羧甲基壳聚糖的合成分析研究 化学专业

摘要壳聚糖(chitosan,CTS)作为一种至关重要的大分子有机化合物，被广泛应用于化工、医疗、食品制造等各个行业。但是由于壳聚糖性质特殊，除酸外，不溶于水性溶剂，且CTS在浓酸当中还会水解，因此它的实践用途并非十分广泛。故对壳聚糖进行结构修饰，极大程度地改变其溶解性能。本课题以壳聚糖为原料，在碱性条件下，用氯乙酸对壳聚糖进行化学改性研究，合成具有良好水溶性的羧甲基壳聚糖。其次考察合成条件如反应温度、时间、氯乙酸质量对合成羧甲基壳聚糖的取代度的影响情况。同时也用红外光谱的分析方法测定产物结构及取代度。实验结果表明，反应1h到反应3h间，产品的羧甲基取代度一直增加；反应40℃到反应60℃间，产品的羧甲基取代度先增加再减少；氯乙酸质量从2.0g加到2.8g，产品的羧甲基取代度先增加再减少。结论：取反应时间为2小时，反应温度为50℃，氯乙酸质量为2.4g,可以得到取代度较高的羧甲基壳聚糖。关键词：壳聚糖；氯乙酸法；取代度；羧甲基壳聚糖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目录TOC\o"1-2"\h\u摘要 IABSTRACT II1．绪论 1HYPERLINK1.1课题背景与意义 11.2壳聚糖的相关反应 11.3羧甲基壳聚糖的应用与发展 21.4本文研究的内容 42．实验部分 52.1实验试剂与实验设备 52.2羧甲基壳聚糖的制备 62.3羧甲基壳聚糖取代度（DS）的测定 6HYPERLINK2.4羧甲基壳聚糖合成之单因素实验探究 62.5表征方法 83.结果与讨论 93.1不同合成条件对取代度的分析与讨论 93.2红外光谱分析 9HYPERLINK\l"_Toc515028589"4.结论 10参考文献 11致谢附录1文献翻译附录2外文文献1．绪论1.1课题背景与意义CTS的结构式如图1所示，是几丁质(chitin)在碱性条件下经过脱乙酰作用后得到的产物，其化学式是如图1的(1,4)-2-乙酰氨基-2-脱氧-β-D-葡萄糖，CTS还有多种别名，如几丁质、甲壳质、蟹壳素等。CTS在自然界中产量丰富，来源也极其广泛，在多种海洋生物和昆虫还有细菌细胞壁当中都有CTS的踪迹。其分子链上有—和—OH，带有的氨基和羟基使CTS性质稳定，生物相容性好，易降解，所以被广泛应用于日化、食品、造纸、制药、化妆品等方面。但它有紧密的晶体结构，故不溶于各种常用溶剂，因而大大限制了其应用范围。具有需要在稀酸溶液中溶解，不利于生物医学领域应用，所以通过引入羧甲基提高其水溶性，这可以极大改善CTS的亲水性。图1CTS分子结构式CTS一般来说溶解适应性不够强，所以需要通过羧甲基化改性，使其具有相对应的如易成膜、可增稠、保湿之类的特性，便于实验室需求。一般来说，我们常用的CTS有三大类，即O-羧甲基CTS、N-羧甲基CTS、N，O-羧甲基CTS。CTS可发生的反应相应复杂，可以与一氯乙酸取代，生成O-羧甲基CTS，也可以与二羟乙酸加成，生成席夫碱，对席夫碱再用适当的还原剂还原，就可以在C2的伯胺上再次取代，生成N-羧甲基CTS，还可以与一氯乙酸在浓碱液当中水解，在反应条件一定的基础上，得到N，O-羧甲基CTS。1.2壳聚糖的相关反应1.2.1鳌合作用Park等[1]制备的纳米粒子是用聚乙二醇来进行修饰的，经修饰后的CTS可以有更多的使用性能。Berrada等[2]则是利用磷酸甘油修饰CTS，制备纳米颗粒。CTS当中的氨基与羟基易与多种物质发生螯合反应，从而形成盐键，并生成网状结构大分子。1.2.3吸附作用CTS的吸附作用一般来说十分强大，尤其是在合适的絮凝剂的作用下，CTS的链段结构就吸附在胶体颗粒上，然后不断生长增大，最后发生絮凝反应。有人将这一过程比作架桥反应，其实是十分合适的，由链段絮凝为整个长链的过程，会极大地增加吸附效果。1.2.3絮凝性能易怀昌等人在其研究著作中发现，CTS对废水有极强的处理效果。