（工业催化专业论文）离子液体条件下N酰化壳聚糖的均相合成新工艺研究.pdf

青岛科技人学研究生学位论文 离子液体条件下n 一酰化壳聚糖的均相合成新工艺研究 摘要 壳聚糖是一种天然可再生的高分子化合物，其衍生物性能更加优异。酰化壳 聚糖是壳聚糖最常见、研究最多的衍生物。由于传统均相壳聚糖酰化反应存在反 应时间过长，反应过程形成凝胶，后处理复杂等问题以及传统溶剂挥发性大、污 染严重、腐蚀性强、易导致壳聚糖降解等缺点，局限了酰化壳聚糖的应用。寻求 新型的绿色溶剂，是变革壳聚糖酰化反应的一个重要方向。 鉴于离子液体在纤维素改性反应中所表现的良好的溶解性和催化性，本文将 离子液体引入到壳聚糖酰化反应中。合成了甘氨酸盐酸盐( g l y l c l ) 、l - 脯氨酸盐 酸盐( p r o l c l ) 、l - 赖氨酸盐酸盐( 【l y s 】c 1 ) 、l - 脯氨酸氯乙酸盐( 【p r o 】【c 1 c h 2 c o o ) 四种离子液体，通过红外、核磁对离子液体进行结构表征。以其水溶液和壳聚糖 组成的均相溶剂为反应体系，成功制备出n 乙酰化壳聚糖、n - 马来酰化壳聚糖、 n 丁二酰化壳聚糖，并筛选出一种对壳聚糖具有良好溶解性能的离子液体 f g l y l c l 。在质量分数2 的 g l y c 1 水溶液体系下，考察了反应时间、温度和反应 物配比对以上三种产品取代度的影响及离子液体的重复使用性，得到了适宜的工 艺条件。具体条件如下：厅( 乙酸酐) ：万( 壳聚糖) = 2 7 5 ，反应温度6 0 = ( 2 ，反应时间 5 h ，n 乙酰化壳聚糖的取代度为9 3 8 ；，l ( 马来酸酐) ：以( 壳聚糖) = 2 5 ，反应温度 6 0 ，反应时间5 h ，n 马来酰化壳聚糖的取代度为9 0 4 ：疗仃。二酸酐) ：甩( 壳聚 糖1 = 2 7 5 ，反应温度为4 0 ，反应时间为4 h ，n 丁二酰化壳聚糖的取代度为9 1 1 。 离子液体具有良好的重复使用性，使用三次后，上述三产品的取代度仍在8 9 以 上。用红外、x 射线对产品进行了结构表征。 此工艺方法合成的n 酰化壳聚糖具有良好的水溶性、吸湿性和保湿性。其吸 湿性能与甘油媲美，甚至超过甘油。此工艺后处理简单，反应条件温和，离子液 体可重复使用，为改进传统的n 酰化壳聚糖反应提供了绿色途径。 关键词：壳聚糖n - 酰化壳聚糖离子液体均相反应 青岛科技人学研究生学位论文 s t u d yo nt h en e wh o m o g e n e o u s s y n t h e s i sm e t h o do fn a c y l c h i t o s a ni ni o n i cl i q u i d s a b s t r a c t c h i t o s a na n di t sm o d i f i e dp r o d u c t sh a v eb e e nw i d e l yu s e di np a p e r m a k i n g ， f o o da d d i t i v e sa n db i o m a t e r i a l s ，e t cb e c a u s eo ft h e i re x c e l l e n tp r o p e r t i e s t h e a c y l - c h i t o s a ni s o n eo ft h e i m p o r t a n tm o d i f i e dp r o d u c t s i t i s t r a d i t i o n a l l y m a n u f a c t u r e di na c e t i ca c i dh o m o g e n e o u ss y s t e m h o w e v e r , t h es h o r t c o m i n g so f t h e s e p r o c e s s e s i n c l u d e l o n g r e a c t i o n t i m e ，g e l a t i n ，c o m p l i c a t e ds e p a r a t i o n p r o c e d u r e s ，a n dt h ed i s a d v a n t a g e so fc o n v e n t i o n a ls o l v e n t ss u c ha sh i g hv o l a t i l i t y , s e v e r e l yc o n t a m i n a t e d ，s t r o n g l yc a u s t i c i t y a n dt h e d e g e n e r a t i o n o fc h i t o s a n t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt of m dan e wg r e e ns o l v e n tf o ri m p r o v e m e n tt h ea c y l a t i o n r