超聲強化苯甲醛接枝殼聚糖的縮合反應

段麗紅， 吳正治， 郭祀遠， 陳利國

(1.暨南大學 第二臨床醫(yī)學院， 廣東 深圳 518020； 2.華南理工大學 輕工與食品學院， 廣東 廣州 510641； 3.暨南大學 醫(yī)學院， 廣東 廣州 510632)

0 引言

殼聚糖(CS)對過渡金屬離子具有良好的吸附性能.但它是堿性多糖，在酸性環(huán)境中會因分子中的-NH2被質子化形成-NH3+而溶于水造成流失.另外在吸附過程中因-NH2并未全部參與與金屬子的配位而使CS吸附能力受到限制，不利于再生利用，從而限制了它的廣泛使用.因此，對殼聚糖要進行改性研究.殼聚糖分子中的氨基可與醛、酮反應生成亞胺(希夫堿)[1]，該類希夫堿具有優(yōu)良的金屬離子螯合能力[2-6]，如Manuel等研究發(fā)現(xiàn)乙酰丙酮殼聚糖希夫堿對Cu2+、Co3+有特殊的螫合能力[7].但采用傳統(tǒng)方法，反應時間長，縮合率不高.近年來，超聲波技術在有機合成中的應用得到了迅速的發(fā)展[8-12].超聲波技術不僅可以改善反應條件，加快反應速度和提高反應產(chǎn)率，使某些難以進行的化學反應得以實現(xiàn)，尤其對非均相反應有明顯的促進作用.本研究采用超聲波輻射技術，選擇苯甲醛作為改性劑，與殼聚糖進行希夫堿生成反應，生成苯甲醛接枝殼聚糖(SB-1)，以制備吸附性能更加優(yōu)良的重金屬離子吸附劑.并與傳統(tǒng)加熱法進行對比，運用正交實驗法考察了影響縮合率的多種因素，獲得了比較滿意的結果.

1 實驗部分

1.1 實驗材料與設備

殼聚糖，廣東省潮州市快特新生化食品實業(yè)有限公司；苯甲醛，廣州市東紅化工廠；冰醋酸，廣州市東紅化工廠；無水乙醇，天津市紅巖化學試劑廠；乙醚，廣州市東紅化工廠；所有試劑均為分析純.

KQ5200型數(shù)控超聲清洗器，昆山市超聲儀器有限公司；HH-S型數(shù)顯恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市醫(yī)療器械廠；79-1型磁力加熱攪拌器，金壇市富華儀器有限公司； SpectrumLab 22PC型分析天平，上海Unico公司；PHS-3C型精密pH計，上海精密科學儀器有限公司；NicoLet Avator 360型紅外光譜儀，德國bruke 公司；D/max-Ш A型全自動X射線衍射儀，日本理學公司.

1.2 反應原理

殼聚糖是(1，4)-2-氨基-2-脫氧-β-D-葡聚糖，屬于直鏈天然高分子聚合物，分子中含大量氨基和羥基，在中性或酸性條件下可與芳香醛反應生成希夫堿.

縮合率P(%)按下式計算：

(1)

其中：m1— 殼聚糖的質量，g；m2—產(chǎn)物希夫堿的質量，g；M1—殼聚糖單體的分子量，161 g·mol-1；M2—縮合產(chǎn)物的分子量，g·mol-1.

1.2.1 傳統(tǒng)方法

稱取0.644 g殼聚糖加入到20 mL 3%冰醋酸溶脹30 min，之后轉移至平底燒瓶中，加20 mL無水乙醇稀釋、攪拌，于恒壓滴液漏斗中緩慢滴加7倍殼聚糖物質的量的苯甲醛(溶于20 mL無水乙醇)，在70 ℃下反應4 h后，調節(jié)溶液pH到5.0，抽濾，分別用20 mL乙醇、乙醚洗滌，恒溫干燥后得到粗產(chǎn)物淡黃色固體.用95%的乙醇反復回流萃取，以除去過量苯甲醛以及縮合產(chǎn)物希夫堿所吸附的苯甲醛，將產(chǎn)品干燥至恒重，得產(chǎn)物希夫堿.

1.2.2 超聲波輔助

殼聚糖在3%冰醋酸中溶脹和無水乙醇中稀釋好后，置于超聲場中，攪拌，緩慢滴加苯甲醛無水乙醇溶液，一定溫度下反應一段時間后，調節(jié)pH值，抽濾，之后的步驟同傳統(tǒng)方法一樣.

2 結果與討論

2.1 結構表征

2.1.1 紅外光譜圖分析

如圖1所示：CS的紅外譜圖上，主要的峰有1 655.9 cm-1處的C=O的峰和1 602.8 cm-1處N-H的峰；而SB-1的紅外譜圖上，共軛體系的C=N對稱伸縮振動出現(xiàn)在1 643.65 cm-1；單取代苯在705.29 cm-1和758.34 cm-1處有一對銳峰，這說明苯甲醛已接枝到殼聚糖中得到產(chǎn)物為苯甲醛希夫堿.

圖1 殼聚糖及其希夫堿的紅外譜圖

2.1.2 XRD分析

圖2 殼聚糖及其希夫堿的X射線衍射譜圖

圖2所示的是殼聚糖及其衍生化后所得希夫堿的X射線衍射譜圖.如圖2所示，殼聚糖具有很強的結晶性，在10 °和20 °左右都有很強的衍射峰.因為殼聚糖分子中有大量的-OH和-NH2存在，它們所形成的氫鍵提高了分子結構的規(guī)整性.衍生化后的產(chǎn)物SB-1在10 °左右的衍射峰明顯減弱幾乎消失，且20 °左右的衍射峰變寬且強度也減弱了很多，說明非晶漫散射峰較弱，樣品結晶度顯著下降.

