一种新型含咪唑基壳聚糖衍生物的合成方法和吸附性能研究

李小双

(青岛科技大学化工学院，山东青岛 266042)

在本文的研究中，我们发现了一种新的合成N-4(5)-甲基咪唑壳聚糖的方法，并用各种交联剂评估其对重金属离子的吸附效率。

1 实验部分

1.1 实验材料与设备

实验所用壳聚糖脱乙酰度为84%，相对分子质为250kDa，灰度0.19%。脱乙酰度由1H NMR核磁共振测定。相对分子质量通过黏度法测定。实验所用试剂均为分析纯。红外光谱分析仪:NEXUS 670型；元素分析仪:EA1110CHNO-S型；核磁共振分析仪:DRX500型。

1.2 模板转化

反应A:将0.193g甲基-2-乙酰胺-2-脱氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷与0.15g 4-甲基-5-羟甲基咪唑盐酸盐、0.212g Na2CO3加入到2 mL蒸馏水中，90℃下反应48h。所得残留物用无水乙醇萃取。将萃取物蒸干并通过1H NMR分析。

反应 B:将 0.235g甲基-2-氨基-2-脱氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷与0.15g 4-甲基-5-羟甲基咪唑盐酸盐、0.212g Na2CO3加入到2 mL蒸馏水中，其余与A过程相同。

1.3 N-4（5）-甲基咪唑壳聚糖（IMC）的合成

反应 C: 将 0.33g β-（1,4）-2-乙酰氨基-2-脱氧-D-葡萄糖 (即甲壳素)、0.26g 4,5-羟甲基咪唑或0.30g 4-甲基-5-羟甲基咪唑盐酸盐、0.424g Na2CO3加入到2 mL蒸馏水中，90℃下反应84h。所得残留物用3mL蒸馏水稀释，并加入0.36mL 34%稀盐酸。向所得溶液中加入100mL丙酮。取沉淀物，用热乙醇洗涤并真空烘干至恒重，得到0.37g IMC。

1.4 吸附剂的合成

A.取2.1g取代度为0.23的IMC和2.7g NaOH，加入100mL蒸馏水中，不断搅拌并加入表氯醇。50℃恒温反应2h。反应完后滤出沉淀。用蒸馏水冲洗沉淀直至冲洗的水中不再含有氯离子。将沉淀在50℃下干燥至恒重。

B.在40mL蒸馏水中，加入2.1g取代度为0.23的IMC，不断搅拌并加入3.6mL体积分数为50%的乙二醇缩水甘油醚。60℃恒温反应3h。反应完后滤出沉淀。用蒸馏水冲洗并在50℃下干燥至恒重。

C.在40mL蒸馏水中，加入2.1g取代度为0.23的IMC，不断搅拌并加入5.1g体积分数为50%的二乙二醇缩水甘油醚。其余与上一过程相同。

IMC吸附性能由吸附剂重量 (g)与液相体积（mL）的比值表示。吸附剂与被吸附液相接触18h后，通过原子吸收光谱测定法测定溶液中的金属浓度。吸附能力由金属浓度的变化量计算。

2 结果与讨论

已知的合成IMC的方法是壳聚糖与氯甲基咪唑直接反应[1]。此方法进行壳聚糖功能化的弊端在于需从相应的醇中初步合成上述试剂，而且此修饰过程重现性低，多次试验无法确定一定得到所需产物。而在更早的文献中曾经提到过，可以在氨基醇的参与下，用一个仲氨基直接替代4(5)-羟甲基咪唑上的羟基[2]。此反应在一定条件下可以重现。我们计划将壳聚糖与4(5)-羟甲基咪唑直接反应，以避过从相应醇中合成4(5)-氯甲基壳聚糖的过程，改进IMC合成工艺。

首先，我们预计了在这一过程中壳聚糖单体的反应活性，最终采用甲基-2-氨基-2-脱氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷作为反应模板（见反应A、B）。

产物甲基-2-(4-甲基-5-甲基咪唑)氨基-2-脱氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷呈现被取代后吡喃葡糖糖环的H原子峰（δ=4.75），而不是未取代的吡喃葡萄糖环H原子峰（δ=4.58）。由此可知，在此反应中，甲基-2-氨基-2-脱氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷具有很高的活性。为确定N-乙酰化氨基是否参加反应，我们将4-甲基-5-羟甲基咪唑与甲基-2-乙酰胺-2-脱氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷反应。根据1H NMR数据，4-甲基-5-羟甲基咪唑上的羟基没有被乙酰胺取代。在此条件下，N-乙酰葡糖胺在经过脱乙酰作用后，最终形成产物（反应A、B）。众所周知，对催化水解反应来说，有咪唑衍生物存在的条件下，温和条件对脱乙酰作用更为有利。

在前面的研究中我们已经证明壳聚糖可以通过亲核加成和亲核取代来进行化学修饰。在这里我们使用了与聚合物凝胶技术相似的转换来使壳聚糖与4(5)-羟甲基咪唑或4-甲基-5-羟甲基咪唑反应（反应C）。

产物的红外光谱显示在1499 cm-1有一条新吸收带，此为咪唑衍生物特征峰。从产物中除去壳聚糖的吸收峰后可以发现，掩藏在1651cm-1（NHCOMe吸收峰）吸收峰中，在1669 cm-1处存在另外一条吸收峰。产物的结构通过1H NMR光谱确定。在此之前，我们发现氢原子信号的化学位移随着氨基上的氢原子被取代基取代而变化。在当前的工作中，我们利用了这一点，发现壳聚糖的活性远低于低分子量甲基-2-氨基-2-脱氧-α,β-D-吡喃葡萄糖苷（表1）。最终获得的取代度最高到0.3，而增大4(5)-羟甲基咪唑的用量并不能大幅度提高取代度。此反应过程主要取决于凝胶浓度，反应最终得到的转化率很低，不能说明4(5)-羟甲基咪唑和4-甲基-5-羟甲基咪唑之间在浓度效应和反应活性方面存在性能或程度上存在差异。

