Tổng hợp và khảo sát dẫn xuất N - Cacboxymetyl Chitosan (N-CMC) từ Chitosan và axit Monocloaxetic

Khóa luận tốt nghiệp MỞ ĐẦU Cơng nghiệp chế biến thủy hải sản ngày phát triển quy mơ tồn cầu Quy trình bao gồm ni trồng đánh bắt biển, với sản lượng đông lạnh lớn Như vậy, tất yếu lượng phế thải không nhỏ bị vứt bỏ, thối rữa gây nhiễm mơi trường Theo ước tính lượng phế thải tôm, cua, mai mực…hàng năm 1,44 triệu (trọng lượng khơ)[16] Tuy vậy, lượng phế thải tôm, cua, mai mực lại nguồn tiềm ẩn to lớn lượng chitin quý giá Chitin loại polime gồm mắt xích N – axetyl – D – glucozamin nối với liên kết β – (1,4) – glucozit Khi tiến hành deaxetyl hóa chitin thu dẫn xuất chitosan Nhóm axetamit chitin thay nhóm amin chitosan Chitin/chitosan polime có nhiều tính chất đặc biệt: tính tương hợp sinh học, phân hủy sinh học, tính kháng nấm, kháng khuẩn, khơng độc…Do chúng sử dụng nhiều lĩnh vực y học, dược phẩm, nông nghiệp, mĩ phẩm, bảo vệ mơi trường… Có trữ lượng lớn thứ hai sau xenlulozo ước tính khoảng 100 tỉ tấn/năm song lượng tiêu thụ chitin khoảng 1100 – 1300 tấn/năm [16] Nguyên nhân chitin có cấu trúc tinh thể chặt chẽ, có nhiều liên kết hidro mạch phân tử nên khó tan nhiều loại dung môi hữu không tan nước Cịn sử dụng chitosan cần phải có mặt axit để hịa tan thành dung dịch, anion phụ sinh hay lượng axit dư dung dịch gây khó khăn việc gia công sử dụng Để nâng cao khả ứng dụng chitin/chitosan đời sống, nhiều nghiên cứu tạo dẫn xuất chitin/chitosan đời có nhiều ứng dụng thực tế như: N – cacboxyl chitosan, – oxy chitin, - oxy chitosan… Đinh Thị La – K30A – Hóa Khóa luận tốt nghiệp Trong phạm vi luận văn này, em chọn đường nghiên cứu tổng hợp khảo sát dẫn xuất N – cacboxymetyl chitosan (N – CMC) từ chitosan axit monocloaxetic N – CMC quan tâm với nhiều ứng dụng y học công nghiệp thực phẩm:  Trong y học: dùng làm màng chữa vết thương, xử lí tổn thương xương, thúc đẩy q trình tái tạo mạch máu  Trong cơng nghiệp thực phẩm: ngăn cản ôi thiu, giữ hương vị thơm ngon lâu thịt, pate… Việt nam với nguồn thủy hải sản dồi dào, việc nghiên cứu chitin/chitosan dẫn xuất cần thiết nhằm mở rộng phạm vi ứng dụng, đồng thời tận dụng lượng lớn phế thải từ ngành công nghiệp thủy sản góp phần giải nhiễm mơi trường Đinh Thị La – K30A – Hóa Khóa luận tốt nghiệp Chương I – TỔNG QUAN 1.1 Những khái niệm chung chitin/chitosan 1.1.1 Giới thiệu chung Chitin loại polime thiên nhiên có trữ lượng lớn thứ hai sau xelulozo, tên gọi “chitin” xuất phát từ tiếng Hilạp (chiton) có nghĩa “vỏ bọc” Chitin tách từ lồi động vật giáp xác: vỏ tơm, cua, mai mực… Braconot tìm thấy năm 1811 Người ta tính tốn thành phần số ngun liệu chứa chitin [21][22]: Trong vỏ tơm khơ có chứa 15 – 20% chitin(α), 40 – 50% muối khoáng, 30 – 40% protein Trong mai mực ống có chứa 30 – 40% chitin (β), khoảng 60% protein, lượng muối khống cịn lại Chitin có cấu trúc tương tự xenlulozo, amino polisaccarit mạch thẳng với nhóm axetamit vị trí C2 thay cho nhóm hydroxyl mắt xích Mạch phân tử xenlulozo chitin : OH OH O O HO OH O O HO n NHCOCH3 Xenlulozo n Chitin Như vậy, chitin gồm mắt xích N – axetyl – D – glucozamin nối với liên kết β – (1,4) – glucozit Nó cịn có tên gọi : – axetamino – – deoxy – β – D – glucozamin Chitosan dẫn xuất deaxetyl hóa chitin, nhóm axetamit vị trí C2 thay nhóm amino Mạch phân tử chitosan đây: OH O O HO NH2 Đinh Thị La – K30A – Hóa n Khóa luận