Báo Cáo Nghiên cứu phản ứng lưới hoá chitosan, một số dẫn xuất của chitosan và khả năng hấp phụ ion kim loại

Đề tài: Nghiên cứu phản ứng lưới hoá chitosan, một số dẫn xuất của chitosan và khả năng hấp phụ ion kim loại Nặng

MỞ ĐẦU

Chitosan là sản phẩm của thuỷ phân chitin, được tách từ vỏ tôm phế thải. Do đó, chitosan là nguyên liệu khá rẻ nhưng lại có nhiều tính chất quư giá nên rất được quan tâm. Mặt khác nước ta lại có nguồn hải sản lớn và ngành hải sản khá phát triển v́ vậy việc tận dụng nguồn phế thải không những góp phần hạ giá thành sản phẩm mà c̣n góp phần hạn chế được sự ô nhiễm môi trường.
Chitosan 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 răi trong nhiều lĩnh vực nh­ 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 h́nh của chitin và được biết đến sau chitin không lâu. Chitin được t́m 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 mét số loài nấm nhưng sù tồn tại của nă kĐm rộng răi 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
Nh­ 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 tŕnh đeaxetyl hoá chitin:

Theo qui ước, nếu độ đêaxetyl hoá (DD) >50% được gọi là chitosan, nếu DD < 50% th́ 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 10800cm[SUP]3[/SUP]/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 tṛ 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 loăng theo cân bằng sau:


Nếu tăng giá trị pH đến khoảng 7-8 bằng cách thêm dung dịch NH[SUB]4[/SUB]OH hoặc NaOH th́ 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 ṿng.
Khi có mặt của tác nhân khử hoá như NaBH[SUB]4[/SUB], H[SUB]2[/SUB]/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 nhăm chức hiđroxi và amino
Phản ứng với axit monocloaxetic

Phản ứng với ankyl halogen

ĐÓ phản ứng xảy ra ở một trung tâm phản ứng –NH[SUB]2[/SUB], -OH, người ta có thể thay đổi điều kiện phản ứng nh­ 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 cũngnh­ 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 b́nh (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 nh­ 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 (–Co[SUP]60[/SUP] với ḍng 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 NaBrO[SUB]3 [/SUB][30], H[SUB]2[/SUB]O[SUB]2 [/SUB]và các peaxit, NaNO[SUB]2[/SUB]/H[SUP]+[/SUP] 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 mănh 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 Ưt 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 răi nhất và Ưt 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 tŕnh, ngoài phản ứng thuỷ phân nhóm axetamido c̣n 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] đă thực hiện phản ứng thuỷ phân chitin bằng NaOH 60% ở 110[SUP]0[/SUP]C trong thời gian 6 giê thu được chitosan có giá trị DD = 100%.
Ngoài phương pháp hoá học, người ta c̣n 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 nh­ không thay đổi.
Ngoài ra, trong những năm gần đây người ta c̣n dùng phương pháp chiếu xạ để chuyển chitin thành chitosan [23].

1.1.5.Phổ hồng ngoại và cộng hưởng từ hạt nhân [SUP]1[/SUP]H, [SUP]13[/SUP]C-NMR của chitosan
*Phổ hồng ngoại của chitosan:
Trên phổ hồng ngoại của chitosan có đỉnh hấp thụ nằm trong vùng 3400-3445 cm[SUP]-1 [/SUP]đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm -OH liên hợp, đỉnh hấp thụ ở 2960, 2850 cm[SUP]-1 [/SUP]đặc trưng cho dao động hoá trị bất đối xứng và đối xứng của nhóm –CH[SUB]2[/SUB], đỉnh hấp thụ ở 1650 cm[SUP]-1[/SUP] đặc trưng cho dao động biến dạng của –NH của amin bậc một, đỉnh hấp thô ở 1068 cm[SUP]-1[/SUP] đặc trưng cho dao động của nhóm C-OH của ancol bậc hai, đỉnh ở 1024 cm[SUP]-1[/SUP] đặc trưng cho dao động của nhóm C-OH của ancol bậc một, đỉnh hấp thụ ở 894 cm[SUP]-1[/SUP]đặc trưng cho dao động của liên kết glycozit [].
*Phổ cộng hưởng từ hật nhân [SUP]1[/SUP]H, [SUP]13[/SUP]C-NMR của chitosan [4]:
Trên phổ [SUP]1[/SUP]H-NMR có ba pic riêng rẽ dễ nhân dạng: một pic đơn(s) ở *=1.97 của nhóm –CH[SUB]3[/SUB], mét pic đôi(d) của H1 (do có tương tác với H2), mét pic ba (t) của H2 (do có tương tác H1 và H3).
Bảng số liệu [SUP]1[/SUP]H-NMR của chitosan -*[SUB]H[/SUB] (ppm)
[TABLE]
[TR]
[TD]Mẫu
[/TD]
[TD]H1
[/TD]
[TD]H2
[/TD]
[TD]H3
[/TD]
[TD]H4
[/TD]
[TD]H5
[/TD]
[TD]H6a
[/TD]
[TD]H6b
[/TD]
[TD]CH[SUB]3[/SUB]
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Chitosan DA=0.125
[/TD]
[TD]4.59
[/TD]
[TD]2.86
[/TD]
[TD]3.63
[/TD]
[TD]3.7
[/TD]
[TD]3.59
[/TD]
[TD]3.86
[/TD]
[TD]3.71
[/TD]
[TD]1.97
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Chitosan DA=0
[/TD]
[TD]4.69
[/TD]
[TD]2.97
[/TD]
[TD]3.72
[/TD]
[TD]3.76
[/TD]
[TD]3.63
[/TD]
[TD]3.86
[/TD]
[TD]3.71
[/TD]
[TD]1.98
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]

