Sử dụng hợp lý tiềm năng các hang động vào việc nuôi trồng nấm ăn và các sản phẩm công nghiệp sinh học khác

Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 47-52 Nghiên cứu ghép EDTA lên bề mặt nhựa Amberlite XAD-4 định hướng ứng dụng cho chiết pha rắn Phạm Quang Trung*, Nguyễn Minh Ngọc Khoa Hoá học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, 19 Lê Thánh Tông, Hà Nội, Việt Nam Nhận ngày 03 tháng năm 2016 Chỉnh sửa ngày 23 tháng năm 2016; Chấp nhận đăng ngày 01 tháng năm 2016 Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu q trình ghép ethylendiamintetraacetic axit (EDTA) biến tính lên nhựa Amberlite XAD-4 nhằm chế tạo vật liệu polyme hấp phụ định hướng xử lý tách cation kim loại nước thải phương pháp chiết pha rắn Phân tử EDTA biến tính gắn thêm nhóm COOH ghép lên bề mặt nhựa amin hoá để tạo thành liên kết amit Cấu trúc phân tử EDTA-COOH khẳng định phổ cộng hưởng từ hạt nhân proton cacbon (1H NMR, 13C NMR) Các bước ghép lên bề mặt nhựa nghiên cứu phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Từ khoá: Chiết pha rắn, EDTA, Amberlite XAD-4 Tổng quan* LLE) hạn chế sử dụng dung môi, giảm thời gian chiết qua làm giảm giá thành Hệ số làm giàu phương pháp SPE đạt tới 1000 lần, hữu ích phân tích lượng vết sử dụng kết hợp với phương pháp sắc ký lỏng hay quang phổ hấp thụ nguyên tử Hơn nữa, vật liệu hấp phụ SPE có độ chọn lọc cao có khả tạo phức bền vững với cation kim loại, cho phép bảo vệ tái sử dụng vật liệu hấp phụ sau rửa giải Trong kỹ thuật chiết pha rắn, phương pháp SPE chelat có độ chọn lọc cao với đối tượng phân tích khả làm giàu tốt (hệ số làm giàu đạt 104) [3] Kỹ thuật sử dụng vật liệu hấp phụ chứa nhóm chức có khả tạo phức với cation kim loại Ngồi u cầu kích thước lỗ xốp, vật liệu cịn phải có tính chất ưa nước, bền khoảng pH rộng Do đó, SPE chelat, vật Ngày nay, với phát triển công nghiệp nông nghiệp, tồn cation kim loại nước thải trở nên ngày phổ biến, gây nhiều vấn đề sức khoẻ môi trường, môi sinh Vấn đề xử lý tách, làm giàu xác định hàm lượng cation kim loại nước ngày trở nên cấp bách Trong số phương pháp dùng phương pháp chiết pha rắn (Solid Phase Extraction - SPE) có vai trị đáng kể Được bắt đầu phát triển từ năm 70, nguyên lý chiết pha rắn dựa việc chuyển chất cần tách từ pha lỏng (mẫu) sang pha rắn Pha rắn vật liệu hấp phụ dạng xốp chứa nhóm chức có lực với chất cần tách [1, 2] SPE khắc phục nhược điểm chiết pha lỏng (Liquid-Liquid Extraction - _ * Tác giả liên hệ ĐT.: 84-976707169 Email:trungpham781@hus.edu.vn 47 48 P.Q Trung, N.M Ngọc / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 47-52 liệu polyme hữu có ưu điểm trội so với vật liệu vô silic Một loại nhựa thường sử dụng kỹ thuật SPE chelat nhựa Amberlite XAD Đây polyme sở poly(styren-co-divinylbenzene) có ký hiệu PSco-DVB Loại nhựa tồn chủ yếu dạng bi nhỏ, có diện tích bề mặt riêng lớn Tuy nhiên, thân nhựa lại khơng có khả trao đổi ion mà cần phải ghép thêm nhóm chức có khả tạo phức cách chọn lọc [4] Trong nghiên cứu này, nhựa Amberlite XAD-4 lựa chọn có độ kết mạng thấp Các phân tử EDTA ghép lên nhựa để làm vật liệu hấp phụ chiết pha rắn chelat EDTA tạo phức bền theo tỷ lệ :1 với hầu hết cation kim loại Tuy nhiên, nhựa sau gắn nhóm