Nghiên cứu phản ứng lưới hoá chitosan, Một số dẫn xuất của chitosan & khả năng hấp phụ ion kim loại Nặng

là một polisaccarit, được tạo thành từ các phân tử D- glucosamin và chúng được nối với nhau bởi liên kết $-(1,4)- glycozit. Chitosan và các dẫn xuất của chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y học, nông nghiệp, dược phẩm, công nghệ. Tuy nhiên để phù hợp cho những ứng dụng thực tế, người ta cần chitosan và các dẫn xuất của chúng với một số đặc tính riêng biệt. Chitosan có khả năng hấp phụ ion kim loại nặng, nhưng ở pH thấp chitosan lại tan do đó một yều cầu đặt ra là phải cải thiện tính tan của chitosan. Do đó để góp phần vào tổng hợp các dẫn xuất của chitosan không tan trong dung dịch axit, trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu phản ứng lưới hoá chitosan, một số dẫn xuất của chitosan và khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng. Chương 1 Tổng quan 1.1.Vài nét về chitosan 1.1.1.Cấu tạo của chitosan Chitosan là một dẫn xuất quan trọng, điển hình của chitin và được biết đến sau chitin không lâu. Chitin được tìm thấy trong cơ thể của động vật giáp xác, côn trùng, nấm và thực vật bậc thấp [21]. Chitin là một polisaccarit, được tạo thành từ các phân tử N-axetyl-D-glucosamin và chúng được nối với nhau bởi liên kết β-(1,4)-glycozit. Chitin Chitosan cũng có mặt trong một số loài nấm nhưng sự tồn tại của nó kém rộng rãi hơn chitin [54] ngoài ra, chitosan cũng nhận được từ thuỷ phân chitin. Chitosan cũng là một polisaccarit nhưng được tạo bởi các phân tử D-glucosamin và chúng được nối với nhau bởi liên kết β-(1,4)-glycozit. Chitosan Như vậy, về mặt cấu trúc chitosan không khác nhiều so với chitin, chúng đều là những polisaccarit không phân nhánh.. Tuy nhiên, chitosan chỉ khác chitin ở chỗ nhóm axetyl ở cacbon thứ hai của chitin được thay bằng nhóm amino, do đó chitosan có tính bazơ. Chitosan là sản phẩm của quá trình đeaxetyl hoá chitin: Theo qui ước, nếu độ đêaxetyl hoá (DD) >50% được gọi là chitosan, nếu DD < 50% thì gọi là chitin. 1.1.2.Tính chất vật lí của chitosan Chitosan là chất rắn màu trắng đến trắng ngà, xốp, không mùi vị và có thể xay hoặc nghiền nhỏ. Chitosan không tan trong nước, dung dịch kiềm và phần lớn các dung môi hữu cơ nhưng lại có khả năng tan trong dung dịch axit hữu cơ và vô cơ. Độ nhớt của chitosan trong axit phụ thuộc vào mức độ đêaxetyl hoá. Độ nhớt của chitosan với giá trị DD = 100 là 10800cm3/g [44]. 1.1.3.Tính chất hoá học của chitosan Chitosan là một poli-2-amino-D-glucozơ, là một bazơ hữu cơ. Trong phân tử của chitosan có các nhóm chức ancol bậc một, ancol bậc hai, nhóm amino. Trên nguyên tử nitơ, oxy có đôi điên tử không phân chia, do đó chúng đóng vai trò là những tác nhân nucleophin và có thể tham gia một số chuyển hoá sau [45]: 1.13.1.Phản ứng vào nhóm amino Nhóm amino có khả năng nhận proton tử các axit loãng theo cân bằng sau: Nếu tăng giá trị pH đến khoảng 7-8 bằng cách thêm dung dịch NH4OH hoặc NaOH thì phản ứng xảy ra theo chiều ngược lại và tạo kết tủa chitosan ở dạng gel. Nhóm amino của chitosan có khả năng phản ứng với các anđêhit tạo ra các azometin của chitosan. R có thể là aryl, ankyl, hay gốc dị vòng. Khi có mặt của tác nhân khử hoá như NaBH4, H2/kim loại chuyển tiếp, các azometin của chitosan bị khử thành các dẫn xuất của chitosan với nhóm amino bậc hai. Nhóm amino của chitosan có khả năng phản ứng với các dẫn xuất của axit cacboxylic Phản ứng với anhiđrit axit Phản ứng với dẫn xuất halogen của axit sunfonic 1.1.3.2.Phản ứng vào cả hai nhóm chức hiđroxi và amino Phản ứng với axit monocloaxetic Phản ứng với ankyl halogen Để phản ứng xảy ra ở một trung tâm phản ứng –NH2, -OH, người ta có thể thay đổi điều kiện phản ứng như môi trường, nhiệt độ hoặc khoá các nhóm chức theo các phương pháp thông thường. Với nhóm amino cho nó tạo phức với ion kim loại chuyển tiếp [26]. 