tốt nghiệp Như vậy, chitosan gồm mắt xích D – glucozamin nối với liên kết β – (1,4) – glucozit Nó cịn có tên gọi – amino – – deoxy – β – D – glucozamin Trong thực tế, chitin chitosan tồn phân tử polime Nghĩa là, chuỗi polime vừa có mắt xích β – (1,4) – N – axetyl – D – glucozamin vừa có mắt xích β – (1,4) – D – glucozamin Điều phụ thuộc vào độ axetyl hóa (DA) deaxetyl hóa (DDA) Khi polime có tỉ lệ mắt xích β – (1,4) – N – axetyl – D – glucozamin nhiều gọi chitin ngược lại chitosan Người ta phân biệt chitin chitosan cách: mắt xích β – (1,4) – D – glucozamin có nhóm amino (- NH2) nên chitosan dễ tan dung dịch axit HCl loãng, CH3COOH 1%, HCOOH 1%, cịn chitin khơng có đặc điểm Tính tan chitin/chitosan dung dịch axit loãng tăng dần theo chiều tăng tần suất xuất nhóm amin mắt xích phân tử Ngồi ra, cịn phân biệt giá trị độ axetyl hóa (DA) deaxetyl hóa (DDA), với DA + DDA = Nếu DA > 50% chitin, DA < 50% chitosan Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X, người ta xác định chitin tồn tự nhiên với dạng : α – chitin, β – chitin, γ – chitin [21] Dạng α – chitin : Mạng mạch polime xếp song song ngược chiều cặp (một mạch xuôi, mạch ngược) Dạng β – chitin : Mạng mạch polime xếp song song chiều Dạng γ – chitin : Mạng mạch polime xếp song song đơi, có mạch ngược chiều  - Chitin Đinh Thị La – K30A – Hóa  - Chitin - Chitin + Khóa luận tốt nghiệp Phổ biến tự nhiên dạng α–chitin có cấu trúc bền vững, cịn hai dạng β γ–chitin gặp chuyển thành dạng α tùy theo điều kiện xử lý β - chitin chuyển thành dạng α – chitin dung dịch HClđặc 6M γ – chitin chuyển thành dạng α – chitin dung dịch bão hòa LiSCN Tuy vậy, dạng β γ – chitin bền vững dung dịch NaOH 1,25M HCl 1,75M Cả ba dạng chitin có mối quan hệ mật thiết với chức sinh học động vật: α – chitin tìm thấy lớp vỏ lồi chân đốt liên kết chặt chẽ với protein tạo lớp vỏ cứng Cịn β γ – chitin tìm thấy phần mềm 1.1.2 Tính chất vật lí α – chitin thể rắn, xốp, nhẹ, say nhỏ thành bột mịn có màu trắng vàng, khơng mùi vị β – chitin có tính chất dai, xốp hơn, khó nghiền nhỏ Chitin không tan nước dung môi thông thường khác mà tan dung dịch chứa LiCl như: N,N – dimetyl axetamit (DMAc) chứa – 10% LiCl N – metyl pirolidone (NMP) Hỗn hợp DMAc NMP có chứa – 8% LiCl thường sử dụng gia công màng chitin [10] Kifune cộng [8] tìm thấy hệ dung mơi hòa tan chitin tricloaxetic (TCA) clohidrocacbon như: clometan, diclo metan, 1,1,2 triclometan.TAC với nồng độ 25 – 75% hòa tan hỗn hợp – 10% chitin nhiệt độ phịng Tokura.S [26] sử dụng hệ dung mơi axit fomic (FA) – diclo axetic (DCA); diclopropyl ete làm hệ dung mơi hịa tan chitin Một số hệ dung mơi khác sử dụng để hịa tan chitin như: axit tricloaxetic – dicloetan; axit fomic – axit dicloaxetic Đinh Thị La – K30A – Hóa Khóa luận tốt nghiệp Chitin có khả hấp thụ nước cao, cịn nghiền nhỏ ngâm nước, nghiền tơi thành dạng huyền phù, sau gia công thành giấy chitin Do β – chitin dai nên giấy β – chitin dễ sản xuất Chitosan polime không tan nước dung môi hữu tan dung dịch axit loãng HCl, axit hữu cơ: axit fomic, axit axetic, axit oxalic… Độ tan chitosan phụ thuộc vào loại axit nồng độ axit dung dịch [7] 1.1.3 Tính chất hóa học[14][18][21][22] CTTQ chitin/chitosan : (C8H13NO5)n/(C6H11NO4)m CTCT: OH OH O O HO NH O C O O HO NH2 n n CH3 Chitosan Chitin Trong mắt xích chitin/chitosan có nhóm chức (-OH), (NHCOCH3), (-NH2) nên có trung tâm phản