EDTA tồn pha rắn nên nhận biết có mặt nhóm tạo phức phương pháp FTIR NMR pha rắn, nên để tối ưu hố q trình ghép, phản ứng ghép EDTA lên nhựa thực khảo sát trước hết quy mô phân tử nhỏ [5] Phân tử lựa chọn anilin có cấu trúc tương đồng với Amberlite XAD-4 amin hoá Phân tử EDTA có thêm nhóm – COOH tổng hợp sau cho phản ứng với anilin tạo liên kết amit Từ phản ứng mẫu này, EDTA-COOH ghép lên nhựa Amberlite XAD-4 amin hoá phản ứng tương tự anilin EDTA-COOH (hình 1) Hình Quá trình tổng hợp EDTA-COOH ghép lên nhựa Amberlite XAD-4 Phương pháp nghiên cứu Nhựa Amberlite XAD-4 hoá chất sử dụng cung cấp hãng Sigma-Aldrich Phổ 1H 13C NMR chụp thiết bị Bruker Avance 400 MHz dung môi DMSO CDCl3 với tetramethylsilan (TMS) chất chuẩn nội Phổ FTIR đo thiết bị Nicolet Impact 410, chế độ đo truyền qua phương pháp ép viên KBr 2.1 Tổng hợp axit butoxycarbonylmethyl)amino] (EDTA-COOH) 2,3-bis[di(tertpropionic Cho 46,2 mmol tert-butyl bromoacetate vào hỗn hợp 7,1 mmol axit 2,3-diaminopropionic hydrochloride 49,8 mmol ethyldiisopropylamine (DIPEA) 50 mL acetonitrile Hỗn hợp phản ứng đun hồi lưu 80°C 16h, sau lượng tertbutyl bromoacetate (7,1 mmol) DIPEA (7,1 mmol) thêm vào Hỗn hợp tiếp tục đun hồi lưu 32 h, sau để nguội nhiệt độ phịng Dung mơi cất loại máy cô quay Thêm vào 100 mL diethyl ether tiếp tục đun hồi lưu h, để nguội lọc Dịch lọc rửa chiết với dung dịch đệm phosphat 0,1 M pH = (3x40 mL), sau làm khơ MgSO4 khan Tiếp tục lọc cất loại dung môi máy cô quay Phần thu lại hoà tan tetrahydrofuran (60 mL) dung dịch LiOH M (7,1 mmol) Hỗn hợp khuấy 3h nhiệt độ phòng 3,6 mmol LiOH tiếp tục thêm vào P.Q Trung, N.M Ngọc / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 47-52 90°C Sau đó, chất rắn lọc rửa với 300 mL nước cất 100 mL ethanol Tiếp theo, nhựa khuấy với dung dịch NaHCO3 M 10 phút lọc rửa với 300 mL nước Cuối cùng, nhựa khuấy với dung dịch NaOH 0,2 M h lọc, rửa với 300 mL nước cất đem sấy chân không 24h khuấy 2h Sau kết thúc, axit acetic (0,63 mL, 11 mmol) thêm vào dung môi cất loại máy quay Sản phẩm hồ tan vào 30 ml chloroform chiết với dung dịch đệm phosphate 0,1 M pH = (3x40 mL) Pha hữu làm khô với MgSO4 khan dung môi cất loại Sản phẩm tinh chế qua cột sắc ký silicagel với pha động hỗn hợp chloroform/methanol (10:1) Sản phẩm thu có dạng lỏng nhớt, màu vàng Hiệu suất phản ứng đạt 20% 2.4 Phản ứng ghép EDTA lên nhựa XAD-4 Phản ứng ghép EDTA lên XAD-4 thực tương tự phản ứng cộng với anilin Hoà tan 100 mmol EDTA-COOH 100 mmol 1-hydroxybenzotriazole hydrate (HOBt.H2O) hỗn hợp gồm mL dichloromethane 1,5 mL dimethylformamide (DMF) Thêm vào hỗn hợp 100 mmol dicyclohexylcarbodiimide (DCC, dung dịch M dichloromethane) 5°C Khuấy hỗn hợp phản ứng 5°C h 20°C h, sau đem lọc Cất loại dung môi máy cô quay hoà tan lại mL dichloromethane mL DMF Thêm g XAD-4 amin hoá mmol DIPEA khuấy hỗn hợp 20°C 24 h Sau phản ứng kết thúc, lọc lấy XAD-4 rửa với 300 mL nước cất 100 mL methanol 2.2 Phản ứng EDTA-COOH anilin Hoà tan 100 mmol EDTA-COOH 100 mmol 1-hydroxybenzotriazole hydrate (HOBt.H2O) hỗn hợp gồm mL dichloromethane 1,5 mL dimethylformamide (DMF) Thêm vào hỗn hợp 100 mmol dicyclohexylcarbodiimide (DCC, dung dịch M dichloromethane) 5°C Khuấy hỗn hợp phản ứng 5°C h 20°C