Tổng hợp dẫn xuất n cacboxyetyl chitosan ứng dụng để hấp thụ ion kim loại nặng trong môi trường nước

Khóa
Khóa luận
luận tốt
tốt nghiệp
nghiệp

Trường ĐHSP
Nội 22
Trường
ĐHSP Hà
Hà Nội

Lời cảm ơn
Trước hết em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Thị Đông
– Viện Hóa Học – Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tận tình hướng
dẫn và truyền đạt cho em các phương pháp nghiên cứu khoa học và những
kinh nghiệm học thật quý báu trong quá trình thực hiện bài luận văn.
Em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy cô, các anh chị tại Viện
Hóa Học – Viện Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam đã tận tình giảng dạy, chỉ
bảo và dìu dắt em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Đồng thời em xin cảm ơn thầy giáo Lê Cao Khải, cùng toàn thể các
thầy cô giáo trong khoa Hóa Học Trường Đại Học Sư Phạm Hà Nội 2, đã tạo
điều kiện cho em được tiếp thu những kiến thức chuyên môn về hóa học hữu
cơ và công nghệ môi trường.
Sinh viên
Nguyễn Thị Thoảng

Nguyễn Thị Thoảng

1

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT

DDA

Độ deaxetyl hóa

DA

Độ axetyl hóa

GlcNAc N-axetyl-D-Glucozamin
GLcN

Glucosamin

DP

Độ polyme hóa

DS

Độ thế

Me

CH3

SEC

Sắc kí loại trừ theo độ lớn phân tử

LAB

Lactic axit bacterial

Ac

CH3CO

NMP

N-metyl pirrolidone

DMAc

N,N-dimetylaxetamit

DCA

Dicloaxetic

TCA

Tricloaxetic

FA

Axit fomic

EA

Phương pháp phân tích nguyên tố

CTDA

chitosan-etecrown

DMAP

4-dimetyl aminopiridin

HPLC

Sắc kí lỏng cao áp

O-CMC O-cacboxymetyl chitin/chitosan
N-CEC N-cacboxyetyl chitosan

Nguyễn Thị Thoảng

2

K34A – Khoa Hóa học

Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang
Hình 3.1. Phổ hồng ngoại của chitin

29

Hình 3.2. Phổ hồng ngoại của chitosan

32

Hình 3.3: Phổ 1H-NMR của

–chitosan

32

Hình 3.4: Phổ 13C-NMR của

–chitosan

32

Hình 3.5: Phổ1H- 13C-HSQC- NMR của

–chitosan

34

Hình 3.6: Phổ hồng ngoại của N-CEC

35

Hình 3.7: Phổ 1H-NMR của N-CEC

35

Hình 3.8: Phổ 13C-NMR của N-CEC

36

Hình 3.9: Ảnh hưởng của nồng độ đến khả năng hấp phụ Hg (II)

40

của N-CEC
Hình 3.10: Ảnh hưởng của thời gian đến khả năng hấp phụ Hg

41

(II) của N-CEC
Hình 3.11: Ảnh hưởng của pH đến khả năng hấp phụ ion Hg (II)

43

của N-CEC

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1: Độ chuyển dịch hóa học của proton của Chitosan

30

Bảng 3.2: Độ chuyển dịch hóa học của cacbon của Chitosan

30

Nguyễn Thị Thoảng

3

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
Trang

Sơ đồ 1.1: Công thức cấu tạo của xenlulozo, chitin, chitosan

4

Sơ đồ 1.2: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan

6

Sơ đồ 1.3: Phản ứng deaxetyl hóa chitin

7

Sơ đồ 1.4: Quá trình thủy phân chitosan bằng axit clohidric

8

Sơ đồ 1.5: Điều chế chitosan

10

Sơ đồ 1.6: Quá trình tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan

14

Sơ đồ 1.7: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N,N,N-trimetyl chitosan

15

Sơ đồ 1.8: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl

15

chitosan
Sơ đồ 1.9: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl

15

chitosan
Sơ đồ 1.10: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl

16

chitosan trong môi trường ethanol/kiềm
Sơ đồ 1.11: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-axyl chitosan

17

Sơ đồ 1.12: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-axyl chitosan

17

Sơ đồ 1.13: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-cacboxyankyl chitin-

18

chitosan
Sơ đồ 1.14: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-ankyl chitosan

19

Sơ đồ 3.1: Phản ứng điều chế chitosan từ chitin

28

Sơ đồ 3.2: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyetyl chitosan

33

Nguyễn Thị Thoảng

4

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
MỤC LỤC
Trang

LỜI CẢM ƠN
DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ BẢNG
DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ
DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT
MỞ ĐẦU

1

1. Đặt vấn đề

2

2. Mục tiêu nghiên cứu

2

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

3

1.1. Giới thiệu chung

3

1.2. Cấu trúc và tính chất của chitin-chitosan

4

1.2.1. Cấu trúc chitin-chitosan

4

1.2.2. Tính chất của chitin- chitosan

5

1.2.2.1. Tính chất vật lý

5

1.2.2.2. Tính chất hóa học

6

1.2.3. Phương pháp điều chế chitin-chitosan

8

1.2.3.1. Tách chitin từ vỏ phế thải

8

1.2.3.2. Điều chế chitosan

10

1.2.4. Độ axetyl hóa – độ đề axetyl hóa.

