NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG LƯỚI HOÁ CHITOSAN, MỘT SỐ DẪN XUẤT CỦA CHITOSAN VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG LƯỚI HOÁ CHITOSAN, MỘT SỐ DẪN XUẤT CỦA CHITOSAN VÀ KHẢ NĂNG HẤP PHỤ ION KIM LOẠI NẶNG

Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Nghiên cứu phản ứng lới 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, đợc tách từ vỏ tôm phế thải. Do đó, chitosan là nguyên liệu khá rẻ nhng lại có nhiều tính chất quý giá nên rất đợc quan tâm. Mặt khác nớc ta lại có nguồn hải sản lớn và ngành hải sản khá phát triển vì vậy việc tận dụng nguồn phế thải không những góp phần hạ giá thành sản phẩm mà còn góp phần hạn chế đợc sự ô nhiễm môi trờng. Chitosan là một polisaccarit, đợc tạo thành từ các phân tử D- glucosamin và chúng đợc nối với nhau bởi liên kết -(1,4)- glycozit. Chitosan và các dẫn xuất của chúng đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực nh y học, nông nghiệp, dợc phẩm, công nghệ. Tuy nhiên để phù hợp cho những ứng dụng thực tế, ngời 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, nhng 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 lới hoá chitosan, một số dẫn xuất của chitosan và khảo sát khả năng hấp phụ ion kim loại nặng. Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 1 Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Chơng 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 đợc biết đến sau chitin không lâu. Chitin đợc tìm thấy trong cơ thể của động vật giáp xác, côn trùng, nấm và thực vật bậc thấp [21]. Chitin là một polisaccarit, đợc tạo thành từ các phân tử N-axetyl-D-glucosamin và chúng đợc nối với nhau bởi liên kết -(1,4)-glycozit. O O HO O O HO O O HO O O HO O CH 2 OH NHAc CH 2 OH NHAc CH 2 OH NHAc CH 2 OH NHAc Chitin Chitosan cũng có mặt trong một số loài nấm nhng sự tồn tại của nó kém rộng rãi hơn chitin [54] ngoài ra, chitosan cũng nhận đợc từ thuỷ phân chitin. Chitosan cũng là một polisaccarit nhng đợc tạo bởi các phân tử D-glucosamin và chúng đợc nối với nhau bởi liên kết -(1,4)-glycozit. O O HO O O NH 2 HO O O HO O O HO O CH 2 OH NH 2 CH 2 OH CH 2 OH NH 2 CH 2 OH NH 2 Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 2 Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp 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 đợc thay bằng nhóm amino, do đó chitosan có tính bazơ. Chitosan là sản phẩm của quá trình đeaxetyl hoá chitin: O O HO CH 2 OH NHAc n O O HO CH 2 OH NH 2 n + nCH 3 COOH Đ ê a x e t y l h o á Theo qui ớc, nếu độ đêaxetyl hoá (DD) >50% đợc 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 nớc, dung dịch kiềm và phần lớn các dung môi hữu cơ nhng 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 3 /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 Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 3 Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp chia, do đó chúng đóng vai trò là những tác nhân nucleophin và có thể tham gia một số chuyển hoá sau [45]: O OH OH NH 2 O O OH OH NH O C O R O I OH NH O C O CH 3 O OCH 2 COOH OH NH O C O CH 2 COOH O O CHO OH OH O OCOR OH NH 2 O O OSO 3 H OH NH 2 O O OH OH N O CHR O OCH 2 CH 2 CN OH NH 2 O O OH OH NH O R O OH OH NH N F Cl N 3 O O OH OH NH O R O OH OH NH O Cu OHOH OH L o ạ i k i m l o ạ i đ ộ c C h ấ t t r u n g g i a n t ổ n g h ợ p h ữ u c ơ C h ấ t g i ữ ẩ m ( S ả n p h ẩ m b ả o v ệ d a ) Đ ê p o l i m e h ó a C h ấ t n h ũ h o á C h ấ t c h ố n g đ ô n g đ ặ c C h ấ t c ố đ ị n h h ệ M à n g v i l ọ c C h ấ t n ổ C h ấ t c ố đ ị n h p r o t e i n C h ấ t n h ũ h o á m ỹ p h ẩ m N - a x e t y l h o á Đ e o x y h a l o g e n h o á O - / N - C a c b o x y l a n k y l h o á Đ e a m i n O - a x y l h o á S u n f a t h o á B a s e s c h i f f C y a n o e t y l h o á p h o t p h o r y l h o ặ c n i t r o h o á Q u a n g h o á H i đ r o x y p r o p y l h o á T ạ o p h ứ c v ớ i k i m l o ạ i h o ặ c NH C O R R=NO 2 OH P O R= OH 1.13.1.Phản ứng vào nhóm amino Nhóm amino có khả năng nhận proton tử các axit loãng theo cân bằng sau: C h i t o NH 2 + CH 3 COOH C h i t o NH 3 + + CH 3 COO Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 4 Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Nếu tăng giá trị pH đến khoảng 7-8 bằng cách thêm dung dịch NH 4 OH hoặc NaOH thì phản ứng xảy ra theo chiều ngợc 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. Chito CH 2 OH NH 2 OH + RCHO Chito CH 2 OH N OH CHR R có thể là aryl, ankyl, hay gốc dị vòng. Khi có mặt của tác nhân khử hoá nh NaBH 4 , H 2 /kim loại chuyển tiếp, các azometin của chitosan bị khử thành các dẫn xuất của chitosan với nhóm amino bậc hai. Chito CH 2 OH N OH CHR Chito CH 2 OH NH CH 2 R OH H Nhóm amino của chitosan có khả năng phản ứng với các dẫn xuất của axit cacboxylic Phản ứng với anhiđrit axit Chito CH 2 OH NH 2 OH + c o ) 2 o ( r Chito CH 2 OH OH n h c o r + r c o o h Phản ứng với dẫn xuất halogen của axit sunfonic Chito CH 2 OH NH 2 OH + Chito CH 2 OH OH n h + c 6 h 5 s o 2 c l c 6 h 5 s o 2 h c l 1.1.3.2.Phản ứng vào cả hai nhóm chức hiđroxi và amino Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 5 Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Phản ứng với axit monocloaxetic Chito CH 2 OH NH 2 OH Chito CH 2 OCH 2 COOH NHCH 2 COOH OCH 2 COOH + ClCH 2 COOH Phản ứng với ankyl halogen Chito CH 2 OH NH 2 OH + 4RX Chito CH 2 OR NR 3 X OR Để phản ứng xảy ra ở một trung tâm phản ứng NH 2 , -OH, ngời ta có thể thay đổi điều kiện phản ứng nh môi trờng, nhiệt độ hoặc khoá các nhóm chức theo các phơng pháp thông thờng. 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 hởng đến tính chât lí hoá cũng nh hoạt tính sinh học của chitosan. Phản ứng cắt mạch chitosan là phản ứng làm đứt liên kết -(1,4)-glycozit cho sản phẩm là chitosan có khối lợng phân tử trung bình (KLPTTB) thấp hơn so với KLPTTB của chitosan ban đầu. Các phơng pháp cắt mạch chủ yếu: *Phơng pháp sinh học [29] dùng các enzim nh chitosanaza, papain, lipase, proteaseđể làm đứt liên kết -(1,4)-glycozit. Với phơng pháp này, phản ứng đợc thực hiên ở điều kiện êm dịu và xảy ra khá chon lọc. Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 6 Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp *Phơng pháp chiếu xạ [23] thờng dùng tia bức xạ (Co 60 với dòng điện tử gia tốc và tia bức xạ tử ngoại. Phản ứng xảy ra ở điều kiện nhiệt độ thờng và cho sản phẩm có độ tinh khiết cao. *Phơng pháp hoá học thờng 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 nh NaBrO 3 [30], H 2 O 2 và các peaxit, NaNO 2 /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.Phơng pháp điều chế chitosan Chitosan có trong một số loài nấm nhng hàm lợng rất ít do đó ngời ta thờng điều chế chitosan từ nguyên liệu đầu là chitin. Cơ sở của phơng pháp là thuỷ phân nhóm 2-axetamido thành 2- amino O O HO CH 2 OH NHAc n O O HO CH 2 OH NH 2 n + nCH 3 COOH Đ ê a x e t y l h o á Để thực hiện phản ứng đêaxetyl hoá, ngời ta có thể tiến hành bằng phơng pháp hoá học, sinh học hoặc chiếu xạ. Trong đó, phơng pháp hoá học là phơng pháp đợc sử dụng rộng rãi nhất và ít tốn kém. Cơ sở của phơng pháp hoá học là dùng dung dịch kiềm đặc và nhiệt độ cao để thuỷ phân nhóm axetamido của chitin. Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 7 Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Chito CH 2 OH NHAc OH N a O H đ ặ c Chito CH 2 OH NH 2 OH + CH 3 COONa Trong quá trình, ngoài phản ứng thuỷ phân nhóm axetamido còn xảy ra phản ứng làm đứt liên kết -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 110 0 C trong thời gian 6 giờ thu đợc chitosan có giá trị DD = 100%. Ngoài phơng pháp hoá học, ngời ta còn dùng phơng pháp enzim [47]. Enzim đợc dùng cho phản ứng đêaxetyl hoá chitin là strepomisins griseus chitinaza. Phản ứng đợc thực hiện ở điều kiện êm dịu và xảy ra khá chọn lọc. Sản phẩm nhận đợc từ phơng pháp này có độ trùng hợp hầu nh không thay đổi. Ngoài ra, trong những năm gần đây ngời ta còn dùng phơng pháp chiếu xạ để chuyển chitin thành chitosan [23]. 1.1.5.Phổ hồng ngoại và cộng hởng từ hạt nhân 1 H, 13 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 -1 đặc trng cho dao động hoá trị của nhóm -OH liên hợp, đỉnh hấp thụ ở 2960, 2850 cm -1 đặc trng cho dao động hoá trị bất đối xứng và đối xứng của nhóm CH 2 , đỉnh hấp thụ ở 1650 cm -1 đặc trng cho dao động biến dạng của NH của amin bậc một, đỉnh hấp thụ ở 1068 cm -1 đặc trng cho dao động của nhóm C-OH của ancol bậc hai, đỉnh Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 8 Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp ở 1024 cm -1 đặc trng cho dao động của nhóm C-OH của ancol bậc một, đỉnh hấp thụ ở 894 cm -1 đặc trng cho dao động của liên kết glycozit []. *Phổ cộng hởng từ hật nhân 1 H, 13 C-NMR của chitosan [4]: Trên phổ 1 H-NMR có ba pic riêng rẽ dễ nhân dạng: một pic đơn(s) ở =1.97 của nhóm CH 3 , một pic đôi(d) của H1 (do có tơng tác với H2), một pic ba (t) của H2 (do có tơng tác H1 và H3). Bảng số liệu 1 H-NMR của chitosan - H (ppm) Mẫu H1 H2 H3 H4 H5 H6a H6b CH 3 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 NH 2 tăng lên. Bảng số liệu 13 C-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 Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 9 Khiếu Thị Tâm CHK15 Khoá luận tốt nghiệp Chitosan và các dẫn xuất của chitosan đợc ứng dụng rộng rãi 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 đợc dùng để xử lý nớc thải. Chitosan còn đợc dùng để tách Co 3+ ra khỏi Ni 2+ và Cu 2+ [13]. Đặc biệt trong sản xuất len sợi, chitosan đợc dùng để chống vi khuẩn , tăng độ bền màu của vải nhuộm [53] +Trong nông nghiệp và công nghệ thực phẩm: chitosan đợc dùng làm chất điều hoà sinh trởng cho cây, bảo quản nông phẩm và thực phẩm tơi sống mà không gây độc. Chitosan có trong thành phần nớc giải khát, kem, sữa, đợc dùng trong công nghiệp sản xuất đờng, làm chất hấp phụ màu và keo tụ các chất bẩn [43]. +Trong công nghiệp sinh học, chitosan đợc dùng để cố định enzim và các 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 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 đợc dùng làm thuốc chữa bỏng, làm màng phủ chống nhiễm trùng và chống lên da non, giảm lợng cholesterol trong máu, làm chỉ khâu tự tiêu, làm thuốc kháng nấm. Chitosan đợc dùng làm chất phù trợ miễn dịch, chất bổ sung để tăng tác dụng của thuốc, chất phụ gia trong kỹ nghệ bào chế dợc phẩm và chất mang sinh học cho thuốc [36]. 1.2.Vài nét về azometin của chitosan Khoa Hoá Học Đại học Khoa học Tự nhiên 10