h, sau đem lọc Cất loại dung mơi máy quay hồ tan lại mL dichloromethane mL DMF Thêm vào hỗn hợp 120 mmol anilin mmol DIPEA khuấy hỗn hợp 20°C 24 h Sau phản ứng kết thúc, dung môi cất loại sản phẩm hoà tan 10 mL ethyl acetate chiết với dung dịch đệm phosphate 0,1 M pH = (3x5 mL) Pha hữu làm khô với MgSO4 khan dung môi cất loại máy cô quay Kết thảo luận 3.1 Tổng hợp axit butoxycarbonylmethyl)amino] (EDTA-COOH) 2.3 Phản ứng khử nhóm nitro thành amit Nhựa XAD-4 nitro hoá theo quy trình trình bày [4] Cho vào bình phản ứng g XAD-4 nitro hoá, 42,2 mmol SnCl2, mL axit HCl đặc 10 mL cồn tuyệt đối Khuấy hỗn hợp 18 h O2C N + Br H 2N CO2H H2 C CO2 t-Bu 2,3-bis[di(tertpropionic Axit EDTA-COOH tổng hợp từ tertbutylbromoacetate 2,3-diaminnopropionic monohydrochloric 80°C sau phản ứng với LiOH nhiệt độ thường theo sơ đồ sau t-Bu ClH3N 49 DIPEA t-Bu Acetonitrile t-Bu 80°C O2C O2C t-Bu O2C LiOH THF O N C O CO2t-Bu 20°C 24 h t-Bu O2C N t-Bu O2C t-Bu O2C N t-Bu O2C COOH 50 P.Q Trung, N.M Ngọc / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 47-52 Kết phổ 1H NMR 13C NMR cho thấy pic đặc trưng nhóm tert-butyl (xuất 1,46 ppm phổ 1H 81,8 ppm phổ 13C), nhóm -CH2-N- (ở 3,15 ppm phổ 1H 54,8 ppm phổ 13C), nhóm -CH-N- (ở 3,73 ppm 1H 63,1 ppm 13C) Ngồi ra, kết cịn cho thấy pic đặc trưng nhóm -CH2- (COO)- (xuất 56,6 ppm 54,7 ppm 13C) ba nhóm carboxyl khác (xuất 170,0 ppm, 171,4 ppm 173,2 ppm 13 C) Các giá trị tích phân phổ NMR proton cho phép khẳng định có nhóm este tert-butyl bị thuỷ phân thành axit [5] Hình Phổ 1H NMR (trái) 13C NMR (phải) EDTA-COOH 3.2 Phản ứng EDTA-COOH với anilin Phản ứng EDTA-COOH với anilin thực với có mặt DCC, HOBt DIPEA hỗn hợp dung môi gồm DMF dichloromethane Đầu tiên, axit EDTACOOH phản ứng với DCC HOBt tạo thành este hoạt động Este tiếp tục phản ứng với anilin tạo thành sản phẩm amit Hình Phổ 1H NMR (trái) 13C NMR (phải) sản phẩm cộng EDTA-COOH anilin P.Q Trung, N.M Ngọc / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 47-52 51 Kết phổ NMR (dung mơi CDCl3) cho thấy tất nhóm tert-butyl giữ nguyên Các pic đặc trưng vòng thơm (xuất 7,67 ppm, 7,29 ppm, 7,06 ppm phổ H 138,1 ppm, 118,8 ppm, 128,1 ppm, 122,8 ppm phổ 13C), so sánh với phổ anilin, nhiều bị chuyển dịch Ngồi ra, tín hiệu đặc trưng nhóm NH2 3,67 ppm khơng cịn nữa, thay vào pic 10,53 ppm đặc trưng proton nhóm –CO-NH- Điều cho phép khẳng định sản phẩm phản ứng EDTA-COOH anilin Kết khảo sát FTIR cho thấy nhựa XAD-4 sau nitro hoá, phổ xuất băng sóng đặc trưng nhóm NO2 nối với vòng thơm 1524 1344 cm-1 Sau khử nhóm nitro, băng sóng nhóm NO2 khơng cịn xuất hiện, thay vào băng sóng đặc trưng nhóm amin 1623 cm-1 cho phép khẳng định hình thành nhóm NH2 vịng thơm nhựa XAD-4 3.3 Ghép EDTA-COOH lên nhựa XAD-4 liên kết amit Trước ghép EDTA-COOH, nhựa XAD4 phải amin hố Q trình amin hố trải qua hai giai đoạn gồm: nitro hố khử nhóm nitro thành amin [5] Hình Phổ hồng ngoại nhựa Amberlite XAD-4 Trái - XAD-4 trước sau khử nhóm nitro Phải - XAD-4 trước sau ghép EDTA Quá trình ghép EDTA-COOH diễn điều kiện với phản ứng với anilin Kết phân tích phổ FTIR cho thấy sau ghép có xuất thêm băng sóng 1730 cm-1 đặc trưng cho nhóm este 1147 cm-1 đặc trưng nhóm tert-butyl Kết bước đầu cho thấy ghép thành công