11

1.2.5. Một số sản phẩm biến tính chitin-chitosan

14

1.2.5.1. Dẫn xuất N-ankyl chitosan

14

1.2.5.2. Dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan

15

1.2.5.3. Dẫn xuất N-axyl chitosan

16

1.2.5.4. Dẫn xuất O-axyl chitosan

17

1.2.5.5. Dẫn xuất O-cacboxyankyl chitin-chitosan

17

1.2.5.6. Dẫn xuất O-ankyl chitosan

18

Nguyễn Thị Thoảng

5

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

1.2.6. Ứng dụng của chitin-chitosan và dẫn xuất trong xử lý môi

19

trường
1.2.6.1. Hấp phụ ion kim loại nặng

19

1.2.6.2. Sử dụng chitin/chitosan và dẫn xuất hấp phụ ion Hg (II)

21

trong môi trường nước
CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƢƠNG PHÁP

25

NGHIÊN CỨU
2.1. Nguyên liệu, hóa chất và thiết bị nghiên cứu

25

2.1.1. Nguyên liệu, hóa chất

25

2.1.2. Thiết bị nghiên cứu

25

2.2. Phương pháp thực nghiệm

25

2.2.1. Điều chế chitosan từ chitin

25

2.2.2. Tổng hợp và khảo sát tính chất dẫn xuất tan trong nước N-

26

cacboxyetyl chitosan (N-CEC)
2.2.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của N-

26

cacboxyetyl chitosan
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

28

3.1. Điều chế chitosan từ chitin

28

3.1.1. Phương pháp điều chế chitosan

28

3.1.2. Phổ hồng ngoại của chitin/chitosan

28

3.1.3. Phổ cộng hưởng từ hạt nhân của chitosan

30

3.2. Tổng hợp và tính chất của dẫn xuất N-cacboxyetyl chitosan

32

3.2.1. Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan

33

3.2.2. Khảo sát cấu trúc của N-cacboxymetyl chitosan bằng

33

phương pháp phổ hồng ngoại (FT-IR)
3.2.3. Khảo sát N-cacboxyetyl chitosan bằng phổ cộng hưởng từ
hạt nhân (NMR)

Nguyễn Thị Thoảng

6

K34A – Khoa Hóa học

34


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

3.2.4. Xác định độ thế của dẫn xuất N-cacboxyetyl chitosan theo

37

phổ 1H-NMR
3.3. Nghiên cứu khả năng hấp phụ ion kim loại nặng Hg (II) của

39

N-CEC
3.3.1. Ảnh hưởng của nồng độ đến quá trình hấp phụ

39

3.3.2. Ảnh hưởng của thời gian hấp phụ

40

3.3.3. Ảnh hưởng của pH đến quá trình hấp phụ

42

KẾT LUẬN

44

TÀI LIỆU THAM KHẢO

45

Nguyễn Thị Thoảng

7

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề
Chitin/chitosan và các dẫn xuất của nó là những polyme sinh học quan
trọng với những tính năng đặc biệt mà nhiều polysaccarit khác không có như
tính hòa hợp sinh học, phân hủy sinh học và kháng khuẩn, kích thích sinh
trưởng…Do đó, nó đã được quan tâm nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực như: y dược, mĩ phẩm, công nghiệp, thực phẩm, nông nghiệp, công nghệ
môi trường…vv [26, 27, 30, 40, 47, 61].
Tuy vậy, các ứng dụng của loại vật liệu trên cơ sở chitin-chitosan còn
rất hạn chế do khả năng hòa tan kém trong hầu hết các loại dung môi. Do đó,
việc nghiên cứu để tổng hợp ra các dẫn xuất có khả năng hòa tan trong các
dung môi hữu cơ đặc biệt là trong môi trường nước thông qua các phản ứng
biến tính hóa học là rất cần thiết. Trong những năm gần đây, nhiều nhà khoa
học đã tiến hành biến tính hóa học chitin-chitosan để tạo ra các dẫn xuất có
khả năng tan trong dung môi thông thường đặc biệt là nước để mở rộng phạm
vi ứng dụng của nó [22, 27, 30]. Một số dẫn xuất tan trong nước đã được tạo
ra như: dẫn xuất 5-metylpyrolidinon chitosan, N-cacboxylbutyl chitosan [70];
N-cacboxylmetyl chitosan [55]; N-trimetyl chitosan [50] và dẫn xuất N,Ndicacboxylmetyl chitosan [50, 55]; N-cacboxyetyl chitosan [71]…, với các

ứng dụng chủ yếu như chất làm lành vết thương, giúp tái tạo mô xương, chất
mang thuốc, chất bảo quản thực phẩm, chất hấp phụ ion kim loại nặng trong
xử lý nước… vv.
Trong số các dẫn xuất được tạo ra từ phản ứng biến tính chitinchitosan, N-cacboxyetyl chitosan [35] là dẫn xuất dễ tổng hợp, tan trong nước
và có nhiều ứng dụng rộng rãi đặc biệt là khả năng hấp phụ ion kim loại nặng
trong nước nhằm góp phần bảo vệ môi trường. Xuất phát từ thực tế trên, tôi
chọn đề tài:

Nguyễn Thị Thoảng

8

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

“ Tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyetyl chitosan ứng dụng để hấp phụ ion
kim loại nặng trong môi trường nước”.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyetyl chitosan từ chitosan và axit
acrylic.
- Khảo sát cấu trúc và tính chất đặc trưng cơ bản của dẫn xuất Ncacboxyetyl chitosan.
- Nghiên cứu thăm dò khả năng hấp phụ ion kim loại nặng của dẫn
xuất N-cacboxyetyl chitosan và điều kiện ảnh hưởng đến quá trình hấp phụ.