并且对酸性染料的吸附效果也很强。作为一种带阳离子的高分子絮凝剂，CTS絮凝的本质就是电荷反应。在污水当中，CTS的电荷会吸引污水、污泥当中的正电荷，在中和电荷的同时降低整个体系的等电位点。一般来说，我们需要处理的废水都呈现胶体或絮状结构，在电荷的作用下，很容易就会生成絮状物，然后沉淀下来。对于CTS来说，其本身所带的正电荷会被水中的负电荷中和，然后进一步体现出其良好的絮凝性。1.3羧甲基壳聚糖的应用与发展1.3.1医学上的应用CTS在医学上应用管饭，无论是我们日常生活中常见的创可贴、绷带，还是属于高新科技的人造皮肤、人造骨骼、固定化酶及药物传递-释放系统中，都存在着CTS的踪迹。N-Cmchitosan这种CTS,最适用的医学范畴就是在组织粘合方面。它可以通过电荷作用力相互粘附分子形成凝胶状化学物质，进而粘合大分子及组织。在外科，这种组织粘合剂是极为有用的，对于外科大出血等缝合具有意想不到的功效。由于形成的凝胶在分子量和粘性上都远远大于血浆，还可以进一步通过组织血液凝固而防止组织之间相互粘结。对于CTS来说，它还可以起到抑菌杀菌的作用，在人体内的共生菌群与肠道当中都有着大量CTS的存在，它可以促进有益共生菌株的繁殖，并反过来抑制有害菌株的生存与繁殖，从这个角度上进一步提升自身免疫力。与此同时，CTS还可以降低血脂、血糖，具有降低胆固醇的功效，在一定程度上，还能抑制体内重金属的肆虐，抑制如口腔乳酸杆菌等的生长繁殖，因此，CTS有时也被用于牙膏和口香糖添加剂，用CTS的有效成分来抵御龋齿和口腔溃疡等疾病对人体的伤害。CTS与粘胶纤维结合在一起，是当今对于CTS的最新研究方向。这两者共混时可以增强其抗菌效果，然后再加入增溶剂，增加其溶解度与生物可利用性（如N，0-羧甲基CTS），然后就可以经纺丝，来制备出具有高强度、高适用范围的抗菌纤维。这种纤维的存在可以抑制多种病菌，如金黄色葡萄球菌等，还可以用于水果、化妆品、肉蛋等的保鲜与涂膜，防止其腐败，增加利用率，降低果蔬、化妆品等的生产成本。之前所使用的普通保鲜剂森柏尔价格高昂，且具有一定的毒性，其保存期也较短。CTS可以完美克服其缺点。它还可以与纤维素、树胶等结合在一起，作为一种纯天然的无毒保鲜剂投入市场，具有味道清新、保鲜时间长、极大程度上抗氧化的种种优点。1.3.2化妆品的应用在化妆品应用方面，CTS的特性使用地就更加广泛与多元化，它水溶性优良，易于乳化，具有较强的生物可利用性与成膜性，可以作为制备相应化妆品的关键成分。在一定程度上，CTS的性能要优于透明质酸与玻尿酸，并且环境可利用性与降解性都很优良。在加热时也不容易发生性质的变化，可以适用于多种极端环境，如两极、航空等。在广泛的PH范围内，CTS都能保持其稳定性与优良性能，这无疑是很罕见的。因此，CTS适用于贵价化妆品，如果将其用于头发护理，还可以起到增强光泽、抗静电的种种作用。1.3.3废水处理上的应用工业在废水处理方面，CTS可以用于处理干洗店、毛巾厂的废污水，也就是利用阳离子絮凝剂的作用下，在合适的PH与剂量范围内（PH3-5;剂量70ppm），起到的处理作用远胜于现在常用的聚丙烯酸胺等絮凝剂。它可以中和废水中的电荷，并与其溶解物发生一定的絮凝反应。CTS还可以作为贵金属回收剂，吸附稀有金属并回收，降低重金属的环境影响，在某种程度上，CTS还可以使果汁澄清，可以作为金属涂料，增加金属的致密性和光洁度，还可以作为阻垢剂，阻止废水中水垢的产生。1.3.4农业上的应用农业上在农业应用方面，CTS适当浓度的水溶液可以被用来处理玉米种子，在CTS的促进下，玉米种子可以加速萌发过程，并且减少坏种率，提升发芽率，进一步提高作物产量。经CTS处理后的玉米种子与未处理的玉米种子相比，在抽穗期的玉米明显就要比未处理的玉米生长旺盛，且蛋白含量也较高，据文献显示，处理后的玉米种子与未处理相比，贮藏蛋白含量提高10.8%，醇溶蛋白含量提高33.8%，而在酶量和酶活方面也有显著提升。