新型席夫堿基杯[4]芳烴-殼聚糖衍生物的合成及其對(duì)金屬離子的吸附性能*

謝劍偉, 楊發(fā)福, 陳 文, 洪碧瓊

(福建師范大學(xué) 化學(xué)與材料學(xué)院,福建 福州 350007)

殼聚糖(1)對(duì)金屬離子有較強(qiáng)的吸附和螯合作用[1～4]，引起廣大化學(xué)工作者的重視和研究。但由于1對(duì)離子的選擇吸附能力較差，加上自身緊密的晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致1不溶于普通溶劑[5]，極大地限制了其應(yīng)用范圍。通過對(duì)1進(jìn)行化學(xué)改性，可以改善溶解性能和離子吸附性能。如張燦等[6]合成了水溶性的6-O-琥珀酰-N-半乳糖化殼聚糖衍生物，Jocilene等[7]將氧化鈮固載在1上來光催化降解靛藍(lán)染料。在已合成出的殼聚糖衍生物中，用超分子化合物進(jìn)行化學(xué)修飾的研究報(bào)道較少，楊發(fā)福和唐星華等[4，8]分別合成了環(huán)氧橋聯(lián)的杯芳烴改性殼聚糖，并發(fā)現(xiàn)它們有較好的離子吸附性能。

本文交替利用微波、超聲技術(shù)使杯[4]芳烴-1,3-二醛衍生物(3)與預(yù)處理的1發(fā)生縮合反應(yīng)，合成了一種新型的席夫堿基杯[4]芳烴-殼聚糖衍生物(4, Scheme 1),其結(jié)構(gòu)經(jīng)IR和SEM表征。研究了4對(duì)金屬離子的吸附性能。

Scheme1

1 實(shí)驗(yàn)部分

1．1 儀器與試劑

Varian Cary 50型紫外光譜儀(UV);Avatar 360 FT-IR型紅外光譜儀(KBr壓片);JSM-7500F型冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM); WBFY-201型微波反應(yīng)器;KQ218型超聲波清洗器。

1，脫乙酰度83%，工業(yè)品；碳酸鉀，500 ℃高溫干燥備用；對(duì)叔丁基杯[4]芳烴(2, Chart 1)按文獻(xiàn)[4]方法自制；其余所用試劑均為分析純。

Chart 1

1.2 合成

(1) 3的合成[9]

氮?dú)獗Ｗo(hù)，在三口瓶中依次加入乙腈50 mL,21.30 g(2 mmol),對(duì)甲苯磺酸酯基乙氧基對(duì)苯甲醛1.28 g(4 mmol)和碳酸鉀1.10 g(8 mmol)，攪拌下回流反應(yīng)48 h(TLC跟蹤)。減壓蒸除溶劑，殘余物加10%鹽酸40 mL溶解,用氯仿(40 mL)萃取，有機(jī)層用5%碳酸氫鈉溶液(2×10 mL)洗滌，無水硫酸鎂干燥，濃縮至3 mL～4 mL，冷卻后加入甲醇(25 mL)析晶，過濾，濾餅用適量氯仿和甲醇重結(jié)晶，干燥得白色粉末3，產(chǎn)率78%，表征數(shù)據(jù)與文獻(xiàn)[9]值一致。

(2)1的預(yù)處理

在燒杯中加入11.00 g， 5%乙酸25 mL，攪拌使其溶解，滴加0.5 mol·L-1NaOH溶液至pH 7(生成透明膠狀體),過濾，攪碎，用足量的蒸餾水洗去殘余的NaOH，于60 ℃真空干燥得淡黃色塊狀物。充分碾碎用于吸附實(shí)驗(yàn)。

另取10.50 g按同樣的方法處理制得淡黃色塊狀物，加混合溶劑[V(DMF) ∶V(H2O)=4 ∶1]50 mL，劇烈攪拌過夜制得1的DMF溶液。

(3)4的合成

在圓底燒瓶中加入1的DMF溶液和31.0 g(醛基和殼聚糖氨基的摩爾比約為1 ∶1)，攪拌下于70 ℃反應(yīng)30 min。移至微波反應(yīng)器內(nèi)，于30 W反應(yīng)20 min;移至超聲波儀上進(jìn)行超聲溶解。交替重復(fù)微波、超聲，直至TLC點(diǎn)板檢測(cè)原料點(diǎn)消失。減壓蒸除溶劑，殘余物依次用適量蒸餾水洗滌3次，少量丙酮洗滌2次，于60 ℃真空干燥得棕紅色塊狀物41.2 g。碾細(xì)用于吸附試驗(yàn)。