1.1.3.3.Phản ứng cắt mạch Độ dài của mạch trong phân tử chitosan ảnh hưởng đến tính chât lí hoá cũng như hoạt tính sinh học của chitosan. Phản ứng cắt mạch chitosan là phản ứng làm đứt liên kết β-(1,4)-glycozit cho sản phẩm là chitosan có khối lượng phân tử trung bình (KLPTTB) thấp hơn so với KLPTTB của chitosan ban đầu. Các phương pháp cắt mạch chủ yếu: *Phương pháp sinh học [29] dùng các enzim như chitosanaza, papain, lipase, protease…để làm đứt liên kết β-(1,4)-glycozit. Với phương pháp này, phản ứng được thực hiên ở điều kiện êm dịu và xảy ra khá chon lọc. *Phương pháp chiếu xạ [23] thường dùng tia bức xạ (–Co60 với dòng điện tử gia tốc và tia bức xạ tử ngoại. Phản ứng xảy ra ở điều kiện nhiệt độ thường và cho sản phẩm có độ tinh khiết cao. *Phương pháp hoá học thường dùng với phản ứng thuỷ phân chitosan bằng axit hữu cơ và vô cơ hoặc dùng các chất oxi hoá: +Cắt mạch bằng tác nhân oxi hoá như NaBrO3 [30], H2O2 và các peaxit, NaNO2/H+ cho chitosan có KLPTTB thấp. +Cắt mạch bằng axit hữu cơ [7] và axit vô cơ [8] cho sản phẩm là chitosan có KLPTTB thấp và giá trị DD cao. Tuy nhiên cắt mạch bằng axit vô cơ xảy ra nhanh và mãnh liệt hơn bằng axit hữu cơ. 1.1.4.Phương pháp điều chế chitosan Chitosan có trong một số loài nấm nhưng hàm lượng rất ít do đó người ta thường điều chế chitosan từ nguyên liệu đầu là chitin. Cơ sở của phương pháp là thuỷ phân nhóm 2-axetamido thành 2-amino Để thực hiện phản ứng đêaxetyl hoá, người ta có thể tiến hành bằng phương pháp hoá học, sinh học hoặc chiếu xạ. Trong đó, phương pháp hoá học là phương pháp được sử dụng rộng rãi nhất và ít tốn kém. Cơ sở của phương pháp hoá học là dùng dung dịch kiềm đặc và nhiệt độ cao để thuỷ phân nhóm axetamido của chitin. Trong quá trình, ngoài phản ứng thuỷ phân nhóm axetamido còn xảy ra phản ứng làm đứt liên kết β-glycozit. Sản phẩm sau khi thuỷ phân là chitosan có độ polime hoá (dp) luôn luôn bé hơn chitin. Olaw Joensen và các cộng sự [42] đã thực hiện phản ứng thuỷ phân chitin bằng NaOH 60% ở 1100C trong thời gian 6 giờ thu được chitosan có giá trị DD = 100%. Ngoài phương pháp hoá học, người ta còn dùng phương pháp enzim [47]. Enzim được dùng cho phản ứng đêaxetyl hoá chitin là strepomisins griseus chitinaza. Phản ứng được thực hiện ở điều kiện êm dịu và xảy ra khá chọn lọc. Sản phẩm nhận được từ phương pháp này có độ trùng hợp hầu như không thay đổi. Ngoài ra, trong những năm gần đây người ta còn dùng phương pháp chiếu xạ để chuyển chitin thành chitosan [23]. 1.1.5.Phổ hồng ngoại và cộng hưởng từ hạt nhân 1H, 13C-NMR của chitosan *Phổ hồng ngoại của chitosan: Trên phổ hồng ngoại của chitosan có đỉnh hấp thụ nằm trong vùng 3400-3445 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm -OH liên hợp, đỉnh hấp thụ ở 2960, 2850 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị bất đối xứng và đối xứng của nhóm –CH2, đỉnh hấp thụ ở 1650 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của –NH của amin bậc một, đỉnh hấp thụ ở 1068 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm C-OH của ancol bậc hai, đỉnh ở 1024 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm C-OH của ancol bậc một, đỉnh hấp thụ ở 894 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết glycozit []. *Phổ cộng hưởng từ hật nhân 1H, 13C-NMR của chitosan [4]: Trên phổ 1H-NMR có ba pic riêng rẽ dễ nhân dạng: một pic đơn(s) ở *=1.97 của nhóm –CH3, một pic đôi(d) của H1 (do có tương tác với H2), một pic ba (t) của H2 (do có tương tác H1 và H3). Bảng số liệu 1H-NMR của chitosan -*H (ppm) Mẫu H1 H2 H3 H4 H5 H6a H6b CH3 Chitosan DA=0.125 4.59 2.86 3.63 3.7 3.59 3.86 3.71 1.97 Chitosan DA=0 4.69 2.97 3.72 3.76 3.63 3.86 3.71 1.98 Độ chuyển dịch hoá học tăng khi DA giảm do khả năng tạo phân cực của nhóm –NH2 tăng lên. Bảng số liệu 13C-NMR của chitosan Mẫu C1 C2 C3 C4 C5 C6 Chitosan DA=0.125 102.4 58.4 74.4 79.9 76.9 62.5 Chitosan DA=0 100.8 58.2 73.1 79.5 76.9 62.5 1.1.6.