我们用超声波对反应进行了处理，结果证明超声波对反应结果无影响。无机碱浓度改变后，壳聚糖的活性也没有太大改变（见表1）。我们注意到，在有机碱存在时，产物的取代度比较低。

表1 壳聚糖与4(5)-羟甲基咪唑或4-甲基-5-羟甲基咪唑反应的反应条件和产物

我们将不同的交联剂分别加入取代度为0.23的N-(4(5)-甲基咪唑)壳聚糖中，获得了不同的IMC样本，并研究了这些样本在吸附贵金属或过渡金属方面的性能。低取代度的IMC对金(III)、铂(IV)、钯(II)离子的吸附能力远低于含2-吡啶乙基壳聚糖衍生物（其取代度为0.83）的吸附能力。不过，他们对贵金属离子的吸附能力明显高于未经处理的壳聚糖（见表2、3）。在0.1～1.0mol/L HCl中，对贵金属离子的极限吸附能力按顺序为Au III＞Pd II＞Pt IV，这是大多数已知含氮吸附剂的特点。而吸附性能随溶液中氯离子浓度增加而下降，这一特点与贵金属离子的阴离子交换（含氮吸附剂，如壳聚糖等）吸附机制相符合。

需注意的是IMC衍生物的吸附能力随着交联剂的不同而变化。以表氯醇为交联剂的IMC衍生物，在0.1mol/L HCl中对贵金属离子有最高的极限吸附能力；而其在1mol/L NH4NO3中（pH=5.5）对过渡金属离子的极限吸附能力同样是最高的。元素分析数据显示，此衍生物的交联度只有5%，是最低的，同时也意味着，它的结构最灵活。与此相符的是其溶胀度为250%，比其它所有衍生物都高。以乙二醇二环氧甘油醚和二乙二醇二环氧甘油醚为交联剂的IMC衍生物，其交联度分别为25%和20%，溶胀度分别为167%和148%。很明显，与这些缩水甘油醚交联后的材料过于刚性，不能使金属离子自由扩散并被吸附。由此可见，并非所有的官能团都是合适的交联剂，有些官能团甚至会使吸附能力降低。

增大盐酸浓度明显改变了IMC衍生物吸附金(III)离子的模式。以表氯醇为交联剂的吸附剂对溶液中氯离子的浓度变化尤为敏感：当氯离子浓度增加时，其吸附能力和对金(III)离子的亲和力均急剧下降。当溶液中HCl的浓度从0.1mol/L升高到1mol/L时，亲和力的下降与高亲和力到低亲和力的吸附等温线变化相符。需要指出的是，在1mol/L HCl中，以表氯醇为交联剂的IMC对铂离子和钯离子的吸附能力降低最多（见表2）。

众所周知，离子交换材料合成物的吸附能力和选择性主要取决于其交联度[4]。在我们的实验中，溶液中氯化物浓度由低到高的不同导致了吸附剂对贵金属离子吸附类型的改变，这种改变很可能是由于金属离子在溶液和聚合物之间不均匀分布引起的。因此，在强溶胀聚合物中，氯离子浓度越高，其选择性和吸附能力越低。显然，尽管缩水甘油醚交联的刚性基质的吸附能力很低，但是他们能更好的反应酸性高浓度氯化物溶液中贵金属的浓度。我们注意到吸附作用大小实际上并不依赖于所用缩水甘油醚中乙氧基片段的长度。

交联的形式同样影响着对过渡金属离子的吸附：吸附能力随IMC交联度的升高而降低（见表3）。值得注意的是，与IMC吸附贵金属离子的含氯代物阴离子交换吸附作用机制相反，IMC通过其氨基或咪唑基与过渡金属离子形成复合物，从而达到吸收效果。因为IM与N配体去质子化形式络合更有效，所以在pH 3～8时为萃取过度金属的最适范围。由于在pH小于2时，过渡金属的吸附作用可以忽略不计，故而此时可以将贵金属离子从多元溶液中完全萃取出来。

表2 取代度为0.23的IMC对贵金属离子的吸附作用（吸收能力/mmol·g-1）

最后，我们将IMC衍生物的吸附性能与吡啶乙基壳聚糖的吸附性能作比较，有很多重要发现：首先，低取代度的IMC（DS=0.23）对Ag I和 Cu II离子的吸附能力同高取代度的吡啶乙基壳聚糖（DS=0.83）基本形同，IMC对Ag I离子的吸附能力稍高于含咪唑基吸附剂29。其次，与吡啶基壳聚糖相反，在天然高分子材料中，IMC对Co II和Ni II离子的吸附能力相对较高（见表3）。尽管IMC不能从过渡金属离子混合物中有选择性的提取这些离子，但是IMC的优势在于其对特定离子足够强的吸附能力，而非其对金属离子萃取的选择性。

表3 取代度为0.23的IMC对过渡金属离子的吸附作用（pH=5.6，1M NH4NO3，吸收能力/mmol·g-1）

［1］Jude K.M;Wright S.K;Tu C e.g.Crystal structure of F65A/Y131C -methylimidazole carbonic anhydrase V reveals architectural features ofan engineered proton shuttle [J].Biochemistry,2002,41(8):2485-2491.

［2］Hay MP.;Denny WA.;Wilson WR.Design,synthesis and evaluation of imidazolylmethyl carbamate prodrugs of alkylating agents[J].TETRAHEDRON,2000,56(4):645-657.