ứng Nó vừa có tính chất ancol, lại vừa có tính chất amit amin 1.1.3.1 Phản ứng nhóm – OH Trong mắt xích chitin/chitosan có nhóm – OH C3 C6 Các nhóm – OH bậc C3 bị án ngữ không gian nên khả phản ứng nhóm – OH bậc C6 - Phản ứng với Na, NaOH tạo ancolat hay chitin kiềm: [C6H7O3NHCOCH3(OH)2] n + 2nNa → [C6H7O3NHCOCH3(ONa)2]n Chitin kiềm Kí hiệu: [Chit(OH)2]n + 2nNa → [Chit(ONa)2]n Chitin kiềm sản phẩm trung gian sản xuất chitin ete ankylchitin [Chit(ONa)2]n +2nRX → [Chit(OR)2]n + 2nNaX - Phản ứng anhydrit axetic hay HCl tạo sản phẩm dạng este: [Chit(OH)2]n + n(CH3CO)2O → [Chit(OCOCH3)2]n + nH2O Đinh Thị La – K30A – Hóa Khóa luận tốt nghiệp - Các phản ứng với ankylsunfat ankylhalogenua, với hợp chất vinyl thu sản phẩm dạng este 1.1.3.2 Phản ứng nhóm axetamit Chitin có khả tham gia phản ứng thể tính chất amin bậc Đặc biệt phản ứng deaxetyl hóa tạo thành chitosan: C6H9O4NHCOCH3 Chitin M = (203)n NaOH C6H9O4NH2 Chitosan M = (161)n Phản ứng thường thực với NaOH 40 – 50% 120oC – 3h Hiệu suất phản ứng đạt 70% Điều có nghĩa là, chuỗi polime vừa có mắt xích β – (1,4) – axetyl –D–glucozamin, β – (1,4) – D – glucozamin 1.1.3.3 Phản ứng vào nhóm – NH2 vị trí C2 Phản ứng xảy nhóm amin – NH2 nhóm – NHCOCH3 Nhóm amin amit gắn vị trí C2 hay cịn gọi vị trí N Tại chitin/chitosan có đơi điện tử khơng phân chia Vì vậy, mặt hóa học chúng có khả tham phản ứng cao với tác nhân điện tử để tạo ta dẫn xuất tương ứng Phản ứng nhóm – NH2 chitosan với andehit xeton tạo thành dẫn xuất bazơ Schiff tương ứng Các phản ứng chitosan với andehit đơn chức có mạch dài tạo dẫn xuất tương ứng, cịn phản ứng với andehit đa chức tạo dẫn xuất có cấu trúc khơng gian Phản ứng gắn ác nhóm – OH vào vị trí N hay gắn polyetylenglycol vào nhóm NH2 thu dẫn xuất hóa học cồng kềnh nhằm tăng cản trở khơng gian, làm giảm liên kết cầu hidro mạch mạch phân tử chitin/chitosan tạo dẫn xuất tan nước Phản ứng chitosan với anhydrit axit sản phẩm tan hoàn toàn nước Những phản ứng với axit béo thấp (C2 – C10) tạo Đinh Thị La – K30A – Hóa Khóa luận tốt nghiệp dẫn xuất N – acyl có mức độ DS = 1, phản ứng với axit béo cao (C16 –C18) tạo sản phẩm có mức độ DS < Chitosan bị N – axetyl hóa phản ứng với dẫn xuất halogen hợp chất vịng, với axit cacboxylic có mặt tác nhân khử nước như: di–xiclohexyl – cacbodiimit (DCC) với anhydrit halogencacboxylic 1.1.4 Một số ứng dụng chitin/chitosan Chitin/chitosan dẫn xuất polyme có nhiều tính chất đặc biệt: tính tương hợp sinh học, tính kháng nấm, kháng khuẩn, khơng độc, … Do dần trở thành vật liệu với chức đặc biệt đóng vai trị quan trọng đời sống người bảo vệ môi trường Năm 1994: lượng tiêu thụ chitin/chitosan ước tính khoảng 800 (tính tốn theo chitosan), khoảng 40% sử dụng lĩnh vực xử lý nước thải, 20% cho phụ gia thực phẩm, 15% cho nơng nghiệp lượng cịn lại dùng công nghiệp dệt, mĩ phẩm y học [21], [23] Cụ thể: - Trong y học: dẫn xuất chitin/chitosan có tính hồ hợp sinh học, không độc nên dùng làm màng sinh học chữa vết thương da, chữa bỏng, da, … khơng để lại sẹo Ngồi ra, số dẫn xuất chitin/chitosan (như N-CMC) cịn có khả tạo phức canxiaxetat dùng để xử lý tổn thương xương, có khả tái tạo mơ xương [16] D-glucozamin (monome chitin/chitosan ) có khả tái tạo sụn khớp, tăng độ trơn cho khớp … - Trong nông nghiệp: dẫn xuất chitin/chitosan có khả hịa hợp sinh học cao, có tính kháng khuẩn, kháng nấm nên dùng để kích thích