e a c t i o no fc h i t o s a n a c c o r d i n gt ot h ee x c e l l e n tp r o p e r t yo fi o n i cl i q u i di nc e l l u l o s e ，i o n i cl i q u i dw a s i n t r o d u c e di nt h eh o m o g e n e o u sr e a c t i o no fa c y l c h i t o s a n f o u rk i n d so fi o n i cl i q u i d s ： 【g l y c i ，【p r o c l ，【l y s aa n d 【p r o 】【c 1 c h 2 c o o w e r ep r e p a r e db a s e do ns t a n d a r d l i t e r a t u r em e t h o d t h e i rs t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yf t i ra n dn m r n - a c e t y l a t e d c h i t o s a n ，n - m a l e y l c h i t o s a na n d n - s u c c i n y l c h i t o s a nw e r e s y n t h e s i z e d i n h o m o g e n e o u ss y s t e mo fi o n i cl i q u i da q u e o u ss o l u t i o na n dc h i t o s a n t h er e s u l t s s h o w e d 【g i y 】c 1w a so fb e t t e rs o l u b i l i t yp e r f o r m a n c et h a nt h eo t h e rt h r e ei o n i cl i q u i d s t h ei n f l u e n c e so fr e a c t i o nt i m e ，t e m p e r a t u r ea n dt h em o l er a t i oo fr e a c t a n t so nt h e d e g r e es u b s t i t u t i o no ft h ea b o v et h r e ea c y l - c h i t o s a nw e r ei n v e s t i g a t e dr e s p e c t i v e l yi n t h eh o m o g e n e o u ss y s t e mo fw h i c hw e i g h tp e r c e n t a g ei s2 t h er e p e a t i n gu s a g eo f i o n i cl i q u i dw a sa l s od i s c u s s e d t h eo p t i m u mc o n d i t i o n sw e r eo b t a i n e da sf o l l o w s ： m 离子液体条件下n 酰化壳聚糖的均相合成新丁艺研究 n ( a c e t i ca n h y d r i d e ) ：n ( c h i t o s a n ) = 2 7 5 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e6 0 ca n dr e a c t i o nt i m e5 h ， t h ed e g r e es u b s t i t u t i o no fn - a c e t y l a t e dc h i t o s a nw a s9 3 8 n ( m a l e i c a n h y d r i d e ) ： n ( c h i t o s a n ) = 2 5 ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e6 0 a n dr e a c t i o n t i m e5 h ，t h ed e g r e e s u b s t i t u t i o no fn - m a l e y lc h i t o s a nw a s 9 0 4 n ( s u c c i n i ca n h y d r i d e ) ：n ( c h i t o s a n ) = 2 7 5 ， r e a c t i o nt e m p e r a t u r e4 0 。