生產(chǎn)成本。之前所使用的普通保鮮劑森柏爾價格高昂，且具有一定的毒性，其保存期也較短。CTS可以完美克服其缺點。它還可以與纖維素、樹膠等結(jié)合在一起，作為一種純天然的無毒保鮮劑投入市場，具有味道清新、保鮮時間長、極大程度上抗氧化的種種優(yōu)點。1.3.2化妝品的應(yīng)用在化妝品應(yīng)用方面，CTS的特性使用地就更加廣泛與多元化，它水溶性優(yōu)良，易于乳化，具有較強的生物可利用性與成膜性，可以作為制備相應(yīng)化妝品的關(guān)鍵成分。在一定程度上，CTS的性能要優(yōu)于透明質(zhì)酸與玻尿酸，并且環(huán)境可利用性與降解性都很優(yōu)良。在加熱時也不容易發(fā)生性質(zhì)的變化，可以適用于多種極端環(huán)境，如兩極、航空等。在廣泛的PH范圍內(nèi)，CTS都能保持其穩(wěn)定性與優(yōu)良性能，這無疑是很罕見的。因此，CTS適用于貴價化妝品，如果將其用于頭發(fā)護理，還可以起到增強光澤、抗靜電的種種作用。1.3.3廢水處理上的應(yīng)用工業(yè)在廢水處理方面，CTS可以用于處理干洗店、毛巾廠的廢污水，也就是利用陽離子絮凝劑的作用下，在合適的PH與劑量范圍內(nèi)（PH3-5;劑量70ppm），起到的處理作用遠勝于現(xiàn)在常用的聚丙烯酸胺等絮凝劑。它可以中和廢水中的電荷，并與其溶解物發(fā)生一定的絮凝反應(yīng)。CTS還可以作為貴金屬回收劑，吸附稀有金屬并回收，降低重金屬的環(huán)境影響，在某種程度上，CTS還可以使果汁澄清，可以作為金屬涂料，增加金屬的致密性和光潔度，還可以作為阻垢劑，阻止廢水中水垢的產(chǎn)生。1.3.4農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用農(nóng)業(yè)上在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面，CTS適當(dāng)濃度的水溶液可以被用來處理玉米種子，在CTS的促進下，玉米種子可以加速萌發(fā)過程，并且減少壞種率，提升發(fā)芽率，進一步提高作物產(chǎn)量。經(jīng)CTS處理后的玉米種子與未處理的玉米種子相比，在抽穗期的玉米明顯就要比未處理的玉米生長旺盛，且蛋白含量也較高，據(jù)文獻顯示，處理后的玉米種子與未處理相比，貯藏蛋白含量提高10.8%，醇溶蛋白含量提高33.8%，而在酶量和酶活方面也有顯著提升。相對應(yīng)的籽粒當(dāng)中谷氨酞氨合成酶、脫氫酶及谷丙轉(zhuǎn)氨酶都有較大的提升。因此，我們可以說，CTS可以作為一種新型的農(nóng)業(yè)促進劑和蛋白生長調(diào)節(jié)劑，在一定程度上提升玉米種子與成品的品質(zhì)，提升其蛋白質(zhì)的相對含量。除此之外，黃曲霉素也是Aspergillusflavus與A.parasiticus的次級代謝物，但是CTS存在的條件下，可以盡可能降低黃曲霉素的含量與毒性，抑制真菌的生長與繁殖。1.3.5前景展望在目前的研究中，CTS的應(yīng)用前景極其廣泛，在醫(yī)療、陶瓷、礦業(yè)、食品、紡織、化工等等領(lǐng)域都有CTS存在的蹤跡。CTS作為一種純天然、無污染、生物可利用性高、生物相容性高、可重復(fù)循環(huán)利用的有機高分子材料，展現(xiàn)著它無與倫比的工業(yè)魅力。CTS制備的原材料包括甲殼素、維生素等，也都廣泛存在于自然界，具有易獲取、易操作、價格低廉的種種優(yōu)點而備受關(guān)注，最特別的是，CTS當(dāng)中還含有豐富的羥基與氨基的存在，C-6上的羥基可以作為一種纖維素類似物而廣泛受到關(guān)注，可以用其來擬合纖維素的種種功效，而C-2上的氨基與乙酞胺基，則可以作為一種具有獨創(chuàng)性的高新材料來進行開發(fā)和利用。在CTS反應(yīng)的過程中，其水溶性進一步提高，并賦予了它本身更為復(fù)雜的生物相容性與生物可利用性，因此，它也具有更強的功能性與創(chuàng)新性，在使用后也更容易被降解消耗，還原為最原始的物理形態(tài)。對于CTS的結(jié)構(gòu)、功能與性質(zhì)的關(guān)系，目前的研究還不夠充分和詳實，但是可以預(yù)見的是，在不久的將來，CTS的衍生物一定將要比目前我們使用最多的羧甲基纖維素擁有更廣泛的應(yīng)用與工業(yè)價值。1.4本文研究的內(nèi)容本課題以殼聚糖為原料，在堿性條件下添加氯乙酸，對CTS的化學(xué)改性進行研究，其目的是為了進一步合成具有更強工業(yè)效益與應(yīng)用前景的衍生性、高水溶性的羧甲基殼聚糖。