Chương II – THỰC NGHIỆM 2.1 Nguyên liệu, hóa chất và dụng cụ thí nghiệm
3.2.5. Khảo sát cấu trúc của N–CMC bằng phổ NMR
Để khảo sát sự tạo thành dẫn xuất N- CMC, tức là chứng minh sự thế của nhóm thế - CH2COOH (cacboxymetyl) và nguyên tử hydro của nhóm NH2 một cách định tính, định lượng, chúng tôi đã tiến hành ghi phổ NMR của dẫn xuất N - CMC tạo được, kết hợp với sử dụng kết quả phổ của dẫn xuất N- CMC trong các tài liệu đã công bố [16] [17].
3.2.5.1. Phổ 13
Hình 3: Phổ 13
Trên phổ 13
C – DEPT NMR của sản phẩm N – CMC ( hình 3) tương ứng với tín hiệu – CH2 ở 52,8 và 56,6; các pic – CH2 đều quay ngược xuống phía dưới điều đó chứng tỏ đã xảy ra phản ứng thế các nhóm – CH2COOH vào vị trí C2(-NH2) của chitosan để tạo thành sản phẩm N – CMC.
Để khảo sát sự tạo thành dẫn xuất mono hoặc di – N – CMC theo các điều kiện phản ứng khác nhau, chúng tôi khảo sát phổ 1
H – NMR của sản phẩm.
3.2.5.2. Phổ 1
H – NMR
Trên phổ 1
H – NMR của dẫn xuất N – CMC (hình 4), ngoài các tín hiệu của vòng glucozamin chúng tôi còn thấy các tín hiệu của proton đặc trưng cho nhóm thế có mặt trong dẫn xuất. Việc tạo thành dẫn xuất dạng mono hay di theo nghiên cứu qua các tài liệu là phụ thuộc vào tỉ lệ giữa axit monocloaxetic và chitosan, pH của dung dịch phản ứng và thời gian phản ứng.
Quan sát phổ 1
H – NMR chúng tôi thấy phần lớn các tín hiệu của proton trong dẫn xuất bị chuyển dịch về phía trường thấp hơn so với phổ 1
H – NMR của chitosan. của chitosan.
Độ chuyển dịch hóa học trong phổ 1
H – NMR của các proton trong mạch – CH2 – COOH thường là – CH2 ở 3 – 4 ppm, – COOH ở 9 – 12 ppm. Trong phổ 1
H – NMR của dẫn xuất N–CMC, tín hiệu triplet của – CH2 – COOH từ 3,74 – 3,99 ppm, còn tất cả các tín hiệu của các proton từ H1 đến H6 đều chuyển dịch về phía trường thấp hơn so với các tín hiệu tương ứng trong phân tử chitosan. Điều đó có thể giải thích như sau: khi dẫn xuất được tạo thành, nhóm thế – CH2 – COOH được gắn vào vị trí N, mức độ che chắn của các proton trong vòng giảm đi do hiệu ứng I-
của nhóm thế –CH2 – COOH (so với H). Do vậy làm cho chúng cộng hưởng ở vùng trường thấp hơn. Hiện tượng dịch chuyển này cũng được công bố trong nhiều công trình nghiên cứu về các dẫn xuất của chitin, chitosan bằng phương pháp phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR
Quan sát phổ 1
H – NMR của dẫn xuất N- CMC còn thấy rằng: ngoài các tín hiệu phổ của phân tử chitosan, còn thấy xuất hiện thêm tín hiệu của nhóm thế - CH2 vào vị trí N với độ dịch chuyển hóa học trong khoảng từ 3,74 – 3,99 ppm. Tín hiệu ở 2,96 – 2,98 ppm là thuộc về H2 của chitosan thế hai lần (II), tín hiệu ở 3,09 – 3,14 ppm là thuộc về H2 của chitosan thế một lần(I). Đây là tín hiệu triplet, khá rõ nét ở cả dẫn xuất thế 1 lần và dẫn xuất thế 2 lần. Tín hiệu này cũng cho thấy tỉ lệ của 2 dẫn xuất chênh lệch nhau không đáng kể: dựa trên giá trị cường độ tích phân của 2 pic này có thể tính một cách gần đúng tỉ lệ giữa dẫn xuất (I) và (II). Như vậy, bằng phản ứng ankyl hóa giữa chitosan (DA = 28%) và axit clomonoaxetic ta đã thu được sản phẩm thế có cả mono và di – N – CMC, trong đó dẫn xuất mono – N – CMC chiếm ưu thế hơn. Sản phẩm này tan rất tốt trong nước. Độ dịch chuyển hóa học của các tín hiệu được trình bày trong bảng 8.