Nguyễn Thị Thoảng

9

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Giới thiệu chung
Chitin [poly-β-(1-4)-2-axetamido-2-deoxy-D-glucopyranozo] là một
trong những polysaccarit quan trọng nhất, có trữ lượng lớn chỉ sau xenlulozo,
là thành phần chính trong vỏ của các loài động vật giáp xác như: tôm, mai
cua, mai mực … Cấu trúc phân tử của chitin-chitosan tương tư như xenlulozo,
mạch phân tử của chitin gồm các mắt xích N-axetyl-D-glucosamin nối với
nhau bằng liên kết β(1→4) glycosit hay 2- axetamido-2-deoxy-β-D-glucozo.
Trong thực tế chitin-chitosan cùng tồn tại trong một phân tử polyme, gồm các
mắt xích β(1→4)- N-axetyl-D-glucosamin và mắt xích β(1→4) -Dglucosamin. Khi tỉ lệ β(1→4) -D-glucosamin nhiều hơn thì được gọi là
chitosan, ngược lại là chitin. Vì trong mắt xích: β(1→4) -D-glucosamin có
nhóm amino (-NH2) nên chitosan dễ tan trong một số dung dịch axit loãng
như axit axetic loãng 1%, axit focmic, trong khi đó chitin hầu như không tan
trong các dung môi hữu cơ. Tính tan của chitin-chitosan trong dung dịch axit
axetic loãng tăng theo chiều tăng của tần suất xuất hiện nhóm amin trong mắt
xích phân tử. Người ta đã dùng đặc điểm này để phân biệt chitin-chitosan.
Nếu tan trong axit axetic loãng thì gọi là chitosan, nếu không tan thì gọi là
chitin. Ngoài ra có thể dựa vào giá trị độ axetyl hóa (DA) hay độ deaxetyl hóa
(DDA) để phân biệt chitin và chitosan [12, 17, 51].
Chitin/chitosan là polysaccarit duy nhất có chứa nhóm chức amin nên
chitin/chitosan và dẫn xuất của nó có nhiều đặc tính quý như: tính kháng nấm,

kháng khuẩn cao, kích thích sinh trưởng cây trồng, chất bảo quản nông sản,
có khả năng tự phân hủy sinh học cao, không gây dị ứng không gây độc hại
cho người và gia súc, có khả năng tạo phức với một số kim loại chuyển tiếp
như: Hg, Cd, Cu, Fe…Chính vì vậy, ngày nay chitin-chitosan và các dẫn xuất
đã được ứng dụng rộng rãi và có hiệu quả trong nhiều các lĩnh vực khác nhau

Nguyễn Thị Thoảng

10

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

như: y dược, công nghệ thực phẩm, mĩ phẩm, nông nghiệp, công nghệ môi
trường…[68].
1.2. Cấu trúc và tính chất của chitin-chitosan
1.2.1. Cấu trúc chitin-chitosan
Chitin là một polysaccarit có cấu trúc mạch thẳng, mạch chitin tương tự
như mạch polyme của xenlulozo chỉ thay nhóm (-OH) ở C2 của mỗi mắt xích
xenlulozo bằng nhóm –NHCOCH3. Cấu trúc mạch chitin là một chuỗi các
mắt xích N-axetyl-D-glucosamin được liên kết với nhau bằng các liên kết
β(1→4) glicosit. Cấu trúc mạch của chitin, chitosan và xenlulozo được trình
bày ở sơ đồ 1.1.
6

HO

OH

3

OH

OH

O

5

4

1
2

HO
O

OH

O

O
HO

HO
O

OH

OH

OH

OH

O

O

O

O
HO

OH
HO
O

OH

OH

O
O
OH

Xenluloz¬
OH

NHCOCH3
O
HO
O

O

HO
O
NHCOCH3

HO

OH

NHCOCH3
O
HO
O

O

HO
O
NHCOCH3

OH

OH

NHCOCH3
O
O

O

HO
O
NHCOCH3

OH

OH

Chitin
OH
O
HO

OH

NH2
HO
O

NH2

O
OH

O
HO

O

OH

NH2
HO
O

NH2

O
OH

O
HO

O

NH2
HO
O

NH2

O
O
OH

Chitosan
Sơ đồ 1.1: Công thức cấu tạo của xenlulozo, chitin, chitosan
Bằng phương pháp nhiễu xạ tia X người ta đã xác định được chitin tồn
tại trong tự nhiên với 3 dạng: α-chitin, β-chitin, γ-chitin. Ba dạng này được
phân biệt nhờ vào sự sắp xếp các mạch trong tinh thể [35].

