Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Nghiên cứu phản ứng lới hoá chitosan, số dẫn xuất chitosan khả hấp phụ ion kim loại Nặng Mở đầu Chitosan sản phẩm thuỷ phân chitin, đợc tách từ vỏ tôm phế thải Do đó, chitosan nguyên liệu rẻ nhng lại có nhiều tính chất quý giá nên đợc quan tâm Mặt khác nớc ta lại có nguồn hải sản lớn ngành hải sản phát triển việc tận dụng nguồn phế thải góp phần hạ giá thành sản phẩm mà góp phần hạn chế đợc ô nhiễm môi trờng Chitosan polisaccarit, đợc tạo thành từ phân tử Dglucosamin chúng đợc nối với liên kết -(1,4)- glycozit Chitosan dẫn xuất chúng đợc ứng dụng rộng rÃi nhiều lĩnh vực nh y học, nông nghiệp, dợc phẩm, công nghệ Tuy nhiên để phù hợp cho ứng dụng thực tế, ngời ta cần chitosan dẫn xuất chúng với số đặc tính riêng biệt Chitosan có khả hấp phụ ion kim loại nặng, nhng pH thấp chitosan lại tan yều cầu đặt phải cải thiện tính tan chitosan Do để góp phần vào tổng hợp dẫn xuất chitosan không tan dung dịch axit, luận văn tập trung nghiên cứu phản ứng lới hoá chitosan, số dẫn xuất chitosan khảo sát khả hấp phụ ion kim loại nặng Chơng Khoa Hoá Học Tổng quan Đại học Khoa học Tự nhiên Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp 1.1.Vài nét chitosan 1.1.1.Cấu tạo chitosan Chitosan dẫn xuất quan trọng, điển hình chitin đợc biết đến sau chitin không lâu Chitin đợc tìm thấy thể động vật giáp xác, côn trùng, nấm thực vật bậc thấp [21] Chitin polisaccarit, đợc tạo thành từ phân tử N-axetyl-D-glucosamin chúng đợc nối với bëi liªn kÕt β-(1,4)-glycozit CH2OH O CH2OH NHAc O HO O O HO NHAc CH 2OH NHAc O HO O O HO O NHAc CH 2OH O Chitin Chitosan có mặt số loài nấm nhng tồn rộng rÃi chitin [54] ra, chitosan nhận đợc từ thuỷ phân chitin Chitosan polisaccarit nhng đợc tạo phân tử D-glucosamin chúng đợc nối với liªn kÕt β(1,4)-glycozit CH2OH O O HO CH 2OH NH O O O NH CH2OH NH HO HO O O HO O NH CH 2OH O Chitosan Nh vậy, mặt cấu trúc chitosan không khác nhiều so với chitin, chúng polisaccarit không phân nhánh Tuy nhiên, chitosan khác chitin chỗ nhóm axetyl cacbon thứ hai chitin đợc thay nhóm amino, chitosan có tính bazơ Chitosan sản phẩm trình đeaxetyl hoá chitin: Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên Khiếu Thị Tâm CHK15 CH 2OH O Khoá luận tốt nghiệp CH 2OH Đ ê a x e ty l h o ¸ O O + O HO nCH3COOH HO NHAc NH2 n n Theo qui ớc, độ đêaxetyl hoá (DD) >50% đợc gọi chitosan, DD < 50% gọi chitin 1.1.2.Tính chất vật lí chitosan Chitosan chất rắn màu trắng đến trắng ngà, xốp, không mùi vị xay nghiền nhỏ Chitosan không tan nớc, dung dịch kiềm phần lớn dung môi hữu nhng lại có khả tan dung dịch axit hữu vô Độ nhớt chitosan axit phụ thuộc vào mức độ đêaxetyl hoá Độ nhớt chitosan với giá trị DD = 100 10800cm 3/g [44] 1.1.3.Tính chất hoá học chitosan Chitosan poli-2-amino-D-glucozơ, bazơ hữu Trong phân tử chitosan