ứng dụng của chitosan Chitosan và các dẫn xuất của chitosan được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: +Trong công nghiệp, do chitosan có khả năng hấp phụ các chất màu và tạo phức với các ion kim loại [19] nên được dùng để xử lý nước thải. Chitosan còn được dùng để tách Co3+ ra khỏi Ni2+ và Cu2+ [13]. Đặc biệt trong sản xuất len sợi, chitosan được dùng để chống vi khuẩn , tăng độ bền màu của vải nhuộm [53] +Trong nông nghiệp và công nghệ thực phẩm: chitosan được dùng làm chất điều hoà sinh trưởng cho cây, bảo quản nông phẩm và thực phẩm tươi sống mà không gây độc. Chitosan có trong thành phần nước giải khát, kem, sữa…, được dùng trong công nghiệp sản xuất đường, làm chất hấp phụ màu và keo tụ các chất bẩn [43]. +Trong công nghiệp sinh học, chitosan được dùng để cố định enzim và các tế bào sinh học. +Trong mỹ phẩm, chitosan được dùng làm chất phụ gia để tăng độ bám dính, độ hoà hợp sinh học, chống tia cực tím, làm mềm da, làm keo xịt tóc, kem dưỡng da…[37]. +Trong y tế: do chitosan không độc, có khả năng hoà hợp sinh học và tự phân huỷ sinh học [46] nên chitosan được dùng làm thuốc chữa bỏng, làm màng phủ chống nhiễm trùng và chống lên da non, giảm lượng cholesterol trong máu, làm chỉ khâu tự tiêu, làm thuốc kháng nấm. Chitosan được dùng làm chất phù trợ miễn dịch, chất bổ sung để tăng tác dụng của thuốc, chất phụ gia trong kỹ nghệ bào chế dược phẩm và chất mang sinh học cho thuốc [36]. 1.2.Vài nét về azometin của chitosan 1.2.1.Phương pháp tổng hợp azometin của chitosan Phản ứng azometin hoá chitosan là loại phản ứng có tính chọn lọc cao so với các phản ứng biến tính khác thực hiện trên khung phân tử chitosan vì chỉ có nhóm amino mới tham gia phản ứng với nhóm anđehit tạo ra hợp chất azometin. Chitosan có nhóm chức amino nên chitosan có khả năng phản ứng với các anđehit tạo ra azometin của chitosan. Phương trình phản ứng: Trong đó R có thể là aryl, ankyl, gốc dị vòng thơm. Vào năm 1994, R.Muzzarelli [40] đã công bố công trình điều chế một loạt các azometin của chitosan với các anđehit: salixylanđehit, veratranđehit, vanillin, syrinanđehit, xeton thơm và axetonvainilon. Năm 2000, R.Andreas [14] đã tổng hợp một loạt azometin của chitosan với các anđêhit béo: focmanđehit, propionanđehit, capronanđehit, phenylpropionanđehit, với anđehit thơm như benzanđehit. Năm 2006, Nguyễn thị Huệ và Đỗ Sơn Hải [6] đẫ tổng hợp một số azometin của chitosan với một số anđehit thơm: benzanđehit, p-nitro, p-metoxi- benzanđehit. Phương trình phản ứng: Trong đó X=H, NO2, OCH3 1.2.2.Cơ chế phản ứng giữa anđehit và chitosan Cơ chế phản ứng giữa anđehit và chitosan được biểu diễn bằng sơ đồ sau: Phản ứng xảy ra theo cơ chế cộng nucleophin(AN). 1.2.3.Phổ hồng ngoại của azometin Trên phổ hồng ngoại của các azometin có đỉnh hấp thụ nằm trong vùng 1590-1690cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm azometin –CH=N. Vị trí của vạch hấp thụ này phụ thuộc vào bản chất của các gốc gắn với nhóm azometin. Thường các azometin béo có vCH=N nằm ở sóng cao hơn so với các azometin béo thơm và thơm. Các benzyliđenanilin có vCH=N = 1622-1631 cm-1 còn các azometin béo có vCH=N = 1664-1674. 