Bảng 8. Độ chuyển dịch hóa học của các proton trong mẫu sản phẩm N – CMC (N1) (δ ppm) Mẫu H1 H2 -CH3 H3 – H6 CH2(vị trí N) N1 4,93 – 5,23 2,96 – 2,98(II) 3,10 – 3,14(I) 2,50 4,11 – 4,39 3,74 – 3,99 3.2.5.3. Xác định độ thế trung bình bằng phương pháp phổ NMR Về nguyên tắc, để định lượng phổ 1 H – NMR cho kết quả có độ chính xác cao hơn phổ 13 C – NMR do đồng vị 1H có tỉ lệ gần 100%, trong khi đồng vị nặng 13C chỉ chiếm 1,1%. Tuy nhiên do mẫu nghiên cứu là một polysacarit có độ nhớt khá lớn (η = 0,9) do đó độ phân giải của phổ NMR còn chưa thật rõ nét,
các tín hiệu phổ bị trải rộng nên các giá trị tích phân còn sai số, vì vậy các kết quả tính độ thế ở đây có tính chất tương đối.
Độ thế DS được tính theo công thức sau:
DS = Inhóm thế/ (IH1.Nnhóm thế ) Inhóm thế: Cướng độ tích phân của tín hiệu nhóm thế IH1: Cường độ tích phân của tín hiệu H1
Nnhóm thế: Số proton của tín hiệu được lựa chọn trong nhóm thế Từ các giá trị tích phân trên phổ 1
H – NMR ta thấy: Giá trị tích phân của –CH2 trong phần thế là 10,43; Giá trị tích phân của H1 của N- CMC là 6,2;
Giá trị tích phân của tín hiệu của H2 của N- CMC thế một lần là 2,88; Giá trị tích phân của tín hiệu của H2 của N- CMC thế hai lần là 2,46. Tỷ lệ thế một lần và hai lần được tính như sau: M/D = 2,88 : 2,46 = 1,17. Vậy có phần trăm thế một lần là: %M = 100% . 1,17 : (1,17 + 1) = 0,539. Vậy có phần trăm thế hai lần là: %D = 1 – 0,539 = 0,461.
Như vậy độ thế một lần sẽ là: DSM = (10,43.0,539) : (6,2.4) = 0,453. Và độ thế hai lần là: DSD = (10,43.0,461) : (6,2.4) = 0,194.
Độ thế tổng sẽ là: DS = 0,453 + 0,194 = 0,647.
3.2.5.4. Xác định độ axetyl hóa bằng phổ NMR
Độ axetyl hóa được tính theo công thức sau: DA = HI CH I I . 3 3
Từ các giá trị tích phân trên phổ 1
H – NMR ta tính được độ axetyl hóa của N- CMC là:
Như vậy là sản phẩm thu được có DA thấp hơn chitosan ban đầu (DA = 0,28), điều đó chứng tỏ trong quá trình phản ứng có xảy ra quá trình axetyl hóa.
Một số các đặc trưng của dung dịch chitosan và dung dịch N – CMC được trình bày trong bảng 9.