ca n dr e a c t i o nt i m e4 h ，t h ed e g r e es u b s t i t u t i o no fn s u c c i n y l c h i t o s a nw a s9 1 1 【g l y c 1c o u l db er e u s e d3t i m e sw i t h o u ta n yd i s p o s a la n dt h e d e g r e es u b s t i t u t i o nw a ss t i l la b o v e8 9 t h e i rs t r u c t u r e sw e r ec h a r a c t e r i z e db yx r d a n d f 兀r t h e p r o d u c t s h a v e g o o dw a t e r - s o l u b i l i t y ,m o i s t u r e a b s o r p t i o n a n d m o i s t u r e r e t e n t i o nc a p a c i t y f u r t h e r m o r e ，m o i s t u r e a b s o r p t i o nc a p a c i t yw a sb e t t e rt h a n t h em o i s t u r e a b s o r p t i o nc a p a c i t yo fg l y c e r 0 1 t h ep o s t - d i s p o s a lw a st r e a t e dw i t h s i m p l et e c h n i q u e s t h er e a c t i o nc o n d i t i o n sw e r em i l d t h e r e f o r e ，a ne n v i r o n m e n t f r i e n d l yp r o c e s so ft h es y n t h e s i so fn - a c y lc h i m s a ni sp r o v i d e d k e yw o r d s ：c h i m s a nn - a c y lc h i t o s a ni o n i cl i q u i dh o m o g e n e o u sr e a c t i o n i v 青岛科技人学研究生学位论文 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 洼! 麴递直墓丝盂噩 挂剔虚明的：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：衫云改彩l 签字日期：嘭砗衫月易日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权学校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、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网 络向社会公众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：多云伊天哆久 签字吼干石月，乡日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 8 1 导师签字：亏岜簪 签字日期= 叩年多月日 电话： 邮编： 青岛科技大学研究生学位论文 1 文献综述 1 1 壳聚糖的性质及其衍生物制备方法的研究概况 壳聚糖是一种天然的聚阳离子多糖，可以从甲壳类动物、菌类、昆虫等自然 资源中提取得到。壳聚糖具有良好的生物相容性、天然无毒、可生物降解，在生 物工程、制药、化妆品、纺织品、农业等领域引起了广泛关注。下面就针对壳聚 糖及其衍生物作一下综述。 1 1 1 概述 壳聚糖( c h i t o s a n ) 又称聚氨基葡萄糖，可溶性甲壳素、几丁聚糖、c t 壳聚糖、 壳寡糖、甲壳胺、脱乙酰几丁质和脱乙酰甲壳素等，是由甲壳素经脱乙酰化反应 转化成的生物大分子【1 1 。甲壳素是一种丰富的多糖资源，是仅次于纤维素的第二 大天然聚合物。壳聚糖有动物纤维素之称，是与蛋白质，脂肪，糖类，维生素和 矿物并列的六大生命要素之一【，在环境保护1 2 - 5 1 、化q - n 、化妆品【7 1 、食品工业1 8 】、 重金属处理【9 1 、医药【1 0 - 2 0 i 、分离膜材料【2 1 - 2 2 、医疗用品【2 孓猢、以及生物工程等方 面都有广泛的用途 2 6 - 2 7 。不同分子量的壳聚糖具有不同的功效，分子量小于1 0 万 的壳聚糖对农业、医药及化妆品行业具有重要意义【绷。现在，壳聚糖的研究和应 用开发，已成为国内外瞩目的高新科技领域罩多糖研究的热点之一。 1 1 2 壳聚糖的分子结构及性质 壳聚糖为含氮多糖类物质，是由2 氨基脱氧d 葡萄糖以1 3 1 ，4 糖苷键缩合而 成的，化学名为1 3 ( 1 ，4 ) 2 氨基2 脱氧d 葡萄糖，分子式为( c s h l l n 0 5 ) n 。 甲壳素与壳聚糖的单元环结构都和纤维素很类似，如图1 1 所示。