Nguyễn Thị Thoảng

11

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Chitin

Chitin

Chitin

* α-chitin: Có cấu trúc tinh thể theo kiểu mạng ghép đối song (1 mạng
lên, 1 mạng xuống liền nhau), α-chitin thường được tách từ vỏ tôm, cua.
* β- chitin: Các mạch ghép song song cùng chiều, β- chitin chủ yếu có

trong mai mực ống mực nang sừng.
* γ- chitin: Các mạch ghép trong tinh thể theo hai cách cứ 2 mạch song
song lại có 1 mạch đối song, γ- chitin được tách từ sợi kén của bọ cánh cứng,
dạ dày của mực ống, có trữ lượng ít nhất.
Trong 3 dạng trên, α- chitin có cấu trúc tinh thể bền vững nhất, chitin
tồn tại chủ yếu dưới dạng α-chitin. Khi ở điều kiện thích hợp các dạng chitin
có thể chuyển hóa lẫn nhau, khi xử lý β- chitin trong dung dịch HCl đặc ( >
6N) có thể chuyển thành α- chitin, ngâm γ- chitin trong dung dịch LiSCN bão
hòa có thể chuyển thành α- chitin [12, 17].
1.2.2. Tính chất của chitin- chitosan
1.2.2.1. Tính chất vật lý
Loại α- chitin tồn tại ở trạng thái rắn, xốp nhẹ có thể xay nhỏ thành bột
mịn có màu trắng hoặc vàng, không mùi vị.
β- chitin cũng có những tính chất như trên nhưng ít xốp hơn khá dai
khó nghiền nhỏ [16].
Chitin có khả năng hấp thụ nước cao, nó có thể được nghiền nhỏ rồi
ngâm trong nước, nghiền tơi thành dạng huyền phù, sau đó đem gia công
thành giấy chitin. Do β- chitin dai hơn nên giấy β- chitin dễ sản xuất hơn.
Tính tan: Vì có liên kết hiđro chặt chẽ giữa các phân tử nên chitin thể
hiện ái lực hạn chế với phần lớn các dung môi. Chitin không tan trong nước

Nguyễn Thị Thoảng

12

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

và các dung môi thông thường khác mà chỉ tan trong dung môi phân cực
mạnh có chứa LiCl như N,N-dimetylaxetamit (DMAc) chứa 5-10% LiCl và
N-metyl pirrolidone (NMP), hỗn hợp DMAc và NMP có chứa 5-8% LiCl
thường được sử dụng khi gia công màng chitin. Kifune và cộng sự đã tìm ra
hệ dung môi hòa tan chitin là tricloaxetic (TCA) và clohidrocacbon như:
clometan; điclometan; 1,1,2-tricloetan [6]. S.Tokura và các cộng sự đã sử
dụng hệ dung môi axit fomic (FA)- dicloaxetic (DCA), diclopropylete làm hệ
dung môi hòa tan chitin [64].
Chitosan là một polyamin không tan trong nước cũng như hầu hết các
dung môi hữu cơ nhưng tan được trong môi trường axit loãng. Độ tan của
chitosan phụ thuộc vào loại axit và nồng độ của dung dịch axit sử dụng [30].
Khi xử lí chitin-chitosan trong môi trường axit mạnh với nồng độ lớn thường
xảy ra phản ứng depolyme hóa (cắt mạch) làm giảm khối lượng phân tử
polyme.
1.2.2.2. Tính chất hóa học
Công thức tổng quát của chitin-chitosan có dạng (C8H11NO5)n có cấu
tạo như sau:
OH

OH
O

HO

O
O

NHCOCH3

Chitin

HO
n

O
NH2

m

Chitosan

Sơ đồ 1.2: Công thức cấu tạo của chitin/chitosan
Trong phân tử chitin-chitosan chứa đồng thời các nhóm chức hydroxyl
(-OH), amino (-NH2) và nhóm chức axetamit (-NHCOCH3) nên chitinchitosan vừa có tính chất hóa học của ancol lại vừa có tính chất của một amit
[12].

Nguyễn Thị Thoảng

13

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

a) Phản ứng ở nhóm hydroxyl (-OH)
Giống như các ancol đa chức, tính axit của nhóm hydroxyl khá mạnh,

chitin phản ứng được với Na, NaOH tạo thành hợp chất có cấu trúc ancolat
gọi là chitin kiềm:
[C6H7O3NHCOCH3(OH)2]n + 2nNaOH → [C6H7O3NHCOCH3(ONa)2]n+2n
H2O
Chitin kiềm là sản phẩm trung gian để sản xuất các chitin ete như ankyl
chitin
[chit(ONa)2]n + 2n RX → [chit(OR2)]n + 2n NaX
Sợi ankyl chitin được tạo ra bằng cách xử lý ankyl chitin trong dung
dịch axit focmic và axit axetic rồi cho kéo sợi qua một đường kính nhỏ cỡ
mm.
Phản ứng với axit, anhydric axetic tạo ra sản phẩm ở dạng este.
[Chit(OH)2]n + 2n HCl

[Chit(OCl)2]n + 2n H2O

Ngoài ra, chitin còn phản ứng với ankyl sunfat trong ankyl halogenua,
các hợp chất vinyl tạo este.
b) Phản ứng ở nhóm axetamit
Chitin có khả năng tham gia phản ứng thể hiện tính chất của amin bậc 2
như phản ứng deaxetyl hóa tạo thành chitosan.
OH

OH
O
HO

dd NaOH, t0
O

NHCOCH3

O
HO

O
NH2

n

Chitin, M= (203)n

m

Chitosan, M= (161)