相对应的籽粒当中谷氨酞氨合成酶、脱氢酶及谷丙转氨酶都有较大的提升。因此，我们可以说，CTS可以作为一种新型的农业促进剂和蛋白生长调节剂，在一定程度上提升玉米种子与成品的品质，提升其蛋白质的相对含量。除此之外，黄曲霉素也是Aspergillusflavus与A.parasiticus的次级代谢物，但是CTS存在的条件下，可以尽可能降低黄曲霉素的含量与毒性，抑制真菌的生长与繁殖。1.3.5前景展望在目前的研究中，CTS的应用前景极其广泛，在医疗、陶瓷、矿业、食品、纺织、化工等等领域都有CTS存在的踪迹。CTS作为一种纯天然、无污染、生物可利用性高、生物相容性高、可重复循环利用的有机高分子材料，展现着它无与伦比的工业魅力。CTS制备的原材料包括甲壳素、维生素等，也都广泛存在于自然界，具有易获取、易操作、价格低廉的种种优点而备受关注，最特别的是，CTS当中还含有丰富的羟基与氨基的存在，C-6上的羟基可以作为一种纤维素类似物而广泛受到关注，可以用其来拟合纤维素的种种功效，而C-2上的氨基与乙酞胺基，则可以作为一种具有独创性的高新材料来进行开发和利用。在CTS反应的过程中，其水溶性进一步提高，并赋予了它本身更为复杂的生物相容性与生物可利用性，因此，它也具有更强的功能性与创新性，在使用后也更容易被降解消耗，还原为最原始的物理形态。对于CTS的结构、功能与性质的关系，目前的研究还不够充分和详实，但是可以预见的是，在不久的将来，CTS的衍生物一定将要比目前我们使用最多的羧甲基纤维素拥有更广泛的应用与工业价值。1.4本文研究的内容本课题以壳聚糖为原料，在碱性条件下添加氯乙酸，对CTS的化学改性进行研究，其目的是为了进一步合成具有更强工业效益与应用前景的衍生性、高水溶性的羧甲基壳聚糖。其次考察合成条件如反应温度、时间、氯乙酸质量对合成产物取代度的影响规律。再用红外光谱的分析方法测定产物结构及取代度。2．实验部分2.1实验试剂与实验设备2.1.1实验试剂实验所用试剂见表1。表1实验所用试剂2.1.2实验设备以及仪器实验所用设备及仪器分别见表2和表3。表2实验所用设备表3实验所用仪器2.2羧甲基壳聚糖的制备在三口烧瓶中加入壳聚糖2g，异丙醇26ml，再加入质量分数为40%的氢氧化钠溶液10ml，搅拌1小时后，滴加15ml的氯乙酸溶液，在一定温度下，充分反应2小时。反应完毕后，用乙酸调节pH为7，再过滤出不溶物。用无水乙醇反复洗涤沉淀物。将产品充分干燥至恒重，得到白色粉末羧甲基壳聚糖。合成路线如下：图2羧甲基壳聚糖合成路线2.3羧甲基壳聚糖取代度（DS）的测定称取0.5gCMC，加入30ml的0.1mol·L-1的NaOH标准溶液，搅拌使溶液为均相，然后用0.1mol·L-1的盐酸溶液滴定，以盐酸滴定的体积为横坐标，电动势为纵坐标，作其一阶微分或二阶微分曲线图，突变点处是滴定终点时HCl的体积。A=(V2-V1)×C/mDS=0.203A/(1-0.058A)V2-V1——滴定羧甲基壳聚糖消耗的HCl标准溶液体积(ml)；C——NaOH的摩尔浓度(mol·L-1)m——CMCH的质量(g)2.4羧甲基壳聚糖合成之单因素实验探究2.4.1反应时间对产物DS的影响在三口烧瓶中加入壳聚糖2.0g，异丙醇26ml，再加入质量分数为40%的氢氧化钠溶液10ml，搅拌1小时后，滴加15ml的氯乙酸溶液，于60℃下的条件下，研究不同反应时间对羧甲基壳聚糖取代度的影响。结果如表1所示。根据表1可知，反应1h到反应3h，产品的羧甲基取代度略有增加，故为了得到更好的产品，反应时间应取3h。反应时间/h反应温度/℃氯乙酸质量/gV2-V1DS1602.019.71.042602.023.21.293602.026.41.54表1反应时间对产物DS的影响(固定其它反应条件)2.4.2反应温度对产物DS的影响在三口烧瓶中加入壳聚糖2.0g，异丙醇26ml，再加入质量分数为40%的氢氧化钠溶液10ml，搅拌1小时后，滴加15ml的氯乙酸溶液，反应时间为2h,然后改变不同的反应温度，探究温度对其的影响。