có nhãm chøc ancol bËc mét, ancol bËc hai, nhãm amino Trên nguyên tử nitơ, oxy có đôi điên tử không phân chia, chúng đóng vai trò tác nhân nucleophin tham gia số chuyển hoá sau [45]: Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tèt nghiÖp OH O O OH OH O I O NH O OH C R OH L o ¹ i k i m l o i đ ộ c Cu C O CH OCH 2COOH OH C hÊt nhị ho¸ m ü phÈm ¸ ho n ge lo xy -C a /N O- OH O OH NH C h ấ t c ố đ ịn h p ro te in ry l o ¸ p h o tr o h t o ph ặc ni ho hoá Cy ano et OCOR O OH O OH O OH NH O NH M µ n g v i lä c C hÊt nhị ho¸ R O O O OH O NH h o Ỉ c NH C O OSO 3H OCH 2CH 2CN OH O § ª p o lim e h ã a R O OH CHO O -a xyl C hÊt næ R= P OH O ho¸ R=NO OH NH O NH B a s e s c h iff O C C h Ê t g i÷ È m CH 2COOH (S ¶n p h Èm b ¶o v Ư d a ) fat O NH Sun OH OH yl OH yl h oá N nk Đ e a m in O OH N3 Cl F cbo la xy ¸ ho O Q uang hoá O O OH Đ yl h oá i R ro p lo xyp k im H i® ro NH íi c v O O eo hø o p O OH N -a x e ty l h o Tạ OH OH NH C h Ê t tr u n g g ia n tæ n g h ợ p h ữ u c NH HO O OH O C hất chống đông đặc N CHR C h ấ t c ố đ ịn h h ệ 1.13.1.Phản ứng vào nhóm amino Nhóm amino có khả nhận proton tử axit loÃng theo c©n b»ng sau: C h ito NH + C h ito CH 3COOH + NH 3+ CH3COO Nếu tăng giá trị pH đến khoảng 7-8 cách thêm dung dịch NH4OH NaOH phản ứng xảy theo chiều ngợc lại tạo kết tủa chitosan dạng gel Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Nhóm amino chitosan có khả phản ứng với anđêhit tạo azometin chitosan CH 2OH Chito + OH CH 2OH RCHO Chito OH NH N CHR R aryl, ankyl, hay gốc dị vòng Khi có mặt tác nhân khử hoá nh NaBH4, H2/kim loại chuyển tiếp, azometin chitosan bị khử thành dẫn xuất chitosan với nhóm amino bËc hai CH 2OH Chito CH 2OH H Chito OH N OH NH CH 2R CHR Nhãm amino cña chitosan có khả phản ứng với dẫn xuất axit cacboxylic Phản ứng với anhiđrit axit CH2OH Chito OH CH2OH (r + co) o + OH nh cor Chito NH2 rcooh Ph¶n øng víi dÉn xt halogen cđa axit sunfonic CH2OH Chito OH CH2OH + c h so cl Chito OH nh NH2 hcl + c h so 1.1.3.2.Phản ứng vào hai nhóm chức hiđroxi amino Phản ứng với axit monocloaxetic CH2OH Chito OH CH2OCH2COOH + ClCH2COOH NH2 Khoa Ho¸ Học Chito OCH2COOH NHCH2COOH Đại học Khoa học Tự nhiên Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Phản øng víi ankyl halogen CH 2OH Chito OH CH 2OR + 4RX NH Chito OR NR 3X Để phản ứng xảy trung tâm phản ứng NH 2, -OH, ngêi ta cã thĨ thay ®ỉi ®iỊu kiƯn phản ứng nh môi trờng, nhiệt độ khoá nhóm chức theo phơng pháp thông thờng Với nhóm amino cho nã t¹o phøc víi ion kim lo¹i chun tiếp [26] 1.1.3.3.Phản ứng cắt mạch Độ dài mạch phân tử chitosan ảnh hởng đến tính chât lí hoá nh hoạt tính sinh học chitosan Phản ứng cắt mạch chitosan phản ứng làm đứt liên kết -(1,4)-glycozit cho sản phẩm chitosan có khối lợng phân tử trung bình (KLPTTB) thấp so với KLPTTB chitosan ban đầu Các phơng pháp cắt