Sơ đồ 1.3: Phản ứng deaxetyl hóa chitin

Nguyễn Thị Thoảng

14

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Phản ứng trên thường được thực hiện trong dung dịch NaOH 40% ở
nhiệt độ 100-120°C, thời gian 1-3 giờ. Hiệu suất phản ứng deaxetyl hoá đạt

khoảng 70%. Điều này có nghĩa sản phẩm phản ứng là chuỗi polyme chứa
đồng thời các mắt xích N-axetyl-D-glucosamin đan xen với Dglucosamin[18].
c) Phản ứng ở nhóm amino (-NH2)
Nguyên tử nitơ của nhóm -NH2 ở vị trí C2 trên mạch chitin- chitosan
vẫn còn một cặp e tự do chưa tham gia vào liên kết, do đó về mặt hóa học,
chúng có khả năng phản ứng cao với các tác nhân electronphin để tạo ra các
dẫn xuất tương ứng.
Nhóm -NH2 có thể tham gia vào các phản ứng như: Ankyl hóa khử với
các tác nhân chứa nhóm cacbonyl như andehit, anhydric axit. Phản ứng ankyl
hóa trực tiếp với các tác nhân chứa nhóm halogen, phản ứng Michael với các
tác nhân chứa liên kết đôi…
Phản ứng biến tính vào nhóm -NH2 thường được áp dụng để tạo ra các
sản phẩm biến tính tan trong nước [37].
d) Phản ứng cắt mạch polyme
Ngoài các phản ứng ở các nhóm chức hoạt động, chitin-chitosan còn có
tính chất chung của các polyme là có thể tham gia phản ứng cắt mạch phân tử
tạo thành các phân tử có mạch ngắn hơn, thường được gọi là các oligome.
Mạch chitin-chitosan có thể bị thủy phân trong môi trường axit làm đứt
liên kết β-glucozit tạo thành các oligosaccarit, disaccarit hoặc phân hủy đến
cùng tạo ra các monome.
Phản ứng xảy ra như sau [10, 12, 30]:

Nguyễn Thị Thoảng

15

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

OH

Trường ĐHSP Hà Nội 2

OH
O

HO

OH
O

O HO
NHCOCH3

n

+HCl

O
NH2

OH
O

HO

O
O

NHCOCH3

m

+
x

HO

O
NH2

y

x <
Sơ đồ 1.4: Quá trình thủy phân chitosan bằng axit clohidric
1.2.3. Phƣơng pháp điều chế chitin-chitosan
1.2.3.1. Tách chitin từ vỏ phế thải
Phần lớn α-chitin được sản xuất từ vỏ tôm và mai cua. Nguyên tắc
chung để điều chế chitin là loại bỏ muối khoáng (chủ yếu là canxicacbonat)
protein và các chất màu ra khỏi phế liệu thủy hải sản. Hai phương pháp chủ
yếu được áp dụng để tách chitin-chitosan là phương pháp hóa học và phương
pháp lên men sinh vật.
* Theo phương pháp hóa học
Quá trình điều chế chitin được thực hiện theo các bước: tách khoáng,
tách protein và khử màu. Muối khoáng thường được tách ra bằng cách xử lý
nguyên liệu với dung dịch axit HCl, protein bị thủy phân trong môi trường
kiềm, chất màu được loại bỏ bằng dung môi hoặc tác nhân oxi hóa. Trong quá

trình xử lý một số nhóm axetamit trong các mạch đại phân tử chitin bị thay
thế bởi nhóm amino do phản ứng deaxetyl hóa, vì vậy chitin sau khi xử lý có
độ deaxetyl hóa trung bình ≈ 0,1.
Quá trình điều chế chitin bằng phương pháp hóa học có nhược điểm là
tiêu tốn năng lượng, tạo ra một số thể tích lớn nước thải chứa nhiều NaOH,
HCl gây ăn mòn và ô nhiễm nặng, đồng thời rất khó tách các sản phẩm còn có
giá trị như chất màu, protein. Nhưng điều quan trọng hơn cả là tính không ổn
định của quá trình mà từ đó dẫn đến sự thay đổi độ axetyl hóa và trọng lượng
phân tử của chitin [30, 31].
* Phương pháp lên men vi khuẩn axit lactic

Nguyễn Thị Thoảng

16

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Nguyên tắc của phương pháp [8, 30]: Vi khuẩn sinh ra axit lactic
(LAB-lactic axit bacterial) tự do có trong phủ tạng của phế thải (vỏ tôm, cua,
…) với một lượng rất nhỏ cùng một lượng thuần chủng được bổ sung có tác
dụng bảo quản và thủy phân phế thải. Hỗn hợp lên men gồm: vỏ phế thải, axit
lactic, dung dịch gluco. Trong quá trình lên men, LAB sản sinh ra axit lactic
làm giảm pH của dung dịch, tạo điều kiện cho quá trình thủy phân protein,
thủy phân khoáng, tạo thành các lactate canxi, magie… là những chất tan
được trong nước. Bằng cách li tâm, phần dung dịch lỏng giàu protein và

khoáng chất đã hòa tan được tách khỏi phần chitin không hòa tan, phần còn
lại là chitin thô. Để có chitin sạch có thể xử lý tiếp bằng một lượng nhỏ axit
và kiềm nhưng chỉ cần ở nồng độ thấp hơn nhiều: HCl 1M, NaOH 1-2M [2].
So với phương pháp hóa học thì phương pháp này có nhiều ưu điểm
hơn: ít gây ô nhiễm, tiết kiệm năng lượng và lượng nước rửa nên chi phí thấp,
cấu trúc sản phẩm không bị thay đổi nhiều do điều kiện xử lý êm dịu hơn và
đặc biệt ít gây ô nhiễm môi trường.
1.2.3.2. Điều chế chitosan
Chitosan là sản phẩm deaxetyl hóa của chitin. Chitosan thương mại có
nhiều loại với độ deaxetyl hóa khác nhau thường được điều chế bằng cách
deaxetyl hóa chitin trong môi trường kiềm nồng độ 40-50% ở 100-130oC
trong 24h. Phản ứng deaxetyl hóa xảy ra như sau:
OH