sinh trưởng trồng, xử lý ngâm hạt giống để tăng khả mọc mầm, bảo quản rau tươi, …Ở Thái Lan, chitin/chitosan đóng vai trị thành phần kích thích hoạt tính sinh học, làm tăng suất, sản lượng trồng vật nuôi Kết cho thấy suất lúa tăng lên, lượng phân bón giảm Đinh Thị La – K30A – Hóa Khóa luận tốt nghiệp Chitin/chitosan tác dụng hiệu sản phẩm hoá học khác đến hệ thống tự bảo vệ, chống lại nấm vàng mầm bệnh ngô Với nồng độ 40ppm chitosan làm tăng cường lượng chlorophyl lượng nốt sần chứa nitơ, suất lạc tăng từ 19,34 - 40,65 % Khi sử dụng dẫn xuất chitin/chitosan có khối lượng 19000 Da, nồng độ 3,75 ppm làm tăng tốc độ nảy mầm hạt lúa mạch - hạt nảy mầm chậm trung bình Khi M = 13000 Da, nồng độ 3,75 ppm cho tốc độ nảy mầm cao hạt lúa mạch Trung Quốc Ngoài phun nên hạt đậu nành 30 phút làm tăng tốc độ nảy mầm hạt tăng trưởng [15] - Trong công nghiệp: + Trong công nghiệp giấy, mực, in chitosan dùng làm chất phụ gia để tăng cường chất lượng sản phẩm + Chitin/chitosan polyme khó tan, dễ đúc đổ khn, lại có khả tăng cường trì chức bảo vệ sinh học nên dùng cơng nghệ dệt vải, sợi giúp tạo hạt, sợi vải không dệt, màng phim vật liệu xốp - Trong mỹ phẩm: Vì có đặc tính khơng độc, khơng gây kích ứng da nên chitin dùng làm thành phần kem dưỡng da, kem lột mặt, làm tăng độ bám dính, tăng tính phù hợp sinh học da, chống tia cực tím - Đối với môi trường: chitin/chitosan chủ yếu dùng lĩnh vực xử lý nước thải: tách kim loại nặng cách tạo phức với chitosan, sử dụng làm tác nhân keo tụ đông tụ để thu hồi protein đồng vị phóng xạ có nước biển [19] - Trong thực phẩm: dẫn xuất N-CMC dùng chất antioxident để bảo quản thực phẩm Người ta thấy sử dụng 5000 ppm N-CMC bề mặt thịt bò thực ngăn cản 93% axit 2thiobarbituric khử 99% hàm lượng hexanal thực phẩm (đây tác nhân làm hỏng chất lượng thịt bò) Đinh Thị La – K30A – Hóa Khóa luận tốt nghiệp Với cơng trình nghiên cứu Li cộng [9] cho thấy dùng 3000 ppm N-CMC để bảo quản thịt lợn chín thấy lượng đủ để ngăn cản ôi thiu sản phẩm q trình oxy hố 1.1.5 Các phương pháp điều chế chitin/chitosan 1.1.5.1 Điều chế chitin Có thể tiến hành điều chế chitin phương pháp hoá học phương pháp lên men vi sinh vật từ nguồn nguyên liệu vỏ tôm, cua, mai mực, … * Phương pháp hoá học[22]: Sau thu thập, nguyên liệu làm sạch, sấy khơ nghiền nhỏ Sau tách loại muối khống chủ yếu CaCO3 HCl lỗng Tiếp theo trình làm phai màu, sắc tố astaxanthin chất béo chiết dung môi hữu axeton rượu etylic Tiến hành lọc rửa sản phẩm nước nhiều lần đến pH = Tách loại protein có nguyên liệu dung dịch NaOH lỗng Cuối sấy khơ phần rắn cịn lại thu chitin Nhược điểm phương pháp là: tiêu tốn lượng, sản thể tích lớn nước thải chứa nhiều NaOH, HCl gây ăn mòn nhiễm, đồng thời khó tách sản phẩm cịn có giá trị chất màu, protein Nhưng điều quan trọng tính khơng ổn định q trình mà từ dẫn đến thay đổi độ axetyl hóa (DA) khối lượng phân tử chitin Những bất lợi phương pháp hóa học xét theo yếu tố môi trường, kinh tế chất lượng sản phẩm thấy: - Về mơi trường: phương pháp hóa học khơng thích hợp cần sử dụng lượng lớn axit, kiềm, nước rửa Nước thải chất ăn mòn chứa chất gây nhiễm như: protein, khống hịa tan - Về tài chính: phương pháp hóa học trở nên hiệu vì: + Chi phí cho yếu tố mơi trường lớn (như nêu trên) + Chi phí lượng sử kí kiềm để loại protein tiếp tục chuyển chitin thành chitosan Đinh Thị La – K30A – Hóa 10 Khóa luận tốt