壳聚糖是白色无 定型粉末，半透明，略有珍珠光泽，因原料和制备方法的不同，相对分子质量也 不等【2 9 1 ，糖单元的相对分子质量为1 6 1 ，无毒，不溶于水、也不溶于绝大多数有 机溶剂和碱，可溶于稀的硝酸、盐酸、硫酸等无机强酸和大多数的有机酸，使用 时常将其溶于醋酸中。壳聚糖还具有很好的吸附性、成膜性、通透性、成纤性冈。 壳聚糖是自然界唯一的碱性多糖，其分子内既有亲水基和疏水基又有具有配位能 力的n h 2 ，o h l 3 1 】，壳聚糖在溶液中是带正电荷多聚电解质，具有很强的吸附性， 不仅可以吸附金属离子，还可以吸附非金属离子物质1 3 2 1 。 离子液体条件下n 酰化壳聚糖的均相合成新t 艺研究 ( c ) 图1 - 1 纤维素( a ) 壳聚糖( b ) 甲壳素( c ) 的结构式 f i g 1 - 1t h es t r u c t u r eo fc e l l u l o s e ( a ) c h i t o s a nc o ) a n dc h i t i n ( c ) 1 1 3 壳聚糖衍生物概述 对于壳聚糖的化学改性研究较多的有壳聚糖的酰基化、硫酸酯化、羧甲基化、 季铵化等，其中壳聚糖酰化衍生物的保湿性和吸湿性优异，有望替代价格昂贵的 透明质酸，成为很有前途的候选辅料。 1 1 4 壳聚糖衍生物制备方法的研究概况【3 3 4 2 1 壳聚糖的化学结构式与纤维素相似，纤维素能通过化学改性形成纤维素醚、 纤维素酯等衍生物，壳聚糖也可通过化学修饰而得到多种衍生物。由于比纤维素 多了氨基活性基团，因而衍生物反应的途径更加变化多端，其衍生物已形成了比 纤维素衍生物更大的一个系列。 1 1 5 酰化壳聚糖制备方法的研究概况 酰化壳聚糖衍生物，是一种潜在的医用生物高分子，而含羧基的酰化壳聚糖 的吸湿和保湿性能突出，有望替代价格昂贵的透明质酸。而且，酰化后的壳聚糖 的成型加工性得到显著改善，并有了许多相应的新用途。 壳聚糖可通过与酸酐、酰氯等反应，在大分子链上引入不同分子量的饱和脂 2 波 抟 臻 吣矗 h h 青岛科技大学研究生学位论文 肪族酰基( 如与丁酰化、己酰化、十二烷酰化等) 或不饱和脂肪族酰基( 如乙酰 化、马来酰化、丁二酰化) 或芳香族酰基( 如苯甲酰化、邻苯二甲酰化等) 。 壳聚糖分子链的糖残基上既有羟基，又有氨基，因此，酰化反应既可在羟基 上发生，生成酯；也可在氨基上发生，生成酰胺。其反应式如下： o ：。 o 近年有在甲磺酸中进行酰化反应的报道。j t l l 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 份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。还有沸腾的壳聚糖在乙酰氯、十二酰氯介质中， 可制得完全乙酰化衍生物。最近汪琴等用经碱处理后的壳聚糖与丁二酸酐在 6 0 反应合成了n 琥珀酰壳聚糖【3 2 1 。 介质对酰化反应程度的影响很大，壳聚糖在高度溶胀胶状物状态下，可进行 非均相高速酰化反应，如t 1 1 5 1n - 乙酰壳聚糖研究概况 n 乙酰化壳聚糖超滤膜对去除溶液中的微粒、胶体、细菌、热源和各种有机 物有较好的效果，在水处理系统工程中和物质分离领域里，有良好的应用前景 【4 3 】。用壳聚糖和n - 乙酰化壳聚糖制成的人工肾透析膜已经申请了欧洲和日本的 专利【删。近几年来以壳聚糖为原料制成的膜材料已在物质分离、生物材料、药 物缓释、环境保护、食品保鲜、细胞培养等领域进行了较为广泛的应用研究f 4 q 。 n - 乙酰壳聚糖是一种高分子聚合物，具有如下优良性能：( 1 ) 水溶性，取代 度愈高水溶性愈好，其溶液的透明度也愈好。 ( 2 ) 成膜性，n 乙酰壳聚糖有较 好的成膜性，其膜具有光泽，透明而柔韧，较好的透气性。( 3 ) 高分子性能，对 胶体有稳定作用，有增稠、凝胶和气泡稳定作用。( 4 ) 安全无毒性，n 乙酰壳聚 糖安全，无毒，无害。 根据文献检索，主要的合成方法包括如下几种： 方法一【4 5 】：取1 9 精制的蟹壳壳聚糖，使之在不断搅拌下溶于2 5 m l 水( 含 有0 7 m l 冰醋酸) 中，再加入2 5 m l 乙醇，将8 m l 吡啶逐滴加入上述反应混合 3 离子液体条件下n 一酰化壳聚糖的均相合成新工艺研究 液中，然后再加入一定量的醋酸酐，反应数小时。 反应完毕，加入2 0 0 m l 9 5 的乙醇，有白色沉淀析出，离心分离，用一定量 的去离子水将沉淀溶解，重复上述操作三次，再用乙醇洗涤三次，在烘箱中8 0 下烘干，即得n 乙酰壳聚糖。 方法- - i i l ：将壳聚糖溶于醋酸水溶液中，加入甲醇混合均匀，加入乙酸酐， 于2 5 反应1 2 h 。水溶性n 乙酰壳聚糖用乙醇沉淀后收集，低取代度n 乙酰壳 聚糖用稀n a o h 水溶液沉淀后收集，凝胶产物用乙醇充分浸泡脱水后收集，所 有n 乙酰壳聚糖均用丙酮充分洗涤后真空干燥。 1 1 5 2n 马来酰化壳聚糖的研究概况 n 马来酰化壳聚糖，可作为关键中间体进行选择性定量化学修饰，从而制备 高分子药物和人造组织等特异性生物材料1 4 7 - 5 0 。n - 马来酰化壳聚糖具有很好的 生物相容性，可作为分子标记聚合物应用于蛋白质分离【5 1 】，是一种潜在的医用 生物高分子。