Độ chuyển dịch hoá học tăng khi DA giảm do khả năng tạo phân cực của nhóm –NH[SUB]2[/SUB] tăng lên.
Bảng số liệu [SUP]13[/SUP]C-NMR của chitosan
[TABLE]
[TR]
[TD]Mẫu
[/TD]
[TD]C1
[/TD]
[TD]C2
[/TD]
[TD]C3
[/TD]
[TD]C4
[/TD]
[TD]C5
[/TD]
[TD]C6
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Chitosan DA=0.125
[/TD]
[TD]102.4
[/TD]
[TD]58.4
[/TD]
[TD]74.4
[/TD]
[TD]79.9
[/TD]
[TD]76.9
[/TD]
[TD]62.5
[/TD]
[/TR]
[TR]
[TD]Chitosan DA=0
[/TD]
[TD]100.8
[/TD]
[TD]58.2
[/TD]
[TD]73.1
[/TD]
[TD]79.5
[/TD]
[TD]76.9
[/TD]
[TD]62.5
[/TD]
[/TR]
[/TABLE]



1.1.6.Ứng dụng của chitosan
Chitosan và các dẫn xuất của chitosan được ứng dụng rộng răi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh­:
+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 lư nước thải. Chitosan c̣n được dùng để tách Co[SUP]3+[/SUP] ra khái Ni[SUP]2+[/SUP] và Cu[SUP]2+[/SUP] [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 v́ 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 tŕnh phản ứng:
Trong đó R có thể là aryl, ankyl, gốc dị ṿng thơm.
Vào năm 1994, R.Muzzarelli [40] đă công bố công tŕnh điều chế một loạt các azometin của chitosan với các anđehit: salixylanđehit, veratranđehit, vanillin, syrinanđehit, xeton thơm và axetonvainilon.
Năm 2000, R.Andreas [14] đă tổng hợp một loạt azometin của chitosan với các anđêhit béo: focmanđehit, propionanđehit, capronanđehit, phenylpropionanđehit, với anđehit thơm nh­ 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 tŕnh phản ứng:

Trong đó X=H, NO[SUB]2[/SUB], OCH[SUB]3[/SUB]
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(A[SUB]N[/SUB]).
1.2.3.Phổ hồng ngoại của azometin
Trên phổ hồng ngoại của các azometin có đỉnh hấp thụ nằm trong vùng 1590-1690cm[SUP]-1[/SUP] đặc trưng cho dao động hoá trị của nhóm azometin –CH=N. Ṽtrí của vạch hấp thụ này phụ thuộc vào bản chất của các gốc gắn với nhóm azometin. Thường các azometin béo có v[SUB]CH=N[/SUB] nằm ở sóng cao hơn so với các azometin béo thơm và thơm. Các benzyliđenanilin có v[SUB]CH=N[/SUB] = 1622-1631 cm[SUP]-1[/SUP]c̣n các azometin béo có v[SUB]CH=N[/SUB] = 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 NaBH[SUB]4[/SUB], H[SUB]2[/SUB]/kim loại chuyển tiếp.