1.3.Vài nét về chitosan có nhóm chức amino bậc hai Chitosan có khả năng phản ứng với các anđehit cho sản phẩm là azometin của chitosan. Các hợp chất azometin này bị khử hoá cho các dẫn xuất của chitosan có chứa nhóm amino bậc hai. Tác nhân khử hoá có thể là NaBH4, H2/kim loại chuyển tiếp. Vào năm 1992, Muzzarelli và các cộng sự [41] đã thực hiện phản ứng chitosan với axit glyoxylic thu được N-Cacboxylmetyliđen chitosan. Sản phẩm này với phần tan trong nước chiếm khoảng 15%. Sau đó đã có nhiều công trình tập trung nghiên cứu phản ứng này với mục đích tăng hiệu suất sản phẩm tan trong nước. Trong công trình của Vercelloti [12], tác giả đã tăng hiệu suất sản phẩm tan trong nước lên 20%. Vào năm 1995, và những năm cuối của thập kỉ 90 đã xuất hiện một loạt công trình điều chế N-Cacboxylmetyl và N,N-đicacboxylmetyl chitosan tan hoàn toàn trong nước và cũng đã nghiên cứu phổ 1H, 13C-NMR của các sản phẩm này [5]. Ngoài hướng biến tính bằng axit glyoxylic, cũng có nhiều công trình nghiên cứu phản ứng giữa nhóm –NH2 của chitosan với axit levulinic tạo ra ketimin. Sau đó ketimin được khử hoá tạo ra N-Cacboxylbutyl chitosan, sản phẩm sau đó được đóng vòng tạo ra dẫn xuất N-5-metylpyroliđion chitosan. Cấu tạo của sản phẩm này được chứng minh qua các kết quả phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H, 13C, DEPT, 1H,1H-COSY-NMR [2,3,38,39]. Ngoài ra cũng có công trình thực hiện phản ứng giữa nhóm –NH2 của chitosan với focmanđehit tạo ra N-metyl chitosan [34]. N-metyl chitosan cho tạo phức với ion kim loại chuyển tiếp Cr3+, Fe3+,Mn2+, Cu2+, Ni2+, Zn2+ và cũng thử hoạt tính xúc tác của phức này trong phản ứng oxi hoá Na2S bằng oxi phân tử. Vào năm 1994, R.Muzzarelli [40] đã tiến hành khử hoá các azometin của chitosan với các anđehit: salixylanđehit, veratranđehit, vanillin, syrinanđehit, xeton thơm, axetonvainilon bằng NaBH4 tạo ra các dẫn xuất của chitosan có chứa nhóm amino bậc hai. Ví dụ: Vào năm 2000, R.Andreas [14] đã khử hoá các azometin của chitosan tổng hợp được ở tướng dị thể bằng hiđro với xúc tác là Co, Ni, Pt, Pd, Ni- Riney hoặc Cu/Zn ở dạng mịn hoặc oxit. Xúc tác được đưa trực tiép vào hỗn hợp phản ứng hoặc trên chất mang như than hoạt tính, nhôm oxit, silicagen. Phản ứng được thực hiện ở 50-600C, p=1-350 bar. Phản ứng khử hoá các azometin của chitosan bằng H2 với xúc tác là kim loại chuyển tiếp được đánh giá là có nhiều ưu điểm hơn so với khử hoá bằng NaBH4. Phương pháp khử này được ưu tiên sử dụng trong kỹ nghệ mỹ phẩm. 1.4.Vài nét về phản ứng lưới hoá 1.4.1.Phản ứng lưới hoá [20] Phản ứng lưới hoá mạch cao phân tử là phản ứng kết hợp của các mạch cao phân tử với nhau qua liên kết ngang tạo ra các mạch cao phân tử lưới hoá ba chiều. Các liên kết ngang có thể là liên kết cộng hoá trị hoặc liên kết ion hoặc một số liên kết vật lí khác. Qúa trình lưới hoá có thể thực hiện bằng hai cách sau: +Lưới hoá hoá học +Lưới hoá bằng cách chiếu xạ *Để lưới hoá hoá học có thể thực hiện theo hai phương pháp sau: +Trùng hợp hai monome mà có số nhóm chức lớn hơn hai +Kết hợp các mạch cao phân tử với nhau bởi liên kết cộng hoá trị a.Liên kết mạch với mạch trực tiếp với nhau bằng sự kết hợp gốc Liên kết mạch với mạch trực tiếp với nhau bao gồm: +Dùng chất khơi mào là gốc tự do +Dùng chất trung gian là gốc khác *Trong đó, lưới hoá polime bằng cách sử dụng chất khơi mào là gốc tự do bao gồm quá trình tách hiđro tạo ra phần gốc tự do trên phân tử polime. Sau đó hai gốc polime này kết hợp với nhau tạo ra sự lưới hoá. Quá trình tách hiđro phụ thuộc vào bản chất của gốc R’, R’’, R’’’. Nếu R khác H thì làm tăng sự cắt mạch. Trong trường hợp các polime ngưng tụ, quá trình tách hiđro cũng như vị trí tách phụ thuộc vào bản chất của nhóm chức liên kết. Sơ đồ lưới hoá polime bằng cách sử dụng chất khơi mào là gốc tự do như sau: Ví dụ: Quá trình lưới hóa polime hiđrocacbon không no như sau: Gốc đầu tiên tách hiđro của cacbon ". Khi liên kết đôi được bão hoà thì quá trình tách ưu tiên xảy ra ở nhóm metylen bên cạnh cacbon bão hòa. Sau đó gốc polime này tấn công vào liên kết đôi của mạch polime thứ hai tạo ra sự lưới hoá và một gốc polime mới. b.Sự kết hợp gốc tự do chứa các coagent Phản ứng lưới hoá này xảy ra theo cơ chế gốc, bao gồm quá trình