超声强化苯甲醛接枝壳聚糖的缩合反应

段丽红， 吴正治， 郭祀远， 陈利国

(1.暨南大学 第二临床医学院， 广东 深圳 518020； 2.华南理工大学 轻工与食品学院， 广东 广州 510641； 3.暨南大学 医学院， 广东 广州 510632)

0 引言

壳聚糖(CS)对过渡金属离子具有良好的吸附性能.但它是碱性多糖，在酸性环境中会因分子中的-NH2被质子化形成-NH3+而溶于水造成流失.另外在吸附过程中因-NH2并未全部参与与金属子的配位而使CS吸附能力受到限制，不利于再生利用，从而限制了它的广泛使用.因此，对壳聚糖要进行改性研究.壳聚糖分子中的氨基可与醛、酮反应生成亚胺(希夫碱)[1]，该类希夫碱具有优良的金属离子螯合能力[2-6]，如Manuel等研究发现乙酰丙酮壳聚糖希夫碱对Cu2+、Co3+有特殊的螫合能力[7].但采用传统方法，反应时间长，缩合率不高.近年来，超声波技术在有机合成中的应用得到了迅速的发展[8-12].超声波技术不仅可以改善反应条件，加快反应速度和提高反应产率，使某些难以进行的化学反应得以实现，尤其对非均相反应有明显的促进作用.本研究采用超声波辐射技术，选择苯甲醛作为改性剂，与壳聚糖进行希夫碱生成反应，生成苯甲醛接枝壳聚糖(SB-1)，以制备吸附性能更加优良的重金属离子吸附剂.并与传统加热法进行对比，运用正交实验法考察了影响缩合率的多种因素，获得了比较满意的结果.

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

壳聚糖，广东省潮州市快特新生化食品实业有限公司；苯甲醛，广州市东红化工厂；冰醋酸，广州市东红化工厂；无水乙醇，天津市红岩化学试剂厂；乙醚，广州市东红化工厂；所有试剂均为分析纯.

KQ5200型数控超声清洗器，昆山市超声仪器有限公司；HH-S型数显恒温水浴锅，江苏省金坛市医疗器械厂；79-1型磁力加热搅拌器，金坛市富华仪器有限公司； SpectrumLab 22PC型分析天平，上海Unico公司；PHS-3C型精密pH计，上海精密科学仪器有限公司；NicoLet Avator 360型红外光谱仪，德国bruke 公司；D/max-Ш A型全自动X射线衍射仪，日本理学公司.

1.2 反应原理

壳聚糖是(1，4)-2-氨基-2-脱氧-β-D-葡聚糖，属于直链天然高分子聚合物，分子中含大量氨基和羟基，在中性或酸性条件下可与芳香醛反应生成希夫碱.

缩合率P(%)按下式计算：

(1)

其中：m1— 壳聚糖的质量，g；m2—产物希夫碱的质量，g；M1—壳聚糖单体的分子量，161 g·mol-1；M2—缩合产物的分子量，g·mol-1.

1.2.1 传统方法

称取0.644 g壳聚糖加入到20 mL 3%冰醋酸溶胀30 min，之后转移至平底烧瓶中，加20 mL无水乙醇稀释、搅拌，于恒压滴液漏斗中缓慢滴加7倍壳聚糖物质的量的苯甲醛(溶于20 mL无水乙醇)，在70 ℃下反应4 h后，调节溶液pH到5.0，抽滤，分别用20 mL乙醇、乙醚洗涤，恒温干燥后得到粗产物淡黄色固体.用95%的乙醇反复回流萃取，以除去过量苯甲醛以及缩合产物希夫碱所吸附的苯甲醛，将产品干燥至恒重，得产物希夫碱.

1.2.2 超声波辅助

壳聚糖在3%冰醋酸中溶胀和无水乙醇中稀释好后，置于超声场中，搅拌，缓慢滴加苯甲醛无水乙醇溶液，一定温度下反应一段时间后，调节pH值，抽滤，之后的步骤同传统方法一样.