OH

O
HO

dd

O

HO

O
NHCOCH3

OH

O

NaOH, t0

O
NH2

n

HO
x

O
NHCOCH3

y

Sơ đồ 1.5: Điều chế chitosan
Chitosan thu được theo phương pháp này có DDA lên đến 90%. Để thu
được chitosan có độ deaxetyl hóa cao hơn phải tiến hành phản ứng lặp đi lặp

Nguyễn Thị Thoảng

17

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

lại nhiều lần [31]. Phản ứng deaxetyl hóa β-chitin diễn ra dễ dàng hơn nhiều
so với α-chitin: Từ các mẫu β-chitin và α-chitin có DDA tương đương nhau
(≈10%) tiến hành phản ứng deaxetyl hóa trong NaOH 30% ở 100 oC với thời
gian 2h thu được β-chitosan với DDA≈70% trong khi đó đối với α-chitin giá
trị đó là ≈20% [31].
1.2.4. Độ axetyl hóa – độ đề axetyl hóa
Độ axetyl hóa (DA – Degree of Acetylation) là hàm lượng nhóm (NHCOCH3) còn độ deaxetyl hóa (DDA-Degree of deacetylation) là hàm
lượng nhóm (-NH2) trong chitin và chitosan. Trong đó, DDA=100-DA, đối
với chitin thì DA>DDA, đối với chitosan thì DAchitin tan trong nước.
Tính chất của chitin cũng như chitosan phụ thuộc rất nhiều vào độ
deaxetyl hóa (DDA), dựa vào DDA ta có thể phân biệt được chitin và
chitosan. DA và DDA cũng ảnh hưởng đến tính chất của vật liệu polysacarit
và đôi khi có tính chất quyết định đến khả năng sử dụng của chúng trong các
lĩnh vực khác nhau như y học, dược phẩm, môi trường, nông nghiệp… . Do
đó việc xác định DDA (hay DA) một cách chính xác và đơn giản là vấn đề rất
quan trọng và cần thiết. Có rất nhiều phương pháp để xác định DA của chitinchitosan như: Phân tích nguyên tố [24, 25, 57], phương pháp phổ như phổ
hồng ngoại (IR) [11,14, 15, 22, 65], phổ tử ngoại (UV)[5] phổ cộng hưởng từ
hạt nhân (NMR)[21, 25, 65, 48, 53], phương pháp chuẩn độ điện thế [20, 57].
Trong các phương pháp xác định DA đã được áp dụng thì phổ IR là
phương pháp thuận tiện trong trường hợp mẫu ở trạng thái rắn, không hòa tan
trong các dung môi [52]. Đối với chitosan thì phổ 1H-NMR là phương pháp
nhanh, chính xác và có độ nhạy cao, đo trong dung môi D 2O[66];
CD3COOD/D2O[21, 25, 58] hoặc DCl/D2O [21].

Nguyễn Thị Thoảng

18

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

* Xác định độ axetyl hóa bằng phương pháp phổ IR
Độ axetyl hóa DA được tính theo công thức của Roberts G.F

DA(%)

A1655
115
A3450

Trong đó: A1655 – diện tích dải hấp thụ tại bước sóng 1655cm-1 đặc
trưng cho dao động hóa trị γC-0
A3450 – diện tích dải hấp thụ tại bước sóng 3450cm-1, đặc trưng cho dao
động hóa trị γ0-H
* Xác định độ axetyl hóa (DA) bằng phương pháp phổ NMR.
Mẫu dung dịch chitin-chitosan được đo ở phổ NMR trên máy Adevance
400 MHz, dung môi D2O/CD3COOD tỉ lệ 95/5V/V cho các pic 6(ppm) =1,98
(tương đương với nhóm CH=O); 3,17(ppm) của H2 ở GlcN; 3,53-3,94(ppm)
của H1 ở GlcN và 4,86-4,88 H1’ ở mắt xích GlcNAc. DA của mẫu được xác
định theo công thức
IH 1
DA

IAc
3

IAc
IH 1 IH 2 IH '1
3

x100%

Trong đó: I cường độ của các pic
H1’ là nguyên tử H ở nhóm GlcNAc
H1 là nguyên tử H ở nhóm GlcN
H2 là nguyên tử H thứ hai của mắt xích GlcN
Ac là pic của 3 nguyên tử h tương đương trong nhóm CH3
* Xác định độ deaxetyl hóa (DDA) theo phương pháp chuẩn độ điện
thế

Nguyễn Thị Thoảng

19

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Cho 0,5g chitosan (cân chính xác) hòa tan trong 0,1M HCl. Dung dịch
được chuẩn với 0,1M NaOH, độ deaxetyl hóa được xác định như sau

NH2%
Trong đó:

100

0,016(C1V1 C2V2 )
G(100 W )

C1: nồng độ của HCl (mol/lit)
C2: nồng độ của NaOH (mol/l)
V1: thể tích của HCl (ml)
V2: thể tích NaOH (ml)
G: trọng lượng mẫu (g)
W: phần trăm ẩm của mẫu
0,016 là khối lượng của –NH2 cân với 0,1 ml dung dịch

