新型絮凝材料-羧甲基殼聚糖的合成新工藝研究及其性能表征

新型絮凝材料——羧甲基殼聚糖的合成新工藝研究及其性能表征【摘要】目的采用新型的連續(xù)加堿法制備水溶性羧甲基殼聚糖，并對(duì)合成工藝進(jìn)行優(yōu)化。方法以殼聚糖、氯乙酸為原料，芐基三乙基氯化銨(TEBA)為催化劑，采用連續(xù)加堿法制備羧甲基殼聚糖，考察催化劑使用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間和投料比對(duì)羧甲基殼聚糖取代度(DS)和溶解性的影響。結(jié)果最佳反應(yīng)條件為:以6%的芐基三乙基氯化銨作催化劑，m(殼聚糖)：m(氯乙酸)為1∶5，反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間5h時(shí)，羧甲基殼聚糖的取代度和溶解率分別達(dá)到和%。結(jié)論本法制備的羧甲基殼聚糖具有優(yōu)越的水溶性能,是一種制備羧甲基殼聚糖的有效方法。

【關(guān)鍵詞】羧甲基殼聚糖；連續(xù)加堿法；絮凝劑；氯乙酸

Abstract：ObjectiveTopreparewatersolublecarboxymethylchitosanbyanewkindofcontinuousalkali-feedingmethod,andtooptimizeitssyntheticconditions.MethodsWithchitosanandchloroacetateasthereactantsandtriethyl-benzylammonium(TEBA)ascatalyst,carboxymethylchitosan(CMC)wassynthesizedbycontinuousalkali-feedingmethod.Theeffectsofcarboxymethylationconditionsonthedegreeofsubstitution(DS)andsolubilityofCMCwerestudied.ResultsTheoptimumconditionswereasfollows：6%triethylbenzylammonium(TEBA)ascatalyst,reactiontemperaturewas90℃,reactiontimewas5handwghtratioofchitosantochloroaceticacidwas1∶5,thesubstitution(DS)andtherateofsolubilityreachedand%,respectively.ConclusionTheproducthassuperiorwater-solubleproperty，andthecontinuousalkali-feedingmethodisforthesynthesizationofCMC.

Keywords：Carboxymethylchitosan(CMC)；Continuousalkali-feedingmethod；Flocculant；Chloroethanicacid

殼聚糖是自然界儲(chǔ)量極豐富的天然高分子多糖，殼聚糖具有優(yōu)良的生物相容性和生物可降解性，其分子中豐富的帶電基團(tuán)如氨基、羥基以及長(zhǎng)鏈分子結(jié)構(gòu)，可通過(guò)“吸附架橋”和“電中和”作用除去中藥原液中較大的懸浮顆粒,利用天然膠體保護(hù)作用使制劑澄清并較多地保留藥液中的成分，是一種優(yōu)良的中藥藥液絮凝劑［1,2］。但是由于殼聚糖只能溶解于酸和酸性水溶液中，在很大程度上限制了它在中藥藥液絮凝劑領(lǐng)域的。因此，對(duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)改性以提高其在水及有機(jī)溶劑中溶解性的研究，具有重要意義。羧甲基殼聚糖(CMC)是殼聚糖羧甲基化后的產(chǎn)物，由于它既保留了殼聚糖的優(yōu)點(diǎn)，又極大地改善了水溶性、絮凝性,更適合于中藥藥液絮凝劑的要求。

傳統(tǒng)的羧甲基殼聚糖制備方法，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，堿液濃度高，酸堿用量大，對(duì)污染嚴(yán)重［3］。因此，對(duì)CMC可控制備方法、影響取代度因素及相關(guān)規(guī)律的研究顯得非常重要。目前這方面的文獻(xiàn)報(bào)道較少，基于此，本文擬采用連續(xù)加堿法控制羧甲基殼聚糖制備過(guò)程中堿的用量，并對(duì)催化劑的用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及投料比等影響因素進(jìn)行系統(tǒng)的研究，以期為可控制備不同取代度CMC提供依據(jù)，找到適合中藥藥液絮凝的羧甲基殼聚糖的制備條件，為殼聚糖這一寶貴資源的在中藥藥液絮凝領(lǐng)域開(kāi)發(fā)利用提供技術(shù)支持。

1材料與儀器

殼聚糖(脫乙酰度大于90%，粘度50-80cps國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);TEBA(三乙基芐基氯化銨、化學(xué)純，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所)；氯乙酸；其它試劑均為分析純。PHS-29ApH計(jì)，上海精科；島津IR-440型紅外光譜儀；EDAX1900型光電子能譜儀，美國(guó)PHI公司。

2方法

羧甲基殼聚糖的制備取2g殼聚糖加到三口圓底燒瓶中,氯乙酸溶解在100ml水中,用堿液中和轉(zhuǎn)變成鈉鹽并略顯堿性,然后和TEBA一起加到燒瓶中攪拌,在給定溫度下反應(yīng)一定時(shí)間,在反應(yīng)過(guò)程中體系返酸時(shí),不斷滴加堿液,使溶液的pH值保持弱堿性。反應(yīng)結(jié)束后,向反應(yīng)混合物中加入100mlH2O,用冰乙酸調(diào)節(jié)溶液pH值約7,充分?jǐn)嚢?離心分離后,收集上層澄清液,邊攪拌邊加入約2倍量的無(wú)水乙醇進(jìn)行沉淀,待沉淀完全后,抽濾,濾渣用無(wú)水乙醇洗滌2次,除去產(chǎn)品表面上的水分,置60℃的烘箱內(nèi)真空干燥,得白色顆粒狀固體。

取代度的測(cè)定電位滴定法［4］。

溶解率的測(cè)定稱(chēng)取0g干燥至恒重的羧甲基殼聚糖于50ml的純水，攪拌15min，5000r/min下離心，未溶解的羧甲基殼聚糖60℃真空干燥10h，恒重，計(jì)算溶解率,觀察羧甲基殼聚糖的水溶性。

溶解率=溶于水的羧甲基殼聚糖質(zhì)量羧甲基殼聚糖產(chǎn)品質(zhì)量×100%

紅外光譜分析樣品60℃真空干燥至恒重后，采用溴化鉀壓片法在IR-440型紅外光譜儀上測(cè)試。

X射線(xiàn)衍射分析樣品60℃真空干燥至恒重，研磨，過(guò)320目篩后，在EDAX1900型光電子能譜儀上測(cè)試，測(cè)試條件：范圍4～40℃，掃描速度4°/min，CuKa輻射，管壓35Kv，管流35mA。

3結(jié)果與討論

投料比對(duì)殼聚糖羧甲基化的影響以6%的TEBA為催化劑，在85℃的條件下，反應(yīng)6h，考察殼聚糖與氯乙酸質(zhì)量比對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如1所示，從圖中可以看出,隨著投料比的增加,所得羧甲基殼聚糖的取代度與溶解率均先增大后減小。投料比為1∶5時(shí),所得產(chǎn)品質(zhì)量較好，其取代度可達(dá)到，溶解率達(dá)到%，因此取1∶5為最佳的反應(yīng)配比。殼聚糖的羧甲基化反應(yīng)主要包括兩種反應(yīng)：一是氯乙酸與堿的中和及水解反應(yīng)(副反應(yīng))；二是氯乙酸鈉與堿化殼聚糖的反應(yīng)。氯乙酸用量增加，發(fā)生羧甲基化反應(yīng)的幾率增加，導(dǎo)致DS上升，但當(dāng)氯乙酸含量增加時(shí)過(guò)量氯乙酸中和了部分NaOH，反應(yīng)介質(zhì)堿性減弱，不利于殼聚糖堿化，使其羥基鈉鹽活性中心減少，DS也隨之下降；當(dāng)氯乙酸用量過(guò)高時(shí)，反應(yīng)體系變?yōu)樗嵝裕燃谆磻?yīng)不能進(jìn)行。此外由于堿和氯乙酸間的中和反應(yīng)和水解反應(yīng)過(guò)程都要放熱，如果將NaOH一次加入，副反應(yīng)十分激烈，很難控制反應(yīng)溫度，而且氯乙酸利用率降低。為此采用連續(xù)加入NaOH的方法，可有效地提高反應(yīng)效率。

溫度對(duì)殼聚糖羧甲基化的影響以6%的TEBA為催化劑，投料為1∶5的條件下，反應(yīng)6h,考察溫度對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如2所示，從圖中可看出隨著溫度的增加,所得羧甲基殼聚糖的取代度與溶解率均先增大后減小。這說(shuō)明溫度升高,加快了殼聚糖的羧甲基化反應(yīng),取代度升高,當(dāng)溫度達(dá)到90℃后,取代度反而會(huì)降低。這是因?yàn)闇囟冗^(guò)高增加了氯乙酸鈉的水解副反應(yīng),降低了取代度;溫度的升高會(huì)使羧甲基殼聚糖分子鏈發(fā)生降解,產(chǎn)品顏色發(fā)黃。因此,最佳反應(yīng)溫度為90℃,所得產(chǎn)品取代度為，而溶解率為%。反應(yīng)溫度是制備高取代度羧甲基殼聚糖的一個(gè)很重要的因素，文獻(xiàn)［5～7］中制備羧甲基殼聚糖通常在30%～50%濃堿溶液中對(duì)殼聚糖進(jìn)行羧甲基化反應(yīng),由于堿濃度高,反應(yīng)溫度如果高于70℃,氯乙酸鈉和濃堿的水解反應(yīng)成為主反應(yīng),降低羧甲基化率。對(duì)于連續(xù)加堿法,由于氯乙酸鈉不易水解,可以在更高溫度下進(jìn)行羧甲基化,可大大促進(jìn)反應(yīng),因而能制備高取代度的羧甲基殼聚糖。

反應(yīng)時(shí)間對(duì)殼聚糖羧甲基化的影響以6%的TEBA為催化劑，在90℃，投料比為1∶5的條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)反應(yīng)的影響，結(jié)果如圖3所示，由圖中可看出隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng),取代度和溶解率均增加。在最初5h內(nèi),取代度有較大提高,反應(yīng)5h后,取代度增加幅度減小,變化平緩,表明羧甲基化反應(yīng)基本在5h內(nèi)完成;時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)增加副反應(yīng)，影響收率及質(zhì)量,因此反應(yīng)時(shí)間以5h較適宜,此時(shí)產(chǎn)品的取代度為，溶解率為%。