含有羧基的酰化壳聚糖衍生物有较好的吸湿和保湿性能，其保湿 性能尤为突出，可以用作化妆品的保湿剂，应用f ； 景非常广泛，有望替代价格 昂贵的透明质酸，成为新型保湿剂、润滑剂，应用于日用化工、临床医疗、生 化制药等领域【5 2 1 。 n 马来酰化壳聚糖是一种含有羧基的酰化壳聚糖，白色或淡黄色粉末，是一 种两性离子化合物，可溶于水、酸、碱液中。n 马来酰化壳聚糖明显改善了壳 聚糖的水溶性、吸湿保湿性。因为n 马来酰化壳聚糖的分子链上含有羧基，由 于羧基负电荷的排斥作用，使其分子空间伸展增大，再加上羧基的亲水性，使 n 马来酰化壳聚糖随取代度的增大其结合水能力也增大。另外由于结合在高分 子中的水分子难以释放，n - 马来酰化壳聚糖的保湿性尤为明显。其中高取代度、 高相对分子质量的n 马来酰化壳聚糖具有比透明质酸更优越的吸湿保湿性能 和抑菌性能。取代度较大的产物，相对分子质量和黏度较大，保湿性尤为显著。 根据文献检索，主要的合成方法包括如下几种： 方法一【5 3 l ：称取2 9 壳聚糖于三口瓶中，按一定配比加入马来酸酐，量取 5 0 m l n ，n 二甲基甲酰胺作为反应介质。将三口瓶置于微波炉中，安装实验装置， 设置微波功率、时间、温度等参数，磁力搅拌下开始反应。反应结束后停止搅 拌，产物用丙酮提纯，在真空恒温干燥箱中烘干。 方法- - 5 2 1 ：将1 9 壳聚糖溶于2 5 m l 质量分数为3 的乙酸溶液，加入2 0 m l 无水乙醇后，再加吡啶并搅拌成均相，将5 m l 含一定量马来酸酐的无水乙醇溶 液搅拌下加入反应器，室温反应一定时间。产物用2 5 0 m l 无水乙醇沉淀、离心， 并分别用1 5 0 m l 无水乙醇洗涤4 次，用3 0 m l 蒸馏水溶解，置蒸馏水透析4 8h ， 4 青岛科技大学研究生学位论文 真空冷冻干燥得产物。 方法_ _ - - 5 4 1 ：采用间歇法合成。将6 0 9 的马来酸酐溶于1 0 0 m l 的d m f ，加 入2 0g 壳聚糖，n 2 保护下，迅速升温至1 3 0 反应3h 。反应液倾入到冰水混 合物中，沉淀、抽滤，乙醚洗涤数次，4 0 真空干燥。为得到更高取代度的产 物，将第一次反应后得到的马来酰化壳聚糖按上述反应条件再重复一次，即得 到所需的产品。 1 1 5 3n 丁二酰化壳聚糖的研究概况 n - 丁二酰壳聚糖是壳聚糖丁二酰化的衍生物，其钠盐形式可溶于水，不同于 壳聚糖只能溶于酸性水溶液，具有更大的适用性，可用作化妆品的保湿剂、过 渡金属离子螯合剂、酶的固定剂和缓释药物载体等。生物学研究结果表明水溶 性n - 丁二酰化壳聚糖较壳聚糖具有更低的毒性、更长的体内半衰期，在体内的 降解速度较慢，并能选择性地蓄积于肿瘤组织，是一种优良的抗肿瘤药物的靶 向载体1 5 5 巧9 1 。 n 丁二酰壳聚糖化学名称为1 3 ( 1 ，4 ) 2 ( 3 羧基丙酰胺基) 2 脱氧d 葡聚糖， 是一种高分子聚合物。糖单元相对分子量为2 6 2 ，分子量较大，具有晶体结构， 其水溶性较壳聚糖有明显改善，当壳聚糖分子中引入基团后，其分子排列规整 性被破坏，取代度越大非晶相越多，因而溶解性能也就越好，且此性质与n - 丁二酰壳聚糖的取代度、分子量、壳聚糖的脱乙酰度有一定的关系。n - 丁二酰 壳聚糖可溶于碱性溶剂中，成黄色粘稠液体。由于含有氨基和羧基，n - 丁二酰 壳聚糖是一种两性化合物。 根据文献检索，主要的合成方法包括如下几种t 方法一【删：将经碱处理过的壳聚糖，置于二甲亚砜中，搅拌下加入丁二酸 酐，在6 0 反应至设定时间。反应结束后过滤，过滤后将沉淀物溶于蒸馏水中， 用3 倍体积的丙酮沉淀，沉淀物再依次用乙醇和丙酮洗涤，干燥后得n - 丁二酰 壳聚糖。 方法二【6 1 】：用5 醋酸溶解壳聚糖，加入甲醇稀释，于剧烈搅拌下滴加丁二 酸酐( 丙酮溶液) ，搅拌后，放置过夜；用乙醇充分分散反应液，过滤，沉淀用 乙醇洗后，用2 m o l l 氢氧化钠溶液碱化至p h = 1 0 ，过滤，滤液徐徐加到乙醇中： 将得到的无定形沉淀溶解于水，再用0 1 m o l l 盐酸酸化至不再析出沉淀为止； 沉淀依次用水、乙醇、乙醚洗涤，真空干燥即得。 方法三【6 2 】：壳聚糖溶于4 8 的乳酸溶液中，用甲醇稀释，然后加入丁二酸 酐，室温下搅拌反应2 0 h ，再用5 的n a o h 溶液调节反应溶液的p h 约为5 ， 过滤收集沉淀，用水溶解，再用5 的n a o h 溶液调节至p h = 1 0 1 2 ，蒸馏水透 5 离：f 液体条件下n 酰化壳聚糖的均相合成新工艺研究 析，冷冻干燥即得产物n 丁二酰壳聚糖的钠盐。 1 1 6 壳聚糖其他衍生物的研究概况 1 1 6 1 含氧无机酸酯化 在含氧无机酸的酯化反应中，研究最多的是壳聚糖硫酸酯化。壳聚糖的硫酸 酯化试剂主要有浓硫酸、二氧化硫三氧化硫、氯磺酸等，反应一般在非均相进行。 壳聚糖6 o 硫酸酯的反应式如下： 浓h = s o , 、s o = h c i + 或s o j s 0 3 与纤维素一样，壳聚糖也能形成磷酸酯，这些产物有很强的吸附重金属离子 t t t i 力，尤其是能捕集海水中的铀，其反应式如下： 曰 陋寸备陋叶 将壳聚糖用碱处理后，再与二硫化碳反应生成黄原酸酯。