1.3 吸附性能測(cè)定[10]

配制金屬離子溶液c(M)=5×10-5mol·L-1。在反應(yīng)瓶中加入金屬離子溶液2.0 mL和42 mg,于30 ℃恒溫?cái)嚢? h，過濾，濾液用UV測(cè)定苦味酸離子濃度來推算經(jīng)4吸附后溶液的金屬離子濃度[c(M)t]，按下式計(jì)算吸附率(E)。

2 結(jié)果與討論

2.1 4的合成與表征

杯芳烴衍生物一般易溶于有機(jī)溶劑，1的溶解度較低。本實(shí)驗(yàn)通過預(yù)處理將1充分溶解在DMF/H2O混合溶劑中，再加入3，利用1的氨基能與醛基較方便生成席夫堿基的特點(diǎn)將3接枝在1上。由于反應(yīng)體系中原料溶解性較差，通過交替使用微波、超聲技術(shù)使其充分溶解并反應(yīng)，成功地合成了4。

圖1是1,3和4的IR譜圖。由圖1可見，與1相比，3在788 cm-1, 1 494 cm-1, 2 971 cm-1處出現(xiàn)了杯芳烴中苯環(huán)、亞甲基、甲基的吸收峰。1 624 cm-1為苯環(huán)中C=C基團(tuán)的伸縮振動(dòng)，說明3與1發(fā)生了作用。與1和3相比，4在1 691 cm-1醛基的吸收峰明顯減弱，在3 440 cm-1的氨基的峰值減弱，說明3中的醛基已經(jīng)與1中的氨基發(fā)生了反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成了席夫堿基。由此可以推測(cè)4的基本結(jié)構(gòu)與Scheme 1預(yù)期吻合。

ν/cm-1

圖2是4的SEM照片。文獻(xiàn)[1～3]報(bào)道1由于氫鍵作用呈現(xiàn)塊狀、團(tuán)狀。由圖2可以看出，4的形貌堆積松散無序，呈云狀且有腔體結(jié)構(gòu)，比表面較大，這說明由于杯[4]芳烴進(jìn)入1使其糖單元之間氫鍵強(qiáng)度迅速下降，形成疏松結(jié)構(gòu)，進(jìn)而提高了4的比表面積，這對(duì)吸附金屬離子是非常有利的。

圖2 4的SEM照片

2.2 4的吸附性能

氮原子是軟堿原子，根據(jù)“軟硬酸堿理論”，含有氮原子的化合物應(yīng)對(duì)邊界金屬子有好的配合性能。氧原子是硬堿原子，含氧冠醚可以配合硬酸金屬離子。4不僅含有冠醚鏈、席夫堿基，同時(shí)這些基團(tuán)存在于一個(gè)杯芳烴骨架單元上，通過它們與殼聚糖的協(xié)同作用，應(yīng)該具有高效的識(shí)別能力。為此，測(cè)定了4對(duì)一系列金屬陽離子(K+, Na+, Ag+, Cd2+, Hg2+, Ni2+, Cu2+, Zn2+)的吸附性能，結(jié)果如圖3所示。從圖3可以看出，4對(duì)軟、硬金屬離子均有吸附能力，與其結(jié)構(gòu)特征對(duì)應(yīng)。與1相比，4對(duì)軟金屬離子(Ni2+, Cd2+)表現(xiàn)出高選擇性吸附。對(duì)其它軟金屬離也有較好的吸附能力，這歸于4的氨基、席夫堿基這些含有N原子的軟配位基團(tuán)在與軟堿金屬離子的配合中起了重要作用。但由于4殼聚糖的部分氨基轉(zhuǎn)變?yōu)橄驂A基，所以親核能力有所下降，對(duì)另一些軟金屬離子(Ag+, Hg2+)的吸附能力也有所下降。此外，4含有冠醚鏈對(duì)硬金屬離子也有一定的吸附能力。4對(duì)Na+的吸附能力與K+相比下降了很多，很大程度上是由于含氮冠醚鏈與杯芳烴形成了孔徑較大的三維空腔，其大小與Na+不匹配所致。

圖3 4對(duì)金屬離子的吸附性能

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