2 结果与讨论

2.1 结构表征

2.1.1 红外光谱图分析

如图1所示：CS的红外谱图上，主要的峰有1 655.9 cm-1处的C=O的峰和1 602.8 cm-1处N-H的峰；而SB-1的红外谱图上，共轭体系的C=N对称伸缩振动出现在1 643.65 cm-1；单取代苯在705.29 cm-1和758.34 cm-1处有一对锐峰，这说明苯甲醛已接枝到壳聚糖中得到产物为苯甲醛希夫碱.

图1 壳聚糖及其希夫碱的红外谱图

2.1.2 XRD分析

图2 壳聚糖及其希夫碱的X射线衍射谱图

图2所示的是壳聚糖及其衍生化后所得希夫碱的X射线衍射谱图.如图2所示，壳聚糖具有很强的结晶性，在10 °和20 °左右都有很强的衍射峰.因为壳聚糖分子中有大量的-OH和-NH2存在，它们所形成的氢键提高了分子结构的规整性.衍生化后的产物SB-1在10 °左右的衍射峰明显减弱几乎消失，且20 °左右的衍射峰变宽且强度也减弱了很多，说明非晶漫散射峰较弱，样品结晶度显著下降.

2.2 超声场对壳聚糖与苯甲醛缩合反应的影响

采用实验方法中陈述的传统方法制备，缩合率为73.96%.

超声场作用下的接枝反应除了反应温度，溶液pH值和反应配比(n苯甲醛∶n壳聚糖)会对反应效率影响外，超声场强度以及超声处理的时间也影响反应.因此下面将讨论这些因素对苯甲醛接枝壳聚糖反应的影响：

2.2.1 超声功率的影响

图3为不同超声功率下所得的缩合率.由图可知，在超声处理4 h，反应温度为70 ℃，n苯甲醛∶n壳聚糖为4，溶液pH值为4的实验条件下，随着超声功率由40 W增加到180 W的过程中，反应的缩合率由68.76%上升到了89.57%，呈递增趋势.这可能是超声功率越大，其热效应和空化效应越强，缩合反应的效率也就越高.

图3 超声功率对反应的影响

2.2.2 超声处理时间的影响

图4 超声处理时间对缩合率的影响

图4所列的是不同超声处理时间下所合成的希夫碱的缩合率.由图可知，在超声功率为180 W，反应温度为70 ℃，n苯甲醛∶n壳聚糖为4，溶液pH值为4，超声处理时间为2～6 h的实验条件下，缩合率随着超声处理时间的增加而升高，在超声处理时间为2～4 h的时间段里，缩合率数值上升的幅度较大，由70.70%增加到了89.57%，而在之后的2 h内仅增加了0.39%，这表明处理4 h后反应已经几乎完全进行了，之后再增加时间所起的作用也不是很大.

2.2.3 反应温度的影响

反应温度对缩合率的影响如图5所示，该实验条件如下:超声功率为180 W，超声处理时间4 h，n苯甲醛∶n壳聚糖为4，溶液pH值为4.在温度升高到70 ℃之前，缩合率先随着反应温度的增高而增高，但可以看出温度对反应的影响不是很大，缩合率增加的幅度较小，由80.00 %增加到89.57 %，高于70 ℃后缩合率几乎不再上升.

图5 反应温度对缩合率的影响

2.2.4 溶液pH值的影响

图6是pH值对缩合率的影响关系.由图可见，在超声功率为180 W，超声处理时间4 h，反应温度为70 ℃，n苯甲醛∶n壳聚糖为4，溶液pH为2～6时，缩合率随着溶液pH值的变化趋势较显著，增减幅度较大.缩合率先随着溶液pH值的增大而增大，当溶液pH值达到4时缩合率最高值为89.57%，pH大于4后缩合率呈下降趋势.这可能是由于太酸的环境下被降解的壳聚糖的比例增大，而酸性太弱又会导致壳聚糖溶解的不充分，与醛的反应几率下降.

图6 溶液pH值对缩合率的影响

2.2.5n苯甲醛∶n壳聚糖的影响

由图7所示的n苯甲醛∶n壳聚糖对缩合率的影响可知，超声场作用下(超声功率为180 W，超声处理时间为4 h，反应温度为70 ℃，溶液pH为4)苯甲醛和壳聚糖的配比对缩合率几乎没有影响.由图可以看出，反应物配比增加了4倍的情况下，缩合率仅增加了3.29%，特别是当苯甲醛的量达到壳聚糖6倍之后，缩合率几乎没有增加.由此可以考虑正交优化是不考察反应物配比这个因素，根据最好的反应效率情况，选定反应物配比为6.