kết hợp một vài hợp chất hai chức. Trong đó, tác nhân phản ứng đóng vai trò lưới hoá nội phân tử giữa các liên kết đôi hoặc cacbon trên mạch polime và tách hiđto. Những hợp chất này gọi là coagent. Phản ứng lưới hóa này chỉ áp dụng với những tác nhân không có khả năng đồng trùng hợp. Phản ứng này xảy ra với những hợp chất Đimaleimit, hợp chất lưu huỳnh và hợp chất nitơ. Ví dụ: c.Lưới hoá bằng cách ghép *Ghép với polime không no Lưới hoá các polime ngưng tụ thẳng mà có mạch không no có thể được kết hợp bằng cách trùng hợp một monome vinyl, đặc biệt với polime có xu hướng đồng trùng hợp với liên kết đôi của mạch. Phương pháp này có ý nghĩa quạn trọng đối với quá trình lưới hoá các polieste không no. d.Lưới hoá các polime không no bằng tác nhân phân cực Tác nhân phân cực có thể là đisunfit, nhựa phenolic, và nitrosoaren. Ví dụ lưới hoá các polime không no bằng đisunfit như 2,2’-đithiobibenzothiazon hoặc thiuram đisunfit là phản ứng gốc tự do.Tuy nhiên, phản ứng của S2Cl2 xảy ra qua cơ chế phân cực và phản ứng của các đisunfua khác có thể là phân cực một phần. Tốc độ phản ứng phụ thuộc vào dung môi. Dung môi càng phân cực thì phản ứng xảy ra càng nhanh. e.Lưới hoá bao gồm quá trình loại nhóm halogen Một số phương pháp lưới hoá thường xảy ra quá trình loại halogen hay tạo ra hiđro halogenua. Trong đó, halogen hay được sử dụng là Clo. Halogen được loại ra trong phản ứng lưới hoá bao gồm polime có liên kết C-Cl, nhưng có trường hợp Clo là phần nhóm chức. Có nhiều phản ứng lưới hoá xảy ra theo phương pháp này như phản ứng lưới hoá cao su butyl, neoprene, các dẫn xuất polietylen, các polime được flo hoá và polime với nguyên tử Clo được hoạt hoá. Ví dụ: Lưới hoá cao su butyl xảy ra theo cơ chế sau: f.Lưới hoá các polime no theo cơ chế ion Phản ứng lưới hoá polime không no theo cơ chế ion được xúc tác bởi axit Lewis mạnh được xếp vào loại phản ứng Friedel Crafts. Bevington và Norrish quan sát thấy hình thành chất màu trong suốt quá trình lưới hóa poli(vinyl clorua) bằng nhôm clorua hay sắt (III) clorua trong chất lỏng có hằng số điện môi cao. Cơ chế: g.Lưới hoá xảy ra ở nhóm chức Những polime mà trong phân tử có nhóm chức ở mạch chính hoặc pendant có khả năng phản ứng lưới hoá. Phản ứng lưới hoá xảy ra ở những nhóm chức này bằng phản ứng hữu cơ điển hình. Một nhóm của mạch polime này liên kết với một nhóm của mạch polime thứ hai qua tác nhân phản ứng. Sơ đồ phản ứng: Sơ đồ 1 Sơ đồ 2 Trong đó ở sơ đồ 1 nhóm phản ứng A là pendant với backbone. ở sơ đồ 2 nhóm phản ứng là phần backbone của mạch. Ngoài ra phản ứng lưới hoá có thể bao gồm polime mà có những nhóm có khả năng phản ứng với những nhóm trên polime đầu tiên. Phản ứng hình thành liên kết A-B. Liên kết này có thể hình thành từ phản ứng cộng hoặc phản ứng ngưng tụ. Sự lựa chọn này xuất phát từ nguyên nhân do tác nhân phản ứng giống nhau có thể được sử dụng cho một loạt nhóm chức. Phản ứng giữa các polime với nhau và các nhóm chức của polime được xem xét trên cơ sở của phản ứng hoá học. *Phản ứng ở nhóm epoxit h.Các phản ứng khác Có một số polime mạch thẳng hoặc tác nhân phản ứng không phù hợp với những điều kiện của phản ứng lưới hoá trên như phản ứng hình thành vòng chelat được xếp vào phản ứng lưới hoá. Ví dụ: Trộn Poli(allyl axetoaxetat) vào dung dịch có phức của Be metyl salixylat tạo ra chất không tan. 1.4.2.Phản ứng lưới hoá chitosan Do trong phân tử có nhóm chức –NH2 nên chitosan tan dễ dàng trong axit vô cơ và hữu cơ. Để giảm tính tan của chitosan trong axit, người ta thực hiện phản ứng lưới hoá chitosan bằng một số tác nhân có hai nhóm chức. Chitosan có hai nhóm chức –NH2, -OH có thể thực hiện phản ứng lưới hoá. Có thể thực hiện phản ứng lưới hoá chitosan ở vị trí nhóm –OH bằng cách sử dụng tác nhân lưới hoá là Epiclohiđrin [48,52], lưới