nghiệp Chương III – KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Điều chế khảo sát tính chất chitosan có DA < 30% 3.1.1 Quá trình tách chitin từ mai mực ống Mai mực ống sau loại bỏ hết muối khoáng protein ta thu chitin thể rắn màu trắng xốp, không tan nước Trong mai mực hàm lượng muối khống nên nồng độ HCl cần dùng nhỏ khoảng – 2%, mà chủ yếu protein (≈ 60%) cần dùng dung dịch NaOH với nồng độ 35% để loại bỏ hết protein Nếu dùng HCl với nồng độ > 10% loại bỏ hết muối khoáng sản phẩm trở thành dạng gel khó để loại bỏ tạp chất Trong trình xử lý NaOH kéo dài – ngày phân tử NaOH chui vào mạch phân tử chitin nên sau ngâm NaOH sản phẩm cần rửa nhiều lần nước 60oC, sản phẩm sau β – chitin Hiệu suất trình tách chitin (mục 2.2): H % = (0,7/2) x 100 % = 35 (%) Quá trình tách chitin đạt hiệu suất H = 35 % Điều chứng tỏ kết thực nghiệm phù hợp với kết nghiên cứu (hàm lượng chitin mai mực ống 30 – 40%) 3.1.2 Quá trình deaxetyl hóa chitin thành chitosan Sản phẩm chitosan thu có màu trắng chitin, tan axit CH3COOH 1% Chitin Deaxetyl hóa Chitosan Chitosan Tinh chế Quy trình điều chế chitosan từ chitin Đinh Thị La – K30A – Hóa 30 Khóa luận tốt nghiệp Muốn chitosan có DA thấp phải deaxetyl hóa nhiều lần NaOH 30% Trong q trình deaxetyl hóa phân tử NaOH sâu vào mạch chitosan nên sản phẩm thu phải rửa nhiều lần nước nóng 60oC với mục đích phải loại bỏ hết NaOH tạp chất khác chitosan Lấy 5g mẫu chitosan CTS1(DA = 28%), CTS2(DA≈40%) cho hịa tan vào dung dịch axitaxetic 1% Sau lọc dung dich qua màng lọc natri xenlulo để loại bỏ hết phần không tan Cho từ từ dung dịch NaOH 10% vào pH = – để kết tủa chitosan kết tủa rửa nhiều lần cồn 96% Sau sấy nhiệt độ 40oC đem cân lượng sản phẩm thu Bằng thực nghiệm ta xác định hàm ẩm mẫu sau: x1 = 10 % (hàm ẩm mẫu CTS1) x2 = 8,6 % (hàm ẩm mẫu CTS2) Như vậy, hàm ẩm trung bình mẫu CTS từ – 10% 3.1.3 Khảo sát độ nhớt chitosan Để khảo sát ảnh hưởng khối lượng phân tử đến độ axetyl hóa ta xác định độ nhớt mẫu chitosan có DA khác Qua xác định khối lượng phân tử theo phương trình Mark – Houwink: [η] = K Mα Trong đó: K α xác định từ phép đo thực nghiệm Các mẫu điều kiện nhiệt độ, áp suất, thiết bị đo Thời gian chảy dung dịch chitosan thể theo bảng Các kết trình bày bảng Các kết trình bày bảng hình 3.1 suy độ nhớt đặc trưng dung dịch chitosan ứng với mẫu CTS1 TCS2 Đó giao điểm đường thẳng trục tung Đinh Thị La – K30A – Hóa 31 Khóa luận tốt nghiệp Bảng 3: Bảng số liệu đo thời gian chảy dung dịch chitosan Mẫu Thời gian chảy (s) C (mg/ml) Lần Lần Lần τTB 0,1 45,09 45,21 45,24 45,18 0,2 50,26 50,38 50,47 50,37 0,3 56,45 56,51 45,51 56,49 0,4 63,52 63,68 63,66 63,62 0,5 71,72 71,81 71,83 71,79 0,1 51,96 52,03 52,01 52,00 0,2 64,32 64,26 64,35 64,31 0,3 82,70 82,69 82,74 82,71 0,4 107,25 107,31 107,35 107,37 0,5 137,86 138,12 138,02 138,00 Dung môi 41,52 40,96 40,52 41,00 Dung môi 46,20 45,94 45,86 46,00 chitosan CTS1 CTS2 Bảng Bảng số liệu xác định khối lượng phân tử chitosan theo phương pháp đo độ nhớt Mẫu C τ (s) τ0 (s) (mg/ml) [η] /τ0.C (ml/mg) 1,012 0,90 82,00 0,76 10013,0 0,65 82,00 0,76 6525,36 CTS1 0,1 45,18 (DA = 0,2 50,37 1,143 0,3 56,49 1,259 0,4 63,62 1,379 0,5 71,79 1,502 CTS2 0,1 52,00 (DA ≈ 0,2 64,31 1,989 0,3 82,71 2,662 0,4 107,27 3,331 0,5 138,00 4,050 28%) 40%) Đinh Thị La – K30A – Hóa 41,00 46,00 K.105 (τ- τ0) 1,318 α M 32 Khóa luận tốt nghiệp Độ nhớt đặc trưng (ml/mg) y = 6.806x + 0.6282 y = 1.216x + 0.8942 0 0.2 0.4 Nồng độ (mg/ml) 0.6 Hình 3.1 Độ nhớt đặc trưng dung dịch chitosan (mẫu CTS1 CTS2) 3.1.4 Xác định cấu trúc tính chất chitosan phổ hồng ngoại IR Phổ hồng ngoại chitosan đo máy Impact 410 Đức viện Hóa học – Viện Khoa học Cơng nghệ Việt Nam Phổ hồng ngoại chitosan CTS1 CTS2 thể hình hình Hình 1: Phổ hồng ngoại chitóan (mẫu CTS1) Đinh Thị La – K30A – Hóa 33 Khóa luận tốt nghiệp Hình 2: Phổ hồng ngoại chitosan (mẫu CTS2) Các tần số dao động đặc trưng nhóm phân tử mẫu thể bảng Bảng Tần số đặc trưng d ao động biến dạng nhóm phân tử mẫu Pic đặc γ( – OH) γ( C – H) γ( C – O) γ( N – H) γ( – OH ) trưng (cm-1) (cm-1) (cm-1) (cm-1) (cm-1)ở C6 CTS1 3449 2912 1641 – 1594 1418 1082 CTS2 3448 2924 1649 – 1565 1463 1023 Từ hình 1, hình bảng cho thấy phổ IR mẫu CTS1 mẫu CTS2 có pic đặc trưng cho dao động biến dạng nhóm – OH (3448 – 3449 cm-1), liên kết C – H CH2 CH3 (2912 – 2924 cm-1), liên kết C – O (1565 – 1649 cm-1), nhóm - OH C6 (1023 – 1082 cm-1), liên kết N – H (1418 – 1463 cm-1) phù hợp với tài liệu công bố [16] [17] 3.2 Tổng hợp khảo sát đặc trưng N- CMC 3.2.1 Hiệu suất phản ứng tổng hợp N- CMC Hiệu suất phản ứng tổng hợp N-CMC tính phần thực nghiệm (mục 2.4.2) là: H% = (1,7/2).100% = 85 (%) Đinh Thị La – K30A – Hóa 34 Khóa luận tốt nghiệp Hiệu suất phản ứng cao sản phẩm lọc hệ thống lọc tốt (ở tiến hành lọc phễu lọc thông thường) 3.2.2 Xác định độ ẩm Cách xác định độ ẩm (hàm lượng nước) mẫu N – CMC tiến hành phần thực nghiệm (mục 2.4.3) Kết thể bảng 6: Bảng Bảng hàm lượng ẩm mẫu N- CMC Mẫu b0 (g) σ = b0 – b (g) x % = 100 * σ/b0 N1 2,8 0,29 10,36 N2 3,8 0,489 12,861 N3 4,2 0,605 14,4 Trong đó: b0: khối lượng mẫu N – CMC ban đầu (g); b: khối lượng mẫu N – CMC sau tách nước (g); x %: hàm lượng nước vật liệu Với mẫu khơ để nhiệt độ phịng có độ ẩm trung bình từ 10 – 15 % 3.2.3 Tính tan Với sản phẩm tổng hợp được, độ tan nước N- CMC thử 80 – 100 mg/ml H2O 3.2.4 Độ nhớt dung dịch N – CMC Các kết đo độ nhớt đưa bảng sau: Bảng Độ nhớt đặc trưng sản phẩm N – CMC Mẫu C (mg/ml) τ (s) τ0 (τ-τ0)/τ0.C [η] (ml/mg) N - CMC 1,0 99,45 0,8 78,94 1,28 0,6 63,10 1,03 0,4 50,86 0,76 0,2 42,98 0,51 Đinh Thị La – K30A – Hóa 39,00 1,55 0,25 35 Độ nhớt đặc trưng (ml/mg) Khóa luận tốt nghiệp y = 1.3x + 0.246 1.5 0.5 0 0.5 1.5 Nồng độ (mg/ml) Hình 3.2 Độ nhớt đặc trưng dung dịch N – CMC Kết trình bày bảng hình 3.2, suy độ nhớt dặc trưng dung dịch N – CMC Đó giao điểm đường thẳng với trục tung 3.2.5 Khảo sát cấu trúc N – CMC phổ NMR Để khảo sát tạo thành dẫn xuất N- CMC, tức chứng minh nhóm - CH2COOH (cacboxymetyl) nguyên tử hydro nhóm NH2 cách định tính, định lượng, chúng tơi tiến hành ghi phổ NMR dẫn xuất N - CMC tạo được, kết hợp với sử dụng kết phổ dẫn xuất NCMC tài liệu công bố [16] [17] 3.2.5.1 Phổ 13C – DEPT NMR Đinh Thị La – K30A – Hóa 36 Khóa luận tốt nghiệp Hình 3: Phổ 13C – DEPT – NMR N - CMC Đinh Thị La – K30A – Hóa 37 Khóa luận tốt nghiệp Trên phổ 13C – DEPT NMR sản phẩm N – CMC ( hình 3) tương ứng với tín hiệu – CH2 52,8 56,6; pic – CH2 quay ngược xuống phía điều chứng tỏ xảy phản ứng nhóm – CH2COOH vào vị trí C2(-NH2) chitosan để tạo thành sản phẩm N – CMC Để khảo sát tạo thành dẫn xuất mono di – N – CMC theo điều kiện phản ứng khác nhau, khảo sát phổ 1H – NMR sản phẩm 3.2.5.2 Phổ 1H – NMR Trên phổ 1H – NMR dẫn xuất N – CMC (hình 4), ngồi tín hiệu vịng