图7 n苯甲醛∶n壳聚糖对缩合率的影响

2.2.6 正交优化实验

由以上的实验考察可得表1的因素水平表，选定反应物配比为6，按照这些表对反应条件进行正交优化的结果如表2所示.

表1 因素-水平表

表2 正交试验结果L9 (34)

正交试验优化所得的条件为A3B2C2D3，即反应物配比(n苯甲醛∶n壳聚糖)为6，超声功率为180 W，超声处理时间为4 h，反应温度为70 ℃，反应溶液pH为5.方差分析的结果说明，因素中显著性较强的是超声功率和超声处理时间，其次是溶液pH值和反应温度.在最优化条件下(A3B2C2D3)，进行实验，缩合率为92.99%.与传统方法的相比较而言，缩合率在超声作用后提高了19.03%.

3 结果与讨论

将超声波技术应用到壳聚糖的改性研究中，成功地制备了壳聚糖与苯甲醛的希夫碱.经傅立叶红外光谱以及X射线衍射对产物的结构进行了表征.研究发现超声场作用下，苯甲醛和壳聚糖的配比对缩合率几乎没有影响，显著性较强的是超声功率和超声处理时间，其次是溶液pH值和反应温度.超声辅助法正交试验优化所得的条件为n苯甲醛∶n壳聚糖为6，超声功率为180 W，超声处理4 h，反应温度为70 ℃，反应溶液pH为5.在超声作用的最优化条件下，缩合率为92.99%，比传统方法的提高了19.03%.

[1] 蒋挺大．壳聚糖[M]．北京：化学工业出版社，2001：33-63.

[2] Li-hong DUAN,Si-yuan GUO,Jin-qing YANG.Study on the effect of a magnetic field on Pb(II) removal using modified chitosan[J].Advances in Chemical Engineering and Science,2012,2(1):101-107.

[3] 段丽红，杨晋青，郭祀远.磁场对壳聚糖希夫碱吸附重金属铅离子的影响[J].功能材料,2012,43(2):235-239.

[4] Li-hong DUAN,Jin-qing YANG,Si-yuan GUO.Study on property of modified chitosan for absorbing Cr (VI) in magnetic field[J].陕西科技大学学报,2010,28(6):1-6.

[5] 段丽红,杨晋青,叶盛权，等.磁场作用下壳聚糖希夫碱对铬离子的吸附性能[J].华南理工大学学报,2009,37(4):130-133.

[6] Grégorio Crini,Pierre-Marie Badot.Application of chitosan, a natural aminopolysaccharide,for dye removal from aqueous solutions by adsorption processes using batch studies:A review of recent literature[J].Progress in Polymer Science,2008, 33(4):399-447.

[7] Manuel Guillen,Antonio Sanchez,Maria zamora.A derivative of chitosan and 2, 4-Pentanedione with strong chelating properties[J].Carbohydrate Research,1992, 233(2):255-259.

[8] Drofenik M,Kristl M,Makovec D,et al.Sonochemically assisted synthesis of zinc-doped maghemite[J].Ultrasonics Sonochemistry, 2008, 15(5): 791-798.

[9] Ghasemi S,Mousavi M F,Shamsipur M,et al.Sonochemical-assisted synthesis of nano-structured lead dioxide[J].Ultrasonics Sonochemistry, 2008, 15(4): 448-455.

[10] Stavarache Carmen,Vinatoru M,Maeda Y.Aspects of ultrasonically assisted transesterification of various vegetable oils with methanol[J].Ultrasonics Sonochemistry,2007,14(3):380-386.

[11] Li-hong DUAN,Si-yuan GUO,Jin-qing YANG,et al.Ultrasonic-assisted condensation of chitosan with salicylaldehyde[J].Chinese Journal of Oceanology and Limnology,2009,27(4):882-886.

[12] 段丽红，郭祀远，杨晋青.超声波辅助羟丙基壳聚糖的合成[J].现代食品科技,2008,24(9):873-875.