其次考察合成條件如反應(yīng)溫度、時間、氯乙酸質(zhì)量對合成產(chǎn)物取代度的影響規(guī)律。再用紅外光譜的分析方法測定產(chǎn)物結(jié)構(gòu)及取代度。2．實驗部分2.1實驗試劑與實驗設(shè)備2.1.1實驗試劑實驗所用試劑見表1。表1實驗所用試劑2.1.2實驗設(shè)備以及儀器實驗所用設(shè)備及儀器分別見表2和表3。表2實驗所用設(shè)備表3實驗所用儀器2.2羧甲基殼聚糖的制備在三口燒瓶中加入殼聚糖2g，異丙醇26ml，再加入質(zhì)量分數(shù)為40%的氫氧化鈉溶液10ml，攪拌1小時后，滴加15ml的氯乙酸溶液，在一定溫度下，充分反應(yīng)2小時。反應(yīng)完畢后，用乙酸調(diào)節(jié)pH為7，再過濾出不溶物。用無水乙醇反復(fù)洗滌沉淀物。將產(chǎn)品充分干燥至恒重，得到白色粉末羧甲基殼聚糖。合成路線如下：圖2羧甲基殼聚糖合成路線2.3羧甲基殼聚糖取代度（DS）的測定稱取0.5gCMC，加入30ml的0.1mol·L-1的NaOH標(biāo)準(zhǔn)溶液，攪拌使溶液為均相，然后用0.1mol·L-1的鹽酸溶液滴定，以鹽酸滴定的體積為橫坐標(biāo)，電動勢為縱坐標(biāo)，作其一階微分或二階微分曲線圖，突變點處是滴定終點時HCl的體積。A=(V2-V1)×C/mDS=0.203A/(1-0.058A)V2-V1——滴定羧甲基殼聚糖消耗的HCl標(biāo)準(zhǔn)溶液體積(ml)；C——NaOH的摩爾濃度(mol·L-1)m——CMCH的質(zhì)量(g)2.4羧甲基殼聚糖合成之單因素實驗探究2.4.1反應(yīng)時間對產(chǎn)物DS的影響在三口燒瓶中加入殼聚糖2.0g，異丙醇26ml，再加入質(zhì)量分數(shù)為40%的氫氧化鈉溶液10ml，攪拌1小時后，滴加15ml的氯乙酸溶液，于60℃下的條件下，研究不同反應(yīng)時間對羧甲基殼聚糖取代度的影響。結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1可知，反應(yīng)1h到反應(yīng)3h，產(chǎn)品的羧甲基取代度略有增加，故為了得到更好的產(chǎn)品，反應(yīng)時間應(yīng)取3h。反應(yīng)時間/h反應(yīng)溫度/℃氯乙酸質(zhì)量/gV2-V1DS1602.019.71.042602.023.21.293602.026.41.54表1反應(yīng)時間對產(chǎn)物DS的影響(固定其它反應(yīng)條件)2.4.2反應(yīng)溫度對產(chǎn)物DS的影響在三口燒瓶中加入殼聚糖2.0g，異丙醇26ml，再加入質(zhì)量分數(shù)為40%的氫氧化鈉溶液10ml，攪拌1小時后，滴加15ml的氯乙酸溶液，反應(yīng)時間為2h,然后改變不同的反應(yīng)溫度，探究溫度對其的影響。結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2可知，反應(yīng)40℃到反應(yīng)60℃間，產(chǎn)品的羧甲基取代度先增加再減少，故為了得到更好的產(chǎn)品，反應(yīng)溫度應(yīng)取50℃。反應(yīng)時間/h反應(yīng)溫度/℃氯乙酸質(zhì)量/gV2-V1DS2402.016.80.852502.024.71.412602.020.11.06表2反應(yīng)溫度對產(chǎn)物DS的影響(固定其它反應(yīng)條件)2.4.3氯乙酸用量對產(chǎn)物DS的影響在三口燒瓶中加入殼聚糖2.0g，異丙醇26ml，再加入質(zhì)量分數(shù)為40%的氫氧化鈉溶液10ml，攪拌1小時后，加入不同質(zhì)量的氯乙酸，反應(yīng)時間為2h,然后改變不同的反應(yīng)質(zhì)量，探究加入氯乙酸質(zhì)量對其的影響。結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3可知，氯乙酸質(zhì)量從2.0g加到2.8g，產(chǎn)品的羧甲基取代度先增加再減少，故為了得到更好的產(chǎn)品，氯乙酸質(zhì)量應(yīng)取2.4g。