2.2 超聲場對殼聚糖與苯甲醛縮合反應的影響

采用實驗方法中陳述的傳統(tǒng)方法制備，縮合率為73.96%.

超聲場作用下的接枝反應除了反應溫度，溶液pH值和反應配比(n苯甲醛∶n殼聚糖)會對反應效率影響外，超聲場強度以及超聲處理的時間也影響反應.因此下面將討論這些因素對苯甲醛接枝殼聚糖反應的影響：

2.2.1 超聲功率的影響

圖3為不同超聲功率下所得的縮合率.由圖可知，在超聲處理4 h，反應溫度為70 ℃，n苯甲醛∶n殼聚糖為4，溶液pH值為4的實驗條件下，隨著超聲功率由40 W增加到180 W的過程中，反應的縮合率由68.76%上升到了89.57%，呈遞增趨勢.這可能是超聲功率越大，其熱效應和空化效應越強，縮合反應的效率也就越高.

圖3 超聲功率對反應的影響

2.2.2 超聲處理時間的影響

圖4 超聲處理時間對縮合率的影響

圖4所列的是不同超聲處理時間下所合成的希夫堿的縮合率.由圖可知，在超聲功率為180 W，反應溫度為70 ℃，n苯甲醛∶n殼聚糖為4，溶液pH值為4，超聲處理時間為2～6 h的實驗條件下，縮合率隨著超聲處理時間的增加而升高，在超聲處理時間為2～4 h的時間段里，縮合率數(shù)值上升的幅度較大，由70.70%增加到了89.57%，而在之后的2 h內僅增加了0.39%，這表明處理4 h后反應已經(jīng)幾乎完全進行了，之后再增加時間所起的作用也不是很大.

2.2.3 反應溫度的影響

反應溫度對縮合率的影響如圖5所示，該實驗條件如下:超聲功率為180 W，超聲處理時間4 h，n苯甲醛∶n殼聚糖為4，溶液pH值為4.在溫度升高到70 ℃之前，縮合率先隨著反應溫度的增高而增高，但可以看出溫度對反應的影響不是很大，縮合率增加的幅度較小，由80.00 %增加到89.57 %，高于70 ℃后縮合率幾乎不再上升.

圖5 反應溫度對縮合率的影響

2.2.4 溶液pH值的影響

圖6是pH值對縮合率的影響關系.由圖可見，在超聲功率為180 W，超聲處理時間4 h，反應溫度為70 ℃，n苯甲醛∶n殼聚糖為4，溶液pH為2～6時，縮合率隨著溶液pH值的變化趨勢較顯著，增減幅度較大.縮合率先隨著溶液pH值的增大而增大，當溶液pH值達到4時縮合率最高值為89.57%，pH大于4后縮合率呈下降趨勢.這可能是由于太酸的環(huán)境下被降解的殼聚糖的比例增大，而酸性太弱又會導致殼聚糖溶解的不充分，與醛的反應幾率下降.

圖6 溶液pH值對縮合率的影響

2.2.5n苯甲醛∶n殼聚糖的影響

由圖7所示的n苯甲醛∶n殼聚糖對縮合率的影響可知，超聲場作用下(超聲功率為180 W，超聲處理時間為4 h，反應溫度為70 ℃，溶液pH為4)苯甲醛和殼聚糖的配比對縮合率幾乎沒有影響.由圖可以看出，反應物配比增加了4倍的情況下，縮合率僅增加了3.29%，特別是當苯甲醛的量達到殼聚糖6倍之后，縮合率幾乎沒有增加.由此可以考慮正交優(yōu)化是不考察反應物配比這個因素，根據(jù)最好的反應效率情況，選定反應物配比為6.

圖7 n苯甲醛∶n殼聚糖對縮合率的影響

2.2.6 正交優(yōu)化實驗

由以上的實驗考察可得表1的因素水平表，選定反應物配比為6，按照這些表對反應條件進行正交優(yōu)化的結果如表2所示.

表1 因素-水平表

表2 正交試驗結果L9 (34)

正交試驗優(yōu)化所得的條件為A3B2C2D3，即反應物配比(n苯甲醛∶n殼聚糖)為6，超聲功率為180 W，超聲處理時間為4 h，反應溫度為70 ℃，反應溶液pH為5.方差分析的結果說明，因素中顯著性較強的是超聲功率和超聲處理時間，其次是溶液pH值和反應溫度.在最優(yōu)化條件下(A3B2C2D3)，進行實驗，縮合率為92.99%.與傳統(tǒng)方法的相比較而言，縮合率在超聲作用后提高了19.03%.

3 結果與討論

將超聲波技術應用到殼聚糖的改性研究中，成功地制備了殼聚糖與苯甲醛的希夫堿.經(jīng)傅立葉紅外光譜以及X射線衍射對產(chǎn)物的結構進行了表征.研究發(fā)現(xiàn)超聲場作用下，苯甲醛和殼聚糖的配比對縮合率幾乎沒有影響，顯著性較強的是超聲功率和超聲處理時間，其次是溶液pH值和反應溫度.超聲輔助法正交試驗優(yōu)化所得的條件為n苯甲醛∶n殼聚糖為6，超聲功率為180 W，超聲處理4 h，反應溫度為70 ℃，反應溶液pH為5.在超聲作用的最優(yōu)化條件下，縮合率為92.99%，比傳統(tǒng)方法的提高了19.03%.

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