壳聚糖n n - 硫化 碳和氢氧化钠水溶液中，6 0 。c 反应6 h ，倒入丙酮中，得n n 黄原酸化壳聚糖钠盐， 其反应式如下： 1 1 6 2 羧甲基化 + c s 2 + n a o h 在碱性条件下，壳聚糖与氯乙酸反应，得到可溶于水的羧甲基化壳聚糖。羧 甲基化壳聚糖可用于食品保鲜、废水处理和化妆品添加剂；此外，它还可用于制 备人造血红细胞等。其反应式如下： 尉击厨 6 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 6 3 季铵化 6 3 6 4 1 壳聚糖分子链上有氨基，用碘甲烷与壳聚糖反应合成出碘化n 三甲基壳聚糖 季铵盐，反应式如下： 壳聚糖季铵盐还有另一种结构，即季铵盐基团不直接连接在c 2 上，而是把一 个低分子季铵盐接到氨基上，例如把缩水甘油三甲基氯化铵的水溶液与壳聚糖以 摩尔比例3 ：1 加入到异丙醇中，9 0 c 搅拌( p h = 7 ) 8 h ，过滤、洗涤、干燥，即得 壳聚糖羟基丙基三甲基氯化铵。下式为其反应式： 睑一 c 吁9 h c 叫i c 咐c 广 o h 1 2 酰化壳聚糖表征和取代度测定研究概况 1 2 1 酰化壳聚糖的结构表征研究概况 大多数酰化壳聚糖的结构表征采用红外光谱，通过原料壳聚糖与合成的酰化 壳聚糖红外谱图的比较，确定反应后所出现的代表产物的特征吸收峰，从而推 断出反应是否发生和主要在氨基反应还是在羟基反应等。有关这方面的报道较 多，在此就不多做叙述。 最近又出现了新的检测方法，例如：通过x r d ，根据壳聚糖具有两种不同 的晶体形态，表现出明显的衍射峰。反应后根据衍射峰的位移和强度的改变， 以及晶形的改变，对酰化壳聚糖的结构进行表征。越来越多的文献中采用这种 方法对酰化壳聚糖进行表征，并且此方法也适用于壳聚糖其它衍生物的结构表 征。 有些酰化壳聚糖可以采用核磁方法进行结构表征，例如：n - 马来酰壳聚糖的 1 h - n m r 谱图中，6 = 5 7 p p m 和6 4 p p m 的吸收峰对应于不饱和双键上的质子吸 收。从1 3 c n m r 谱图，6 = 1 2 0 p p m 和1 7 7 p p m 的吸收峰对应于引入的2 羧基丁 酰基上的碳吸收峰。n m r 分析可断定壳聚糖的氨基与马来酸酐发生酰化反应制 得n 马来酰壳聚糖【5 9 1 。 7 离子液体条件下n 一酰化壳聚糖的均相合成新一i ：艺研究 除了以上这些方法以外，还可以考察合成产物的溶解度。例! t 1 1 丁二酰化壳 聚糖，由于其含有氨基和羧基，表现出两性化合物的性质，其等当点为p h = 3 5 7 。 溶解度测定的方法为：将1 0 0 m g n 一7 - - - 酰壳聚糖分散于2 0 m l 蒸馏水中，观察 溶解情况，然后用0 1 m o l l 的盐酸调节溶解液的p h = l ，再用0 1 m o l l 的氢氧 化钠回滴至溶液的p h = 1 4 ，观察回滴过程中的溶解情况睁l 。 1 2 2 酰化壳聚糖取代度测定研究概况 取代度是影响酰化壳聚糖理化性质的重要因素，因此取代度的测定十分重 要，最常用、最普遍和广泛认同的取代度测定方法是酸碱滴定法。下面介绍一 种以酚酞为指示剂的酸碱滴定法。 称取0 2 9 ( 准确至0 0 0 0 1 9 ) 干燥的反应产物于锥形瓶中，用移液管吸取 2 5 m l 0 1 m o l l n a o h 标准溶液，摇匀，静置2 h 。以酚酞为指示剂，用0 1 m 0 1 衄c l 标准溶液滴定过量的n a o h ，至微红色消失3 0 s 内不再现，即为终点l 删。 酰化壳聚糖产物的取代度d s 按下式计算： d s = 1 6 1x w j 1 0 0 a - ( a - 1 ) w 】x1 0 0 式中，1 6 1 为壳聚糖的相对分子质量( g m 0 1 ) ； a 为引入壳聚糖的酰化基团的相对分子质量( g m 0 1 ) w 为取代基的质量分数( ) ，按下式计算： w = 【( gk - c 2v 2 ) x1 0 - j x m l m x1 0 0 式中，c z 为n a o h 标准溶液的摩尔浓度( m o l l ) ； 砀为n a o h 标准溶液的体积( m l ) ； c 2 为h c i 标准溶液的摩尔浓度( m o l l ) ； 乃为消耗h c l 标准溶液的体积( m l ) ； m 为引入壳聚糖的酰化基团的摩尔质量( g m 0 1 ) ； m 为样品的质量( g ) 。 针对不同的酰化壳聚糖产物和所采用的指示剂的不同，很多文献在以上酸碱 滴定法的基础上进行了改进和简化。例如：易喻【删等合成n 邻苯二甲酰化壳聚 糖，取代度的测定采用简化了的酸碱滴定法。应国清【5 2 】等合成n 马来酰化壳聚 糖，称取o 1 0 0 0 9n 马来酰化壳聚糖溶于0 1 0 0 0m o l l 的盐酸溶液中，用 0 1 0 0 0 m o l l 氢氧化钠溶液滴定，作盐酸体积数与p h 值的关系图，计算产物取 代度( d s ) 。汪犁3 2 1 等合成n 琥珀酰壳聚糖，称取o 1 0 0 0 9n 琥珀酰壳聚糖溶 于0 1 m o l l 的氢氧化钠溶液中，用0 0 5 0 0 m o l l 盐酸溶液滴定，计算琥珀酰壳 聚糖的取代度。 