glucozamin chúng tơi cịn thấy tín hiệu proton đặc trưng cho nhóm có mặt dẫn xuất Việc tạo thành dẫn xuất dạng mono hay di theo nghiên cứu qua tài liệu phụ thuộc vào tỉ lệ axit monocloaxetic chitosan, pH dung dịch phản ứng thời gian phản ứng Quan sát phổ 1H – NMR chúng tơi thấy phần lớn tín hiệu proton dẫn xuất bị chuyển dịch phía trường thấp so với phổ 1H – NMR chitosan Độ chuyển dịch hóa học phổ 1H – NMR proton mạch – CH2 – COOH thường – CH2 – ppm, – COOH – 12 ppm Trong phổ 1H – NMR dẫn xuất N–CMC, tín hiệu triplet – CH2 – COOH từ 3,74 – 3,99 ppm, tất tín hiệu proton từ H1 đến H6 chuyển dịch phía trường thấp so với tín hiệu tương ứng phân tử chitosan Điều giải thích sau: dẫn xuất tạo thành, nhóm – CH2 – COOH gắn vào vị trí N, mức độ che chắn proton vòng giảm hiệu ứng I- nhóm –CH2 – COOH (so với H) Do làm cho chúng cộng hưởng vùng trường thấp Hiện tượng dịch chuyển công bố nhiều cơng trình nghiên cứu dẫn xuất chitin, chitosan phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR Đinh Thị La – K30A – Hóa 38 Khóa luận tốt nghiệp Hình 4: Phổ 1H – NMR N - CMC Đinh Thị La – K30A – Hóa 39 Khóa luận tốt nghiệp Quan sát phổ 1H – NMR dẫn xuất N- CMC thấy rằng: ngồi tín hiệu phổ phân tử chitosan, cịn thấy xuất thêm tín hiệu nhóm - CH2 vào vị trí N với độ dịch chuyển hóa học khoảng từ 3,74 – 3,99 ppm Tín hiệu 2,96 – 2,98 ppm thuộc H2 chitosan hai lần (II), tín hiệu 3,09 – 3,14 ppm thuộc H2 chitosan lần(I) Đây tín hiệu triplet, rõ nét dẫn xuất lần dẫn xuất lần Tín hiệu cho thấy tỉ lệ dẫn xuất chênh lệch không đáng kể: dựa giá trị cường độ tích phân pic tính cách gần tỉ lệ dẫn xuất (I) (II) Như vậy, phản ứng ankyl hóa chitosan (DA = 28%) axit clomonoaxetic ta thu sản phẩm có mono di – N – CMC, dẫn xuất mono – N – CMC chiếm ưu Sản phẩm tan tốt nước Độ dịch chuyển hóa học tín hiệu trình bày bảng Bảng Độ chuyển dịch hóa học proton mẫu sản phẩm N – CMC (N1) (δ ppm) Mẫu N1 H1 4,93 – 5,23 H2 -CH3 H3 – H6 CH2(vị trí N) 2,50 4,11 – 4,39 3,74 – 3,99 2,96 – 2,98(II) 3,10 – 3,14(I) 3.2.5.3 Xác định độ trung bình phương pháp phổ NMR Về nguyên tắc, để định lượng phổ 1H – NMR cho kết có độ xác cao phổ 13C – NMR đồng vị 1H có tỉ lệ gần 100%, đồng vị nặng 13C chiếm 1,1% Tuy nhiên mẫu nghiên cứu polysacarit có độ nhớt lớn (η = 0,9) độ phân giải phổ NMR chưa thật rõ nét, Đinh Thị La – K30A – Hóa 40 Khóa luận tốt nghiệp tín hiệu phổ bị trải rộng nên giá trị tích phân cịn sai số, kết tính độ có tính chất tương đối Độ DS tính theo cơng thức sau: DS = Inhóm thế/ (IH1.Nnhóm ) Inhóm thế: Cướng độ tích phân tín hiệu nhóm IH1: Cường độ tích phân tín hiệu H1 Nnhóm thế: Số proton tín hiệu lựa chọn nhóm Từ giá trị tích phân phổ 1H – NMR ta thấy: Giá trị tích phân –CH2 phần 10,43; Giá trị tích phân H1 N- CMC 6,2; Giá trị tích phân tín hiệu H2 N- CMC lần 2,88; Giá trị tích phân tín hiệu H2 N- CMC hai lần 2,46 Tỷ lệ lần hai lần tính sau: M/D = 2,88 : 2,46 = 1,17 Vậy có phần trăm lần là: %M = 100% 1,17 : (1,17 + 1) = 0,539 Vậy có phần trăm hai lần là: %D = – 0,539 = 0,461 Như độ lần là: DSM = (10,43.0,539) : (6,2.4) = 0,453 Và độ hai lần là: DSD = (10,43.0,461) : (6,2.4) = 0,194 Độ tổng là: DS = 0,453 + 0,194 = 0,647 3.2.5.4 Xác định độ axetyl hóa phổ NMR Độ axetyl hóa tính theo cơng thức sau: DA = I CH 3.I HI Từ giá trị tích phân phổ 1H – NMR ta tính độ axetyl hóa N- CMC là: DA = 4,3/3.6,2 = 0,247 Đinh Thị La – K30A – Hóa 