0,1 mol/l HCl.
Độ deaxetyl hóa:

DDA

NH 2 %
100%
9,94%

Trong đó: 9,94% lý thuyết –NH2
* Xác định độ deaxetyl hóa (DDA) bằng phương pháp phân tích
nguyên tố (EA)
Mẫu làm khô hoàn toàn trong tủ sấy ở 60oC, trong 48h trước khi đưa
mẫu để phân tích EA. Tất cả các phân tích EA đều được thực hiện với máy

perkin elmer 2400-II, độ deaxetyl hóa theo phân tích nguyên tố được xác định
bởi phương trình

C
5,14
N
DDA [1
] 100%
1,72

Nguyễn Thị Thoảng

20

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Trong đó C/N là tỉ lệ cacbon với nitơ
1.2.5. Một số sản phẩm biến tính chitin-chitosan
Các hướng biến tính chitin-chitosan để tạo ra các sản phẩm khác nhau
dựa vào khả năng phản ứng của các nhóm chức –OH và –NH2 có trong phân
tử chitin-chitosan [23, 33].
1.2.5.1. Dẫn xuất N-ankyl chitosan
Các dẫn xuất N-ankyl chitosan được tạo ra chủ yếu từ phản ứng ankyl
hóa khử của chitosan với tác nhân phản ứng có nhóm -CHO theo hai giai
đoạn: giai đoạn hình thành bazơ Schiff (chứa các liên kết imin và ketimin) và

giai đoạn khử liên kết imin, ketimin thành liên kết đơn. Quá trình xảy ra như
sau:
OH

OH

OH
O

HO

RCHO

O
NH2

O
HO

NaCNBH3

O
N=CHR

x

O
HO

O

NHCH2R

x

x

Sơ đồ 1.6: Quá trình tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan
Phản ứng loại này được tiến hành trong hỗn hợp dung dịch nước của
axit axetic với metanol và dễ dàng đạt đến DS= 1 [30].
Theo phương pháp trên, nhiều dẫn xuất với các ứng dụng khác nhau đã
được một số tác giả tổng hợp. Tiến hành phản ứng ankyl hóa – khử chitosan
với salixylandehyt hoặc phtalandehyt nhận được các dẫn xuất có khả năng
tạo phức với ion kim loại tốt hơn chitosan.
Ngoài ra, có thể tổng hợp dẫn xuất N-ankyl chitosan bằng phản ứng
giữa chitosan và halogenua hoặc các dẫn xuất halogen.
Dẫn xuất tan trong nước N,N,N-trimetyl chitosan đã được tổng hợp từ
phản ứng của chitosan với CH3I với sự có mặt của NaI và N-metyl-2pyrolidon/NaOH. Phản ứng xảy ra như sau [13]:

Nguyễn Thị Thoảng

21

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

OH

OH
O

HO

CH3I

O
NH2

O
HO

O
N(CH3)3

n

n

Sơ đồ 1.7: Phản ứng tổng hợp N,N,N-trimetyl chitosan
1.2.5.2. Dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan
Các dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan được điều chế bằng phản ứng
ankyl hóa – khử là dẫn xuất có cấu trúc đã được định rõ vì đây là phản ứng
chọn lọc vào vị trí nhóm amino [30]. Phản ứng tổng hợp xảy ra như sau:
OH

OH
O

HO

O
NH2

O

RCO(CH2)nCOOH
NaCNBH3

HO

O
NHCHR(CH2)nCOOH

m

m

Sơ đồ 1.8: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan
Theo phương pháp trên một số dẫn xuất đã được tổng hợp như dẫn xuất
N-cacboxymetyl chitosan, N-cacboxybutyl chitosan.
Trong quá trình tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan, ban đầu
chitosan phản ứng với axit glyoxylic trong môi trường axit tạo thành dạng
bazơ Schiff, sau đó dưới tác dụng của tác nhân NaCNBH3 sẽ chuyển thành
dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan [43, 50].
OH

H

O=C-COOH
NaCNBH3

O
O

HO
NH2

n

OH
O
O

HO
NH

n

CH2COOH

Sơ đồ 1.9: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxymetyl chitosan
Ở điều kiện thích hợp, ngoài dẫn xuất thế một lần tạo tạo dẫn xuất Ndicacboxymetyl chitosan – một dẫn xuất tan trong nước [1]. Dẫn xuất Ncacboxymetyl chitosan là một loại vật liệu sinh học đầy tiềm năng, được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực như y dược, mỹ phẩm, hấp thụ kim loại nặng ứng
dụng trong xử lý môi trường [30, 64].

Nguyễn Thị Thoảng

22

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Các dẫn xuất N-cacboxybutyl chitosan và 5-metylpyrolidion chitosan
tan tốt trong nước và là những vật liệu có hoạt tính sinh học cao.
Các dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan cũng có thể được tổng hợp từ
phản ứng chitosan có độ deaxetyl hóa cao với axit monocloankanoic. Phản
ứng được thực hiện trong môi trường ethanol/kiềm:
OH