hoá ở vị trí nhóm –NH2 bằng các tác nhân lưới hoá là glutaranđehit (GA), glyoxan [23], etylen glycol điglyxyđyl ete (EGDE), hexametylen điisoxianat [35]. Phương trình lưới hoá chitosan bằng glyoxan: Phản ứng lưới hoá chitosan phụ thuộc vào nhiều yếu tố: +Đặc tính của chitosan như độ đeaxetyl hoá(DD), khối lượng phân tử trung bình. +Tác nhân lưới hoá +Điều kiện phản ứng nhiệt độ, pH, tỉ lệ phản ứng Người ta cho rằng khi tăng giá trị DD nghĩa là số nhóm –NH2, là lớn nhất khi đó phản ứng lưới hoá sẽ cho kết quả lớn nhất. Sản phẩm của phản ứng lưới hoá có tính chất lí hoá khác so với chitosan. Chitosan được lưới hoá không tan trong môi trường axit, bazơ, nước. Chitosan được lưới hoá có kích thước lỗ nhỏ hơn so với chitosan tuy nhiên kích thước lỗ này phụ thuộc vào tác nhân lưới hoá. Lưới hoá chitosan bằng GA cho sản phẩm có kích thước lỗ là 39.78 :m, với glyoxan cho sản phẩm có kích thước lỗ là 31.6 :m so với kích thước lỗ của chitosan là 119 :m [53]. Chitosan được lưới hoá không tan trong axit, có kích thước lỗ nhỏ và có độ trương bé hơn chitosan nên được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Người ta dùng màng chitosan được lưới hoá bằng GA [22] để hấp phụ ion kim loại, làm vật liệu dự trữ, cố định enzim và làm chất mang sinh học cho thuốc. Gần đây các chất lưới hoá khác như genepin, glyoxan và các polime khác còn được dùng trong ngành y học. Ngoài ra, Chiou và Li [16] đã sử dụng sản phẩm lưới hoá chitosan bằng ECH để làm vật liệu hấp phụ các chất màu cho khả năng hấp phụ rất cao 1600-1900 g/kg ở pH= 3. 1.5.Khả năng hấp phụ ion kim loại của chitosan và các dẫn xuất của chitosan Trong những năm gần đây có rất nhiếu công trình quan tâm đến việc sủ dụng chitosan và các dẫn xuất của chitosan để hấp phụ các ion kim loại nặng và kim loại chuyển tiếp [17,27,28,35]. So với các vật liệu thường dùng khác như tro bay, zeolit, đất sét, một số loại sợi…[15] thì chitosan có khả năng hấp phụ một số ion kim loại như : Cu2+, Cd2+, Hg2+ tốt hơn nhiều. Trong phân tử của chitosan và một số dẫn xuất co chứa nguyên tử nitơ và oxi có đoi điện tử không phân chia do vậy chúng có khả năng tạo phức với các ion kim loại chuyển tiếp. N.Kubta [31] cho rằng khả năng hấp phụ ion kim loại của chitosan phụ thuộc vào các yếu tố sau: +Tổng số nhóm amino có trong mạch chitosan +Tốc độ khuyếch tán của các ion kim loại đến khung cao phân tử của chitosan Ngoài ra trong những năm gần đây đã có nhiều công trình tổng hợp các dẫn xuất khác nhau của chitosan như N-Cacboxylmetyl chitosan, N-Cacboxylbenzyl chitosan chitosan thiosemicacbazit, chitosan pyridoxan…. Hoặc chitosan ở dạng ghép với một số cao phân tử khác như ghép với poliacrinitrin, polivinylpyrolidon…Các dẫn xuất biến tính này đều cho khả năng hấp phụ chon lọc các ion kim loại tốt hơn chitosan. Chitosan pyridoxan hấp phụ Cu2+,Pb2+ và Fe2+ tốt hơn chitosan [31]. Để giảm tính tan của chitosan và mở rộng vùng hấp phụ của chitosan, người ta đã thực hiện phản ứng lưới hoá với các chất có hai nhóm chức như glutaranđehit, epiclohiđrin, etylenglycol điglyxyl ete… Các hợp chất náy có khả năng hấp phụ chọn lọc Ag+, Pb2+ [52] và không tan trong axit. Cơ chế của sự hấp phụ ion kim loại của chitosan cũng được một số tác giả đề cập. Sự hấp phụ ion kim loại của chitosan xảy ra theo cơ chế tạo phức phối trí. Nhóm amino và hiđroxi của chitosan là hai nhóm tham gia vào sự tạo phức phối trí với ion kim loại [16,18,33]. Quá trình tạo phức này cũng được Wang Zhou và các cộng sự chứng minh bằng phổ hồng ngoại [51]. Từ kết quả phổ hồng ngoại, các tác giả đã đi đến kết luận là nhóm amino là nhóm cho đôi điện tử không phân chia để tạo ra liên kết cho nhận, nhóm hiđroxi tạo liên kết cộng hoá trị với ion kim loại Chương 2 Kết quả và thảo luận 2.1.