反應(yīng)時間/h反應(yīng)溫度/℃氯乙酸質(zhì)量/gV2-V1DS2602.024.81.162602.422.31.412602.816.81.06表3氯乙酸質(zhì)量對產(chǎn)物DS的影響(固定其它反應(yīng)條件)2.5表征方法合成產(chǎn)品與殼聚糖的紅外表征及對比：圖3為合成的羧甲基殼聚糖的紅外光譜圖，與圖4相比，殼聚糖在1586.3cm-1處有明顯的氨基吸收峰，而羧甲基殼聚糖在1558cm-1處出現(xiàn)了羧基離子峰，表明羧甲基化是相當(dāng)成功的，也就是說，在這里曾經(jīng)發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。在紅外光譜中，存在著較為明顯的υ(C=O)的特征吸收峰，這個特征吸收峰存在的意義就是告訴我們，羧甲基化反應(yīng)后，在CTS分子當(dāng)中被引入了羧基。圖3.羧甲基殼聚糖紅外光譜圖圖4.殼聚糖紅外光譜圖3.結(jié)果與討論3.1不同合成條件對取代度的分析與討論以殼聚糖為原料，控制不同的影響因素，制備了一系列的羧甲基殼聚糖，并對其取代度進行了測定，結(jié)果為下表。根據(jù)結(jié)果，可以看出所得羧甲基殼聚糖都有較高的取代度（DS均大于0.80）。根據(jù)表可知，反應(yīng)1h到反應(yīng)3h，產(chǎn)品的羧甲基取代度略有增加，故為了得到更好的產(chǎn)品，反應(yīng)時間應(yīng)取3h；反應(yīng)40℃到反應(yīng)60℃間，產(chǎn)品的羧甲基取代度先增加再減少，故為了得到更好的產(chǎn)品，反應(yīng)溫度應(yīng)取50℃；氯乙酸質(zhì)量從2.0g加到2.8g，產(chǎn)品的羧甲基取代度先增加再減少，故為了得到更好的產(chǎn)品，氯乙酸質(zhì)量應(yīng)取2.4g。3.2紅外光譜分析圖3為合成的羧甲基殼聚糖的紅外光譜圖，與圖4相比，殼聚糖在1586.3cm-1處有明顯的氨基吸收峰，而羧甲基殼聚糖在1558cm-1處出現(xiàn)了羧基離子峰，表明羧甲基化是相當(dāng)成功的，也就是說，在這里曾經(jīng)發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。在紅外光譜中，存在著較為明顯的υ(C=O)的特征吸收峰，這個特征吸收峰存在的意義就是告訴我們，羧甲基化反應(yīng)后，在CTS分子當(dāng)中被引入了羧基。4.結(jié)論在實驗過程中，以殼聚糖為原料，控制不同的影響因素，制備了一系列的羧甲基殼聚糖，并對其取代度進行測定。根據(jù)結(jié)果，可以看出所得羧甲基殼聚糖都有較高的取代度（DS均大于0.80）。根據(jù)結(jié)果可知，反應(yīng)1h到反應(yīng)3h，產(chǎn)品的羧甲基取代度略有增加，故為了得到更好的產(chǎn)品，反應(yīng)時間應(yīng)取3h；反應(yīng)40℃到反應(yīng)60℃間，產(chǎn)品的羧甲基取代度先增加再減少，故為了得到更好的產(chǎn)品，反應(yīng)溫度應(yīng)取50℃；氯乙酸質(zhì)量從2.0g加到2.8g，產(chǎn)品的羧甲基取代度先增加再減少，故為了得到更好的產(chǎn)品，氯乙酸質(zhì)量應(yīng)取2.4g。實驗結(jié)果顯示，CTS溶脹后堿化，可以成功地制備出具有化學(xué)效應(yīng)的CMC。與之前文獻里提到的普通方法相比，這種方法可以極大增加活性部位的接觸面積，保證反應(yīng)效率，進一步生成取代度比較高的新合成物。圖3為合成的羧甲基殼聚糖的紅外光譜圖，與圖4相比，殼聚糖在1586.3cm-1處有明顯的氨基吸收峰，而羧甲基殼聚糖在1558cm-1處出現(xiàn)了羧基離子峰，表明羧甲基化是相當(dāng)成功的，此位置發(fā)生了羧甲基化反應(yīng)。參考文獻[1]ParkJH,YongWC,SonYJ,etal.Preparationandcharacterizationofself-assemblednanoparticlesbasedonglycolchitosanbearingadriamycin.ColloidandPolymerScience[J].2006,284(7):763-770.[2]BerradaM,SerreqiA,DabbarhF,etal.Anovelnon-toxiccamptothecinformulationforcancerchemotherapy.Biomaterials[J].2005,26(14):2115-2120[3]HYPERLINK"/Search/Result?author=%E6%98%93%E6%80%80%E6%98