OH
O

HO

O
NH2

O

ClCH2(CH2)nCOOH
HO

O
NHCH2(CH2)nCOOH

m

m

Sơ đồ 1.10: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-cacboxyankyl chitosan trong môi
trường ethanol/kiềm
Theo phương pháp này có thể tổng hợp N-cacboxypropyl chitosan và
N-cacboxybutyl chitosan. Các nghiên cứu cho thấy, cả hai dẫn xuất này đều
có khả năng tan tốt trong nhiều hệ dung môi và có khả năng kháng khuẩn
E.coli S.aureus tốt hơn so với chitosan.
1.2.5.3. Dẫn xuất N-axyl chitosan
Chitin không tan được trong các dung môi thích hợp cho phản ứng
axetyl hóa nên phản ứng này thường thực hiện trong điều kiện dị thể. Phản
ứng axetyl hóa hoàn toàn chitin bằng anhidrit axetic (Ac2O) có thể thực hiện
được trong môi trường axit metansunfonic (CH3SO2OH) [45]. Hỗn hợp axit
tricloaxetic-1,2-đicloetan cũng là một dung môi tốt cho chitin khi tiến hành
phản ứng axetyl hóa, nhưng môi trường axit mạnh sẽ làm phân hủy mạch
chitin [30]. β-chitin cũng không tan trong các dung môi thông thường nhưng
có khả năng trương trong nhiều dung môi hữu cơ như metanol. Do đó, nhóm
amino tự do có trong β-chitin có thể được axetyl hóa trực tiếp trong metanol
bởi Ac2O để tạo thành chitin thuần nhất –poly( N-axetyl-D-glucosamin). Đối
với α-chitin trong cùng điều kiện này thì phản ứng axetyl hóa không diễn ra
[32].

Nguyễn Thị Thoảng

23

K34A – Khoa Hóa học

Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

OH

OH

OH
O

O
HO

HO

O

O
NHAc

NH2

Ac2O
MeOH

O
HO

O
NHAc

y

x

n

Sơ đồ 1.11: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất N-axyl chitosan
Nhiều dẫn xuất N-axyl chitosan khác cũng đã được tổng hợp theo
phương pháp trên như: Dẫn xuất N-propionyl chitosan, N-butyryl chitosan, Nhexanoyl chitosan, N-octanoyl chitosan, N-lauroyl chitosan, N-benzoyl
chitosan…vv. Các dẫn xuất này được ứng dụng chủ yếu trong công nghiệp
dệt, chất tạo màng [17].
1.2.5.4. Dẫn xuất O-axyl chitosan
Các dẫn xuất O-axyl chitosan có thể được tổng hợp từ phản ứng của
chitosan với các anhidric axit, halogen axit theo sơ đồ sau:
OH

OH
HO

HO

O
NH2

OR
O

O

O
NHAc

x

y

ROX
Piridin
(X=R, hal)

O
HO

O
NHOR

n

Sơ đồ 1.12: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-axyl chitosan
Có thể thực hiện phản ứng axetyl hóa theo phương pháp trên. Kết quả
nghiên cứu cho thấy, phản ứng axetyl hóa có thể xảy ra hoàn toàn mà không
có phản ứng phụ khi xử lý β-chitin ở dạng huyền phù với Ac2O trong pyridin
dưới tác dụng của xúc tác 4-đimetyl aminopyridin (DMAP)[32].
Axetyl hóa dần dần chitosan ở dung dịch đồng thể trong axit
axetic/metanol hoặc axit axetic [30] nhận được sản phẩm tan được trong nước
với tính tan lớn nhất ở DA≈0,5. Tuy nhiên, ngoài dẫn xuất thế vào nhóm -OH

còn kèm theo sự thế vào nhóm -NH2.
1.2.5.5. Dẫn xuất O-cacboxyankyl chitin-chitosan

Nguyễn Thị Thoảng

24

K34A – Khoa Hóa học


Khóa luận tốt nghiệp

Trường ĐHSP Hà Nội 2

Các dẫn xuất O-cacboxyankyl chitosan thường được tổng hợp từ phản
ứng của chitin-chitosan với axit monohalogenankanoic trong môi trường kiềm
đặc, phản ứng xảy ra như sau:
OH
O
HO

Cl(CH2)nCOOH

O

O(CH2)nCOOH
O
HO

NHCOCH3

O
NHCOCH3
n

n
Chitin

O-carboxyankyl chitin

Sơ đồ 1.13: Phản ứng tổng hợp dẫn xuất O-cacboxyankyl chitin-chitosan
Dẫn xuất O-cacboxymetyl chitin/chitosan (O-CMC) đã được tổng hợp
theo phương pháp trên [29].
OCH2COOH
O
HO

O
NHCOCH3
n

O-carboxymethyl chitin

Phản ứng tổng hợp O-CM-chitin xảy ra ở điều kiện dị thể, với sự có
mặt của NaOH. O-CM-chitin đã được nghiên cứu rất kỹ về phương pháp
tổng hợp, khảo sát tính chất hóa lý, nghiên cứu miễn dịch học, nghiên cứu khả
năng bị thủy phân bằng lysozym và CM-chitin đã được Bộ Y tế Nhật Bản cho
phép sử dụng trong lĩnh vực chăm sóc da [39, 54, 59].
1.2.5.6. Dẫn xuất O-ankyl chitosan
2-Hydroxyetyl-chitin (glycol-chitin) là một trong các dẫn xuất O-ankyl

chitosan tan trong nước trung tính đã được thương mại hóa. Glycol-chitin
được điều chế bằng cách xử lý chitin kiềm với etylen oxit. Do phản ứng được
thực hiện trong môi trường kiềm đặc nên phản ứng deaxetyl hóa cũng diễn ra
đồng thời.

Nguyễn Thị Thoảng

25

K34A – Khoa Hóa học