Điều chế chitosan Tính chất vật lí và hoá học của chitosan phụ thuộc vào khôi lượng phân tử trung bình (KLPTTB) và độ đêaxetyl hoá (DD) do đó việc xác định giá trị KLPTTB, DD là rất cần thiết. Giá trị DD càng cao thì khả năng hấp phụ ion kim loại, tính tan của chitosan trong dung dịch axit càng cao và làm cho phản ứng lưới hoá trở lên sâu sắc hơn. Chitosan được dùng cho các phản ứng chuyển hoá trong luận văn này được điều chế bằng cách thuỷ phân chitin tách từ vỏ tôm phế thải theo qui trình [9]. Chitosan nhận được sau khi thuỷ phân chitin có khối lượng phân tử trung bình là 340.000 g/mol - xác định theo phương pháp đo độ nhớt và giá trị DD=85% - xác địmh theo phương pháp phổ hồng ngoại. Xem phổ hồng ngoại ở phụ lục 1. 2.2. Tổng hợp N-(2’- furfuryl metyl)-chitosan Phản ứng giữa nhóm amino bậc một của chitosan với hợp chất cacbonyl là một phản ứng có tính chọn lọc cao. Với hợp chất cacbonyl là furfural, thì N-(2’- furfuryl metyl)-chitosan được tổng hợp qua hai bước theo phương trình phản ứng sau: 2.2.1.Tổng hợp azometin của chitosan với furfural Phản ứng tổng hợp azometin cuả chitosan và furfural được thực hịên ở nhiệt độ 50oC, trong 3 giờ với tỉ lệ số mol chitosan/ số mol furfural là 1:3 và xúc tác là piperiđin làm xúc tác. Sản phẩm của phản ứng có màu vàng, tan chậm trong axit axetic 2%. Trên phổ hồng ngoại của sản phẩm xuất hiện đỉnh hấp thụ ở 3434 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm -OH liên hợp, đỉnh hấp thụ ở 2926, 2850 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị bất đối xứng và đối xứng của nhóm –CH2, đỉnh hấp thụ ở 1069 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm C-OH của ancol bậc hai, đỉnh ở 1020 cm-1 đặc trưng cho dao động của nhóm C-OH của ancol bậc một, đỉnh hấp thụ ở 884 cm-1, đặc trưng cho dao động của liên kết glycozit, đỉnh hấp thụ ở 1642 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm azometin, đỉnh hấp thụ ở 930, 757 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết =CH của vòng furan. Xem phụ lục 2 Kết quả này phù hợp với kết quả thu được ở tài liệu [11] khi cho $-D-glucosamin hiđroclorua phản ứng với furfural. Từ kết quả đo phổ IR và thử tính tan của sản phẩm chứng tỏ phản ứng tổng hợp azometin của chitosan và furfural đã xảy ra. 2.2.2.Tổng hợp N-(2’- furfuryl metyl)-chitosan Azometin của chitosan với furfural được khử hoá bằng NaBH4 ở 250C trong 6 giờ. Sản phẩm có màu vàng nhạt và tan được trong dung dịch axit axetic. Sản phẩm được đo phổ hồng ngoại và phổ cộng hưởng từ hạt nhân 1H, 13C, DEPT - NMR. Trên phổ hồng ngoại đỉnh hấp thụ ở 1642 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm azometin được thay bằng đỉnh hấp thụ ở 1651 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của nhóm amino bậc hai, đỉnh hấp thụ ở 930, 751 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của liên kết =CH của vòng furan, trên phổ vẫn tồn tại các đỉnh hấp thụ đặc trưng của nhóm –OH, -CH2 và liên kết glycozit. Xem phụ lục 3. Trên phổ cộng hưởng từ hạt nhân 2.3.Tổng hợp các dẫn xuất lưới hoá với glutaranđehit (GA) 2.3.1.Tổng hợp azometin của chitosan với GA Tương tự như phản ứng azometin hoá bằng furfural, trong phản ứng này chúng tôi thay furfural bằng GA. Hai nhóm –CHO của GA tương tác với nhóm amino bậc một của chitosan theo phương trình sau: Phản ứng được thực hịên ở nhiệt độ 250C, trong 3 giờ với các tỉ lệ số mol chitosan/ số mol GA là 1:0.25; 1:0.5; 1:0.7. Sản phẩm phản ứng được tách ra bằng ancol và được thử tính tan. Trên phổ hồng ngoại xuất hiện đỉnh hấp thụ ở 1652 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm azometin. Xem phụ lục 4 Từ kết quả đo phổ hồng ngoại và thử tính tan của sản phẩm chứng tỏ phản ứng tổng hợp azometin của chitosan và furfural đã xảy ra. 2.3.2.Tổng hợp N-(pentametylen-1,5)- chitosan Để tổng hợp N-(pentametylen-1,5)- chitosan, chúng