mạch chủ yếu: *Phơng pháp sinh học [29] dùng enzim nh chitosanaza, papain, lipase, proteaseđể làm đứt liên kết để làm đứt liên kết -(1,4)-glycozit Với phơng pháp này, phản ứng đợc thực hiên điều kiện êm dịu xảy chon lọc *Phơng pháp chiếu xạ [23] thờng dùng tia xạ Co60 với dòng điện tử gia tốc tia xạ tử ngoại Phản ứng xảy điều kiện nhiệt độ thờng cho sản phẩm có độ tinh khiết cao *Phơng pháp hoá học thờng dùng với phản ứng thuỷ phân chitosan axit hữu vô dùng chất oxi hoá: +Cắt mạch tác nhân oxi hoá nh NaBrO3 [30], H2O2 peaxit, NaNO2/H+ cho chitosan có KLPTTB thấp +Cắt mạch axit hữu [7] axit vô [8] cho sản phẩm chitosan có KLPTTB thấp giá trị DD cao Tuy nhiên cắt mạch axit vô xảy nhanh mÃnh liệt axit hữu Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp 1.1.4.Phơng pháp điều chế chitosan Chitosan có số loài nấm nhng hàm lợng ngời ta thờng điều chế chitosan từ nguyên liệu đầu chitin Cơ sở phơng pháp thuỷ phân nhóm 2-axetamido thành 2amino CH 2OH O CH 2OH Đ ê a x e ty l h o ¸ O O + O HO nCH3COOH HO NHAc NH2 n n Để thực phản ứng đêaxetyl hoá, ngời ta tiến hành phơng pháp hoá học, sinh học chiếu xạ Trong đó, phơng pháp hoá học phơng pháp đợc sử dụng rộng rÃi tốn Cơ sở phơng pháp hoá học dùng dung dịch kiềm đặc nhiệt độ cao để thuỷ phân nhóm axetamido chitin CH2OH Chito OH CH2OH N aO H đặc Chito NHAc OH + CH 3COONa NH2 Trong trình, phản ứng thuỷ phân nhóm axetamido xảy phản ứng làm đứt liên kết -glycozit Sản phẩm sau thuỷ phân chitosan có độ polime hoá (dp) luôn bé chitin Olaw Joensen cộng [42] đà thực phản ứng thuỷ phân chitin NaOH 60% 1100C thời gian thu đợc chitosan có giá trị DD = 100% Ngoài phơng pháp hoá học, ngời ta dùng phơng pháp enzim [47] Enzim đợc dùng cho phản ứng đêaxetyl hoá chitin strepomisins griseus chitinaza Phản ứng đợc thực điều kiện êm dịu xảy chọn lọc Sản phẩm nhận đợc từ phơng pháp có độ trùng hợp hầu nh không thay đổi Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Ngoài ra, năm gần ngời ta dùng phơng pháp chiếu xạ để chuyển chitin thành chitosan [23] 1.1.5.Phổ hồng ngoại cộng hởng từ hạt nhân 1H, chitosan C-NMR 13 *Phổ hồng ngoại chitosan: Trên phổ hồng ngoại chitosan có đỉnh hấp thụ nằm vùng 3400-3445 cm-1 đặc trng cho dao động hoá trị nhóm -OH liên hợp, đỉnh hấp thụ 2960, 2850 cm-1 đặc trng cho dao động hoá trị bất đối xứng đối xứng nhóm CH2, đỉnh hấp thụ 1650 cm-1 đặc trng cho dao động biến dạng NH amin bậc một, đỉnh hấp thụ 1068 cm-1 đặc trng cho dao ®éng cđa nhãm C-OH cđa ancol bËc hai, ®Ønh 1024 cm-1 đặc trng cho dao động nhóm C-OH cđa ancol bËc mét, ®Ønh hÊp thơ ë 894 cm-1 đặc trng cho dao động liên kết glycozit [] *Phỉ céng hëng tõ hËt nh©n 1H, 13C-NMR cđa chitosan [4]: Trªn phỉ 1H-NMR cã ba pic riªng rÏ dễ nhân dạng: pic đơn(s) =1.97 nhóm CH3, pic đôi(d) H1 (do có tơng tác víi H2), mét pic ba (t) cđa H2 (do cã