Bảng 9. Bảng tổng kết các đặc trưng của dung dịch chitosan và dung dịch N – CMC(N1)
Mẫu Thời gian (phút) Nhiệt độ(to ) [η] (ml/mg) DSM DSD DS tổng DA Tính tan N1 240 90 0,25 0,453 0,194 0,647 0,247 Tan tốt
Kết luận: so sánh với một số phản ứng tạo N- CMC của các tác giả khác thấy rằng:
- Phản ứng tạo N- CMC của tác giả Muzzarelli: khi điều chế N- CMC từ chitosan và axit glyoxylic với tác nhân hydro hóa là NaBH4 thì phản ứng phải được thực hiện với tỉ lệ mol axit glyoxylic/một mắt xích chitosan là 9/1 nhưng hiệu suất phản ứng chỉ đạt khoảng 15% tan trong nước,còn 85% là gel.
- Phản ứng tạo N- CMC của tác giả Phạm Lê Dũng (Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam): để điều chế được dẫn xuất N- CMC tan 100% trong nước thì tỉ lệ mol axit glyoxylic/ một mắt xích chitosan có thể giảm còn 2/1; 3/1; 4/1 nhưng vẫn có nhược điểm lớn là phản ứng khá phức tạp phải được thực hiện qua hai giai đoạn: giai đoạn tạo imin và giai đoạn khử hóa imin bằng NaBH4.
Ở đây chúng tôi tiến hành tổng hợp dẫn xuất N- CMC từ chitosan có DA thấp (DA = 28%) và axit monocloaxetic. Đây là một phương pháp đơn giản cho hiệu suất cao (H = 85%), độ thế của sản phẩm đạt tới 64,7 % sau một lần phản ứng (DS được tính theo phổ 1
H – NMR).
Như vậy, phương pháp ankyl hoá tổng hợp N – CMC từ chitosan và axit monocloaxetic là con đường thích hợp nhất để có được dẫn xuất tan 100% trong nước.
Do thời gian có hạn nên chúng tôi chưa khảo sát được ảnh hưởng của nồng độ dung dịch axit monocloaxetic đến quá trình tổng hợp dẫn xuất N- CMC. Hy vọng rằng trong thời gian sắp tới, nếu có điều kiện chúng tôi sẽ tiếp tục nghiên cứu vấn đề này một cách cụ thể.
KẾT LUẬN
Trong phạm vi đề tài này, chúng tôi đã làm được một số công việc sau: 1. Đã tách được chitin từ mai mực ống bằng phương pháp dùng dung dịch HCl 1 – 2% để loại bỏ muối khoáng và dung dịch NaOH 35% để loại bỏ protein. Quá trình tách chitin đạt hiệu suất 35%.
2. Đã tiến hành deaxetyl hóa chitin thành chitosan bằng dung dịch NaOH 30%, to = 80 – 900C để thu được chitosan có DA thấp (< 30%, kết quả tính theo phổ IR). Và khảo sát cấu trúc, tính chất của chitosan qua phân tích phổ hồng ngoại IR
3. Đã tổng hợp được dẫn xuất N – CMC tan trong nước từ chitosan và axit monocloaxetic theo phương pháp ankyl hóa, sản phẩm thu được tan tốt trong nước. Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiền, dễ thực hiện và có hiệu suất cao (85%) và tiến hành đo độ nhớt, tính hàm ẩm của sản phẩm.
4. Khảo sát cấu trúc của dẫn xuất N - CMC bằng phổ cộng hưởng từ hạt nhân NMR, xác định phần tỉ lệ dẫn xuất mono và di – N – CMC (tỉ lệ của 2 dẫn xuất chênh lệch nhau không đáng kể, trong đó dẫn xuất mono – N – CMC chiếm ưu thế hơn), xác định độ thế của sản phẩm DS (DSM = 0,453; DSD = 0,194; DS = 0,647), xác định độ axetyl hóa DA (DA = 0,247).