phân tử EDTA lên nhựa XAD-4 Kết luận Phân tử EDTA có thêm nhóm -COOH vị trí cacbon nhóm –N-(CH2)2-N- tổng hợp thành công Cấu trúc phân tử khẳng định phổ cộng hưởng từ hạt nhân H 13C Phân tử EDTA-COOH phản ứng tốt với anilin, làm tiền đề cho việc ghép lên bề mặt nhựa XAD-4 amin hố Q trình ghép thành 52 P.Q Trung, N.M Ngọc / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 47-52 công EDTA lên XAD-4 khẳng định thông qua phổ hồng ngoại Lời cảm ơn Nghiên cứu nhận hỗ trợ tài từ trường Đại học Quốc gia Hà Nội khuôn khổ đề tài mã số QG.14.17 Tài liệu tham khảo [1] Valérie Camel (2003), “Review: Solid phase extraction of trace elements”, Spectrochimica Acta Part B 58, pp 1177-1233 [2] C W Huck, G K Bonn (2000), “Review: Recent developments in polymer-based sorbents for solid phase extraction”, Journal of Chromatography A 885, pp 51-72 [3] B S Garg, R K Sharma, N Bhojak and S Mittal (1999), “Chelating Resins and Their Applications in the Analysis of Trace Metal Ions”, Microchemical Journal 61, pp 94-114 [4] Sabrina Boussetta (2004), “Greffage de résine et membrane polymers par des agents chélatants: Applicaiton l’extraction en phase solide de cations métalliques”, Thesis, presented at University of Toulon [5] Andrei Leonov, Brigitte Voigt, Fernando Rodriguez-Castaneda, Peyman Sakhaii and Christian Griesinger (2005), “Convenient Synthesis of Multifunctional EDTA-Based Chiral Metal Chelates Substituted with an SMesylcysteine”, Chemical European Journal 11, pp 3342-3348 Grafting of EDTA on Amberlite XAD-4 Resin for Solid Phase Extraction Pham Quang Trung, Nguyen Minh Ngoc Faculty of Chemistry, VNU University of Science, 19 Le Thanh Tong, Hoan Kiem, Hanoi, Vietnam Abstract: The solid-phase extraction (SPE) is an efficient technique for decontamination and elimination of metal cations in the polluted water The objective of this work is to develop a resin allowing the decontamination of polluted water by SPE metal cations procedure For that, we realised a covalent grafting on a commercial poly(styrene-co-divinylbenzene) resin named XAD-4, of an organic chelating agent, the ethylenediamintetraacetic acid (EDTA) Firstly, the EDTA molecule with an additional carboxylic acid group on the carbon atom of -N-(CH2)-N- group was synthesised, Then, the obtained EDTA-COOH was grafted on a XAD resin previously functioned by a -NH2 group The NMR spectroscopy has been used to characterise the molecular synthesis procedure and the grafting procedure on the resin has been validated by FTIR spectroscopy Keywords: Solid-phase extraction, metal cations, polluted water, graft polymer  ... thêm vào dung môi cất loại máy cô quay Sản phẩm hoà tan vào 30 ml chloroform chiết với dung dịch đệm phosphate 0,1 M pH = (3x40 mL) Pha hữu làm khô với MgSO4 khan dung môi cất loại Sản phẩm tinh... mL) dung dịch LiOH M (7,1 mmol) Hỗn hợp khuấy 3h nhiệt độ phòng 3,6 mmol LiOH tiếp tục thêm vào P.Q Trung, N.M Ngọc / Tạp chí Khoa học ĐHQGHN: Khoa học Tự nhiên Công nghệ, Tập 32, Số (2016) 47-52... hồ tan lại mL dichloromethane mL DMF Thêm vào hỗn hợp 120 mmol anilin mmol DIPEA khuấy hỗn hợp 20°C 24 h Sau phản ứng kết thúc, dung môi cất loại sản phẩm hoà tan 10 mL ethyl acetate chiết với