tơng tác H1 H3) Bảng số liệu 1H-NMR chitosan -H (ppm) MÉu H1 H2 H3 H4 H5 H6a H6b CH3 Chitosan DA=0.12 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 DA giảm khả tạo phân cực nhóm NH2 tăng lên Bảng số liệu 13C-NMR chitosan Mẫu Khoa Ho¸ Häc C1 C2 C3 C4 C5 C6 Đại học Khoa học Tự nhiên Khiếu Thị Tâm CHK15 Kho¸ ln tèt nghiƯp Chitosan DA=0.125 102.4 58.4 74.4 79.9 76.9 62.5 Chitosan DA=0 58.2 73.1 79.5 76.9 62.5 100.8 1.1.6.ứng dụng chitosan Chitosan dẫn xuất chitosan đợc ứng dụng rộng rÃi nhiều lĩnh vực khác nh: +Trong công nghiệp, chitosan có khả hấp phụ chất màu tạo phức với ion kim loại [19] nên đợc dùng để xử lý nớc thải Chitosan đợc dùng để tách Co3+ khỏi Ni2+ Cu2+ [13] Đặc biệt sản xuất len sợi, chitosan đợc dùng để chống vi khuẩn , tăng độ bền màu vải nhuộm [53] +Trong nông nghiệp công nghệ thực phẩm: chitosan đợc dùng làm chất điều hoà sinh trởng cho cây, bảo quản nông phẩm thực phẩm tơi sống mà không gây độc Chitosan có thành phần nớc giải khát, kem, sữađể làm đứt liên kết , đợc dùng công nghiệp sản xuất đờng, làm chất hấp phụ màu keo tụ chất bẩn [43] +Trong công nghiệp sinh học, chitosan đợc dùng để cố định enzim tế bào sinh học +Trong mỹ phẩm, chitosan đợc 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 dỡng dađể làm đứt liên kết [37] +Trong y tế: chitosan không độc, có khả hoà hợp sinh học tự phân huỷ sinh học [46] nên chitosan đợc dùng làm thuốc chữa bỏng, làm màng phủ chống nhiễm trùng chống lên da non, giảm lợng cholesterol máu, làm khâu tự tiêu, làm thuốc kháng nấm Chitosan đợc dùng làm chất phù trợ miễn dịch, chất bổ sung để tăng tác dụng thuốc, chất phụ gia kỹ nghệ bào chế dợc phẩm chất mang sinh học cho thuốc [36] Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp 1.2.Vài nét azometin chitosan 1.2.1.Phơng pháp tổng hợp azometin chitosan Phản ứng azometin hoá chitosan loại phản ứng có tính chọn lọc cao so với phản ứng biến tính khác thực khung phân tử chitosan có nhóm amino tham gia phản ứng với nhóm anđehit tạo hợp chất azometin Chitosan có nhóm chức amino nên chitosan có khả phản ứng với anđehit tạo azometin chitosan Phơng trình phản ứng: CH 2OH Chito + OH CH 2OH RCHO Chito OH NH N CHR Trong R aryl, ankyl, gốc dị vòng thơm Vào năm 1994, R.Muzzarelli [40] đà công bố công trình điều chế loạt azometin chitosan với anđehit: salixylanđehit, veratranđehit, vanillin, syrinanđehit, xeton thơm axetonvainilon Năm 2000, R.Andreas [14] đà tổng hợp loạt azometin chitosan với anđêhit béo: focmanđehit, propionanđehit, capronanđehit, phenylpropionanđehit, với anđehit thơm nh benzanđehit Năm 2006, Nguyễn thị Huệ Đỗ Sơn Hải [6] đẫ tổng hợp số azometin chitosan với số anđehit thơm: benzanđehit, p-nitro, p-metoxi- benzanđehit Phơng trình phản ứng: CH2OH Chito OH CH 2OH + X CHO NH2 Khoa Ho¸ Häc Chito OH N CH Đại học Khoa học Tự nhiên X