催化劑用量對(duì)殼聚糖羧甲基化的影響在投料比為1∶5，90℃的條件下,分別加入殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%，4%，5%，6%，7%的TEBA催化劑,反應(yīng)5h,考察催化劑用量對(duì)羧甲基反應(yīng)的影響,結(jié)果如圖4所示，由圖中可看出取代度和溶解率隨催化劑用量的增加先增加后降低,當(dāng)催化劑用量為殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的6%時(shí),產(chǎn)物的取代度最高。這主要是因?yàn)榇呋瘎┯昧枯^低時(shí)，相轉(zhuǎn)移催化劑的轉(zhuǎn)移能力有限，隨使用量的升高，轉(zhuǎn)移速率加快，增大了C1CH2COONa與反應(yīng)中心的有效碰撞幾率，加快了殼聚糖的羧甲基化反應(yīng)，使產(chǎn)物取代度DS較高，但催化劑量繼續(xù)增加，C1CH2COONa水解副反應(yīng)也會(huì)增強(qiáng)，故最適宜的催化劑用量為殼聚糖質(zhì)量分?jǐn)?shù)的6%,此時(shí)產(chǎn)品的取代度為，溶解率為%。

最優(yōu)條件下羧甲基殼聚糖的制備以芐基三乙基氯化銨(TEBA)作催化劑，催化劑使用量6%，反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間5h，m(殼聚糖)：m(氯乙酸)為1∶5時(shí)，相轉(zhuǎn)移法制備的羧甲基殼聚糖質(zhì)量較好，取代度和溶解率分別達(dá)到和%。

羧甲基殼聚糖的紅外光譜分析用KBr壓片法對(duì)羧甲基殼聚糖殼聚糖進(jìn)行紅外光譜測(cè)片,,具體譜圖見(jiàn)圖5，由圖中可以看出，1093cm-1處的-OH變形振動(dòng)峰和3444cm-1處的-OH收縮振動(dòng)峰的位移都沒(méi)有發(fā)生變化,但是峰強(qiáng)度在羧甲基化后明顯減弱；1657cm-1處的氨基N-H變形振動(dòng)峰的位移也沒(méi)有發(fā)生變化,強(qiáng)度變?nèi)?，但變化沒(méi)有-OH振動(dòng)峰明顯；這說(shuō)明了羧甲基化反應(yīng)羧甲基化反應(yīng)既發(fā)生在-OH上,也發(fā)生在-NH2，但主要發(fā)生在C6位的-OH。這主要是因?yàn)镃6位上羥基空間位阻較小，其活性比C2位的氨基活潑，氧的電負(fù)性又比氮大，因此，C6位的羥基親核性要比氨基強(qiáng)，C6位氧取代速度應(yīng)比C2位的氨取代速度快；Hayes［8］利用核磁證實(shí)羧甲基取代同時(shí)在羥基和氨基上進(jìn)行，部分實(shí)驗(yàn)取代度大于1也表明了這一點(diǎn)。

羧甲基殼聚糖的X射線(xiàn)衍射的測(cè)定殼聚糖及羧甲基殼聚糖的X-射線(xiàn)衍射光譜見(jiàn)圖6。圖中可以看出殼聚糖除了在20°附近有一衍射峰外，°處也有一明顯的衍射峰。但經(jīng)羧甲基化改性后，兩處峰明顯減弱甚至消失，說(shuō)明晶體結(jié)構(gòu)基本被破壞,幾乎成為無(wú)定型態(tài)。羧甲基殼聚糖能夠溶解于水,除了因?yàn)橐?CH2COONa親水基團(tuán)外,還因?yàn)槠淦茐牧藲ぞ厶堑木w結(jié)構(gòu)。

4結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)以TEBA為相轉(zhuǎn)移催化劑，采用連續(xù)加堿法，用氯乙酸對(duì)殼聚糖進(jìn)行化學(xué)改性,合成幾乎完全水溶的羧甲基殼聚糖。

通過(guò)對(duì)催化劑用量、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、投料比等影響因素的考察發(fā)現(xiàn)：以芐基三乙基氯化銨(TEBA)作催化劑，催化劑使用量6%，反應(yīng)溫度90℃，反應(yīng)時(shí)間5h，m(殼聚糖)：m(氯乙酸)為1∶5時(shí)，相轉(zhuǎn)移法制備的羧甲基殼聚糖質(zhì)量較好，取代度和溶解率分別達(dá)到%和%。

采用連續(xù)加堿法制備羧甲基殼聚糖，使得殼聚糖的水溶性得到了很大的改善，分次加入氯乙酸,可以有效地控制好反應(yīng)溫度,大大提高了氯乙酸利用率，優(yōu)化了工藝路線(xiàn),從而擴(kuò)大了其范圍,具有很好的工業(yè)前景。

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