参照酸碱滴定法的原理，出现了电导滴定法。电导分析的依据：电解质溶液 8 青岛科技大学研究生学位论文 的导电过程是通过溶液中所有离子的迁移运动来进行的，当溶液中离子浓度发 生变化时，其电导亦随之而改变。因此，可以根据溶液电导的变化来指示溶液 中离子浓度的变化【6 7 】。 取代度测定还可以采用红外光谱和紫外光谱的方法。将样品研碎与k b r 混 合压片，在红外光谱仪上进行测定，找出相关基团的特征吸收峰，通过特征吸 收峰的比值可以近似的得出产物的取代度。通过以0 0 0 1 m o 且c 1 为溶剂，将 壳聚糖、不同取代度的酰化壳聚糖配成0 1 m g m l 的溶液，以0 0 0 1 m o l i 且a 为参比液，用紫外分光光度计测定在不同波长下的吸光度；再以另一种溶剂为 参比液，按照上面的方法重复一遍，用紫外分光光度计测定在不同波长下的吸 光度。通过吸光度得以推出产物的取代度嘲l 。 利用元素分析仪测得c 、h 、n 的含量，以n c 比值与取代度的关系，可以 算出产物的取代度1 6 9 1 。 1 3壳聚糖酰化反应的研究现状和面临的问题 以壳聚糖为原料制备出许多性能优异且附加值高的重要精细化工产品，这些 产品与未经改性的壳聚糖相比，在多种有机溶剂或水中显示出良好的溶解性能， 且加工性能也得到明显改善。其中，壳聚糖的酰化反应是其深加工中一个十分重 要的反应，制备出的各种酰基壳聚糖衍生物以其良好的水溶性等性能，被广泛应 用于纺织、医药、食品、化妆品、环保和材料等领域。 传统的酰化壳聚糖反应采用非均相或均相反应。非均相反应，采用丙酮、二 甲基甲酰胺和二甲亚砜等溶剂，存在的缺点是：很多制备过程需要使用无机酸或 碱催化剂，催化剂不能重复使用；还要经过中和、水洗等操作，生成的盐与产物 难以分离，设备腐蚀和污染严重，三废处理量较大；难以实现对目标产物的控制 和产物不均匀，给工业生产带来了许多困难。均相反应，主要采用乙酸作溶剂， 有的还要加入甲酰胺甲醇、甲酰胺乙醇、甲醇、乙醇、吡啶等有机溶剂，存在 的缺点是：反应时间较长，反应过程易形成凝胶，后处理复杂，导致壳聚糖骨架 断裂，产物分子量降低。以上溶剂存在挥发性大、毒性较高、污染严重、腐蚀性 强以及易导致壳聚糖降解等缺点。因此寻找能有效溶解壳聚糖的绿色溶剂，使其 衍生物的制备在均相反应条件下进行，已成为目前壳聚糖深加工过程中亟待解决 的问题。 1 4 离子液体的研究状况 9 离子液体条什下n 酰化壳聚糖的均相合成新工艺研究 1 4 1 概述 离子液体指那些只含有离子的液体，或称熔融的盐。离子液体是由一种含氮 杂环的有机阳离子和一种无机阴离子组成的盐，在室温或室温附近温度下呈液 态，又称为室温离子液体。离子液体与传统的有机溶剂、水、超临界流体等相比 具有许多优良的性能：( 1 ) 对很多化学物质包括有机物和无机物具有良好的溶解性 能；( 2 ) 较高的热稳定性；( 3 ) 几乎不挥发、不氧化、不燃烧；( 4 ) 较宽的液态温度 范围；( 5 ) 粘度低、热容大；( 6 ) 对水、对空气均稳定；易回收，可循环使用； ( 8 ) 设备简单、制造容易。而离子液体阴阳离子可以自由组合的特性又为各种特定 的应用提供了可能。 1 4 2 离子液体的种类与结构 当前研究的主要离子液体阳离子有4 类 7 0 1 ：烷基季铵离子 n r , h 4 x + ；烷基季 磷离子 p r x h 4 - x 1 + ；1 ，3 二烷基取代的咪唑离子或称n ，n 二烷基取代的咪唑离子， 简记为j r l r 3 i m + ，例如1 丁基3 甲基咪唑离子记为f b m i m l + ，若2 位上还有取代基 r 2 ，则简记【r 1 r 2 r 3 i m + ，如1 ，2 一二甲基3 丙基咪唑离子e 为 m m p i m + ；n 烷基 取代的吡啶离子记为l 心，1 + 。 根据阴离子的不同可将离子液体分为两大类【7 1 】：一类是卤化盐a i c l 3 ( 其中 c 1 也可用b r 代替) 。此类离子液体被研究的较早，其缺点是对水极其敏感，实际 应用因此受到很大限制；另一类离子液体被称为新离子液体，是在1 9 9 2 年发现 f e m i m + b f 4 的熔点) 3 1 2 c 以来发展起来的，这类离子液体不同于a 1 c 1 3 离子液体， 其组成是固定的，对水、对空气是稳定的，因此近几年取得惊人进展。其正离子 多为烷基取代的咪唑离子 r i r 3 i i l l 】+ ，j t n b m i m + ，负离子多用b f 4 、p f 6 ，也有 c f 3 c o o 、c 3 f 7 c o o 、c f 3 s 0 3 、c 4 f 9 s 0 3 。、( c f 3 s o z ) 2 i v 、( c 2 f 5 s 0 2 ) 3c 、( c 2 f 5 s 0 2 ) 2 1 v 、s b f 6 。、a s f 6 、c b l l h l 2 ( 及其取代物) 、n 0 2 等、以n 0 3 。、c 1 0 4 为负离子的 离子液体要小心爆炸( 特别是干燥时) 。 