41 Khóa luận tốt nghiệp Như sản phẩm thu có DA thấp chitosan ban đầu (DA = 0,28), điều chứng tỏ q trình phản ứng có xảy q trình axetyl hóa Một số đặc trưng dung dịch chitosan dung dịch N – CMC trình bày bảng Bảng Bảng tổng kết đặc trưng dung dịch chitosan dung dịch N – CMC(N1) Thời gian Mẫu Nhiệt [η] (phút) độ(to) (ml/mg) 240 90 0,25 DS DSM DSD tổng Tính DA tan Tan N1 0,453 0,194 0,647 0,247 tốt Kết luận: so sánh với số phản ứng tạo N- CMC tác giả khác thấy rằng: - Phản ứng tạo N- CMC tác giả Muzzarelli: điều chế N- CMC từ chitosan axit glyoxylic với tác nhân hydro hóa NaBH4 phản ứng phải thực với tỉ lệ mol axit glyoxylic/một mắt xích chitosan 9/1 hiệu suất phản ứng đạt khoảng 15% tan nước,còn 85% gel - Phản ứng tạo N- CMC tác giả Phạm Lê Dũng (Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam): để điều chế dẫn xuất N- CMC tan 100% nước tỉ lệ mol axit glyoxylic/ mắt xích chitosan giảm cịn 2/1; 3/1; 4/1 có nhược điểm lớn phản ứng phức tạp phải thực qua hai giai đoạn: giai đoạn tạo imin giai đoạn khử hóa imin NaBH4 Đinh Thị La – K30A – Hóa 42 Khóa luận tốt nghiệp Ở tiến hành tổng hợp dẫn xuất N- CMC từ chitosan có DA thấp (DA = 28%) axit monocloaxetic Đây phương pháp đơn giản cho hiệu suất cao (H = 85%), độ sản phẩm đạt tới 64,7 % sau lần phản ứng (DS tính theo phổ 1H – NMR) Như vậy, phương pháp ankyl hoá tổng hợp N – CMC từ chitosan axit monocloaxetic đường thích hợp để có dẫn xuất tan 100% nước Do thời gian có hạn nên chúng tơi chưa khảo sát ảnh hưởng nồng độ dung dịch axit monocloaxetic đến trình tổng hợp dẫn xuất NCMC Hy vọng thời gian tới, có điều kiện chúng tơi tiếp tục nghiên cứu vấn đề cách cụ thể Đinh Thị La – K30A – Hóa 43 Khóa luận tốt nghiệp KẾT LUẬN Trong phạm vi đề tài này, làm số công việc sau: Đã tách chitin từ mai mực ống phương pháp dùng dung dịch HCl – 2% để loại bỏ muối khoáng dung dịch NaOH 35% để loại bỏ protein Quá trình tách chitin đạt hiệu suất 35% Đã tiến hành deaxetyl hóa chitin thành chitosan dung dịch NaOH 30%, to = 80 – 900C để thu chitosan có DA thấp (< 30%, kết tính theo phổ IR) Và khảo sát cấu trúc, tính chất chitosan qua phân tích phổ hồng ngoại IR Đã tổng hợp dẫn xuất N – CMC tan nước từ chitosan axit monocloaxetic theo phương pháp ankyl hóa, sản phẩm thu tan tốt nước Đây phương pháp đơn giản, rẻ tiền, dễ thực có hiệu suất cao (85%) tiến hành đo độ nhớt, tính hàm ẩm sản phẩm Khảo sát cấu trúc dẫn xuất N - CMC phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR, xác định phần tỉ lệ dẫn xuất mono di – N – CMC (tỉ lệ dẫn xuất chênh lệch khơng đáng kể, dẫn xuất mono – N – CMC chiếm ưu hơn), xác định độ sản phẩm DS (DSM = 0,453; DSD = 0,194; DS = 0,647), xác định độ axetyl hóa DA (DA = 0,247) Đinh Thị La – K30A – Hóa 44 ... lu? ?n tốt nghiệp Trong phạm vi lu? ?n v? ?n này, em ch? ?n đường nghi? ?n cứu tổng hợp khảo sát d? ?n xuất N – cacboxymetyl chitosan (N – CMC) từ chitosan axit monocloaxetic N – CMC quan tâm với nhiều ứng... lu? ?n tốt nghiệp Ở ti? ?n hành tổng hợp d? ?n xuất N – CMC tan tốt n? ?ớc mà q trình bi? ?n tính xảy C2 (-NH2), c? ?n ti? ?n hành ph? ?n ứng pH = 8–8,5 với xúc tác NaHCO3 ph? ?n ứng ti? ?n hành 900C 2.4.2 Tổng hợp. .. trúc N – CMC phổ NMR Để khảo sát tạo thành d? ?n xuất N- CMC, tức chứng minh nhóm - CH2COOH (cacboxymetyl) nguy? ?n tử hydro nhóm NH2 cách định tính, định lượng, chúng tơi ti? ?n hành ghi phổ NMR d? ?n xuất