tôi đã khử hoá hợp chất azometin bằng NaBH4 theo phương trình phản ứng sau: Phản ứng khử hoá azometin của chitosan với GA xảy ra rất dễ dàng. Phản ứng được thực hiên trong 6 giờ, ở nhiệt độ 250C với tỉ lệ số mol azometin của chitosan với GA/ số mol NaBH4 là 1:3. Sản phẩm có màu vàng nhạt, không tan trong dung dịch axit axetic. Trên phổ hồng ngoại của sản phẩm xuất hiện đỉnh hấp thụ ở 1649 cm-1 đặc trưng cho dao động biến dạng của nhóm N-H của amin bậc hai. Đỉnh hấp thụ ở 2920, 2863 cm-1 đặc trưng cho dao động hoá trị bất đối xứng và đối xứng của nhóm –CH2. Tỉ lệ cường độ của nhóm –CH2 lớn hơn so với chitosan, điều này có thể chứng tỏ số nhóm –CH2 trong sản phẩm tăng lên so với chitosan. Từ kết quả đo phổ hồng ngoại và thử tính tan chứng tỏ sản phẩm là N- pentametylen-1,5)- chitosan. Xem phụ lục 5 Để tìm điều kiện tối ưu cho phản ứng, chúng tôi đã thay đổi điều kiện phản ứng. Các sản phẩm được đo phổ hồng ngoại, trên phổ hồng ngoại chúng tôi thấy ở điều kiện 2.4. Tổng hợp các dẫn xuất lưới hoá với epiclohiđrin (ECH) Phản ứng lưới hóa chitosan và một số dẫn xuất bằng ECH trong môi trường kiềm xảy ra ở nhóm chức ancol bậc 1 do đó trong phân tử vẫn còn nhóm amino bậc một, bậc hai. 2.4.1.Lưới hoá chitosan bằng ECH Phản ứng lưới hóa chitosan bằng ECH xảy ra theo phương trình sau: Phản ứng lưới hoá chitosan bằng ECH được thực hiện ở pH= 10, ở nhiệt độ 25, 40, 60 0C trong 1, 2, 3, 5 giờ với các tỉ lệ số mol chitosan/ số mol ECH là 1:0.25, 1:0.5, 1:0.7, 1:1. Sản phẩm thu được có màu trắng và không tan trong dung dịch axit và bất kì dung môi nào. Phản ứng lưới hoá chitosan bằng ECH được thực hiện ở pH=10. Trên phổ hồng ngoại cho thấy đỉnh hấp thụ đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm –OH liên hợp chuyển dịch về phía sóng ngắn. Trên phổ hồng ngoại của sản phẩm lưới hoá chitosan bằng ECH có <OH =3454 cm-1 trong khi đó phổ IR của chitosan có <OH =3484 cm-1. Ngoài ra trên phổ IR còn xuất hiện đỉnh hấp thụ ở 1250 cm-1 đặc trưng cho dao động của liên kết C-O - C. Xem phụ lục 6. Từ kết quả đo phổ hồng và thử tính tan phản ứng lưới hoá chitosan bằng ECH đã xảy ra. 2.4.2.Lưới hoá N-(pentametylen-1,5)- chitosan bằng ECH Phương trình phản ứng: Phản ứng lưới hoá N-(pentametylen-1,5)- chitosan bằng ECH được thực hiện ở 400C trong 3 giờ với tỉ lệ số mol N-(pentametylen-1,5)- chitosan/ số mol ECH là 1:0.5. Phản ứng được thực hiện ở pH= 10. Sản phẩm có màu vàng nhạt, không tan trong axit và bất kì dung môi nào. Sản phẩm được đo phổ hồng ngoại. Trên phổ hồng ngoại cho thấy đỉnh hấp thụ đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm –OH liên hợp chuyển dịch về phía sóng ngắn. Trên phổ hồng ngoại của sản phẩm lưới hoá N-(pentametylen-1,5)- chitosan bằng ECH có <OH =3434 cm-1 trong khi đó phổ IR của chitosan có <OH =3484 cm-1, phổ IR của sản phẩm lưới hoá chitosan bằng ECH có <OH =3454 cm-1. Xem phụ lục 7. Từ kết quả phổ hồng ngoại và thử tính tan của sản phẩm chứng tỏ phản ứng đã xảy ra. 2.4.3.Lưới hoá N-(2’- furfuryl metyl)- chitosan bằng ECH Phương trình phản ứng: Phản ứng lưới hoá N-(2’- furfuryl metyl)- chitosan bằng ECH được thực hiện ở 400C trong 3 giờ với tỉ lệ số mol N-(2’- furfuryl metyl)- chitosan/ số mol ECH là 1:0.5. Phản ứng được thực hiện ở pH= 10. Sản phẩm có màu vàng nhạt, không tan trong axit và bất kì dung môi nào. Sản phẩm được đo phổ hồng ngoại. Trên phổ hồng ngoại cho thấy đỉnh hấp thụ đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm –OH liên hợp chuyển dịch về phía sóng ngắn. Trên phổ hồng ngoại của sản phẩm lưới hoá N-(2’- furfuryl metyl)- chitosan bằng ECH có <OH =3454 cm-1 trong khi đó phổ IR của chitosan có <OH =3484 cm-1, phổ IR của sản phẩm lưới hoá chitosan bằng ECH có <OH =3454 cm-1. Xem phụ lục 8. Từ kết quả phổ hồng ngoại, và thử tính tan của sản ._.