1 4 3 离子液体的特点与性质 离子液体的组成决定了其性能，通过选择合适的阴、阳离子，以不同的配比 结合，可以在较大的范围内调变离子液体的物理和化学性质，根据需要，设计并 合成出所需要的离子液体。既可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性， 也可对其酸度进行人为的调节【7 2 1 。 1 4 3 1 离子液体的熔点 离子液体具有宽液体范围，在1 0 0 c 至3 0 0 之间均呈液体状态，这使得离子 1 0 青岛科技人学研究生学位论文 液体中的许多反应具有优良的动力学可控性。一般认为，熔点随着阴离子的体积 的增大而降低【7 3 1 ，同时，阳离子结构的对称性越低，离子间相互作用越弱，阳离 子电荷分布均匀，则其熔点越低。研究者还发现很多离子液体在8 0 1 0 0 左右表 现出较宽温度范围内的玻璃态，这说明它们具有相当长的熔程1 7 4 1 。 1 4 3 2 离子液体的热稳定性 离子液体的热稳定性分别受杂原子碳原子之间作用力和杂原子氢键之间作 用力的影响，与其阴阳离子的结构和性质密切相关，如咪唑类离子液体。离子液 体的含水量对其热稳定性也存在影响【7 5 1 。 1 4 3 3 离子液体的粘度 离子液体的粘度主要由氢键和范德华引力所决定，氢键的影响非常明显。常 温下其黏度较大( 是水的几十倍) 。其粘度随着温度的升高而降低【7 6 1 ；随阳离子 取代基碳链的增长而增加。离子液体的粘度对温度和添加剂较为敏感，温度的微 小升高或者少量有机溶剂的加入都会导致离子液体的粘度有明显降低。少量氯离 子可以使咪唑盐离子液体阳离子上的氢原子与氯离子之间的氢键作用减弱，从而 粘度下降【明。阳离子相同时，离子液体的粘度随着阴离子的体积增大而增大。 选择离子液体作为溶剂的难题之一在于它们的粘度要比常用的有机溶剂高得 多。离子液体由于自身粘度较大，在制备羧甲基纤维素和纤维素琥珀酸酯时，体 系粘度大，反应不能充分进行，反应取代度低f 7 8 1 。研究者探讨降低粘度的方法， 例如：在体系中加入添加剂，研究不同添加剂对体系粘度的影响。刘丽划7 9 】等发 现二甲基亚砜( d m s o ) 、n ，n - 二甲基乙酰胺( d m a c ) 和1 ，4 _ 二氧六环的加入 能降低纤维素离子液体体系的粘度。 1 4 3 4 离子液体的溶解性 离子液体内部存在相当大的库仑力，正是这种库仑力使离子液体具有很强的 极性且对多种有机、无机以及聚合材料具有溶解能力。利用离子液体的良好溶解 性，可将一些极性强的质子酸和l e w i s 酸以及金属络合催化剂溶解【舳1 ，达到催化 剂循环使用的目的，以解决传统催化剂难以重复回收使用、易失活和流失等问题。 1 4 4 离子液体在溶解高分子方面的应用 近两年来，离子液体开始应用在纤维素材料加工中，并陆续出现了有关纤维 素的溶解、均相衍生化以及纸张、纤维、木材等纤维素材料改性方面的报道。以 离子液体为溶剂，将纤维素、丝蛋白、羊毛角蛋白等天然高分子材料溶解和再生 1 1 离子液体条件下n 酰化壳聚糖的均相合成新丁艺研究 以及衍生化反应，已成为纤维材料加工的新技术之一。 1 4 4 1 离子液体溶解纤维素的研究概况 s w a t l o s k i 等【8 1 】首先发现纤维素无需活化可以直接溶解在室温离子液体中，为 纤维素新溶剂体系的研究开辟了新领域。 武进等【8 2 】合成了一种新的室温离子液体，1 烯丙基一3 甲基咪唑 a m i m c l 氯化 物，对纤维素有很好的溶解性能。在此离子液体中进行了均相纤维素的乙酰化反 应，与传统均相反应相比，无需催化剂，反应快，可控取代度和溶剂可回收利用 等优势。 任强等【8 3 】比较了f a m i m l c l 和f b m i m l c l 对纤维素的溶解能力，发现同样溶解条 件下含有双键的a m i i i l l c l 占有明显优势，推测其原因可能是f a m i m l c l 的阳离子尺 寸较小。z h a n g 等1 酬报道了侧链含双键基团的咪唑基离子液体对纤维素具有更好 的溶解性。h e i n z e l 8 5 l 贝u 以f b m i m l c l 、3 甲基n 丁基氯代吡啶 b m p y c 1 和苄基二 甲基十四烷基氯化铵( b d t a c ) 3 种离子液体作为溶剂，探讨了不同聚合度 ( d p = 2 9 0 1 2 0 0 ) 的纤维素的溶解情况，发现3 种离子液体都是纤维素的直接溶剂， 在溶解过程中没有发生纤维素的衍生化反应，且纤维素的溶解度随其聚合度升高 而降低。m o u l t h r o p 吲用高分辨率1 3 c n m r 对纤维素和溶于f b m i n l l c l 的微晶纤维素 进行了研究，发现纤维素在 b m i m c l q p 处7 ：无序状态，其构象与在水中的纤维素 相似。 离子液体氯化1 ( 2 羟乙基) 3 乙基咪唑( h e e m i c 1 ) 对棉纤维表现出很好的 溶解能力，且在溶解和再生过程中未发生化学变化阳。棉纤维在高压条件下经质 量分数为3 0 的n a o h 预处理后，溶解性能最佳。微波加热法的溶解效果远远优于 传统加热法，且随着温度的升高，溶解率逐渐增大。 1 4 4 2 离子液体溶解甲壳素壳聚糖的研究概况 、l