结果如表2所示。根据表2可知，反应40℃到反应60℃间，产品的羧甲基取代度先增加再减少，故为了得到更好的产品，反应温度应取50℃。反应时间/h反应温度/℃氯乙酸质量/gV2-V1DS2402.016.80.852502.024.71.412602.020.11.06表2反应温度对产物DS的影响(固定其它反应条件)2.4.3氯乙酸用量对产物DS的影响在三口烧瓶中加入壳聚糖2.0g，异丙醇26ml，再加入质量分数为40%的氢氧化钠溶液10ml，搅拌1小时后，加入不同质量的氯乙酸，反应时间为2h,然后改变不同的反应质量，探究加入氯乙酸质量对其的影响。结果如表3所示。根据表3可知，氯乙酸质量从2.0g加到2.8g，产品的羧甲基取代度先增加再减少，故为了得到更好的产品，氯乙酸质量应取2.4g。反应时间/h反应温度/℃氯乙酸质量/gV2-V1DS2602.024.81.162602.422.31.412602.816.81.06表3氯乙酸质量对产物DS的影响(固定其它反应条件)2.5表征方法合成产品与壳聚糖的红外表征及对比：图3为合成的羧甲基壳聚糖的红外光谱图，与图4相比，壳聚糖在1586.3cm-1处有明显的氨基吸收峰，而羧甲基壳聚糖在1558cm-1处出现了羧基离子峰，表明羧甲基化是相当成功的，也就是说，在这里曾经发生了羧甲基化反应。在红外光谱中，存在着较为明显的υ(C=O)的特征吸收峰，这个特征吸收峰存在的意义就是告诉我们，羧甲基化反应后，在CTS分子当中被引入了羧基。图3.羧甲基壳聚糖红外光谱图图4.壳聚糖红外光谱图3.结果与讨论3.1不同合成条件对取代度的分析与讨论以壳聚糖为原料，控制不同的影响因素，制备了一系列的羧甲基壳聚糖，并对其取代度进行了测定，结果为下表。根据结果，可以看出所得羧甲基壳聚糖都有较高的取代度（DS均大于0.80）。根据表可知，反应1h到反应3h，产品的羧甲基取代度略有增加，故为了得到更好的产品，反应时间应取3h；反应40℃到反应60℃间，产品的羧甲基取代度先增加再减少，故为了得到更好的产品，反应温度应取50℃；氯乙酸质量从2.0g加到2.8g，产品的羧甲基取代度先增加再减少，故为了得到更好的产品，氯乙酸质量应取2.4g。3.2红外光谱分析图3为合成的羧甲基壳聚糖的红外光谱图，与图4相比，壳聚糖在1586.3cm-1处有明显的氨基吸收峰，而羧甲基壳聚糖在1558cm-1处出现了羧基离子峰，表明羧甲基化是相当成功的，也就是说，在这里曾经发生了羧甲基化反应。在红外光谱中，存在着较为明显的υ(C=O)的特征吸收峰，这个特征吸收峰存在的意义就是告诉我们，羧甲基化反应后，在CTS分子当中被引入了羧基。4.结论在实验过程中，以壳聚糖为原料，控制不同的影响因素，制备了一系列的羧甲基壳聚糖，并对其取代度进行测定。根据结果，可以看出所得羧甲基壳聚糖都有较高的取代度（DS均大于0.80）。根据结果可知，反应1h到反应3h，产品的羧甲基取代度略有增加，故为了得到更好的产品，反应时间应取3h；反应40℃到反应60℃间，产品的羧甲基取代度先增加再减少，故为了得到更好的产品，反应温度应取50℃；氯乙酸质量从2.0g加到2.8g，产品的羧甲基取代度先增加再减少，故为了得到更好的产品，氯乙酸质量应取2.4g。实验结果显示，CTS溶胀后碱化，可以成功地制备出具有化学效应的CMC。与之前文献里提到的普通方法相比，这种方法可以极大增加活性部位的接触面积，保证反应效率，进一步生成取代度比较高的新合成物。图3为合成的羧甲基壳聚糖的红外光谱图，与图4相比，壳聚糖在1586.3cm-1处有明显的氨基吸收峰，而羧甲基壳聚糖在1558cm-1处出现了羧基离子峰，表明羧甲基化是相当成功的，此位置发生了羧甲基化反应。参考文献[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